В основе всего разнообразия явлений природы лежат 4 фундаментальных взаимодействия между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Каждый вид взаимодействия связывается с определенной характеристикой частиц: например – электромагнитное – с электрическим зарядом. Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц. Элементарными частицами будем называть мельчайшие известные в настоящее время частицы материи. Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Электрический заряд частицы - основная ее характеристика. Он обладает тремя фундаментальными свойствами:

Самая маленькая частица электрического заряда - называется элементарным зарядом.

Заряд всех элементарных частиц (если он не равен нулю) одинаков по абсолютной величине.

Положительный элементарный заряд будем обозначать символом (+е), отрицательный – (-е).

Из протонов, электронов и нейтронов построены атомы и молекулы любого вещества. Известны также частицы, называемые резонансами, заряд которых равен 2е.

2) Всякий заряд q образуется совокупностью элементарных зарядов, и является целым кратным е.

Электрический элементарный заряд очень мал, поэтому можно считать возможную величину макроскопических зарядов изменяющейся непрерывно.

3) Если физическая величина может принимать только определенные, дискретные значения, то говорят, что эта величина квантуется. Электрический заряд квантуется.

Величина заряда, измеряемая в различных инерциальных системах отсчета, оказывается одинаковой. Его величина не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется он или покоится.

Электрический заряд является релятивистски инвариантным. Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Но всегда возникают или исчезают 2 электрических заряда противоположных знаков. Электрон и позитрон при встрече аннигилируют , т.е. превращаются в нейтральные гамма-фотоны, при этом исчезают заряды +е и -е. Если гамма-фотон попадает в поле атомного ядра, то рождается пара частиц – электрон и позитрон, при этом возникают заряды +е и -е.

Закон сохранения электрического заряда . Он был установлен из обобщения опытных данных и экспериментально подтвержден в 1843 г. физиком М. Фарадеем.

Электрически изолированной системой будем называть систему, если между ней и внешними телами нет обмена электрическими зарядами. В такой системе могут возникать новые электрически заряженные частицы, но всегда рождаются частицы, суммарный электрический заряд которых равен нулю.

Алгебраическая сумма электрических зарядов любой электрически замкнутой системы остается неизменной, какие бы процессы не происходили внутри этой системы .

где- q 1 и q 2 -заряды тел системы до взаимодействия, а q 1 ¢ и q 2 ¢ - после взаимодействия.

Закон сохранения электрического заряда связан с релятивистской инвариантностью заряда. Действительно, если бы величина заряда зависела от его скорости, то, приведя в движение заряды одного какого-то знака, мы изменили бы суммарный заряд изолированной системы.

В нашей стране с 1982 введена система единиц СИ. Обозначается электрический заряд буквами - q или Q . Единицей измерения электрического заряда в СИ является Кулон, ([q] = 1 Кл), кулон – производная единица измерения.

1 Кулон - это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1А за время 1 сек.

- [м], - [кг], -[сек], [ I ]-, - K ,

1Кл = 2,998 ·10 9 СГСЭ единиц заряда; или 1СГСз = 1/3·10 -9 Кл, e = +1,6·10 -19 Кл.

СГСЭ система - (см, г, с и СГСЭ единица заряда) называется абсолютной электростатической системой единиц.

СГСЭ единица заряда это такой заряд, который взаимодействует в вакууме с равным ему и находящимся на расстоянии 1 см зарядом с силой в 1 дину.

Элементарный заряд равен: e =+1,6·10 -19 Кл = 4,80·10 -10 СГСЭ - единиц заряда.

В СИ единицей силы служит ньютон (Н), 1Н= 10 5 дин .

Хендрик Антон Лоренц. Закон Био-Савара-Лапласа. Ампер Андре-Мари. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Инструкция к просмотру. Линии магнитной индукции полей. Ханс Эрстед. Графическое изображение полей. Индукция магнитного поля прямолинейного тока. Направление вектора магнитной индукции. Масс-спектрограф. Опыт Эрстеда. Применение. Ампер присутствовал на заседании Академии. Модуль вектора магнитной индукции.

