Страница 170 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

46.21 [1224] К незаряженным металлическим палочкам поднесли заряженные шарики (рис. VII-4). Укажите знаки зарядов, которые возникнут на палочках.

$\oplus \quad \ominus$

$\oplus \quad \ominus$

$\ominus \quad \oplus$

$\ominus \quad \oplus$

Рис. VII-4

Это задача на явление электростатической индукции. Металлическая палочка является проводником, в котором есть свободные электроны. Изначально палочка электронейтральна, то есть количество протонов в ядрах атомов кристаллической решетки равно общему количеству электронов. Когда к палочке подносят заряженное тело (шарик), его электрическое поле заставляет свободные электроны перераспределяться.

• Если поднести положительный заряд (+), он притянет к себе электроны (–).
• Если поднести отрицательный заряд (–), он оттолкнет от себя электроны (–).

В результате на одном конце проводника образуется избыток электронов (отрицательный заряд), а на другом — их недостаток (положительный заряд). При этом общий заряд палочки остается равным нулю.

Решение

Палочка 1 (верхняя)

К левому концу поднесен положительный шарик (+), а к правому — отрицательный (–). Положительный заряд слева притягивает свободные электроны, поэтому левый конец палочки становится отрицательно заряженным. Отрицательный заряд справа отталкивает свободные электроны, также смещая их влево. Это приводит к недостатку электронов на правом конце, и он становится положительно заряженным.

Ответ: на левом конце палочки возникнет заряд «минус» (–), на правом — «плюс» (+).

Палочка 2

К обоим концам поднесены положительные шарики (+). Каждый из них притягивает свободные электроны. В результате электроны скапливаются на обоих концах палочки, делая их отрицательно заряженными. Центральная часть палочки, откуда ушли электроны, будет заряжена положительно.

Ответ: на обоих концах палочки возникнут отрицательные заряды (–).

Палочка 3

К обоим концам поднесены отрицательные шарики (–). Каждый из них отталкивает свободные электроны от концов палочки к ее центру. В результате на обоих концах возникает недостаток электронов, и они становятся положительно заряженными.

Ответ: на обоих концах палочки возникнут положительные заряды (+).

Палочка 4 (нижняя)

К левому концу поднесен отрицательный шарик (–), а к правому — положительный (+). Отрицательный заряд слева отталкивает электроны к правому концу. Положительный заряд справа притягивает электроны. Оба этих действия приводят к тому, что левый конец палочки теряет электроны и становится положительно заряженным, а на правом конце скапливается избыток электронов, и он становится отрицательно заряженным.

Ответ: на левом конце палочки возникнет заряд «плюс» (+), на правом — «минус» (–).

46.22 [1225] Подвешенная гильза сначала касалась незаряженной металлической палочки, но, когда к палочке поднесли заряженный шар, гильза заняла другое положение (рис. VII-5). Почему?

Рис. VII-5

Решение

Это явление объясняется электростатической индукцией (или электризацией через влияние). Разберем процесс по шагам:

1. В начальном состоянии металлическая палочка и подвешенная гильза (которая также является проводником) электрически нейтральны. Так как они соприкасаются, их можно рассматривать как единую проводящую систему.

2. Когда к левому концу палочки подносят положительно заряженный шар, его электрическое поле начинает действовать на свободные заряды в проводящей системе «палочка-гильза».

3. Свободные электроны (отрицательные заряды), которые могут свободно перемещаться по металлу, притягиваются к положительному шару и скапливаются на левом конце палочки. В результате этот конец палочки приобретает избыточный отрицательный заряд.

4. На дальнем от шара конце системы, то есть на правом конце палочки и на гильзе, возникает недостаток электронов. Эта область приобретает избыточный положительный заряд.

5. Таким образом, и гильза, и правая часть палочки становятся положительно заряженными. Согласно основному закону электростатики, одноимённые заряды отталкиваются.

6. Вследствие этого между положительно заряженной гильзой и положительно заряженным концом палочки возникает сила электростатического отталкивания, которая заставляет гильзу отклониться от палочки. Гильза занимает новое положение равновесия, в котором сила отталкивания уравновешивается составляющей силы тяжести и силы натяжения нити.

Ответ: При поднесении заряженного шара к металлической палочке происходит явление электростатической индукции. Свободные заряды в единой системе «палочка + гильза» перераспределяются. На гильзе и на ближней к ней части палочки накапливается заряд того же знака, что и у поднесенного шара (в данном случае — положительный). В результате взаимного отталкивания одноимённых зарядов гильза отклоняется от палочки.

