Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Среди четырех типов взаимодействий, открытых наукой, - гравитационных, электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых – именно электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию проявлений.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ (уч.10кл.стр.376-377, 406-407)

Электрический заряд – физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия.

Существует два вида электрического заряда – положительный и отрицательный.

Минимальным положительным зарядом обладает протон.

Минимальным отрицательным – электрон.

Электрический заряд дискретен: суммарный положительный заряд тела кратен заряду протона, суммарный отрицательный – заряду электрона.

Суммарный заряд электронейтральных тел равен нулю.

Заряды одинакового знака отталкиваются.

Заряды противоположных знаков притягиваются.

Закон сохранения заряда:

в электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов остается постоянной.

Сила электростатического взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме определяется законом Кулона.

F12 = k

k = = 9*109 Нм2/Кл2

e0 = 8,85*10-12 Кл2/(Нм2) – электрическая постоянная

Система статических зарядов не может быть устойчивой.

Взаимодействие между зарядами передается электромагнитным полем, источником которого являются заряды.

Электромагнитное поля распространяется в пространстве со скоростью света.

Электрическое поле в данной точке характеризуется напряженностью поля.

Напряженность поля – векторная физическая величина, равная отношению силу Кулона, действующей на пробный положительный заряд в данной точке, к величине этого заряда

 (Н/Кл)

Напряженность электростатического поля точечного положительного заряда на расстоянии r от него:

E = k

Сила, действующая на точечный положительный заряд, помещенный в электростатическое поле напряженность Е

Линии напряженности электростатического поля – линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают по направлению с вектором напряженности электростатического поля.

Напряженность электростатического поля пропорциональна степени сгущения силовых линий.

Принцип суперпозиции электростатических полей:

напряженность поля системы зарядов равна геометрической (векторной) сумме напряженностей полей, созданных каждым зарядом в отдельности

Внутри заряженной сферы напряженность электростатического поля равна нулю.

Вне заряженной сферы напряженность электростатического поля совпадает с напряженностью поля точечного заряда, равного заряду сферы и помещенного в ее центр.

Напряженность поля бесконечной заряженной плоскости зависит от поверхностной плотности заряда и не зависит от расстоянии до плоскости

E = (для вакуума)

Электростатическое поле – потенциально

Работа сил электростатического поля по перемещению заряженной частицы из одной точки в другую не зависит от формы траектории.

Точечный заряд +q, находящийся на расстоянии r от неподвижного точечного заряда +Q, обладает потенциальной энергией

W+q =

Потенциал электростатического поля в данной точке – физическая величина, равная отношению потенциальной энергии пробного заряда в этой точке к величине его заряда.

φ =

1 В = 1 Дж/Кл

Потенциал электростатического поля точечного заряда

φ =

Потенциальная энергия заряда в точке с потенциалом φ

Wq = qφ

Эквипотенциальная поверхность – поверхность, во всех точках которой потенциал одинаков

Линии напряженности электростатического поля перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям и направлены от большего потенциала к меньшему.

Работа силы электростатического поля равна произведению величины перемещаемого заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках

Aq = qU

Разность потенциалов в однородном поле между двумя точками, находящимися на расстоянии d друг от друга, вдоль линии напряженности Е

U = Ed

Проводник – вещество, в котором свободные заряды могут перемещаться по всему объему

Диэлектрик – вещество, содержащее только связанные заряды, которые не могут независимо друг от друга перемещаться под действием электрического поля.

Полупроводник – вещество, в котором количество свободных зарядов зависит от внешних условий (температуры, электрического поля)

Относительная диэлектрическая проницаемость среды e – число, показывающее во сколько раз напряженность электростатического поля в однородном диэлектрике меньше соответствующей напряженности в вакууме.

