Как найти расстояние через закон кулона

Закон Кулона

Закон Кулона основан на закономерности, согласно которой оба заряда действуют друг от друга. Причем сила напрямую зависит от величины этих зарядов и расстояния между ними.

Закон Кулона имеет довольно простую формулировку. Если говорить математическим языком, то сила взаимодействия двух зарядов прямо пропорциональна их величине и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Более простое объяснение с примерами применения закона рассмотрим в этой статье.

Определение и формулировка закона Кулона

Закон Кулона представляет собой физической закон, который описывает взаимодействие двух электрических зарядов, которые соответствуют одновременно всем требованиям:

• неподвижные (пребывают в состоянии покоя либо равномерного прямолинейного движения);
• находятся в вакууме (условное допущение, поскольку на самом деле в природных условиях Земли вакуума нет);
• являются точечными (являются материальными точками, размерами которых можно пренебречь).

Формулировка закона следующая: сила, с которой взаимодействуют два электрических заряда, прямо пропорциональна произведению величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль линии, которая проходит через центры этих зарядов.

Причем направления сил могут быть такими:

• друг к другу;
• в противоположных направлениях.

В первом случае речь идет о противоположных зарядах. Как известно, положительный притягивается к отрицательному, и наоборот. Поэтому получается так, что силы направлены друг ко другу. Например, северный полюс магнита притягивается к южному, а южный – к северному.

это интересно
Вместе с экспертом разберем формулировку, формулу и задачи на закон Ома с решением

Во втором случае речь идет о зарядах одинаковых знаков: оба положительные либо оба отрицательные. Тогда они отталкиваются, то есть силы направлены в противоположных направлениях. Такое явление наблюдается, если приложить магниты одинаковыми полюсами – север к северу либо юг к югу.

Полезная информация о законе Кулона

Наглядно представить полезную информацию о законе можно в виде таблицы.

Определение закона	Два заряда взаимодействуют с силой, прямо пропорциональной их величине и обратной пропорциональной квадрату расстояния между ними
Формула	F1,2 = k • q1• q2 /r 2
Требования к зарядам	Неподвижные, находятся в вакууме, точечные
Направления сил	На одной линии в одну сторону либо в противоположные
Формула коэффициента k	k = 1 /(4 • π • Ɛ0)
Значение коэффициента k	k = 9 • 10 9 Н•м 2 /Кл 2
Единица измерения F	Ньютон (Н)
Единица измерения q	Кулон (Кл)
Единица измерения r	Метр (м)

Формула закона Кулона

Представленный выше закон описывается такой математической формулой:

Под F_1,2 имеется в виду сила взаимодействия зарядов q₁ и q₂. Под r понимается расстояние между этими зарядами, а k представляет собой коэффициент пропорциональности. Это постоянная величина, которая определяется по формуле:

Здесь Ɛ₀ представляет собой электрическую постоянную, равную 8,85 • 10 -12 Кл 2 /Н•м 2 , а π – иррациональное число, значение которого примерно равно 3,14159. Произведя расчет, легко определить, что k = 9 • 10 9 Н•м 2 /Кл 2 . Но такое число смотрится несколько громоздко, поэтому для простоты его обозначают буквой k.

Коэффициент вводится для того, чтобы согласовать единицы измерения в системе интернациональной (СИ) и метрической (СГС). Записать формулу закона Кулона в СИ необходимо именно с этим коэффициентом. Если же работать в менее распространенной метрической системе, то k=1, поэтому формула несколько упрощается:

Из этой записи более наглядно можно увидеть суть закона Кулона. Уравнение показывает, что взаимодействие между зарядами тем больше, чем больше сила этих зарядов, но в то же время оно тем меньше, чем больше квадрат расстояния между ними. Это интуитивно понятное правило: действительно, чем сильнее заряжены тела, тем сильнее они будут притягиваться друг к другу. Но эта сила притяжения тем слабее, чем больше расстояние (а точнее, его квадрат).