47.1 [1169] Почему при расчёсывании волос эбонитовой или пластмассовой расчёской волосы как бы прилипают к ней?

47.1 [1169]

При расчёсывании волос эбонитовой или пластмассовой расчёской происходит явление, называемое электризацией трением (или трибоэлектрическим эффектом).

1. Изначально и волосы, и расчёска электрически нейтральны, то есть количество положительных и отрицательных зарядов в них одинаково.

2. В процессе трения расчёски о волосы происходит переход электронов ($e^-$) с одного тела на другое. В соответствии с трибоэлектрическим рядом, материалы, из которых изготавливают расчёски (эбонит, пластмасса), имеют большее сродство к электрону, чем кератин (основной белок волос). Поэтому электроны переходят с волос на расчёску.

3. В результате этого процесса расчёска приобретает избыточный отрицательный заряд, а волосы, потеряв часть своих электронов, становятся заряженными положительно.

4. Согласно основному закону электростатики, тела с разноимёнными зарядами притягиваются друг к другу. Возникающая сила электростатического притяжения между отрицательно заряженной расчёской и положительно заряженными волосами заставляет волосы "прилипать" к расчёске.

Ответ: Волосы прилипают к расчёске из-за электризации трением. В процессе расчёсывания расчёска приобретает отрицательный заряд, а волосы — положительный. Разноимённо заряженные тела притягиваются, что и вызывает эффект "прилипания".

47.2 [1170] Почему между ремнём и шкивом, на который он наденет, при работе время от времени проскакивают искры?

47.2 [1170]

Искры между ремнём и шкивом возникают вследствие явления электризации тел при трении, также известного как трибоэлектрический эффект.

Процесс можно разбить на несколько этапов:

1. Электризация. Ремень и шкив обычно изготавливаются из разных материалов (например, резина и металл). При движении и трении ремня о шкив происходит обмен электронами между их поверхностями. В результате один объект накапливает положительный статический заряд, а другой — отрицательный.
2. Накопление заряда. Поскольку материалы, из которых сделан ремень, как правило, являются диэлектриками (плохими проводниками тока), накопленный заряд не может легко стечь. Шкив, если он не имеет надёжного заземления, также накапливает заряд. В процессе непрерывной работы механизма количество накопленного заряда на обоих элементах увеличивается.
3. Электрический разряд. Накопление зарядов создаёт между ремнём и шкивом большую разность потенциалов (напряжение). Когда эта разность потенциалов достигает критического значения, называемого напряжением пробоя для воздуха, происходит электрический пробой воздушного промежутка. Этот резкий разряд накопленного электричества через воздух мы и видим как искру.

Таким образом, искра — это видимое проявление электрического разряда, который снимает накопившееся статическое напряжение.

Ответ: Искры возникают из-за накопления статического электричества на ремне и шкиве в процессе их трения друг о друга. Когда разность потенциалов между заряженными частями становится достаточно большой, чтобы пробить воздушный зазор, происходит электрический разряд, который выглядит как искра.

$47.3^0$ $[1171^0]$

Если прижать к стене лист бумаги и потереть его суконкой или щеткой, то лист прилипнет к стене. Почему? Если этот лист поднести к мелко нарезанным кусочкам бумаги, то эти кусочки притянутся к листу. Почему?

Почему лист прилипнет к стене?

Это явление объясняется двумя физическими процессами: электризацией при трении и электростатической индукцией.

1. Электризация при трении. Когда лист бумаги трут о сукно или щетку, происходит контакт и трение двух разных материалов. В результате этого процесса электроны переходят с одного тела на другое. Тело, отдавшее электроны, заряжается положительно, а тело, получившее их — отрицательно. Таким образом, лист бумаги приобретает некоторый электрический заряд и становится наэлектризованным.

2. Электростатическая индукция. Стена в обычном состоянии электрически нейтральна, то есть суммарный заряд в ней равен нулю. Когда к стене подносят заряженный лист бумаги, его электрическое поле действует на заряды внутри материала стены. Происходит их перераспределение: заряды, одноименные с зарядом листа, отталкиваются и смещаются вглубь стены, а заряды, противоположные по знаку, притягиваются и смещаются к поверхности стены, ближайшей к листу. Этот процесс называется электростатической индукцией или поляризацией. В результате на поверхности стены напротив листа возникает индуцированный заряд противоположного знака.

