ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Электрическое поле. Электрический ток

УРОК 1/1

Тема. Электрические взаимодействия

Цель урока: ознакомить учащихся с электрическими взаимодействиями; разъяснить им физический смысл закона сохранения заряда и закона Кулона.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Электрические взаимодействия

Первые шаги к разгадке природы электричества были сделаны во время изучения электрических разрядов, которые возникают между разноименно заряженными телами. Такие разряды напоминают крошечную молнию.

Для того чтобы понять появление всех этих искр, ознакомимся с одним из электрических явлений. Возьмем пластмассовый гребешок или авторучку и проведем ею несколько раз по сухим волосам или шерстяному свитеру. Как не странно, но после такого простого действия пластмасса приобретет нового свойства: начнет притягивать мелкие кусочки бумаги, другие легкие предметы и даже тонкие струйки воды.

Из выполненных опытов и наблюдений можно сделать вывод:

Ø явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела, называют электризацией.

В XVII веке немецкий ученый Отто фон Герике обнаружил, что электрическая взаимодействие может быть не только притягуванням, но и отталкиванием. В начале XVIII века французский ученый Шарль Дюфе объяснил притяжение и отталкивание наэлектризованных тел существованием двух типов электрических зарядов:

Ø если тела имеют электрические заряды того же типа, они отталкиваются, а если разных типов, то притягиваются.

Тела, имеющие способность к электрических взаимодействий, называют наелектризованими. Если наэлектризованное тело, говорят, что оно имеет электрический заряд.

Ø Электрический заряд - это физическая величина, характеризующая интенсивность электромагнитных взаимодействий тел или частиц.

Заряды разных типов назвали положительными и отрицательными. Электрический заряд наэлектризованной стеклянной палочки, потертой о шелк, назвали положительным, а заряд ебонітової палочки, потертой о мех, - отрицательным.

Тела, не имеющие электрического заряда, называют незаряженными, или электрически нейтральными. Но иногда и такие тела обладают способностью к электрическим взаимодействиям.

2. Закон сохранения электрического заряда

Во время электризации тело потеряло часть своих электронов, заряжается положительно, а тело приобрело лишних электронов - отрицательно. Общее же количество электронов в этих телах остается неизменной.

При электризации тел выполняется очень важный закон - закон сохранения заряда:

Ø в электрически изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остается неизменной.

Этот закон не утверждает, что суммарные заряды всех положительно заряженных и всех отрицательно заряженных частиц должны каждый отдельно храниться. Во время ионизации атома в системе образуются две частицы: положительно заряженный ион и отрицательно заряженный электрон. Суммарные положительный и отрицательный заряды при этом увеличиваются, же полный электрический заряд остается неизменным. Нетрудно увидеть, что всегда сохраняется разница между общим числом всех положительных и отрицательных зарядов.

Закон сохранения электрического заряда выполняется и тогда, когда заряженные частицы испытывают превращения. Так, во время столкновения двух нейтральных (не имеют электрического заряда) частиц могут рождаться заряженные частицы, однако алгебраическая сумма зарядов порожденных частиц при этом равна нулю: вместе с положительно заряженными частицами рождаются и отрицательно заряженные.

3. Закон Кулона

Французский ученый Шарль Кулон исследовал, как зависит сила взаимодействия между заряженными телами от значений зарядов тел и от расстояния между ними. В своих опытах Кулон не учитывал размеры тел, которые взаимодействуют.

Заряд, помещенный на теле, размеры которого малы по сравнению с расстояниями до других тел, с которыми оно взаимодействует, называют точечным зарядом.

Закон Кулона, открытый 1785 p., количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть установленный с помощью эксперимента и не вытекает ни из какого другого закона природы.

Ø Неподвижные точечные заряды q1 и q2 взаимодействуют в вакууме с силой F, прямо пропорциональной модулям зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между зарядами:

Значение коэффициента пропорциональности k зависит от выбора системы единиц.

Единица электрического заряда в СИ названа в честь Кулона - это 1 кулон (Кл).

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона численно равна k = 9·109 Н·м2/Кл2. Физический смысл этого коэффициента заключается вот в чем: два точечных заряда по 1 Кл каждый, находятся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой, равной 9·109 Н.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Как можно определить, заряженные тела?