Стоит понимать, что сила является векторной величиной, то есть она имеет не только конкретное значение, но и направление приложения. Как уже говорилось, закон Кулона предполагает, что сила взаимодействия проходит вдоль воображаемой линии, которая соединяет центры двух зарядов.

Причем в данном случае соблюдается и третий закон Ньютона, гласящий, что сила действия и сила противодействия равны по модулю (значению), но противоположны по направлению. Проще говоря оба заряда действуют друг на друга с одинаковой силой, но ее направление противоположно и лежит на линии, которая проходит через их центры.

Поэтому можно привести и такое уравнение, описывающее закон:

\(\left|F_1\right|=\left|F_2\right|=F_<1,2>=\frac\)

Здесь под |F₁| имеется в виду модуль (числовое значение) силы, с которой первый заряд воздействует на второй. Соответственно под |F₂| понимается модуль силы, с которой второй заряд воздействует на первый. По сути, это и есть сила взаимодействия F_1,2, о которой шла речь в исходной формулировке. В честь открывателя закона ее нередко называют кулоновской.

это интересно
Закон Паскаля
Объяснение закона простыми словами и его формула

Применение закона Кулона

На первый взгляд может показаться, что закон Кулона имеет значение лишь для фундаментальной науки. Но на самом деле он широко применяется и на практике. Один из ярких примеров – установка молниеотводов (их часто ошибочно называют громоотводами) на крышах зданий.

Дело в том, что во время грозы близ поверхности Земли появляются большие заряды, которые порождают сильное электрическое поле. Причем его напряженность достигает максимальных значений на шпилях проводников, коими и являются молниеотводы. Поэтому здесь возникает коронный разряд, после чего в воздухе образуются ионы, а напряженность падает. Знание закона Кулона в данном случае помогает определить направление движения по линии от Земли к грозовому облаку.

Есть и другое направление применения закона – в устройстве ускорителя частиц (коллайдере). Внутри него создают электрическое поле, которое влияет на частицы, повышая их заряд. Они взаимодействуют между собой опять же согласно закону Кулона. Благодаря подобным исследованиям справедливость описанных выше уравнений многократно подтверждена.

Задачи на закон Кулона с решением

В школьном курсе предусмотрены разные типовые задачи на закон Кулона. Ниже подробно рассмотрим несколько примеров с решениями.

Задача 1

Два шарика находятся на расстоянии 20 см друг от друга и взаимодействуют в вакууме с силой 0,3 мН. Их заряды одинаковы по модулю. Найдите число некомпенсированных электронов N на каждом шарике.

По условиям задача дано:

r = 20 см;
F = 0,3 мН;

Постоянная e = 1.6•10 -19 Кл;

Электродвижущая сила Ɛ = 1;

Коэффициент k = 9•10 9 Н•м 2 /Кл 2

Решение

Согласно закону Кулона для данной задачи F = k•q 2 / (Ɛr 2 ). Причем модуль каждого заряда находится как q = eN, где e – это элементарный заряд, равный 1,6•10 -19 Кл. Подставляя его в формулу, получаем: F = k•(eN) 2 /(Ɛr 2 ).

Преобразовав ее, запишем так:

\(\sqrt\;и\;N=\frac re\cdot\sqrt\)

Далее все единицы переводят в систему СИ и, подставив значение в представленную формулу, получают N = 2,3*10 11 .

Задача 2

Заряд одного шарика больше заряда второго в n раз. При этом заряды разноименные (положительный и отрицательный). Их приблизили друг к другу до соприкосновения, а затем удалили на расстояние, которое вдвое больше. Как изменилась сила взаимодействия между шариками?

По условиям задачи дано:

Требуется определить, во сколько раз сила второго взаимодействия F₂ больше, чем сила первого F₁.

Решение

Задача 3

Есть два разноименных заряда q₁ = 2•10 -4 Кл и q₂ = -8•10 -4 Кл. Они находятся на расстоянии 1 м друг от друга. Какой заряд q_x и где нужно разместить, чтобы вся система пребывала в равновесии?

Решение

Поскольку заряды разноименные, они притягиваются друг к другу с силами F₁ и F₂. Чтобы уравновесить систему, нужно, чтобы при помещении заряда q_x действовали точно такие же силы по своим значениям, но противоположные по направлению.

