Электростатика

План урока решения качественных задач
10-й класс. Базовый курс

I. Физический словарь (объяснить значение по учебнику): электризация; элементарный электрический заряд; электростатическое поле; принцип суперпозиции; электростатическая индукция; проводник; диэлектрик; электростатическая защита; поляризация диэлектрика; сегнетоэлектрик; электрет; пьезоэлектрический эффект.

II. выполнить задания на карточках (рисунки на доске), продемонстрировав решение задач, отмеченных знаком *, с помощью оборудования на демонстрационном столе и дав объяснение (работа в группах).

I группа

1. С какой силой действуют два одноименных, равных по величине заряда на третий заряд, помещенный посередине между ними?

2. Электрическое поле образовано двумя разноименными зарядами, равными по величине. Докажите, что во всех точках поля, равноудаленных от обоих зарядов, направление электрической силы, действующей на пробный заряд, параллельно линии, соединяющей два данных заряда.

3. Почему из двух конденсаторов одинаковой емкости, с одинаковыми диэлектриками и фольгой, бо1льшие размеры имеет тот, который рассчитан на более высокое напряжение?

4*. Если ножовкой пилить лист какого-нибудь полимера (полиэтилена, полистирола, винипласта), опилки прилипают к ножовке, к рабочему столу и к другим предметам. Чем это объясняется?

5*. Поднесите заряженную палочку поочередно: а) к кусочку ваты на стеклянной пластинке; б) к такому же кусочку ваты на деревянном столе. Почему вата притягивается к палочке во втором случае сильнее?

Указание: обратите внимание, что дерево гораздо лучший проводник, чем стекло.

II группа

1. Укажите сходство и различия между электростатическим полем и гравитационным.

2. Два маленьких шарика подвешены на тонких изолированных нитях одинаковой длины в одной точке. Что произойдет, если шарикам в состоянии невесомости сообщить одноименный заряд?

3. Почему проводники для опытов по электростатике делают полыми?

4*. Можно ли на концах стеклянной палочки получить одновременно разноименные заряды?

5*. Как нанести на одинаковые проводящие шарики равные заряды?

III группа

1. Почему птицы слетают с проводов высокого напряжения, когда включают ток?

2. Чем объяснить, что при промышленном изготовлении пороха его частицы обволакивают порошком графита?

3. Определите «форму» молекул: а) диоксида углерода CO₂, если известно, что она не имеет дипольного момента; б) воды H₂O, аммиака NH₃, если известно, что они обладают дипольным моментом.

4*. Как действует наэлектризованная эбонитовая (стеклянная) палочка на магнитную стрелку?

5*. Если, обхватив стакан с водой ладонью, опустить в него чайную ложку, подсоединенную к полюсу работающей электрофорной машины, то, дотронувшись другой рукой до ложки, вы почувствуете электрический разряд. Почему?

IV группа

1. Как известно, заряженный шарик притягивает бумажку. Что изменится, если шарик окружить металлической сферой? А бумажку?

2. К электроскопу поднесли заряженную палочку. Заряды на стержне прибора распределились так, как показано на рисунке. Одинаковы ли потенциалы точек A и B?

3. Может ли существовать электростатическое поле, вектор напряженности которого во всем объеме поля имеет одинаковое направление, а перпендикулярно к этому направлению изменяет свою величину по линейному закону?

4*. Электроскоп, стоящий вблизи действующей статической машины, заряжается. Почему? Как устранить действие машины на электроскоп?

5*. Вырезанная из жести змейка помещена на металлическом острие, закрепленном в стеклянном штативе. Что произойдет, если острие соединить с кондуктором работающей электрофорной машины? А если под змейкой поместить горящую свечу?

V группа

1. В установках по улавливанию пыли пропускают воздух через металлические трубы, по оси которых протянута металлическая проволока. Проволока соединена с «минусом» источника тока напряжением несколько десятков тысяч вольт, а трубы – с «плюсом». Как будут вести себя пылинки: а) не- заряженные; б) заряженные положительно или отрицательно?

2. Сравните работу по перемещению заряда q в электростатическом поле заряда Q из точки A в точку B и из точки A в точку C. Точки В и с лежат на окружности с центром в точке, где находится заряд Q? Ответ обоснуйте.

3*. Если к шару заряженного электроскопа (электрометра) поднести руку (не касаясь!), то угол отклонения стрелки уменьшается. Почему?

4*. Почему деревянная линейка, установленная в равновесии на линзе, будет вращаться, если к ней поднести наэлектризованную палочку?

5*. Как зарядить два изолированных шара с помощью положительно заряженного изолированного проводника, не уменьшая его заряда, причем на одном шаре получить положительный заряд, а на другом отрицательный?

Ответы

I группа

1. [С равной и противоположно направленной, так что результирующая сила равна нулю. – Ред.]

