Занятие по физике  №1     № п/п-6   группа 2аб          дата проведения: 03. 09. 21г.

Занятие по физике  №1     № п/п-6   Группа 2АБ          Дата проведения: 03.09.21г.

Тема. Электрический заряд. Закон сохранения заряда. Закон Кулона.

Выполненные задания отправлять на электронную почту: [e-mail]

или страницу вКОНТАКТЕ - https://vk.com/id592773352

Индивидуальные консультации, оценивание устных ответов по тел.:

 0660627421, 0721813966 Ефременко Т.А.

Домашнее задание: прочитать  §84 стр. 277, §85 стр. 282 учебник «Физика - 10» Г.Я. Мякишев, составить краткий конспект занятия, ответить устно на вопросы стр. 281, 285, выполнить письменно задания ЕГЭ А3 стр. 285. 

Срок выполнения: до 06.09.21г.

Видеофильм просмотреть по ссылке:

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Дорогие ребята! На данном занятии, тема которого: «Электрический заряд. Закон сохранения заряда. Закон Кулона», мы поговорим о неподвижных зарядах и о свойствах тел, на которых накоплен неподвижный статический заряд, а также разберемся, почему между людьми может проскакивать искра и почему после расчесывания волосы разлетаются в разные стороны. об экспериментально полученном законе электростатического взаимодействия заряженных тел, об отличительных особенностях сил при таком взаимодействии, от чего зависят величины этих сил, а также о возникающей в связи с этим новой характеристике любой среды – диэлектрической проницаемости. В итоге материал данного занятия окажется знакомством с новым типом фундаментальных взаимодействий тел в природе.

Введение

С электричеством вы сталкиваетесь постоянно. Вы видели молнию, вы освещаете комнату с помощью электрической лампочки, электрообогреватель выделяет тепло – все эти явления связаны с движением электрического заряда. С неподвижным электрическим зарядом вы тоже сталкивались, когда после расчесывания получали наэлектризованные волосы. Они разлетаются в разные стороны. Электрические заряды находятся без преувеличения везде, из них состоит любое вещество! На этом уроке мы выясним то, что нам известно про заряды.

Как известно, в природе встречаются заряды двух типов – положительные и отрицательные. Разноименные заряды притягиваются, одноименные – отталкиваются. Это взаимодействие происходит на любом расстоянии. Как же они тогда взаимодействуют? Для этого существует электрическое поле. Вокруг каждого заряда существует такое поле и если в него попадает еще один заряд, то он начинает «чувствовать» это поле: на него начинают действовать силы притяжения или отталкивания соответственно.

В природе есть много ненаблюдаемого. Например, мы не видим ветер, но видим, как он раскачивает ветви деревьев. Мы не видим температуру, но мы видим, как нагретые тела расширяются. По расширению, например, ртути в термометре, мы можем температуру измерять (см. рис. 1).

Рис. 1. Расширение ртути

Т. е. мы наблюдаем проявление чего-то и на основе этих наблюдений судим о том, чего непосредственно не наблюдаем. Заряд мы тоже изучаем по его проявлению. Мы не видим заряды, но наблюдаем их взаимодействие. Один заряд действует на другой на расстоянии через электрическое поле. Поле заряда – это пространство, где на другие заряды будет действовать сила.

Взаимодействие тел через поле нам уже знакомо. Тело, обладающее массой, создает вокруг себя поле – гравитационное, которое проявляется в действии на другое тело, обладающее массой. Их взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения (см. рис. 2).

Рис. 2. Взаимодействие массивных тел

 

Закон всемирного тяготения

Вокруг тела, обладающего массой, возникает гравитационное поле. Посредством этого поля массы взаимодействуют, притягиваются. Сила их притяжения пропорциональна величине каждой из масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (см. рис. 3):

– константа, гравитационная постоянная, равна .

Рис. 3. Закон всемирного тяготения

Квадрат расстояния встречается во многих физических формулах, так что это позволяет говорить о законе, связывающем величину эффекта с квадратом расстояния от источника воздействия:

Эта пропорциональность справедлива для гравитационного, электрического, магнитного действия, силы звука, света, радиации, распространяющихся от источника. Связано это, конечно, с тем, что площадь поверхности сферы распространения эффекта увеличивается пропорционально квадрату расстояния (см. рис. 4). Это будет выглядеть естественным, если вспомнить, что площадь сферы пропорциональна квадрату радиуса:

         

и тогда понятно, что сила действия от источника вдали от него должна распределяться по сфере всё большего радиуса.

Рис. 4. Площадь сферы распространения эффекта увеличивается с увеличением радиуса сферы

 

Итак, электрические заряды взаимодействуют через электрическое поле, которое они вокруг себя создают.

