Електричні взаємодії

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

Електричне поле. Електричний струм

УРОК 1/1

Тема. Електричні взаємодії

Мета уроку: ознайомити учнів з електричними взаємодіями; роз’яснити їм фізичний зміст закону збереження заряду й закону Кулона.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

Демонстрації

5 хв.

1. Взаємодія наелектризованих тел.

2. Закон Кулона

Вивчення нового матеріалу

30 хв.

1. Електричні взаємодії.

2. Закон збереження електричного

заряду.

3. Закон Кулона

Закріплення вивченого матеріалу

10 хв.

1. Якісні питання.

2. Навчаємося розв’язувати задачі

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Електричні взаємодії

Перші кроки до розгадки природи електрики були зроблені під час вивчення електричних розрядів, які виникають між різнойменно зарядженими тілами. Такі розряди нагадують малюсіньку блискавку.

Для того щоб зрозуміти появу всіх цих іскор, ознайомимося з одним з електричних явищ. Візьмімо пластмасовий гребінець або авторучку й проведемо нею кілька разів по сухому волоссю або вовняному

светру. Як не дивно, але після такої простої дії пластмаса набуде нової властивості: почне притягувати дрібні шматочки паперу, інші легкі предмети й навіть тонкі струмки води.

Із виконаних дослідів і спостережень можна зробити висновок:

O явища, у яких тіла набувають властивості притягувати інші тіла, називають електризацією.

У XVII столітті німецький учений Отто фон Герике виявив, що електрична взаємодія може бути не тільки притягуванням, але й відштовхуванням. На початку XVIII століття французький учений Шарль Дюфе пояснив притягування й відштовхування наелектризованих тіл існуванням двох типів електричних зарядів:

O якщо тіла мають електричні заряди того самого типу, вони відштовхуються, а якщо різних типів, то притягаються.

Тіла, що мають здатність до електричних взаємодій, називають наелектризованими. Якщо тіло наелектризоване, говорять, що воно має електричний заряд.

O Електричний заряд – це фізична величина, що характеризує інтенсивність електромагнітних взаємодій тіл або частинок.

Заряди різних типів назвали позитивними і негативними. Електричний заряд наелектризованої скляної палички, потертої об шовк, назвали позитивним, а заряд ебонітової палички, потертої об хутро, – негативним.

Тіла, що не мають електричного заряду, називають незарядженими, або електрично нейтральними. Але іноді й такі тіла мають здатність до електричних взаємодій.

2. Закон збереження електричного заряду

Під час електризації тіло, що втратило частину своїх електронів, заряджається позитивно, а тіло, що набуло зайвих електронів, – негативно. Загальна ж кількість електронів у цих тілах залишається незмінною.

Під час електризації тіл виконується дуже важливий закон – закон збереження заряду:

O в електрично ізольованій системі тіл алгебраїчна сума зарядів всіх тіл залишається незмінною.

Електричні взаємодії

Цей закон не стверджує, що сумарні заряди всіх позитивно заряджених і всіх негативно заряджених частинок повинні кожний окремо зберігатися. Під час іонізації атома в системі утворюються дві частинки: позитивно заряджений іон і негативно заряджений електрон. Сумарні позитивний і негативний заряди при цьому збільшуються, повний же електричний заряд залишається незмінним. Неважко побачити, що завжди зберігається різниця між загальним числом всіх позитивних і негативних зарядів.

Закон збереження електричного заряду виконується й тоді, коли заряджені частинки зазнають перетворення. Так, під час зіткнення двох нейтральних (не мають електричного заряду) частинок можуть народжуватися заряджені частинки, однак алгебраїчна сума зарядів породжених частинок при цьому дорівнює нулю: разом з позитивно зарядженими частинками народжуються й негативно заряджені.

3. Закон Кулона

Французький учений Шарль Кулон досліджував, як залежить сила взаємодії між зарядженими тілами від значень зарядів тіл і від відстані між ними. У своїх дослідах Кулон не враховував розміри тіл, що взаємодіють.

Заряд, поміщений на тілі, розміри якого малі порівняно з відстанями до інших тіл, із якими воно взаємодіє, називають точковим зарядом.

Закон Кулона, відкритий 1785 p., кількісно описує взаємодію заряджених тіл. Він є фундаментальним законом, тобто установлений за допомогою експерименту й не випливає ні з якого іншого закону природи.

O Нерухомі точкові заряди q1 й q2 взаємодіють у вакуумі із силою F, прямо пропорційною модулям зарядів і обернено пропорційною квадрату відстані r між зарядами:

Електричні взаємодії

Значення коефіцієнта пропорційності k залежить від вибору системи одиниць.