«Программа энергосбережения» - С уважением к энергосбережению. Щели в оконных рамах. Программа повышения энергетической эффективности. Кран. Работа в творческих мастерских. Цветной телевизор. Экономические задачи. Заседание дискуссионного клуба. Умное потребление. Энергосбережение. Час Земли. Энергопотребление и его последствия. Энергетические проблемы человечества. Рациональное использование энергии. Холодильник. Острова. Анкета.

««Законы Ньютона» 10 класс» - Скорость лыжника. Силы, с которыми тела действуют друг на друга. Проверь себя. Принцип относительности Галилея. Неинерциальные системы отсчета. Яблоко и Земля. Законы Ньютона. Найдите построением равнодействующую сил. Заполнить обобщающую таблицу. Ускорение тела. Системы отсчета. Динамика. Лебедь. Особенности III закона. Принцип суперпозиции сил. Направления скорости. Инерция. Скорость тела. Ускорение тела прямо пропорционально силе.

«МАГАТЭ» - Конфликт. Сферы деятельности. Дуайт Эйзенхауэр. Атом для мира. Состав и организационная структура. Агентство по атомной энергии. Штаб-квартира МАГАТЭ. Широкий спектр услуг. Контрольные функции. Участники. Создание МАГАТЭ. МАГАТЭ. Межправительственная организация. Нераспространение ядерного оружия. Мохаммед аль-Барадеи.

««Тепловые двигатели» 10 класс» - Двухтактный двигатель. Основные компоненты двигателя. Степень сжатия. Иван Ползунов. Охрана природы. Виды двигателей. Паровая турбина. Двигатель работает по четырехтактному циклу. Томас Ньюкомен. Опасность. Дизельные двигатели. Этапы развития ДВС. КПД двигателя. Огненное сердце. Немного истории. Пионеры ракетно-космической техники. Автомобили на ДВС завоевали мир. Профилактические меры. Решение выше перечисленных проблем жизненно важно для человека.

«Электролиз растворов электролитов» - Электрический ток в электролитах. Получение химически чистых веществ. Электрический ток. Распад нейтральных молекул. Первый закон электролиза. Заряд. Применение электролиза. Гальванопластика. Гальваностегия. Электролитическая диссоциация. Получение алюминия. Источник тока. Законы электролиза. Гальванотехника. Применение. Электролиз. Электрический ток в жидкостях. Анод. Катод. NaCl.

Гласит, что алгебраическая сумма электрических зарядов всех частиц изолированной системы не меняется при происходящих в ней процессах.

Электрический заряд любой частицы или системы частиц является целым кратным элементарному электрическому заряду (равному по величине заряду электрона) или нулевым.

Одним из подтверждений закона сохранения электрического заряда служит строгое равенство (по абсолютной величине) электрических зарядов электрона и протона. Изучение движения атомов (молекул) и микроскопических тел в электрических полях подтверждает электронейтральность вещества и, соответственно, равенство зарядов электрона и протона (и электронейтральность ней-трона) с точностью до 10 -21 .

Закон сохранения заряда подтверждается и простыми опытами по электризации тел. Укрепим на стержне электромера металлический диск и, положив на него прослойку из сукна, поставим сверху еще один такой же диск, но с ручкой из диэлектрика. Совершив несколько движений верхним диском по изоляционной прослойке, уберем его в сторону. Мы увидим, что стрелка электромера отклонится, свидетельствуя о появлении на сукне и соприкасающемся с ним диске электрического заряда. Далее прикоснемся вторым диском (которым мы терли о сукно) к стерж-ню второго электромера. Стрелка этого электромера отклонится примерно на такой же угол, что и стрелка первого электромера. Это означает, что при электризации оба диска получили одинако-вый по модулю заряд. Что можно сказать о знаках этих зарядов? Для ответа на этот вопрос завер-шим опыт, соединив электромеры металлическим стержнем. Мы увидим, как стрелки приборов опустятся вниз. Нейтрализация зарядов свидетельствует о том, что они были равны по модулю, но противоположны по знаку (и, следовательно, в сумме давали нуль).

Этот и другие опыты показывают, что в процессе электризации общий (суммарный) заряд тел сохраняется: если он был равен нулю до электризации, то таким он останется и после нее.

Полный электрический заряд сохраняется и в том случае, если первоначальные заряды тел были отличны от нуля. Если обозначить первоначальные заряды тел как q 1 и q 2 , а заряд тех же тел после их взаимодействия как q’ 1 и q’ 2 то можно записать:

q’ 1 + q’ 2 = q 1 + q 2 .

