Gravitationsfält & elektriska fält
Fält är ett sätt att beskriva växelverkan utan direkt kontakt. Ett gravitationsfält anger vilken kraft en massa skulle påverkas av, medan ett elektriskt fält anger kraften per laddning. I homogena fält är fältstyrkan ungefär konstant i det område som studeras.
- Nivå 1b
- Nivå 2
Förstå → Se exempel → Träna
Förstå
Gravitationsfält
Nära jordytan kan gravitationsfältet ofta betraktas som homogent och tyngdkraften skrivas F = mg. Fältstyrkan g är då ungefär konstant över små höjdskillnader.
Elektriskt fält
Elektrisk fältstyrka definieras som E = F/q för en positiv testladdning. Kraften på en laddning blir F = qE. En negativ laddning påverkas därför av en kraft motsatt fältriktningen.
Potential och spänning
Elektrisk spänning är skillnad i elektrisk potentiell energi per laddning. När en laddning rör sig mellan olika potentialer kan elektrisk potentiell energi omvandlas till rörelseenergi eller andra energiformer.
Rörelse i homogena fält
Om fältkraften är konstant blir accelerationen konstant. En laddad partikel i ett homogent elektriskt fält kan därför analyseras med samma kinematiska verktyg som annan likformigt accelererad rörelse. På nivå 2 kombineras detta med tvådimensionell rörelse.
Fält och energi
Samma fältproblem kan ofta lösas på två sätt: med kraft och acceleration eller med energi och potential. Kraftmetoden är naturlig när rörelsens tidsförlopp efterfrågas, medan energimetoden ofta är enklare när bara start- och sluttillstånd är viktiga. Att kunna välja metod är en viktig del av fysikalisk problemlösning.
Exempel
Exempel: laddning mellan plattor
- Mellan två stora parallella plattor kan det elektriska fältet i mitten approximeras som homogent.
- En positiv partikel med laddningen q får kraften F = qE i fältriktningen och accelerationen a = qE/m.
- Om partikeln samtidigt har en initial hastighet vinkelrätt mot fältet blir rörelsen tvådimensionell: konstant hastighet i en riktning och konstant acceleration i den andra.
- Resultatet liknar projektilrörelse i ett homogent gravitationsfält.
Så gör du
- 1Identifiera vilket fält som verkar och om det kan betraktas som homogent.
- 2Bestäm kraftens riktning: F = mg eller F = qE.
- 3Använd ΣF = ma för att koppla fältet till accelerationen.
- 4Vid tvådimensionell rörelse, dela upp hastighet och acceleration i komponenter.
- 5Kontrollera om energimetoden med potentialskillnad kan vara enklare än kraftanalys.
Vanliga misstag
Vanligt misstag
Fältlinjer är fysiska trådar som partiklar måste följa.
Bättre
Fältlinjer är en visualisering av fältets riktning och relativa styrka.
Partikelns bana bestäms också av dess ursprungliga hastighet.
Vanligt misstag
En negativ laddning rör sig alltid mot fältets riktning.
Bättre
Kraften och accelerationen är motsatt fältriktningen, men den momentana rörelsen kan tillfälligt gå åt ett annat håll.
Skilj på hastighet och acceleration.
Fundera
Vilka likheter och skillnader finns mellan en boll som kastas horisontellt i jordens gravitationsfält och en positiv laddning som skjuts horisontellt genom ett homogent elektriskt fält?
Träna
Övning
En laddning på 2,0 μC finns i 3000 N/C. Beräkna kraften.
Sammanfattning
- Fält beskriver hur en kropp eller laddning skulle påverkas i rummet.
- Nära jordytan kan gravitationsfältet ofta behandlas som homogent.
- I elektriska fält gäller F = qE.
- Konstant fältkraft ger konstant acceleration.
Relaterade genomgångar
Fortsätt med något som hänger ihop med den här genomgången.
Rörelse, hastighet & acceleration
Beskriv likformig och accelererad rörelse med storheter, grafer och samband.
Läs genomgångenKrafter, impuls & rörelsemängd
Förstå hur resultantkraft förändrar rörelse och hur impuls kopplas till rörelsemängd.
Läs genomgångenVridmoment & jämvikt
Analysera hur krafter kan ge rotation och vilka villkor som krävs för jämvikt.
Läs genomgången