Напряженность физика: Ошибка 403 — доступ запрещён — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей

Урок 61. Физика 10 класс

На этом уроке мы познакомимся с одной из характеристик электрического поля – напряженностью. Также мы познакомимся с принципом суперпозиции полей.

Конспект урока «Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей»

Напомним, что не так давно мы познакомились с понятием электрического поля. Электрическое поле — это особая форма материи, которая создается покоящимися электрическими зарядами и оказывает воздействие на другие заряды.

Для того, чтобы каким-то образом описать электрическое поле, необходимо ввести количественную характеристику, которая называется напряженностью электрического поля. Рассмотрим электрическое поле, создаваемое зарядом q₁. Мы можем помещать в разные точки этого поля заряд q₂ и измерять силу, с которой поле заряда q₁ действует на заряд q₂.

Исходя из закона Кулона:

Таким образом, отношение силы, действующей на заряд со стороны поля, к величине этого заряда не зависит от самого заряда:

Поэтому, можно считать это отношение характеристикой поля. Итак, напряженность электрического поля — это отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля заряд, к величине этого заряда:

Как видно из формулы, единицей измерения напряженности поля является ньютон на кулон:

Напряженность электрического поля, как и сила, является векторной величиной.

Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы, действующей на положительный заряд, помещенный в данное поле.

Исходя из всего выше сказанного, мы можем найти напряженность электрического поля, созданного точечным зарядом:

Как видно из формулы, напряженность поля в данной точке прямо пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядом и данной точкой поля.

Рассмотрим простой пример, когда точечный положительный заряд создает электростатическое поле.

Модуль напряженности данного поля вычисляется по формуле, которую мы только что рассматривали. То есть напряженность будет убывать пропорционально квадрату расстояния между зарядом и данной точкой поля. Таким образом, во множестве точек, равноудаленных от заряда будет наблюдаться одинаковая напряженность. Как вы знаете, множество точек равноудаленных от центра — это есть ни что иное, как сфера.

Теперь, внесем в данное поле так называемый пробный заряд. Пробным зарядом называется точечный положительный заряд.

Как вы знаете, в данном случае возникнет кулоновская сила отталкивания:

Исходя из этого, мы можем определить направление вектора напряженности. Таким образом, мы можем заключить, что вектор напряженности будет направлен вдоль прямой, соединяющей заряд и данную точку поля.

Теперь внесем пробный заряд в поле, создаваемое отрицательным зарядом. В этом случае между отрицательным зарядом и пробным зарядом возникнет кулоновская сила притяжения. Поскольку напряженность сонаправлена с силой Кулона, мы можем заключить, что напряженность поля, создаваемого отрицательным зарядом, будет направлена не от заряда, а к заряду.

Возникает резонный вопрос: как охарактеризовать поле, если оно создается не одним, а несколькими зарядами? В этом случае, нам снова нужно воспользоваться пробным зарядом и рассмотреть, силы, действующие на него:

Итак, на рисунке пробный заряд обозначен за q₀. На него будут действовать кулоновские силы притяжения со стороны зарядов q₁ и q₃ (поскольку они отрицательные) и кулоновская сила отталкивания со стороны заряда q₂ (поскольку он положительный). Как вы знаете, результирующая сила равна векторной сумме всех сил, действующих на данное тело:

Если теперь мы разделим это уравнение на величину пробного заряда, то получим, что напряженность поля в данной точке равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых зарядами:

Этот метод называется принципом суперпозиции полей, который гласит следующее: если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля, с определенными напряженностями, то результирующая напряженность поля в этой точке будет равна векторной сумме напряженностей этих полей.

Пример решения задачи.

Задача. Два равных по модулю заряда находятся в вершинах равностороннего треугольника, сторона которого равна 2 м. Найдите модуль и направление напряженности в третьей вершине треугольника, если модуль заряда равен 150 нКл.

Предыдущий урок 60 Близкодействие и дальнодействие. Электрическое поле

Следующий урок 62 Силовые линии электрического поля. Напряженность заряженного шара

Получите полный комплект видеоуроков, тестов и презентаций Физика 10 класс

Чтобы добавить комментарий зарегистрируйтесь или войдите на сайт

Напряженность поля точечного заряда – формула электрического заряда кратко

4. 2}$$

Рис. 1. Закон Кулона.

