Цель урока: познакомить учащихся с явлением электризации тел. Доказать существование двух типов зарядов и объяснить их взаимодействие
Оборудование: стеклянная и эбонитовая палочки, мех, бумага, линейка, металлическая гильза, линейка на игле.
ХОД УРОКА
I. Введение
Сегодня на уроке мы переходим к изучению нового раздела: электрические явления. История изучения электричества интересна и поучительна. Давайте обратимся к истории изучения электрических явлений. (Приложение 1 ).
Греческий философ Фалес Милетский, живший в 624-547 гг. до нашей эры, открыл, что янтарь, потертый о мех, приобретает свойство притягивать мелкие предметы - пушинки, соломинки и т.п. Это свойство в течение ряда столетий приписывалось только янтарю, от названия которого и произошло слово «электричество».
Рождение учения об электричестве связано с именем Уильяма Гильберта (1540-1603, Англия). Он был одним из первых ученых, утвердивших опыт, эксперимент как основу исследования. Он показал, что при трении электризуется не только янтарь, но и многие другие вещества и что притягивают они не только пылинки, но и металлы, дерево, листья, камешки и даже воду и масло.
Следующим этапом в развитии учения об электричестве были опыты немецкого ученого Отто фон Герике (1602-1686). Он построил первую электростатическую машину, основанную на трении. С помощью этого прибора Герике обнаружил, что кроме притяжения, существует и электрическое отталкивание.
1729 г. – Грей Стефан (англ. физик) открыл явление электропроводности, ввёл понятие проводников и непроводников, рассмотрел распределение заряда по поверхности тел.
1733 г. – Дюфе Шарль (фр. физик) открыл два рода электричества («Стекольное» и «смоляное»), первым получил искру.
1746 – 1754 гг. – Франклин Бенджамин (американс. физик) изобрёл молниеотвод, ввёл понятие положительного и отрицательного зарядов; сформулировал закон сохранения заряда.
1740 – 1760 гг. – Михаил Ломоносов (рус. физик) изучал атмосферное электричество.
1785 г. – Кулон Шарль (фр. физик) открыл закон взаимодействия зарядов.
1799 г. – Вольта Алессандро (итал. физик) открыл первый источник тока и др.
1831 г. – Георг Ом (нем. физик) открыл закон постоянного тока.
1852 г. – Фарадей Майкл (англ. физик) ввёл понятие о поле, силовые линии.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что электрические явления изучаются издавна. До XVII века существовали лишь примитивные представления. Знания об электрических явлениях получены усилиями учёных разных стран.
II. ИНМ
Что же такое электризация? Для ответа на этот вопрос обратимся к опыту.
Опыт 1. Натираем эбонитовую и стеклянную палочки, притягиваем мелкие предметы, линейку.
- Как можно определить, заряжены ли тела?
- Как показать, что при соприкосновении электризуются оба тела?
- Назовите вещества, электризацию которых вам приходилось наблюдать в домашних условиях. При каких обстоятельствах это происходило?
Электризация – это явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела; в электризации всегда участвуют два тела. При этом электризуются оба тела. Электризация происходит при соприкосновении.
Выясним, одинаковые ли заряды имеют разные тела.
Опыт 2. Наэлектризовать гильзу. Попеременно подносить наэлектризованную стеклянную и эбонитовую палочки.
Вы видите, что в одном случае гильза оттолкнулась, а в другом – притянулась.
Существуют два рода электрических зарядов
- положительные и отрицательные.
Тела, имеющие электрические заряды
одинакового знака, взаимно отталкиваются, а
тела, имеющие заряды противоположного знака,
взаимно притягиваются.
Заряд наэлектризованной стеклянной палочки
условно назвали положительным,
а
эбонитовой (янтарной) - отрицательным.
III. Закрепление
1. Какие опыты доказывают, что существуют
электрические заряды двух видов?
2. Иногда при окраске пульверизатором
металлической поверхности ей сообщают заряд
одного знака, а капелькам краски – заряд
противоположного знака. Для чего это нужно?
3. Возьмите пластмассовую линейку и потрите ее о
сухой лист бумаги. Докажите на опыте, что линейка
наэлектризована. В чем это проявляется?
4. Как взаимодействуют между собой:
а) две эбонитовые палочки, натертые мехом?
б) эбонитовая палочка, натертая мехом и
стеклянная палочка, натертая шелком?
ЛИ № 1169, 1171, 1172, 1178 – 1182.
IV. Домашнее задание
§ 25, 26. Экспериментальное задание: в сухом помещении потрите сухой рукой надутый воздушный шар, а затем поднесите его к какому-либо предмету. Что вы наблюдаете? Опишите в тетради.
Жидкостные термометры. Цель урока. Молекулы непрерывно и беспорядочно движутся. Изменения, происходящие в природе - физические явления. Уличные и комнатные термометры. Из истории термометра. Термометр Цельсия. Чем горячая вода отличается от холодной. Природа. Медицинские термометры. Наука о природе и тех изменениях, которые в ней происходят. Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела. Механический термометр.
