Закон збереження електричного заряду.

Мета.

Навчальна. Ввести поняття провідника та діелектрика електричного заряду. З’ясувати значення заземлення. Ознайомити з будовою та принципом дії електроскопа та електрометра. Довести, що електричний заряд  дискретний. Навчитися розв’язувати найпростіші задачі на визначення заряду тіла.

Розвиваюча. Розвивати фізичну компетентність, логічне та абстрактне мислення.

Виховна. Виховувати в учнів спостережливість, вміння робити висновки, висловлювати свою думку та вміння спілкуватися.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика 8 клас, Бар'яхтар В. Г. Довгий С. О., видавництво "Ранок".
• Демонстрація. Провідники та діелектрики (панель демонстраційна, джерело струму, з’єднувальні провідники, світлодіодна лампочка, набір предметів провідників і непровідників електрики).
• Демонстрація. Будова та принцип дії електроскопа (електроскоп, ебонітова та скляна палички, шерсть, папір).
• Демонстрація. Оцінка значень переданого заряду за допомогою електрометра (електрометр, електрофорна машина, з’єднувальні провідники).
• Відео. Перерозподіл електричного заряду двох електрометрів. (Час показу 1:15 хв)

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Закон збереження електричного заряду.
3. Запитання до уроку.
4. Домашнє завдання.
5. Перевір себе.
6. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Закон збереження електричного заряду.

Міркуємо разом. Відтоді, як Вільям Гілберт показав, що тертям можна наелектризувати дуже велику кількість тіл, вчені із завзятістю узялися за подальше дослідження. Відомий єгиптолог Бругш Паша припускав, що в єгипетських храмах існували… блискавковідводи! Вони являли собою високі дерев’яні щогли з металевим обшиттям. Такі ж жердини, тільки зроблені із заліза, були відомі древнім індусам. Блискавковідводи використовують і в наш час.

Ці та інші дослідження відбилися у величезному числі експериментів, з яких поступово виникає знання законів електрики, знання, яке застосовується на практиці й досягає свого кульмінаційного моменту у небувалому розвитку сучасної електротехніки.

Як оцінити кількість отриманого тілом заряду?

Навіщо використовують блискавковідводи?

Провідники та діелектрики. Якщо спробувати наелектризувати тертям металевий стрижень, утримуючи його в руці, то виявиться, що це неможливо. Річ у тім, що метали - це речовини з безліччю, так званих, вільних електронів, які легко переміщуються по всьому об’єму фізичного тіла. Такі речовини прийнято називати провідниками.

Спроба наелектризувати металевий стержень, тримаючи його в руці, призведе до того, що надлишкові електрони дуже швидко “втечуть” зі стрижня і “дорогою для втечі” буде сам дослідник, адже тіло людини - провідник. Зазвичай “кінцевий пункт” для електронів - Земля, яка також є провідником. Розміри її величезні, тому будь-яке заряджене тіло, якщо його з’єднати провідником із землею, через деякий час стане практично електронейтральним (незарядженим). Тіла, заряджені позитивно, одержать деяку кількість електронів від землі, а з тіл, заряджених негативно, надлишкова кількість електронів  піде в землю.

Технічний прийом, що дозволяє розрядити будь-яке заряджене тіло шляхом його з’єднання із землею, називається заземленням.

У деяких випадках, наприклад, щоб надати заряд провіднику, або зберегти на ньому заряд, заземлення слід уникати. Для цього використовують тіла, виготовлені з діелектриків. У діелектриках (їх ще називають ізоляторами) вільні електрони практично відсутні. Тому якщо між землею і зарядженим тілом поставити бар’єр у вигляді ізолятора, то вільні електрони не можуть покинути провідник ( або потрапити на нього) і провідник залишиться зарядженим.

Скло, оргскло, ебоніт, бурштин, гума, папір, гас, сухе повітря, дистильована вода - діелектрики.

Демонстрація. Провідники та діелектрики (панель демонстраційна, джерело струму, з’єднувальні провідники, світлодіодна лампочка, набір предметів провідників і непровідників електрики).

Як оцінюють кількість отриманого заряду тілом? Ваших знань уже достатньо, щоб зрозуміти принцип дії приладів, які дозволяють вивчати не тільки якісні, але й кількісні характеристики заряджених тіл. Здавна для визначення наявності у тіла електричного заряду використовують електроскоп. 

Електроскоп - прилад для виявлення електричного заряду.