Если рассмотреть поле, порождаемое зарядом $q$, то при фиксированном заряде $q_1$ и расстоянии $r$, сила взаимодействия между зарядами будет прямо пропорциональна величине заряда $q$. А значит, отношение этой силы к заряду $q$ не зависит от $q$, и может быть принято, как силовая характеристика поля.

Напряженность электрического поля — это отношение силы, действующей на пробный заряд, помещаемый в поле, к величине этого заряда.

$$\overrightarrow E={\overrightarrow F \over q}$$

Напряженность поля — векторная величина, имеющая то же направление, что и направление силы, действующей на положительный заряд.

Если в каждой точке поля изобразить вектор напряженности, то эти векторы сольются в линии, которые называются линиями напряженности. Они полностью характеризуют распределение поля в пространстве. На пробный положительный заряд, помещенный в поле, будет действовать сила, касательная к линии напряженности, проходящей через эту точку. 2}$$

Вектор напряженности лежит на линии, соединяющей точечный заряд с точкой, в которой находится напряженность. При этом вектор направлен в сторону заряда, если он отрицателен, и в противоположную, если он положителен.

Построив много таких векторов, можно получить картину линий напряженности поля точечного заряда. Линии будут начинаться на положительном заряде и радиальными лучами уходить в бесконечность. Если заряд отрицателен, то линии будут приходить в заряд радиальными лучами из бесконечности.

Чем ближе к заряду, тем линии будут располагаться гуще. Это иллюстрирует тот факт, что чем ближе к заряду, тем напряженность выше.

Рис. 3. Линии напряженности точечного заряда.

Что мы узнали?

Напряженность электрического поля — это отношение силы, действующей на пробный заряд, помещенный в поле, к величине этого пробного заряда. Поле можно изобразить в виде множества векторов напряженности, которые сливаются в линии. Линии напряженности поля точечного заряда являются радиальными лучами, уходящими в бесконечность.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 126.

А какая ваша оценка?

2.6: Нормальная сила и натяжение

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 46156

OpenStax
OpenStax

Цели обучения

Определить нормальную силу.
Объясните взаимосвязь между нормальной силой и кажущимся весом.
Описать свойства силы натяжения.
Применить законы движения Ньютона для анализа сил.

Силам дается много названий, например, толкание, тяга, тяга, подъемная сила, вес, трение и напряжение. Традиционно силы были сгруппированы в несколько категорий и получили имена, относящиеся к их источнику, способу их передачи или их воздействию. В этом разделе обсуждаются наиболее важные из этих категорий вместе с некоторыми интересными приложениями. Дальнейшие примеры сил обсуждаются далее в этом тексте.

Нормальная сила

Вес (также называемая силой тяжести) — это всепроникающая сила, которая действует постоянно, и ей необходимо противодействовать, чтобы объект не упал. Вы определенно замечаете, что должны поддерживать вес тяжелого объекта, отталкиваясь от него, когда держите его неподвижно, как показано на Рисунок $\PageIndex{1}$(a). Но как неодушевленные предметы, такие как стол, выдерживают вес размещенного на них груза, как показано на Рисунок $\PageIndex{1}$(b)? Когда пакет с собачьим кормом кладут на стол, стол немного прогибается под нагрузкой. Это было бы заметно, если бы груз был помещен на карточный стол, но даже твердые предметы деформируются при приложении к ним силы. Если объект не деформируется сверх своих пределов, он будет оказывать восстанавливающую силу подобно деформированной пружине (или батуту, или трамплину). Чем больше деформация, тем больше восстанавливающая сила. Таким образом, когда груз помещается на стол, стол прогибается до тех пор, пока возвращающая сила не станет такой же, как вес груза. В этот момент чистая внешняя сила, действующая на груз, равна нулю. Это ситуация, когда груз неподвижен на столе. Стол проседает быстро, причем провис небольшой, поэтому мы его не замечаем. Но это похоже на провисание батута, когда на него забираешься.

Рисунок $\PageIndex{1}$: (a) Человек, держащий пакет с собачьим кормом, должен приложить направленную вверх силу $\boldsymbol{F}_{\text {рука}}$ равную по величине и противоположно направлению веса пищи $w$. (b) Карточный стол прогибается, когда на него кладут корм для собак, как жесткий батут.

Упругие восстанавливающие силы в столе растут по мере его провисания, пока не создадут силу Н , равную по величине и противоположную по направлению весу груза.

