1 слайд.
Тема урока: «Электризация тел. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона»
Сегодня на уроке нам предстоит узнать:
- Что называют электрическим зарядом и какими свойствами он обладает.
- Повторить основные сведения об электризации тел.
- Познакомиться с основным законом электростатики - законом Кулона.
2 слайд
За 600 лет до нашей эры древнегреческие ученые знали, что натертый о шерсть янтарь притягивает мелкие предметы.
Потрём эбонитовую палочку о мех и поднесём её к кусочкам бумаги - они подскочат и прилипнут к палочке, а спустя некоторое время, отскочат от неё.
Значит, в результате соприкосновения и трения о мех эбонитовая палочка приобрела новое качество, выражающееся, в частности, в том, что она стала способной притягивать к себе лёгкие тела с силой, значительно превышающей силу гравитационного притяжения. Тела, соприкоснувшиеся с потёртой о мех эбонитовой палочкой, приобретают способность притягиваться и отталкиваться от неё. Наблюдаемые явления и есть электризация тел. Уильям Гильберт назвал наэлектризованными тела, способные после их натирания притягивать легкие предметы.
Сейчас мы говорим, что при электризации тела приобретают электрический заряд.
3 слайд
Выясним, что скрывается за утверждением данное тело или частица имеют электрический заряд.
Все тела построены из мельчайших, неделимых на более простые частиц, которые поэтому называют элементарными. Все элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу. Кроме того, большинство элементарных частиц, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, в огромное число раз превосходящую силу тяготения. Так в атоме водорода электрон притягивается с силой в 1039 раз превышающей силу гравитационного притяжения. Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые медленно уменьшаются с увеличением расстояния и во много раз превышают силы всемирного тяготения, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Взаимодействия между заряженными частицами называются электромагнитными.
Электрический заряд - это скалярная физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий.
Электрический заряд обозначается латинской буквой q, Q и измеряется в СИ в Кл.
4 слайд
Рассмотрим свойства электрического заряда.
Опыты показывают, что существует два вида зарядов - положительный «+» и отрицательный «-». Положительный заряд можно получить на стеклянной палочке, потерев ее о шелк, отрицательный заряд - на эбонитовой палочке, потерев ее о кусок меха.
При этом одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные тела притягиваются.
5 слайд
Макроскопическое тело приобретает электрический заряд в процессе электризации.
Электризация - это процесс разделения и перераспределения зарядов между телами, участвующими в этом процессе.
Заряд макроскопического тела положителен, если в процессе электризации тело «потеряло» некоторое число электронов.
Заряд макроскопического тела считается отрицательным, если в процессе электризации оно «приобрело» некоторое число электронов.
Опыт показывает, что при электризации оба тела приобретают заряды противоположных знаков и равные по модулю.
6 слайд
Остановимся на четырех возможных типах электризации.
1. Электризациятрением
При тесном соприкосновении двух различных тел часть электронов переходит с одного тела на другое. При трении стекла об асбест стекло заряжается отрицательно, а асбест - положительно. Положительно заряжается вещество, отдающее электроны (асбест). В атоме такого вещества электрон слабо связан с атомом. В другом веществе (стекле) атом готов присоединить электрон, образуя отрицательный ион. При этом стекло заряжается отрицательно.
В результате трения стекла о шелк стекло заряжается положительно, а шелк отрицательно.
В общем случае при взаимном трении положительно заряжается вещество, имеющее меньшую энергию связи электронов в атоме, а отрицательно - большую. Уменьшение числа электронов в одном теле равно увеличению их числа в другом.
2. Электризация соприкосновением
При соприкосновении заряженной стеклянной палочки с электронейтральным шаром, подвешенным на нити, часть заряда переходит на шар. Последующее отталкивание одноименных зарядов отклоняет шар от положения равновесия. Заряд, полученный телом при соприкосновении, зависит от размера тела. Чем больше размеры тела, тем большая часть заряда перейдет на него при соприкосновении. Это свойство используется при заземлении. Земной шар имеет значительно большие размеры, по сравнению с телами, которые на нем находятся. Передавая заряд земле, тело становится электрически нейтральным, потому что на землю стекает почти весь заряд тела.
7 слайд
3. Электризация влиянием
Электризация влиянием иллюстрируется перераспределением зарядов на поверхности электронейтральной металлической сферы под действием электрического поля отрицательно заряженного стержня. В результате на удаленной стороне оказывается некоторое число «избыточных» электронов, и эта часть заряжается отрицательно. В той части сферы, которая расположена ближе к стержню оказывается избыток положительных ионов, здесь появляется положительный заряд. Если эту сферу привести в соприкосновение с электронейтральной, то часть заряда переходит на вторую сферу.
4. Электризация под действием света
Проводники могут приобретать заряд под действием света. Явление заключается в том, что под действием света электроны могут вылететь из проводника в окружающее пространство, благодаря чему проводник заряжается положительно. Это явление носит название фотоэлектрического эффекта.
8 слайд
2 свойство электрического заряда
Электрический заряд обладает свойством аддитивности. Заряд любой системы заряженных тел или частиц равен сумме зарядов тел или частиц, входящих в эту систему.
3 свойство электрического заряда
Американский физик Р.Милликен экспериментально показал, что электрический заряд дискретен. В природе существует минимальная порция электрического заряда - элементарный электрический заряд.
Элементарному заряду кратны заряды всех наблюдаемых элементарных частиц и макроскопического тела.