2. В каких случаях заряженные тела притягиваются, а в каких - отталкиваются?

3. При каких условиях выполняется закон сохранения электрического заряда?

4. От чего зависит электрическая сила взаимодействия заряженных тел?

5. В чем сходство и различие закона всемирного тяготения и закона Кулона?

Второй уровень

1. Почему притяжение кусочков бумаги натертым расческой нельзя объяснить действием сил тяжести, упругости и веса?

2. Зависит ли сила электрического взаимодействия от расстояния между заряженными телами? Подтвердите ваш ответ примером.

3. С помощью какого опыта можно проиллюстрировать закон сохранения электрического заряда?

4. Как изменится сила кулоновского взаимодействия двух точечных зарядов при увеличении каждого заряда в 3 раза, если расстояние между ними уменьшить в 2 раза?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Как взаимодействуют между собой:

а) две эбонитовые палочки, натертые мехом;

б) ебонітова палочка, натертая мехом, и стеклянная палочка, натертая шелком?

2. Можно ли наэлектризовать эбонитовую палочку трением о эбонитовую пластинку?

3. Две одинаковые металлические шарики, заряженные равными по модулю, но разноименными зарядами. После соприкосновения шариков их вернули в первоначальное положение. Во сколько раз изменилась сила взаимодействия?

4. Две одинаковые металлические шарики с зарядами q и 3q расположены на расстоянии, которое намного превышает радиусы шариков. После соприкосновения шариков их вернули в первоначальное положение. Во сколько раз изменилась сила электрического взаимодействия между шариками?

2). Учимся решать задачи

1. Почему электрическое отталкивание обнаружили почти через две тысячи лет после того, как было обнаружено притяжения?

Решение

Два тела испытывают электрического притяжения, если заряжен только одно из тел, причем зарядом любого знака. А электрическое отталкивание проявляет себя только тогда, когда оба тела заряжены, причем обязательно одноименно.

2. Когда с первой капельки миллиард электронов переместили на вторую, между ними возникла сила электрического взаимодействия. Сколько электронов необходимо переместить с первой капельки на вторую, чтобы эта сила увеличилась в 4 раза?

3. На каком расстоянии находятся друг от друга точечные заряды 4 и 6 нКл, если сила их взаимодействия равна 6 мН?

4. Сколько электронов надо «перенести» с одной пылинки на другую, чтобы сила кулоновского притяжения между порошинами на расстоянии 1 см равна 10 мкН? (Ответ: 2,1·109)

5. Заряды двух одинаковых маленьких металлических шариков равны q1 = -2 нКл и q2 = 10 нКл. После соприкосновения шариков их развели на предыдущую расстояние. Во сколько раз изменился модуль силы взаимодействия между ними?

Решение

Пусть расстояние между шариками равна r. Тогда модуль силы взаимодействия между ними изменился от к Здесь q - заряд каждого из шариков после соприкосновения. Согласно закону сохранения заряда 2q = q1 + q2. Следовательно,

Ответ: уменьшился в 1,25 раза.

6. На шелковой нитке висят два заряженных шарика массой 20 мг каждая (см. рисунок). Модули зарядов шариков 1,2 нКл. Расстояние между шариками 1 см. Чему равна сила натяжения нити в точках А и В? Рассмотрите случаи одноименных и разноименных зарядов. (Ответ: сила натяжения нити в точке А равна 0,39 мН; В точке В для одноименных зарядов 0,33 мН, а для разноименных - 66 мкН.)

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела, называют электризацией.

• Электрический заряд - это физическая величина, характеризующая интенсивность электромагнитных взаимодействий тел или частиц.

• В электрически изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остается неизменной:

· Заряд, помещенный на теле, размеры которого малы по сравнению с расстояниями до других тел, с которыми оно взаимодействует, называют точечным зарядом.

· Неподвижные точечные заряды q1 и q2 взаимодействуют в вакууме с силой F, прямо пропорциональной модулям зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между зарядами:

Домашнее задание

1. Подр.: § 1.

2. 3б.:

Рів1 № 1.8; 1.9; 1.10; 1.11.

Рів2 № 1.31; 1.32; 1.34, 1.35.

Рів3 № 1.54, 1.55; 1.56; 1.57.