Страница 119 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Объясните электризацию тел при соприкосновении.

1. Электризация тел при соприкосновении (или контактная электризация) — это процесс возникновения электрических зарядов на телах в результате их прямого контакта. Этот процесс объясняется на основе атомно-молекулярного строения вещества.

Все вещества состоят из атомов, которые содержат положительно заряженные протоны в ядре и отрицательно заряженные электроны на орбиталях вокруг ядра. В целом, в нейтральном состоянии тело имеет одинаковое количество протонов и электронов, поэтому его суммарный заряд равен нулю.

Однако электроны в атомах разных веществ удерживаются с разной силой. Способность материала удерживать свои электроны характеризуется величиной, называемой работой выхода. Это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он покинул поверхность вещества.

Когда два тела, изготовленные из разных материалов, приводятся в тесный контакт, происходит обмен электронами между их поверхностями. Электроны, будучи более подвижными частицами, переходят от материала с меньшей работой выхода (где они слабее связаны с атомами) к материалу с большей работой выхода (где они могут быть удержаны с большей силой).

В результате этого перехода тело, которое отдало электроны, испытывает их недостаток и приобретает суммарный положительный заряд, а тело, которое приняло электроны, получает их избыток и приобретает суммарный отрицательный заряд.

После того как тела разделяют, они остаются электрически заряженными. Согласно закону сохранения электрического заряда, заряды, приобретенные телами, равны по величине (модулю) и противоположны по знаку. Если одно тело приобрело заряд $q$, то другое тело приобретет заряд $-q$. Суммарный заряд изолированной системы двух тел до и после контакта остается неизменным (в данном случае, равным нулю, если тела были изначально нейтральны).

Примером может служить контакт эбонитовой палочки и шерсти. У эбонита работа выхода больше, чем у шерсти. При контакте электроны переходят с шерсти на эбонит. В итоге эбонитовая палочка заряжается отрицательно, а шерсть — положительно.

Частный случай электризации при соприкосновении — это электризация трением. Трение лишь увеличивает площадь и плотность контакта между поверхностями, что интенсифицирует процесс обмена электронами и делает эффект электризации более заметным.

Ответ: Электризация при соприкосновении происходит из-за перехода электронов с поверхности одного тела на поверхность другого. Этот переход обусловлен различием в силах, с которыми атомы разных веществ удерживают свои внешние электроны (различием в работе выхода). Тело, потерявшее электроны, заряжается положительно, а тело, получившее электроны, — отрицательно. Приобретенные телами заряды равны по модулю и противоположны по знаку в соответствии с законом сохранения электрического заряда.

2. Почему при электризации трением на телах появляются равные по абсолютному значению, но противоположные по знаку заряды?

1. Объясните электризацию тел при соприкосновении.

Электризация при соприкосновении — это явление перераспределения электрических зарядов между двумя телами при их контакте, в результате которого оба тела приобретают электрические заряды. В основе этого процесса лежит строение вещества.

Все тела состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг него. В обычном состоянии тело электрически нейтрально, так как суммарный положительный заряд ядер равен суммарному отрицательному заряду электронов.

Однако электроны, особенно на внешних оболочках атомов, могут перемещаться от одного тела к другому. Когда два тела, изготовленные из разных материалов, приводятся в соприкосновение, часть электронов с одного тела переходит на другое. То, какой из материалов будет отдавать электроны, а какой принимать, зависит от их химических свойств, в частности от величины так называемой "работы выхода" — энергии, которую необходимо затратить для удаления электрона из вещества. Материал с меньшей работой выхода будет отдавать электроны.

В результате этого перехода тело, потерявшее электроны, приобретает избыток положительного заряда и становится заряженным положительно. В то же время тело, получившее эти электроны, приобретает избыток отрицательного заряда и становится заряженным отрицательно. Таким образом, при соприкосновении происходит разделение зарядов, и тела электризуются. Трение усиливает этот эффект, так как увеличивает площадь и плотность контакта между поверхностями, а также сообщает дополнительную энергию для перехода электронов.

Ответ: Электризация при соприкосновении объясняется переходом части электронов с одного контактирующего тела на другое. Тело, отдавшее электроны, заряжается положительно, а тело, принявшее электроны, — отрицательно.

2. Почему при электризации трением на телах появляются равные по абсолютному значению, но противоположные по знаку заряды?

Появление на телах при электризации трением равных по модулю и противоположных по знаку зарядов является прямым следствием фундаментального закона природы — закона сохранения электрического заряда.

Этот закон гласит, что в замкнутой (изолированной) системе алгебраическая сумма всех электрических зарядов остается постоянной. Два тела, которые трутся друг о друга, можно считать такой замкнутой системой, если пренебречь их взаимодействием с окружающей средой.

До начала трения оба тела, как правило, электрически нейтральны, то есть их суммарный заряд равен нулю: $q_{1} + q_{2} = 0$.

