Электроскоп. Проводники и непроводники электричества

Урок №

Тема: Электроскоп. Проводники и непроводники электричества. Электрическое поле.

Цель урока:

Познакомить учащихся с устройством электроскопа. Сформировать представления учащихся об электрическом поле и его свойствах.

Демонстрации:

1. Устройство и принцип действия электроскопа.

2. Проводники и непроводники электричества.

3. Обнаружение поля заряженного шара.

Ход урока

Повторение. Проверка домашнего задания

1. Какие два типа зарядов существуют в природе, как их называют и обозначают?

2. Как взаимодействуют между собой тела, имеющие одноименные заряды? Приведите примеры.

3. Как взаимодействуют между собой тела, имеющие разноименные заряды? Приведите примеры.

4. Может ли одно и то же тело, например эбонитовая палочка, при трении электризоваться то отрицательно, то положительно?

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

6. Правильно ли выражение: «При трении создаются заряды»? По­чему?

Задача

На дно стеклянного сосуда, в отверстие которого продета трубка, насыпа­ем немного медных стружек и заливаем азотной кислотой. Из отверстия будет выходить бурая струя двуокиси азота. Поднесем к ней наэлектризованную па­лочку, струя притягивается к ней.

- Что показывают эти опыты? (Любые тела: твердые, жидкие и газообразные — притягиваются к наэлектризованным телам.)

Задача на смекалку

Генеральная уборка на кухне была в разгаре. Вымыв пол, Шерлок Холмс взялся за мебель. Полированные поверхности кухонных шкафов и полок он энергично протирал сухой тряпкой из синтетической ткани, а окрашенные масляной краской - сырой. Почему он по-разному относился к своей мебели?

(Ответ. Полированные поверхности при трении их синтетической тка­нью электризуются и приобретают вместе с находящейся на них пылью элек­трический заряд; ткань при этом тоже приобретает заряд, но другого знака. Вследствие этого пыль и ткань притягиваются друг к другу, и пыль плотно оседает на тряпке. Окрашенные масляной краской поверхности при трении не электризуются, поэтому пыль с них удаляют влажной тряпкой, которая смачивает пыль, заставляя ее «прилипнуть» к ткани.)

Лабораторная работа

Исследование электризации различных тел

Приборы и материалы: гильза бумажная на шелковой нити, подвешен­ная на штативе; линейка измерительная из оргстекла; полоска резиновая размером 30 х 300 мм; пленка полиэтиленовая 30 х 300 мм; полоска бу­мажная размером 30 х 300 мм; кусок капроновой ткани.

Порядок выполнения работы

1. Наэлектризуйте друг о друга (трением, прижатием, ударами) линейку из оргстекла и резиновую полоску (оргстекло при взаимодействии с рези­ной заряжается положительно).

2. Зарядите бумажную гильзу, висящую на нити, при помощи заряжен­ной линейки.

3. Подносите заряженные линейку и резиновую полоску поочередно к заряженной гильзе, не касаясь ее, и наблюдайте их взаимодействие. Какими зарядами заряжены гильза и резиновая полоска?

4. Определите с помощью заряженной гильзы знаки зарядов у предло­женных вам тел после их электризации друг о друга.

5. Результаты опытов внесите в таблицу:

Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Устройство и принцип действия электроскопа и электрометра.

2. Проводники и диэлектрики.

3. Электрическое поле.

4. Электрические силы.

1. Устройство и принцип действия электроскопа и электрометра

Эксперимент 1

На двух нитках подвешены расчески. Как узнать, какая из этих расчесок наэлектризована (ни чем другим пользоваться нельзя)?

(Ответ: Нужно одну расческу взять в руку, тем самым разрядить ее на себя, если она была заряжена. Затем, держа расчески за нитки, сблизить их и посмотреть, как они будут вести себя теперь. Если будут взаимодействовать, значит, вторая расческа заряжена, если взаимодействия не наблюдается, зна­чит была заряжена первая.)