«Формулировка закона Ома» - Треугольник формул. Проволока. Удельное сопротивление. Рассмотрим электрическую цепь. Формулы. Закон Ома для участка цепи. Формула и формулировка закона Ома. Вольт. Удельное сопротивление проводника. Сопротивление. Формула сопротивления проводника. Единицы измерения. Расчет сопротивления проводника. Сопротивление проводника. Электрическое сопротивление. Закон Ома для полной цепи. Закон Ома.
«Ломоносов - великий русский учёный» - След в науке. Памятник на Родине. Научные труды Ломоносова. Родина Ломоносова. М. В. Ломоносов. Ломоносов как выдающийся художник. Природа Архангельского края. Забота о могуществе Российского государства. Памятники Ломоносову. Философ. Конечная цель научного исследования. Мозаичные работы Ломоносова. Ломоносов – поэт и просветитель. Великий русский ученый. Ломоносов выработал свою научную методологию.
«Энергия солнечного света» - Немного истории. Гелиотермальная энергетика. Беспилотный самолёт. Количество энергии с единицы площади. Солнечная энергетика - использование солнечного излучения. Недостатки солнечной энергетики. Солнечные батареи на крыше здания Академии наук России. Солнечная кухня. Солнечная энергия. Равные потоки солнечной энергии. Солнечная электростанция не работает ночью. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения.
Работа по разделению. Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею. Домашний проект. Принцип работы источника тока. Гальванический элемент. Источники тока. Первая электрическая батарея. Состав гальванического элемента. Классификация источников тока. Современный мир. Проведение эксперимента. Внешний вид установки. Необходимость наличия источника тока. Герметичные малогабаритные аккумуляторы.
«Постоянные магниты» - Разноимённые магнитные полюсы. Происхождение магнитного поля. Магнитные аномалии. Земной шар. Магнитное действие катушки с током. Земное магнитное поле. Магнитное поле. Постоянные магниты. Магнитное поле у планеты Венера. Замкнутость силовых линий. Магнит, имеющий один полюс. Катушка с током. Магнитное поле на Луне. Магнитные силовые линии. Магнитные полюсы Земли. Магнитные действия. Свойства магнитных линий.
Реферат по электротехнике
Выполнил: Агафонов Роман
Лужский агропромышленный колледж
Дать краткое, удовлетворительное во всех отношениях определение заряда невозможно. Мы привыкли находить понятные нам объяснения весьма сложных образований и процессов вроде атома, жидких кристаллов, распределения молекул по скоростям и т.д. А вот самые основные, фундаментальные понятия, нерасчленимые на более простые, лишенные, по данным науки на сегодняшний день, какого-либо внутреннего механизма, кратко удовлетворительным образом уже не пояснить. Особенно если объекты непосредственно не воспринимаются нашими органами чувств. Именно к таким фундаментальным понятиям относится электрический заряд.
Попытаемся вначале выяснить не что такое электрический заряд, а что скрывается за утверждением данное тело или частица имеют электрический заряд.
Вы знаете, что все тела построены из мельчайших, неделимых на более простые (насколько сейчас науке известно) частиц, которые поэтому называют элементарными. Все элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу. Согласно закону всемирного тяготения сила притяжения сравнительно медленно убывает по мере увеличения расстояния между ними: обратно пропорционально квадрату расстояния. Кроме того, большинство элементарных частиц, хотя и не все, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила в огромное число, раз превосходит силу тяготения. Так, в атоме водорода, схематически изображенном на рисунке 1, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 1039 раз превышающей силу гравитационного притяжения.
Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые медленно уменьшаются с увеличением расстояния и во много раз превышают силы всемирного тяготения, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными. Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.
Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных. Когда мы говорим, что электроны и протоны электрически заряжены, то это означает, что они способны к взаимодействиям определенного типа (электромагнитным), и ничего более. Отсутствие заряда у частиц означает, что подобных взаимодействий она не обнаруживает. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий. Электрический заряд – вторая (после массы) важнейшая характеристика элементарных частиц, определяющая их поведение в окружающем мире.
Таким образом
Электрический заряд – это физическая скалярная величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Электрический заряд обозначается буквами q или Q.
Подобно тому, как в механике часто используется понятие материальной точки, позволяющее значительно упростить решение многих задач, при изучении взаимодействия зарядов эффективным оказывается представление о точечном заряде. Точечный заряд – это такое заряженное тело, размеры которого значительно меньше расстояния от этого тела до точки наблюдения и других заряженных тел. В частности, если говорят о взаимодействии двух точечных зарядов, то тем самым предполагают, что расстояние между двумя рассматриваемыми заряженными телами значительно больше их линейных размеров.
Электрический заряд элементарной частицы – это не особый «механизм» в частице, который можно было бы снять с нее, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование определенных взаимодействий между ними.