В процессе трения электроны не создаются и не исчезают, они лишь переходят с одного тела на другое. Если с первого тела на второе перешло $N$ электронов, то заряд первого тела изменяется на величину $\Delta q_1 = +Ne$, где $e$ — элементарный заряд. Тело потеряло отрицательный заряд и стало заряженным положительно, его новый заряд $q'_1 = +Ne$. Одновременно заряд второго тела изменяется на величину $\Delta q_2 = -Ne$, так как оно приобрело $N$ электронов. Его новый заряд $q'_2 = -Ne$.

Сравнивая полученные заряды $q'_1$ и $q'_2$, мы видим, что их абсолютные значения (модули) равны: $|q'_1| = |+Ne| = Ne$ и $|q'_2| = |-Ne| = Ne$. Таким образом, $|q'_1| = |q'_2|$. При этом знаки зарядов противоположны. Суммарный заряд системы после электризации остается равным нулю: $q'_{total} = q'_1 + q'_2 = (+Ne) + (-Ne) = 0$, что полностью соответствует закону сохранения заряда.

Ответ: Это происходит из-за закона сохранения электрического заряда. В процессе трения электроны переходят с одного тела на другое. Сколько электронов (отрицательного заряда) ушло с одного тела, ровно столько же пришло на другое. В результате одно тело приобретает положительный заряд, а другое — равный ему по величине отрицательный заряд.

Вопрос под номером 3 на изображении представлен не полностью.

3. Какую роль играет трение при электризации тел?

3. Какую роль играет трение при электризации тел?

Электризация тел — это процесс перераспределения электрических зарядов, в результате которого тела приобретают избыточный положительный или отрицательный заряд. Одним из самых распространенных способов электризации является трение. Хотя для разделения зарядов достаточно простого контакта двух разнородных материалов, трение играет ключевую роль в повышении эффективности этого процесса.

Роль трения заключается в следующем. Во-первых, оно обеспечивает увеличение площади и плотности контакта между поверхностями. При трении тела многократно и плотно соприкасаются в большом количестве точек, что создает благоприятные условия для перехода электронов с одного тела на другое. Во-вторых, трение сообщает дополнительную энергию системе. Механическая работа, совершаемая против сил трения, преобразуется в тепло, нагревая поверхности. Эта энергия помогает электронам с меньшей работой выхода (слабее связанным с ядром) покинуть свое тело и перейти на тело с большей работой выхода. В-третьих, трение может очищать поверхности от оксидных пленок, влаги и других загрязнений, которые мешают непосредственному контакту атомов и обмену электронами.

В результате одно тело теряет электроны и заряжается положительно, а второе приобретает такое же количество электронов и заряжается отрицательно. Трение, таким образом, является катализатором процесса электризации, делая его более интенсивным и заметным.

Ответ: Трение при электризации тел играет роль механизма, который увеличивает площадь и плотность контакта между телами, а также сообщает электронам дополнительную энергию для перехода с одного тела на другое, тем самым значительно усиливая процесс разделения зарядов.

4. Какую систему называют электрически замкнутой (изолированной)?

Электрически замкнутой или изолированной системой называют совокупность тел, которые могут обмениваться электрическими зарядами только между собой, но не обмениваются ими с любыми другими телами, не входящими в эту систему. Иными словами, для такой системы исключен приток зарядов извне и отток зарядов во внешнюю среду.

Главным свойством электрически замкнутой системы является выполнение для нее закона сохранения электрического заряда. Этот фундаментальный закон гласит, что алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел, входящих в замкнутую систему, остается постоянной при любых процессах, происходящих внутри этой системы. Математически это можно записать как:

$q_1 + q_2 + q_3 + ... + q_n = \text{const}$

где $q_1, q_2, ..., q_n$ — заряды тел, образующих систему. Например, если два электрически нейтральных тела ($q_1=0$, $q_2=0$) в замкнутой системе наэлектризовать трением друг о друга, они приобретут равные по модулю и противоположные по знаку заряды $q'_1$ и $q'_2$ (например, $q'_1 = +q$ и $q'_2 = -q$). Их суммарный заряд останется равным нулю ($q'_1 + q'_2 = (+q) + (-q) = 0$), что соответствует начальному состоянию системы.

Ответ: Электрически замкнутой (изолированной) называют систему тел, которая не обменивается электрическими зарядами с телами, не входящими в эту систему. В такой системе сохраняется полная алгебраическая сумма зарядов.

4. Какую систему называют электрически изолированной?

