Страница 106 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Что происходит при соприкосновении наэлектризованных тел?

1. При соприкосновении наэлектризованных тел происходит перераспределение электрического заряда между ними. Этот процесс направлен на выравнивание электрических потенциалов контактирующих тел и подчиняется фундаментальному закону сохранения электрического заряда: суммарный заряд изолированной системы тел остается неизменным. Характер перераспределения заряда зависит от того, являются ли тела проводниками или диэлектриками.

Контакт проводников

Когда два проводящих тела (например, металлических) соприкасаются, они фактически образуют один большой проводник. Свободные носители заряда (в металлах — электроны) могут свободно перемещаться по всей объединенной поверхности, и они будут это делать до тех пор, пока потенциал во всех точках не станет одинаковым. После разделения тел на каждом из них останется часть общего заряда.

Для двух одинаковых по форме и размеру проводящих шаров с начальными зарядами $q_1$ и $q_2$ их суммарный заряд $Q_{общ} = q_1 + q_2$ после контакта разделится между ними поровну. Заряд каждого шара после разъединения станет равным:
$q' = \frac{q_1 + q_2}{2}$

Рассмотрим несколько примеров для одинаковых проводников:

• Контакт заряженного и нейтрального тел: Если тело с зарядом $q$ привести в контакт с таким же, но электрически нейтральным телом (заряд равен 0), то суммарный заряд $q$ разделится пополам. На каждом теле окажется заряд $q/2$.
• Контакт разноименно заряженных тел: Если соприкасаются тела с зарядами $+5$ нКл и $-3$ нКл, их общий заряд будет $5 + (-3) = +2$ нКл. Этот заряд разделится поровну, и на каждом теле после контакта будет заряд $+1$ нКл.
• Взаимная нейтрализация: Если заряды тел равны по величине, но противоположны по знаку (например, $+q$ и $-q$), то их суммарный заряд равен нулю. При соприкосновении они полностью нейтрализуют друг друга, и оба тела станут незаряженными.

Контакт диэлектриков (изоляторов)

В диэлектриках почти нет свободных носителей заряда. Поэтому при соприкосновении двух наэлектризованных диэлектриков (или проводника и диэлектрика) обмен зарядами происходит только в очень малой области вблизи точки касания. Значительного перераспределения заряда по всему объему, как в проводниках, не происходит.

Ответ: При соприкосновении наэлектризованных тел происходит перераспределение электрического заряда между ними, при котором суммарный заряд системы сохраняется. В случае проводников заряд распределяется по их поверхностям до тех пор, пока их электрические потенциалы не станут равными; для одинаковых по форме и размеру проводников их общий заряд делится поровну.

2. Каков принцип действия электроскопа?

2. Принцип действия электроскопа основан на явлении электростатического отталкивания (кулоновского отталкивания) одноименно заряженных тел. Электроскоп — это прибор, который служит для обнаружения наличия электрического заряда на телах.

Он состоит из металлического стержня, на верхнем конце которого закреплен металлический шар (кондуктор), а на нижнем — одна или две легкие подвижные металлические стрелки (или лепестки из фольги). Стержень с лепестками изолирован от корпуса прибора, который обычно делают стеклянным для защиты от потоков воздуха и для возможности наблюдения.

Существует два основных способа демонстрации работы электроскопа:

1. Зарядка через соприкосновение (кондукция).

Если к кондуктору незаряженного электроскопа (его лепестки висят вертикально) прикоснуться каким-либо заряженным телом, то часть электрического заряда перейдет с этого тела на стержень и лепестки электроскопа. В результате и стержень, и оба лепестка окажутся заряженными одноименно (например, оба отрицательно). Согласно закону Кулона, одноименные заряды отталкиваются. Под действием сил отталкивания лепестки разойдутся на некоторый угол. Чем больше заряд, сообщенный электроскопу, тем на больший угол разойдутся его лепестки.

2. Зарядка через влияние (электростатическая индукция).

Если заряженное тело поднести к кондуктору электроскопа, не касаясь его, то произойдет перераспределение свободных зарядов в системе "кондуктор-стержень-лепестки". Например, если поднести положительно заряженную палочку, то свободные электроны из лепестков и стержня притянутся к ней и соберутся на кондукторе. В результате кондуктор приобретет избыточный отрицательный заряд, а на лепестках возникнет недостаток электронов, то есть они станут заряженными положительно. Получив одноименный положительный заряд, лепестки оттолкнутся друг от друга. Если убрать заряженное тело, заряды перераспределятся, и лепестки вернутся в исходное положение.

Таким образом, по углу расхождения лепестков электроскопа можно судить о наличии и, качественно, о величине электрического заряда.

