Электромагнитные и световые явления. Учебное пособие по физике

Пожалуй, самым оригинальным образом доказывал существование двух видов зарядов англичанин Роберт Симмер (1707–1763). Он обратил внимание на необычное поведение своих шерстяных и шёлковых чулок. Снятые вечером чёрные шерстяные и белые шёлковые чулки эффектно раздувались, принимая форму ноги, если только лежали порознь. При размещении одного чулка внутри другого они принимали обычный вид. Поднесённые друг к другу, все четыре чулка причудливо переплетались, подобно змеям. Основываясь на своих наблюдениях, Симмер стал рьяным сторонником теории двух видов зарядов, за что был прозван современниками «раздутым философом». Но он оказался прав. Выражаясь современным языком, его шёлковые чулки имели отрицательные, а шерстяные – положительные заряды. Этим и объяснялось их поведение.

Учебный эксперимент 2 (продолжение УЭ2)

Фронтальный эксперимент: исследование характера электризации различных тел (приборы и материалы , а также порядок выполнения работы см. в ОК, с. 14).

Учитель. Выполните эксперимент 2, результаты сведите в таблицу ОК, сделайте выводы и запишите их в ОК.

Мы сегодня экспериментально изучили явление накопления электрических зарядов, т.е. статическое электричество. Вот как описывает поэт один из видов статического электричества (читает отрывок из стихотворения Е.Б.Кульман *). (* См. № 1/06, с. 18. Елизавета Борисовна Кульман (1808–1825) с детских лет отличалась поразительной одарённостью, переводчица, владевшая 14 языками и умершая в 17 лет от простуды, полученной во время очередного петербургского наводнения. Поэзия Кульман вдохновила одного из крупнейших композиторов мира Р.Шумана : в 1851 г. он сочинил на стихи Кульман два вокальных цикла. Благодаря этим шумановским опусам петербургская поэтесса вошла в историю мировой культуры. – Ред .)

Молния – это величественное и грозное явление природы, невольно вызывающее чувство страха. Долгое время человек не умел объяснять причин грозовых явлений. Люди считали грозу деянием богов, наказывающих человека за грехи. Природа молнии стала проясняться после исследований, проведённых в ХVIII столетии М.Ломоносовым, Г.Рихманом и Б.Франклином.

Объяснение М.В.Ломоносова было таким. В земной атмосфере воздух находится в постоянном движении. Благодаря трению восходящих и нисходящих воздушных потоков друг о друга частички воздуха электризуются и, сталкиваясь с капельками воды в облаках, отдают им свой заряд. Таким образом, в облаках со временем скапливаются весьма большие заряды. Они-то и являются причиной молний. Пытаясь зарядить «небесным» электричеством во время грозы железный стержень, погиб помощник Ломоносова Георг Рихман. Сам Ломоносов во время подобных опытов тоже не раз подвергался смертельной опасности. Но новое влекло неудержимо. Недаром он записал в дневнике: «Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рождённых только воображением».

На другом конце земного шара, в Америке, в те же годы работал учёный столь же разносторонний, как Ломоносов, – Бенджамен Франклин. Русский и американский исследователи не были знакомы друг с другом, но их роднило многое. Оба, например, писали остроумные стихи, увлекались искусством и примерно в одно и то же время занялись изучением... атмосферного электричества. К счастью, очень рискованные опыты Франклина окончились благополучно для него. Ведь он тоже вызывал молнию на себя, запуская во время грозы высоко в небо воздушного змея на влажной бечёвке. «Вода проводит электричество, и если молния имеет электрическую природу, то она спустится, – подумал Франклин, – по мокрой верёвке». И молния действительно послушно ударила в землю рядом с Франклином!

Мы постоянно находимся в океане электрических разрядов, создаваемых многочисленными машинами, станками и самим человеком (например, когда мы ходим, причёсываемся). Эти разряды, конечно, не такие мощные, как природные молнии, поэтому мы не замечаем их, если не считать лёгких уколов, которые иногда испытываем, коснувшись рукой металлического предмета или другого человека. Но ведь такие разряды существуют и могут так же, как и большие молнии, вызывать пожары и взрывы, приводить к значительным убыткам, повреждениям и увечьям, если мы не будем знать, отчего они возникают и как от них защищаться.