3. Трение при электризации тел играет вспомогательную, но очень важную роль. Сама по себе электризация при контакте (трибоэлектрический эффект) — это явление перехода электронов от одного тела к другому. Это происходит из-за того, что разные вещества имеют разную "силу" удержания электронов (разную работу выхода). Когда два разнородных материала приводятся в тесный контакт, электроны переходят с поверхности материала с меньшей работой выхода на поверхность материала с большей работой выхода. В результате одно тело заряжается положительно (из-за недостатка электронов), а другое — отрицательно (из-за избытка электронов).
Роль трения в этом процессе заключается в создании оптимальных условий для такого перехода:
1. Трение значительно увеличивает реальную площадь соприкосновения тел. Без трения тела касаются лишь в нескольких точках из-за микронеровностей их поверхностей.
2. Трение обеспечивает очень плотный контакт. В процессе трения с поверхностей могут удаляться оксидные пленки и другие загрязнения, что позволяет атомам двух тел сблизиться на расстояние, достаточное для обмена электронами.
3. В результате трения выделяется теплота, которая сообщает электронам дополнительную энергию и облегчает их отрыв от атомов и переход к другому телу.
Таким образом, трение не создает электрические заряды, а лишь способствует их перераспределению между контактирующими телами.
Ответ: Трение играет роль механизма, обеспечивающего плотный и обширный контакт между поверхностями тел, что создает условия для перехода электронов от одного тела к другому и, как следствие, их электризации.

4. Электрически изолированной (или замкнутой) системой называют такую совокупность тел (или область пространства), которая не обменивается электрическими зарядами с любыми другими телами, не входящими в эту систему. Это означает, что через условную границу, отделяющую систему от внешней среды, не могут проходить заряженные частицы ни внутрь, ни наружу. Это идеализированная модель, так как в реальности достичь полной электрической изоляции невозможно, но во многих физических задачах такой моделью можно пользоваться с высокой степенью точности, если обмен зарядами с окружающей средой пренебрежимо мал.
Ответ: Электрически изолированная система — это система тел, через границу которой не происходит перенос электрического заряда.

5. Закон сохранения электрического заряда — это фундаментальный закон физики, который утверждает, что алгебраическая сумма электрических зарядов в любой электрически изолированной системе остается постоянной, какие бы процессы внутри этой системы ни происходили.
Это означает, что заряд не может быть создан из ничего или уничтожен. Заряды могут только передаваться от одного тела к другому или перемещаться внутри одного тела. Также при рождении или аннигиляции элементарных частиц суммарный заряд продуктов реакции всегда равен суммарному заряду исходных частиц.
Математически для системы из $n$ тел этот закон выражается так: $q_1 + q_2 + ... + q_n = \text{const}$ где $q_1, q_2, ..., q_n$ — заряды тел, входящих в изолированную систему. Если заряды тел в системе изменяются в результате взаимодействия, то сумма зарядов до взаимодействия равна сумме зарядов после взаимодействия: $q_{1\text{нач}} + q_{2\text{нач}} + \dots = q_{1\text{кон}} + q_{2\text{кон}} + \dots$
Ответ: В электрически изолированной системе алгебраическая сумма всех зарядов сохраняется: $\sum q_i = \text{const}$.

5. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда.

4. Какую систему называют электрически изолированной?

Электрически изолированной, или электрически замкнутой, системой называют такую совокупность тел, через условную границу которой не могут проходить электрические заряды. Это означает, что система не обменивается зарядами с внешними телами: заряженные частицы не могут ни войти в систему извне, ни покинуть ее. Вследствие этого полный электрический заряд всех тел, входящих в состав такой системы, остается неизменным во времени.

Ответ: Электрически изолированной называют систему тел, которая не обменивается электрическими зарядами с телами, не входящими в эту систему.

5. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда.

Закон сохранения электрического заряда — это фундаментальный закон физики, который утверждает, что алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел и частиц в электрически изолированной системе остается постоянной при любых процессах, происходящих внутри этой системы. Это означает, что заряд не может возникнуть из ничего или исчезнуть бесследно. Возникновение или исчезновение заряда возможно только в парах с равным по модулю и противоположным по знаку зарядом (например, рождение электрон-позитронной пары).

Математически закон сохранения заряда для системы из $n$ тел выражается следующим образом:
$q_1 + q_2 + \dots + q_n = \text{const}$
где $q_1, q_2, \dots, q_n$ — заряды тел, входящих в изолированную систему.

Ответ: В электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется. Математически это выражается как $q_1 + q_2 + \dots + q_n = \text{const}$.

6. Объясните, почему электрически нейтральные тела притягиваются к заряженным.

Притяжение электрически нейтрального тела к заряженному объясняется явлением электростатической индукции. Когда к нейтральному телу, в котором суммарный положительный и отрицательный заряды равны, подносят заряженное тело (например, положительно заряженную палочку), его электрическое поле вызывает перераспределение зарядов внутри нейтрального тела.

В случае проводника свободные электроны смещаются под действием поля. Отрицательные заряды (электроны) притягиваются к положительной палочке и скапливаются на ближней к ней стороне проводника. Соответственно, на дальней стороне возникает недостаток электронов, то есть избыточный положительный заряд.

В случае диэлектрика происходит поляризация — смещение зарядов внутри атомов или молекул и их ориентация вдоль поля. Отрицательные части атомов смещаются к палочке, а положительные — от нее. В результате на поверхности диэлектрика, обращенной к палочке, появляется связанный отрицательный заряд, а на противоположной — связанный положительный.