Демонстрація. Будова та принцип дії електроскопа (електроскоп, ебонітова та скляна палички, шерсть, папір).

Кут між смужками електроскопа залежить від значення одержаного ними заряду. Цей кут тим більший, чим більший одержаний заряд. Така залежність дозволяє модернізувати електроскоп і застосовувати його не тільки для якісних, але й для кількісних вимірювань. Для цього на передній стінці корпусу розмістили шкалу, завдяки якій можна оцінювати значення переданого на електроскоп заряду, а паперові смужки замінили легкою металевою стрілкою. Такий прилад називають електрометром.

Електрометр - прилад для визначення величини електричного заряду.

Демонстрація. Оцінка значень переданого заряду за допомогою електрометра (електрометр демонстраційний, електрофорна машина, з’єднувальні провідники).

Дія електроскопа чи електрометра ґрунтується на взаємодії однойменно заряджених частинок.

Чи існує межа поділу електричного заряду? Зарядимо електрометр, з’єднаємо його за допомогою металевого провідника з таким самим, але незарядженим електрометром. Через провідник заряди перейдуть на незаряджений електрометр. Обидва електрометри стануть однаково зарядженими. Розрядимо другий електрометр. Повторимо дослід кілька разів.

Чи існує межа поділу електричного заряду?

Експериментально подільність заряду було виявлено Робертом Ендрусом Міллікеном в експерименті з олійними краплями. В 1911 році А. Ф. Йоффе визначив заряд електрона, використовуючи ту ж ідею, що й Р. Міллікен: в електричному і гравітаційному полях урівноважувались заряджені частинки металу. Проте цю роботу Йоффе опублікував тільки 1913 року. Міллікен же опублікував свій результат дещо раніше, тому в світовій літературі експеримент отримав його ім’я.

Електричний заряд є дискретним (подільним), тобто електричні заряди фізичних тіл кратні найменшому заряду.

Абсолютне значення заряду електрона називають елементарним.

Таким чином, носієм найменшого негативного заряду є  електрон: 

qe=-е=-1,6·10-19 Кл.

Носієм найменшого позитивного заряду є протон: 

qp=е=+1,6·10-19 Кл.

Заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона: 

|qe| = |qp|.

Частинок із зарядом, що не є кратним заряду електрона, не існує.

У результаті численних дослідів фізики з’ясували, що під час електризації відбувається розподіл наявних електричних зарядів, а не створення нових. Отже, виконується закон збереження електричного заряду.

Закон збереження електричного заряду: повний заряд замкненої системи тіл або частинок залишається незмінним під час усіх взаємодій, які відбуваються в цій системі.

Під замкненою системою розуміють таку систему тіл або частинок, які взаємодіють тільки одне з одним, тобто не взаємодіють з іншими тілами або частинками.

Якщо, у замкненій системі, привести у контакт кілька заряджених провідних тіл однакового розміру, то згідно закону збереження електричного заряду, заряд перерозподілиться між ними:

Відео. Перерозподіл електричного заряду двох електрометрів. (Час показу 1:15 хв)

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 30.1. Планета Земля має заряд  Кл. Визначте кількість надлишкових електронів, яку має Земля.

4. Запитання до уроку.

Запитання 30.1. Які особливості будови металів пояснюють, чому метали - провідники?

Запитання 30.2. Чому під час електризації електрони переходять з одного тіла на інше?

Запитання 30.3. Як дослідним шляхом відрізнити провідник від діелектрика? З якою метою у повсякденному житті та техніці використовують діелектрики?

Запитання 30.4.  Чому до цистерни бензовоза прикріплюють сталевий ланцюг, що торкається землі? Як називають такий технічний прийом? Чому при використанні залізничної цистерни в цьому немає необхідності?

Запитання 30.5. Яка будова електроскопа та електрометра? Для чого їх використовують? На чому грунтується дія цих приладів?

Запитання 30.6. Чому в приміщенні, де багато людей, заряджений електроскоп швидко втрачає заряд?

Запитання 30.7.  Чим потрібно доторкнутися до позитивно зарядженої кулі електроскопа, щоб він повністю розрядився: пальцем, заземленою дротиною, металевою кулькою з позитивним зарядом чи нейтральною ізольованою металевою кулькою? Відповідь обґрунтуйте.

Запитання 30.8.  Як ви розумієте твердження, що електричний заряд є дискретним? Чи може нейтральний атом втратити заряд 1,2е?