Одиниця електричного заряду в СІ названа на честь Кулона – це 1 кулон (Кл).

Коефіцієнт пропорційності k в законі Кулона чисельно дорівнює k = 9-109 Н-м2/Кл2. Фізичний зміст цього коефіцієнта полягає ось у чому: два точкові заряди по 1 Кл кожний, що перебувають на відстані 1 м один від одного, взаємодіють із силою, що дорівнює 9-109 Н.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Як можна визначити, чи заряджені тіла?

2. У яких випадках заряджені тіла притягуються, а в яких – відштовхуються?

3. За яких умовах виконується закон збереження електричного заряду?

4. Від чого залежить електрична сила взаємодії заряджених тіл?

5. У чому подібність і розбіжності закону всесвітнього тяжіння й закону Кулона?

Другий рівень

1. Чому притягування шматочків паперу натертим гребінцем не можна пояснити дією сил тяжіння, пружності й ваги?

2. Чи залежить сила електричної взаємодії від відстані між зарядженими тілами? Підтвердьте вашу відповідь прикладом.

3. За допомогою якого досліду можна проілюструвати закон збереження електричного заряду?

4. Як зміниться сила кулонівської взаємодії двох точкових зарядів у разі збільшення кожного заряду в 3 рази, якщо відстань між ними зменшити у 2 рази?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Як взаємодіють між собою:

А) дві ебонітові палички, натерті хутром;

Б) ебонітова паличка, натерта хутром, і скляна паличка, натерта шовком?

2. Чи можна наелектризувати ебонітову паличку тертям об ебонітову пластинку?

3. Дві однакові металеві кульки заряджені рівними за модулем, але різнойменними зарядами. Після доторкання кульок їх повернули в первинне положення. У скільки разів змінилася сила взаємодії?

4. Дві однакові металеві кульки із зарядами q й 3q розташовані на відстані, яка набагато перевищує радіуси кульок. Після доторкання кульок їх повернули в первісне положення. У скільки разів змінилася сила електричної взаємодії між кульками?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. Чому електричне відштовхування виявили майже через дві тисячі років після того, як було виявлене притягання?

Розв’язання

Два тіла зазнають електричного притягання, якщо заряджено тільки одне з тіл, причому зарядом будь-якого знака. А електричне відштовхування проявляє себе тільки тоді, коли заряджені обидва тіла, причому обов’язково однойменно.

2. Коли з першої крапельки мільярд електронів перемістили на другу, між ними виникла сила електричної взаємодії. Скільки ще електронів необхідно перемістити з першої крапельки на другу, щоб ця сила збільшилася в 4 рази?

3. На якій відстані перебувають один від одного точкові заряди 4 і 6 нКл, якщо сила їхньої взаємодії дорівнює 6 мН?

4. Скільки електронів треба “перенести” з однієї порошини на іншу, щоб сила кулонівського притягання між порошинами на відстані 1 см дорівнювала 10 мкН? (Відповідь: 2,1-109)

5. Заряди двох однакових маленьких металевих кульок дорівнюють q1 = -2 нКл й q2 = Електричні взаємодії 10 нКл. Після доторкання кульок їх розвели на попередню відстань. У скільки разів змінився модуль сили взаємодії між ними?

Розв’язання

Нехай відстань між кульками дорівнює r. Тоді модуль сили взаємодії між ними змінився від Електричні взаємодії до Тут q – заряд кожної з кульок після доторкання. Відповідно до закону збереження заряду 2q = q1 + q2. Отже,

Відповідь: зменшився в 1,25 рази.

6. На шовковій нитці висять дві заряджені кульки масою 20 мг кожна (див. рисунок). Модулі зарядів кульок 1,2 нКл. Відстань між кульками 1 см. Чому дорівнює сила натягу нитки в точках А і В? Розгляньте випадки однойменних і різнойменних зарядів. (Відповідь: сила натягу нитки в точці А дорівнює 0,39 мН; у точці В для однойменних зарядів 0,33 мН, а для різнойменних – 66 мкН.)

Електричні взаємодії

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Явища, у яких тіла набувають властивості притягувати інші тіла, називають електризацією.

– Електричний заряд – це фізична величина, що характеризує інтенсивність електромагнітних взаємодій тіл або частинок.

– В електрично ізольованій системі тіл алгебраїчна сума зарядів всіх тіл залишається незмінною:

Електричні взаємодії

– Заряд, поміщений на тілі, розміри якого малі порівняно з відстанями до інших тіл, з якими воно взаємодіє, називають точковим зарядом.

– Нерухомі точкові заряди q1 й q2 взаємодіють у вакуумі із силою F, прямо пропорційною модулям зарядів і обернено пропорційною квадрату відстані r між зарядами:

Електричні взаємодії