В обоих случаях на ближней к заряженному телу стороне нейтрального тела индуцируется заряд противоположного знака, а на дальней — того же знака. Согласно закону Кулона, сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния ($F \sim 1/r^2$). Поэтому сила притяжения между заряженным телом и более близкими разноименными зарядами оказывается сильнее, чем сила отталкивания от более далеких одноименных зарядов. В результате возникает результирующая сила притяжения.

Ответ: При поднесении заряженного тела к нейтральному происходит перераспределение зарядов в последнем (электростатическая индукция). На стороне нейтрального тела, ближней к заряженному, образуется индуцированный заряд противоположного знака, а на дальней — того же знака. Поскольку разноименные заряды находятся ближе друг к другу, чем одноименные, сила притяжения между ними оказывается больше силы отталкивания, что и приводит к притяжению тел.

6. Объясните, почему электрически нейтральные тела притягиваются к наэлектризованным.

6. Объясните, почему электрически нейтральные тела притягиваются к наэлектризованным.

Притяжение электрически нейтральных тел к наэлектризованным (заряженным) объясняется явлением, которое называется электростатическая индукция или поляризация.

Процесс можно разбить на несколько этапов:

1. Наэлектризованное тело (например, положительно заряженная палочка) создает вокруг себя электрическое поле.

2. Когда в это поле вносят электрически нейтральное тело (например, кусочек бумаги), поле воздействует на заряды внутри этого тела. Нейтральное тело содержит равное количество положительных и отрицательных зарядов.

3. Под действием поля происходит перераспределение зарядов в нейтральном теле. Заряды, противоположные по знаку заряду палочки (в нашем примере — отрицательные электроны), притягиваются и смещаются к стороне тела, ближайшей к палочке. Заряды того же знака (положительные ядра атомов) отталкиваются и смещаются на дальнюю сторону тела. Этот процесс разделения зарядов и есть электростатическая индукция.

4. В результате на ближней к палочке стороне нейтрального тела образуется избыток заряда противоположного знака, а на дальней — избыток заряда того же знака.

5. Теперь возникают две основные силы: сила притяжения между заряженной палочкой и индуцированным зарядом противоположного знака на ближней стороне, и сила отталкивания между палочкой и индуцированным зарядом того же знака на дальней стороне.

6. Согласно закону Кулона, сила электрического взаимодействия ослабевает с увеличением расстояния (она обратно пропорциональна квадрату расстояния: $F \sim 1/r^2$). Поскольку притягивающиеся разноименные заряды находятся ближе друг к другу, чем отталкивающиеся одноименные заряды, сила притяжения оказывается сильнее силы отталкивания.

Итоговая (результирующая) сила, действующая на нейтральное тело, является силой притяжения.

Ответ: Электрически нейтральные тела притягиваются к наэлектризованным в результате электростатической индукции. Под действием электрического поля заряженного тела в нейтральном теле происходит перераспределение зарядов: на ближней стороне концентрируется заряд противоположного знака, а на дальней — того же знака. Сила притяжения к ближнему, разноименному заряду оказывается больше силы отталкивания от дальнего, одноименного заряда, поэтому результирующая сила является силой притяжения.

7. Что называют электростатической индукцией?

7. Что называют электростатической индукцией?

Электростатическая индукция (или электростатическое влияние) — это явление перераспределения электрических зарядов в проводящем теле под действием внешнего электростатического поля. В результате этого процесса на поверхности тела возникают так называемые индуцированные (наведенные) электрические заряды.

Механизм явления заключается в следующем:

• Для проводников: В проводниках, например в металлах, есть большое количество свободных носителей заряда (электронов), которые могут перемещаться по всему объему тела. Когда проводник помещают во внешнее электрическое поле (например, подносят к нему заряженный объект), на эти свободные заряды начинает действовать электрическая сила. Если поднести положительно заряженное тело, свободные электроны (отрицательно заряженные) притянутся к нему и сместятся на ближнюю к телу сторону проводника. В результате эта сторона зарядится отрицательно. На противоположной стороне проводника образуется недостаток электронов, и она зарядится положительно. Такое разделение зарядов создает внутри проводника собственное электрическое поле, направленное против внешнего. Перемещение зарядов прекращается, когда их поле полностью компенсирует внешнее поле, и суммарное электрическое поле внутри проводника становится равным нулю.

• Для диэлектриков (изоляторов): В диэлектриках нет свободных зарядов. Однако под действием внешнего поля происходит их поляризация. Связанные заряды (электроны в атомах и молекулах) смещаются в противоположные стороны, или полярные молекулы ориентируются по полю. В результате на поверхности диэлектрика, обращенной к внешнему заряду, появляется тонкий слой связанного заряда противоположного знака, а на противоположной стороне — одноименного знака. Этот эффект также приводит к притяжению нейтрального диэлектрика к заряженному телу.

