Конспект уроку на тему "Абетка електростатики"

Фізика – 11                                                       УРОК 1/1                             Дата _________________

Тема уроку. Абетка електростатики

Мета уроку: нагадати учням основні поняття електростатики, досліджувані в 9 класі.

Тип уроку:    урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Електричний заряд

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

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:

• 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.
• Тіла, що мають заряди одного знака, відштовхуються; тіла, що мають заряди протилежних знаків, притягуються.
• Носієм електричного заряду є частинка: електричний заряд не існує окремо від неї.
• Електричний заряд є дискретним, тобто електричні заряди фізичних тіл кратні певному найменшому (елементарному) заряду. Носієм найменшого негативного заряду є електрон:

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:

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.

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.

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:

.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

• Чим обумовлена взаємодія електрично заряджених тіл?
• У яких випадках заряджені тіла притягуються, а в яких — відштовхуються?
• За яких умов виконується закон збереження електричного заряду?
• Від чого залежить електрична сила взаємодії заряджених тіл?

Другий рівень

• Чому притягування шматочків паперу натертим гребінцем не можна пояснити дією сил тяжіння, пружності й ваги?
• За допомогою якого досліду можна проілюструвати закон збереження електричного заряду?
• У чому полягають подібність і відмінності між законом всесвітнього тяжіння й законом Кулона?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

Якісні питання

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

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

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.

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  й сила натягу нитки . Оскільки кульки перебувають у рівновазі, то векторна сума сил дорівнює нулю:. Цю умову буде виконано, якщо модуль рівнодіючих сил і  дорівнюватиме модулю сили  : . Відповідно до закону Кулона тому

     (1)

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’ + q₂’. Оскільки розміри кульок однакові, то q₁’ = q₂’ = q’, отже,

         (2)

Значення  знайдемо  із трикутника ABC:  . Оскільки   , то Отже,  .       (3) 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

1. Підр-1: § 1; підр-2: § 1 (п. 1).
2. Зб.:

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.