Мы должны заключить, что все, что поддерживает груз, одушевленное оно или нет, должно создавать направленную вверх силу, равную весу груза, как мы предполагали в нескольких предыдущих примерах. Сила, поддерживающая груз, перпендикулярна поверхности контакта между грузом и его опорой, и эта сила называется0048 нормальная сила , часто обозначается символом Н (пожалуйста, не путайте это с аббревиатурой ньютона, единицы силы, Н). Слово нормальный означает перпендикулярно поверхности. Нормальная сила не всегда равна весу объекта, если на объект действуют другие силы или если объект ускоряется, так что результирующая сила не равна нулю.

Нормальная сила также имеет другое название: кажущийся вес . Это потому, что все силы, которые вы чувствуете, особенно ваше ощущение веса, напрямую связаны с контактными силами, такими как нормальная сила. Когда астронавты НАСА невесомо плавают на Международной космической станции, их фактический вес (гравитационная сила, действующая на них со стороны Земли) не равен нулю, но их кажущийся вес (ощущение веса из-за контактных сил) равен нулю.

Натяжение

Натяжение – это сила по длине среды, особенно сила, переносимая гибкой средой, такой как веревка или кабель. Слово «натяжение » происходит от латинского слова, означающего «растягивать». Не случайно гибкие шнуры, передающие мышечные силы к другим частям тела, называются сухожилиями . Любой гибкий соединитель, такой как струна, веревка, цепь, проволока или кабель, может натягивать только параллельно своей длине; таким образом, сила, переносимая гибким соединителем, представляет собой натяжение с направлением, параллельным соединителю. Важно понимать, что натяжение — это натяжение соединителя. В отличие от этого, рассмотрим фразу: «Вы не можете толкнуть веревку». Сила натяжения тянет наружу вдоль двух концов веревки.

Предположим, что человек держит груз на веревке, как показано на Рисунок $\PageIndex{2}$.

Рисунок $\PageIndex{2}$: Когда совершенно гибкий соединитель (не требующий усилия для его изгиба), такой как эта веревка, передает силу T , эта сила должна быть параллельна длине веревка, как показано. Натяжение такого гибкого соединителя представляет собой натяжение. Обратите внимание, что веревка тянет с одинаковой силой, но в противоположных направлениях, на руку и поддерживаемую массу (без учета веса веревки). Это пример третьего закона Ньютона. Веревка — это среда, которая переносит равные и противоположные силы между двумя объектами. Натяжение в любом месте веревки между рукой и грузом одинаково. Как только вы определили натяжение в одном месте, вы определили натяжение во всех точках веревки.

Натяжение веревки должно равняться весу поддерживаемой массы, что можно доказать с помощью второго закона Ньютона. Если масса 5,00 кг на рисунке неподвижна, то ее ускорение равно нулю и, следовательно, $\boldsymbol{F}_{\text{net}}=0$. Единственными внешними силами, действующими на массу, являются ее вес $w$ и натяжение T , создаваемое веревкой. Таким образом,

\[F_{\text {net}}=T-w=0, \nonumber \]

, где T и $w$ – величины натяжения и веса, а их знаки указывают направление , с положительным здесь. Таким образом, как и следовало ожидать, натяжение равно весу поддерживаемой массы: 9{2}\справа)=49,0 \mathrm{~N}. \номер\]

Если мы разрежем веревку и вставим пружину, пружина растянется на длину, соответствующую силе 49,0 Н, что обеспечит прямое наблюдение и измерение силы натяжения веревки.

Гибкие соединители часто используются для передачи усилий на поворотах, например, в больничной вытяжной системе, пальцевом шарнире или тормозном тросе велосипеда. Если трения нет, то напряжение передается без уменьшения. Меняется только его направление, и он всегда параллелен гибкому соединителю. Это показано на рисунке $\PageIndex{3}$ (a) и (b).

Рисунок $\PageIndex{3}$: (a) Сухожилия в пальце переносят силу T от мышц к другим частям пальца, обычно изменяя направление силы, но не ее величину (сухожилия относительно свободны от трения). (b) Тормозной трос велосипеда передает натяжение T от руля к тормозному механизму. Опять же, изменилось направление, но не величина T . Рисунок $\PageIndex{4}$: если не будет приложено бесконечное натяжение, любой гибкий соединитель, например цепь в нижней части изображения, будет прогибаться под собственным весом, образуя характеристическую кривую, когда вес равномерно распределяется вдоль длина, известная как контактная кривая. Висячие мосты, такие как мост Золотые Ворота, показанный на этом изображении, по существу представляют собой очень тяжелые гибкие соединители.