Использование статического электричества и борьба с ним (по схемам)

Оно может служить человеку:

в лечебных целях – электростатический душ, положительно воздействующий на весь организм, электроаэрозоли для лечения органов дыхания;

для очистки воздуха от пыли, сажи, кислотных и щелочных паров – электростатический фильтр;

для размножения чертежей, графиков, текстов – электрокопировальные устройства (в частности, ксерокс); для быстрой и прочной окраски тканей;

для копчения рыбы – электрокамеры, где конвейер с рыбой, заряженной положительно, движется под электродами, заряженными отрицательно; такое копчение происходит в десятки раз быстрее, чем обычным способом.

Статическое электричество может причинять вред как на производстве, так и в быту, так что зачастую с ним приходится бороться. Так, при трении о воздух самолёт электризуется, поэтому после посадки к нему нельзя сразу же приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолёт разряжают, для чего опускают на землю металлический трос, соединённый с обшивкой самолёта, и заряд уходит в землю. Микроразряды возникают, когда вы ходите по полу, покрытому полимерным покрытием, или снимаете синтетическую одежду.

Чтобы нейтрализовать вредное действие статического электричества:

на производстве заземляют станки и машины, увлажняют воздух, используют специальные нейтрализаторы зарядов;

дома увлажняют помещения, используют специальные добавки к воде при мытье полов, сбрызгивают антистатиком одежду.

Давайте посмотрим на содержание нашего ОК и повторим материал: о каких явлениях мы сегодня говорили? что значит наэлектризовать тело? Приведите примеры возникновения электрического заряда (игра в баскетбол, волейбол, «ёрзание» на стуле, игра на музыкальных инструментах, причёсывание, листание книг, письмо ручкой, движение шин по асфальту, движении пара вверх и т.п.). Почему же мы не обращаем на него внимания и считаем редким явлением? Назовите виды электрических зарядов. Как можно наэлектризовать тело? Каков характер взаимодействия заряженных тел? Расскажите о роли электризации в природе.

Проверим полученные знания (решение задач силлюстрацией условий фрагментами из мультфильмов или рисунками)

1.Аладдин поглубже запахнул полы своего единственного шёлкового халата, обмотался своим единственным шерстяным шарфом и опустился в холодное подземелье, где нашёл странную лампу: одна её часть была стеклянной, а другая – из янтаря. На лампе были написаны странные слова и символы:

«Лампа (+) + добрый джин три желания»;

«Лампа (–) злой джин ...».

Что должен сделать Аладдин?

(Ответ. Потереть стекло о халат для получения положительного заряда.)

2.При правильном ответе А покажите красную карточку, Б – синюю, В – зелёную.

1. В каком случае взаимодействие зарядов указано правильно?

2. Известно, что натиранием о шерсть заряжаются палочки из резины, серы, эбонита, пластмассы, капрона. Заряжается ли при этом шерсть?

А) Да, т.к. в электризации трением всегда участвуют два тела и при этом электризуются оба;

Б) хотя в электризации трением участвуют два тела, в опытах всегда используются только палочки. Поэтому можно считать, что заряжаются только палочки.

3. Как взаимодействуют друг с другом две эбонитовые палочки, наэлектризованные трением о мех?

4. Как взаимодействуют друг с другом две стеклянные палочки, наэлектризованные трением о шёлк?

5. Как взаимодействуют друг с другом эбонитовая палочка, наэлектризованная трением о мех, и стеклянная палочка, наэлектризованная трением о шёлк?

6. Какое действие друг на друга оказывают два одинаковых тела, получивших заряд от эбонитовой палочки?

7. Какое действие друг на друга оказывают два одинаковых тела, получивших заряд от стеклянной палочки?

8. Какое действие оказывает тело, получившее заряд от эбонитовой палочки, на тело, получившее заряд от стеклянной палочки?

9. Какое действие оказывают друг на друга наэлектризованные обычным способом стеклянные палочки?

10. Какое действие оказывает эбонитовая палочка на стеклянную палочку, если их наэлектризовать обычным способом (натиранием стекла о шёлк, эбонита – о мех)?

11. Составьте тексты из фраз А , Б , В .

А: 1. Две эбонитовые палочки, потёртые о мех...