При любых взаимодействиях тел их полный электрический заряд остается неизменным.

В этом заключается фундаментальный закон природы — закон сохранения электрического заряда.

Закон сохранения заряда был установлен в 1750 г. американским ученым и видным политическим деятелем Бенджамином Франклином. Он же ввел понятие о положительных и отрицатель-ных зарядах, обозначив их знаками «+» и «-».

Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Он очевиден, когда число элементарных частиц не меняется. Однако элементарные частицы могут возникать (рождаться) и исчезать, т. е. пре-терпевать различные превращения. Возникают и исчезают элементарные частицы всегда пара-ми (с противоположными зарядами). Многочисленные наблюдения превращений элементарных частиц подтверждают закон сохранения заряда. Этот закон выражает одно из фундаментальных свойств электрического заряда.

Таким образом, электрический заряд во Вселенной сохраняется, а полный электрический за-ряд Вселенной, скорее всего, равен нулю.

"Если я хочу в каком-либо теле увеличить количество электрической материи, я должен

неизбежно взять ее вне него и, следовательно, умень­шить ее в каком-либо другом теле".

Эпинус

III. Вопросы:

1. Почему зимой электризация тел значительнее, чем летом?

2. Почему повышение среднемесячной температуры воздуха в тропиках, например всего на 2 0 С (с 25 до 27°С), приводит к росту грозовой активности в 100 раз?

3. Если бы электрон был нестабильной частицей, то сохранялся бы элек­трический заряд или нет?

4. Почему при переливании бензина из одной цистерны в другую он может воспламениться, если не принять специальных мер предосторожности?

5. Какими способами можно предотвратить возгорание горючего при его переливании из одной емкости в другую? (Повышение электропроводности бензина, фильтры из разных материалов, металлизация шланга, повышение влажности воздуха, заземление.)

Задачи:

1. Эбонитовая палочка получила заряд –1,6· 10 –6 Кл. Определите число избыточных электронов на ней.

2. В результате трения с поверхности стеклянной палочки было удалено 6,4∙10 12 электронов. Определить электрический заряд на палочке. На сколько килограмм уменьшилась масса палочки?

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: Эффект электризации наблюдается у водопадов, в пещерах и на берегу моря. Вблизи водопадов в воздухе отношение концентрации отрицательных ионов к концентрации положительных достигает 6, у берега моря 1/2. Почему?

IV. § 31-34 Упр. 7 № 1.

1. Изготовить набор по электризации.

2. Подготовить пятиминутное сообщение о жизни и научной деятельности Б.Франклина.

3. Если некоторый объем води замораживать с одной стороны, то на гра­нице "лед - вода" возникает напряжение. Измерьте его и объясните явление.

4. Составить обобщающую таблицу "Электризация тел", используя рисунки, чертежи и текстовый материал.

"Отталкивательное, так же как и притягательное дейст­вие двух наэлектризованных шаров, а, следовательно, и двух электрических молекул, прямо пропорционально плотности электрического флюида обеих электрических молекул и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними"

Ш. Кулон

Урок 2. ЗАКОН КУЛОНА

Цель урока: Выяснить характер зависимости кулоновской силы от величины зарядов и ра стояния между ними.

Тип урока: комбинированный.

Оборудование: модель "крутильные весы", весы чувствительные с принадлежностями, выпрямитель высоковольтный, обобщающая таблица "Закон Кулона".

План урока:

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Электрический заряд.

2. Электризация тел.

3. Закон сохранения электрического заряда.

Задачи:

1. Два металлических шарика с одноименными, но разными по величине зарядами привели в соприкосновение. При этом заряд одного из них увеличился на 60%, а заряд другого уменьшился на 40%. Найти отношение начальных зарядов шаров.

2. Какой электрический заряд приобрел бы железный шарик радиуса 1 см, если у каждого атома железа удалить по одному электрону?

Вопросы:

1. Можно ли на концах стеклянной палочки получить два одновременно существующих разноименных заряда?

2. Если резиновой трубкой (шлангом) ударить по столу, то она элек­тризуется. Почему?