Эксперимент 2

Поднесите к гильзе заряженную эбонитовую палочку. Гильза сначала при­тянется, а затем оттолкнется.

- Почему гильза отталкивается? (Гильза коснулась палочки и получила отрицательный заряд.)

- А как это можно проверить? (Нужно поднести к гильзе предмет, заря­женный положительно, например, стеклянную палочку. Тогда гильза должна притянуться.)

С помощью подобных опытов можно обнаружить, что тело наэлектризо­вано, т.е. ему передали электрический заряд.

Существуют приборы, с помощью которых можно определить, наэлектри­зовано тело или нет. Это электроскоп и электрометр.

Конструкция электроскопа проста: через пластмассовую пробку в ме­таллической оправе проходит металлический стержень, на конце которого закреплены два листика тонкой бумаги. Оправа с двух сторон закрыта стеклом.

Демонстрируя устройство и принцип действия электроскопа, учитель задает учащимся вопросы:

1. Как при помощи листочков бумаги обнаружить, наэлектризовано ли тело?

2. Как по углу расхождения листочков электроскопа судят о его за­ряде?

Если к положительно заряженному электроскопу поднести тело, заряжен­ное таким же знаком, то угол между его лепестками увеличится. Если проти­воположного знака, то угол уменьшится.

Для опытов с электричеством используют и другой, более совершенный прибор - электрометр. Здесь легкая металлическая стрелка заряжается от металлического стержня, отталкиваясь от него на тем больший угол, чем больше они заряжены.

- Скажите, чем отличаются эти приборы от других, уже известных вам: линейки, мензурки, часов и т.д.? (Отсутствуют единица измерения, шкала, нет нуля и максимального значения.)

- Для чего применяются электроскопы и электрометры? (С помощью этих приборов можно выяснить, наэлектризовано тело или нет, но нельзя сказать, каким по величине зарядом обладает тело.)

2.Проводники и диэлектрики.

Понятие о проводниках и диэлектриках можно ввести на основании опытов.

Опыт 1. Возьмем два электрометра и один из них зарядим. Соединяя электрометры металлической палочкой, убежда­емся, что электрический заряд передается от одного электрометра к друго­му.

Опыт 2. Если коснуться рукой заряженного электроскопа, то листики упадут. Че­рез руку электрический заряд уйдет в наше тело.

Опр. Тела, которые способны проводить электрические заряды, называются проводниками.

- Какие вы знаете хорошие проводники? (Все металлы, почва, вода с ра­створенными солями, тело человека, растворы кислот, щелочей, солей...)

Опыт 3. Соединяя электрометры каучуковой палочкой, убеждаемся, что заряд в этом случае не передается. Эти вещества называются изоляторами (или диэлектриками).

Опр. Тела, через которые электрические заряды не могут проходить от заря­женного тела к незаряженному, называют диэлектриками.

Из них делают изоляторы.

- Приведите примеры диэлектриков. (Эбонит, фарфор, стекло, воздух, резина, пластмассы, шелк, газы.)

1. Электрическое поле.

Механическое действие тел друг на друга про­исходит или при непосредственном соприкосновении тел, или при наличии между ними какого-либо материального посредника. Так, при ударе двух шаров осуществляется непосредственный контакт обоих взаимодействую­щих тел, а при буксировке одного автомобиля другим действие первого автомобиля ко второму передается через третье тело - трос. Во всех случа­ях, когда между двумя взаимодействующими телами нет контакта, можно обнаружить такое «третье тело», которое, являясь посредником, передает действие от одного тела к другому, причем действие передается с конечной скоростью. Так, действие звучащего тела на барабанную перепонку уха передается через воздух с конечной скоростью (скорость звука).

Иное дело - взаимодействие электрических зарядов. Заряженные тела действуют друг на друга, хотя на первый взгляд нет никакого посредника между ними (воздух таким посредником быть не может, так как электриче­ское взаимодействие происходит и в вакууме).

