Почему интенсивность взаимодействиязависит от расстояния.

Электростатическая сила - это сила, которая действует между зарядами. Электростатические силы взаимодействия точечных зарядов описываются законом Кулона.
Закон утверждает, что заряды одного знака отталкиваются друг от друга, в то время как заряды противоположных знаков притягиваются (рис. 1 ).

Атом вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Сила взаимодействия двух зарядов зависит от того, как далеко они находятся друг от друга. Чем ближе заряды друг к другу, тем больше будет сила (притяжения или отталкивания).

Закон Кулона

В 1784 году великий французский физик и инженер Шарль Огюстен Кулон изобрел и построил крутильные весы, которые предназначались для измерения сверхмалых сил, а уже в следующем году сформулировал свой знаменитый закон, который сейчас известен любому школьнику:

Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
расстояние между зарядами.

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

Темы кодификатора ЕГЭ : электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение - гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд ).

2. Гравитационное взаимодействие - это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд - это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы . Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия - притяжение и отталкивание - удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные .

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1 ; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации ) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

называется элементарным зарядом . Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация - это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело - сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк - отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть - положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением . С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову;-)

Другой тип электризации называется электростатической индукцией , или электризацией через влияние . В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других - отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2 . На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая - положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней - положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд - хорошо известная вам молния.

Закон сохранения заряда

Вернёмся к примеру электризации трением - натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда , который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами :

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки - столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Например, на рис. 5 показан процесс , при котором порция электромагнитного излучения (так называемый фотон ) превращается в две заряженные частицы - электрон и позитрон . Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях - например, в электрическом поле атомного ядра.

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.

Изучение электрических явлений началось в Древней Греции с наблюдения, которое и породило впоследствии слово электричество. Было замечено, что, если натереть янтарь шерстью, он начинает притягивать мелкие предметы – например, пушинки и перья. Янтарь по-гречески электрон, поэтому этот вид взаимодействия назвали электрическим.

Сегодня любой может повторить этот знаменитый древнегреческий опыт даже без янтаря.

Поставим опыт

Расчешите сухие волосы пластмассовой расческой и поднесите ее к маленьким кусочкам бумаги, не касаясь их. Кусочки бумаги будут притягиваться к расческе (рис. 49.1).

Электрические взаимодействия обусловлены наличием у тел электрических зарядов.

Тело, обладающее электрическим зарядом, называют электрически заряженным (или просто заряженным), а сообщение телам электрических зарядов называют электризацией.

Натертый янтарь приобретает способность к электрическим взаимодействиям по той причине, что при трении он электризуется. Впоследствии выяснилось, что янтарь – не исключение: при трении электризуются многие тела. Вы сами, наверное, не раз чувствовали, как вас "бьет током", когда вы прикасаетесь к другому человеку после того, как сняли или надели шерстяную одежду. Это – тоже результат электризации при трении.

Опыты с наэлектризованными телами – например, с натертыми янтарем или расческой – показывают, что наэлектризованные тела притягивают незаряженные предметы. Ниже мы увидим, что это притяжение обусловлено тоже взаимодействием электрических зарядов.

1. Многие хозяйки, стараясь как можно тщательнее вытереть пыль с мебели, подолгу трут поверхность мебели сухой тряпкой. Но, увы – чем больше они стараются, тем скорее пыль снова садится на»хорошо вытертые» поверхности. То же самое происходит и тогда, когда тщательно протирают сухой тряпкой монитор компьютера или ноутбука. Как это объяснить?

Для получения заряженных тел в школьных опытах по электричеству обычно натирают шерстью эбонитовую палочку или шелком – стеклянную. (Эбонит – твердое вещество черного цвета, состоящее из серы и каучука.) В результате палочки приобретают электрический заряд.

Поставим опыт

Наэлектризуем одну легкую металлическую гильзу (металлический цилиндр), прикоснувшись к ней заряженной. стеклянной палочкой, а другую гильзу – прикоснувшись к ней заряженной эбонитовой палочкой. Мы увидим, что гильзы начнут притягиваться (рис. 49.2, а).
А вот две гильзы, наэлектризованные с помощью одной и той же палочки, будут всегда отталкиваться – независимо от того, какой палочкой мы пользовались для электризации гильз (рис. 49.2, б, в).

Этот опыт показывает, что электрические заряды бывают двух типов: заряды одного и того же типа отталкиваются, а заряды различных типов притягиваются. Чаще говорят не о типах, а о знаках зарядов, называя их положительными и отрицательными. Дело в том, что заряды противоположных знаков могут компенсировать друг друга (подобно тому, как сумма положительного и отрицательного чисел может быть равной нулю). Итак,

электрические заряды бывают двух знаков – положительные и отрицательные.