3. Предложите как можно больше способов, позволяющих очистить одежду от пыли.

4. Зачем бензовозам нужна толстая цепь, которая соединяет их корпус с землей?

5. Почему электризуются капли воды при её дроблении (водопады, душ)?

III. Основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел в вакууме. Понятие точечного заряда. Устройство крутильных весов (демонстрация модели). Опыты Кулона. Закон Кулона (1785 г).

"Сегодня я предъявляю Академии электрические весы. Они измеряют с наивысшей точностью электрическое состояние и электрическую силу тела, как бы мала не была степень его электризации". Шарль Кулон

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: Момент М упругих сил, возникающих при закручивании нити, прямо пропорционален углу закручивания нити , и связаны эти величины формулой: , где - длина нити, - ее диаметр, С – коэффициент, зависящий от свойств нити.

Два точечных заряда взаимодействуют друг с другом в вакууме с силой F, величина которой пропорциональна произведению зарядов q 1 и q 2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Экспериментальная проверка закона Кулона (демонстрация с чувствительными весами). Центральный характер кулоновских сил.

Единица электрического заряда в СИ (повторение). Если бы нам удалось два точечных заряда по 1 Кл поместить на расстояние 1 м друг от друга, то электрическая сила оказалась бы равной 9∙10 9 Н.

Этот факт, несмотря на огромную величину силы, дает нам возможность определить коэффициент пропорциональности в формуле закона Кулона: k = 9·10 9 Н·м 2 /Кл 2 .

Формула закона Кулона в СИ:

Экспериментальная проверка формулы закона Кулона: измерение кулонометром электрического заряда шариков и выяснение зависимости кулоновской силы от величины заряда шариков и расстояния между ними.

Обобщающее повторение по таблице "Закон Кулона".

IV. Задачи:

1. С какой силой взаимодействуют два заряда по 10 нКл, находящиеся на расстоянии 3 см друг от друга?

2. На каком расстоянии друг от друга электрические заряды 1 мкКл и 10 нКл взаимодействуют с силой 9 мН?

3. Какую массу должен был бы иметь протон для того, чтобы сила электростатического отталкивания двух протонов уравновешивалась силой их гравитационного притяжения?

4. На каком расстоянии сила электростатического отталкивания двух протонов уравновешивается силой их гравитационного притяжения (зада­ча-провокация)?

V. § 35-36. Упр. 7, № 2, 3

1. Подготовить пятиминутное сообщение о жизни и научной деятельности Ш.Кулона.

"Среди всех людей науки, принесших славу Франции, трудно было бы указать одного человека, кто с точки зрения развития земной физики мог бы хоть как-то сравниться с Кулоном".

Т.Юнг

Исследовательская работа:

Зная расстояние между центрами соседних ионов в кристалле поваренной соли, вычислите силу, необходимую для разрыва всех связей в сечении образца площадью 1 м 2 (теоретический предел прочности материала). Почему же экспериментальное значение предела прочности в 1000 раз меньше теоретического?

s экс = 4,5·10 6 Па s теор = 10 9 Па

"Мы должны знать - мы будем знать".

Гильберт

Урок 3. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

Цель урока: Научить учащихся применять закон Кулона при решении конкретных физических задач.

Тип урока: решение задач.

Оборудование: микрокалькулятор, обобщающая таблица "Закон Кулона".

План урока:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Решение задач 30 мин

4. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Закон Кулона.

Задачи:

1. Заряды 10 и 16 нКл расположены на расстоянии 7 мм друг от друга. Какая сила будет действовать на заряд 2 нКл. помещенный в точку, удаленную на 3 мм от меньшего заряда и 4 мм от большего?

2. Два одинаковых металлических шарика заряжены так, что заряд одного из них в 5 раз больше заряда другого. Шарики привели в соприкосновение и раздвинули на прежнее расстояние. Во сколько раз изменилась по модулю кулоновская сила, если шарики были заряжены одноименно, разноименно?

3. На нить одели три бусинки и замкнули ее в петлю. Одна бусинка имеет заряд q , а остальные 3q . Бусинки могут скользить по нити без трения. В состоянии равновесия нить образует треугольник. Найти угол при основании треугольника.

Вопросы:

1. Как изменится период колебаний математического маятника, если в точку подвеса и на груз поместить одноименные заряды?