Электроемкость уединенного проводника – физическая величина, равная отношению заряда проводника к его потенциалу

C =

Единица измерения – Ф (фарада)

1 Ф = 1 Кл/В

Электроемкость конденсатора – физическая величина, равная отношению заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводником и соседним

C =

Электроемкость плоского конденсатора с диэлектриком

C =

S – площадь пластин

d – расстояние между пластинами

e - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Энергия, запасенная в электростатическом поле конденсатора

W =  =

Объемная плотность энергии пропорциональна квадрату напряженности поля.

w =

ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТЕЛ(уч.10кл.стр.350-352)

Определение и примеры

Физическая модель процесса электризации

Способы электризации тел и примеры их использования

Непосредственное действие электромагнитных сил между телами не обнаруживается, так как тела в обычном состоянии электрически нейтральны. Нейтрален атом любого вещества, число электронов в нем равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.

Макроскопическое тело заряжено электрически в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком. Так, отрицательный заряд обусловлен избытком электронов по сравнению с числом протонов, а положительный – недостатком электронов.

Электризация – процесс получения электрически заряженных макроскопических тел из электронейтральных

Первые наблюдения притяжения и отталкивания тел в результате трения отмечены в Греции в VI в.д.н.э. После полировки янтарь притягивал кусочки бумаги, волосы.

Взаимодействие тел в результате трения было названо электрическим (от греч. electron – янтарь)

Степень электризации тел характеризуется значением и знаком электрического заряда, полученного телом.

Каучук, натертый о мех, оказывается отрицательно заряженным.

Стекло, натертое о шелк, - положительно заряженным.

При этом мех заряжается положительно, а шел – отрицательно.

 Причина электризации – в различии энергии связи электрона с атомом у разных веществ. При взаимном трении одни вещества отдают электроны, а другие их присоединяют.

Заряды взаимодействующих при электризации веществ равны по модулю.

(см. закон сохранения заряда)

С помощью опыта можно доказать, что при электризации трением ода тела приобретают заряды, противоположные по знаку, но одинаковые по модулю.

Заряды приобретаемые при электризации всегда кратны заряду электрона «е» и являются дискретными.

Существует три способа электризации тел:

1. Электризация через трение - трибоэлектризация.

2. Электризация наведением (явление электростатической индукции).

3. Электризация с помощью электритирования. РАСШИФРОВАТЬ ПОНЯТИЕ

Электрические заряды сохраняются на заряженных телах различное время в зависимости от способа электризации: трением или наведением – короткое время; электритированием - - годы и десятки лет.

При трении стекла об асбест, стекло заряжается отрицательно, а асбест – положительно.

Это означает, что одно и тоже вещество при трении с различными веществами может получать заряд разного знака.

Электризация вещества может происходить не только в результате трения, но и в результате соприкосновения с заряженным телом, нагревании, световом облучении и т.д.

Электризация при облучении используется, например, в ксероксе.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда:

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной

q1 + ... + qn = const

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД(уч.10кл.стр.347-349,356)

Определение электродинамики и электростатики

Электромагнитное взаимодействие

Определение электрического заряда

Единица измерения.

Эталон заряда(уч.10кл.стр.356 см. закон Кулона)

Виды электрических зарядов

Элементарный электрический заряд (элементарные частицы)

Квантование заряда

Закон сохранения заряда (см.ниже)

Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными. Бывают частицы без электрического заряда, но не существует заряда без частицы.

Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.

Наличие электрического заряда у частиц означает лишь существование определенных силовых взаимодействий между ними.

Понятие заряда является фундаментальным и не может быть сведено или выражено через другие понятия.

Способность частиц (или тел) к электромагнитному взаимодействию характеризует электрический заряд.

Электрический заряд – физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия.

Создать макроскопический эталон единицы электрического заряда невозможно из-за утечки заряда. Естественно было бы за единицу принять заряд электрона, что и сделано в атомной физике, но этот заряд слишком мал и поэтому пользоваться им в качестве единицы неудобно.

