МБОУ Средняя общеобразовательная школа №4
Стрельцова О.А. учитель физики
Формирование понятия электростатическая индукция
Раздел "Электродинамики" занимает важнейшее место в курсе физики, на ее изучение отводится 30% от общего времени. Основы закладываются в основной школе в 8 классе. От уровня усвоения темы зависит ее дальнейшее понимание при последующем изучении, в 10 или 11 классе, в зависимости от выбора профиля изучения материала. Для глубокого усвоения раздела немаловажным является понятие электростатической индукции, которому уделяется мало времени в курсе школьной физики, но в то же время, рассматривается большое количество заданий в ОГЭ и ЕГЭ по физике. Данная тема является сложной, так как большинство понятий темы абстрактны, их нельзя почувствовать, увидеть.
Изучение понятия электростатической индукции дает возможности для развития умений наблюдать, анализировать конкретные ситуации, выделять определенные признаки, сравнивать наблюдаемые явления: развитие логического и абстрактного мышления; используются аналогии; широко используется экспериментальный метод; развитие умений видеть в быту, технике электрические явления и объяснять их с помощью изученного материала и т.п.
Формирование принципа электростатической индукции возможно на основании теоретических знаний таких понятий, как электрический заряд, электрическое поле, проводники, диэлектрики, полупроводники, элементарный электрический заряд, теории строения атома и закона сохранения электрического заряда.
Изучение явления электризации должно привести к формированию у школьников твердых убеждений в том, что электрический заряд всегда связан с материальным носителем – телом, частицей и, с одной стороны, характеризует свойство материальных носителей "притягивать к себе другие тела", а с другой стороны – является качественной мерой этого взаимодействия. Действие электрического поля распространяется на все вещественные объекты: от тел, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, и до мельчайших частиц, входящих в состав вещества,— электронов, протонов, ионов. Собственно взаимодействие этих частичек с электрическим полем определяет электрические свойства вещества в целом.
Понятие электростатическая индукция должно быть сформулировано, как явление возникновения зарядов на проводниках или диэлектриках в электрическом поле. Данное понятие формируется на основе демонстрации серии опытов и объясняется перераспределением электрических зарядов между соприкасающимися телами под действием электрического поля, в диэлектриках – смещение положительных и отрицательных зарядов внутри молекул в противоположные стороны.
Серия экспериментов наблюдения электростатической индукции:
Опыт состоит из четырех отдельных демонстраций, которыми решают следующие задачи: 1)выясняют явление электростатической индукции, 2)показывают применение этого явления для определения знака неизвестного заряда, 3)показывают способ получения электрических зарядов через влияние.
Оборудование: 1)электроскопы (пара), 2)палочки из схимнического стекла, 3)палочка эбонитовая, 4)металлическая трубка на изолирующей ручке, 5)кусок мехи, 6) кусок листовой резины.
К шарику незаряженного электроскопа медленно приближают палочку из органического стекла, заряженную трением о мех. Лепестки электроскопа расходятся тем больше, чем ближе к шарику расположена палочка. При удалении палочки лепестки вновь опадают.
1.2 Палочкой из органического стекла, потертой о мех, сообщают электроскопу положительный заряд, так чтобы угол отклонения лепестков был не слишком большим. Возобновив на палочке положительный заряд, приближают ее к стержню заряженного положительно электроскопа. Угол отклонения лепестков увеличивается.
1.3 Поднося к тому же электроскопу эбонитовую палочку, заряженную отрицательно трением о мех, замечают, что лепестки электроскопа опадают. Опыт повторяют, поменяв знак заряда электроскопа.
1.4 Два незаряженных электроскопа соединяют разрядником и к шарику одного из них подносят хорошо заряженную палочку. Лепестки электроскопов расходятся. Взявшись за изолирующую ручку, снимают разрядник, после чего удаляют палочку. Оба электроскопа остаются заряженными. К шарику незаряженного электроскопа подносят заряженную палочку. Лепестки электроскопа расходятся. Прикасаются к шарику пальцем. Лепестки спадают. Отнимают от шарика палец и после этого удаляют палочку. Лепестки электроскопа расходятся, указывая на присутствие заряда.
2. Если к незаряженному проводнику поднести электрический заряд, то заряды противоположного знака переместятся к этому заряду, а такого же знака отодвинутся от него. При этом наш проводник в целом будет иметь нулевой заряд. В соответствии с законом Кулона сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональная расстоянию между ними. Получится, что незаряженный проводник будет притягиваться к поднесенному к нему заряду.