3. Взаимодействие. Между заряженным листом и индуцированным на стене противоположным по знаку зарядом возникает сила кулоновского притяжения. Эта сила оказывается достаточно большой, чтобы преодолеть силу тяжести, действующую на лист, и удержать его на вертикальной поверхности стены.

Ответ: При трении лист бумаги электризуется (приобретает электрический заряд). Под действием его электрического поля стена (являясь диэлектриком) поляризуется, и на её поверхности возникает индуцированный заряд противоположного знака. Сила электростатического притяжения между заряженным листом и поляризованной стеной удерживает лист.

Почему кусочки бумаги притянутся к листу?

Причина этого явления та же — электростатическая индукция.

1. Заряженный объект. Лист бумаги, потертый о сукно, является заряженным телом.

2. Поляризация нейтральных тел. Мелко нарезанные кусочки бумаги изначально электрически нейтральны. Когда к ним подносят заряженный лист, в каждом кусочке происходит такое же перераспределение зарядов, как и в стене. Та сторона маленького кусочка, которая обращена к листу, приобретает заряд, противоположный по знаку заряду листа. Дальняя же сторона приобретает заряд того же знака, что и у листа.

3. Возникновение силы притяжения. Между заряженным листом и противоположно заряженной ближней стороной кусочка бумаги действует сила притяжения. Между листом и одноименно заряженной дальней стороной кусочка действует сила отталкивания. Согласно закону Кулона, сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами ($F \sim 1/r^2$). Поскольку притягивающиеся заряды находятся ближе друг к другу, чем отталкивающиеся, сила притяжения оказывается больше силы отталкивания. В результате возникает результирующая сила, направленная в сторону листа, которая и притягивает легкие кусочки бумаги.

Ответ: Заряженный лист бумаги вызывает поляризацию в электрически нейтральных кусочках бумаги. В результате на ближней к листу стороне каждого кусочка наводится заряд противоположного знака, а на дальней — одноименного. Так как сила притяжения к ближней стороне больше силы отталкивания от дальней, возникает результирующая сила притяжения.

47.4 [н] Что общего у различных способов электризации тел: трением, соприкосновением, ударом, разрывом, влиянием, облучением?

Решение

Общим для всех перечисленных способов электризации тел является разделение электрических зарядов. В обычном состоянии тела электрически нейтральны, так как суммарный положительный заряд атомных ядер полностью компенсируется суммарным отрицательным зарядом электронов. Электризация — это любой процесс, который нарушает эту компенсацию.

Рассмотрим, как это происходит в каждом конкретном случае:

1. Трение, соприкосновение, удар, разрыв. При этих видах механического взаимодействия происходит непосредственный контакт поверхностей тел. Если материалы тел различны, то электроны могут переходить с одного тела на другое. В результате одно тело приобретает избыток электронов (становится отрицательно заряженным), а другое — недостаток электронов (становится положительно заряженным). Происходит разделение зарядов путем их переноса.

2. Влияние (электростатическая индукция). В этом случае прямого переноса заряда между телами нет. Под действием внешнего электрического поля (создаваемого другим заряженным телом) свободные заряды внутри проводника перераспределяются. Например, свободные электроны смещаются к одному концу проводника, создавая там избыточный отрицательный заряд, в то время как на противоположном конце возникает недостаток электронов, то есть избыточный положительный заряд. Происходит разделение зарядов внутри одного тела.

3. Облучение. При облучении тела, например, ультрафиолетовым светом или рентгеновскими лучами, частицы излучения (фотоны) передают свою энергию электронам вещества. Если эта энергия достаточна, электроны могут покинуть тело (это явление называется фотоэффектом). Уход отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что в теле остается нескомпенсированный положительный заряд. Здесь разделение зарядов происходит путем их "удаления" из тела.

Таким образом, несмотря на различие механизмов, в основе любого способа электризации лежит процесс разделения положительных и отрицательных зарядов, который достигается либо путем переноса зарядов (в основном электронов) между телами, либо путем их перераспределения внутри тела.

Ответ: Общим для всех способов электризации является разделение существующих в теле положительных и отрицательных зарядов, в результате которого нарушается их взаимная компенсация и тело (или его части) приобретает нескомпенсированный электрический заряд. Этот процесс происходит за счет перемещения или перераспределения носителей заряда, которыми в большинстве случаев являются электроны.

$47.5^0 [1172^0]$ На тонких шёлковых нитях подвешены два одинаковых шарика из сердцевины подсолнечника: один — заряженный, другой — незаряженный. Чтобы определить, какой из них заряжен, ученик сначала к одному, а затем к другому поднёс палец. Мог ли он таким способом определить, какой из шариков заряжен?