Запитання 30.9. Сформулюйте закон збереження електричного заряду. Яким є заряд частинки, до складу якої входить 1 електрон, 1 протон, 1 нейтрон?

Запитання 30.10. На шовковій нитці підвішена незаряджена гільза з алюмінієвої фольги. Якщо до неї наблизити наелектризовану скляну паличку, то гільза притягується до неї. Чому гільза одразу після дотикання до палички відштовхується від неї?

Запитання 30.11. Дві однакові заряджені легкі металеві кульки підвішені на шовкових нитках в одній точці. Як зміниться кут між нитками, якщо доторкнутись до однієї з кульок рукою?

Запитання 30.12. Навіщо використовують блискавковідводи? Як вони працюють?

5. Домашнє завдання.

Підручник: § 20, 21.

Задача 30.2. Чому, під час дослідів з електроскопом, до його кульки не тільки торкаються наелектризованою паличкою, а й проводять нею по кульці? Свої міркування запишіть до зошита.

Задача 30.3.  Чому метали внаслідок натирання їх вовною або шовком електризуються тільки позитивно? Як наелектризувати металеву паличку? Свої міркування запишіть до зошита.

Тестування. Закон збереження електричного заряду.  Відповіді учнів

Усне опитування по  запитаннях до уроку.

6. Перевір себе.

7. Для допитливих.

Розширюємо кругозір.

Чи може метал бути ізолятором? Може! Німецькі фізики вивчили електричні властивості Індію. Для дослідження вони брали все менші й менші часточки металу. Виявилося, що коли розмір часточки став дорівнювати  мікрометра, метал став ізолятором. У такій малій кількості металу електронам «ніде розвернутися», вони втрачають рухливість. Це відкриття вказує на межу створення мікросхем.

Чи може пластмаса бути провідником? Може! Якщо в процесі виготовлення пластмаси в неї додати йод. Існують пластмаси, які мають провідність не гіршу, ніж у міді.

Чи може скло бути провідником? Може, якщо нагріти його в полум'ї! У нагрітому стані скляний «дріт» здатен живити електричну лампочку.

Розширюємо кругозір. Блискавковідвід. В 1760 р., на даху будинку купця Веста у Філадельфії Бенджамін Франклін влаштував перший блискавковідвід, встановивши приймальний залізний стрижень висотою в 3 метри і завтовшки 27 міліметрів та з’єднавши нижній його кінець за допомогою провідника із землею. Належне з’єднання із землею складає необхідну умову доброї дії всієї системи блискавковідводу. Тому кінець провідника занурювався у вологий грунт на глибину до двох метрів.

На даху свого будинку Франклін встановив такий же стрижень, обладнавши його нижній кінець двома дзвіночками, які дзвонили кожного разу, коли повітря мало достатньо сильну електричну напругу.

Практичне значення винаходу блискавковідводу довгий час не визнавалося багатьма європейськими вченими. В Європі перший блискавковідвід був споруджений в 1754 р. приходським священиком Прокопом Дівішем в Моравії. Першим містом, в якому влаштували блискавковідвід на громадській будівлі, був Гамбург, де в 1769 р. ним була облаштована башта Якова. Великий вплив на впровадження блискавковідводів зробив голос знаменитого швейцарського фізика Соссюра, який в 1771 р. влаштував блискавковідвід на своєму домі в Женеві та, щоб заспокоїти обурені цим богобоязливі душі місцевих жителів, надрукував і даром роздав брошуру про практичну користь установки провідників атмосферної електрики. Але тільки в 1788 р. англійські моряки почали встановлювати перші блискавковідводи на щоглах своїх суден.

На відміну від Європи американський уряд найенергійнішим чином підтримав ідею Франкліна. У 1782 р. Філадельфія на своїх 1300 будинках мала вже понад 400 блискавковідів. Вони були встановлені на всіх громадських будівлях, за винятком готелю французького посольства. Саме в цю будівлю і ударила блискавка 27 березня 1782 р., вразивши на смерть офіцера. І лише тоді французьке посольство встановило на даху будівлі блискавковідвід.

У самій Франції тільки з 1784 р. блискавковідводи стали встановлюватися на дахах порохових магазинів і деяких громадських будівель.

Венеціанська республіка в 1788 р. забезпечила блискавковідводами свій флот, а Фрідріх Вільгельм II Прусський наказав встановлювати блискавковідводи усюди в своїх володіннях, заборонивши, втім, їх установку на даху замку Сан-Сусі.