В СИ единица заряда является не основной, а производной и эталон для нее не вводится. Она определяется с помощью Ампера – основной единицы СИ.

Единица электрического заряда – Кл (Кулон) (в честь французского ученого Кулона Шарля Огюстена)

Обозначение - q

Кулон – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А за 1 с

Существует два вида электрических зарядов – положительные и отрицательные.

Выбор названия зарядов был исторической случайностью.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Носителями заряда могут быть элементарные частицы, атомы, молекулы, макроскопические тела.

Экспериментально было установлено, что существует минимальное значение электрического заряда, одинаковое по модулю для положительных и отрицательных зарядов. Отделить часть такого заряда невозможно.

Если элементарная частица имеет заряд, то его значение, как показали опыты, строго определено. (Опыт Милликена-Иоффе по определению заряда электрона)

Наименьший электрический заряд имеют элементарные частицы.

Протон обладает минимальным положительным зарядом,

электрон – минимальным отрицательным

е = 1.6 *10-19 Кл

Результирующий заряд атома или молекулы складывается из зарядов протонов и электронов, входящих в их состав

Q = ne

e = 1,6*10-19 Кл минимальный заряд

Квантование заряда:

Электрический заряд дискретен (квантован)

Суммарный заряд пропорционален величине минимального заряда.

Макроскопические тела, состоящие из нейтральных атомов, электрически нейтральны.

Нарушение электронейтральности возможно при удалении электронов из электронных оболочек атомов или при добавлении электронов к электронным оболочкам.

Атомы с удаленными или добавленными электронами приобретают заряд и называются ионы.

Обозначение: Li+ Li- - однозарядные положительный и отрицательный ионы.

При удалении электронов – ионизации – тело заряжается положительно.

Обычно результирующий избыточный заряд тела много меньше полного заряда протонов и электронов в отдельности, так как удается ионизовать лишь незначительную часть атомов образца.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯДОВ(уч.10кл.стр.347-349,)

См.выше Электрический заряд. Определение. Квантование (уч.10кл.стр.347-349)

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД(уч.10кл.стр.347-349)

См.выше Электрический заряд. Определение. Квантование (уч.10кл.стр.347-349)

Элементарный электрический заряд (элементарные частицы)

Заряд макротела

Квантование заряда

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА(уч.10кл.стр.352-353)

Понятия электрически изолированной системы

Закон сохранения заряда. Формулировка и формула

Физический смысл закона сохранения заряда

Зависимость закона от системы отсчета

Электрически изолированная система – система тел, через границу которой не проникают заряды.

В результате взаимодействия тел внутри электрически изолированной системы заряды перераспределяются между телами. Полный заряд такой системы не изменяется.

Закон сохранения заряда:

Алгебраическая сумма электрических зарядов изолированной системы постоянна.

Q1 + … + Qn = const

n – число зарядов в системе

В соответствии с законом сохранения заряда разноименные заряды рождаются и исчезают попарно.

Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Если число заряженных элементарных частиц не меняется, то выполнение закона сохранения заряда очевидно. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая начало новым частицам.

Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами с одинаковым по модулю и противоположным по знаку зарядом. Исчезают заряженные частицы тоже только парами, превращаясь в нейтральные.

Во всех случаях сумма зарядов остается постоянной.

Закон сохранения заряда справедлив в любой инерциальной системе отсчета.

Наблюдатели в разных инерциальных системах отсчета, измеряя один и тот же заряд, получают одно и тоже значение.

Причина закона сохранения заряда до сих пор не известна.

ЗАКОН КУЛОНА(уч.10кл.стр.354-362)

Основной закон электростатики. Понятие точечного заряженного тела.

Измерение силы взаимодействия зарядов с помощью крутильных весов. Опыты Кулона

Определение точечного заряда

Закон Кулона. Формулировка и формула

Сила Кулона

Определение единицы заряда

Коэффициент в законе Кулона

Сравнение электростатических и гравитационных сил в атоме

Равновесие статических зарядов и его физический смысл (на примере трех зарядов)

Основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел.