Согласно учению английских физиков Фарадея и Максвелла, вокруг за­ряженных тел существует среда, посредством которой и осуществляется электрическое взаимодействие. Пространство, окружающее один заряд, воздействует на пространство, окружающее другой заряд и наоборот. По­средником в этом взаимодействии и является электрическое поле.

Эксперимент 1

Подвесим на нитке легкую металлическую гильзу из фольги. Медленно приблизим к гильзе вертикально расположенную пластину пенопласта, предварительно зарядив ее натиранием шерстью (пенопласт зарядится отрицательно).

- Что происходит? (При отсутствии непосредственного контакта гильза на нити отклонилась от вертикального положения.)

Итак, заряженные тела могут взаимодействовать и на расстоянии. Может быть, все дело в воздухе, находящимся между телами?

Эксперимент 2

Заряженный электроскоп (с вынутыми стеклами) помещают под колокол воздушного насоса. Воздух выкачивается. В безвоздушном пространстве ли сточки электроскопа по-прежнему будут отталкиваться друг от друга.

- Какой можно сделать вывод? (В передаче электрического взаимодействия воздух не участвует.)

- Как же осуществляется взаимодействие? (С помощью электрического поля, которое образуется вокруг заряженных тел.)

Опр. Электрическое поле - форма материи, посредством которой осуществ­ляется электрическое взаимодействие заряженных тел, оно окружает любое заряженное тело и проявляет себя по действию на заряженное тело.

Главное свойство электрического поля заключается в его способности действовать на электрические заряды с некоторой силой.

Опр. Силу, с которой электрическое поле действует на внесенный в него электрический заряд, называют электрической силой.

Нетрудно показать, что направление сил, действующих в электрическом поле, зависит от знака заряда тела, вокруг которого существует поле, их значение - от расстояния рассматриваемой точки до заряженного тела.

Основные свойства электрического поля:

1. Электрическое поле заряженного тела действует с некоторой силой ил всякое другое тело, оказавшееся в этом поле.

2. Вблизи заряженных тел создаваемое ими поле сильнее, а вдали - слабее.

Приведите примеры экспериментов, подтверждающих первое свойство. (Опыт 1-с гильзой и пенопластом.)

Эксперимент 3

На край спинки стула кладется деревянная линейка так, чтобы она была в равновесии и неподвижна. Стеклянная бутылка тщательно протирается тряпочкой и подносится к линейке, не прикасаясь (бутылка должна быть хорош высушена). Линейка выходит из состояния покоя и падает. В чем причина?

(Ответ: Линейка оказалась в электрическом поле заряженной бутылки и подверглась действию этого поля.)

Второе свойство электрического поля можно проиллюстрировать при помощи следующего опыта:

Эксперимент 4

На столе стоит электрометр. Медленно приближаем заряженный пенопласт к шару электрометра, отслеживая положение стрелки прибора в зависимости от расстояния между пенопластом и шаром.

Вывод: интенсивность электрического поля тем боль­ше, чем меньше расстояние до заряженного тела.

Со времен Фарадея для графического изображения электрического поля принято использовать силовые ли­нии (см. рис.).

Закрепление изученного материала

1. Опишите опыт, который показывает, что электри­ческое взаимодействие передается не через воздух.

2. Чем отличается пространство, окружающее заряженное тело, от пространства, окружающего незаряженное тело?

3. Как можно обнаружить электрическое поле?

4. Как изменяется сила, действующая на гильзу при удалении ее от заря­женного тела?

5. Если к заряженному металлическому шарику прикоснуться паль­цем, он теряет практически весь заряд. Почему?

6. Правильно ли утверждение, что два заряда, равные по модулю, но противоположные по знаку, уничтожаются, если их поместить на один и тот же проводник?

7. Что общего между гравитационным и электрическим взаимо­действием? Каковы наиболее заметные отличия?

8. Достаточно ли просто коснуться шарика электроскопа заря­женной эбонитовой палочкой, чтобы стрелка электроскопа за­метно отклонилась?