Заряд стеклянной палочки, натертой шелком, считают положительным, а заряд эбонитовой пилочки, натертой мехом или шерстью, – отрицательным.
Тела, имеющие заряд одного знака, называют заряженными одноименно, а тела, имеющие заряды разных знаков, называют заряженными разноименно.

Описанный выше опыт показал, что

одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются .

2. а) Могут ли заряды трех шариков быть такими, что любая пара шариков взаимно отталкивается? взаимно притягивается?
б) Можно ли определить, не используя других тел или приборов: каков знак заряда каждого шарика? Имеют ли все шарики заряд одного и того же знака?
в) Опишите опыт, с помощью которого можно определить знак заряда каждого шарика.

Тела, не имеющие электрического заряда, называют незаряженными или электрически нейтральными. Почти все окружающие нас тела являются нейтральными. Но это не означает, что в них нет электрических зарядов!

Наоборот, в любом теле содержится огромное число положительно и отрицательно заряженных частиц, Как суммарный положительный заряд, так и суммарный отрицательный заряд этих частиц колоссален (скоро мы в этом убедимся). Но эти положительный и отрицательный заряды с очень большой точностью компенсируют друг друга.

2. Носители электрического заряда

Электрический заряд переносится только заряженными частицами. Электрического заряда без частиц не существует.

Заряженные частицы называют носителями электрического заряда. Если они могут перемещаться в веществе, их называют свободными носителями электрического заряда или просто свободными зарядами.

Чаще других в роли свободных зарядов выступают электроны. Как вы уже знаете из курса физики основной школы, эти очень легкие отрицательно заряженные частицы движутся вокруг массивного (по сравнению с электронами) положительно заряженного атомного ядра. Именно электроны являются свободными носителями заряда в металлах.

Переносить электрический заряд могут и ионы – атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов. (От греческого «ион» - странник.) Потерявший электрон (электроны) атом становится положительно заряженным ионом, а атом с избыточным электроном (электронами) – отрицательно заряженным ионом.

Например, в растворе поваренной соли (NaCl) свободными зарядами являются положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора.

3. В какой ион (положительно илн отрицательно заряженный) превращается атом, потерявший электрон?

4. Как изменяется масса атома, когда он становится: положительным ионом? отрицательным ионом?

Наиболее удаленные от ядра электроны слабее связаны с ядром. Поэтому при тесном контакте двух тел электроны могут переходить с одного тела на другое (рис. 49.3). Это объясняет, почему при трении тела часто электризуются.

В результате электризации в одном теле возникает избыток электронов, и поэтому оно приобретает отрицательный электрический заряд, а в другом теле возникает недостаток электронов, вследствие чего оно приобретает положительный заряд.

3. Проводники и диэлектрики

Вещества, в которых есть свободные носители электрического заряда, называют проводниками.

Хорошими проводниками являются все металлы. Проводниками являются также растворы солей и кислот – такие жидкости называют электролитами. (От греческого «литос» - разложимый, растворимый.) Электролитами являются, например, морская вода и кровь.

В металлах свободными зарядами являются электроны, а в электролитах – ионы.

Вещества, в которых нет свободных носителей электрического заряда, называют диэлектриками.

Диэлектриками являются многие пластмассы и ткани, сухое дерево, резина, стекло, а также многие жидкости – например, керосин и химически чистая (дистиллированная) вода. Газы, в том числе воздух, – также диэлектрики.

Хотя в диэлектриках свободных зарядов нет, это не означает, что они не участвуют в электрических явлениях. Дело в том, что в диэлектриках есть связанные заряды – это электроны, которые не могут перемещаться по всему образцу вещества, но могут перемещаться в пределах одного атома или молекулы.

Как мы увидим ниже, это приводит к тому, что диэлектрики существенно влияют на взаимодействие заряженных тел: например, они могут ослабить его в десятки раз.

Именно благодаря смещению связанных зарядов незаряженные диэлектрические тела (например, кусочки бумаги) притягиваются к заряженным телам. Ниже мы рассмотрим это подробнее.

4. Электризация через влияние

Благодаря тому, что в проводниках есть свободные заряды, проводники можно заряжать, даже не прикасаясь к ним заряженными телами. При этом тела заряжаются зарядами противоположных знаков.

Поставим опыт

Соединим проводником две металлические гильзы 1 и 2, лежащие на деревянном столе. Затем, не убирая проводник, поднесем к гильзе 1 положительно заряженную палочку, ке касаясь ею гильзы (рис. 49.4, а). Часть свободных электронов, притягиваясь к заряженной палочке, переместится с гильзы 2 на гильзу 1. В результате гильза 2 станет заряженной положительно, а гильза 1 – отрицательно.

