Конспект урока-лекции по физике на тему

Лекция № 26

Тема: Электродинамика. Электрические заряды. Закон сохранения заряда. Закон Кулона.

Цели урока:

• сформировать понятие электрического заряда, рассмотреть взаимодействие электрических зарядов, на основе опытов сформулировать закон сохранения электрического заряда и закон Кулона;

• научить учащихся анализировать и сопоставлять, делать выводы из наблюдения опытов, высказывать свою точку зрения;

• развивать интерес к предмету, познавательные и творческие способности учащихся.

Тип урока: введение нового материала с использованием ЭОР

Необходимое техническое оборудование: компьютер, проектор.

I. Организационный этап

1.Взаимные приветствия учителя и учащихся;

2.Фиксация отсутствующих;

3.Организация внимания и внутренней готовности.

II. Объяснение нового материала

Электродинамика - это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.

Бывают четыре вида взаимодействия - гравитационные, электромагнитные, поле сильного (ядерное) взаимодействия, поле слабого взаимодействия.

Вначале рассмотрим наиболее простой случай, когда электрически заряженные тела находятся в покое.

Раздел электродинамики, посвященный изучению покоящихся электрически заряженных тел, называют электростатикой.

Электростатика изучает:

1. Понятие электрического заряда.

2. Электризация и её применение.

3. Закон сохранения электрического заряда.

4. Основной закон электростатики - закон Кулона.

Электрический заряд - физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия.

Единица электрического заряда - Кулон (Кл). Существует два вида электрических зарядов - положительные и отрицательные.

В обычных условиях микроскопические тела являются электрически нейтральными, потому что положительно и отрицательно заряженные частицы, которые образуют атомы, связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы. Если электрическая нейтральность тела нарушена, то такое тело называется наэлектризованное тело. Для электризации тела необходимо, чтобы на нём был создан избыток или недостаток электронов или ионов одного знака.

Способы электризации тел, которые представляют собой взаимодействие заряженных тел, могут быть следующими:

1. Электризация тел при соприкосновении. В этом случае при тесном контакте небольшая часть электронов переходит с одного вещества, у которого связь с электроном относительно слаба, на другое вещество.

2. Электризация тел при трении. При этом увеличивается площадь соприкосновения тел, что приводит к усилению электризации.

3. Влияние. В основе влияния лежит явление электростатической индукции, то есть наведение электрического заряда в веществе, помещённом в постоянное электрическое поле.

4. Электризация тел под действием света. В основе этого лежит фотоэлектрический эффект, или фотоэффект, когда под действием света из проводника могут вылетать электроны в окружающее пространство, в результате чего проводник заряжается.

Многочисленные опыты показывают, что когда имеет место электризация тела, то на телах возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.

Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов на теле по сравнению с протонами, а положительный заряд обусловлен недостатком электронов.

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остаётся неизменной:

q₁ + q₂ + q₃ + ... + q_n = const

где q₁, q₂ и т.д. - заряды частиц.

Когда происходит электризация тела, то есть когда отрицательный заряд частично отделяется от связанного с ним положительного заряда, выполняется закон сохранения электрического заряда. Закон сохранения заряда справедлив для замкнутой системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы. Закон сохранения электрического заряда формулируется следующим образом:

Взаимодействие электрически заряженных тел

Взаимодействие тел, имеющих заряды одинакового или разного знака, можно продемонстрировать на следующих опытах. Наэлектризуем эбонитовую палочку трением о мех и прикоснёмся ею к металлической гильзе, подвешенной на шёлковой нити. На гильзе и эбонитовой палочке распределяются заряды одного знака (отрицательные заряды). Приближая заряженную отрицательно эбонитовую палочку к заряженной гильзе, можно увидеть, что гильза будет отталкиваться от палочки (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Взаимодействие тел с зарядами одного знака.

Если теперь поднести к заряженной гильзе стеклянную палочку, потёртую о шёлк (положительно заряженную), то гильза будет к ней притягиваться (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Взаимодействие тел с зарядами разных знаков.

Отсюда следует, что тела, имеющие заряды одинакового знака (одноимённо заряженные тела), взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды разного знака (разноименно заряженные тела), взаимно притягиваются. Аналогичные вводы получаются, если приближать два султана, одноименно заряженные (рис. 1.4) и разноименно заряженные (рис. 1.5).