В природе имеются частицы с зарядами противоположных знаков. Заряд протона называется положительным, а электрона – отрицательным. Положительный знак заряда у частицы не означает, конечно, наличия у нее особых достоинств. Введение зарядов двух знаков просто выражает тот факт, что заряженные частицы могут как притягиваться, так и отталкиваться. При одинаковых знаках заряда частицы отталкиваются, а при разных – притягиваются.
Никакого объяснения причин существования двух видов электрических зарядов сейчас нет. Во всяком случае, никаких принципиальных различий между положительными и отрицательными зарядами не обнаруживается. Если бы знаки электрических зарядов частиц изменились на противоположные, то характер электромагнитных взаимодействий в природе не изменился бы.
Положительные и отрицательные заряды очень хорошо скомпенсированы во Вселенной. И если Вселенная конечна, то ее полный электрический заряд, по всей вероятности, равен нулю.
Наиболее замечательным является то, что электрический заряд всех элементарных частиц строго одинаков по модулю. Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Заряд может быть положительным, как у протона, или отрицательным, как у электрона, но модуль заряда во всех случаях один и тот же.
Отделить часть заряда, например, у электрона невозможно. Это, пожалуй, самое удивительное. Никакая современная теория не может объяснить, почему заряды всех частиц одинаковы, и не в состоянии вычислить значение минимального электрического заряда. Оно определяется экспериментально с помощью различных опытов.
В 60-е гг., после того как число вновь открытых элементарных частиц стало угрожающе расти, была выдвинута гипотеза о том, что все сильно взаимодействующие частицы являются составными. Более фундаментальные частицы были названы кварками. Поразительным оказалось то, что кварки должны иметь дробный электрический заряд: 1/3 и 2/3 элементарного заряда. Для построения протонов и нейтронов достаточно двух сортов кварков. А максимальное их число, по-видимому, не превышает шести.
Создать макроскопический эталон единицы электрического заряда, подобный эталону длины – метру, невозможно из-за неизбежной утечки заряда. Естественно было бы за единицу принять заряд электрона (это сейчас и сделано в атомной физике). Но во времена Кулона еще не было известно о существовании в природе электрона. Кроме того, заряд электрона слишком мал, и поэтому его трудно использовать в качестве эталона.
В Международной системе единиц (СИ) единицу заряда – кулон устанавливают с помощью единицы силы тока:
1 кулон (Кл) – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А.
Заряд в 1 Кл очень велик. Два таких заряда на расстоянии 1 км отталкивались бы друг от друга с силой, чуть меньшей силы, с которой земной шар притягивает груз массой в 1 т. Поэтому сообщить небольшому телу (размером порядка нескольких метров) заряд в 1 Кл невозможно. Отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не смогли бы удерживаться на таком теле. Никаких других сил, которые были бы способны в данных условиях компенсировать кулоновское отталкивание, в природе не существует. Но в проводнике, который в целом нейтрален, привести в движение заряд в 1 Кл не составляет большого труда. Ведь в обычной электрической лампочке мощностью 100 Вт при напряжении 127 В устанавливается ток, немного меньший 1 А. При этом за 1 с через поперечное сечение проводника проходит заряд, почти равный 1 Кл.
Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электрометр. Электрометр состоит из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 2). Стержень со стрелкой закреплен в плексигласовой втулке и помещен в металлический корпус цилиндрической формы, закрытый стеклянными крышками.
Принцип работы электрометра. Прикоснемся положительно заряженной палочкой к стержню электрометра. Мы увидим, что стрелка электрометра отклоняется на некоторый угол (см. рис. 2). Поворот стрелки объясняется тем, что при соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стрелке и стержню. Силы отталкивания, действующие между одноименными электрическими зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки. Наэлектризуем эбонитовую палочку еще раз и вновь коснемся ею стержня электрометра. Опыт, показывает, что при увеличении электрического заряда на стержне угол отклонения стрелки от вертикального положения увеличивается. Следовательно, по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о значении электрического заряда, переданного стержню электрометра.
Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет выделить следующие свойства заряда:
Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные тела так же, как стекло, наэлектризованное трением о шелк. Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют так же, как эбонит, наэлектризованный трением о шерсть. Выбор названия «положительный» для зарядов, возникающих на стекле, и «отрицательный» для зарядов на эбоните совершенно случаен.
Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.
Важным свойством электрического заряда является его дискретность. Это означает, что существует некоторый наименьший, универсальный, далее не делимый элементарный заряд, так что заряд q любого тела является кратным этому элементарному заряду:
где N – целое число, е – величина элементарного заряда. Согласно современным представлениям, этот заряд численно равен заряду электрона e = 1,6∙10-19 Кл. Поскольку величина элементарного заряда весьма мала, то для большинства наблюдаемых и используемых на практике заряженных тел число N очень велико, и дискретный характер изменения заряда не проявляется. Поэтому считают, что в обычных условиях электрический заряд тел изменяется практически непрерывно.
Закон сохранения электрического заряда.
Внутри замкнутой системы при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной:
Изолированной (или замкнутой) системой мы будем называть систему тел, в которую не вводятся извне и не выводятся из нее электрические заряды.
Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением равного по модулю отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряд не могут исчезнуть в отдельности, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по модулю.
Так элементарные частицы способны превращаться друг в друга. Но всегда при рождении заряженных частиц наблюдается появление пары частиц с зарядами противоположного знака. Может наблюдаться и одновременное рождение нескольких таких пар. Исчезают заряженные частицы, превращаясь в нейтральные, тоже только парами. Все эти факты не оставляют сомнений в строгом выполнении закона сохранения электрического заряда.
Причина сохранения электрического заряда до сих пор пока неизвестна.
Электризация тела
Макроскопические тела, как правило, электрически нейтральны. Нейтрален атом любого вещества, так как число электронов в нем равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.
Тело больших размеров заряжено в том случае, когда оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный заряд – их недостатком.
Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело или, как говорят, наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного.
Проще всего это сделать с помощью трения. Если провести расческой по волосам, то небольшая часть наиболее подвижных заряженных частиц – электронов – перейдет с волос на расческу и зарядит ее отрицательно, а волосы зарядятся положительно. При электризации трением оба тела приобретают противоположные по знаку, но одинаковые по модулю заряды.
Наэлектризовать тела с помощью трения очень просто. А вот объяснить, как это происходит, оказалось очень непростой задачей.
1 версия. При электризации тел важен тесный контакт между ними. Электрические силы удерживают электроны внутри тела. Но для разных веществ эти силы различны. При тесном контакте небольшая часть электронов того вещества, у которого связь электронов с телом относительно слаба, переходит на другое тело. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний (10-8 см). Но если тела разъединить, то оба они окажутся заряженными. Так как поверхности тел никогда не бывают идеально гладкими, то необходимый для перехода тесный контакт между телами устанавливается только на небольших участках поверхностей. При трении тел друг о друга число участков с тесным контактом увеличивается, и тем самым увеличивается общее число заряженных частиц, переходящих от одного тела к другому. Но не ясно, как в таких не проводящих ток веществах (изоляторах), как эбонит, плексиглас и другие, могут перемещаться электроны. Они ведь связаны в нейтральных молекулах.
2 версия. На примере ионного кристалла LiF (изолятора) это объяснение выглядит так. При образовании кристалла возникают различного рода дефекты, в частности вакансии – незаполненные места в узлах кристаллической решетки. Если число вакансий для положительных ионов лития и отрицательных – фтора неодинаково, то кристалл окажется при образовании заряженным по объему. Но заряд в целом не может сохраняться у кристалла долго. В воздухе всегда имеется некоторое количество ионов, и кристалл будет их вытягивать из воздуха до тех пор, пока заряд кристалла не нейтрализуется слоем ионов на его поверхности. У разных изоляторов объемные заряды различны, и поэтому различны заряды поверхностных слоев ионов. При трении поверхностные слои ионов перемешиваются, и при разъединении изоляторов каждый из них оказывается заряженным.
А могут ли электризоваться при трении два одинаковых изолятора, например те же кристаллы LiF? Если они имеют одинаковые собственные объемные заряды, то нет. Но они могут иметь и различные собственные заряды, если условия кристаллизации были разными и появилось разное число вакансий. Как показал опыт, электризация при трении одинаковых кристаллов рубина, янтаря и др. действительно может происходить. Однако приведенное объяснение вряд ли правильно во всех случаях. Если тела состоят, к примеру, из молекулярных кристаллов, то появление вакансий у них не должно приводить к заряжению тела.
Еще один способ электризации тел – воздействие на них различных излучений (в частности, ультрафиолетового, рентгеновского и γ-излучения). Этот способ наиболее эффективен для электризации металлов, когда под действием излучений с поверхности металла выбиваются электроны, и проводник приобретает положительный заряд.
Электризация через влияние. Проводник заряжается не только при контакте с заряженным телом, но и в том случае, когда оно находится на некотором расстоянии. Исследуем подробнее это явление. Подвесим на изолированном проводнике легкие листки бумаги (рис. 3). Если вначале проводник не заряжен, листки будут в неотклоненном положении. Приблизим теперь к проводнику изолированный металлический шар, сильно заряженный, например, при помощи стеклянной палочки. Мы увидим, что листки, подвешенные у концов тела, в точках а и b, отклоняются, хотя заряженное тело и не касается проводника. Проводник зарядился через влияние, отчего и само явление получило название «электризация через влияние» или «электрическая индукция». Заряды, полученные посредством электрической индукции, называют наведенными или индуцированными. Листки, подвешенные у середины тела, в точках а’ и b’, не отклоняются. Значит, индуцированные заряды возникают только на концах тела, а середина его остается нейтральной, или незаряженной. Поднося к листкам, подвешенным в точках а и b, наэлектризованную стеклянную палочку, легко убедиться, что листки в точке b от нее отталкиваются, а листки в точке а притягиваются. Это значит, что на удаленном конце проводника возникает заряд того же знака, что и на шаре, а на близлежащих частях возникают заряды другого знака. Удалив заряженный шар, мы увидим, что листки опустятся. Явление протекает совершенно аналогичным образом, если повторить опыт, зарядив шар отрицательно (например, при помощи сургуча).