Не удаляя заряженную палочку, уберем проводник, соединяющий гильзы (рис. 49.4, б). Они останутся заряженными, причем их заряды будут равны по модулю, но противоположны по знаку.

Теперь можно убрать и заряженную палочку: разноименные заряды останутся на гильзах.

Этот способ электризации тел называют электризацией через влияние.

Обратите внимание: электризация через влияние обусловлена перераспределением зарядов. Алгебраическая сумма зарядов тел остается при этом равной нулю: тела приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды.

5. Расскажите подробно, как и почему изменился бы результат описанного опыта, если бы сначала удалили заряженную палочку, а потом – проводник, соединяющий гильзы. Проиллюстрируйте ваш рассказ схематическими рисунками.

6. Объясните, почему в описанном выше опыте человек держит металлическую палочку, соединяющую гильзу, за деревянную ручку. Опишите, что произошло бы, если бы при проведении этого опыта человек держал металлическую палочку непосредственно рукой. Примите во внимание„что человеческое тело является проводником.

5. Почему незаряженные тела притягиваются к заряженным?

Выясним теперь, почему незаряженные тела притягиваются к заряженным.

Поставим опыт

Приблизим к незаряженной металлической гильзе положительно заряженную палочку (рис. 49.5). Свободные электроны гильзы притянутся к положительно заряженной палочке, поэтому на ближней к палочке части гильзы появится отрицательный электрический заряд, а на дальней ее части из-за недостатка электронов возникнет положительный заряд.

В результате гильза будет притягиваться к палочке, потому что отрицательные заряды на гильзе находятся ближе к палочке.

7. Объясните, почему незаряженная металлическая гильза притягивается также к отрицательно заряженной палочке.

Итак, незаряженный проводник притягивается к заряженному телу, имеющему заряд любого знака, вследствие перераспределения свободных зарядов в незаряженном проводнике.

8. На рисунке 49.6 показано взаимодействие гильз А и В, а также гильз В и С. Известно, что гильза А заряжена положительно.
а) Можно ли утверждать, что гильза В заряжена? Если да, то каков знак ее заряда?

в) Можно ли предсказать, как будут взаимодействовать гильзы А и С?

Незаряженный диэлектрик тоже притягивается к телу, имеющему заряд любого знака. Объясняется это смещением связанных зарядов в диэлектрике: на поверхности диэлектрика возникают заряды разных знаков, причем ближе к заряженному телу оказываются заряды противоположного с ним знака. Это и приводит к притяжению.

Ниже мы рассмотрим смещение связанных зарядов в диэлектрике подробнее.

6. Роль электрических взаимодействий

Само существование атомов обусловлено электрическим взаимодействием положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Электрическую природу имеет также взаимодействие атомов и молекул: благодаря ему атомы объединяются в молекулы, а нз атомов и молекул образуются жидкие и твердые тела. Электрическое взаимодействие нейтральных атомов и молекул объясняется неравномерным распределением электрического заряда в них.

Электрическими взаимодействиями обусловлены и многие процессы в живом организме. В частности, электрической является природа импульсов в нервных клетках, в том числе– в клетках головного мозга.

Электрические взаимодействия во много раз интенсивнее, чем гравитационные. Например, сила электрического отталкивания двух электронов превышает силу их гравитационного притяжения примерно в 4 * 10 42 раз. По сравнению с этим огромным числом кажется крошечной даже постоянная Авогадро! В § 50 мы проверим эту сравнительную оценку сил электрического и гравитационного взаимодействия.

Но если электрическое взаимодействие является таким сильным, почему же мы замечаем его вокруг себя так редко?

Дело в том, что практически все окружающие нас тела электрически нейтральны: огромный суммарный положительный электрический заряд атомных ядер с очень большой точностью компенсируется равным ему по модулю суммарным отрицательным зарядом электронов.

Только благодаря этой компенсации мы и не замечаем, насколько велики силы электрического взаимодействия, «спрятанные» внутри вещества.

Эта взаимная компенсация зарядов в окружающих нас телах не означает, однако, что электрические силы никак не проявляют себя, например, в механических явлениях. На самом деле мы неявно учитывали эти силы при изучении механики.

Как вы помните, в механике рассматривают три вида сил – силы тяготения, силы упругости и силы трения. Две из этих сил – сила упругости и сила трения – обусловлены взаимодействием атомов и молекул, из которых состоят тела, а взаимодействие атомов и молекул, как мы уже знаем, имеет электрическую природу.

Дополнительные вопросы и задания

9. Две одинаковые гильзы висят рядом на нитях одинаковой длины. На красной нити висит заряженная гильза, а на синей – незаряженная. Какая нить сильнее отклонена от вертикали?

