Электризация тел при соприкосновении

ГЛАВА III. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Урок № Тема: Электризация тел при соприкосновении.

Взаимодействие заряженных тел. Два рода зарядов

Цель урока: объяснить происхождение термина «электричество»; раскрыть механизм электризации тел при соприкосновении; охарактеризовать взаимодействие заряженных тел; доказать сущест­вование двух типов зарядов и объяснить их взаимодействие.

Оборудование:

Палочка деревянная, пластинка из оргстекла, пластинка из эбонита, лист бумаги, фольга, вата, ручка, каруселька, узкие полоски бумага, пленка целлу­лоидная, полоски полиэтилена, шелк, мех, пленка на нитке, штатив.

Демонстрации:

1. Электризация различных тел.

2. Два рода электрических зарядов.

3. Взаимодействие наэлектризованных тел.

Ход урока

План изложения нового материала:

1. Электризация тел.

2. Электрический заряд.

3. Два рода электрических зарядов.

Изучение нового материала

1. Электризация тел

Изучение электростатических явлений начинают с демонстрации электризации тел. Обычно говорят об электризации при трении. В действи­тельности электризация тел происходит при соприкосновении, а к трению в опытах прибегают для увеличения площади соприкосновения тел. Поэтому правильнее говорить об электризации тел при соприкосновении. Необхо­димо подчеркнуть, что после соприкосновения тела разделяют.

Известно, что существуют приливные, ветряные, солнечные, тепловые, атомные, гидроэлектростанции, которые вырабатывают электрическую энер­гию. Эта энергия передается по проводам в каждый дом, на заводы, фабрики и фермы. В любом доме можно встретить различные электроприборы. Это утюг, телевизор, пылесос... Если темно, мы пользуемся электрическим осве­щением. Вольфрамовая нить лампочки разогревается под действием электри­ческого тока.

Так что же такое «электрический ток»? Сегодня вы узнаете о происхожде­нии слова «электричество», а чуть позже - что такое «электрический ток».

Эксперимент 1

Подвесим деревянную палочку на нитке. Полиэтиленовую полоску поло­жим на стол и натрем ее куском ацетатного шелка. Взяв пленку за кончик, поднесем ее сбоку к одному концу палочки.

- Что вы наблюдаете? (Палочка поворачивается, притягиваясь к полоске.)

Учитель проделывает тот же эксперимент с пластмассовой ручкой, палоч­кой из оргстекла, капроновой или полиэтиленовой трубкой, натерев их шел­ком или бумагой.

- Что вы наблюдаете? (Все натертые предметы притягивают деревян­ную палочку.)

Это явление (способность тел притягивать другие тела после того, как их натерли) называется электризацией тел. Об этом явлении было известно еще в VI в. до н. э.: греческий философ Фалес Милетский обнаружил, что янтарь после натирания шерстью начинал притягивать различные легкие предметы. Однако историю науки об электричестве можно начать с исследований Виль­яма Гильберта, врача английской королевы Елизаветы. Первую свою работу по электричеству Гильберт опубликовал в 1600 г., где описал электризацию трением. Здесь он впервые в истории науки применил термин «электриче­ство» (от греческого слова «электро», что означает «янтарь»).

Пленка, пластинка из оргстекла, ручка, капроновая трубка наэлектризова­лись, т.е. получили электрические заряды при трении о шелк, о бумагу.

По мере проведения опытов учитель задает учащимся вопросы:

• Как можно определить, заряжены ли тела?

• Как показать, что при соприкосновении электризуются оба тела?

• Назовите вещества, электризацию которых вам приходилось на­блюдать в домашних условиях. При каких обстоятельствах это происходило?

После обсуждения демонстраций делаются следующие выводы:

1. явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела, называют электризацией;

2. в электризации всегда участвуют два тела. При этом электризуются оба тела.

1. Электрический заряд

В ходе опытов необходимо обратить внимание учащихся на то, что наэлектризованные тела взаимодействуют друг с другом с разными силами. Почему? Пытаясь разобраться с этим вопросом, подводим учащихся к по­нятию «электрический заряд».