9. Как при помощи листочков бумаги обнаружить, наэлектризовано тело или нет?

10. Опишите устройство школьного электроскопа.

11. Как по углу расхождения листочков электроскопа судят о его заряде?

Эксперимент

Потрем две диэлектрические пластины из различных материалов (эбони­та и стекла) друг о друга и опустим каждую из них в полые сферы двух одина­ковых электрометров. Стрелки электрометров отклонятся на равные углы.

Соединим шары электрометров стальным стержнем на пластмассовой ручке, стрелки электрометров тут же опадут.

- Объясните этот эксперимент.

(Ответ: Два тела при трении заряжаются зарядами, равными по модулю, но противоположными по знаку. Если использовать тела из одного материала, то электрометры не зафиксируют появления заряда.)

Домашнее задание: §27, 28 учебника; ответить на вопросы к параграфам; № 1187, 1201, 1205.

Объяснить эксперимент «Обидчивый шарик»:

На демонстрационный стол я кладу большой толстый (толщиной 4-5 мм) лист из оргстекла, тщательно протираю его куском газеты. Вынимаю из кар­мана шарик от настольного тенниса и кладу его на середину листа. Затем, изображая сосредоточенность, расставляю ладони у края оргстекла и начи­наю медленно их приближать к шарику. Шарик вначале стремительно катит­ся к одной руке, а затем, коснувшись ее, откатывается, «обидевшись».

- Чем объясняется такое поведение шарика?

(Ответ: Причина-электризация оргстекла, бумаги и рук, а также взаимо­действие зарядов. Шарик, находящийся на поверхности оргстекла, получает от него заряд такого же знака, а руки от бумаги - другого. Разноименные заря­ды притягиваются, что видно из начального поведения шарика. Коснувшись руки, шарик приобретает заряд другого знака и поэтому отталкивается от руки.)

Дополнительный материал

Майкл Фарадей (1791-1867гг.)

Майкл Фарадей родился в предместье Лондона в семье кузнеца. Майкл получил только начальное образование и с 13 лет работал переплетчиком в книжной лавке. Именно там он развил свои знания путем систематического самообразования, читая книги, которые переплетал.

Однажды Майкл Фарадей посетил одну из лекций Хемфри Деви, вели­кого английского физика, изобретателя безопасной лампы для шахтеров. Фарадей сделал подробную запись лекции, переплел ее и послал Деви. Тот был настолько поражен, что предложил Фарадею работать в качестве сек­ретаря. Вскоре Деви отправился в путешествие по Европе и взял с собой Фарадея.

Вернувшись в Лондон в 1815 году, Фарадей начал работать ассистентом в одой из лабораторий Королевского института в Лондоне. А в 1825 году он сменил Деви на посту директора лаборатории. В здании института Фа­радей прожил всю свою жизнь, замкнуто и скромно.

Когда в 1835 году друзья выхлопотали ему государственную пенсию, он отказался ее принять. Только после того, как к нему обратился министр финансов Англии лорд Мельбурн, Фарадей изменил свое решение.

Основные работы Фарадея связаны с электричеством и магнетизмом. Намотав в виде спирали проволоку на кусок железа, он доказал, что при прохождении через нее электричества железо превращается в магнит. Затем Фарадей ударил железо и выяснил, что магнитные свойства спирали не из­менились. Этот прибор был назван им электромагнитом.

Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879 гг.)

Джеймс Клерк Максвелл родился в Эдинбурге в семье шотландского дворянина. Он получил образование в Эдинбургском и Кембриджском университетах. В 1860 г. Максвелл стал профессором Лондонского универ­ситета, где он основал первую в Англии специально оборудованную физи­ческую лабораторию. В 1860 г. он был избран членом Лондонского Коро­левского общества Академии наук Англии.

Одну из своих ранних научных работ - исследование об овальных кри­вых - Максвелл написал еще в 15-летнем возрасте. Будучи студентом Эдинбургского университета, он сделал в Эдинбургском Королевском об­ществе Академии наук Шотландии доклад о равновесии упругих тел, дока­зал теорему, известную ныне в теории упругости и сопротивления мате­риалов как теорема Максвелла.