10. Две металлические гильзы, висящие рядом на нитях, отталкиваются. Как будут взаимодействовать эти гильзы, если коснуться рукой одной из них?
11. На рисунке 49.7 показано, как взаимодействуют гильзы А и В, а также гильзы В и С.
а) Что можно сказать о заряде гильзы В?
б) Что можно сказать о заряде гильзы С?

12. Легкий металлический шарик подвешен между двумя вертикальными металлическими пластинами, заряды которых имеют противоположные знаки (рис. 49.8). Опишите, что будет происходить после того, как шарик коснется одной из пластин.

МАОУ «Экспериментальный лицей « Научно-образовательный комплекс»

Учебное пособие по физике

(5-6 класс)

Электромагнитные и световые явления.

Составитель:

учитель физики

Введение.

Дорогие ребята, мы приступаем к изучению одной из самых важных и интересных наук – физике. С момента появления сознания, человек всегда пытался понять: как устроен мир, в котором он живет, почему идет дождь, сверкает молния, восходит и заходит Солнце, лето сменяется зимой, любое тело непременно падает на Землю. Поиски ответов на многочисленные вопросы и стали основой науки о природе – физики. Но человек не просто нашел ответы на вопросы, он открыл законы природы и заставил их работать на себя. Благодаря развитию физики появились новые механизмы, устройства, значительно упрощающие жизнь человека, а открытие электрических явлений позволило перейти человечеству на новую ступень развития цивилизации. Итак, начинается наше знакомство с удивительным миром науки.

Тема 1. Электрические явления.

Электрическое взаимодействие. Электризация тел трением.

Возьмём пластмассовую линейку или авторучку и проведём ею несколько раз по сухим волосам или листочку бумаги. Как ни удивительно, но после такого простого действия пластмасса приобретёт новое свойство: начнёт притягивать мелкие кусочки бумаги, другие лёгкие предметы и даже тонкие струйки воды (см. рисунок).

Такие явления были известны ещё до нашей эры. Для опытов по электризации трением брали янтарь и натирали его шерстью. После этого и янтарь, и шерсть начинали притягивать к себе сухие травинки и пылинки. Янтарь по-гречески «электрон». Отсюда и произошли слова электричество и наэлектризованные тела.

Наэлектризованные тела могут не только притягиваться, они могут и отталкиваться. Проведём опыты. Натрём палочку из эбонита шерстяной варежкой, а палочку из стекла – шёлковым платком. Подвесив палочки на нитях, увидим, что эбонит и шерсть, а также стекло и шёлк притягивают друг друга (см. рисунок).

Теперь поменяем пары тел. Мы видим, что эбонит и шёлк, а также стекло и шерсть отталкивают друг друга (см. рисунок).

Увидеть взаимодействие заряженных тел можно с помощью простого прибора – электрического султана. На металлическом стержне укреплены легкие полоски бумаги. Коснувшись стержня заряженным телом, мы передаем заряд и стержню и лепесткам султанчика, которые начинают отталкиваться друг от друга. Наблюдение двух видов взаимодействия натолкнуло ученых на мысль о существовании двух видов электрических зарядов. Сейчас два рода зарядов мы называем:

Символом «q» обозначена физическая величина «электрический заряд» . Единицей для измерения заряда служит 1 Кулон (коротко: 1 Кл). Проведя несложные эксперименты, легко заметить, что сила взаимодействия заряженных тел бывает различной: больше или меньше. Это объясняют тем, что заряд, который приобретают тела в процессе электризации, может быть больше или меньше.

Для обнаружения наэлектризованных тел и сравнения их зарядов служит прибор электроскоп. Его внешний вид вы видите на рисунке.

Металлический корпус (1) спереди закрыт стеклом (2). Внутрь прибора вставлен металлический стержень (3) с легкой подвижной стрелкой (4). От корпуса стержень отделён круглой пластмассовой втулкой (5). Если верхней части стержня коснуться наэлектризованным телом, то стрелка оттолкнется от стержня тем сильнее, чем больше заряд тела.

Лабораторная работа №1

Наблюдение электризации различных тел и их взаимодействия.

Цель: Наблюдать электризацию различных тел.

Приборы и материалы: Пластмассовая линейка, бумага, кусочки ткани, резина.

Ход работы: используя предоставленные материалы, пронаблюдайте за явлением электризации, напишите вывод.

Атомы состоят из ещё меньших частиц трёх видов. В центре атома имеется ядро, образованное протонами и нейтронами . Вокруг ядра быстро движутся электроны, образуя так называемые электронные облака. Количество протонов в ядре равно количеству электронов, движущихся вокруг него. Количество нейтронов может быть разным.

Масса протона приблизительно равна массе нейтрона. По сравнению с их массами масса электрона пренебрежимо мала. Электроны относятся к так называемым отрицательно заряженным частицам, протоны – к положительно заряженным частицам. Нейтроны – к незаряженным или электронейтральным частицам.