Именно явление электростатической индукции объясняет, почему нейтральные тела притягиваются к наэлектризованным. Индуцированный заряд противоположного знака всегда оказывается ближе к заряженному телу, чем одноименный заряд. Поэтому сила притяжения между телом и ближайшим индуцированным зарядом оказывается больше, чем сила отталкивания от дальнего индуцированного заряда, что и создает результирующую силу притяжения.

Ответ: Электростатической индукцией называют явление разделения электрических зарядов в проводнике под действием внешнего электростатического поля, в результате чего на его поверхности возникают индуцированные заряды противоположных знаков.

1. Можно ли при электризации трением зарядить только одно из соприкасающихся тел? Ответ обоснуйте.

1. Нет, при электризации трением невозможно зарядить только одно из соприкасающихся тел. Этот процесс всегда приводит к тому, что оба тела приобретают электрические заряды.

Обоснование этого явления заключается в законе сохранения электрического заряда. До соприкосновения и трения оба тела, как правило, электрически нейтральны, то есть суммарный заряд системы из этих двух тел равен нулю. В процессе трения происходит переход электронов от одного тела к другому. Электроны не создаются и не исчезают, они лишь перемещаются.

Тело, которое отдает часть своих электронов, испытывает их недостаток и приобретает положительный заряд. Тело, которое принимает эти электроны, получает их избыток и приобретает отрицательный заряд. Количество отданных одним телом электронов в точности равно количеству электронов, полученных другим телом.

Если одно тело приобрело заряд $q_1$, а второе — $q_2$, то согласно закону сохранения заряда, их сумма должна быть равна начальному суммарному заряду (который был равен нулю): $q_1 + q_2 = 0$. Отсюда следует, что $q_1 = -q_2$. Это означает, что тела приобретают заряды, равные по модулю, но противоположные по знаку. Невозможно, чтобы одно тело стало заряженным (например, $q_1 \neq 0$), а второе осталось нейтральным ($q_2 = 0$), так как это нарушило бы закон сохранения заряда.

Ответ: Нет, невозможно. Согласно закону сохранения электрического заряда, при электризации трением происходит перераспределение электронов между телами, в результате чего оба тела приобретают равные по величине и противоположные по знаку заряды.

2. Если приблизить к электроскопу заряженную палочку, не касаясь его, можно заметить, что его листочки расходятся. Если убрать палочку, листочки опадут. Почему это происходит? Опадут ли листочки, если, прежде чем убрать палочку, коснуться стержня электроскопа пальцем?

Почему это происходит?

Это явление называется электростатической индукцией. Изначально электроскоп электрически нейтрален, то есть количество положительных и отрицательных зарядов в нем одинаково, и они распределены равномерно. Его листочки висят вертикально.

Предположим, мы подносим к шару электроскопа положительно заряженную палочку. Электрическое поле палочки действует на свободные электроны в металлическом стержне и листочках электроскопа. Будучи отрицательно заряженными, электроны притягиваются к положительной палочке и перемещаются вверх, скапливаясь на шаре электроскопа.

В результате этого на нижней части электроскопа — на его листочках — образуется недостаток электронов, то есть они приобретают суммарный положительный заряд. Так как оба листочка оказываются заряжены одноименно (положительно), между ними возникает сила кулоновского отталкивания, которая заставляет их разойтись на некоторый угол.

Когда заряженную палочку убирают, ее электрическое поле перестает действовать. Привлеченные к шару электроны снова равномерно распределяются по всему проводнику (шару, стержню и листочкам). Электроскоп в целом снова становится нейтральным, заряд на листочках исчезает, сила отталкивания пропадает, и они опадают под действием силы тяжести.

Ответ: Листочки расходятся из-за явления электростатической индукции. Под действием электрического поля заряженной палочки свободные заряды в электроскопе перераспределяются, в результате чего на листочках накапливается одноименный заряд, и они отталкиваются друг от друга. Когда палочку убирают, заряды возвращаются в исходное равномерное распределение, и листочки опадают.

Опадут ли листочки, если, прежде чем убрать палочку, коснуться стержня электроскопа пальцем?

Да, в этом случае листочки опадут. Когда вы касаетесь стержня электроскопа пальцем, вы соединяете электроскоп со своим телом, которое является большим проводником и, по сути, заземляете его.

Если к электроскопу поднесена положительно заряженная палочка, то на его листочках, как мы выяснили, находится наведенный положительный заряд. При заземлении электроны из земли (через ваше тело) притягиваются к этому положительному заряду и перетекают на электроскоп, нейтрализуя заряд на листочках. Если же палочка заряжена отрицательно, то на листочках скопился избыток электронов, которые при заземлении стекают с листочков в землю.

В обоих случаях листочки становятся электрически нейтральными, сила отталкивания между ними исчезает, и они опадают, возвращаясь в вертикальное положение под действием силы тяжести.