3.Если к шарику, предварительно не заряженному, поднести заряженную палочку, то шарик начнет притягиваться к палочке. Это можно объяснить тем, что под действием электрического поля заряженной палочки в шарике произойдет перераспределение заряженных частиц таким образом, что на части, более близкой к палочке, будет излишек заряженных частиц, знак которых противоположный знаку заряда палочки. Поэтому весь шарик начнет двигаться к палочке.
4. Наэлектризованную палочку поднести к деревянной линейке - «карусели». Линейка поляризуется и начнет притягиваться к палочке. С помощью заряженной палочки вы можете заставить линейку вращаться. Металлическая линейка также будет притягиваться к палочке и вращаться за ней.
5. Если проводящему телу А шарообразной формы, изолированному от окружающих предметов, сообщить отрицательный электрический заряд, т. е. создать в нем избыток электронов, то этот заряд равномерно распределится по поверхности тела. Так происходит потому, что электроны, отталкиваясь один от другого, стремятся выйти на поверхность тела. Поместим незаряженное тело Б, также изолированное от окружающих предметов, в поле тела А. Тогда на поверхности тела Б появятся электрические заряды, причем на стороне, обращенной к телу А, образуется заряд, противоположный заряду тела А (положительный), а на другой стороне — заряд, одноименный с зарядом тела А (отрицательный). Электрические заряды, распределяясь таким образом, остаются на поверхности тела Б до тех пор, пока оно находится в поле тела А. Если тело Б вынести из поля или удалить тело А, то электрический заряд на поверхности тела Б нейтрализуется. Такой способ электризации на расстоянии называется электростатической индукцией или электризацией посредством влияния.
6. Электрический маятник. Для этого опыта вам понадобится металлический экран, который легко сделать из листа картона с прикрепленной к нему скотчем металлической фольгой. Гильзу из фольги поместите между экраном и наэлектризованной палочкой. Вы будете наблюдать следующую картину: гильза притянется к палочке, резко отскочит, ударится об экран, снова притянется к палочке и т. д., т. е. начнет колебаться. Незаряженная гильза притягивается к наэлектризованной палочке, дотрагиваясь до нее, заряжается, резко отталкивается как одноименно заряженное тело и ударяется о металлический экран, которому отдает свой заряд. Процесс начинается снова. Так как гильза снимает большой электрический заряд, колебания получаются затухающими, так что палочку постоянно надо подзаряжать. Если вы воспользуетесь электрофорной машиной, то будете наблюдать незатухающие колебания.
Повторите опыт, заменив металлический экран картонным. Гильза дотронется до диэлектрического экрана и «прилипнет» к нему: экран поляризуется, т. е. его поверхность, обращенная к палочке, зарядилась положительно, поэтому гильза и «прилипла».
7. Электрические колебания можно наблюдать, если подвесить гильзу на карандаш между двумя обрезанными и обтянутыми фольгой пластиковыми бутылками. Поднесите на некоторое расстояние к установке заряженную палочку. Гильза коснется ближайшего к палочке электроскопа, зарядится от него тем же по знаку зарядом. Потом, как одноименно заряженная, оттолкнется от него, ударится о второй электроскоп, отдаст ему заряд, притянется к первому и т. д. Мы будем наблюдать колебания гильзы, т. е. модель «вечного двигателя»!
8. Поднесите к электроскопу заряженную палочку. Булавки (или листочки) электроскопа разойдутся. Значит, они оказались одинаково заряженными. Уберите палочку – они снова сойдутся. Мы наблюдаем явление электростатической индукции. Поставьте на крышку электроскопа перевернутую металлическую консервную банку. Вновь поднесите заряженную палочку, не касаясь банки. Листочки электроскопа никак не отреагируют на электрическое поле. Это означает, что внутри металлической банки электрического поля нет. По этой причине корпуса многих приборов металлические – они экранируют приборы от внешних электрических полей, помех, нежелательных сигналов.
9. Возьмите пластмассовый шарик от пинг-понга и поднесите к нему заряженную палочку – шарик будет послушно катиться за ней. Для усиления эффекта покройте его графитом.