В 1855 г. Максвелл провел ряд исследований по теории цветового зре­ния. В том же году он начал исследование «О Фарадеевых силовых лини­ях», которое продолжал, по существу, в течение всей своей жизни.

«Я старался, - писал Максвелл, - ... представить математические идеи в наглядной форме, пользуясь системами линий или поверхности, - а, не употребляя только символы, которые и не особенно пригодны для изложе­ния взглядов Фарадея и не вполне соответствуют природе объясняемых явлений».

И далее: «Электромагнитное поле - это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или маг­нитном состоянии».

Таково первое в истории физики определение электромагнитного поля. Фарадей начал разработку идеи. Максвелл блестяще завершил ее, создав теорию электромагнетизма.

Дальнейшее развитие этой теории привело Максвелла к выводу об элек­тромагнитной природе света.

Максвелл выразил законы электромагнитного поля в виде системы че­тырех дифференциальных уравнений, которые легли в основу электроди­намики. Максвелл, пользуясь методами математической статистики, сфор­мулировал в кинетической теории газов закон распределения молекул иде­ального газа по скоростям. Выполнил также ряд крупных работ по оптике, теории упругости, молекулярной физики.

Развитие учения об электричестве в XVII и XVIII вв. до изобретения лейденской банки

В своей книге Гильберт коснулся и электрических явлений. Нужно отме­тить, что хотя в то время магнетизм и электричество рассматривались как явления разной природы, тем не менее, очень давно ученые заметили в них много общего. Поэтому не случайно во многих работах исследовались одно­временно и магнитные и электрические явления. В частности, изучение маг­нетизма вызвало интерес к исследованию электрических явлений.

Так было и у Гильберта. Изучая магнитные явления, что, как мы говорили, имело практический интерес, он уделил внимание и электричеству, хотя оно в то время в практике не использовалось.

Гильберт открыл, что наэлектризовать можно не только янтарь, но и ал­маз, горный хрусталь и ряд других минералов. В отличие от магнита, который способней притягивать только железо (других магнитных материалов в то время не знали), наэлектризованное тело притягивает многие тела.

Новый шаг к изучению электрических явлений был сделан немецким уче­ным Герике. В 1672 г. вышла его книга, в которой были описаны опыты по электричеству. Наиболее интересным достижением Герике было изобретение им «электрической машины». «Электрическая машина» представляла собой шар, сделанный из серы и посаженный на железный шест. Герике вращал этот шар и натирал его ладонью руки. Впоследствии ученый несколько раз усовершенствовал свою «машину».

Несмотря на простоту прибора, Герике смог с его помощью сделать неко­торые открытия. Так, он обнаружил, что легкие тела могут не только притяги­ваться к наэлектризованному шару, но и отталкиваться от него.

В XVIII в. изучение электрических явлений пошло быстрее. В первой по­ловине этого столетия были открыты новые факты.

В 1729 г. англичанин Грей открыл явление электропроводности. Он уста­новил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой нити электричество не распростра­нялось. В связи с этим Грей разделил все тела на проводники и непроводники электричества.

Затем французский ученый Дюфе спустя пять лет выяснил, что существу­ет два рода электричества. Один вид электричества получается при натира­нии стекла, горного хрусталя, шерсти и некоторых других тел. Это электриче­ство Дюфе назвал стеклянным электричеством.

Второй вид электричества получается при натирании янтаря, шелка, бу­маги и других веществ. Этот вид электричества Дюфе назвал смоляным. Ученый установил, что тела, наэлектризованные одним видом электриче­ства, отталкиваются, а разными видами, притягиваются.

Впоследствии стеклянное электричество было названо положительным, а смоляное - отрицательным. Это название предложил американский ученый и общественный деятель Франклин. При этом он исходил из своих взглядов на природу электричества.