Частицы ядра прочно связаны друг с другом особыми ядерными силами. Притяжение электронов к ядру гораздо слабее взаимного притяжения протонов и нейтронов, поэтому электроны (в отличие от частиц ядра – протонов и нейтронов) могут отделяться от своих атомов и переходить к другим (см. рисунок).

В результате переходов электронов образуются ионы – атомы или группы атомов, в которых число электронов не равно числу протонов. Если ион содержит отрицательно заряженных частиц больше, чем положительно заряженных, то такой ион называют отрицательным. В противоположном случае ион называют положительным. В верхней части рисунка показана потеря атомом электрона, то есть образование положительного иона. В нижней части рисунка – образование из атома отрицательного иона. Ионы очень часто встречаются в веществах, например, они есть во всех без исключения металлах. Причина заключается в том, что один или несколько электронов от каждого атома металла отделяются и движутся внутри металла, образуя так называемый электронный газ. Именно из-за потери электронов, то есть отрицательных частиц, атомы металла становятся положительными ионами. Это справедливо для металлов в любом состоянии – твёрдом, жидком или газообразном (например, для паров ртути).

При трении тел друг о друга «трутся» именно электронные облака атомов, из которых эти тела состоят. А так как электроны слабо связаны с ядрами своих атомов, то электроны могут отделяться от «своих» атомов и переходить на другое тело. В результате на нём возникает избыток электронов (и тело приобретает отрицательный заряд), а на первом теле – недостаток электронов (и оно становится положительно заряженным).

Итак, электризация трением объясняется переходом части электронов от одного тела к другому, в результате чего тела заряжаются разноимённо. Поэтому тела, наэлектризованные трением друг о друга, всегда притягиваются.

Кроме электризации трением, которую мы только что объяснили, существует также и электризация индукцией (от лат. «индукцио» – наведение, возникновение). Рассмотрим её на опыте, – см. рисунок.

Имеются два незаряженных металлических шара, которые касаются друг друга (а). Затем к одному из них подносят, не касаясь его, наэлектризованную палочку (б), после чего второй шар отодвигают (в). Теперь палочку можно убрать, – шары будут разноимённо заряженными.

Объясним опыт. Сначала металлические шары не были заряжены. Это значит, что электронный газ присутствовал в шарах в равных количествах (а). Поскольку палочка стеклянная, считаем её заряд положительным. Она притягивает отрицательно заряженные частицы шаров – электроны. Поэтому электронный газ «перетекает» в левую часть левого шара, и в этом месте образуется скопление отрицательного заряда (б).

Положительные ионы металла прочно связаны друг с другом (они и есть металл), поэтому никуда не «перетекут». Значит, во всех остальных частях шаров возникнет недостаток электронов, то есть положительный заряд. Если в этот момент, не убирая палочки, раздвинуть шары (в) и лишь затем убрать её, шары останутся разноимённо заряженными (г).

Итак, электризация индукцией объясняется перераспределением электронного газа между телами (или частями тела), в результате чего тела (или части тела) заряжаются разноимённо.

По способности проводить электрический заряд все вещества делятся на два вида. Диэлектрики – вещества, не имеющие свободных заряженных частиц и потому не проводящие заряд от одного тела к другому. Проводники – тела и вещества со свободными заряженными частицами, которые могут перемещаться, перенося заряд в другие части тела и к другим телам.

Различные тела можно наэлектризовать по-разному: передать им положительный или отрицательный заряд, сделать его большим или малым. После этого тела будут по-разному действовать на другие тела: отталкивать или притягивать их, делать это сильнее или слабее. Но как одно тело «узнаёт» заряд другого (например, чтобы «знать»: притягивать его или отталкивать)? Для ответа на этот вопрос рассмотрим понятие «электрическое поле».

Наэлектризуем одноимённо металлический шар на пластмассовой подставке и лёгкий пробковый или пенопластовый шарик на нити (назовём его пробным шариком). Будем переносить его в различные точки пространства вокруг большого шара (см. рисунок). Мы заметим, что в каждой точке пространства вокруг наэлектризованного тела обнаруживается сила, действующая на пробный шарик.

О том, что существует сила, мы судим по отклонению нити шарика от вертикали. По мере удаления от заряженного шара пробный шарик отклоняется всё слабее, следовательно, действующая на него сила становится всё меньше (сравните положения а, б, в).

Для следующего опыта используем магнит и стальной шарик, который положим на горизонтальную поверхность стола. Приблизим магнит к шарику сверху, и он незамедлительно покатится по столу вслед за магнитом. Следовательно, в каждой точке пространства вокруг намагниченного тела есть сила, действующая на стальной шарик.