Вес моста равномерно распределяется по длине гибких соединителей, обычно тросов, которые принимают характерную форму. (кредит: Листовка, Викисклад)

Нормальная сила и напряжение являются примерами сил, которые определяются не по конкретной формуле, а путем наложения ограничения на состояние движения тела. В примере с мешком в таблице выше нормальная сила равна весу, потому что это значение необходимо для того, чтобы ускорение мешка было равно нулю. Что произойдет, если тело испытает ненулевое ускорение? Ниже мы рассмотрим пример человека, стоящего на весах (которые измеряют его кажущийся вес) во время поездки в лифте. 9{2}\), и (b) если лифт движется вверх с постоянной скоростью 1 м/с.

Рисунок $\PageIndex{5}$: (a) Различные силы, действующие, когда человек стоит на напольных весах в лифте. Стрелки примерно соответствуют моменту, когда лифт ускоряется вверх — пунктирные стрелки представляют силы, слишком большие для масштабирования. $\overrightarrow{\mathbf{T}}$ – натяжение несущего троса, $\overrightarrow{\mathbf{w}}$ – вес человека, $\overrightarrow{\mathbf{w }}_{\mathrm{s}}$ – вес весов, $\overrightarrow{\mathbf{w}}_{\mathrm{e}}$ – вес лифта, $\ overrightarrow{\mathbf{F}}_{\mathrm{s}}$ – сила воздействия весов на человека, $\overrightarrow{\mathbf{F}}_{\mathrm{P}}$ – сила человека на весах, $\overrightarrow{\mathbf{F}}_{\mathrm{t}}$ – сила весов на полу лифта, а $\overrightarrow{\ mathbf{N}}$ – сила, с которой пол поднимается вверх по шкале.

(b) Диаграмма свободного тела показывает только внешние силы, действующие на обозначенная система интереса — человек — и диаграмма, которую мы используем для решения проблемы.

Стратегия

Если весы в состоянии покоя точны, их показания равны $\overrightarrow{\mathbf{F}}_{\mathrm{P}}$, величине силы, которую человек оказывает на весы вниз . На рисунке $\PageIndex{5}$(a) показаны многочисленные силы, действующие на лифт, весы и человека. Это делает эту одномерную проблему намного более сложной, чем если бы человек был выбран в качестве интересующей системы и нарисован диаграмма свободного тела, как на рисунке $\PageIndex{5}$(b). Анализ диаграммы свободного тела с использованием законов Ньютона может дать ответы на оба рисунка $\PageIndex{5}$(a) и (b) этого примера, а также на некоторые другие вопросы, которые могут возникнуть. Единственными силами, действующими на человека, являются его вес $\overrightarrow{\mathbf{w}}$ и восходящая сила весов \(\overrightarrow{\mathbf{F}}_{\mathrm{s}}\ ). Согласно третьему закону Ньютона, равны по величине и противоположны по направлению, так что нам нужно найти F _s , чтобы узнать показания весов. Мы можем сделать это, как обычно, применив второй закон Ньютона,

\[\overrightarrow{\mathbf{F}}_{\text {net}}=m \overrightarrow{\mathbf{a}}. \nonumber\]

Из диаграммы свободного тела видно, что результирующая сила $\overrightarrow{\mathbf{F}}_{\text {net }}$ является суммой масштабной силы $\overrightarrow {\mathbf{F}}_{\mathrm{s}}$ и вес $\overrightarrow{\mathbf{w}}$. Поскольку сила весов и вес направлены в противоположные стороны, с точки зрения величин векторов

\[F_{\text {net}}=F_{s}-w=m a. \nonumber\]

Решение для F _s дает нам уравнение только с одним неизвестным:

\[F_{\mathrm{s}}=ma+w, \nonumber\]

или, потому что $w=m g$, просто

\[F_{\mathrm{s}}=m a+m g. \nonumber\]

Никаких предположений об ускорении не делалось, поэтому это решение должно быть верным для различных ускорений в дополнение к тем, которые были в этой ситуации. ( Примечание: Мы рассматриваем случай, когда лифт ускоряется вверх. Если лифт ускоряется вниз, второй закон Ньютона принимает вид $F_{s}-w=-m a $.) 9{2}\справа) \номер\]

уступающий

\[F_{\mathrm{s}}=825 \mathrm{~N}. \номер\]

