Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ТЕМА: ЭЛЕКТРОСТАТИКА
РАЗДЕЛ: ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЗАРЯДА
ЗАКОН КУЛОНА
Для качественного усвоения любой темы предлагаю вопросы, задания и задачи сформировать в виде трех блоков. Так как основой основ считаю теорию, то необходимо в I блок вынести понятия, формулы, постоянные, законы:
ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, ДВА РОДА ЗАРЯДОВ, ТОЧЕЧНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, ЕДИНИЦЫ ЗАРЯДА, ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЗАРЯДА,ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИЛЫ, ВЗАИМОДЕЙСТИЕ ЗАРЯДОВ, ЗАКОН КУЛОНА, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ, И ЕЕ ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ СРЕДЫ
1.ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ
Поскольку силы, удерживающие валентные электроны в атомах, зависят от рода атомов, то при сближении разнородных атомов валентные электроны могут переходить от атома, который удерживает их слабее, к атому, притягивающему их сильнее. Это означает, что при соприкосновении двух разнородных тел некоторое количество электронов перейдет с одного тела на другое, т.е. тела наэлектризуются. Заряды тел будут одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Чтобы снова разъединить такие тела, надо совершить работу против сил электрического притяжения этих тел. За счет этой работы наэлектризованные тела приобретают электрическую энергию. (Конечно, при соприкосновении двух тел, состоящих из совершенно одинакового вещества, электризации не произойдет)
Итак, при соприкосновении двух любых разнородных незаряженных тел оба тела электризуются разноименно.
Величины зарядов таких тел зависят от свойств самих тел и площади соприкосновения. Если разнородные тела просто прижимаются друг к другу, то точек соприкосновения у них мало и электризация получается слабой. При трении площадь соприкосновения тел значительно возрастает и электризация сильно увеличивается. Так же электризацию можно осуществить разрывом (раскалыванием), растворением, освещением и т.д.
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, ДВА РОДА ЗАРЯДОВ
В электростатике рассматриваются свойства и взаимодействия электрически заряженных тел или частиц, неподвижных в инерциальной системе отсчета. Электрический заряд частиц вещества или тел характеризует одно из свойств, проявляющееся во взаимодействии с другими заряженными частицами или телами. В природе существует два рода электрических зарядов, которые были условно названы положительными и отрицательными.
Устойчивыми частицами, которые обладают отрицательными и положительными зарядом и входят в состав любого вещества, являются электроны и протоны. Электрический заряд электрона и протона равен абсолютному значению 1,6*10-19Кл. Масса электрона
1,67*10-31кг, масса протона 1,67*10-27кг. Электрический заряд протона и электрона называется элементарным электрическим зарядом. Любой электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов.
В электрически нейтральной системе содержится равное число элементарных зарядов противоположного знака. Электрически нейтральными являются атомы, молекулы, макроскопические тела. При электризации происходит только перераспределение зарядов, поэтому при всех процессах перераспределения зарядов в изолированной системе взаимодействующих тел, алгебраическая сумма электрических зарядов остается неизменной.
Закон сохранения электрического заряда является таким же фундаментальным законом физики, как законы сохранения энергии и импульса.
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Электрическое поле создается электрическими зарядами или заряженными телами, а также действует на эти объекты независимо от того, движутся они или неподвижны.
Если электрически заряженные частицы или тела неподвижны в данной системе отсчета, то их взаимодействие осуществляется посредством электростатического поля. Электрическое (электростатическое) поле – это такая же объективная реальность, как и вещество. Поле представляет собой один из видов материи, существующей в пространстве в неразрывной связи с электрическим зарядом.
При удалении от заряда электрическое поле ослабевает.
Основным свойством электрического поля является способность оказывать силовое действие на помещенные в него заряды.
Посредством электрического поля осуществляется взаимодействие между зарядами.
Графически можно иллюстрировать электрическое поле с помощью линий напряженности.
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИЛЫ, ВЗАИМОДЕЙСТИЕ ЗАРЯДОВ, ЗАКОН КУЛОНА
Закон Кулона справедлив для неподвижных точечных зарядов q1 и q2 , а так же для заряженных тел шарообразной формы, если заряды q1 и q2 равномерно распределены по всему объему или по всей поверхности этих тел.
Из опыта следует, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Этим кулоновские силы принципиально отличаются от гравитационных сил, всегда являющихся силами притяжения.
Сила отталкивания Fот , действующая на заряд q2 со стороны одноименного заряда действует в ту же сторону, что и радиус – вектор r проведенный к этому заряду:
Поскольку сила взаимодействия зарядов является вектором, то формулу закона Кулона можно записать в векторном виде:
Сила притяжения Fпр , действующая на заряд q2, имеющий другой знак, чем q1 ,имеет противоположное направление:
Электрические силы отталкивания принято считать положительными, силы притяжения – отрицательными. Принятые знаки сил притяжения и отталкивания соответствуют закону Кулона: произведение одноименных зарядов является положительным числом, и силы отталкивания имеют положительный знак. Произведение разноименных зарядов является отрицательным числом, и это соответствует знаку силы притяжения.
