ГРУППА 308. ФИЗИКА. ТМА «Электрическое поле.»

Взаимодействие зарядов по закону Кулона является экспериментально установленным фактом. Однако не раскрывает физической картины самого процесса взаимодействия. И не отвечает на вопрос, каким путем осуществляется действие одного заряда на другой.

Фарадей дал следующее объяснение: Вокруг каждого электрического заряда всегда существует электрическое поле. Электрическое поле – материальный объект, непрерывный в пространстве и способный действовать на другие электрические заряды. Взаимодействие электрических зарядов есть результат действия поля заряженных тел.

Электрическое поле – поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами.

Обнаружить электрическое поле можно, если внести в данную точку пробный (положительный) заряд.

Пробный точечный заряд – такой заряд, который не искажает исследуемое поле (не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле).

                     Свойства электрического поля:

• Действует на заряды с некоторой силой.
• Электрическое поле, создаваемое неподвижным зарядом, т.е. электростатическое не меняется со временем.

Электрическое поле – особый вид материи, движение которой не подчиняется законам механики Ньютона. У этого вида материи свои законы, свойства, которые нельзя спутать с чем-либо другим в окружающем мире.

Напряженность электрического поля

Физическая величина, равная отношению силы, с которой электрическое поле действует на пробный заряд q, к значению этого заряда, называется  напряженностью электрического поля и обозначается

Единицей напряженности является 1Н/Кл или 1В/м.

Векторы напряженности электрического поля и кулоновской силы сонаправлены.

Электрическое поле, напряженность которого одинакова во всех точках пространства, называется однородным.

Линии напряженности (силовые линии) – линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора .

Чтобы с помощью линий напряженности можно было характеризовать не только направление, но и значение напряженности электростатического поля, их проводят с определённой густотой: число линий напряженности, пронизывающих единицу площади поверхности, перпендикулярную линиям напряженности, должно быть равно модулю вектора .

Если поле создается точечным зарядом, то линии напряженности - радиальные прямые, выходящие из заряда, если он положителен, и входящие в него, если заряд отрицателен.

Принцип суперпозиции полей

Опыт показывает, что если на электрический заряд q действуют одновременно электрические поля нескольких источников, то результирующая сила оказывается равной сумме, действующей со стороны каждого поля в отдельности.

Электрические поля подчиняются принципу суперпозиций:

Напряженность результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности:

Выполните тест

Тест. Электрическое поле. Напряженность

 

Конец формы

Начало формы

Вопрос № 1
Электрическим полем называется

Особый вид материи, проявляющий себя в действии на электрические заряды
Вид материи, имеющий электрические заряды
особый вид материи, проявляющий себя в действии на движущиеся электрические заряды

Вопрос № 2
Чтобы определить наличие электрического поля в данной точке

достаточно посмотреть в данную точку пространства и увидеть его
поместить в эту точку пробный заряд
поместить в эту точку проводник с током

Вопрос № 3
Напряженностью электрического поля в данной точке называют

физическую величину, равную отношению силы электрического поля, действующей на помещённый в данную точку пробный положительный заряд к этому заряду
физическую величину, равную отношению силы электрического поля, действующей на помещенный в данную точку пробный отрицательный заряд, к этому заряду.
физическую величину, равную отношению силы электрического поля, действующей на помещённый в данную точку пробный заряд к этому заряду

Вопрос № 4
Вектор напряженности электрического поля, созданного точечным зарядом в некоторой точке пространства направлен

в сторону этого заряда
в сторону от этого заряда
может быть направлен как в сторону заряда, так и в сторону от него

Вопрос № 5

Для того, чтобы определить модуль силы электрического поля, действующего на пробный заряд надо

заряд разделить на напряженность электрического поля
заряд умножить на напряженность электрического поля
модуль заряда умножить на модуль напряженности

Конец формы

 

ГРУППА 308.  Физика. Тема « Электрический заряд. Закон Кулона»

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

• Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
• 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.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда.