Опр. Электрический заряд - это мера свойств заряженных тел опреде­ленным образом взаимодействовать друг с другом.

Опр. Физическую величину, называемую электрическим зарядом, обозначают буковой q.

Единица электрического заряда в СИ называется кулоном (1 Кл) в честь французского физика Ш. Кулона (1736-1806).

Тело, у которого q 0 , называется заряженным, а тело, у которого q = 0, - нейтральным (незаряженным).

Важно подчеркнуть, что электрический заряд всегда связан с каким- либо телом (или частицей) и не может существовать сам по себе, так как он характеризует определенные свойства частиц (или тел).

Эксперимент 2

Положите на полоску бумаги полоску из полиэтилена. Прижимая тыльной стороной ладони, прогладьте их, затем разведите в стороны и медленно сбли­жайте.

- Что наблюдаете? (Полоски притягиваются друг к другу.)

Эксперимент 3

Кусочек распушенной ваты поднесите к бумажной полоске и сразу же пос­ле этого поднесите к пленке.

- Что наблюдаете? (Пушок притягивается и к бумаге, и к пленке.)

- Какой вывод можно сделать? (Оба тела, бывшие в контакте, а затем разъединенные, электризуются, получают заряды.)

Эксперимент 4

Электрический заряд можно передать телу от другого наэлектризованного тела. Возьмите кусочек фольги и обмотайте им пробирку. Образовавшийся цилиндрик сдвиньте на край, чтобы он сошел примерно на 1 см. В эту по­лость вложите один из концов нитки с узелками на концах и обожмите фольгу. Нитка окажется зажатой. Аккуратно снимите гильзу и подвесьте на кронш­тейн штатива, введя нитку в вертикальный разрез.

Наэлектризуйте палочку из оргстекла, потерев ее о бумагу, и медленно поднесите к гильзе.

- Что вы увидели? (Гильза вначале притянулась, а потом - после касания - оттолкнулась.)

- Как это объяснить? (Получив такой же заряд, что и на палочке, гильза стала от нее отталкиваться.)

- Значит, заряды одного вида отталкиваются? (Да.)

- А почему пленка и бумага притягиваются, хотя обе тоже зарядились? (Видимо, у них разные заряды.)

Давайте проверим эту гипотезу.

Эксперимент 5

Вместо гильзы повесьте на штатив пленку на нитке, пропустив нитку че­рез горизонтальную прорезь кронштейна. Возьмите широкую полоску бума­ги. Сложив ее вдвое, обхватите висящую пленку и потрите ее, стараясь не натягивать нить. Возьмите еще одну пленку и зарядите ее, потерев теперь о наэлектризованную бумагу. По очереди поднесите к висящей пленке заря­женные полиэтиленовую пленку и бумажную полоску.

- Что наблюдаете? (Бумажная полоска притягивается, а полиэтилено­вая пленка отталкивается.)

- Почему? (Пленки заряжены одинаковым способом - и заряды на них одинаковы. Заряды одного вида отталкиваются. А бумага, вероятно, получает заряд другого вида, и она притягивается к пленке.)

Французский физик Шарль Дюфе в 1730 г. изучал взаимодействие наэлек­тризованных тел. Он заметил, что в одних случаях такие тела притягиваются, а в других - отталкиваются. Например, натертые шелком стеклянные палочки отталкиваются друг от друга, но притягиваются к смоляной палочке, потер­той о шерсть. Он объяснил это тем, что существует два рода электричества - «стеклянное» и «смоляное». Тела, заряженные электричеством одного вида, отталкиваются, а заряженные электричеством разного вида - притягиваются. В 1778 г. американский физик и политический деятель Бенджамин Франклин назвал «стеклянное» электричество положительным, а «смоляное» - отрица­тельным.

1. Два рода электрических зарядов

Понятие о двух родах электрических зарядов вводят на основе изуче­ния взаимодействия наэлектризованных тел:

а) существуют два рода электрических зарядов - положительные и от­рицательные;

б) тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно от­талкиваются, а тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются.

• Как взаимодействуют между собой две эбонитовые палочки, на­тертые мехом?

• Как взаимодействуют эбонитовая палочка, натертая мехом и стеклянная палочка, натертая шелком?

