Объяснение электризации. Закон сохранения заряда - ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Цели урока:

Выяснить сущность процесса электризации тел; сформулировать закон сохранения заряда.

Ход урока

I. Повторение. Проверка домашнего задания

- Что называют электризацией?

- Одно или оба тела электризуются при трении?

- Какие два рода электрических зарядов существуют в природе?

- Для чего применяют электроскопы и электрометры?

- Какие вещества называют диэлектриками?

- Как заряжен электрон?

- Из каких частиц состоит атомное ядро?

- Как находится число протонов в ядре?

- Что такое массовое число?

- Как находится число нейтронов в ядре?

- Пробковые шарики, подвешенные на нитях, заряжены (см. рис. 72). Какого знака заряды шаров?

- Подвешенная гильза вначале касалась заряженной металлической палочки, но, когда с другого конца к палочке поднесли заряженный шар, гильза оттолкнулась (см. рис. 73). Почему?

- Металлический шар заряжен. Какого знака заряд у шарика, подвешенного на шелковой нити (см. рис. 74)?

- К незаряженным металлическим палочкам поднесли заряженные тела (см. рис. 75). Укажите знаки зарядов, которые возникнут на палочках.

II. Самостоятельная работа

Вариант I

1. Стекло при трении о шелк заряжается ...

а) положительно;

б) отрицательно.

2. Если наэлектризованное тело отталкивается от эбонитовой палочки, натертой о мех, то оно заряжено ...

а) положительно;

б) отрицательно.

3. Три пары шариков подвешены на нитях (см. рис. 76). Какая пара шариков не заряжена?

а) первая;

б) вторая;

в) третья.

4. Какая пара шариков имеет одноименные заряды (рис. 76)?

а) первая;

б) вторая;

в) третья.

5. Какая пара шариков имеет разноименные заряды (рис. 76)?

а) первая;

б) вторая;

в) третья.

6. Два электроскопа, один из которых заряжен, соединили стержнем (см. рис. 77). Из какого материала изготовлен стержень?

а) из стали.

б) из алюминия;

в) из стекла.

г) из меди.

7. С одинаковой ли силой заряженная палочка действует на заряженные тела 1 и 2 (см. рис. 78)?

а) с одинаковой;

б) на первое тело с большей силой;

в) на второе тело с большей силой.

Вариант II

1. Если резину потереть о шерсть и коснуться ею некоторого тела, то это тело электризуется ...

а) положительно;

б) отрицательно.

2. К стеклянной палочке А, натертой о шелк (см. рис. 79), подносят палочку Б. Палочка А приходит в движение по направлению, указанному стрелкой. Какой заряд имеет палочка Б?

а) положительный;

б) отрицательный.

3. Какой заряд имеет шарик, к которому поднесли наэлектризованную палочку (см. рис. 80)?

а) положительный;

б) отрицательный.

4. Какой заряд имеет наэлектризованная палочка, поднесенная к гильзе (см. рис. 81)?

а) отрицательный;

б) положительный.

5. Одноименно заряженные тела..а разноименно заряженные -....

а) ...отталкиваются, ...притягиваются;

б) ...притягиваются,...отталкиваются.

6. Два одноименно заряженных шарика подвешены на шелковых нитях и помещены под колокол воздушного насоса. Шарики отталкиваются друг от друга. Будут ли они отталкиваться, если из колокола выкачать воздух?

Сила взаимодействия между зарядами передается через ..., поэтому заряды ... отталкиваться друг от друга.

а) ...воздух, ...не будут;

б) ...электрическое поле, ...будут.

7. Как будет вести себя незаряженный легкий шарик, подвешенный на нити, если к нему поднести заряженное тело?

а) шарик притянется к заряженному телу,

б) шарик оттолкнется от заряженного тела;

в) шарик вначале притянется к заряженному телу, а затем оттолкнется.

III. Новый материал

Эксперимент 1

Сухой песок сыплют в шар электрометра. Стрелка отклоняется. Объясните причину данного явления.

(Ответ: Песчинки соударяются с внутренними стенками полого металлического шара, который электризуется. С помощью эбонитовой палочки можно определить заряд, он отрицательный.)