По модулям заряды одинаковы, то есть |q₁| = |q₂|. Поэтому заряд q_x следует расположить так, чтобы силы, которые действуют на q₁ и q₂, стали одинаковыми. При этом q_x должен являться отрицательным зарядом, чтобы одновременно отталкиваться от q₂ и притягиваться к q₁. В этом случае будут выполняться равенства:

То есть система будет находиться в состоянии равновесия, что и требуется по условиям задачи.

3 темы, без которых не сдать ЕГЭ по физике

На экзамене даже простые вопросы могут вызывать трудности. Проверьте, все ли из этих тем вам известны

1. Сила трения и от чего она зависит
2. Что такое диффузия
3. Закон Паскаля и его формула простыми словами
4. Сколько существует видов механического движения
5. Как работает теплопроводность

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Алексей Ноян, преподаватель курса «Олимпиадный физический практикум» в Высшей школе экономики:

Как был открыт закон Кулона?

Закон Кулона показывает, как взаимодействуют два объекта, имеющие электрический заряд. Если заряды одного знака, объекты отталкиваются, если разного – притягиваются. Если заряд на одном из объектов увеличить в два раза, сила взаимодействия увеличится в два раза. Если расстояние между объектами увеличить в два раза, сила взаимодействия уменьшится в четыре раза.

Этот закон был открыт физиком Шарлем Кулоном в 1785 году. Он исследовал взаимодействие шаров, несущих электрический заряд. Для этого разработал крутильные весы – установку, которая позволяла измерять небольшие взаимодействия. Два шара соединяли стержнем, в центре стержня привязывали упругую нить и подвешивали всю конструкцию на этой нити.

Потом один из шаров заряжали электрическим зарядом и подносили к нему третий шар, также заряженный. Электрические заряды начинали взаимодействовать, нить немного закручивалась и стержень поворачивался. Проведя большое количество экспериментов, Кулон обобщил данные и сформулировал свой закон. Его закон оказался верен для любых объектов, имеющих электрический заряд, от электронов до галактик.

Пригодится ли знание закона кулона на ЕГЭ?

Для успешной сдачи ЕГЭ знать закон Кулона необходимо: это один из ключевых физических законов. Из-за простоты формулировки он используется во многих задачах школьного уровня.

Пригодится ли знание закона Кулона в жизни?

Бытовых проявлений закона Кулона в чистом виде не очень много. Приведу один пример: когда мы причесываемся, волосы и расческа приобретают электрический заряд и начинают взаимодействовать – притягиваются друг к другу.

Однако знание закона Кулона обязательно понадобится тем, кто будет заниматься научными или инженерными разработками. Все существующие объекты состоят из заряженных частиц, взаимодействие этих частиц лежит в основе всей современной техники.

Кроме того, закон Кулона очень похож на закон всемирного тяготения. Чтобы превратить один в другой, нужно немного изменить формулу: вместо заряда поставить массу. Поэтому многие выводы и математические выкладки можно переносить с закона Кулона на закон всемирного тяготения по аналогии.

Почему в 10 классе на физике изучают закон Кулона?

В школе закон Кулона входит в тему «Электричество», так как этот закон является фундаментальным, без него нельзя объяснить, что такое заряд и как происходят электрические явления на микроскопическом уровне. Многие учителя упоминают закон Кулона, начиная обсуждать электричество.

Напряженность и закон Кулона

Закон Кулона — сила, с которой два точечных заряда действуют друг на друга. Она обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна произведению их зарядов.

Заряды с одинаковым знаком отталкиваются, с разными — притягиваются. По III з. Ньютона сила действия одного заряда равна силе действия другого:

Наглядно рассказывается об этом в видео.
А напряженность — силовая характеристика электрического поля. По-простому: электрическое поле действует на заряд, и вот сила, с которой поле действует на заряд, и есть напряженность.

Напряженность НЕ зависит от величины заряда, помещенного в поле!