Второй и третий блок – это разные уровни освоения знаний, условно я их называю Уровень А и Уровень Б. Отчасти они перекликаются с делением на части А, И и С КИМов ЕГЭ.
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА
ПРИМЕР. Заряженная капля ртути с зарядом + 3*10-8 Кл разлетается на две капли, одна из которых оказывается заряженной до заряда +4*10-8 Кл. Каков заряд второй капли?
|
Дано: q1=+ 3*10-8 Кл q2=+4*10-8 Кл |
Решение: Из закона сохранения электрического заряда следует, что заряд на капле до ее распада равен сумме зарядов на образовавшихся каплях. q1=q2+q3 q3=q1-q2 q3=+ 3*10-8 Кл-(+4*10-8 Кл)=- 10-8 Кл Ответ: Заряд на второй капле q3=- 10-8 Кл |
|
q3--? |
Дано: Решение:
q1=+ 3*10-8 Кл Из закона сохранения электрического заряда следует, что заряд на
q2=+4*10-8 Кл капле до ее распада равен сумме зарядов на образовавшихся
каплях.
q1=q2+q3
q3--? q3=q1-q2
q3=+ 3*10-8 Кл-(+4*10-8 Кл)=- 10-8 Кл
Ответ: Заряд на второй капле q3=- 10-8 Кл
1. Два одинаковых металлических шара, один из которых несет заряд в 3*10-8Кл, а другой не заряжен, приводят в соприкосновение. Каковы будут заряды на каждом шаров?
ПРИМЕР. Постройте график зависимости модуля силы взаимодействия двух шариков с зарядами от расстояния между их центрами в диапазоне от 0,1 до 0,5 м. Заряды шариков:q1=+2*10-6 Кл и q2= -1*10-6 Кл. Размер шариков около 1 см . Найдите по графику, на каком примерно расстоянии между шарами сила взаимодействия будет примерно равна по величине 0,5 Н.
РЕШЕНИЕ:
Величины силы взаимодействия будем рассчитывать по закону Кулона :
F
Рассчитывая силу взаимодействия зарядов для различных значений r , составим таблицу:
|
r,м |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
F,Н |
1,8 |
0,45 |
0,2 |
0,11 |
0,072 |
На основе графика легко установить, что F=0,5 Н при r = 0,18 м.
На каком из рисунков правильно показана сила, с которой заряд q1 действует на заряд q2?
А) Б)
В) Г)
–5*10-6 и +0,4*10-6 Кл от расстояния между их центрами в диапазоне от0,05 до 0,4 м . Размер шариков около 1 см. Найдите по графику, на каком расстоянии между телами сила взаимодействия будет примерно равна 0,5 Н?
СОВМЕСТНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА И ЗАКОНА КУЛОНА.
ПРИМЕР
Два разноименных заряда q и -3q находятся на одинаковых по размеру металлических шарах на расстоянии, позволяющем считать их точечными. Как изменится сила их взаимодействия, если, не меняя расстояния между ними на короткое время соединить их проводником?
Решение:
По условию заряды притягиваются друг к другу с силой
Суммарный заряд на двух шарах равен q+(-3q)=-2q. После соединения шаров проволокой он распределится поровну между ними. Таким образом, на каждом шаре окажется заряд равный -q, и они начнут отталкиваться с силой
Отношение
Ответ: Сила взаимодействия уменьшится в три раза.
15. Одинаковые металлические шарики, имеющие заряды +4*10-5 Кл и –2*10-5 Кл притягиваются на расстоянии 1м с силой7,2 Н. С какой силой они будут взаимодействовать, если их на короткое время соединить проводником, а затем проводник убрать? Можно ли утверждать, что они по-прежнему будут притягиваться?
Уровень Б
Пример
Определите построением модуль силы F , действующей на заряд Q, и ее направление, если его поместили в центр равностороннего треугольника, в вершинах которого располагаются одинаковые заряды q. Рассмотрите случай, когда два заряда q – положительные, а третий q и зарядQ – отрицательные.
Решение:
Так как в вершинах треугольника все заряды одинаковы, то силы, действующие на заряд, в центре будут одинаковы. Поскольку векторы F1 и F2 расположены под углом 1200, то их векторная сумма равна длине вектора F3 .Таким образом, результирующий вектор R в два раза длиннее F3 и направлен вниз.
19. Величина силы, действующей на заряд g3 со стороны заряда g1 , равна 1 Н, а со стороны заряда g2 -2Н.
Перерисуйте расположение зарядов в пространстве и найдите результирующую силу, действующую на заряд q3 со стороны двух зарядов в следующих случаях:
а) все заряды положительны,
б) все заряды отрицательны,
в) q1 и q2 положительны, q3 – отрицателен,
г) q1 и q3 положительны, q2 – отрицателен.
