Изготовление баночного электроскопа, страница 185, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 4. Электрический заряд. Электрическое поле. Параграф 47. Исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 185.

Условие.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ «БАНОЧНОГО» ЭЛЕКТРОСКОПА

Электроскоп — простейший электрический прибор, с помощью которого можно определить, имеет ли тело электрический заряд. Его принцип основан на отталкивании одноимённых зарядов.

Цель работы

Изготовить электроскоп в домашних условиях и проверить его работу.

Этапы выполнения задания

• В качестве оборудования можно использовать стеклянную банку объёмом 0,5 л или более, полиэтиленовую крышку, гвоздь (100 мм), медную проволоку, бумагу, ножницы, пластилин, шило, плоскогубцы, расчёску.

• По центру полиэтиленовой крышки проделайте шилом отверстие.

• В образовавшееся отверстие вставьте гвоздь (так, чтобы приблизительно $2/3$ его длины и заострённый конец располагались с внутренней стороны крышки). Гвоздь будет выполнять функцию стержня в электроскопе, а его шляпка — функцию шарика.

• У заострённого конца гвоздя закрепите кусок медной проволоки (сделав несколько витков вокруг гвоздя) так, чтобы остались два конца длиной приблизительно 2,5—3 см.

• При помощи плоскогубцев загните концы проволоки так, чтобы на концах образовались крючки.

• Изготовьте листочки электроскопа длиной 30—40 мм и шириной 5—7 мм, вырезав их из бумаги.

• У края каждого листочка при помощи шила проделайте отверстие. Подвесьте листочки на крючки к концам проволоки.

• Аккуратно опустите подвешенные на проволоке листочки в банку (корпус электроскопа), при этом закрыв её крышкой.
Примечание: во избежание произвольного перемещения гвоздя относительно крышки во время проведения опытов закрепите гвоздь при помощи пластилина.

• Проверьте, как работает электроскоп. Для этого наэлектризуйте пластмассовую расчёску, проводя ею по волосам. Прикоснитесь наэлектризованной расчёской к шляпке гвоздя и убедитесь, что листочки бумаги расходятся в разные стороны.

• Повторите указанный опыт несколько раз. Последовательно наэлектризовывайте расчёску, а затем касайтесь ею шляпки гвоздя. Увеличивается ли угол, на который расходятся листочки «баночного» электроскопа?

• К заряженному предложенным выше способом электроскопу поднесите тело, имеющее отрицательный заряд (например, стеклянная палочка, потёртая о шёлк). Изменился ли угол расхождения листочков электроскопа? Что при этом произошло?

• Сравните результаты опытов с наэлектризованными телами для случаев использования школьного и «баночного» электроскопов.

• Как с помощью заряженного электроскопа, зная знак его заряда, установить знак заряда произвольного тела?

• Сделайте выводы.

Решение.

Проверьте, как работает электроскоп. Для этого наэлектризуйте пластмассовую расчёску, проводя ею по волосам. Прикоснитесь наэлектризованной расчёской к шляпке гвоздя и убедитесь, что листочки бумаги расходятся в разные стороны.

При трении о волосы пластмассовая расчёска приобретает отрицательный электрический заряд. Когда наэлектризованная расчёска касается металлической шляпки гвоздя, часть избыточных электронов с расчёски переходит на проводящую систему электроскопа (гвоздь, проволока, бумажные листочки). В результате оба листочка получают одноимённый (отрицательный) заряд. Согласно закону Кулона, одноимённые заряды отталкиваются. Сила электростатического отталкивания заставляет листочки разойтись в разные стороны. Это доказывает, что прибор работает и способен обнаруживать электрический заряд.

Ответ: Листочки бумаги расходятся, потому что при соприкосновении с заряженной расчёской они получают одноимённые заряды и отталкиваются друг от друга.

Повторите указанный опыт несколько раз. Последовательно наэлектризовывайте расчёску, а затем касайтесь ею шляпки гвоздя. Увеличивается ли угол, на который расходятся листочки «баночного» электроскопа?

Да, при каждом последующем прикосновении наэлектризованной расчёски угол расхождения листочков увеличивается. Это происходит потому, что с каждым касанием на электроскоп переходит дополнительная порция электрического заряда. Чем больше величина заряда на каждом из листочков, тем сильнее сила их взаимного отталкивания. Увеличение силы отталкивания приводит к тому, что листочки расходятся на больший угол. Таким образом, угол расхождения листочков служит качественной мерой величины заряда на электроскопе.

Ответ: Да, угол расхождения листочков увеличивается, так как с каждым касанием суммарный заряд электроскопа растёт, что приводит к усилению силы отталкивания между листочками.