10. Возьмите пластиковую бутылку, покрытую фольгой, и на ее край положите согнутую пополам полоску бумаги. Поднесите наэлектризованную палочку один раз со стороны полоски бумаги, другой раз – с противоположной стороны цилиндра. В первом случае полоска притянется к палочке, во втором – прилипнет к фольге цилиндра. Теперь зарядите цилиндр от наэлектризованной палочки. Повторите опыт. Вы получите противоположный результат!
11. «Электрический» компас. Возьмите бумажную стрелку. Накройте ее сверху стеклянной банкой. Потрите в одном месте стекло шерстяным лоскутком. Бумажная стрелка притянется к этому месту. Повторите опыт с прозрачной пластиковой баночкой. Пластик легче электризуется, и эффект получается больший. Начните поворачивать банку – за ней будет поворачиваться и стрелка. Поднесите заряженную палочку к стрелке, находящейся под банкой. Стрелка будет чутко реагировать на изменение положения палочки, т. е. на электрическое поле. Диэлектрики не экранируют электрические поля.
Результаты экспериментов должны быть объяснены на основе электронной теории, в результате которых формируется понятие электростатической индукции в проводниках и диэлектриках.
Учащиеся должны понять, что в проводниках подвижные заряженные частицы — электроны — перемещаются под действием внешнего электрического поля таким образом, что суммарное электрическое поле внутри проводника станет равным нулю. На отдельных участках поверхности проводника (в целом нейтрального) образуются равные по величине наведённые (индуцированные) заряды противоположного знака. Важно отметить использование электростатической индукции для защиты особо чувствительных электрических цепей (приемных, предающих, высокочастотных, измерительных) от внешнего электрического и электромагнитного поля (металлические экраны, которые электрически соединяются с минусовым электродом или землей).
Поляризованный же диэлектрик порождает электростатическое поле, добавляющееся к внешнему полю. Вследствие этого поверхность получает некий заряд. В диэлектриках, помещенных в постоянное электрическое поле, происходит поляризация, которая состоит либо в небольшом смещении положительных и отрицательных зарядов внутри молекул в противоположные стороны, что приводит к образованию электрических диполей (с электрическим моментом, пропорциональным внешнему полю), либо в частичной ориентации молекул, обладающих электрическим моментом, в направлении поля.
Формирование понятия электростатической индукции дает возможность понять физический смысл электрической емкости. Именно явление электростатической индукции дает возможность при определенных условиях накапливать электричество на поверхности проводящих тел. Каждое тело можно зарядить до известного предела, т. е. до определенного потенциала; повышение потенциала сверх предельного влечет за собой разряд тела в окружающую атмосферу. Для разных тел необходимо различное количество электричества, чтобы довести их до одного и того же потенциала. Иначе говоря, различные тела вмещают различное количество электричества, т. е. обладают разной электрической емкостью (или просто емкостью).
Демонстрация экспериментов по электростатической индукции должна привести учащихся к выводу, что заряд делится пополам только между телами одинаковых размеров. Чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдёт. На этом основано заземление-передача заряда земле. Земной шар - грандиозный «поглотитель» или источник электронов. Если соединить заряженное отрицательно металлическое тело с землёй, то все лишние электроны очень быстро уйдут в землю и тело станет электрически нейтральным, незаряженным. При соединение с землёй положительно заряженного тела из земли в него перейдет недостающая для равновесия часть электронов, и тело также становится электрически нейтральным.
Задания по теме заземление:
Задание 1. Укажите направление движения и знак зарядов, движущихся по проводнику, соединяющему тело А с землёй.
Задание 2. Укажите направление движения и знак зарядов, движущихся по проводнику АВ, когда к металлическому телу С подносят заряженное тело Д.
Знание полной области применения электростатической индукции, дает возможность сформировать целостную картину физического явления.
1.Изготовление наждачной бумаги.
Принцип покрытия наждачным порошком бумаги и получения искусственных ворсистых материалов можно пояснить на следующем опыте. Диски от раздвижного конденсатора соединяют с кондукторами электрофорной машины. На нижний диск насыпают песок или узкие полоски цветной бумаги. Поверхность верхнего диска смазывают клеем. Приведя в действие электрофорную машину, заряжают диски. При этом кусочки бумаги или песок, находящиеся на нижнем диске, получив одноимённый с ним заряд, под действием сил электрического поля притягиваются к верхнему диску и оседают на нём.