Задачи

Задача 1 Два одинаковых маленьких положительно заряженных металлических шарика находятся в вакууме на достаточно большом расстоянии друг от друга. Модуль силы их кулоновского взаимодействия равен F ₁ . Модули зарядов шариков отличаются в 5 раз. Если эти шарики привести в соприкосновение, а затем расположить на прежнем расстоянии друг от друга, то модуль силы их кулоновского взаимодействия станет равным F ₂ . Определите отношение F ₂ к F ₁ .

Скажем, что заряд одного шарика q, другого 5q. Тогда сила Кулона между ними:

А если теперь соединить два шарика, то общий заряд разделится пополам (на каждый шарик). Общий заряд 5q + q = 6q, тогда на каждом шарике окажется по 3q. Тогда сила Кулона:

Отношение получится таким:

Задача 2 Два одинаковых маленьких разноименно заряженных металлических шарика находятся в вакууме на достаточно большом расстоянии друг от друга. Модуль силы их кулоновского взаимодействия равен F ₁ . Модули зарядов шариков отличаются в 4 раза. Если эти шарики привести в соприкосновение, а затем расположить на прежнем расстоянии друг от друга, то модуль силы их кулоновского взаимодействия станет равным F ₂ . Определите отношение F ₁ к F ₂ .

Та же самая задача? А вот и нет, одно слово другое: разноименно вместо положительных. Это значит, что один шарик будет заряжен положительно, другой отрицательно. По сравнению с первым случаем сила Кулона никак не изменится по модулю (только по нарпавлению).

А вот после соприкосновения изменится. Общий заряд: 5q − q = 4q или q − 5q = − 4q, тогда на каждый шар пойдет по 2q:

Задача 3 На нерастяжимой нити висит шарик массой 100 г, имеющий заряд 20 мкКл. Как необходимо зарядить второй шарик, который подносят снизу к первому шарику на расстояние 30 см, чтобы сила натяжения: а) увеличилась в 4 раза; б) рассмотреть случай невесомости?

В начальный момент времени на шарик действуют две силы:

а) Чтобы сила натяжения увеличилась в 4 раза, сила Кулона должна быть направлена вниз, значит, нужно поднести отрицательно заряженный шарик. Запишем также уравнение на ось Y:

б) Невесомость возникает, когда сила натяжения равна нулю. Для этого нужно, чтобы сила Кулона была направлена вверх, значит, подносим положительный заряд:

Ответ: −1,5 мкКл, 500 нКл.

Задача 3 Фотон с длиной волны, соответствующей красной границе фотоэффекта, выбивает с поверхности пластинки электрон, который попадает в электрическое поле с напряженностью 125 В/м. Найти расстояние, которое он пролетит прежде, чем разгонится до скорости, равной 1% от скорости света.

В задаче говорится про электрон, значит, его массу m = 9,1×10⁻³¹ кг и заряд q = 1,6 × 10⁻¹⁹ Кл можно посмотреть в справочных данных.

Найдем ускорение электрона в электрическом поле:

Остается найти пройденный путь в равноускоренном движении при нулевой начальной скорости:

Задача 4 Полый заряженный шарик массой m = 0,4 г. движется в однородном горизонтальном электрическом поле из состояния покоя. Модуль напряженности электрического поля E = 500 кВ/м. Траектория шарика образует с вертикалью угол α = 45°. Чему равен заряд шарика?

Для начала разберемся, какие силы действуют на заряд:

Заряд движется под углом 45 градусов, значит, отношением сил будет тангенс 45°:

Задача 5 При нормальных условиях электрический «пробой» сухого воздуха наступает при напряжённости электрического поля 30 кВ/см. В результате «пробоя» молекулы газа, входящие в состав воздуха, ионизируются и появляются свободные электроны. Какую кинетическую энергию приобретёт такой электрон, пройдя в электрическом поле расстояние 10 ⁻⁵ см? Ответ выразите в электронвольтах. (ЕГЭ)

Задача кажется весьма тяжелой, но это обманчиво. Воспользуемся знакомой формулой напряженности:

Домножим на длину обе части, тогда слева получится работа, а работа — это изменение энергии:

Переводить сантиметры не обязательно, они сократятся. Чтобы перевести джоули в электронвольты, нужно разделить на 1,6 × 10⁻¹⁹

Задача 6 В вершинах равностороннего треугольника со стороной « а » находятся заряды +q, +q и -q. Найти напряженность поля Е в центре треугольника.