Электрический заряд

Электрический заряд – физическая величина, которая показывает способность тел участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Разные заряды будут взаимодействовать с разными силами. Измерить силы обычным способом – это легко разрешимая задача. По величине силы мы можем судить о величине заряда. Понятно, что чем больше заряды, тем сильнее они взаимодействуют. Но понятия больший или меньший заряд – нечеткие, а величину заряда нужно измерить точно.

Измерить заряд, используя уже известные единицы измерения, не получится. Мы не измерим заряд ни в метрах, ни, например, в килограммах. Это сущность, для которой нужна новая единица измерения. Единица измерения заряда – кулон.

            Обозначается заряд чаще всего буквой .

 

Единицы измерения заряда. Заряд проявляется в воздействии на другой заряд. Измерять его можно по этому воздействию, то есть измерять силу, с которой этот заряд действует на другой заряд на некотором расстоянии. Тогда единицы измерения заряда можно выразить через килограмм, метр и секунду. Так раньше и поступали в системе СГС. В системе СИ заряд удобно измерять в Кл (кулонах).

Электризация

Процесс сообщения телу электрического заряда называется электризацией. Часто он происходит при трении тел друг о друга. Например, если потереть эбонитовую палочку о шерсть (см. рис. 5), то и она, и шерсть приобретут электрические заряды (эбонитовая палочка зарядится отрицательно, а шерсть – положительно).

Рис. 5. Заряжание эбонитовой палочки

Проверить это просто: если поднести два наэлектризованных кусочка шерсти друг к другу, то они будут отталкиваться, так как заряжены зарядом одинакового знака (см. рис. 6).

 

Рис. 6. Оба кусочка шерсти заряжены положительно

Из этого следует вывод, что заряды одного типа отталкиваются. Если расчесывать волосы, то расческа заряжается отрицательно, а волосы – положительно (см. рис. 7).

Рис. 7. Заряжание волос

Собственно, поэтому, после расчесывания, волосы разлетаются в разные стороны (каждый волос заряжен положительно и отталкивается от остальных (см. рис. 8)).

Рис. 8. Каждый волос заряжен положительно

Путем простых опытов мы обнаружили, что существует два типа зарядов, которые взаимодействуют следующим образом: однотипные заряды отталкиваются, разнотипные – притягиваются.

Элементарные частицы

Что же происходит с телами при электризации? Представьте себе два одинаковых металлических шара, но только один из них заряжен отрицательно, а другой не заряжен (см. рис. 10). Рис. 10. Заряженный и незаряженный шары

Известно, что все тела состоят из атомов, а те, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов, электронов (см. рис. 11).

Рис. 11. Атом

Протоны заряжены положительно, электроны – отрицательно. Будем называть их элементарными зарядами, то есть неделимыми. Так вот, в большинстве случаев в атоме количество протонов равняется количеству электронов и получается, что они полностью компенсируют друг друга и в целом атом нейтрален. Важно понимать, что в атоме заряды никуда не исчезают, там по-прежнему есть положительные и отрицательные частицы, просто их действие на далекие предметы полностью компенсируется (см. рис. 12).

Рис. 12. Действие частиц компенсировано

А вот в шаре, заряженном отрицательно, электронов больше, чем протонов, поэтому в целом в теле количество отрицательных элементарных зарядов больше, чем количество положительных элементарных зарядов, и тело заряжено отрицательно (см. рис. 13).

Рис. 13. Количество электронов в заряженном шаре

Заряд макроскопического тела (состоящего из большого количества атомов) – это величина, показывающая разность между положительными и отрицательными зарядами в теле. Если это количество одинаково, то заряд нулевой. Величина элементарного заряда известна и равна . Соответственно, заряд протона договорились считать положительным , а заряд электрона – отрицательным .

Что же происходит при трении тел друг о друга, например пластика о шерсть? Электроны с внешних оболочек атомов, входящих в состав шерсти, «перепрыгивают» на пластмассу (см. рис. 14).

Рис. 14. Движение электронов при трении

Получается, что в шерсти становится меньше отрицательных электронов и она заряжается положительно, а пластмасса – отрицательно, так как в ней появляется избыточное количество электронов. Можно даже сказать: если при контакте заряд одного тела увеличивается, то у другого уменьшается.

Что касается искр между людьми, то это происходит, если хотя бы один человек «заряжен» (допустим, человек ходил по шерстяному ковру, при трении подошвами по нему), и если другой человек не заряжен также, то заряд будет перетекать с одного человека на другого, иногда это перетекание может быть даже по воздуху, в таком случае и появляется искра. Стоит отметить, что искра появляется только благодаря движению электронов, протоны находятся в ядрах атомов, они менее подвижны и не могут покидать атомов отличие от электронов.

