Закон Кулона. Закон збереження електричного заряду

                               Вітаю! 

Розпочинаємо вивчення теми №2!          

Перевірка Д/З 

Задача №1.1: у задачі йдеться про атом Цинку; у разі втрати або отримання електрона нейтральний атом перетворюється на позитивно чи негативно заряджені іони відповідно.                                          

                  Виконайте вправу для актуалізації 

 

Ознайомимось із законом Кулона та законом збереження електричного заряду!

До кінця XVIII ст. електричні явища вивчалися тільки якісно. Наприклад, електричні машини в основному виконували роль іграшок для розваг аристократії. Перехід до кількісних характеристик, а потім і до практичного застосування електрики став можливим тільки після того, як французький дослідник Ш. Кулон у 1785 р. встановив закон взаємодії точкових зарядів. Після встановлення цього закону вчення про електрику перетворилося на точну науку.

До того як вивчати сам закон, слід розібратися з терміном «точковий заряд». Скористаємося аналогією з механікою, адже поняття «точковий заряд» подібне до поняття «матеріальна точка». Згадайте торішній курс фізики. Наприклад, потяг «Київ–Львів» можна розглядати як матеріальну точку, якщо будувати графік його руху на маршруті між двома містами. А от мураху не можна розглядати як матеріальну точку, якщо, припустимо, розв’язувати задачу про траєкторію руху її передньої лапки. За аналогією з матеріальною точкою точковим зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого можна знехтувати порівняно з відстанями від нього до інших заряджених тіл, що розглядаються. Таким чином, точковий заряд, так само як матеріальна точка і точкове джерело світла, є не реальним об’єктом, а фізичною моделлю. Необхідність уведення такої моделі спричинена тим, що в загальному випадку взаємодія заряджених тіл залежить від багатьох чинників, отже, не існує єдиної простої формули, яка описує електричну взаємодію для будь-якого довільного випадку.

Військовий інженер Ш. Кулон почав проводити свої дослідження в галузі, вельми далекій від електростатики. Він виявляв закономірності пружного крутіння ниток і встановив залежність сили пружності від кута закручування. Отримані дані дозволили Кулону сконструювати надзвичайно чутливий прилад, який він назвав крутильними терезами. Саме крутильні терези учений пізніше використав для вимірювання сили взаємодії точкових зарядів.

        Прилад змонтований у скляному циліндрі (1). До верхньої кришки циліндра прикріплена трубка (2), усередині якої розташований пружний дріт (3), прикріплений до головки (4), що обертається. До нижнього кінця дроту підвішене коромисло (5), на кінцях якого розміщують досліджуваний об’єкт (кулька А) і противагу (B). Крізь отвір у кришці опускають кульку C. Кути закручування визначають за допомогою двох шкал із градусними поділками: перша (6) — на верхній кришці, що обертається, друга (7) — на бічній поверхні скляного циліндра; б — крутильні терези під час досліду Кулона.

Потім, обертаючи верхню кришку циліндра, дослідник змінював відстань між кульками A і C та знову визначав силу їхньої взаємодії. Виявилося, що при зменшенні відстані у два, три, чотири рази сила взаємодії кульок збільшувалася відповідно в чотири, дев’ять і шістнадцять разів. Провівши чимало подібних дослідів, Кулон зробив висновок, що сила F взаємодії двох точкових зарядів обернено пропорційна квадрату відстані R між ними. А як залежить сила F від значення самих зарядів? На той час не існувало методу для вимірювання заряду, і Кулон застосував такий прийом. Спочатку вчений вимірював силу взаємодії двох однакових кульок — A і С, кожна з яких мала певний заряд q. Потім на мить торкався однієї з цих кульок, наприклад, кульки С, кулькою D — такою самою, як кульки A і С, тільки незарядженою. Розміри кульок були однаковими, тому заряд розподілявся між кульками С і D порівну. Отже, на кульці С залишався заряд . Після цього Кулон вимірював силу взаємодії зарядів q₁ і q₂. Аналогічно роблячи й далі, учений переконався, що сила F взаємодії двох точкових зарядів q₁ і q₂ пропорційна добутку цих зарядів:

 На підставі проведених дослідів Кулон установив закон, що згодом отримав його ім’я — закон Кулона. Сила F взаємодії двох нерухомих точкових зарядів q₁ і q₂ прямо пропорційна добутку модулів цих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані R між ними. Де k — коефіцієнт пропорційності. Якщо q₁ і q₂ два точкові заряди по 1Кл, а R = 1 м, то { F } = { k } . Тобто коефіцієнт пропорційності чисельно дорівнює силі, з якою взаємодіють два точкові заряди по 1Кл кожний, розташовані у вакуумі на відстані 1м один від одного. Було встановлено, що при взаємодії точкових зарядів у вакуумі .

Зверніть увагу, що в законі Кулона йдеться про добуток модулів зарядів, оскільки знаки зарядів впливають лише на напрямок сили. Сили, з якими взаємодіють два точкові заряди, ще називають силами Кулона.

Сили Кулона напрямлені вздовж умовної прямої, яка з’єднує точкові заряди, що взаємодіють.

   Маючи кількісне значення коефіцієнта k, можемо оцінити силу, з якою два заряди по 1Кл кожний взаємодіють на відстані 1м. Це дуже велика сила! Вона дорівнює, наприклад, силі тяжіння, що діє на великий корабель. У багатьох середовищах ця сила буде значно меншою, ніж у вакуумі. Порівняно з вакуумом у повітрі вона зменшується незначно.

Візьмемо ебонітову паличку і потремо її об вовну. 

          

У цьому випадку, як ви вже знаєте, паличка набуває негативного заряду. З’ясуємо, що спричинило виникнення цього заряду. Перед натиранням і паличка, і вовна є електрично нейтральними. А от у разі щільного контакту двох тіл, виготовлених із різних матеріалів, частина електронів переходить з одного тіла на інше. Відстані, на які при цьому переміщуються електрони, не перевищують міжатомних відстаней. Якщо після контакту тіла роз’єднати, то вони виявляться зарядженими: тіло, яке віддало частину своїх електронів, буде заряджене позитивно, а тіло, яке їх одержало,— негативно. Вовна втримує свої електрони менш міцно, ніж ебоніт, тому при контакті електрони в основному переходять з вовни на ебонітову паличку, а не навпаки. Отже, після роз’єднання паличка виявляється негативно зарядженим фізичним тілом, а вовна — позитивно зарядженим. Аналогічного результату можна досягти, якщо розчесати сухе волосся пластмасовим гребінцем. Якщо в даному досліді паличка і вовна перед початком тертя були не заряджені, то після контакту їхні заряди стануть рівними за модулем і протилежними за знаком. Тобто їхній сумарний заряд, як і раніше, дорівнюватиме нулю. У результаті численних дослідів фізики з’ясували, що під час електризації відбувається перерозподіл наявних електричних зарядів, а не створення нових. Отже, виконується закон збереження електричного заряду: повний заряд замкненої системи тіл або частинок залишається незмінним під час усіх взаємодій, які відбуваються в цій системі.

При цьому під замкненою системою розуміють таку систему тіл або частинок, які взаємодіють тільки одне з одним, тобто не взаємодіють з іншими тілами або частинками.

Пропоную поекспериментувати!

Експеримент №1
Дослідіть взаємодію заряджених тіл. Для цього виконайте такі дії:

1) Зарядіть обидві ебонітові палички, потерши їх об вовну чи хутро.
Повільно піднесіть ебонітову паличку до ебонітової палички,
підвішеної на нитці. Опишіть та поясніть спостережуване явище.

2) Зарядіть обидві палички з оргскла, потерши їх об папір.
Повільно піднесіть паличку з оргскла до такої ж палички,
підвішеної на нитці. Опишіть та поясніть спостережуване явище.

