"Взаимодействие заряженных тел. Электрический заряд. Закон Кулона"

Тема урока: «Взаимодействие заряженных тел. Электрический заряд. Закон Кулона».

Дидактическая цель:    провести аналогию между гравитационным и электромагнитным

                                     взаимодействиями; изучить понятие “электрический заряд”, его свойства и

                                     способы получения электрических зарядов; объяснить физический смысл  

                                     явления электризации; познакомить с законом сохранения электрического

                                     заряда и законом Кулона

Воспитательная цель:   пробуждение познавательного интереса к предмету и окружающим

                                       явлениям; формирование умений критически, но объективно оценивать

                                       предметы, явления, поступки и действия.

Основные знания и умения:  знать определения терминов и формулировки законов, уметь

                                        применять их к решению задач

      - значком выделено то, что именно должны записать в тетрадь;

     - значком выделено то, что именно должны внимательно изучить;

   - подумать  и решить;

I.          Изучение нового материала.

1.  Электродинамика - это раздел физики, изучающий взаимодействие электрических зарядов. 

2.  Электростатика - раздел, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов.

Сейчас трудно представить, что 250 лет  назад человечество практически ничего не знало об электричестве, кроме нескольких забавных фактов, известных еще из глубокой древности: натертые шерстью  янтарь или стекло притягивают обрывки бумаги. Изучение электрических явлений началось в первой половине 18 века, и к концу этого столетия об электричестве было известно уже достаточно много. Однако научное исследование электричества физически берет начало с опытов, выполненных Шарлем Кулоном (1736-1806), заложившим основы электростатики. Сегодня электростатика- это классическая область физики с хорошо разработанным математическим аппаратом, идеи которой оказали большое влияние практически на все разделы физики.

Не все природные явления можно понять и объяснить на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории строения веществ и термодинамики. Достаточно обратить внимание на тот факт, что ни один из этих разделов физики ничего не говорит о природе сил, которое связывают отдельные атомы и молекулы, удерживают атомы и молекулы вещества в твердом состоянии на определенном расстоянии друг от друга. Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе представления о том, что в природе существуют электрические заряды.  

Попробуем разобраться в сути понятия “электрический заряд”, опираясь на известные нам факты. Из курса физики восьмого класса известно, что все тела состоят из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома и электронов, вращающихся вокруг него. Исследования физиков- ядерщиков показали, что ядро состоит из более мелких частиц протонов и нейтронов. Протоны, нейтроны и электроны называются субатомными частицами. Эти частицы обладают индивидуальными свойствами, они не похожи друг на друга. Для характеристики этих свойств было введено много физических величин, основными из которых являются масса и электрический заряд. Элементарные частицы при рождении наделяются строго индивидуальной массой и электрическим зарядом. Так, заряд, аналогичный заряду электрона, стал называться  отрицательным, а заряд, аналогичный заряду протона - положительным.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

·       Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

·         Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов.

Нейтрон не имеет электрического заряда. Наличие у частиц электрического заряда позволяет им взаимодей­ствовать друг с другом. Причем, как показывает опыт, одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, а разноименно заряженные — наоборот, притягиваются. Поэтому электрический заряд характеризует интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Электрический заряд не существует отдельно от частицы, это ее неотъемлемое свойство так же, как и масса частицы.

Электрическому заряду присуще свойство дискретности , т.е. он способен дробиться, но только до определенного минимального значения, которое называется элементарный заряд . Принято обозначать элементарный заряд символом е. Величина элементарного заряда была определена экспериментально Милликеном и И о ф ф е. Его численное значение равно: е=-1,6 • 10^-19 Кл. Видно, что это очень малая величина.

 е=-1,6 • 10^-19 Кл - элементарный заряд

Заряд макроскопических тел определяется суммарным зарядом частиц, из которых оно состоит. Атом любого вещества нейтрален, так как число электронов в нем равно числу протонов в его ядре. Поэтому макроскопические тела, как правило, электрически нейтральны.

Для того чтобы макроскопическое тело стало обладать электрическим зарядом, необходимо отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним. Этот процесс называют  электризаций.