4 свойство электрического заряда
Экспериментальные исследования показывают, что электрический заряд не зависит от скорости движения тела или частицы относительно любой системы отсчета, т.е в любой системе отсчёта один и тот же электрический заряд остается одинаковым, т.е. он является инвариантной величиной.
5 свойство электрического заряда.
При электризации выполняется закон сохранения электрического заряда. Алгебраическая сумма электрических зарядов замкнутой системы тел сохраняется. Под замкнутой системой в электродинамике понимают такую систему, через границы которой не проникают другие заряды извне.
Подведем итог: Электрический заряд - инвариантная физическая величина, обладающая свойствами аддитивности, дискретности, сохранения в замкнутых системах тел.
9 слайд
Рассмотрим наиболее простой случай, когда электрически заряженные тела находятся в покое. Раздел электродинамики, посвященный изучению условий равновесия электрически заряженных тел, называют электростатикой. Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским ученым Шарлем Огюстеном Кулоном в 1785 году.
Кулон поставил перед собой цель: установить, как зависит величина силы, действующей между заряженными телами, от зарядов на них и от расстояния между ними.
10 слайд
Кулон считал, что сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными телами. Поэтому поместил заряженные тела в вакуум. Для проведения опыта ему нужно было подобрать такие тела, чтобы при взаимодействии перераспределением зарядов внутри них можно было пренебречь. Это возможно, если размеры заряженных тел малы по сравнению с расстоянием, на котором они расположены. Такие заряженные тела получили название точечных зарядов. Точечный заряд - это модель заряженного тела.
Прибор, с которым работал Кулон он сконструировал сам - это крутильные весы.
На очень тонкой упругой нити 1 подвешен за середину легкий хорошо изолирующий стержень 2, имеющий на одном конце проводящий шарик 3, а на другом диск 4, служащий противовесом и успокоителем. Верхний конец нити закреплен на вращающейся головке прибора, угол поворота которой можно точно измерять. Внутри прибора имеется такой же шарик 5, укрепленный на изолирующей ножке 6. Указанные части заключены в большой стеклянный цилиндр, предохраняющий стержень от движения воздуха. На поверхности цилиндра нанесена шкала, позволяющая определить расстояние между шариками 3 и 5 при различных их положениях. Головка прибора показана отдельно на рис.б.
Определяя вращающий момент, необходимый для закручивания нити на определенный угол, зная длину стержня, можно вычислить и силу, приложенную к шарику 3, которая обуславливает такой же вращающий момент.
11 слайд
В первой серии опытов Кулон определял, как зависит сила взаимодействия между заряженными точечными телами от расстояния между ними.
Он сообщал шарикам одинаковый заряд, шарики отталкивались друг от друга и отдалялись на некоторое расстояние, которое можно было измерить, отмечая соответствующее деление шкалы. Затем вращая указатель головки в направлении стрелки, закручивал нить подвеса и замечал те расстояния, на которые сближаются шарики при разных углах закручивания нити. Сравнивая различные силы кручения с соответствующими им расстояниями между шариками, Кулон пришел к выводу, что сила взаимодействия двух точечных зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
12 слайд
Во второй серии опытов Кулон выяснял каким образом влияют на силу взаимодействия заряды.
Он сообщал шарикам одноименные заряды, устанавливал их на определенном расстоянии и измерял угол закручивания нити. Заряд шарика 5 можно менять. При соприкосновении заряженного шарика с точно таким же незаряженным заряды распределятся поровну между шариками. В результате заряд на шарике 5 уменьшится в 2, 4, 8 и т.д. раз. Соответственно уменьшится и заряд шарика 3.
Меняя заряды шариков, Кулон выяснил, что сила их взаимодействия прямо пропорциональна произведению модулей обоих зарядов.
13 слайд
Подобные опыты привели Кулона к установлению следующего закона: сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
14 слайд
Рассмотрим единицы измерения физических величин, входящих в закон Кулона, и выясним физический смысл коэффициента пропорциональности.
15 слайд
Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды, в которой они находятся. Сила взаимодействия двух точечных зарядов в среде всегда меньше силы взаимодействия этих зарядов на том же расстоянии в вакууме.
При этом отношение силы взаимодействия двух заряженных тел в вакууме к силе взаимодействия тех же зарядов на том же расстоянии в данной среде не зависит ни от модулей зарядов тел, ни от расстояния между ними. Значит эта величина является характеристикой данной среды. Она получила название диэлектрической проницаемости среды. Для каждой среды она определена и ее значение помещено в справочную таблицу. Тогда с учетом среды, закон Кулона запишется так.
16 слайд
Сила, описываемая законом Кулона, называется кулоновской силой. Она приложена к центру заряженного тела и направлена всегда вдоль прямой, соединяющей центры заряженных тел.
Для кулоновской силы справедлив третий закон Ньютона: заряды действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.
17 слайд
Кулоновская сила взаимодействия двух зарядов не зависит от присутствия других заряженных тел.
Предположим, что заряд q взаимодействует с системой зарядов q1, q2, ..., qn. Если каждый из зарядов системы действует на заряд q с силой F1, F2... , Fn соответственно, то результирующая сила F, приложенная к заряду q со стороны данной системы, равна векторной сумме отдельных сил.
Принцип суперпозиции проиллюстрирован на рис.
18 слайд
Урок окончен. Спасибо за внимание.