Да, ученик мог таким способом определить, какой из шариков заряжен. Для этого ему нужно было последовательно подносить палец к каждому из шариков, не касаясь их, и наблюдать за их поведением. В основе этого метода лежат явления электростатической индукции и заземления.

Тело человека является хорошим проводником и имеет очень большую по сравнению с шариком электрическую ёмкость, поэтому его можно считать заземлённым объектом. Когда ученик подносит палец к шарикам, возможны два исхода:

1. Палец подносится к незаряженному шарику.
Поскольку и палец (рассматриваемый как заземлённый проводник), и шарик электрически нейтральны, между ними не возникает заметной силы электростатического взаимодействия. Шарик останется неподвижным.

2. Палец подносится к заряженному шарику.
Когда заземлённый палец подносят к заряженному шарику (независимо от знака его заряда), на ближайшей к шарику части пальца под действием электрического поля шарика индуцируется (наводится) заряд, противоположный по знаку заряду шарика. В результате между заряженным шариком и пальцем возникнет сила притяжения, и шарик отклонится в сторону пальца.

Таким образом, наблюдая за реакцией шариков, ученик может однозначно определить, какой из них заряжен. Тот шарик, который притянется к пальцу, и есть заряженный. Если ученик поднёс палец к первому шарику и тот остался неподвижен, значит он незаряженный, а заряженным является второй шарик.

Важно отметить, что для определения достаточно поднести палец, не касаясь шарика. Если коснуться заряженного шарика, он разрядится через тело человека (заземлится), и оба шарика станут нейтральными. Однако даже в этом случае первоначальное наблюдение притяжения перед касанием уже позволит сделать правильный вывод.

Ответ: Да, мог. Заряженный шарик будет притягиваться к поднесённому пальцу в результате электростатической индукции, в то время как незаряженный шарик не будет реагировать.

47.6 [1193] Почему стержни электроскопа и электрометра всегда делают металлическими?

Решение

Электроскоп и электрометр — это приборы, предназначенные для обнаружения и измерения электрического заряда. Принцип их действия основан на явлении электростатического отталкивания: одноименно заряженные тела отталкиваются друг от друга. Чтобы прибор мог функционировать, сообщаемый ему электрический заряд должен свободно распределиться по его основным частям — стержню и подвижным элементам (лепесткам у электроскопа или стрелке у электрометра).

Для свободного перемещения заряда необходимо использовать материал, который хорошо проводит электрический ток, то есть является проводником. Металлы — это лучшие и наиболее доступные проводники. Их высокая электропроводность обусловлена наличием в их кристаллической структуре большого количества свободных электронов. Эти электроны не связаны с конкретными атомами и могут легко перемещаться по всему объему металла под действием электрического поля.

Когда к электроскопу или электрометру прикасаются заряженным телом, заряд передается на металлический стержень. Благодаря наличию свободных электронов, этот заряд мгновенно распределяется по всей длине стержня и переходит на лепестки или стрелку. В результате все эти части оказываются заряженными одноименно и, отталкиваясь друг от друга, приходят в движение (лепестки расходятся, стрелка отклоняется). Величина этого отклонения позволяет судить о величине сообщенного заряда.

Если бы стержни были изготовлены из диэлектрика (например, стекла, резины или пластика), в котором почти нет свободных носителей заряда, то переданный заряд не смог бы распространиться по стержню. Он остался бы в точке касания, и прибор не показал бы наличие заряда. Таким образом, использование металла является ключевым условием для работы этих приборов.

Ответ: Стержни электроскопа и электрометра всегда делают металлическими, потому что металлы являются отличными проводниками электричества. Это свойство необходимо для того, чтобы электрический заряд мог беспрепятственно передаваться от точки контакта по всему стержню к подвижным частям прибора (лепесткам или стрелке) и вызывать их отталкивание, что позволяет обнаружить и измерить заряд.

47.7 [1173] Почему расходятся листочки электроскопа, если его шарика коснуться заряженным телом?

Решение

Электроскоп представляет собой устройство, состоящее из металлического стержня, на верхнем конце которого находится металлический шарик, а на нижнем — две лёгкие, подвижные металлические полоски (листочки). Стержень, шарик и листочки являются проводниками, что позволяет электрическому заряду свободно перемещаться по ним.

Когда заряженное тело (например, положительно заряженная палочка) касается шарика электроскопа, происходит перераспределение заряда. Этот процесс называется электризацией через соприкосновение. Часть заряда с тела переходит на систему «шарик-стержень-листочки». Поскольку вся эта система является проводящей, заряд распределяется по всей её поверхности, включая оба листочка.