Итак, давайте попробуем объяснить причину электризации тел. Открытие электрона и знания о строении атома позволяют это сделать. В обычных условиях все тела нейтральны. В процессе трения часть электронов, покинувших свой атом, может перейти с одного тела на другое.

1. Тела электризуются, т. е. получают электрический заряд, когда они приобретают или теряют электроны. Новые заряды при этом не образуются.

2. В диэлектриках заряд остается там, где возник, ведь в диэлектриках заряды не перемещаются. Если наэлектризовать проводник, то появившийся заряд тут же уйдет через проводник, а затем через руку в тело человека.

При любых взаимодействиях тел их полный электрический заряд остается неизменным (вспомнить эксперимент 4 из урока 2):

IV. Закрепление изученного

Вопросы для закрепления:

- Объясните электризацию тел при соприкосновении.

- Почему при электризации трением на телах появляются равные по модулю, но противоположные по знаку заряды?

- Почему при заземлении почти весь заряд тела уходит в землю?

Разбор задачи 17

Имеются два одинаковых металлических шарика. Заряд одного равен 4 нКл, заряд другого равен 10 нКл. Шарики привели в соприкосновение и затем раздвинули. Какой заряд будет у шариков после этого?

Дано.

Решение:

По закону сохранения заряда общий заряд шариков должен оставаться неизменным, т. е.:

Т. к. шарики одинаковые, то заряд после соприкосновения разделится между ними поровну.

Т. е.: q_1K = q_2K, и следовательно:

Ответ: -3 нКл.

Домашнее задание

1. § 5;

2. Задачи 15, 16, 18;

3. Экспериментальное задание после параграфа.

4. Экспериментальное задание для желающих: используя старую пластиковую мыльницу, изготовить пылесос и продемонстрировать его работу.

(Вариант исполнения: В днище одной из половинок пластмассовой мыльницы проделывают несколько пропилов шириной примерно 5 мм. Надевают вторую половинку. «Пылесос» готов!

Объяснение работы «пылесоса»'. Пластмассовый корпус мыльницы при трении об одежду электризуется, пыль и ткань - тоже, но зарядом противоположного знака. Поэтому мыльница притягивает к себе пылинки; крупные же частички соскабливаются неровностями краев пропилов при движении и соскальзывают в отверстия. Закончив чистку, остается открыть мыльницу-«пылесос», вытряхнуть содержимое и удалить влажной тряпочкой пыль с ее внутренней поверхности.)

Приложение к уроку

Первые теории электричества

Вместе с ускорившимся развитием опытного исследования электрических явлений возникают и теории этих явлений.

Конечно, еще до середины XVIII в. существовали некоторые соображения о природе электричества. Но они были весьма примитивными. В большинстве случаев электрические действия объяснялись наличием вокруг заряженных тел неких электрических атмосфер.

В середине XVIII в. появляются уже более содержательные теории электрических явлений. Эти теории можно разделить на две основные группы:

Первая группа - это теории электрических явлений, основанные на принципе дальнодействия.

Вторая группа - это теории, в основу которых положен принцип близкого действия.

Остановимся сначала на развитии теории дальнодействия, которая получила в XVIII в. почти всеобщее признание. Основоположниками теории дальнодействия были Франклин и петербургский академик Эпинус.

Франклин еще в 40-х г. XVIII в. построил теорию электрических явлений. Он предположил, что существует особая электрическая материя, представляющая собой некую тонкую, невидимую жидкость. Частицы этой материи обладают свойством отталкиваться друг от друга и притягиваться к частицам обычной материи, т. е. частицам вещества, по современным понятиям.

Электрическая материя присутствует в телах в определенных количествах, и в этом случае ее присутствие не обнаруживается. Но если в теле появляется избыток этой материи, то тело электризуется положительно; наоборот, если в теле будет недостаток этой материи, то тело электризуется отрицательно. (Название «положительное и отрицательное электричество», которое так и осталось в науке, принадлежит Франклину.)

Электрическая материя, по Франклину, состоит из особо тонких частиц, поэтому она может проходить сквозь вещество. Особенно легко она проходит через проводники. Из теории Франклина следует очень важное положение о сохранении электрического заряда. Действительно, для создания, например, отрицательного заряда на каком-либо теле нужно от него отнять некоторое количество электрической жидкости, которая должна перейти на другое тело и образовать там положительный заряд такой же величины. После соединения этих тел электрическая материя вновь распределится между ними так, чтобы эти тела стали электрически нейтральными.