2. Две стеклянные палочки, потёртые о шёлк...

3. Стеклянная палочка, потёртая о шёлк, и эбонитовая палочка, потёртая о мех...

Б: 1. ...имеют заряды разного знака.

2. ...имеют заряды одного знака.

В: 1. ...поэтому они отталкиваются друг от друга.

2. ...поэтому они притягиваются друг к другу.

12. Отгадайте слово:

Эточастица, обладающая, по мнению Франклина,положительным зарядом: 1 – наука о природе (первая буква); 2 – русский учёный, внёсший большой вклад в изучение электричества (первая буква); 3 – знак электрического заряда на стеклянной палочке при её трении о шёлк (третья буква); 4 – знак электрического заряда на эбонитовой палочке при её трении о шерсть (вторая буква); 5 – учёный, впервые аргументированно отстаивавший точку зрения о двух видах электрических зарядов (первая буква).

Ответ: флюид.

Учитель. Все, кто допустил ошибки при выполнении заданий, ещё раз просмотрите ОК и материал учебника.

Как вы оцениваете свою работу на уроке? Спасибо!

Литература

Балашов М.М. О природе: Книга для учащихся. – М.: Просвещение, 1991.

Буров В.А., Иванов А.И ., Свиридов В.И . Фронтальные экспериментальные задания по физике. 9-й класс. – М.: Просвещение, 1986.

Буров В.А., Кабанов С.Ф ., Свиридов В.И. Фронтальные экспериментальные задания по физике в 6–7-х классах. – М.: Просвещение, 1981.

Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. – М.: Просвещение, 1985.

Книга для чтения по физике: Сост. И.Г.Кириллова. – М.: Просвещение, 1986.

Колтун М. Мир физики. – М.: Детская литература, 1984.

Луппов Г.Д. Молекулярная физика и электродинамика в опорных конспектах и тестах. – М.: Просвещение, 1992.

Пеннер Д.И., Худайбердиев А . Программированные задания по физике для 6–7-х классов. – М.: Просвещение, 1985.

Пёрышкин А.В. Физика-8. – М.: Дрофа, 2001.

Усольцев А.П. Задачи по физике на основе литературных сюжетов. – Екатеринбург: У-Фактория, 2003.

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.

Цели урока:

Ход урока

Мудрость - это совокупность истин,
добытых умом, наблюдением и
опытом и приложимых к жизни,
- это гармония идеи с жизнью.
И. А. Гончаров.

Актуализация темы.

Мы живем в мире электрических взаимодействий, сталкиваясь с ними в природе, практической деятельности. Примерами электрических взаимодействий в природе являются: молния, огни святого Эльма (демонстрация искрового и коронного разрядов). Непонимание природы электрических явлений порождало у людей страх, суеверия. С развитием науки люди смогли объяснить явления, научиться защищаться от них, и заставить работать на пользу людям. Теперь мы не мыслим свою жизнь без электричества. Приборы от электрической лампочки до компьютера работают за счет электрических явлений. Человек должен иметь элементарные представления о природе электрических явлений хотя бы для того, чтобы не ссориться с ними.

Актуализация знаний.

Что называется взаимодействием? (действие одного тела на другое, в результате которого тела изменяют скорость).

Что называется силой? (сила - количественная мера взаимодействия).

Что такое гравитационная сила? (сила, с которой притягиваются тела вследствие того, что обладают массой).

Постановка проблемы.

Учитель. Проведём опыт: потрём пластмассовую ручку или расчёску о шерсть и поднесём к кусочкам бумаги. Они притянулись. Какой вид взаимодействия вы наблюдаете? Может ли это быть гравитационное взаимодействие?

Выдвижение гипотезы:

1. Взаимодействующие тела имеют массы и могут вступать в гравитационные взаимодействия.

На столах приборы: магнит, гвоздики, кусочки оргстекла, кусочки бумаги. При помощи опытов проверьте справедливость вашей гипотезы. (поднести незаряженную палочку к кусочкам бумаги, взаимодействия нет). Вывод: данное взаимодействие не является гравитационным.

2. Взаимодействие не может быть магнитным?

Проверка гипотезы опытами (поднести магнит к гвоздям и наблюдать магнитное взаимодействие, при поднесении магнита к бумаге его не наблюдаем). Вывод: это взаимодействие не является магнитным.