2. Укажите границы применимости закона Кулона.

3. Как изменится сила электростатического взаимодействия между двумя точечными зарядами, если расстояние между ними уменьшить в 3 раза и один из зарядов увеличить в 3 раза?

4. С какой силой действуют два одноименных и равных заряда на третий заряд, помещенный посредине между ними?

6. Почему в окружающем нас мире объекты, как правило, нейтральны?

7. Какие опыты свидетельствуют о том, что существует два вида электрических зарядов?

8. Положительно заряженную частицу подносят близко к одноименно заряженному закрепленному точечному заряду. Как зависит ускорение частицы от расстояния между зарядами?

III. Задачи:

1. С какой силой взаимодействовали бы две одинаковые капли воды на расстоянии 1 км, если бы удалось передать одной из капель 1% всех электронов, содержащихся в другой капле массой 0,3 г?

2. Два точечных заряда находятся на фиксированном расстоянии друг от друга, а их суммарный заряд равен q . Чему должен быть равен каждый заряд, чтобы действующая между ними сила была максимальна? (Задачу решить самому двумя способами: определение вершины параболы, обращение в нуль производной от функции в точке экстремума).

3. Изолированная система из двух заряженных материальных точек, расположенных на расстоянии L друг от друга, вращается по окружности относительно оси, проходящей через её центр. Массы материальных точек одинаковы и равны m, их заряды q и –q. Чему равна угловая скорость их вращения, если взаимодействие материальных точек только электростатическое?

4. Три одинаковых заряженных шарика массами m и зарядом q связаны в треугольник нитями длиной L и лежат на гладком столе. Одну из нитей пережигают. Рассчитайте ускорение шариков в начальный момент.

5. По тонкому кольцу радиуса R равномерно распределен малый заряд Q . Кольцо расположено горизонтально в вакууме, а в его центр помещен одноименный точечный заряд q . Найдите силу натяжения, возникающую в кольце.

IV. Упр. 7, № 4-6.

"Поэтому должна быть нечувствительная материя вне

электризованного тела, которая и производит эти действия…"

М.В.Ломоносов

Урок 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ.

Электрический заряд. Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Напряженность поля

Электростатикой называется раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчёта. Существуют два рода электрических зарядов - положительные и отрицательные. Силы взаимодействия тел или частиц, обусловленные электрическими зарядами этих тел или частиц, называются электростатическими силами. Точечным электрическим зарядом называется заряженное тело, форма и размеры которого несущественны в данной задаче. Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, приближённо равных 1,6·10 –19 Кл.

Закон сохранения электрического заряда

Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

Силы электростатического взаимодействия заряженных тел подчиняются экспериментально установленному закону Кулона. Поэтому их часто называют кулоновскими силами.

Закон Кулона

Сила электрического взаимодействия двух точечных электрических зарядов, находящихся в вакууме, прямо пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами и направлена вдоль прямой, соединяющей заряды (рис. 1.1).

,

где e 0 =8,85·10 -12 Ф/м - электрическая постоянная.

Всякое заряженное тело можно рассматривать как систему точечных зарядов. Поэтому электростатическая сила, с которой одно заряженное тело действует на другое, равна геометрической сумме сил, приложенных ко всем точечным электрическим зарядам второго тела со стороны каждого точечного заряда первого тела.

Взаимодействие между электрически заряженными частицами или телами, движущимися произвольным образом относительно инерциальной системы отсчёта, осуществляется посредством электромагнитного поля, которое представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полей - электрическогои магнитного. Характерная особенность электрического поля, отличающая его от других физических полей, состоит в том, что оно действует на электрический заряд (заряженную частицу или тело) с силой, которая не зависит от скорости движения заряда. Основной количественной характеристикой электрического поля служит вектор напряжённости электрического поля, являющийся его силовой характеристикой.

Напряженность электрического поля равна силе, действующей со стороны поля на положительный единичный точечный заряд, помещённый в данную точку поля, В/м.

Сила, действующая со стороны электрического поля на помещённый в него произвольный точечный электрический заряд q : = q· , где - напряженность в месте нахождения заряда q для поля, искажённого этим зарядом, т.е. в общем случае, отличного от поля, которое было до внесения в него заряда q .