Это положение Франклин демонстрировал на опыте. Два человека стоят на смоляном диске (для изоляции их от окружающих предметов и земли). Один человек натирает стеклянную трубку. Другой касается этой трубки пальцем и извлекает искру. Оба человека теперь оказываются наэлектризованными: один - отрицательным электричеством, другой - положительным. Но при этом их заряды равны по абсолютной величине. После соприкосновения люди потеряют свои заряды и станут электрически нейтральными.

Теория Франклина была развита Францем Эпинусом (1724-1802) . При этом Эпинус как бы брал за образец теорию тяготения Ньютона. Ньютон предположил, что между всеми частицами обычных тел действуют дальнодействующие силы. Эти силы центральные, т.е. они действуют по прямой, соединяющей частицы.

Эпинус же предполагает, что между частицами электрической материи также действуют центральные дальнодействующие силы. Только силы тяготения являются силами притяжения, силы же, действующие между частицами электрической материи, - силами отталкивания. Кроме того, между частицами электрической материи и частицами обычного вещества, так же как и у Франклина действуют силы притяжения. И эти силы аналогично силам тяготения являются дальнодействующими и центральными. Далее Эпинус подобно Ньютону говорит, что введенные им силы нужно признать как факт и что в настоящее время нельзя объяснить, каким образом они действуют через пространство. Придумывать же необоснованные гипотезы он не желает. Здесь он полностью копирует Ньютона.

Эпинус идет дальше, сравнивал силы тяготения и электрические силы. Он предполагает, что силы, действующие между частицами электрической материи, «изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния. Так можно предполагать с некоторым правдоподобием, ибо в пользу такой зависимости, по-видимому, говорит аналогия с другими, явлениями природы». Эта предполагаемая аналогия и дает возможность Эпинусу построить теорию электрических явлений. Одной из интересных его работ было исследование электрической индукции. Эпинус показал, что если к проводнику приблизить заряженное тело, то на проводнике появляются электрические заряды. При этом сторона его, к которой подносят заряженное тело, наэлектризуется зарядом противоположного знака. И наоборот, на удаленной части проводника образуется заряд того же знака, что и на поднесенном теле.

Если убрать заряженное, тело, то проводник снова становится незаряженным. Но если проводник может быть разделен на две части в присутствии заряженного тела, то получатся два проводника, заряженные разноименными зарядами, которые останутся и при удалении индуцирующего, заряда.

Эпинус подтвердил и закон сохранения электрического заряда. Он писал: «Если я хочу в каком-либо теле увеличить количество электрической материи, я должен неизбежно взять ее вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле».

Одновременно с теорией электрический явлений, основанной на представлении о дальнодействии, появляются теории этих явлений, в основе которых лежит принцип близкодействия. Одним из родоначальников этой теории можно считать Ломоносова. Ломоносов был противником теории дальнодействия. Он считал, что тело не может действовать на другие мгновенно через пустое или заполненное чем-либо пространство. Он полагал, что электрическое взаимодействие передается от тела к телу через особую среду, заполняющую все пустое пространство, в частности и пространство между частицами, из которых состоит «весомая материя», т. е. вещество. Электрические явления, по Ломоносову, следует рассматривать как определенные микроскопические движения, происходящие в эфире. То же самое относится и к магнитным явлениям.

На точке зрения близкодействия в теории электричества и магнетизма стоял и другой петербургский академик - Л. Эйлер. В середине XVIII в., как и Ломоносов, он выступил за теорию близкодействия. Он предполагал существование эфира, движением и свойствами которого объяснял наблюдаемые электрические явления. Однако теоретические представления Ломоносова и Эйлера в то время не могли получить развития. Вскоре был открыт закон Кулона. Он был по своей форме таким же, как и закон всемирного тяготения, и, естественно, его понимание было таким же, как и понимание закона тяготения. Таким образом, закон Кулона был воспринят как доказательство теории дальнодействия.

После открытия закона Кулона теория дальнодействия совсем вытесняет теорию близкодействия. И только в XIX в. Фарадей возрождает теорию близкодействия. Однако ее всеобщее признание начинается со второй половины XIX в., после экспериментального доказательства теории Максвелла.