Заряд наэлектризованной стеклянной палочки условно назвали поло­жительным, а эбонитовой (янтарной) - отрицательным.

Эксперимент 6

Натрите пластинку из оргстекла о бумагу и положите на карусельку (см. рис.).

Натрите другую пластинку из оргстекла и подне­сите к концу первой.

- Что наблюдаете? (Пластинки отталкивают­ся, значит на обеих заряды одноименные и по­ложительные.)

Натрите ручку о бумагу и поднесите к пластинке, лежащей на карусельке.

- Что вы наблюдаете? (Притяжение. Разноименные заряды притягива­ются, значит, на ручке заряд отрицательный.)

- Подумайте, как с помощью гильзы можно определить знаки зарядов различных наэлектризованных тел? И вообще, как определить, заряже­но ли тело? (Нужно зарядить гильзу известным зарядом, например, положительным от стеклянной палочки, и наблюдать за ее поведением при приближении заряженных тел. Если тело отталкивается, то за­ряд на нем положительный, если притягивается, то заряд отрица­тельный. Если гильза не реагирует на приближение тела, то на нем нет заряда.)

Демонстрационный эксперимент с султанами

Учитель заряжает электрический султан.

- Почему лепестки начинают все больше расходиться? (На них накапли­вается все больше и больше положительного заряда от палочки из орг­стекла и отрицательного от эбонитовой палочки. Одноименные заря­ды отталкиваются. Разноименные - притягиваются.)

Закрепление изученного материала

1. Про какие тела говорят, что они наэлектризованы?

2. Заряд, какого знака получает стеклянная палочка, потертая о шелк? Эбо­нитовая палочка, потертая о мех?

3. Как взаимодействуют одноименные заряды?

4. Как взаимодействуют разноименные заряды?

5. Каково происхождение слова «электричество»?

6. Как взаимодействуют друг с другом две эбонитовые палочки, наэлект­ризованные трением о мех?

7. Какие два рода электрических зарядов существуют в природе?

9. Какие опыты доказывают, что существуют электрические заряды двух видов?

10. Иногда при окраске пульверизатором металлической поверхно­сти ей сообщают заряд одного знака, а капелькам краски - заряд противоположного знака. Для чего это нужно?

11. Можно ли наэлектризовать эбонитовую палочку трением об эбо­нитовую пластинку?

12. Возьмите пластмассовую линейку и потрите ее о сухой лист бу­маги. Докажите на опыте, что линейка наэлектризована. В чем это проявляется?

Задачи на закрепления

Объясните рисунки (см. рис.). Что общего в показанных ситуациях? В чем различия?

Домашнее задание: §25, 26 учебника; ответить на вопросы к параграфу (с. 60).

Сборник задач В. И. Лукашика, Е. В. Ивановой, № 1169, 1171, 1172.

Дополнительный материал

Первые сведение об электричестве и магнетизме

Изучение электрических и магнитных явлений по-настоящему начинается только в XVIII в. Но первые сведения об этих явлениях были известны уже древ­ним. Древние греки знали свойство натертого янтаря притягивать мелкие пред­меты. Само слово «электричество» происходит от греческого слова «электрон», что значит по-русски янтарь. Древние греки знали также, что существует осо­бый минерал - железная руда (магнитный железняк), способный притягивать железные предметы. Залежи этого минерала находились возле города Магнесии. Название этого города послужило источником термина «магнит».

Древние не исследовали ни электрических, ни магнитных явлений. Одна­ко они попытались дать объяснение этим явлениям. Самое первое объясне­ние свойств магнита притягивать железо заключалось в том, что магниту при­писывалась «душа», которая заставляла магнит притягивать железо или при­тягиваться к железу.

При этом магнит представляли подобно живому существу. Живое суще­ство, например собака, видит кусок мяса и стремится к нему приблизиться. Подобно этому магнит, как бы видит железо и стремится к нему притянуться.

Это объяснение весьма примитивно с нашей точки зрения. Однако такого рода объяснения, когда предметы неживой природы одушевлялись, были ха­рактерными для древних, которые верили в существование целого ряда бо­гов, духов и т.д.

