Za pomocą dwóch...- Zadanie 3: Odkryć fizykę 2. Karty pracy ucznia zakres podstawowy

Rozwiązanie

$a)$

Uzasadnienie:

Naszym celem jest stwierdzenie, czy linijki się odpychają, czy przyciągają. Aby odpowiedzieć na to pytanie, zastanówmy się najpierw, jak działa waga. To urządzenie mierzy nacisk, a następnie przelicza go na masę. W związku z tym, jeśli zmieni się siła, z jaką ciało naciska na wagę, zmieni się również jej wskazanie.

W tym przypadku siła, z jaką ciało naciskało na wagę, to po prostu siła ciężkości skierowana do dołu. Po zbliżeniu naelektryzowanej linijki waga wskazała mniejszą wartość niż wcześniej, zatem musiała pojawić się siła elektrostatyczna skierowana do góry. W związku z tym linijka musi być przyciągana przez naładowaną linijkę położoną wyżej. Gdyby się odpychały, linijka zostałaby mocniej dociśnięta do powierzchni wagi i wskazałaby ona większą wartość.

Odpowiedź:

Linijki się przyciągają.

$b)$

Naszym celem jest wyjaśnienie, dlaczego linijki oddziałują na siebie mimo tego, że na jednej z nich nie została naelektryzowana. Ładunki zgromadzone na naładowanej linijce działają na ładunki w drugiej linijce. W izolatorach elektrony nie mogą poruszać się swobodnie, jednak mogą przemieszczać się wokół atomu. W związku z tym elektrony ustawią się po stronie atomu bliżej lub dalej od linijki w zależności od jej ładunku. W efekcie obie strony izolatora ulegają naładowaniu i linijki się przyciągają.

$c)$

Dane:

$m_{1} = 10, 3 g = 0, 0103 kg$

$m_{2} = 10, 1 g = 0, 0101 kg$

Rozwiązując to zadanie, skorzystamy również z:

▶ wartość przyspieszenia ziemskiego: $g = 10 \frac{m}{s ^{2}}$ .

Szukane:

$F_{C} = ?$

Rozwiązanie:

Naszym celem jest wyznaczenie siły elektrostatycznej, z jaką linijki się przyciągają. Wiemy, że działanie tej siły powoduje zmianę nacisku na wagę. Siłę nacisku na wagę możemy obliczyć jako siłę ciężkości ciała o masie wskazanej przez wagę. W związku z tym możemy zapisać:

$F_{N} = F_{c}$

gdzie:

$F_{N}$ - wartość siły nacisku,

$F_{c}$ - wartość siły ciężkości.

Wartość siły ciężkości możemy obliczyć stosując wzór:

$F_{c} = m g$

gdzie:

$m$ - masa ciała,

$g$ - wartość przyspieszenia ziemskiego.

Podstawiając otrzymaną zależność do wzoru na siłę nacisku:

$F_{N} = m g$

Siła nacisku zmienia się gdy zbliżamy naelektryzowaną linijkę, więc dla każdej z tych dwóch sytuacji możemy zapisać wzór na siłę nacisku:

$F_{N 1} = m_{1} g$ oraz $F_{N 2} = m_{2} g$

gdzie:

$F_{N 1}$ - siła nacisku na wagę przed zbliżeniem linijki,

$m_{1}$ - masa wskazana przez wagę przed zbliżeniem linijki,

$F_{N 2}$ - siła nacisku na wagę po zbliżeniu linijki,

$m_{2}$ - masa wskazana przez wagę po zbliżeniu linijki.

Wiemy, że zmiany we wskazaniach wagi wynikają z działania siły elektrostatycznej, zatem ta siła będzie równa zmianie siły nacisku. W związku z tym możemy zapisać:

$F_{C} = F_{N 1} - F_{N 2}$