В результате этого процесса оба листочка приобретают электрический заряд одного и того же знака (оба становятся положительно заряженными или оба — отрицательно, в зависимости от знака заряда тела).

Согласно фундаментальному закону электростатики, одноимённые заряды отталкиваются. Между двумя одноимённо заряженными листочками возникает сила электростатического (кулоновского) отталкивания. Эта сила заставляет листочки двигаться в противоположные стороны, то есть расходиться. Угол, на который расходятся листочки, зависит от величины заряда: чем больше заряд, тем сильнее сила отталкивания и тем больше угол расхождения.

Ответ: Листочки электроскопа расходятся, потому что при контакте с заряженным телом они получают одноимённые электрические заряды и, согласно закону электростатики, начинают отталкиваться друг от друга.

47.8 [1174] Почему заряженный шарик при приближении к нему электроскопов отклонился вправо, а не влево (рис. VII-6, а, б)?

Рис. VII-6

Решение

Взаимодействие между заряженными телами подчиняется основному принципу электростатики: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

На рисунке VII-6 (а и б) мы видим, что заряженный шарик отклоняется от электроскопа в обоих случаях. В ситуации 'а' шарик отклоняется вправо от электроскопа, расположенного слева. В ситуации 'б' шарик отклоняется влево от электроскопа, расположенного справа. Такое поведение указывает на то, что между шариком и электроскопом действует сила отталкивания.

Сила электростатического отталкивания возникает только между телами, имеющими заряды одного знака (оба положительные или оба отрицательные). Следовательно, и заряженный шарик, и электроскопы имеют одноименные заряды. То, что лепестки электроскопов разошлись, также подтверждает наличие на них электрического заряда.

Вопрос касается конкретно ситуации, изображенной на рисунке VII-6 а. В этом случае электроскоп подносят к шарику с левой стороны. Поскольку их заряды являются одноименными, между ними возникает сила отталкивания. Эта сила направлена вдоль линии, соединяющей их центры, в сторону от электроскопа, то есть вправо. Именно эта сила и заставляет шарик отклониться вправо.

Шарик не отклонился влево, потому что для этого на него должна была бы действовать сила притяжения. Сила притяжения возникла бы, если бы шарик и электроскоп имели заряды противоположных знаков, что противоречит наблюдаемому в опыте отталкиванию.

Ответ: Заряженный шарик отклонился вправо, так как между ним и поднесенным слева электроскопом действует сила электростатического отталкивания. Это означает, что шарик и электроскоп заряжены одноименно (оба имеют положительный или оба отрицательный заряд). Сила отталкивания направлена от электроскопа, то есть вправо. Шарик не мог отклониться влево, так как это соответствовало бы силе притяжения, которая возникает только между разноименно заряженными телами.

47.9 [н] Какая сила удерживает шарик от соприкосновения с электроскопом (см. рис. VII-6), расположенным справа?

Рис. VII-6

47.9 [н] Какая сила удерживает шарик от соприкосновения с электроскопом (см. рис. VII-6), расположенным справа?

На рисунке VII-6 б) показано, что легкий шарик, подвешенный на нити, находится в состоянии равновесия в отклоненном положении. Он отталкивается от электроскопа, расположенного справа. Отклонение от вертикального положения указывает на то, что помимо силы тяжести и силы натяжения нити, на шарик действует еще одна сила в горизонтальном направлении, направленная влево.

Электроскоп справа является заряженным, на что указывают его разошедшиеся лепестки. Взаимодействие между заряженными телами описывается электростатикой. Сила отталкивания возникает только в том случае, если взаимодействующие тела имеют электрические заряды одного знака (оба положительные или оба отрицательные). Если бы шарик был незаряженным (нейтральным), он бы притягивался к заряженному электроскопу вследствие явления электростатической индукции.

Поскольку мы наблюдаем отталкивание, это однозначно свидетельствует о том, что шарик и электроскоп несут на себе одноименные заряды. Сила, которая их отталкивает друг от друга, — это электростатическая (кулоновская) сила. Именно эта сила отталкивания, действующая на шарик со стороны электроскопа, удерживает его на расстоянии и не дает соприкоснуться с электроскопом.

Ответ: Шарик от соприкосновения с электроскопом удерживает электростатическая сила отталкивания (сила Кулона). Эта сила возникает потому, что и шарик, и электроскоп заряжены одноименными электрическими зарядами.