Зарядить тело можно и без контакта – через влияние электрическим полем. Представьте себе незаряженный шар, к которому подносят положительно заряженную палочку – разноименные заряды притягиваются, поэтому электроны, которые были в шаре, притянутся к положительно заряженной палочке и скопятся в той части шара, которая ближе к ней (см. рис. 15).

Рис. 15. Влияние положительно заряженной палочки на электроны

Задача

Пылинка, имеющая положительный заряд , потеряла электрон. Каким стал заряд пылинки?

В задаче описано тело, теряющее заряд. По закону сохранения заряд не исчезает бесследно, в электрически замкнутой системе суммарный заряд не изменяется. Выберем, какую систему считать электрически замкнутой. Пылинку покидает электрон, поэтому саму пылинку считать электрически замкнутой нельзя. Замкнутой можно считать систему, в которую входит пылинка и электрон (см. рис. 17).

Рис. 17. Замкнутая система

По закону сохранения заряда заряд системы до потери пылинкой электрона равен заряду после потери. Запишем это: заряд пылинки был . После взаимодействия заряд системы состоит из нового заряда пылинки и заряда электрона и равен заряду системы до потери:

где – новый заряд пылинки. Заряд пылинки стал равен .

Рис. 18. Заряд системы до и после потери электрона

Ответ: заряд пылинки стал равен .

На этом наш урок окончен. Спасибо за внимание!

 

Данный урок расскажет об экспериментально полученном законе электростатического взаимодействия заряженных тел, об отличительных особенностях сил при таком взаимодействии, от чего зависят величины этих сил, а также о возникающей в связи с этим новой характеристике любой среды – диэлектрической проницаемости. В итоге материал данного урока окажется знакомством с новым типом фундаментальных взаимодействий тел в природе.

Опыт и выводы Кулона

Нам уже известно, что одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются (говоря заряды, конечно же, подразумеваем заряженное тело). Однако каким образом может быть посчитана эта сила? Ответ на этот вопрос дал в 1785 г. французский учёный Шарль Кулон (рис. 1), выведя одноимённый закон.

Рис. 1. Шарль Огюст Кулон (Источник)

Закон Кулона является основной формулой электростатики.

Определение. Электростатика – раздел электродинамики, в котором рассматриваются взаимодействия неподвижных заряженных тел.

Каким же образом Кулон узнал, от чего и как зависит сила взаимодействия заряженных тел? Сделал он это с помощью так называемых крутильных весов (рис. 2):

 

Рис. 2. Крутильные весы (Источник)

На один конец коромысла он надевал заряженный им шарик, на другой – нейтральный шарик. Третий точно такой же шарик, также заряженный, он подносил к первому, естественно, приводя коромысло к повороту. Далее про проградуированной шкале он определял, на сколько провернулось коромысло, и таким образом находил величину силы (момент силы электрического взаимодействия равен моменту силы упругости кручения, которая пропорциональна углу поворота).

Для определения зависимости силы от величин зарядов Кулон сделал следующее: так как одинаковые шарики при соприкосновении обмениваются зарядами таким образом, что на обоих шариках заряд одинаков, он сначала разряжал один из шариков, а затем соединял их. Таким образом, Кулон мог наблюдать, насколько меняется сила взаимодействия при уменьшении заряда в два раза. И, конечно же, никакого труда не составляло изменять расстояние между зарядами.

В результате опытов был сформулирован закон Кулона.

Закон Кулона

Определение. Закон Кулона: сила взаимодействия двух заряженных тел (сила Кулона или Кулонова сила) прямо пропорциональна произведению модулей их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.

              

В дальнейшем закон приобрёл следующий свой окончательный вид:

Следует также помнить о некоторых границах применимости данной формулы. Формула позволяет найти силу взаимодействия в двух случаях: если взаимодействуют точечные заряды и если взаимодействуют заряженные «правильные тела». В первом случае заряженными телами являются материальные точки, во втором – сфера или шар. Во втором случае расстояние отмеряется между центрами тел (рис. 3):

Рис. 3

И, конечно же, стоит помнить, что все величины в формуле являются заведомо положительными, поэтому следует отдельно учитывать знаки зарядов и выбор системы отсчёта.

Не все величины, присутствующие в законе Кулона, нам на данный момент известны, поэтому следует их определить.

Занятие по физике  №1     № п/п-6   Группа 2АБ          Дата проведения: 03.09.21г.