Установлен Шарлем Огюстеном Кулоном в 1785 году и носит его имя.

В природе точечных заряженных тел не существует, но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно не влияют на взаимодействия между ними. В током случае эти тела можно рассматривать, как точечные.

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между ними. Опыт показывает, что воздух очень мало влияет на силу этого взаимодействия и она оказывается почти такой же как в вакууме.

Опыт Кулона

Первые результаты по измерению силы взаимодействия зарядов получены в 1785 г. французским ученым Шарлем Огюстеном Кулоном

Для измерения силы использовались крутильные весы.

Маленькая тонкая незаряженная золотая сфера на одном конце изолирующего коромысла, подвешенного на упругой серебряной нити, уравновешивалась на другом концу коромысла бумажным диском.

Поворотом коромысла она приводилась в контакт с такой же неподвижной заряженной сферой, в результате чего ее заряд делился поровну между сферами.

Диаметр сфер выбирался много меньше расстояния между ними, чтобы исключить влияние размеров и формы заряженных тел на результаты измерений.

Точечный заряд – заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного действия на другие тела.

Сферы, имеющие одноименные заряды, начинали отталкиваться, закручивая нить. Угол поворота был пропорционален силе, действующей на подвижную сферу.

Расстояние между сферами измерялось по специальной градуировочной шкале.

Разряжая сферу 1 после измерения силы и соединяя ее вновь с неподвижной сферой, Кулон уменьшал заряд на взаимодействующих сферах в 2,4,8 и т.д. раз,

Закон Кулона:

Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, и направлена по прямой, соединяющей заряды.

F12 = k

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Силу F12 называю силой Кулона

Сила Кулона центральная, т.е. направлена по линии соединяющей центры зарядов.

В СИ единица заряда является не основной, а производной, и определяется с помощью Ампера – основной единицы СИ.

Кулон – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А за 1 с

В СИ коэффициент пропорциональности в законе Кулона для вакуума:

k = 9*109 Нм2/Кл2

Часто коэффициент записывают в виде:

k =

e0 = 8,85*10-12 Кл2/(Нм2) – электрическая постоянная

Закон Кулона записывается в форме:

F12 =  

Если точечный заряд поместить в среду с относительной диэлектрической проницаемостью e, отличную от вакуума , кулоновская сила уменьшится в e раз.

У любой среды кроме вакуума e > 1

F12 =  

Согласно закону Кулона два точечных заряда по 1 Кл, на расстоянии 1 м в вакууме, взаимодействуют с силой

F = 9*109Н

Из этой оценки видно, что заряд в 1 Кулон – очень большая величина.

На практике пользуются дольными единицами – мкКл (10-6), мКл (10-3)

1 Кл содержит 6*1018 зарядов электронов.

На примере сил взаимодействия электрона и протона в ядре можно показать, что электростатическая сила взаимодействия частиц больше гравитационной примерно на 39 порядков. Однако электростатические силы взаимодействия макроскопических тел ( в целом электронейтральных) определяются лишь очень малыми избыточными зарядами, находящимися на них, и поэтому не велики по сравнению с гравитационными, зависящими от массы тел.

Возможно ли равновесие статических зарядов?

Рассмотрим систему из двух положительных точечных зарядов q1 и q2.

Найдем, в какую точку следует поместить третий заряд, чтобы он находился в равновесии, а так же определим величину и знак этого заряда.

Статическое равновесие возникает тогда, когда геометрическая (векторная) сумма сил, действующих на тело, равна нулю.

Точка, в которой силы, действующие на третий заряд q3, могут компенсировать друг друга, находится на прямой между зарядами.

При этом заряд q3 может быть как положительным так и отрицательным. В первом случае компенсируются силы отталкивания, во втором – силы притяжения.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49