Страница 113 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Опишите опыт, который показывает, что электрический заряд делится на части.

1.Для демонстрации делимости электрического заряда можно провести следующий опыт.

Понадобятся два одинаковых металлических шара на изолирующих подставках и электрометр (или электроскоп).

1. Один из шаров (назовем его шар А) заряжают, например, трением о шерсть (если он из эбонита) или о шелк (если он из стекла). Поднеся шар А к электрометру, мы увидим, что стрелка прибора отклонится на определенный угол, что свидетельствует о наличии заряда. Обозначим этот заряд как $q$.
2. Второй шар (шар Б) остается незаряженным.
3. Заряженный шар А приводят в соприкосновение с незаряженным шаром Б. Поскольку шары являются проводниками и имеют одинаковый размер, электрический заряд перераспределится между ними поровну.
4. После этого шары разводят. Теперь на каждом из них будет находиться заряд, равный половине первоначального: $q/2$.
5. Если теперь поднести к электрометру шар А, его стрелка отклонится на меньший угол, чем в первый раз (примерно в два раза меньший). То же самое произойдет, если поднести к электрометру шар Б.

Этот опыт наглядно показывает, что первоначальный заряд $q$ был разделен на две равные части. Процесс можно продолжить: если коснуться шара А (с зарядом $q/2$) другим таким же незаряженным шаром, то его заряд станет равен $q/4$, и так далее. Таким образом, мы доказываем, что электрический заряд делим.

Ответ:Опыт с двумя одинаковыми проводящими шарами на изолирующих подставках, где заряд с одного шара делится пополам при соприкосновении с другим таким же незаряженным шаром, показывает, что электрический заряд делим.

2.Да, электрический заряд имеет предел делимости. Этот факт был экспериментально установлен американским физиком Робертом Милликеном в его знаменитых опытах с каплями масла в начале XX века.

Было обнаружено, что любой заряд, который можно измерить в природе, всегда кратен некоторой минимальной, фундаментальной порции заряда. Эту наименьшую порцию заряда назвали элементарным электрическим зарядом и обозначили буквой $e$.

Это означает, что заряд любого тела $q$ можно представить в виде формулы:
$q = n \cdot e$
где $n$ — целое число (положительное или отрицательное), а $e$ — элементарный заряд.

Величина элементарного заряда составляет приблизительно $e \approx 1,602 \cdot 10^{-19}$ Кл.

Носителями элементарных зарядов являются элементарные частицы: протон (заряд $+e$) и электрон (заряд $-e$). Невозможно получить заряд, который был бы меньше элементарного, например, $0,5e$ или $2/3e$ на изолированной частице (хотя частицы, называемые кварками, имеют дробные заряды, они не существуют в свободном состоянии). Это свойство заряда называется квантованием или дискретностью.

Ответ:Да, электрический заряд имеет предел делимости, который называется элементарным зарядом ($e$). Любой существующий в природе заряд кратен этой величине.

2. Имеет ли электрический заряд предел делимости?

Да, электрический заряд имеет предел делимости. Это фундаментальное свойство называется квантованием электрического заряда. Оно заключается в том, что в природе существует минимальная, неделимая порция электрического заряда, называемая элементарным зарядом.

Любой электрический заряд $q$, существующий в свободном состоянии, всегда кратен этому элементарному заряду, обозначаемому буквой $e$:
$q = n \cdot e$
где $n$ — целое число ($n = 0, \pm1, \pm2, ...$).

Величина элементарного заряда является одной из фундаментальных физических постоянных и равна приблизительно:
$e \approx 1.602 \times 10^{-19}$ Кл

Носителями элементарного заряда являются элементарные частицы. Например, электрон обладает зарядом $-e$, а протон — зарядом $+e$. Впервые дискретность электрического заряда была экспериментально доказана в опытах Роберта Милликена в начале XX века.

Стоит отметить, что в современной физике элементарных частиц известно о существовании кварков — составных частей протонов и нейтронов. Кварки обладают дробным электрическим зарядом, например, $+ \frac{2}{3}e$ (у u-кварка) и $- \frac{1}{3}e$ (у d-кварка). Однако кварки не существуют в свободном состоянии из-за явления, называемого конфайнментом (удержанием цвета). Они всегда объединены в группы (адроны), суммарный заряд которых является целым кратным элементарному заряду. Например:

• Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, и его заряд равен $(+ \frac{2}{3}e) + (+ \frac{2}{3}e) + (- \frac{1}{3}e) = +1e$.
• Нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков, и его заряд равен $(+ \frac{2}{3}e) + (- \frac{1}{3}e) + (- \frac{1}{3}e) = 0$.

Таким образом, несмотря на существование частиц с дробным зарядом, предел делимости для свободно существующих зарядов остается равным элементарному заряду $e$.

Ответ: Да, электрический заряд имеет предел делимости. Этот предел называется элементарным зарядом ($e \approx 1.602 \times 10^{-19}$ Кл). Любой заряд, который можно наблюдать в свободном состоянии, является целым кратным этой величине. Хотя существуют частицы (кварки) с дробным зарядом, они не встречаются в свободном виде.

3. Что такое электрон? Что вы знаете о его заряде и массе?

Что такое электрон?

Электрон (от греческого ἤλεκτρον — янтарь) — это стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, которая является одной из фундаментальных составляющих вещества. Электроны входят в состав всех атомов, где они движутся вокруг положительно заряженного ядра, формируя электронные оболочки.

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, электрон относится к классу лептонов. Лептоны — это фундаментальные частицы, которые не участвуют в сильном ядерном взаимодействии. Электрон является носителем наименьшего (элементарного) отрицательного электрического заряда. Направленное движение свободных электронов в веществе (например, в металлах) создает электрический ток.