Итак, в каждой точке пространства вокруг наэлектризованных или намагниченных тел существует так называемое силовое поле, способное воздействовать на другие тела. Заметим, что действие силы тяжести также обнаруживается во всех точках пространства вокруг Земли. Поэтому по аналогии говорят, что в пространстве вокруг планет также существует силовое поле; его называют гравитационным полем.

Электрический ток.

Открытие электрически заряженных частиц и их взаимодействия изменило мир, в котором мы с вами живем после того, как были обнаружены удивительные явления, возникающие при упорядоченном движении заряженных частиц, так был открыт электрический ток.

Электрический ток – это направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов и/или ионов.

Рассмотрим, как возникает электрический ток в металлическом проводнике, соединяющем заряженный и нейтральный электроскопы. При возникновении кратковременного тока, часть заряда переходит с одного электроскопа на другой. То есть, в проволоке короткое время существовал электрический ток, образованный движущимися электронами.

Познакомимся теперь с устройствами, предназначенными для создания долговременного электрического тока, – источниками электроэнергии (иногда говорят – источниками тока, но это менее желательный термин).

Известно много видов источников электроэнергии. Простейшие из них –гальванические элементы (1, 2, 3). Они превращают свою внутреннюю (химическую) энергию в энергию электрического тока. Аналогичное превращение энергии происходит и в аккумуляторах (4). Но после того, как энергия аккумулятора иссякнет, его можно вновь зарядить, и он опять будет служить источником электроэнергии. Образно выражаясь, обычные гальванические элементы – это «одноразовые», а аккумуляторы – «многоразовые» источники энергии.

Кроме одиночных аккумуляторов и гальванических элементов часто встречаются их батареи – несколько элементов, соединённых вместе. Цифрой 2 обозначена батарея гальванических элементов – «плоская батарейка», а цифрой 4 – батарея аккумуляторов для автомобиля. Цифрой 5 обозначен выпрямитель или блок питания , служащий источником электроэнергии для электронных приборов – ноутбуков, телефонов. Он берёт энергию от домашней электросети.

Любой источник электроэнергии, обязательно имеет не менее двух полюсов – металлических проводников, предназначенных для присоединения потребителей электроэнергии. Они называются положительный и отрицательный, обозначенные знаками «+» и «–».

Назначение источника электроэнергии – создание и долговременное поддержание неодинаковой электризации своих полюсов. Рассмотрим это на конкретном примере (см. рисунок).

Присоединим к «батарейке» лампочку от карманного фонарика. Избыточные электроны, всегда имеющиеся на отрицательном полюсе, в момент соединения контактов двинутся к положительному полюсу батарейки. Это приведёт к частичной нейтрализации зарядов на полюсах. Поэтому если внутри батарейки электроны под воздействием каких-либо сторонних сил не будут вновь попадать на отрицательный полюс, ток быстро прекратится, и лампочка погаснет. Но этого не происходит, значит, ток есть и внутри батарейки.

Обратите внимание: снаружи источника электроны движутся от «–» к «+», как и должны двигаться отрицательные частицы, находящиеся в электрическом поле. Однако внутри источника электроны движутся от «+» к «–». Такое движение вопреки силам электрического поля возможно лишь под воздействием так называемых сторонних сил , которые не имеют отношения к силам электрического поля; они возникают и совершают работу за счёт внутренней (химической) энергии батарейки.

Исторически так сложилось, что току приписывают направление от «+» источника к его «–» через потребители. Физики об этом договорились несколько веков назад, когда не знали о существовании электронов. Тогда же появилось и не вполне удачное название «источник тока», так как теперь мы знаем, что у электрического тока нет «истоков» и «стоков»: ток циркулирует по проводникам, подобно воде в замкнутой трубе с насосом Как вы думаете, как можно узнать – есть ли в проводнике ток? Заглянуть внутрь проводника невозможно, но, оказывается, это и не нужно. Прохождение тока по проводнику всегда сопровождается хотя бы одним из особых явлений – действий тока. Всего известно три действия тока: магнитное, химическое и тепловое.

Слева вы видите опыт, иллюстрирующий магнитное действие тока . К источнику электроэнергии (на рисунке он не показан) при помощи двух проводов подключим катушку с проволокой и стальным стержнем внутри. При включении тока катушка становится магнитом и начинает притягивать стальные предметы (например, гвозди).

Магнитное действие тока наблюдается вокруг любых проводников: толстых или тонких, прямых или свитых в спираль, горячих или холодных, твёрдых, жидких или газообразных.

Слева изображён опыт, иллюстрирующий химическое действие тока . В стакан с раствором сульфата меди CuSO4 опустим два угольных стержня. Через несколько минут на стержне, подключённом к «–», образуется тонкий слой ярко-красного цвета. Это чистая медь, выделившаяся из раствора. Поскольку произошло явление, при котором одно вещество (сульфат меди) превратилось в другое (чистую медь), значит, мы видели химическую реакцию.