2.Метод электростатической покраски металлических изделий
Метод окраски поверхностей в электрическом поле – электроокраска – впервые разработал русский ученый А.Л. Чижевский. Суть его такова: жидкий краситель любого цвета помещают в пульверизатор – сосуд с тонко оттянутым концом (соплом) – и подводят к нему отрицательный потенциал.
К металлическому трафарету подводят положительный потенциал, а перед трафаретом размещается окрашиваемая поверхность (ткань, бумага, металл и т.д.). Благодаря электростатическому полю между соплом с краской и трафаретом частицы краски летят строго по направлению к металлическому трафарету, на окрашиваемой поверхности воспроизводится точный рисунок трафарета, при этом ни одна капля краски не падает. Регулируя расстояние между соплом и объектом окраски, можно менять скорость нанесения и толщину покровного слоя, т.е. регулировать скорость окраски. Данный метод даёт экономию красителей до 70%, по сравнению с обычным методом окраски, и ускоряет примерно в три раза процесс покрытия изделия.
3.Очистка воздуха от пыли и лёгких частиц.
Так как частицы пыли способны электризоваться, то для их удаления часто применяют фильтр, внутри которого находится электрозаряженный элемент, притягивающий к себе микрочастицы. Для того чтобы сделать пылеудаление более эффективным, воздух в помещении ионизируют. Такие электрофильтры устанавливают в цехах размола цемента и фосфоритов, на химических заводах.
4.Защита объектов от внешних электрических полей и устранение помех в электронных схемах.
Объекты помещают в металлические экраны. Например, в «крабах» (устройствах для подключения нескольких телевизоров к одной антенне) электрическая схема находится в металлическом экране. Металлический, сплетенный в виде сетки цилиндрический экран телевизионного кабеля защищает от внешних электрических полей центральный провод, по которому передается телевизионный сигнал. Металлические заземленные экраны применяют в лабораториях для защиты исследователей при проведении опытов с применением высоких напряжений. Металлическими экранами отделяют от нежелательного взаимного влияния различные детали радиоэлектронных приборов, если они находятся близко друг к другу. На явлении электростатической индукции основаны также принципы работы электростатических фильтров, электростатических сепараторов молекул и т.п.
5.Копчение.
Копчение – это пропитывание пищевого продукта древесным дымом; частицы дыма не только придают продуктам особый вкус, но и предохраняют их от порчи. При электрокопчении частицы коптильного дыма заряжаются положительно, а отрицательно – тушку рыбы. Заряженные частицы дыма оседают на поверхности тушки и частично поглощаются ею. Всё электрокопчение продолжается лишь несколько минут; прежде же копчение считалось весьма длительным процессом.
6.Отрицательное влияние электризации трением на производстве и в быту
При трении о воздух электризуется самолёт. Поэтому после посадки к самолёту нельзя сразу приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолёт разряжают: опускают на землю металлический трос, соединённый с обшивкой самолёта, и разряд происходит между землёй и концом троса.
Бывали случаи, что быстро поднимающийся в воздухе воздушный шар загорался. Воздушные шары часто наполняют водородом, который легко воспламеняется. Причиной воспламенения может быть электризация трением прорезиненной оболочки о воздух при быстром подъёме.
На клеепромазочной машине, которая смазывает резиновым клеем материалы, в результате трения материала о валики происходит их электризация. Если не снять эти заряды, то даже небольшая искра может вызвать пожар, так как окружающий воздух насыщен парами бензина. Причиной взрыва может стать человек, так как при контакте с заряженной тканью электризуется и тело оператора.
При движении жидкости – диэлектрика внутри труб (например, при перекачке горючего из бензозаправщика в баки самолёта) происходит электризация и перенос зарядов. Чтобы не произошло искрового разряда и взрыва, повышают электропроводность бензина, добавляя в него соединения хрома.
Для избежания вредных последствий электризации тел в технике применяют различные меры борьбы с этим явлением. Основной метод уменьшения электризации – заземление оборудования. Однако, заземление не помогает, если применяется оборудование из материалов, являющихся диэлектриками. Чтобы поверхность таких материалов лучше проводила электричество, её подвергают обработке. Например, приводные ремни и ленты транспортёров покрывают графитом или бронзовым порошком. С той же целью увеличивают влажность воздуха в помещении; тогда на материалах, не проводящих электричество, образуется тонкая плёнка воды.