20. Определите построением модуль силы F , действующей на заряд Q, и ее направление, если его поместили в центр равностороннего треугольника, в вершинах которого располагаются одинаковые по величине заряды q. Рассмотрите два случая: а) q и Q – положительные заряды, б) q – положительные, Q – отрицательный, в) два заряда q – положительные, а третий q и Q – отрицательные. Величину силы взаимодействия между q и Q изобразите стрелкой длиной 1 см.
Уровень Б
СОВМЕСТНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНА КУЛОНА И ПРИНЦИПА СУПЕРПОЗИЦИИ.
У к а з а н и е . Во всех задачах необходимо с помощью закона Кулона найти модули сил, действующих на выбранный заряд со стороны каждого из остальных зарядов, а затем воспользоваться принципом суперпозиции для нахождения равнодействующей всех сил.
Уровень А
Уровень Б
СОВМЕСТНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНОВ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ И МЕХАНИКИ.
У к а з а н и е . Необходимо с помощью закона Кулона и принципа суперпозиции рассчитать электростатические силы, действующие на заряженное тело. Затем изобразить на рисунке все силы, действующие на данное тело, известные из механики (сила тяжести, натяжения нитей и т. д.), и применить известный закон Ньютона о том, что если тело покоится, то геометрическая (векторная) сумма всех сил, действующих на тело, равна нулю. При этом можно либо воспользоваться прямым векторным сложением по правилу параллелограмма (если сил две или три) , либо выбрать оси координат и записать равенство нулю проекций на эти оси всех сил, действующих на тело.
Уровень А
25. Шарик с зарядом 10-7КЛ массой 0,002 кг висит на нити в воздухе. Какова будет сила натяжения нити, если снизу к этому шарику на расстоянии 0,1 м поднести такой же шарик с таким же зарядом? Как изменится сила натяжения, если заряд шарика изменится на противоположный? (g=10м/с).
Уровень Б
26. Два металлических шарика массами 1 г висят на вертикальных нитях, касаясь друг друга. Их заряжают эбонитовой палочкой, и они расходятся так, что нити образуют угол 30о с вертикалью. Какой заряд был сообщён каждому шарику, если длина нити 50 см?
27.Три шарика связали попарно нитями длиной L и сообщили каждому заряд q. Какова сила натяжения нитей, если шарики лежат на гладком горизонтальном столе из диэлектрика?
28.С каким ускорением начнут двигаться ионы Cu2+ и Cl-, расположенные в воде на расстоянии 100 нм? Силу тяжести не учитывать.
Контрольная работа.
Уровень А (рассчитана на 45 мин)
1.Капля, имеющая положительный заряд +е, при освещении потеряла один электрон. Каким стал заряд капли?
2.Как изменится модуль силы кулоновского взаимодействия двух точечных зарядов, если расстояние между ними увеличить в два раза?
3.Сила взаимодействия между двумя точечными заряженными телами равна F. Чему станет равна сила взаимодействия между телами, если каждый заряд на телах увеличить в 3 раза?
4.Какое из выражений, приведённых ниже, выражает в СИ силу взаимодействия точечных зарядов +q1 и –q2, расположенных на расстоянии r друг от друга в вакууме? Притягиваются они или отталкиваются?
5.Как направлена кулоновская сила F, действующая на положительный точечный заряд, помещённый в центр квадрата, в углах которого находятся заряды: +q,+q,-q,-q?
6.С какой силой два точечных заряда, расположенные на расстоянии 0,1 м друг от друга, действуют на третий заряд, который располагается на одной линии с первыми двумя зарядами, но правее заряда q2, на котором величины зарядов: q1=2*10-6Кл; q2=-2*10-6Кл;
q3=3*10-6Кл. Все заряды погружены в жидкость с диэлектрической проницаемостью
1.Как изменится модуль силы взаимодействия двух одинаковых металлических шаров, имеющих заряды +q1 и +q2, если шары привести в соприкосновение и раздвинуть на прежнее расстояние?
2.Как изменится модуль силы F взаимодействия двух точечных зарядов, если расстояние между ними уменьшить в 2 раза, а один из зарядов увеличить в два раза?
3.Как направлена кулоновская сила F, действующая на отрицательный точечный заряд, помещённый в центр квадрата, в углах которого находятся заряды: +q, +q, -q, -q?
4.Найдите силу натяжения одинаковых нитей длиной 10 см, которыми связаны четыре шарика, лежащие на гладком столе, если каждый из них несёт заряд 5*10-7Кл. Шарики связаны так, что оказываются в вершинах квадрата.
5.Два одинаковых металлических заряженных шарика подвешены на нитях одинаковой длины. Оттолкнувшись, шарики отходят друг от друга на угол 60о.Их приводят в соприкосновение и отпускают, после чего они снова расходятся так, что угол между нитями равен 90о. Какие заряды были на шариках первоначально? Заряды считать точечными, масса шариков 0,5 г, длина нити 40 см.