С точки зрения электронной теории эти явления легко объясняются существованием в проводнике свободных электронов. При поднесении к проводнику положительного заряда электроны к нему притягиваются и накапливаются на ближайшем конце проводника. На нем оказывается некоторое число «избыточных» электронов, и эта часть проводника заряжается отрицательно. На удаленном конце образуется недостаток электронов и, следовательно, избыток положительных ионов: здесь появляется положительный заряд.
При поднесении к проводнику отрицательно заряженного тела электроны накапливаются на удаленном конце, а на ближнем конце получается избыток положительных ионов. После удаления заряда, вызывающего перемещение электронов, они вновь распределяются по проводнику, так что все участки его оказываются по-прежнему незаряженными.
Перемещение зарядов по проводнику и их накопление на концах его будут продолжаться до тех пор, пока воздействие избыточных зарядов, образовавшихся на концах проводника, не уравновесит те исходящие из шара электрические силы, под влиянием которых происходит перераспределение электронов. Отсутствие заряда у середины тела показывает, что здесь уравновешены силы, исходящие из шара, и силы, с которыми действуют на свободные электроны избыточные заряды, накопившиеся у концов проводника.
Индуцированные заряды можно разделить, если в присутствии заряженного тела разделить проводник на части. Такой опыт изображен на рис. 4. В этом случае сместившиеся электроны уже не могут вернуться обратно после удаления заряженного шара; так как между обеими частями проводника находится диэлектрик (воздух). Избыточные электроны распределяются по всей левой части; недостаток электронов в точке b частично пополняется из области точки b’, так что каждая часть проводника оказывается заряженной: левая – зарядом, по знаку противоположным заряду шара, правая – зарядом, одноименным с зарядом шара. Расходятся не только листки в точках а и b, но и остававшиеся прежде неподвижными листки в точках а’ и b’.
Буров Л.И., Стрельченя В.М. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. – Мн.: Парадокс, 2000. – 560 с.
Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. Для углубленного изучения физики /Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. – М.Ж Дрофа, 2005. – 476 с.
Физика: Учеб. пособие для 10 кл. шк. и классов с углубл. изуч. физики/ О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, Э. Е. Эвенчик и др.; Под ред. А. А. Пинского. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1995. – 415 с.
Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3 т./ Под ред. Г.С. Ландсберга: Т. 2. Электричество и магнетизм. – М: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 480 с.
Билет 1
Словами «холодный»,»тёплый» и «горячий», мы указываем на различную температуру тел. Температуру тел измеряют с помощью термометра и выражают в градусах цельсия. Скорость движения молекул и тем-ра связаны между собой. При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, при понижении- уменьшается.
Явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел, с изменением тем-ры, наз тепловым. Например: таяние льда, нагревание и охлаждение воздуха, плавление металлов. Молекулы или атомы, из которых состоят тела, находятся в непрерывном беспорядочном движении.
Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют тепловым движением. В жидкостях молекулы могут колебаться, вращаться и перемещаться относительно друг друга. В тепловом движении участвуют все молекулы тела, поэтому с изменением теплового движения изменяется и его свойства. Так, при увеличении температуры лёд начинает таять, превращаясь в жидкость. Если понижать температуру, например, ртути, то она из жидкости превращается в твёрдое тело.
Существует два вида механической энергии : кинетическая и потенциальная. Любое движущееся тело обладает кинетической энергией (летящая птица, движущиеся самолет, мяч).Кинетическая энергия зависит от массы тела и от скорости движения тела. Потенциальной энергией обладает поднятый камень над землей, сжатая или растянутая пружина т. д. Кинетич. и потенц. энергии могут превращаться друг в друга.(Пример, шар после удара о плиту) В результате удара шара о плиту изменилось их состояние, они нагрелись и деформировались. При нагревании увеличилась средняя скорость движения молекул, а значит увеличилась их средняя кинетическая энергия. Когда тело деформировалось, то изменилось взаимное расположение молекул, а значит изменилась и их потенциальная энергия. Внутренняя энергия зависит от тем-ры тела, агрегатного сост. вещ-ва и др. факторов.
Кинетич. энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела. При остановки тела механическое движение прекращается, но усиливается тепловое движение его молекул. Механическая энергия превращается во внутреннюю энергию тела.
Билет 2
Внутренняя энергия тела не является какой-то постоянной величиной. У одного и того же тела она может изменяться.
При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, так как увеличивается средняя скорость движения молекул. Следовательно, возрастает кинетическая энергия молекул этого тела. С понижением температуры, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается.
Таким образом, внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул.
Внутреннюю эн.тела можно увеличить,совершая над телом работу (удар, сгибание и разгибание).
Внутреннюю энергию тела можно изменить и без совершения работы. Например, вода в чайнике стоя на плите, закипает. Воздух и другие предметы в комнате нагреваются от батареи центрального отопления. Внутр энергия в этих случаях увеличивается, т к повышается тем-ра тел. Но работа при этом не совершается.
