Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 9 клас>>Фізика: Закон збереження електричного заряду

Тема уроку

• Закон збереження електричного заряду

Тип уроку

• урок засвоєння нових знань (урок засвоєння знань, умінь та навичок)

Навчальна мета уроку

• на основі дослідів та спостережень,
• розглянути закон збереження електричного заряду, як фундаментальний закон природи та розглянути приклади його використання при розв’язуванні задач.

ХІд уроку

Теоретична частина

Особливий клас законів у фізиці утворюють закони збереження. З одним із законів ви вже знайомі з шкільного курсу хімії – це закон збереження маси.
При будь-яких хімічних видозмінах речовини, її загальна маса залишається сталою.

Рис.18. Електризація наведенням (відео 1)

1750 року Бенджамін Франклін встановлює існування подібного закону для електричного заряду.
У замкнутій системі заряджених тіл алгебраїчна сума зарядів залишається сталою.

 
Обґрунтування цього закону слідує з наступних експериментів.

Розглянемо дослід на відео 1.

Два металевих циліндри на ізольованих підставках, з’єднані з електрометрами та торкаються один одного, утворюючи замкнуту систему. До циліндрів підносять наелектризовану палицю, не торкаючись поверхні циліндрів. У цей момент циліндри роз’єднують. Електрометри при цьому показують наявність у кожного з них, однакового за модулем, електричного заряду. Підносячи до кожного з циліндрів наелектризовану палицю, помічаємо, що циліндри мають різні за знаком заряди, оскільки покази електрометрів змінюються по різному. При подальшому з’єднанні циліндрів покази електрометрів зменшуються до нуля. Аналізуємо результати цього досліду. Циліндри є провідниками, отже всередині них можуть переміщуватися електрони. На початку досліду сума зарядів циліндрів рівна нулю, що видно з показів електрометрів. При піднесенні наелектризованої палиці, відбувається перерозподіл електричного заряду, за рахунок руху електронів, що взаємодіють з палицею. Відповідно, електрометри показали, що на циліндрах виник заряд, який зафіксували роз’єднавши циліндри. Підносячи палицю окремо до кожного з роз’єднаних циліндрів, спричиняють перерозподіл зарядів уже в кожному з них, на що електрометри реагують збільшенням або зменшенням відхилення стрілки. Різне відхилення стрілки вказує на різний знак заряду на циліндрах. Отже система циліндрів, залишаючись замкнутою, тепер складається з двох заряджених різними знаками тіл. При подальшому з’єднанні циліндрів, покази електрометрів знову стають рівними нулю, отже загальна сума електричних зарядів не змінилася.

Рис.19 Взаємодія позитивно зарядженого електроскопа з позитивно зарядженою паличкою (відео 2)

Розглянемо дослід на відео 2.

Цей дослід ви можете провести з саморобним електроскопом. Попередньо надавши електроскопу позитивного заряду, підносимо до петлі електроскопа позитивно заряджену паличку. Спостерігаємо збільшення кута відхилення пелюсток електроскопа. При віддаленні палички – зменшення. У даному експерименті ми бачимо перерозподіл електричного заряду по металевому стержню електроскопа. Проте загальний заряд замкнутої системи електроскопа залишається сталим, про що свідчить кут відхилення пелюсток по завершенню експерименту.

Рис.20 Взаємодія негативно зарядженого електроскопа з позитивно зарядженою паличкою (відео 3)

Дослід на відео 3 демонструє аналогічний ефект для позитивно зарядженої палички, яку підносять до негативно зарядженого електроскопа.
Закон збереження електричного заряду застосовується при розв’язуванні низки задач та використовується разом із законом збереження маси при запису рівнянь ядерних перетворень речовин . Про ядерні перетворення детально буде повідомлено у відповідному розділі.
Для прикладу рівняння взаємодії атомних ядер нітрогену та гелію згідно законів збереження запишеться так:

, де цифри вгорі відповідають масі атомних ядер у атомних одиницях, а цифри внизу – заряду ядер в одиницях, кратних елементарному заряду.

Приклади розв'язування задач

Три краплі води мають електричні заряди +2q, +3q та –q. Краплі почергово зливаються в одну. Який заряд має новоутворена крапля на кожному етапі?
Розв'язування:
q₁= 2q
q₂= 3q
q₃= -q
----------------
q₁₂-? q₁₂₃-?
При злитті першої та другої краплі, новоутворена крапля, згідно закону збереження заряду, матиме заряд q₁₂=q1+q2=2q+3q=5q. При наступному злитті з третьою краплею заряд краплі становитиме q₁₂₃=q₁₂+q₃=5q-q=4q.

При електризації тіло отримало заряд +3,2×10^-15 Кл. З плином часу, на його поверхню притягнулось з оточуючого середовища 104 електронів. Який електричний заряд, в наслідок цього, матиме тіло?
Розв'язування:
q0 = 3,2×10^-15 Кл
N = 104
e = -1,6×10^-19 Кл
-------------------------
q - ?

Заряд тіла після притягання електронів визначатиметься як сума початкового заряду та заряду всіх електронів.
q = q0 + N×e = 3,2×10^-15 + 104×(-1,6×10^-19) = 1,6×10^-19 (Кл)

Згідно теорії будови протона та нейтрона за Гел Маном, вони складаються з «up- кварків»  та «down- кварків». За теорією заряд up – кварка +2/3 e, down- кварка -1/3 e. Доберіть можливі сполучення цих кварків у протоні та нейтроні.

Розв'язування:
Заряд протона qp = e, заряд нейтрона qn = 0. Позначимо заряд «up- кварка» qu, заряд «down- кварка» qd. Тоді, згідно закону збереження заряду, доберемо сполучення кварків, щоб їх сукупний заряд був рівний зарядам протона та нейтрона. Очевидно, що
qp = qu + qu + qd = (+2/3 e) + (+2/3 e) + (-1/3 e) = е
qn = qu + qd + qd = (+2/3 e) + (-1/3 e) + (-1/3 e) = 0

Контролюючий блок

1.    Дві однакові провідні кульки мають електричні заряди +2q і – 5q відповідно. Який електричний заряд буде в кожної з них після доторку кульок?
2.    Скільки електронів втратило тіло, що отримало позитивний електричний заряд величиною 1,6×10-16 Кл?
3.    Поясніть явища, що відбуваються у електроскопі, відтворені в ході експерименту на відео 3.

Література

1.    Сиротюк В.Д. Фізика: підруч. для 9 класу загальноосвіт. навч. закл./В.Д. Сиротюк. – К.: Зодіак-ЕКО, 2009. – 208 с.:іл.
2.    Кирик Л.А. Фізика. 9 кл. Методичні матеріали. – Х.: Гімназія, 2009. – 384 с.:іл..
3.    Генденштейн Л.Е., Гельфгат І.М. Фізика, 9 кл.: Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів. – Х.: Гімназія, 2009. – 240 с.: іл.

Автор Повного уроку — Чернецький Ігор Станіславович, глава Асоціації вчителів фізики "Шлях освіти-ХХІ" , м. Кам’янець-Подільський

Над уроком працювали

Чернецький Ігор Станіславович

Поставить вопрос о современном образовании, выразить идею или решить назревшую проблему Вы можете на Образовательном форуме, где на международном уровне собирается образовательный совет свежей мысли и действия. Создав блог, Вы не только повысите свой статус, как компетентного преподавателя, но и сделаете весомый вклад в развитие школы будущего. Гильдия Лидеров Образования открывает двери для специалистов  высшего ранга и приглашает к сотрудничеству в направлении создания лучших в мире школ.