2. [Геометрическое место точек, равноудаленных от обоих зарядов, есть перпендикуляр, восставленный из центра отрезка, соединяющего эти заряды.

Из построения видно, что вектор напряженности поля в любой точке на этом перпендикуляре, параллелен AB. – Ред.]

3. Чтобы повысить пробивное напряжение, необходимо увеличить толщину слоя диэлектрика, а чтобы это не вызвало уменьшения емкости, потребуется увеличить площадь пластин. Оба обстоятельства ведут к увеличению объема конденсатора.

4*. Полимеры электризуются трением.

5*. В первом случае (вата на стекле) одноименный индуцированный заряд остается на вате и ослабляет силу притяжения между зарядом палочки и разноименным индуцированным зарядом на той же вате. Во втором случае одноименный индуцированный заряд уходит через стол в землю.

II группа

1. Сходство: работа по любому замкнутому контуру равна нулю (поля потенциальные); в обоих полях существует разность потенциалов. Различия:   электрические заряды бывают двух знаков, отрицательных же масс нет, отсюда следствие: тело может быть электрически нейтральным и не вызывать вокруг себя электрическое поле, но гравитационно нейтральных тел нет, всякое материальное тело создает вокруг себя поле силы тяжести, т.е. действует на окружающие тела.

2. В состоянии невесомости шарики разойдутся на расстояние, равное удвоенной длине нити.

3. Статические заряды располагаются лишь на внешней поверхности проводника (экономия металла, легкость прибора).

4*. Можно, для этого один конец палочки надо потереть мехом (он зарядится отрицательно), другой – амальгамированной кожей (он зарядится положительно).

5*. При зарядке они должны касаться друг друга. Заряд разделится поровну.

III группа

1. При включении тока высокого напряжения на перьях птиц возникает статический электрический заряд, вследствие чего они топорщатся (как расходятся кисти бумажного султана, соединенного с электрической машиной). Это пугает птицу, и она слетает с провода. Это можно показать на опыте, используя бумажную птичку, бумажный султан и прибор «Разряд».

2. Для предохранения от взрыва электризацией трением: такой порох практически оказывается заземленным, т.к. графит – проводник.

3. Молекула CO₂ может иметь только линейную форму. В любом другом случае ее дипольный момент будет отличен от нуля. 

Существование дипольного момента и соображения симметрии приводят для молекул воды и аммиака к структурам, изображенным на рисунке.

4*. Независимо от знака заряда палочки на концах стальной магнитной стрелки возникнут индуцированные электрические заряды, и конец стрелки притянется.

5*. Стакан с водой, который держат в руке, представляет собой конденсатор – лейденскую банку.

IV группа

1. Если окружить шарик концентрической металлической сферой, ничего не изменится: и шарик, и металлическая сфера действуют как заряд, сосредоточенный в точке, находящейся в центре шарика. Если окружить сферой бумажку, сила притяжения обратится в нуль: бумажка попадает в «цилиндр Фарадея», зато теперь металлическая сфера и шарик будут притягиваться друг к другу.

2. Одинаковы, т.к. листочки, стержень и диск электроскопа образуют одну эквипотенциальную поверхность.

3. Нет, т.к. такое поле не будет потенциальным. Работа по перемещению заряда по замкнутому контуру не будет равна нулю.

4*. Под действием поля зарядов машины на шарике электроскопа индуцируются заряды одного знака, а на листочках – другого. Так как воздух вблизи машины ионизирован, то заряды на шарике исчезают, и остаются заряды на листочках электроскопа. Чтобы электроскоп не испытывал действия машины, надо окружить его металлической сеткой.

5*. Если смотреть сверху, то в первом случае змейка будет вращаться против часовой стрелки за счет стекания заряда с ее конца. Во втором случае из-за конвекционных потоков воздуха змейка будет вращаться по часовой стрелке.

V группа

1. Пылинки, заряженные положительно, так же, как и незаряженные, будут двигаться к проволоке. Пылинки, заряженные отрицательно, будут двигаться к трубе, если они находятся вдали от проволоки, и к проволоке, если они находятся на расстояниях, сравнимых с размерами пылинки.

2. Работы равны, т.к. разность потенциалов точек начала и конца перемещения заряда одинакова.

3*. Потенциал электроскопа уменьшается, т.к. увеличивается его электроемкость.

4*. Под действием электрического поля на деревянной линейке образуются заряды (происходит поляризация диэлектрика), поэтому заряженная линейка взаимодействует с наэлектризованной палочкой (стеклянной или эбонитовой).

5*. Способом электростатической индукции.

Литература

Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике в средней школе.
 Городецкий Д.Н., Пеньков И.А. Проверочные работы по физике.

III. Подведение итогов.