Внутрен. Энергию тел можно изменить путем теплопередачи. Например, Опустим в стакан с горячей водой метал спицу. Молекулы горячей воды передают часть своей кинетич. Энергии частицам холодного металла. Поэтому тем-ра воды уменьшается, а тем-ра спицы увеличивается. Постепенно их тем-ры будут одинаковыми.
Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом, наз теплопередачей.
Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с высокой тем-рой к телам с более низкой. Когда тем-ра тел выравнивается, теплопередача прекращается. Теплопередача осуществляется тремя способами: теплопроводность, конвекция, излучение.
Билет 3
Внутренняя энергия тела может изменяться как путём совершения работы, так и путём теплопередачи. Если изменение внутр. энергии происходит путем теплопередачи, то переход осуществляется теплопроводностью, конвекцией и излучением.
Явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной его части к другой называется теплопроводностью. Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум. Объясняется это тем, что теплопроводность- это перенос энергии от одной части тела к другой. Металлы имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.
Конвекция - ещё один вид теплопередачи. При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.Например, в оттапливаемой комнате благодаря конвекции поток тёплого воздуха поднимается вверх, а холодного опускается вниз. Поэтому у потолка воздух всегда теплее, чем вблизи пола.
Существует два вида конвекции: естественная и вынужденная . Нагревание жидкости, нагревание воздуха в комнате являются примерами естественной конвекции . Вынужденная конвекция наблюдается, если перемешивать жидкость мешалкой, ложной, насосом и т.д.
Жидкости и газы следует нагревать снизу. Если их прогревать сверху, то при таком способе конвекция не происходит. Нагретые слои не могут опуститься ниже холодных, более тяжёлых.Конвекция в твёрдых телах происходить не может.
Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи. Она может осуществляться в полном вакууме. Излучают энергию все тела : например тело человека,печь, электрическая лампочка и др. чем выше температура тела, тем больше энергии передаёт оно путём излучения. Энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче, называется количеством теплоты.
Чем больше масса тела, тем большее количество теплоты надо затратить, что бы изменить его температуру на одно и тоже число градусов. При остывании тело передаёт окружающим предметам тем большее количество теплоты, чем больше его масса. Количество теплоты зависит от разности температур тела.
Количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела(или выделяемое при остывании), зависит от массы этого тела, от изменения его температуры и рода вещества.
Количество теплоты обозначают буквой Q. Измеряют в джоулях(Дж) или в килоджоулях(кДж).
1 кДЖ=1000 ДЖ
1 ккал= 1000 кал
1кал=4,19 Дж=4,2 ДЖ
Если обозначить массу m, разность между конечной (t2) и начальной (t1) температурами – t2-t1, получим формулу для расчёта количества теплоты: Q =c m (t2-t1)
Билет 4
Для нагревания тел одинаковой массы, взятых при одинаковой температуре, на одну и ту же величину требуется разное количество теплоты. Так, для нагревания 1 кг воды на 1С требуется количество теплоты, равное 4200 Дж. Если нагревать 1 кг серебра на 1 С. То потребуется 250 Дж.
Физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг для того, чтобы его температура изменилась на 1С, называется удельной теплоёмкостью вещества.
Удельная теплоёмкость обозначается буквой c и измеряется в Дж/кг С. Удельная теплоёмкость вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях, различна.
Например, ртуть в жидком состоянии имеет удельную теплоёмкость, равную 138 Дж/кгС, а в твёрдом состоянии – 129 Дж/кгС(при -120)
Удельная теплоёмкость воды самая большая- 4200 Дж/кгC
В связи с этим вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает большое количество теплоты. Поэтому в районах, расположенных вблизи водоёмов, летом не бывает очень жарко, а зимой очень холодно. Это связано с тем, что зимой вода остывает и отдаёт большое количество теплоты.
Билет 5
Источником энергии, является топливо. Это уголь, нефть, торф, дрова, природный газ др. При сгорании топлива выделяется энергия.За счёт чего выделяется энергия?
Если молекулу воды разделить на атомы, то при этом необходимо преодолеть силы притяжения между атомами, т.е. совершить работу. Это значит, что следует затратить некоторую энергию. При сжигании топлива атомы соединяются в молекулы, и происходит выделение энергии.
Использование топлива основано как раз на явлении выделения энергии соединении атомов. Так, например, атомы углерода, содержащиеся в топливе, при горении соединяются с двумя атомами кислорода. При этом образуется молекула оксида углерода- углекислого газа- и выделяется энергия.
При расчёте двигателей инженеру необходимо точно знать, какое количество теплоты может выделить сжигаемое топливо.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.
Удельная теплота сгорания обозначается буквой q . Единицей удельной теплоты сгорания является 1 Дж/кг.
Удельную теплоту сгорания определяют на опыте с помощью довольно сложных приборов.
Результаты опытных данных приведены в таблице учебника.