Покажем, как направлена напряженность: для двух положительных зарядов — от них (красные стрелочки), для отрицательного заряда — к нему (синяя стрелочка).

Угол между синим вектором и красным составляет 60°. Если продлить красный вектор до стороны, получится прямоугольный треугольник. Тогда, чтобы посчитать результирующую напряженность, спроецируем красные векторы на синий:

Остается разобрать на каком расстоянии находятся заряды от центра треугольника. Высоту треугольника можно найти по т. Пифагора, равна она а√3/2. А расстояние тогда составит 2/3 от высоты:

Задача 6 Два шарика с зарядами Q = –1 нКл и q = 5 нКл соответственно, находятся в однородном электрическом поле с напряженностью Е = 18 В/м, на расстоянии r = 1 м друг от друга. Масса первого шарика равна M = 5 г. Определите, какую массу должен иметь второй шарик, чтобы они двигались с прежним между ними расстоянием и с постоянным по модулю ускорением. (ЕГЭ — 2016)

Направим ось X вправо и покажем, какие силы действуют на каждый заряд.

На положительный заряд электрическая сила действует по линиям напряженности, для отрицательного заряда все наоборот. Силы кулона направлены к зарядам, они разноименные. Составим уравнение для каждого заряда:

Сумма всех сила равна ma, потому что в условии сказано, что шарики двигаются с постоянным ускорением, а чтобы расстояние не менялось, двигаться они должны в одном направлении.

Разделим одно уравнение на другое и выразим массу:

Задача 7 Четыре маленьких одинаковых шарика, связанных нерастяжимыми нитями одинаковой длины, заряженызарядами q, q, q и 2q. Сила натяжения нити, связывающей первый и второй шарики, равна T. Найти силу натяжения нити, связывающейвторой и третий шарики. (Росатом)

Покажем, каким силам противодействует сила натяжения Т. Воспользуемся принципом суперпозиции и законом Кулона:

Сила натяжения Т удерживает первый шарик, других сил для него нет, значит, больше ничего для первого случая не требуется.

Как проще это запомнить: проводим линию перпендикулярно той нити, о которой говорим (красная черточка), после записываем только те силы между шариками, которые появляются по разные стороны от проведенной линии:

Теперь также составим уравнения для силы натяжения между вторым и третьим шариком:

Распишим каждое уравнение по закону кулона, скажем, что расстояние между соседними шариками равно «а»:

Второе уравнение с подстановкой выражения из первого:

Задача 8 Точечный заряд, расположенный в точке C, создаёт в точках A и B поле с напряжённостью Ea и Eb соответственно (см. рисунок; угол ACB — прямой). Найти напряжённость электрическогополя, создаваемого этим зарядом в точке M, являющейся основанием перпендикуляра, опущенного из точки C на прямую AB. (Росатом)

Запишем, чему равна напряженность в каждой из этих точек, взяв длины отрезков за a; b; h:

Площадь прямоугольного треугольника можно найти как полупроизведение катетов или как полупроизведение высоты и основания:

Возведем в квадрат получившиеся уравнение, а дальше смертельный номер: возводим в −1 степень и домножаем обе части на kq:

Выразим a² и b² через напряженность:

Задача 9 Частицы с массами M и m, и зарядами q и −q соответственно вращаются с угловой скоростью ω по окружностям вокруг оси, направленной по внешнемуоднородному электрическому полю с напряжённостью E (рис.). Найдите расстояние L между частицами и расстояние H между плоскостями их орбит. (Всеросс. 2008)

Накрест лежащие углы при параллельных прямых (движения частиц) и секущей силы Кулона равны α. Покажем какие силы действуют на каждую частицу:

Запишем уравнения по осям на верхнюю частицу:

На нижнюю частицу:

Построим два треугольника, которые показывают расстояние между частицами и высоту между ними.