К заряженному предложенным выше способом электроскопу поднесите тело, имеющее отрицательный заряд (например, стеклянная палочка, потёртая о шёлк). Изменился ли угол расхождения листочков электроскопа? Что при этом произошло?

В условии задания содержится неточность: стеклянная палочка, потёртая о шёлк, приобретает положительный заряд, а не отрицательный. Электроскоп, заряженный от расчёски, имеет отрицательный заряд. Рассмотрим оба возможных случая.

1. Если поднести к шляпке электроскопа тело с отрицательным зарядом (например, эбонитовую палочку, потёртую о мех).
Под действием поля отрицательно заряженного тела свободные электроны в проводнике электроскопа оттолкнутся от шляпки гвоздя и переместятся вниз, к листочкам. Это увеличит отрицательный заряд на листочках, и сила их взаимного отталкивания возрастёт. Угол расхождения листочков увеличится.

2. Если поднести к шляпке электроскопа тело с положительным зарядом (как в примере из задания — стеклянную палочку, потёртую о шёлк).
Под действием поля положительно заряженного тела свободные электроны в проводнике электроскопа, наоборот, притянутся к шляпке гвоздя, переместившись с листочков вверх. Это уменьшит отрицательный заряд на листочках. Сила их взаимного отталкивания ослабнет, и угол расхождения листочков уменьшится.

Это явление перераспределения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией.

Ответ: Угол расхождения листочков изменится. Если поднести отрицательно заряженное тело, угол увеличится. Если поднести положительно заряженное тело (как в примере из условия), угол уменьшится.

Сравните результаты опытов с наэлектризованными телами для случаев использования школьного и «баночного» электроскопов.

Принцип действия и школьного, и самодельного «баночного» электроскопа одинаков и основан на отталкивании одноимённых зарядов. Поэтому качественные результаты опытов будут идентичны: оба прибора будут показывать наличие заряда, и угол расхождения листочков (или стрелки) будет зависеть от величины заряда. Однако существуют и различия:

• Чувствительность: Школьный электроскоп, как правило, более чувствителен, так как его подвижные части сделаны из лёгкой металлической фольги, которая легче отклоняется под действием электрических сил, чем бумажные листочки.
• Надёжность: Школьный электроскоп имеет металлический корпус, который защищает его от внешних электрических полей (экранирует) и потоков воздуха, что делает его показания более точными и стабильными.
• Сохранение заряда: В школьном электроскопе используются качественные изоляторы, поэтому он дольше сохраняет заряд. В самодельном электроскопе заряд может быстрее стекать в окружающую среду из-за влажности воздуха и свойств использованных материалов (пластилин, бумага).

Ответ: Качественно результаты опытов будут одинаковыми, так как принцип действия приборов идентичен. Однако школьный электроскоп, скорее всего, окажется более чувствительным и надёжным прибором.

Как с помощью заряженного электроскопа, зная знак его заряда, установить знак заряда произвольного тела?

Чтобы определить знак заряда неизвестного тела, нужно выполнить следующие действия:

1. Зарядить электроскоп зарядом известного знака. Например, прикоснувшись расчёской, потёртой о волосы, сообщить ему отрицательный заряд. Листочки разойдутся на некоторый угол.

2. Поднести исследуемое тело к шляпке электроскопа, не касаясь её.

3. Наблюдать за изменением угла расхождения листочков:

• Если угол расхождения увеличивается, это значит, что заряд на листочках стал больше. Такое возможно, если поднесённое тело оттолкнуло от шляпки к листочкам заряды того же знака. Следовательно, знак заряда исследуемого тела совпадает со знаком заряда электроскопа.
• Если угол расхождения уменьшается, это значит, что заряд на листочках стал меньше. Такое возможно, если поднесённое тело притянуло к шляпке заряды с листочков. Следовательно, знак заряда исследуемого тела противоположен знаку заряда электроскопа.

Ответ: Нужно поднести тело к заряженному электроскопу с известным знаком заряда. Если листочки разойдутся ещё больше — знаки зарядов тела и электроскопа одинаковы. Если листочки сойдутся — знаки зарядов противоположны.

Сделайте выводы.

На основе проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Функционирующий прибор для обнаружения электрических зарядов (электроскоп) можно собрать из простых подручных материалов.

2. Работа электроскопа основана на фундаментальном свойстве электрических зарядов: одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются.

3. Электроскоп позволяет не только обнаружить заряд, но и качественно оценить его величину: чем больше заряд, сообщённый электроскопу, тем на больший угол расходятся его листочки.

4. Используя заряженный электроскоп с известным знаком заряда, можно определить знак заряда любого наэлектризованного тела методом электростатической индукции.

Ответ: Самодельный электроскоп демонстрирует основные принципы электростатики, позволяет обнаруживать заряд, оценивать его величину и определять его знак.