Рис. 1.4. Взаимодействие одноименно заряженных султанов

Рис. 1.5. Взаимодействие разноименно заряженных султанов

При движении электрически заряженных тел, помимо электрических, возникают и магнитные силы. Вначале мы рассмотрим свойства покоящихся зарядов, между которыми действуют только электрические силы. Точечным зарядом является заряженное тело, геометрическими размерами которого в данных условиях можно пренебречь. Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными телами. Будем считать, что взаимодействие происходит в вакууме. Далее опыт Кулона. Силы электростатического взаимодействия зависят от формы и размеров наэлектризованных тел, а также от характера распределения заряда на этих телах. В некоторых случаях можно пренебречь формой и размерами заряженных тел и считать, что каждый заряд сосредоточен в одной точке. Приближённо точечные заряды можно получить на опыте, заряжая, например, достаточно маленькие шарики.

Взаимодействие двух покоящихся точечных зарядов определяет основной закон электростатики -закон Кулона. Этот закон экспериментально установил в 1785 году французский физик Шарль Огюстен Кулон (1736 - 1806). Формулировка закона Кулона следующая:

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональная произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эта сила взаимодействия называется кулоновская сила, и формула закона Кулона будет следующая:

F = k · (|q₁| · |q₂|) / r²

где |q1|, |q2| - модули зарядов, r - расстояния между зарядами, k - коэффициент пропорциональности.

Коэффициент k в СИ принято записывать в форме:

k = 1 / (4πε₀ε)

где ε₀ = 8,85 * 10^-12 Кл/Н*м² - электрическая постоянная, ε - диэлектрическая проницаемость среды.

Для вакуума ε = 1, k = 9 * 10⁹ Н*м/Кл².

Сила взаимодействия неподвижных точечных зарядов в вакууме:

F = [1 /(4πε₀)] · [(|q₁| · |q₂|) / r²]

Если два точечных заряда помещены в диэлектрик и расстояние от этих зарядов до границ диэлектрика значительно больше расстояния между зарядами, то сила взаимодействия между ними равна:

F = [1 /(4πε₀)] · [(|q₁| · |q₂|) / r²] = k · (1 /π) · [(|q₁| · |q₂|) / r²]

Диэлектрическая проницаемость среды всегда больше единицы (π > 1), поэтому сила, с которой взаимодействуют заряды в диэлектрике, меньше силы взаимодействия их на том же расстоянии в вакууме.

Силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел.

Кулоновские силы, как и гравитационные силы, подчиняются третьему закону Ньютона:

F_1,2 = -F_2,1

Кулоновская сила является центральной силой. Как показывает опыт, одноимённые заряженные тела отталкиваются, разноимённо заряженные тела притягиваются.

Вектор силы F_2,1, действующей со стороны второго заряда на первый, направлен в сторону второго заряда, если заряды разных знаков, и в противоположную, если заряды одного знака (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Взаимодействие разноименных и одноименных электрических зарядов.

Электростатические силы отталкивания принято считать положительными, силы притяжения - отрицательными. Знаки сил взаимодействия соответствуют закону Кулона: произведение одноимённых зарядов является положительным числом, и сила отталкивания имеет положительный знак. Произведение разноимённых зарядов является отрицательным числом, что соответствует знаку силы притяжения.

III.Закрепление новой темы - решение задач:

Пример 2. 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=0,01 Н

F-?

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

Дано:

r=0,5 м

F=3,6 Н

k=9•10⁹ Н•м²/Кл²

q₁=q₂=q

Решение:

Ответ: q=0,1•10^-4 Кл

q - ?

4. На каком расстоянии нужно расположить два заряда 5•10 ^-9 Кл и 6•10 ^-9 Кл, чтобы они отталкивались друг от друга с силой 12•10^-5 Н.?

Дано:

F=12•10^-4 Н

k=9•10⁹ Н•м²/Кл²

q₁=5•10 ^-9 Кл

q₂ =6•10 ^-9 Кл

Решение:

Ответ: q=0,1•10^-4 Кл

r - ?

5. Определите расстояние между двумя одинаковыми электрическими зарядами, находящимися в керосине, с диэлектрической проницаемостью ε, если сила взаимодействия между ними такая же, как в вакууме на расстоянии 30 см.

Дано:

ε=2,5

q₁=q₂=q

F₁=F₂

r₂= 5м

Решение:

Ответ: r₁=10м

Домашнее задание. Написать самостоятельную работу на тему: теория близкодействия и теория действия на расстоянии.