3) Повільно піднесіть до зарядженої палички з оргскла, підвішеної
на нитці, заряджену ебонітову паличку. Опишіть та поясніть
спостережуване явище.

4) Наелектризуйте надуті повітряні кулі тертям об вовну чи хутро.

5) Візьміть кулі за нитки, розташуйте їх на одному рівні.
Повільно піднесіть кулі одна до одної.
Опишіть та поясніть спостережуване явище.

Експеримент №2

Дослідіть взаємодію зарядженого і незарядженого тіл. Для цього

виконайте такі дії:

1) Піднесіть заряджену повітряну кулю до дрібно нарізаного

паперу. Поясніть спостережуване явище .

2) Легенько притисніть до стінки заряджену кулю і відпустіть.

Поясніть спостережуване явище.

 

Розв'яжемо задачу!

№1

№2

Домашнє завдання

Задача № 2.2

Попередньо незаряджена краплина води «втратила» 20 мільярдів

електронів. Якого заряду вона набула?

Список використаних джерел:

1.                           Божинова Ф.Я., Кірюхін М.М., Кірюхіна О.О. Фізика. 9 клас. – Х.: Вид-во «Ранок», 2013.

2.                           Гончаренко С.У., Коршак Є.В., Коршак Н.М. Методика розв’язування задач з фізики. – К.: Вища шк., 1976.

3.                           Гельфгат И.М., Генденштейн Л. Э., Кирик Л.А. 1001 задача по физике с решениями. – Харьков – Москва, «Развивающее обучение», 1996.

4.                           Гофман Ю.В. Законы, формулы, задачи физики. Справочник. – К.: Наук. Думка, 1994.

5.                           Элементарный учебник физики. Под редакцией акад. Г.С. Ландсберга Том II «Электричество и магнетизм». – М.: Изд-во «Наука» - главная редакция физико-математической литеретуры, 1996.

6.                           Коршак Є.В., Ляшенко О. Планування уроків фізики у 8 класі. – Фізика та астрономія в школі. – 1999. - №4. – С.14-18.

7.                           Крот Ю. Є. Фізика у визначеннях, таблицях і схемах. – Х.: Вид-во «Ранок», 2013.

8.                           Лукашик В.І. Збірник запитань і задач з фізики. – К.: Рад. шк., 1991. – 208с.

9.                           Петрусенко Н.И. Сборник диктантов по физике. – Минск: Нар. Асвета, 1982. – 64с.

10.                      Савченко В.Ф. та ін. Уроки фізики у 7-8 класах: Метод. Посіб. Для вчителів/ В.Ф. Савченко, С.В. Коршак, О.І. Ляшенко. Фізичні бувальщини. На допомогу вчителю фізики/ В.Ф. Савченко. – К.; Ірпінь: ВТФ «Перун», 2002. – 320с.

11.                      Савченко М.О. Фізика: Розв’язування задач. – Тернопіль: Навч. книга – Богдан, 2004.

12.                      Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Фізика. Довідник з прикладами розв’язування задач. – Х.: Вид-во «Ранок», 2013.

           13. https://www.youtube.com/watch?v=ZQZLK_nK_5g

             14. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/07/CoulombsLaw.svg/300px-                     CoulombsLaw.svg.png

             15.https://samelectrik.ru/wp-content/uploads/2018/03/zakon-kulona-prostymi-slovami-5.jpg
             16. https://i.pinimg.com/originals/12/72/95/127295fff88557f5685b5eb9fff1dfd6.gif
             17. https://naurok-test.nyc3.digitaloceanspaces.com/105002/images/819722_1565775303.gif
             18. https://subject.com.ua/teaching/physics/8klas/8klas.files/image061.jpg
             19. https://narodna-osvita.com.ua/uploads/fiz-8-golovko/fiz-8-golovko-140.jpg
             20. https://media3.giphy.com/media/xl1pVfHSGczTgLL3YQ/source.gif

             21.  https://learningapps.org/