Химическое действие тока, как правило, наблюдается в жидких проводниках и сравнительно реже – в газообразных. В твёрдых проводниках химические реакции протекать не могут, так как в них отсутствуют подвижные ионы (то есть «носители» химических свойств вещества).

Тепловое действие тока встречается, например, в утюгах, электрокаминах и лампах. Утюг горяч настолько, что нельзя притронуться рукой; спирали электрокамина нагреты ещё сильнее: до «красного каления», а спираль лампочки – даже до «белого каления». Жидкие и газообразные проводники также нагреваются при прохождении через них тока.

9. Сделайте вывод.

Закон преломления света. Чтобы рассмотреть этот закон, введём определения. Угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке излома луча назовём углом падения (a). Аналогично, угол между преломлённым лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке излома луча назовём углом преломления (g).

Используем качественную трактовку закона преломления света: при переходе света в оптически более плотную среду луч отклоняется к перпендикуляру к границе раздела сред. И наоборот. Количественно закон мы с вами изучим в старших классах.

Принцип обратимости световых лучей. При отражении или преломлении света падающий и отражённый лучи всегда можно поменять местами. Это означает, что ход лучей не изменится, если изменить их направления на противоположные. Многочисленные опыты подтверждают: при этом «траектория» хода лучей не меняется (см. чертёж).

Для пояснений обратимся к чертежам. Слева показано, что лучи, идущие параллельно главной оптической оси собирающей линзы, после неё «сходятся», проходя через точку F – действительный главный фокус собирающей линзы. Справа показано прохождение лучей света через рассеивающую линзу параллельно её главной оптической оси. Лучи после линзы «расходятся» и кажутся исходящими из точки F", называемой мнимым главным фокусом рассеивающей линзы. Он не действительный, а мнимый потому, что через него лучи света не проходят: там пересекаются лишь их воображаемые (мнимые) продолжения.

В школьной физике изучаются только так называемые тонкие линзы, которые вне зависимости от их симметричности «в разрезе» всегда имеют два главных фокуса, расположенные на равных расстояниях от линзы.

Линзой можно не только собирать или рассеивать лучи. При помощи линз можно получать увеличенные и уменьшенные изображения предметов. Например, благодаря собирающей линзе на экране получается увеличенное и перевёрнутое изображение золотой статуэтки (см. рисунок).

Опыты показывают: отчётливое изображение возникает, если предмет, линза и экран расположены на определённых расстояниях друг от друга. В зависимости от них изображения могут быть перевёрнутыми или прямыми, увеличенными или уменьшенными, действительными или мнимыми.

Ситуация, когда расстояние d от предмета до линзы больше её фокусного расстояния F, но меньше двойного фокусного расстояния 2F, описана во второй строке таблицы. Именно это мы и наблюдаем со статуэткой: её изображение действительное, перевёрнутое и увеличенное. Если изображение действительное, его можно спроецировать на экран. При этом изображение будет видно из любого места комнаты, из которого виден экран. Если изображение мнимое, то его нельзя спроецировать на экран, а можно лишь увидеть глазом, располагая его определённым образом по отношению к линзе (нужно смотреть «в неё»).

Лабораторная работа № 7

Изучение изображений, даваемых собирающей линзой.

Цель: Изучить изображения, даваемые собирающей линзой.

Приборы и материалы: собирающая линза, электрическая лампа, источник тока, соединительные провода, экран, линейка.

Ход работы.

1. Получая, изображение удаленного источника, определите фокусное расстояние линзы.

2. Изменяя расстояние между лампой и линзой, определите тип изображения при различных положениях лампы.

3. Результаты наблюдений занесите в таблицу.

4.сделайте вывод.

Опыты показывают, что рассеивающие линзы дают уменьшенное прямое мнимое изображение при любом расстоянии от предмета до линзы.

Лучи, испущенные предметом и прошедшие через лупу, расходятся (см. чертёж). От кончика пламени мы провели «красные» лучи. Один – параллельно главной оптической оси линзы, второй – через её центр. Первый луч после преломления в линзе пройдёт через её фокус, а второй луч не изменит направление распространения. От основания свечи отходят два «синих» луча. Они проходят так же, как и красные – параллельно главной оптической оси линзы и через её оптический центр. И «красные», и «синие» лучи являются расходящимися. Поэтому лупа не может создавать изображений на экране; их нужно наблюдать только оптическим прибором: глазом, фотоаппаратом и т. п.

Проектор. В отличие от лупы, этот прибор предназначен для получения действительных изображений, которые можно спроецировать на экран и сделать видимыми многим зрителям одновременно (см. чертёж). Свет лампы 1 при помощи вогнутого зеркала 2 направляется на слайд 3. Он расположен между фокусом и двойным фокусом собирающей линзы 4. Поэтому на экране 5 получается увеличенное действительное изображение.