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

q1 + q2 + q3 + ... +qn = const.

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов.

       В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов.

 Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью.

 Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами.

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: F_{1  =}  - F₂

Ои являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках. Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.

Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

где  – электрическая постоянная.

В системе СИ элементарный заряд e равен:

e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Тест «Закон сохранения заряда. Закон Кулона».

1 вариант

1. Пылинка, имеющая заряд +1,6 · 10⁻¹⁹ Кл, при освещении потеряла один электрон. Каким стал заряд пылинки?

А. 0
Б. +3,2 · 10⁻¹⁹ Кл
В. −3,2 · 10⁻¹⁹ Кл

2. На каком рисунке указано правильное распределение зарядов при электризации трением (рис. 37)?

3. Как изменится сила взаимодействия двух точечных зарядов при увеличении каждого заряда в 3 раза, если расстояние между ними уменьшить в 2 раза?

А. Увеличится в 6 раз
Б. Уменьшится в 2 раза
В. Увеличится в 36 раз

4. Два одинаковых металлических шарика заряжены равными по модулю, но разноименными зарядами. Шарики привели в соприкосновение и раздвину ли на прежнее расстояние. Во сколько раз изменилась сила взаимодействия?

А. Уменьшилась в 2 раза
Б. Не изменилась
В. Стала равной нулю

5. Два положительных заряда q и 2q находятся на расстоянии 10 мм. Заряды взаимодействуют с силой 7,2 · 10⁻⁴ Н. Каково значение каждого заряда?

А. 2 · 10⁻⁹ Кл; 4 · 10⁻⁹ Кл
Б. 10⁻⁹ Кл; 2 · 10⁻⁹ Кл
В. 3 · 10⁻⁹ Кл; 6 · 10⁻⁹ Кл.

2 вариант

1. Пылинка, имеющая заряд −1,6 · 10⁻¹⁹ Кл, при освещении потеряла один электрон. Каким стал заряд пылинки?

А. 0
Б. +3,2 · 10⁻¹⁹ Кл
В. −3,2 · 10⁻¹⁹ Кл

2. На каком рисунке указано правильное распределение зарядов при электризации трением (рис. 38)?

3. Как изменится сила взаимодействия двух точечных зарядов при увеличении каждого заряда в 2 раза, если расстояние между ними также увеличить в 2 раза?

А. Увеличится в 16 раз
Б. Не изменится
В. Увеличится в 2 раза

4. Два одинаковых металлических шарика заряжены равными по модулю одноименными зарядами. Шарики привели в соприкосновение и раздвинули на прежнее расстояние. Во сколько раз изменилась сила взаимодействия?

А. Уменьшилась в 2 раза
Б. Увеличилась в 2 раза
В. Осталась прежней

5. Два отрицательных заряда −q и −2q находятся на расстоянии 20 мм. Заряды взаимодействуют с силой 1,8 · 10⁻⁴ Н. Каково значение каждого заряда?

А. 10⁻⁹ Кл; 2 · 10⁻⁹ Кл
Б. 3 · 10⁻⁹ Кл; 6 · 10⁻⁹ Кл
В. 2 · 10⁻⁹ Кл; 4 · 10⁻⁹ Кл

 

Э

 