Разделим уравнения друг на друга, а также выразим тангенс угла из этих треугольников:

Сложим два уравнения, чтобы найти расстояние между плоскостями:

Пункт «а» решили, теперь с расстоянием разберемся: выразим из ур-ия (1) длину, а дальше из треугольника выразим синус угла альфа:

Вместо Н подставим то, что мы нашли:

Задача 10 В точке O к стержню привязана непроводящая нить длиной R c зарядом q на конце. Известный эталонный заряд Q ₂ и измеряемый заряд Q ₁ установлены на расстояниях L ₂ и L ₁ от точки O. Все заряды одногознака и могут считаться точечными. Найдите величину заряда Q ₁ , если в состоянии равновесия нить отклонена на угол β от отрезка, соединяющегозаряды Q ₂ и Q ₁ . (Всеросс. 2018)

Проведем оси, подпишем расстояние от Q₁ до q и от Q₂ до q. Запишем ур-ия сил на каждую ось:

Не хочется мучиться с силой натяжения нити, поэтому займемся ур-ем на ось Y:

Из прямоугольных треугольников можно получить такие соотношения, а также из теоремы косинусов выразить S₁ и S₂:

Подставим в ур-ие (1):

В качестве закрепления материала решите несколько похожих задач с ответами.

Формула расстояния между зарядами

Расстояние между зарядами можно выразить из формулы закона Кулона.
F=k*q1*q2 / r^2 ( F=сила взаимодействия зарядов, q1,q2 — модули зарядов, r — расстояние между зарядами ). Отсюда r=корень квадратный из k*q1*q2 / F .
Если взаимодействие не в вакууме, а в какой-то среде, в формуле закона Кулона
в Знаменателе еще будет диэлектрическая проницаемость среды ( эпсилон) , взятая из таблицы.

Остальные ответы

массы относятся как квадраты расстояния

Валентина, вы все правильно написал

черти чертеж, на прямой q1, q2, посредине q3
точку, где расположен q3-назови 1, точку, куда надо переместить заряд q3-2?
A=q3(Ф (1)-ф (2)), где ф (1)-суммарный потенциал в т. 1, ф (2) -суммарный потенциал в т. 2-созданный зарядами q1иq2
r1=r/2
ф (1)=(кq1/r1)+(kq2)/r1), теперь, когда заряд переместили на x, по т. Пифагора r2=((r/2)^2+x^2)^1/2, тогда
ф (2)=(kq1/r2)+(kq2/r2)
теперь подставишь все в А, решишь уравнение, найдешь q3,
r=0,2м, x=0,5м. q1=2*10^-9Kл, q2=2*10^-9Kл ,
A=25*10^-9Дж.. .Все.. .

Похожие вопросы

Закон Кулона: формула и применение в задачах

Прежде, чем изучать закон Кулона, необходимо вспомнить, что такое точечный заряд. А также как взаимодействуют заряды в вакууме.

Точечный заряд — это заряд, размеры носителя которого малы по сравнению с расстоянием между заряженными телами. Напомним, что заряды с одинаковым знаком могут только отталкиваться, а с разным притягиваться.

Закон Кулона звучит следующим образом: два неподвижных точечных электрических заряда в вакууме взаимодействуют с силой, прямо пропорциональной произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Закон Кулона записывается так:

Задача 1

Два одинаковых заряженных шарика находятся на расстоянии 4 см и притягиваются с силой, равной 9 мН. Определите заряд каждого шарика.

Задача 2

В вершинах равностороннего треугольника со стороной 15 см расположено три одинаковых точечных заряда. А именно: q1 = q2 = q3 = 3нКл. Определите направление и модуль силы, действующей на один из зарядов со стороны двух других.

Задача 3

На расстоянии 1м расположены два положительных точечных заряда, а именно: q и 9q. Найдите, в какой точке на прямой, соединяющей эти заряды, следует расположить третий заряд, чтобы он находился в равновесии?

Больше полезных материалов по физике читайте в разделе блога «Учебник» ��