Ответ: Принцип действия электроскопа базируется на силе электростатического отталкивания одноименных зарядов. При сообщении электроскопу заряда, его подвижные лепестки (или стрелка) приобретают заряд того же знака и отталкиваются друг от друга. Угол их расхождения позволяет судить о наличии и величине заряда.

3. Что общего у электроскопа и электрометра и каковы различия между ними?

2. Каков принцип действия электроскопа?

Принцип действия электроскопа основан на явлении электростатического отталкивания одноименно заряженных тел. Электроскоп представляет собой прибор, состоящий из металлического стержня, к которому прикреплены один или два легких проводящих элемента (обычно это полоски фольги, называемые лепестками, или легкая стрелка). Стержень с лепестками изолирован от металлического корпуса прибора с помощью диэлектрической втулки.

Когда заряженное тело прикасается к стержню электроскопа или подносится к нему (электростатическая индукция), заряд перераспределяется по всей проводящей системе: стержню и лепесткам. В результате лепестки приобретают заряд одного знака (оба становятся положительными или оба отрицательными). Согласно закону Кулона, одноименные заряды отталкиваются. Сила отталкивания $F$ заставляет лепестки расходиться на определенный угол.

Величина этой силы, а следовательно, и угол расхождения лепестков, тем больше, чем больше величина заряда, сообщенного электроскопу. Таким образом, по углу расхождения лепестков можно качественно судить о наличии и величине электрического заряда.

Ответ: Принцип действия электроскопа заключается в том, что при сообщении ему электрического заряда его подвижные части (лепестки или стрелка) получают одноименные заряды и отталкиваются друг от друга под действием кулоновских сил; по углу их расхождения судят о величине заряда.

3. Что общего у электроскопа и электрометра и каковы различия между ними?

Электроскоп и электрометр — это приборы для исследования электрических зарядов, которые имеют как общие черты, так и существенные различия.

Общее:

• Основное назначение: Оба прибора служат для обнаружения электрического заряда.
• Принцип действия: Работа и электроскопа, и электрометра основана на одном и том же физическом явлении — кулоновском отталкивании одноименных зарядов.
• Базовая конструкция: Оба содержат изолированную от корпуса проводящую систему (стержень с подвижными элементами), на которую передается заряд.

Различия:

• Характер измерений: Электроскоп является качественным прибором (индикатором). Он позволяет лишь зафиксировать факт наличия заряда и грубо оценить его величину (больше/меньше). Электрометр — это количественный измерительный прибор, снабженный шкалой, проградуированной в единицах электрического потенциала (вольтах) или заряда. Он позволяет проводить измерения.
• Точность и чувствительность: Электрометр, как измерительный прибор, обладает значительно большей точностью и чувствительностью по сравнению с электроскопом.
• Конструктивные особенности: В электроскопе чаще всего используются два легких лепестка из фольги. В электрометре обычно применяется легкая металлическая стрелка, которая вращается на оси и перемещается вдоль шкалы. Кроме того, корпус электрометра обычно делают металлическим и заземляют для стабильности и точности показаний.

Ответ: Общим для электроскопа и электрометра является их назначение (обнаружение заряда) и принцип действия, основанный на отталкивании одноименных зарядов. Основное различие состоит в том, что электроскоп — это качественный индикатор, а электрометр — количественный измерительный прибор со шкалой, обладающий большей точностью и чувствительностью.

4. По какому признаку вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники? Приведите примеры веществ каждого типа.

Вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники по их способности проводить электрический ток. Эта способность количественно характеризуется удельным электрическим сопротивлением ($\rho$). Основным признаком для классификации является концентрация свободных носителей заряда — частиц, которые могут упорядоченно перемещаться под действием электрического поля.

Проводники

Это вещества, которые хорошо проводят электрический ток. Они характеризуются очень низким удельным сопротивлением (например, для металлов $\rho \approx 10^{-8} - 10^{-6}$ Ом·м) и, соответственно, высокой концентрацией свободных носителей заряда. В металлах это свободные электроны, которые не связаны с конкретными атомами кристаллической решетки. В электролитах носителями заряда являются ионы.

Ответ: Примерами проводников являются: металлы (медь, серебро, золото, алюминий, железо), графит, растворы и расплавы солей, кислот и щелочей, плазма.

Диэлектрики

Это вещества, которые очень плохо проводят электрический ток; их также называют изоляторами. Они имеют очень высокое удельное сопротивление ($\rho \approx 10^{10} - 10^{16}$ Ом·м). В диэлектриках практически отсутствуют свободные носители заряда, так как все электроны прочно связаны со своими атомами или молекулами и не могут свободно перемещаться по объему вещества.

Ответ: Примерами диэлектриков являются: стекло, фарфор, резина, эбонит, пластмассы, сухая древесина, янтарь, дистиллированная вода, воздух и другие газы при нормальных условиях.