Но в древности начала развиваться и материалистическая философия. Философы-материалисты Древней Греции отвергали существование ду­хов и пытались объяснить все явления природы естественными законами. Они учили, что все тела состоят из мелких материальных неделимых частиц - атомов. По их мнению, кроме атомов и пустоты, в которой атомы движутся, ничего не существует. Все явления природы объясняются движением атомов. Сама слово «атом» греческого происхождения. Оно означает «неделимый».

Философы, верившие в существование атомов, из которых состоит приро­да, получили название атомистов. Одним из родоначальников этой филосо­фии был древнегреческий философ Демокрит (460 - 370 до н.э.). Философы - атомисты пытались дать объяснение электрическим и магнитным явлениям без обращения к специальным «душам» и «духам».

Историческая справка

История изучения электричества интересна и поучительна. Некоторые, наиболее существенные исторические примеры можно использовать на уроках для повышения интереса к теме.

Греческий философ Фалес Милетский, живший в 624-547 гг. до н.э., от­крыл, что янтарь, потертый о мех, приобретает свойство притягивать мел­кие предметы - пушинки, соломинки и т. п. Это свойство в течение ряда столетий приписывалось только янтарю, от названия которого и произошло слово «электричество».

Рождение учения об электричестве связано с именем Уильяма Гильбер­та (1540-1603, Англия). Он был одним из первых ученых, утвердивших опыт, эксперимент как основу исследования. Он показал, что при трении электризуется не только янтарь, но и многие другие вещества и что притя­гивают они не только пылинки, но и металлы, дерево, листья, камешки и даже воду и масло.

Следующим этапом в развитии учения об электричестве были опыты немецкого ученого Отто фон Герике (1602-1686). Он построил первую электростатическую машину, основанную на трении. С помощью этого прибора Герике обнаружил, что кроме притяжения, существует и электри­ческое отталкивание.

Два вида электричества

Более 250 лет прошло с тех пор, как стало известно о существовании двух видов электричества. В 1733 году французский физик Ш. Дюфе опуб­ликовал во французском и английском журналах статьи, в которых описал результаты своих опытов по электризации различных тел.

Из многочисленных и остроумно поставленных экспериментов Дюфе сделал вывод, что существуют два вида электричества. Одно электричество возникает при натирании копала (ископаемой смолы), воска, шелка и мно­гих других веществ. Другое появляется при натирании стекла, горного хру­сталя, драгоценных камней, шерсти и др. Поэтому Дюфе назвал первое из них смоляным, а второе стеклянным электричеством. Тело, обладающее любым из двух видов электричества, притягивает к себе легкие тела (имен­но это свойство еще с античных времен обозначалось словом «электриче­ство»), Различие же состоит в том, что тела, заряженные одним и тем же электричеством (стеклянным или смоляным), отталкивают друг друга, но если одно тело заряжено стеклянным, а другое смоляным электричеством, то они взаимно притягиваются.

Так были установлены фундаментальные факты: наличие двух видов электричества и существование электрических сил притяжения и отталкивания. Естественно возникает вопрос о том, как же появляется у тел то или иное электричество. В то время об этом можно было строить только догадки.

Флюид Франклина. Одна такая догадка была высказана в 1750 году американским физиком (а также известным государственным и обществен­ным деятелем, одним из руководителей борьбы американских колоний за независимость) Б. Франклином.

По Франклину, в каждом теле содержится особое электрическое веще­ство (флюид, как тогда говорили), что-то вроде электрической жидкости. Частицы этой электрической жидкости отталкиваются друг от друга, но сильно притягиваются частицами тела, так что всякое тело действует на электрическую жидкость подобно губке, втягивающей в себя воду (части­цы электрической жидкости много меньше частиц самого тела, иначе они не могли бы проникать внутрь тела). Но присутствие электрической жид­кости в теле не делает его наэлектризованным, если она содержится в теле в некотором, так сказать, нормальном количестве. При натирании же одно­го тела другим часть электрической жидкости перетекает из одного тела в другое, вот тогда-то оба тела и становятся наэлектризованными. То тело, в которое электрическая жидкость перетекла и в котором поэтому создается ее избыток по сравнению с нормальным количеством, становится облада­телем стеклянного электричества. Второе тело, в котором электрической жидкости оказывается меньше нормального количества, заряжается смоля­ным электричеством. Однако Франклин дал этим двум видам электричест­ва другие названия. Стеклянное электричество (им обладают тела с избыт­ком электрической жидкости) Франклин назвал положительным, а смоля­ное (которым обладают тела с недостатком электрического флюида) - от­рицательным. Эти названия, как известно, сохранились до наших дней, впрочем, как и другие термины, введенные в науку об электричестве Франклином: заряд, разряд, конденсатор, батарея, проводник и т. д.