Обратите внимание: красные лучи от верхней части слайда попадают в нижнюю часть экрана. И наоборот, синие лучи от нижней части слайда попадают в верхнюю часть экрана. Поэтому изображение на слайдах должно располагаться «вверх ногами».

Глаз. Орган зрения человека является сложным оптическим прибором. Основные части глаза: 1 – склера (плотная наружная оболочка), 2 – роговица (передняя более выпуклая прозрачная часть склеры), 3 – радужная оболочка, 4 – хрусталик, 5 – мышца, 6 – сетчатка (светочувствительная внутренняя задняя поверхность склеры), 7 – зрительный нерв.

Свет от рассматриваемого предмета, попадая в глаз, проходит через хрусталик. Он является собирающей линзой, поэтому на сетчатке образуется действительное изображение предмета. Светлые и тёмные части, из которых оно образовано, по-разному воздействуют на нервные окончания, расположенные на сетчатке. Эти воздействия по зрительному нерву попадают в головной мозг, который «переворачивает» изображение и распознаёт его.

Одним из особенных свойств хрусталика является его упругость. Если окружающие его мышцы напрягаются, то хрусталик растягивается и становится менее выпуклым. При этом его преломляющая способность уменьшается, и мы можем чётко видеть более удалённые предметы.

Очки. Они предназначены для исправления таких дефектов зрения, как дальнозоркость и близорукость . Близорукий глаз хорошо видит только близкие предметы. Их чёткие изображения получаются на сетчатке глаза (чертёж «а»). Если же предмет далеко, то его чёткое изображение получается перед сетчаткой (чертёж «б»).

Для исправления близорукости поместим перед глазом рассеивающую линзу (чертёж «в»). Она сделает пучок лучей от предмета более расходящимся. В результате он станет похожим на тот пучок, который попадал в глаз в случае «а». Следовательно, изображения окажутся на сетчатке, и близорукий человек отчетливо увидит далёкие предметы. Для дальнозорких людей нужны очки с собирающими линзами.

Дисперсия света. Образование цвета.

Опыт можно повторять, используя лучи других цветов, однако вывод будет прежним: показатель преломления вещества зависит от цвета света. Это влияние называют дисперсией света. В физике также встречается трактовка дисперсии как явления «разложения» света (рис. «в»).

Направив на призму белый свет, мы увидим два новых явления: во-первых, тонкий пучок превратится в расширяющийся и, во-вторых, белый свет превратится в многоцветный. Поместив на его пути белый экран, мы увидим радужную полоску – сплошной спектр (см. рисунок).

Откуда же появились разноцветные лучи? Рассмотрим рисунок «в» внимательнее. Красно-оранжевая часть спектра расположена там, куда шёл красный луч в опыте «а». При этом сине-фиолетовая часть спектра расположена там, куда шёл фиолетовый луч в опыте «б». Следовательно, белый свет разделяется призмой на цветные лучи. Таким образом, белый свет – сложный свет, образованный из света всех цветов спектра.

Цвета тел. На средней фотографии ракетки и теннисный шарик освещены белым светом. Посмотрим на них сквозь зелёное стекло: белый шарик стал зелёным, малиновая ракетка чёрной, а зелёная сохранила свой цвет (фото слева). Если же мы используем красное стекло, то белый шарик станет красным, зелёная ракетка чёрной, а малиновая красной (фото справа).

Правая ракетка видится нам зелёной, так как из всего спектра падающего на неё белого света она отражает лишь жёлто-зелёно-голубые лучи, дающие в смеси зелёный цвет. Лучи остальных цветов ракетка не отражает, а поглощает. Аналогично, если левая ракетка видится нам красной, значит, из всего спектра падающего на неё белого света она отражает только жёлто-красно-оранжевые лучи. Лучи других цветов ракетка поглощает.

Теперь объясним, почему ракетки поочерёдно выглядят чёрными: малиновая при рассматривании через зелёное стекло и зелёная – при рассматривании через красное. Оно потому и красное, что поглощает лучи всех цветов, пропуская лишь красно-оранжевые. А поскольку от зелёной ракетки таких лучей не исходит, она выглядит чёрной – от этой ракетки в наши глаза свет не поступает вообще, что наш мозг считает чёрным цветом. Аналогично, зелёное стекло поглощает лучи всех цветов, кроме сине-зелёно-жёлтых. Поэтому, наблюдая красную ракетку сквозь него, мы не видим испускаемого ею света – она выглядит чёрной.

Примером дисперсии света является образование радуги. Разложение белого цвета происходит при прохождении через капельки дождя.