ГРУППА  301.  ФИЗИКА.   ТМА «Упругие свойства твердых тел» Упругость — свойство восстанавливать форму тела после прекращения воздействия других тел или полей. Деформация — изменение формы и размеров твердых тел под действием внешних сил. Деформации могут быть упругими и пластичными. Упругая деформация — деформация, при которой после прекращения действия внешних сил тело восстанавливает прежние размеры и форму. Пластическая (остаточная) деформация — деформация, которая не исчезает в теле после прекращения действия внешних сил. Все виды возможных деформаций (растяжение или сжатие, сдвиг, изгиб, кручение) могут быть сведены к двум одновременно происходящим деформациям — растяжению (или сжатию) и сдвигу. Относительная деформация — мера деформации, равная отношению абсолютной деформации Ах к первоначальному значению величины х, характеризующей размеры и форму тела. Если к концам стержня (рис. 3.14) с площадью поперечного сечения S приложены направленные вдоль его оси внешние силы Fj и Р2 (Fj = F2 = F), то длина стержня I получит положительное (при растягивании) или отрицательное (при сжатии) приращение Al, принятое называть абсолютным удлинением. Изменение длины стержня сопровождается изменением диаметра d стержня, причем при растяжении Al > О, Ad < 0, при сжатии — Al < 0, Ad > 0. Рис. 3.14 Относительное удлинение (сжатие) — это отношение абсолютного удлинения  к начальной длине I тела: Сила упругости Fynp — сила, возникающая при деформации тела и направленная в сторону, противоположную перемещению частиц при деформации. Напряжение  — физическая величина, равная по модулю силе упругости, действующей на единицу площади поперечного сечения тела Закон Гука: в пределах упругой деформации напряжение прямо пропорционально относительной деформации: где Е — модуль Юнга (модуль Юнга равен напряжению, когда относительное удлинение равно единице, т. е. при е = 1 получаем ст = Е). Закон Гука справедлив только для упругих деформаций, исчезающих после прекращения действия сил. Закон Гука можно представить в виде: Сопоставив данное выражение с формулой закона Гука F =  -кх, где к — жесткость тела, получим В зависимости от условий внешнего воздействия различают несколько видов деформации. В теории упругости доказывается, что все виды деформаций (растяжение или сжатие, сдвиг, изгиб, кручение) могут быть сведены к одновременно происходящим деформациям растяжения или сжатия и сдвига. Деформация (растяжения) сжатия возникает (рис. 3.15, а), если к концам стержня длиной I и площадью поперечного сечения S прикладываются направленные вдоль его оси силы F] и F2 (Fj = F2 = F), в результате чего длина стержня меняется на величину ∆l. Деформацию сдвига проще всего осуществить, если взять брусок и приложить к нему силу F (рис. 3.15,6), касательную к его поверхности (нижняя часть бруска закреплена неподвижно). Относительная деформация сдвига определяется из формулы: где     ∆l— абсолютный сдвиг параллельных слоев тела относительно друг друга; у — расстояние между слоями (при малых углах имеет место tgy ~ у). Деформация изгиба характеризуется искривлением оси или срединной поверхности деформируемого тела (балка, стержень) под действием внешних сил (рис. 3.15, в). Если на середину прямого упругого стержня, свободно наложенного на твердые опорные призмы, действует сила F (рис. 3.15, в), то стержень изгибается. При таком изгибе верхние слои сжимаются, нижние — растягиваются, а некоторый Рис. 3.15 средний слой, который называют нейтральным, сохраняет длину и только претерпевает искривление. Деформация кручения характеризуется взаимным поворотом поперечных сечений стержня под влиянием пар сил, действующих в плоскости этих сечений (рис. 3.15, г). Предел прочности материала  — предельное напряжение, при котором тело начинает разрушаться. Запас прочности — скалярная величина, равная отношению предельного напряжения к допустимому  Связь между напряжением  и деформацией в представляют в виде диаграмм напряжений (рис. 3.16). ВЫПОЛИТЬ    карточки – задания по теме: « Упругие свойства твердых тел». 1 вариант. 1. Дать определение деформации. 2. Что называется абсолютной деформацией? 3. Записать закон Гука ( в старой формулировке). Для каких деформаций он выполняется? 4. Под действием растягивающей силы длина стержня изменилась от 80 до 80,2 см. Определить абсолютное и относительное удлинение.   2 вариант. 1. Какая деформация называется упругой? 2. Дать определение относительной деформации. 3. Что называется пределом прочности? 4. Металлический стержень длиной 7 м, имеющий площадь поперечного сечения 50 мм2, при растяжении силой 1 кН удлинился на 0,2 см. Определить модуль Юнга вещества.       Рис. 3.1 б