11 клас

УРОК 1/1

Тема. Абетка електростатики

 

1. Електричний заряд

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

Ø  Електричний заряд — це фізична величина, що характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітну взаємодію. Одиниця електричного заряду в СІ — кулон (Кл). 1 Кл дорівнює заряду, що проходить через поперечний переріз провідника за 1 с за сили струму в провіднику 1 А : 1 Кл = 1 А · 1 с.

Основні властивості електричного заряду:

1. Існують два роди електричних зарядів — позитивні й негативні. Електричний заряд наелектризованої скляної палички, потертої об шовк, назвали позитивним, а заряд ебонітової палички, потертої об хутро,— негативним.

2. Тіла, що мають заряди одного знака, відштовхуються; тіла, що мають заряди протилежних знаків, притягуються.

3. Носієм електричного заряду є частинка: електричний заряд не існує окремо від неї.

4. Електричний заряд є дискретним, тобто електричні заряди фізичних тіл кратні певному найменшому (елементарному) заряду. Носієм найменшого негативного заряду є електрон:

e = -1,6 · 10-19 Кл.

Носієм найменшого позитивного заряду є протон. Заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона.

2. Електризація тіл

З огляду на виконані дослідів і спостережень можна зробити висновок:

Ø  явище, за якого тіла набувають властивості притягати інші тіла, називають електризацією.

Тіла, що мають здатність до електричних взаємодій, називають наелектризованими.

Існують кілька способів електризації, серед яких — електризація тертям. У процесі електризації тертям відбувається тісний контакт двох тіл, виготовлених з різних матеріалів, і частина електронів переходить із одного тіла на інше.

За будь-якого способу електризації тіл відбувається перерозподіл існуючих у них електричних зарядів, а не поява нових. Це твердження є наслідком найважливішого закону природи — закону збереження електричного заряду.

3. 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.

Ø  Повний заряд замкнутої системи тіл або частинок залишається незмінним під час всіх взаємодій, що відбуваються в цій системі:

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. Нескладно побачити, що завжди зберігається різниця між загальним числом всіх позитивних і негативних зарядів.

4. 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, з якими воно взаємодіє, називають точковим зарядом.

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

Ø  Значення сили   взаємодії двох нерухомих точкових зарядів q1 і q2 прямо пропорційне добутку модулів цих зарядів і обернено пропорційне квадрату відстані r між ними:

Значення коефіцієнта пропорційності k залежить від вибору системи одиниць.

Коефіцієнт пропорційності k в законі Кулона дорівнює   Фізичний зміст цього коефіцієнта полягає ось у чому: два точкових заряди по 1 Кл кожний, що перебувають на відстані 1 м один від одного, взаємодіють із силою, що дорівнює 9 · 109 H.

Іноді замість коефіцієнта k використовують інший коефіцієнт ε0, що називається електричною сталою:

Тоді математичний запис закону Кулона має такий вигляд:

 

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Що відбувається під час тісного контакту двох тіл, виготовлених з різних матеріалів?

2. Чому під час взаємодії ебонітової палички й вовни електризуються обидва тіла?

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

Розв'язання. Два тіла зазнають електричного притягання, якщо заряджене 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). Навчаємося розв'язувати задачі

1. Кожна із двох однакових маленьких незаряджених кульок масою 0,01 г підвішена у вакуумі на шовковій нитці довжиною 1 м так, що кульки стикаються. Першу кульку відвели убік, зарядили й повернули в первинне положення. Після цього кульки розійшлися на відстань 14 см. Визначте заряд першої кульки, перш ніж її торкнулися.

Розв'язання. Після торкання заряд першої кульки розподілився між двома кульками. У результаті між зарядженими кульками виникла сила кулонівського відштовхування. Виконаємо пояснювальний рисунок.

 

 

На кожну кульку діють три сили: кулонівська сила  , сила ваги  tяж й сила натягу нитки  . Оскільки кульки перебувають у рівновазі, то векторна сума сил дорівнює нулю:   +  tяж +   = 0. Цю умову буде виконано, якщо модуль рівнодіючих сил   і  tяж дорівнюватиме модулю сили  : Fтяж tg  = F. Відповідно до закону Кулона   тому

де q1’ й q2’ — відповідно заряди першої й другої кульки після взаємодії.

Оскільки система кульок є замкнутою, у ній виконується закон збереження заряду: q1 + q2 = q1’ + q’2. Оскільки розміри кульок однакові, то q1’ = q2’ = q’, отже,

Значення tg  знайдемо із трикутника ABC:   Оскільки   Отже,

З рівняння (1) з урахуванням (2) і (3) одержуємо, що модуль заряду першої кульки, перш ніж її торкнулися:

Перевіримо одиниці величин:

Визначимо значення шуканої величини:

Відповідь: заряд першої кульки перед зіткненням 7,8 нКл.

2. Три однакових позитивних точкових заряди по 18 нКл кожний розташовані у вершинах рівностороннього трикутника. Який точковий заряд необхідно помістити в центрі трикутника, щоб система зарядів перебувала в рівновазі?

3. Заряди двох однакових маленьких металевих кульок дорівнюють q1 = -2 нКл і q2 = +10 нКл. Після того як кульки зіткнулися, 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   до   Тут q — заряд кожного з кульок після зіткнення. Відповідно до закону збереження заряду 2q = q1 + q2. Отже, 

4. 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?

 

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

•  Електричний заряд — це фізична величина, що характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітну взаємодію.

1 Кл дорівнює заряду, що проходить через поперечний переріз провідника за 1 с за сили струму в провіднику 1 А:

1 Кл = 1 А · 1 с.

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

•  Повний заряд замкнутої системи тіл або частинок залишається незмінним під час всіх взаємодій, що відбуваються в цій системі:

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

•  Значення сили  , взаємодії двох нерухомих точкових зарядів q1 і q2 прямо пропорційне добутку модулів цих зарядів і обернено пропорційно квадрату відстані r між ними:

 

Домашнє завдання вивчити висновки з уроку

УРОК 2/2

Тема. Електричне поле. Напруженість електричного поля