Из этой таблицы видно, что удельная теплота сгорания, например, бензина 4,6 х 10000000. Это значит, что при полном сгорании бензина массой 1 кг выделяется 4,6 х 10000000 Дж энергии.
Общее количество теплоты Q, выделяемое при сгоранииm кг топлива, вычисляется по формуле: Q=qm.
Билет 6
Подбрасывая вверх камень или мяч, мы сообщаем им энергию движения- кинетическую энергию.
Поднявшись до некоторой высоты, предмет останавливается, а затем начинает падать. В момент остановки (в верхней точке) вся кинетическая энергия полностью превращается в потенциальную. При движении тела вниз происходит обратный процесс. Потенциальная энергия превращается в кинетическую.
При этих превращениях механическая энергия(сумма кинетической и потенциальной) остаётся неизменной. Если принять, что потенциальная энергия у поверхности Земли равна нулю, то сумма кинетической и потенциальной энергии тела на любой высоте во время подъёма или падения будет равна: E=Eк+Eп
Полная механическая энергия , т. е. сумма потенциальной и кинетической энергии тела, остаётся постоянной, если действуют только силы упругости и тяготения и отсутствуют силы трения. В этом и заключается закон сохранение энергии.
Механическая и внутренняя энергия могут переходить от одного тела к другому.
Этот вывод справедлив для всех тепловых процессов.
При сгорании топлива в двигателе машины внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию движения.
При переходе энергии от одного тела к другому или при превращении одного вида в другой энергия сохраняется.
Изучение явлений превращения одного вида энергии в другой привело к открытию одного из основных законов природы- закона сохранения и превращения энергии.
Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом её значение сохраняется.
Билет № 7
В зависимости от условий одно и то же вещество может находиться в различных состояниях, например в твёрдом, жидком или газообразном. Наглядным примером этому служат лёд, вода и водяной пар. Эти состояния называются агрегатными состояниями .
Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое широко используют в практике. В металлургии, например, плавят металлы, чтобы получить из них сплавы: чугун, сталь, бронзу, латунь и др. Пар полученный при нагревании воды, используют на электростанциях в паровых турбинах. Сжиженными газами пользуются в холодильных установках.
В природе изменение агрегатных состояний происходит в широких масштабах. С поверхности океанов, морей, озёр и рек испаряется вода, а при охлаждении водяного пара образуются облака, роса, туман или снег. Реки и озёра зимой замерзают, а весной снег и лёд тают.
Молекулы одного и того же вещества в твёрдом, жидком и газообразном состоянии ничем не отличаются друг от друга.
В газах при атмосферном давлении расстояния между молекулами много больше размера самих молекул. Средняя кинетическая энергия молекул газа вполне достаточна, чтобы совершить работу по преодолению сил молекулярного притяжения. Поэтому, если газу не помешают стенки сосуда, его молекулы разлетаются.
В жидкостях и твёрдых телах, плотность которых во много раз больше плотности газа, молекулы расположены ближе друг к другу. Средняя кинетическая энергия их уже недостаточна для того, чтобы совершить работу по определению сил молекулярного притяжения. Поэтому молекулы в жидкостях и особенно в твёрдых телах не могут далеко удаляться друг от друга.
Билет № 8
Передавая телу энергию, можно перевести его из твёрдого состояния в жидкое(например, расплавить лёд), а из жидкого- в газообразное тело(превратить воду в пар) .Отнимая энергию у газа, можно получить жидкость, а из жидкости- твёрдое тело.
Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое называют плавлением .
Температуру, при которой вещество плавится, называют температурой плавления вещества.
Одни кристаллические тела плавятся при низкой температуре, другие- при высокой. Лёд, например, можно расплавить, неся его в комнату. Кусок олова или свинца – в стальной ложке, нагревая её на спиртовке. Железо плавят в специальных печах, где достигается высокая температура.
Переход вещества из жидкого состояния в твёрдое, называют отвердеванием или кристаллизацией.
Температура, при которой вещество отвердевает(кристаллизуется), называют температурой отвердевания или кристаллизации.
Например . Когда вода кристаллизуется(а лёд плавится) при 0 С, чистое железо плавится и кристаллизуется при температуре 1539 С.
Когда тело нагреется до температуры плавления, то нарушится порядок в расположении частиц в кристаллах. Кристаллы теряют свою форму. Вещество плавится, переходя из твёрдого состояния в жидкое.Для превращения различных кристаллических веществ одной и той же массы в жидкость при температуре плавления требуется разное количество теплоты.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.
Удельную теплоту плавления обозначают греч. Буквой «лямбда». Её единица – 1 Дж/кг.
Чтобы вычислить количество теплоты Q , необходимое для плавления кристаллического тела массой m , взятого при его температуре плавления и нормальном атмосферном давлении, нужно удельную теплоту плавления «лямбда» умножить на массу тела m:
Q= «лямбда» m
Из этой формулы можно определить что:
«лямбда»=Q/m , m =Q / «лямбда»
Билет № 9
Явление превращения жидкости в пар называется парообразованием. Существует два способа перехода жидкости в газообразное состояние: испарение или кипение.
Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением. Скорость испарения зависит от рода жидкости. Скорость зависит от некоторых причин.
Если листок бумаги смочить в одном месте эфиром, а в другом водой, то мы заметим, что эфир испарится значительно быстрее, чем вода. Значит, скорость испарения зависит от рода жидкости. Быстрее испаряется та жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с меньшей силой.
Лужи, образовавшиеся после дождя, высыхают, высыхают и летом в жару, и осенью, когда уже холодно. Но летом они высыхают быстрее. Дело в том, что чем выше температура жидкости, тем больше в ней быстро движущихся молекул.
Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости.
Скорость испарения жидкости зависит от площади её поверхности. Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше е число молекул одновременно вылетает в воздух.
Одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших её, снова возвращается в жидкость.
Если испарение жидкости происходит в закрытом сосуде, то вначале число молекул, вылетевших из жидкости, будет больше числа молекул, возвратившихся обратно в жидкость.
Известно, что одновременно с испарением происходит переход молекул из пара в жидкость.
Явление превращения пара в жидкость называется конденсацией.
Конденсация пара сопровождается выделением энергии.
Летним вечером, когда воздух становится холоднее, выпадает роса. Это водяной пар, находившийся в воздухе, при охлаждении конденсируется, и маленькие капельки воды оседают на траве и листьях.
Конденсацией пара объясняется образование облаков. Пары воды, поднимающиеся на землёй, образуют в верхних, более холодных слоях воздуха облака, состоящие из мельчайших капелек воды.
Билет № 10
Второй способ парообразования – кипение.
Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объёму жидкости при определённой температуре.
У различных жидкостей температура кипения различна.
Кипение от начала до конца происходит при определенной и постоянной для каждой жидкости температуре. Поэтому, например, при варке пищи нужно уменьшать огонь после того, как вода закипит. Это даст экономию топлива, а температура воды всё равно сохраняется постоянной во всё время кипения.
Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения.
Во время кипения температура жидкости не меняется.
С ростом давления увеличивается температура кипения жидкости, и наоборот.
Некоторые вещества при достаточном охлаждении обращаются в жидкости, кипящие при очень низкой температуре. Жидкий кислород, например, при атмосферном давлении кипит при температуре -183 С.
Кипение сопровождается быстрым образованием и ростом пузырьков пара. Во время кипения необходимо подводить к жидкости определенное количество теплоты. Это количество идёт на образование пара.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.
Удельную парообразования обозначают буквой L. Её единица – 1 Дж/кг.
Удельная теплота парообразования при 100 с равна 2,3 * 10 в шестой Дж/кг. иными словами, для превращения воды массой 1 кг в пар при температуре 100 С требуется 2Ю,3 * 10 в шестой Дж энергии.
Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования L умножить на массу: Q=Lm
Из этой формулы можно определить, что m=Q/L, L= Q/m.
Билет 11
Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.
Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере- холодильнику- вместе с отработанным паром или выхлопными газами.
Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.
Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя- КПД.
Отношение совершённой полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.
Определить КПД теплового двигателя можно по следующей формуле:
КПД= Ап/Q1, или КПД= Q1-Q2/Q1Х 100См
Ап- полезная работа, Q1-количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2-количество теплоты, отданное холодильнику, Q1-Q2- количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.
Билет 12
Ещё в глубокой древности люди заметили, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает способность притягивать к себе различные тела: соломинки, пушинки, ворсинки меха и т.д.
В дальнейшем установили, что этим свойство обладают и другие вещества: стеклянная, потёртая о шёлк, палочка из органического стекла, натёртая о бумагу, эбонит, потёртый о сукно или мех.
Наблюдаемы явления в начале семнадцатого века были названы электрическими. Стали говорить, что тело, получившее после натирания способность притягивать другие тела, наэлектризовано или что ему сообщён электрический заряд .
Электрический заряд может передаваться от одного тела к другому. Для этого необходимо лишь коснуться наэлектризованным телам другого тела. При это часть электрического заряда перейдёт на второе тело. И это тело начнёт притягивать к себе мелкие листочки бумаги, пушинки и т.д.
Электризация тел происходит при их соприкосновении.
Наэлектризованные эбонитовые палочки отталкиваются.
Теперь поднес ём к наэлектризованной эбонитовой палочке стеклянную, потёртую о шёлк. мы заметим, что эбонитовая и стеклянная палочки притягиваются друг к другу.
Таким образом, наэлектризованные тела или притягиваются друг к другу или отталкиваются.
Электрический заряд, полученный на стеклянной палочке, потёртой о шёлк, условились называть положительным . Заряд эбонитовой палочки, потёртой о мех, -отрицательным .
Положительные заряды обозначают знаком «+», отрицательные – знаком «- ».
Когда эбонитовая палочка притягивается к поднесённому телу, значит, у палочки и у тела заряды разного рода. На эбонитовой палочке – отрицательный, на теле – положительный.
Тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются.
Установлено, что всякое заряженное тело окружено электрическим полем.