Электрон был открыт в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в ходе экспериментов по изучению катодных лучей.

Ответ: Электрон — это фундаментальная, стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, являющаяся одной из основных составляющих атома и относящаяся к классу лептонов.

Что вы знаете о его заряде и массе?

Заряд и масса — это ключевые неизменные характеристики электрона.

Заряд электрона ($q_e$ или $-e$)
Электрон обладает отрицательным электрическим зарядом, который по абсолютной величине равен элементарному заряду ($e$). Это наименьший известный свободный заряд в природе. Его величина в системе СИ составляет:
$q_e = -e \approx -1,602176634 \times 10^{-19}$ Кл (Кулон).

Масса электрона ($m_e$)
Электрон имеет очень малую массу покоя по сравнению с другими частицами в атоме (протонами и нейтронами). Её значение составляет:
$m_e \approx 9,1093837015 \times 10^{-31}$ кг.
Масса электрона примерно в 1836 раз меньше массы протона. Из-за этого практически вся масса атома сосредоточена в его ядре.

Ответ: Заряд электрона отрицателен и равен по модулю элементарному заряду: $q_e \approx -1,602 \times 10^{-19}$ Кл. Масса покоя электрона очень мала: $m_e \approx 9,109 \times 10^{-31}$ кг.

У Кулона не было метода для измерения заряда, однако он смог установить, что сила электрического взаимодействия маленьких заряженных шариков прямо пропорциональна произведению их зарядов. Как это ему удалось? Предложите способ.

Шарль Кулон не имел возможности измерить абсолютную величину электрического заряда. Однако он разработал гениальный метод, который позволял ему изменять заряд на телах в известное число раз. Этого было достаточно, чтобы установить количественную зависимость силы взаимодействия от величин зарядов. Для измерения силы он использовал крутильные весы — очень чувствительный прибор, в котором сила взаимодействия заставляла скручиваться тонкую упругую нить. Угол закручивания нити прямо пропорционален действующей силе.

Предлагаемый способ основан на методе деления заряда, который и использовал Кулон.

Решение

1. Подготовка эксперимента. Кулон использовал несколько одинаковых проводящих шариков (например, из бузины, покрытой металлической фольгой). С помощью крутильных весов он мог измерять силу взаимодействия между двумя такими шариками, помещенными на определенном расстоянии $r$ друг от друга.

2. Создание эталонного заряда. Один из шариков (шарик 1) заряжался некоторым начальным, неизвестным зарядом $q$. Второй шарик (шарик 2) заряжался другим зарядом, который для простоты можно было считать таким же, $q$.

3. Первое измерение. Шарики 1 и 2 с зарядами $q_1 = q$ и $q_2 = q$ располагались на расстоянии $r$. Кулон измерял силу их взаимодействия $F_1$. Согласно его гипотезе, эта сила была пропорциональна произведению зарядов: $F_1 \propto q_1 q_2 = q^2$.

4. Изменение заряда в известное число раз. Теперь Кулон брал один из заряженных шариков, например шарик 2, и приводил его в соприкосновение с третьим, точно таким же, но незаряженным шариком (шарик 3). Поскольку шарики идентичны и являются проводниками, начальный заряд $q$ с шарика 2 распределялся между ними поровну. После разъединения на каждом из этих шариков (2 и 3) оставался заряд, равный половине первоначального: $q_2' = q/2$.

5. Второе измерение. Теперь Кулон снова измерял силу взаимодействия между шариком 1 (с зарядом $q_1 = q$) и шариком 2 (с новым зарядом $q_2' = q/2$) на том же расстоянии $r$. Он обнаруживал, что новая сила $F_2$ стала в два раза меньше первоначальной: $F_2 = F_1 / 2$. Это доказывало, что сила взаимодействия прямо пропорциональна величине второго заряда: $F \propto q_2$.

6. Третье измерение и проверка. Чтобы подтвердить общую зависимость, можно было повторить процедуру деления заряда и для первого шарика, уменьшив его заряд до $q_1' = q/2$. Теперь, измеряя силу взаимодействия между шариком 1 (с зарядом $q_1' = q/2$) и шариком 2 (с зарядом $q_2' = q/2$) на том же расстоянии $r$, Кулон получал силу $F_3$. Эксперимент показывал, что $F_3 = F_1 / 4$.

Сравним результаты, которые он получал:

• При зарядах $q_1=q$ и $q_2=q$ сила была $F_1$.
• При зарядах $q_1=q$ и $q_2=q/2$ сила была $F_2 = F_1/2$.
• При зарядах $q_1=q/2$ и $q_2=q/2$ сила была $F_3 = F_1/4$.

Эти результаты полностью согласовывались с гипотезой о том, что сила взаимодействия прямо пропорциональна произведению зарядов:

$F \propto q_1 \cdot q_2$

Проводя серию таких экспериментов, систематически меняя заряды на $q, q/2, q/4, q/8$ и т.д. и комбинируя их, Кулон смог убедительно доказать свою гипотезу, не зная при этом абсолютного значения заряда $q$.

Ответ: Кулон использовал метод деления заряда. Он брал заряженный шарик с неизвестным зарядом $q$ и приводил его в соприкосновение с другим, точно таким же, но незаряженным шариком. Заряд делился пополам, и на каждом шарике становился равным $q/2$. Повторяя эту процедуру, он мог получать заряды $q/4$, $q/8$ и т.д. Затем с помощью крутильных весов он измерял силу взаимодействия между шариками с различными, но известными в долях от первоначального, зарядами ($q_1$ и $q_2$). Сравнивая результаты измерений, он установил, что сила взаимодействия прямо пропорциональна произведению зарядов ($F \propto q_1 \cdot q_2$), не зная при этом их абсолютных величин.