Стоит отметить, что если после этого сначала убрать палец (разорвав контакт с землей), а затем убрать заряженную палочку, то электроскоп останется заряженным. Избыточные заряды окажутся "в ловушке" и после удаления палочки распределятся по всему электроскопу, в результате чего листочки снова разойдутся. Этот процесс называется зарядкой через влияние.

Ответ: Да, листочки опадут. Прикосновение пальцем к стержню обеспечивает заземление электроскопа. Это позволяет зарядам, скопившимся на листочках, стечь на землю (или зарядам из земли нейтрализовать их), в результате чего листочки теряют заряд и опадают.

3. Что произойдёт в опыте, изображённом на рисунке 68, если гильза коснётся палочки? Ответ обоснуйте.

Решение

В данном опыте происходит взаимодействие заряженного тела (палочки) и незаряженного проводящего тела (гильзы). Процесс можно разделить на несколько этапов, которые приведут к определённому результату.

1. Притяжение гильзы к палочке. Изначально гильза является электрически нейтральной, то есть суммарный заряд в ней равен нулю. Когда к ней подносят заряженную палочку (неважно, положительно или отрицательно), на гильзе происходит явление электростатической индукции. Под действием электрического поля палочки свободные заряды в проводящей гильзе перераспределяются. На стороне гильзы, ближайшей к палочке, скапливается заряд, противоположный по знаку заряду палочки, а на дальней стороне — одноимённый. Поскольку разноимённые заряды находятся ближе друг к другу, чем одноимённые, сила притяжения между палочкой и гильзой становится больше силы отталкивания. В результате гильза притягивается к палочке и в конце концов касается её.

2. Передача заряда при контакте. В момент касания гильзы и палочки происходит электризация через соприкосновение. Часть электрического заряда с палочки переходит на гильзу. Так как и палочка, и гильза являются проводниками (или палочка - диэлектрик, но с поверхностным зарядом, а гильза - проводник), заряд распределяется по их соприкасающимся поверхностям. В итоге гильза приобретает заряд того же знака, что и у палочки.

3. Отталкивание. Сразу после передачи заряда и гильза, и палочка оказываются заряжены одноимённо (оба тела заряжены либо положительно, либо отрицательно). Согласно основному закону электростатики, одноимённые заряды отталкиваются. Возникшая сила кулоновского отталкивания заставит гильзу отскочить от палочки и отклониться от неё на некоторый угол.

Таким образом, последовательность событий будет следующей: притяжение нейтральной гильзы к заряженной палочке, касание с передачей заряда и последующее отталкивание одноимённо заряженных тел.

Ответ: Когда гильза коснется палочки, она зарядится от неё зарядом того же знака. После этого гильза и палочка станут одноименно заряженными телами и будут отталкиваться друг от друга. В результате гильза отскочит от палочки.

1. Стеклянная палочка при трении о шёлк электризуется положительно. Избыток или недостаток электронов образуется на шёлке?

1. Решение

Электризация тел при трении происходит за счет перехода электронов от одного тела к другому. В исходном состоянии и стеклянная палочка, и шёлк электрически нейтральны, то есть число протонов в их атомах равно числу электронов.

Когда тело приобретает положительный заряд, это означает, что оно потеряло часть своих электронов. Электроны — это отрицательно заряженные частицы, и их уход приводит к избытку положительного заряда (протонов) в теле. Таким образом, если стеклянная палочка стала заряжена положительно, значит, она отдала электроны.

Согласно закону сохранения электрического заряда, заряд не может исчезнуть или появиться из ниоткуда. Электроны, которые ушли со стеклянной палочки, должны были перейти на шёлк, так как это единственное тело, с которым контактировала палочка.

Когда шёлк получает дополнительные электроны, на нём возникает их избыток. Поскольку электроны заряжены отрицательно, шёлк приобретает отрицательный заряд.

Таким образом, на шёлке образуется избыток электронов.

Ответ: на шёлке образуется избыток электронов.

2. Одному из двух одинаковых металлических шариков сообщили заряд -6q, другому — заряд 2q. Затем шарики соединили проводником. Какими станут заряды шариков после соединения?

Дано:

Заряд первого шарика: $q_1 = -6q$
Заряд второго шарика: $q_2 = 2q$
Шарики являются одинаковыми металлическими.

Найти:

Заряды шариков после соединения $q'_1$ и $q'_2$.

Решение:

При соединении двух металлических шариков проводником они образуют единую проводящую систему. В этой системе происходит перераспределение зарядов до тех пор, пока их электрические потенциалы не станут равными.

Система из двух шариков и соединяющего их проводника является электрически изолированной. Для такой системы выполняется закон сохранения электрического заряда, который гласит, что суммарный заряд системы до взаимодействия равен суммарному заряду системы после взаимодействия.

1. Найдем суммарный заряд системы до соединения шариков.

$Q_{общ} = q_1 + q_2 = (-6q) + (2q) = -4q$

2. После соединения шариков этот суммарный заряд $Q_{общ}$ перераспределится между ними. Поскольку по условию шарики одинаковые (имеют одинаковый радиус), то после установления равновесия их заряды станут равны друг другу. Обозначим итоговый заряд каждого шарика как $q'$.