Что происходит, когда лифт достигает постоянной скорости подъема? Будут ли весы по-прежнему показывать больше, чем его вес? Для любой постоянной скорости — вверх, вниз или стационарной — ускорение равно нулю, потому что $a=\frac{\Delta v}{\Delta t}$ и $\Delta v=0$. Таким образом,

\[F_{\mathrm{s}}=m a+m g=0+m g \nonnumber\]

или

\[F_{\mathrm{s}}=(75,0 \mathrm{~кг})\влево(9{2}\справа), \номер\]

что дает

\[F_{\mathrm{s}}=735 \mathrm{~N}. \номер\]

Значение

Показание весов на Рисунке $\PageIndex{5}$(a) составляет около 185 фунтов. Что бы показали весы, если бы он был неподвижен? Поскольку его ускорение было бы равно нулю, сила весов была бы равна его весу: -w \\
F_{\mathrm{s}}=w=m g \\ 9{2}\справа)=735\mathrm{~N}.
\end{gathered} \nonumber\]

Таким образом, показания весов в лифте больше, чем его вес в 735 Н (165 фунтов). Это означает, что весы давит на человека с силой, превышающей его вес, как и должно быть, чтобы ускорить его движение вверх. Очевидно, что чем больше ускорение лифта, тем выше показания шкалы, что согласуется с тем, что вы чувствуете при быстром ускорении по сравнению с медленно ускоряющимся лифтом. На Рисунке $\PageIndex{5}$(b) показания весов составляют 735 Н, что соответствует весу человека. Это тот случай, когда лифт имеет постоянную скорость — движется вверх, движется вниз или стоит на месте.

Резюме раздела

Глоссарий

нормальное усилие: сила, с которой поверхность воздействует на объект, чтобы выдержать вес объекта; действует перпендикулярно поверхности, на которой лежит объект

кажущийся вес: ощущение тяжести из-за контактных сил; обычно такой же, как и при обычной силе

натяжение: тяговое усилие, действующее вдоль среды, особенно на растянутый гибкий соединитель, такой как веревка или кабель; когда веревка поддерживает вес объекта, сила, действующая на объект со стороны веревки, называется силой натяжения

Эта страница под названием 2. 6: Normal Force and Tension распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или Страница
Автор
ОпенСтакс
Лицензия
СС BY
Версия лицензии
4,0
Теги

Сила натяжения Формула и примеры

Натяжение определяется как сила, передаваемая через веревку, струну или проволоку при натяжении силами, действующими с противоположных сторон. Сила натяжения направлена по длине проволоки и равномерно распределяет энергию по телам на концах.

Каждый физический объект, находящийся в контакте, оказывает некоторую силу друг на друга. Этим контактным силам присваиваются имена в зависимости от типа объектов. Если одной из сил, воздействующих на объект, является веревка, трос или цепь, вы можете назвать это натяжением.

Кабели и веревки можно использовать для приложения усилий, поскольку они могут эффективно передавать силу на определенное расстояние (например, длину веревки). Обратите внимание, что натяжение — это тяговое усилие, поскольку канаты не могут толкать эффективно. Толчок веревкой приводит к тому, что веревка провисает и теряет натяжение, которое позволяло ей тянуть в исходном месте. Это может показаться очевидным, но когда речь идет о рисовании сил, действующих на объект, некоторые часто изображают силу натяжения, идущую в неправильном направлении. Следовательно, напряжение может только тянуть объект.

Почти в каждой ситуации классической механики вам будут представлены невесомые веревки и тросы. Когда веревка не имеет массы, она идеально передает силу от одного конца к другому.

Например, если человек тянет безмассовую веревку с силой 20 Н, на блок также действует сила 20 Н. На все безмассовые веревки действуют две противоположные и равные силы натяжения. Здесь человек, тянущий блок за веревку, испытывает результирующую силу. Поэтому на все безмассовые канаты действуют две противоположные и равные силы натяжения. В случае, когда человек тянет блок, веревка испытывает натяжение в одном направлении от тяги и натяжение в другом направлении от реактивной силы блока.

Формула силы натяжения

Напряжение в теле можно выразить численно следующим образом:

Т = мг + мА

Где;

T обозначает натяжение, Н

м указывает массу, кг

г означает гравитационную силу, 9,8 м/с ²

А указывает ускорение, м/с ²

Часто задаваемые вопросы – Часто задаваемые вопросы

Что такое натяжение в силе?

Сила натяжения в физике — это сила, возникающая в веревке, нити или кабеле, когда они растягиваются под действием приложенной силы.