Полупроводники

Это вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками ($\rho \approx 10^{-5} - 10^{8}$ Ом·м). Важнейшей особенностью полупроводников является сильная зависимость их проводимости от внешних факторов: температуры, освещенности и наличия мельчайших примесей. При низких температурах чистый полупроводник ведет себя как диэлектрик, но с ростом температуры его проводимость резко возрастает. В полупроводниках носителями заряда могут быть как электроны, так и так называемые "дырки" (места с недостающим электроном).

Ответ: Примерами полупроводников являются: кремний (Si), германий (Ge), селен (Se), арсенид галлия (GaAs).

Два лёгких металлических шарика, заряженных положительно, подвешены на одинаковых шёлковых нитях в одной точке. Что произойдёт и почему, если прикоснуться рукой к одному из шариков?

Изначально оба лёгких металлических шарика заряжены положительно. Согласно закону Кулона, одноимённые заряды отталкиваются. Поэтому между шариками действует сила электростатического отталкивания, которая заставляет их разойтись на некоторое расстояние друг от друга. В результате нити, на которых подвешены шарики, устанавливаются под некоторым углом к вертикали. Система находится в равновесии под действием силы тяжести, силы натяжения нити и кулоновской силы отталкивания.

Человеческое тело является проводником. Когда человек прикасается рукой к одному из шариков, он создаёт проводящий путь между шариком и Землёй через своё тело. Этот процесс называется заземлением. Землю можно рассматривать как огромный резервуар, способный поглотить или отдать практически любой заряд, не изменяя своего электрического состояния.

Положительный заряд шарика означает, что на нём существует дефицит электронов. При контакте с заземлённым проводником (телом человека) электроны из Земли устремляются к шарику, чтобы скомпенсировать этот дефицит. В результате шарик, к которому прикоснулись, теряет свой заряд и становится электрически нейтральным.

Сила кулоновского взаимодействия между двумя точечными зарядами $q_1$ и $q_2$ описывается формулой $F_e = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$. Когда заряд одного из шариков становится равным нулю, сила взаимодействия между ними также обращается в нуль.

Так как сила отталкивания, удерживавшая шарики на расстоянии, исчезает, единственными силами, действующими на них в горизонтальном направлении, больше нет. Под действием силы тяжести шарики начнут двигаться друг к другу и в итоге повиснут на нитях вертикально вниз, касаясь друг друга.

Ответ: Шарик, к которому прикоснулись рукой, разрядится, так как является проводником, и заряд через тело человека уйдёт в землю. После этого сила электростатического отталкивания между шариками исчезнет, и они под действием силы тяжести опадут и будут висеть на нитях вертикально, соприкасаясь друг с другом.

Как при помощи электроскопа определить знак заряда авторучки, потёртой о ткань, используя положительно заряженную палочку? Проведите предложенный эксперимент.

Решение

Для определения знака заряда авторучки необходимо сначала сообщить электроскопу известный, в данном случае положительный, заряд. Для этого нужно коснуться шара электроскопа положительно заряженной палочкой. Часть положительного заряда ($q > 0$) перейдет на электроскоп, в результате чего его лепестки оттолкнутся друг от друга и разойдутся на некоторый угол.

После этого к шару заряженного электроскопа следует поднести потёртую о ткань авторучку, не касаясь его. Далее нужно наблюдать за изменением угла расхождения лепестков. Существует два возможных исхода:

Первый вариант: угол расхождения лепестков увеличится.

Это произойдет в том случае, если заряд авторучки также является положительным. Поднесенный положительный заряд авторучки оттолкнет подвижные положительные заряды в стержне электроскопа вниз, к лепесткам. Концентрация положительного заряда на лепестках увеличится, что приведет к усилению их взаимного отталкивания и, как следствие, к увеличению угла расхождения.

Второй вариант: угол расхождения лепестков уменьшится.

Это будет наблюдаться, если авторучка заряжена отрицательно. Отрицательный заряд авторучки притянет к себе положительные заряды из системы стержень-лепестки. Часть положительных зарядов с лепестков переместится вверх, к шару электроскопа. Это вызовет уменьшение заряда на лепестках, ослабление силы отталкивания между ними, и они сойдутся.

Таким образом, по характеру изменения положения лепестков можно сделать однозначный вывод о знаке заряда авторучки.

Ответ:

Необходимо зарядить электроскоп положительно, коснувшись его положительно заряженной палочкой. Затем к электроскопу поднести авторучку, не касаясь его. Если лепестки электроскопа разойдутся сильнее, то авторучка заряжена положительно. Если лепестки сойдутся, то авторучка заряжена отрицательно.