$q'_1 = q'_2 = q'$

3. Суммарный заряд системы после соединения равен сумме зарядов на шариках:

$Q'_{общ} = q'_1 + q'_2 = q' + q' = 2q'$

4. Применим закон сохранения заряда, приравняв суммарный заряд до и после соединения:

$Q_{общ} = Q'_{общ}$

$-4q = 2q'$

5. Из этого уравнения найдем значение заряда $q'$ на каждом шарике:

$q' = \frac{-4q}{2} = -2q$

Таким образом, после соединения заряд каждого из двух одинаковых шариков станет равен $-2q$.

Ответ: Заряды шариков после соединения станут одинаковыми и равными $-2q$.

3. При трении с незаряженной стеклянной палочки было удалено 9 • 10¹⁶ электронов. Чему стал равен заряд палочки? На сколько уменьшилась масса палочки?

Дано:

Число удаленных электронов, $N = 9 \cdot 10^{16}$

Элементарный заряд, $e = 1.6 \cdot 10^{-19}$ Кл

Масса электрона, $m_e \approx 9.1 \cdot 10^{-31}$ кг

Найти:

$q$ — заряд палочки;

$\Delta m$ — уменьшение массы палочки.

Решение:

Чему стал равен заряд палочки?

Изначально стеклянная палочка была электрически нейтральной. При удалении электронов нарушается баланс зарядов: количество протонов (положительных зарядов) становится больше количества оставшихся электронов (отрицательных зарядов). В результате палочка приобретает положительный заряд.

Величина заряда $q$ определяется общим зарядом всех удаленных электронов. Она равна произведению числа удаленных электронов $N$ на модуль элементарного заряда $e$:

$q = N \cdot e$

Подставим числовые значения:

$q = 9 \cdot 10^{16} \cdot 1.6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл} = (9 \cdot 1.6) \cdot 10^{16 - 19} \text{ Кл} = 14.4 \cdot 10^{-3} \text{ Кл}$

Для удобства представим результат в стандартном виде:

$q = 1.44 \cdot 10^{-2} \text{ Кл}$

Ответ: заряд палочки стал равен $+1.44 \cdot 10^{-2}$ Кл.

На сколько уменьшилась масса палочки?

Масса палочки уменьшилась, так как каждый удаленный электрон имеет массу. Уменьшение массы $\Delta m$ равно произведению числа удаленных электронов $N$ на массу одного электрона $m_e$:

$\Delta m = N \cdot m_e$

Подставим числовые значения:

$\Delta m = 9 \cdot 10^{16} \cdot 9.1 \cdot 10^{-31} \text{ кг} = (9 \cdot 9.1) \cdot 10^{16 - 31} \text{ кг} = 81.9 \cdot 10^{-15} \text{ кг}$

Представим результат в стандартном виде:

$\Delta m = 8.19 \cdot 10^{-14} \text{ кг}$

Ответ: масса палочки уменьшилась на $8.19 \cdot 10^{-14}$ кг.

4. Какое количество электронов было удалено с изначально незаряженной стеклянной палочки в результате трения, если заряд палочки стал 4 • 10⁻⁹ Кл? На сколько при этом уменьшилась масса палочки?

Дано:

Заряд палочки $q = 4 \cdot 10^{-9}$ Кл
Элементарный заряд (модуль заряда электрона) $e \approx 1.6 \cdot 10^{-19}$ Кл
Масса электрона $m_e \approx 9.1 \cdot 10^{-31}$ кг

Все данные представлены в системе СИ.

Найти:

Количество удаленных электронов $N$ - ?
Уменьшение массы палочки $\Delta m$ - ?

Решение:

Какое количество электронов было удалено с изначально незаряженной стеклянной палочки

Изначально палочка была электрически нейтральна. При трении она потеряла некоторое количество электронов $N$, в результате чего приобрела положительный заряд $q$. Заряд любого тела дискретен, то есть кратен элементарному заряду $e$. Связь между общим зарядом тела, количеством избыточных или недостающих заряженных частиц и элементарным зарядом выражается формулой:

$q = N \cdot e$

Из этой формулы выразим количество удаленных электронов $N$:

$N = \frac{q}{e}$

Подставим числовые значения и произведем расчет:

$N = \frac{4 \cdot 10^{-9} \text{ Кл}}{1.6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}} = 2.5 \cdot 10^{10}$

На сколько при этом уменьшилась масса палочки

Масса палочки уменьшилась, так как с нее были удалены электроны, каждый из которых обладает массой $m_e$. Чтобы найти общее уменьшение массы $\Delta m$, нужно умножить количество удаленных электронов $N$ на массу одного электрона:

$\Delta m = N \cdot m_e$

Подставим найденное значение $N$ и известную массу электрона:

$\Delta m = (2.5 \cdot 10^{10}) \cdot (9.1 \cdot 10^{-31} \text{ кг}) = 22.75 \cdot 10^{-21} \text{ кг}$

Запишем результат в стандартном виде, оставив одну значащую цифру до запятой:

$\Delta m = 2.275 \cdot 10^{-20} \text{ кг}$

Ответ: с палочки было удалено $2.5 \cdot 10^{10}$ электронов; масса палочки при этом уменьшилась на $2.275 \cdot 10^{-20}$ кг.