Электричество и ... чулки. Другое объяснение было предложено в 1759 году англичанином Р. Симмером. Поводом для этого послужили до­вольно занятные наблюдения, проведенные им.

Симмер имел обыкновение носить две пары чулок: черные шерстяные для тепла и белые шелковые для красоты. Снимая с ноги сразу оба чулка и выдергивая один из другого, Симмер видел, как оба чулка' раздуваются, воспроизводят форму ноги и притягиваются друг к другу. Однако чулки одного цвета, как черные, так и белые, друг от друга отталкиваются. Если держать в одной руке два белых, а в другой два черных чулка, то при сбли­жении рук взаимное отталкивание одноцветных чулок и притяжение раз­ноцветных приводит к забавной возне между ними - чулки противополож­ных цветов как бы набрасываются друг на друга и сплетаются в один при­чудливый клубок.

Эти наблюдения и привели Симмера к заключению, что в каждом теле имеется не одна, а две электрические жидкости - положительная и отрица­тельная, содержащиеся в теле в одинаковых количествах. При натирании двух тел какая-то из них может перейти из одного тела в другое, тогда в од­ном теле окажется избыток одной из жидкостей, а в другом - ее недостаток.

Электрический конфликт. Так появились два представления об элек­тричестве. Долгое время, почти полтора столетия, ни одна из них не полу­чала всеобщего признания.

Когда в конце XVII - начале XIX веков появилась возможность полу­чать и изучать постоянный электрический ток, возник спор о том, что именно «течет» в цепи, содержащей источник тока и проводники. Были сомнения в том, одинаковы ли электричество, которое получают при нати­рании тел, и то, что течет в электрической цепи. Последнее получило даже специальное название - гальваническое электричество. Но все же многие считали, что в проводниках электрической цепи текут одновременно два симмеровских электричества, и называли электрический ток... электриче­ским конфликтом, поскольку эти электричества текут в противоположных направлениях. Так, например, когда в 1820 году X. Эрстед издал брошюру, в которой описывалось открытое им действие тока на магнитную стрелку, он назвал ее так: «Опыты, относящиеся к действию электрического кон­фликта на магнитную стрелку».

Тогда читателям было понятно это странное для нас название, и брошюра имела успех ввиду фундаментальной важности сделанного открытия.

Окончательное разрешение старый спор двух теорий - Франклина и Симмера - получил лишь в конце XIX - начале XX веков. Теперь мы знаем, что победителем в споре надо признать Симмера. «Электрические жидко­сти Симмера» - это отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны, которые в одинаковом числе содержатся в каждом нейтральном теле, в каждом атоме вещества.

Но кое-что оказалось верным в теории Франклина: при натирании тел пе­реходить с одного тела на другое может только один «флюид» - отрицатель­но заряженные электроны. Однако тело, на которое они переходят, становит­ся отрицательно заряженным, в то время как Франклин считал его заряжен­ным положительно. Это связано с тем, что Франклин счел нужным назвать положительным стеклянное электричество Дюфе. От этого выбора, сделан­ного Франклином, следует и то, что электрону мы приписываем отрицатель­ный знак заряда, и то, что за направление электрического тока принимается направление движения положительных зарядов, хотя в подавляющем боль­шинстве проводников, прежде всего, металлических, фактически движутся отрицательно заряженные частицы. В электролитах и газах электрический ток - это встречное движение и положительных, и отрицательных частиц. Но теперь никто это не считает электрическим конфликтом.