Наэлектризовать тело можно:

-  трением. При этом небольшая часть наиболее подвижных заряженных частиц в теле — электронов — перейдет от одного тела к другому, атомы которого притягивают их сильнее. При этом первое тело зарядится положительно, а второе — отрицательно;

-  соприкосновением незаряженного тела с заряженным. При этом часть электронов будет перебегать от тела, у которого число электронов больше, к телу с меньшим числом электронов.

Совершенно ясно, что электрический заряд при электризации ниоткуда не берется и никуда не исчезает бесследно. Он только переходит от одного тела к другому, а общий заряд в замкнуто системе тел остается величиной неизменной. В этом состоит суть закона сохранения электрического заряда.

   Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда.

   В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

q1+ q2+ q3+… qn = сonst

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

Замкнутой  или изолированной, называют такую систему, через границы которой не может проникнуть вещество. 

Рисунок 1.1.1. Перенос заряда с заряженного тела на электрометр.

В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был установлен французским физиком Ш. Кулоном (1785 г.). В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10^–9 Н.

3.  Закон Кулона

Первые количественные результаты по измерению силы взаимодействия двух точечных зарядов были получены в 1785 году французским ученым Шарлем Огюстеном Кулоном.

- Сегодня мы введем понятие точечного заряда.

Точечный заряд – заряд, сосредоточенный на теле, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует.

 - Понятие точечного заряда, как и материальной точки является физической абстракцией.

     - Кулон для измерения этой силы использовал крутильные весы.

Крутильные весы:

1. Незаряженная сфера
2. Неподвижная заряженная сфера
3. Легкий изолирующий стержень
4. Упругая нить
5. Бумажный диск
6. Шкала

	Рис. 1.1.2

 

- Итак, Кулон определял силу взаимодействия заряженных сфер по углу закручивания нити в зависимости от расстояния между ними.

- В результате многочисленных измерений силы взаимодействия двух неподвижных точеных зарядов в вакууме Кулон установил закон, названный впоследствии его именем.

Закон Кулона: Два неподвижных точечных электрических заряда взаимодействуют в вакууме с силой, прямо пропорциональной произведению этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. где: q 1,q 2 - величина зарядов [Кл] r- расстояние между зарядами [м] k – коэффициент пропорциональности [Н•м2/Кл2] F- сила Кулона (кулоновская сила) [Н]

- В Международной системе единиц (СИ) за единицу электрического заряда принят 1 кулон (1 Кл).

      q=[Кл]

      1 кулон – это точечный заряд, который действует в вакууме на равный ему точечный заряд, расположенный на расстоянии, равном 1 м, силой 9•10⁹ Н.

- Опытным путем было установлено, что коэффициент пропорциональности k в СИ имеет вид:

     

В СИ закон Кулона для вакуума имеет вид:

 Границы применимости закона:

û  Заряженные тела должны быть точечными. Если же размеры и расстояния соизмеримы, то закон Кулона не применим. В этом случае необходимо мысленно «разбить» тело на такие малые объемы, чтобы каждый из них отвечал условию точечности. Суммирование сил, действующих между элементарными объемами заряженных тел, дает возможность определить электрическую силу.

û  Заряженные тела должны быть неподвижными, т.к. при движении заряженных тел проявляется действие магнитного поля, возникающего в результате этого движения.

4. Решение задач.

1. Во сколько раз изменится  сила взаимодействия между двумя точечными заряженными телами, если:

а) расстояние между ними увеличить в 3 раза;

б) заряд одного из них увеличить в 5 раз?

Дано: r1=r r2=3r q1=q2=q	Решение: Ответ: сила уменьшится в 9 раз.
F1/F2 - ?

Дано: r=r* q1=q2=q q1*=q q2*=5q	Решение: Ответ: сила увеличится в 5 раз.
F*/F-?

2. Определите силу взаимодействия 2 одинаковых точечных зарядов по 1 мкКл, находящихся на расстоянии 30 см друг от друга.

Дано: q1=q2=1 мкКл r=30 см k=9•109 Н•м2/Кл2	СИ: 1•10-6 Кл 0,3 м	Решение: Ответ: F=0,1 Н
F-?

5.Домашнее задание, Решите задачу:

1.     Сила взаимодействия двух одинаковых точечных зарядов, находящихся на расстоянии 0,5 м, равна 3,6 Н. Найдите величины этих зарядов.