Учитель: вы открыли новый вид взаимодействия - электрическое взаимодействие, а сила, с которой палочка, потёртая о ткань действовала на листки бумаги, называется электрической силой.

Введение определений.

Про тела, способные к электрическим взаимодействиям говорят, что они наэлектризованы. Или им сообщён электрический заряд.

Учитель: Слайд 4. обратите внимание, наэлектризовать тело можно трением (соприкосновением), а также при контакте заряженного тела с незаряженным.

Постановка проблемной задачи категории "ситуация неопределённости".

Мы видели, что к наэлектризованным телам могут притягиваться лёгкие тела.

Как вы думаете, могут ли твёрдые тела большой массы (например, деревянная линейка) притягиваться к наэлектризованным телам?

Выдвигают гипотезу, что да. Как проверить? Предлагают поднести заряженную палочку к линейке. Она неподвижна. Делают вывод, что - нет.

Учитель: а всё ли мы учли в нашем эксперименте? Что могло помешать линейке устремиться навстречу заряженной палочке? Предположение учащихся: сила трения покоя. Учитель: как её можно свести к минимуму? Ученики: подвесить линейку или поставить на круглодонную колбу, перевёрнутую вверх дном. Проводят эксперимент, и делают вывод, что твёрдые тяжёлые тела притягиваются к наэлектризованным телам.

Поисковое задание.

Слайд 6, 7.

Могут ли жидкости притягиваться к наэлектризованным телам? Как проверить? (поднести заряженную палочку к струе жидкости). Вывод:

Жидкости притягиваются к заряженным телам. (Факт, что газы тоже обладают способностью притягиваться к наэлектризованным телам).

Учитель: только лишь оргстекло может наэлектризовываться? Может эту способность имеют и другие твёрдые тела? Как это проверить? (Учащиеся предлагают способ проверки: надо потереть эти тела о ткань и поднести их к кусочкам бумаги).

Вывод: способностью электризоваться обладают многие тела.

Учитель: в результате трения заряжается одно из тел (палочка). А что происходит со вторым телом?

(Учащиеся предлагают способ проверки: поднести второе тело к кусочкам бумаги или наэлектризовать латунную трубку при трении о резину и поднести резину кусочкам бумаги).

Вывод: при трении электризуются два тела.

Выводы учащихся (запись в тетрадях). Слайд 3, 4.

Тела, которые действуют на окружающие предметы электрической силой, называют наэлектризованными, или заряженными.

Наэлектризовать тело можно трением (соприкосновением) или контактом заряженного тела с незаряженным.

При трении электризуются 2 тела.

Учитель: А как будут взаимодействовать между собой тела, заряженные:

• оба от стеклянной палочки,
• оба от эбонитовой палочки,
• одно от стеклянной палочки, другое от эбонитовой.

Проведём эксперимент. Объясняет устройство электростатического маятника и показывает способ его заряда (контакт гильзы маятника с заряженной палочкой).

Заряжаем гильзы от стеклянной палочки и сближаем их. Наблюдаем отталкивание.

Заряжаем гильзы от эбонитовой палочки и сближаем их. Наблюдаем отталкивание.

Заряжаем одну гильзу от эбонитовой палочки, другую от стеклянной. Наблюдаем притяжение.

Учитель: Как объяснить такую разницу во взаимодействии? Выслушать мнение учащихся и дать верный ответ. Стекло и эбонит при трении о ткань электризуются различно (получают разные заряды). Принято считать, что стекло при трении о шёлк приобретает + заряд, а эбонит при трении о шерсть приобретает - заряд.

В первом опыте гильзы, получив + заряды оттолкнулись.

Во втором опыте гильзы, получив - заряды оттолкнулись.

В третьем опыте гильзы, получив + и - заряды притянулись.

Вывод: одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённо заряженные тела притягиваются.

Слайды 9, 10, 11.

Закрепление материала.

В зависимости от оставшегося времени провести фронтальный опрос по определениями тестам.

Домашнее задание.

25, 26 учебника, ответить на вопросы.

Работа по вариантам:

1 вариант - приготовить сообщения об истории открытия электричества,

2 вариант - работа над творческим проектом по теме "Электростатика".