5. Чтобы заряженное тело стало электрически нейтральным, ему недостаёт 5,2 • 10¹² электронов. Каков заряд этого тела?

Дано:

Число недостающих электронов $N = 5.2 \cdot 10^{12}$
Элементарный заряд (модуль заряда электрона) $e = 1.6 \cdot 10^{-19}$ Кл

Найти:

Заряд тела $q$.

Решение:

Электрически нейтральное тело содержит одинаковое количество протонов (положительных зарядов) и электронов (отрицательных зарядов). В условии сказано, что для того, чтобы тело стало нейтральным, ему не хватает электронов. Это означает, что в теле в данный момент количество протонов больше, чем количество электронов. Следовательно, тело имеет положительный заряд.

Величина этого заряда равна суммарному заряду недостающих электронов. Заряд любого тела, состоящего из целого числа элементарных зарядов, можно найти по формуле: $q = N \cdot e$, где $N$ — избыток или недостаток электронов, а $e$ — элементарный заряд.

Подставим данные из условия в формулу и произведем вычисления:

$q = 5.2 \cdot 10^{12} \cdot 1.6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}$

$q = (5.2 \cdot 1.6) \cdot 10^{12 - 19} \text{ Кл}$

$q = 8.32 \cdot 10^{-7} \text{ Кл}$

Этот результат можно также представить в микрокулонах (мкКл), где $1 \text{ мкКл} = 10^{-6} \text{ Кл}$:

$q = 8.32 \cdot 10^{-7} \text{ Кл} = 0.832 \cdot 10^{-6} \text{ Кл} = 0.832 \text{ мкКл}$

Ответ: заряд этого тела равен $+8.32 \cdot 10^{-7}$ Кл (или $+0.832$ мкКл).

6*. Два одинаковых металлических положительно заряженных шарика находятся друг от друга на расстоянии, значительно превышающем их размеры. Шарики привели в соприкосновение, а затем вернули в исходное положение. Как и во сколько раз изменилась сила взаимодействия шариков, если до соприкосновения их заряды различались в 3 раза?

Дано:

$q_1, q_2$ — начальные положительные заряды двух одинаковых металлических шариков.

$r$ — расстояние между шариками.

Соотношение начальных зарядов: $q_2 = 3q_1$.

$F_1$ — сила взаимодействия до соприкосновения.

$F_2$ — сила взаимодействия после соприкосновения.

Найти:

Как и во сколько раз изменилась сила взаимодействия, то есть найти отношение $\frac{F_2}{F_1}$.

Решение:

1. Сила взаимодействия двух точечных зарядов определяется законом Кулона:

$F = k \frac{|q_a \cdot q_b|}{r^2}$

где $k$ — коэффициент пропорциональности.

Поскольку шарики находятся на расстоянии, значительно превышающем их размеры, их можно считать точечными зарядами. Так как оба заряда положительны, сила будет силой отталкивания.

2. Выразим силу взаимодействия $F_1$ до соприкосновения. Обозначим меньший заряд $q_1$ как $q$. Тогда больший заряд $q_2$ будет равен $3q$.

$F_1 = k \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2} = k \frac{q \cdot 3q}{r^2} = 3k \frac{q^2}{r^2}$

3. Когда два одинаковых проводящих шарика приводят в соприкосновение, их суммарный заряд перераспределяется между ними поровну. Это следует из закона сохранения электрического заряда.

Суммарный заряд шариков: $Q_{общ} = q_1 + q_2 = q + 3q = 4q$.

После соприкосновения заряд каждого шарика станет одинаковым и равным $q'$:

$q' = \frac{Q_{общ}}{2} = \frac{4q}{2} = 2q$.

4. Шарики вернули в исходное положение, то есть расстояние между ними снова стало равно $r$. Найдем новую силу взаимодействия $F_2$:

$F_2 = k \frac{q' \cdot q'}{r^2} = k \frac{2q \cdot 2q}{r^2} = 4k \frac{q^2}{r^2}$

5. Теперь найдем, как и во сколько раз изменилась сила, вычислив отношение $F_2$ к $F_1$:

$\frac{F_2}{F_1} = \frac{4k \frac{q^2}{r^2}}{3k \frac{q^2}{r^2}} = \frac{4}{3}$

Поскольку отношение $\frac{F_2}{F_1} = \frac{4}{3} > 1$, сила взаимодействия увеличилась.

Ответ: Сила взаимодействия увеличилась в $\frac{4}{3}$ раза.