Полное формирование представлений о процессах, происходящих в проводниках, диэлектриках, помещенных в электростатическое поле, умений объяснять явление электростатической индукции дает возможность применять полученные знания при решении различных задач.
Примерный перечень задач
Задание №1Как используя явление индукции определить знак заряда на электроскопе?
РешениеОпределить знак заряда на электроскопе можно, если приблизить к нему тело несущее заряд известного знака. При этом если знак заряда электроскопа совпадает со знаком заряда на пробном теле (рис.1(а)), то листки электроскопа расходятся на больший угол, если заряды на теле и электроскопе противоположны, то листки электроскопа сближаются (рис.1(б)). На рис.1 пунктиром обозначено положение листков электроскопа до сближения его с заряженным телом.
Это происходит потому, что когда подносят к шару электроскопа заряженное тело, то на стержне прибора возникают индуцированные заряды. При этом на внешнем конце стержня появляются заряды противоположного знака (у нас отрицательные), на внутреннем конце того же знака, что у подносимого тела (у нас положительные). Значит, если на электроскопе был изначально заряд такой же, что на теле, то суммарный заряд листков растет, при этом угол расхождения листков увеличивается. Если электроскоп и тело несут заряды противоположных знаков, то листки отклоняются на меньший угол, так как часть заряда электроскопа будет компенсирована, заряд на нем уменьшится.
Задание №2Электроскоп несет положительный заряд. К нему подносят отрицательно заряженное тело. При этом с уменьшением расстояния между телом и электроскопом угол отклонения листков прибора уменьшается постепенно и на некотором расстоянии становится равным нулю. Расстояние уменьшают дальше. Угол между листками электроскопа вновь увеличивается. Почему?
РешениеПри приближении к шару электроскопа, который заряжен положительно, отрицательно заряженного тела, на внутреннем конце стержня прибора увеличивается индуцированный отрицательный заряд. Он частично, а с уменьшением расстояния полностью компенсирует положительный заряд электроскопа (его листков). При дальнейшем приближении заряженного тела к электроскопу листки электроскопа заряжаются отрицательно и с увеличением заряда, увеличивается угол расхождения листков.
Задание №3 Незаряженный металлический шар поместили в однородное электростатическое поле (рис. 11.5). Как изменилась при этом картина силовых линий? Будет ли шар двигаться или останется неподвижным?
Решение. Под действием электростатического поля электроны сместятся влево, а в правой части сферы образуется избыток положительных зарядов. При этом поле внутри сферы будет отсутствовать, а поверхность сферы будет эквипотенциальной. Следовательно, силовые линии должны быть перпендикулярны к поверхности сферы. Внешнее поле будет действовать на положительные и отрицательные заряды, скопившиеся в разных частях шара с равными по величине и противоположными по направлению силами, поэтому шар ускоряться не будет.
Задание №4 В каком направлении будет ускоряться незаряженный металлический шар, помещенный в неоднородное электростатическое поле (рис. 11.6)?
Рис. 11.6
Решение. Поле слева сильнее, чем поле справа, поэтому шар будет втягиваться в область более сильного поля, т.е. в ту область, где напряженность по величине больше.
Задание №5Незаряженный проводящий легкий шарик висит на шелковой нити между заряженным кондуктором электрофорной машины и незаряженной проводящей пластиной. Что произойдет, если к шарику приблизить кондуктор электрофорной машины? Ответ поясните.
Решение. Шарик придет в колебательное движение.
Объяснение: при приближении к шарику кондуктора электрофорной машины в шарике возникает индуцированный заряд: одноимённый с кондуктором заряд на дальней от кондуктора стороне шарика и разноимённый — на ближней. Шарик начнёт притягиваться к кондуктору и соприкоснётся с ним. После соприкосновения шарик получит электрический заряд и оттолкнётся от кондуктора. Прикоснувшись к проводящей пластине, шарик передаст ей большую часть заряда и качнётся назад. Затем он опять коснётся кондуктора электрофорной машины, и процесс повторится.
Задание №6К незаряженному шарику электрометра подносят металлическую заряженную палочку, в результате чего стрелка электрометра отклоняется. Произойдёт ли ещё более заметное отклонение стрелки электрометра, если коснуться этой палочкой шарика электрометра?
Решение. Так как палочка металлическая, то заряд может перетекать с одного её конца на другой, а затем на шарик электрометра. Поэтому при касании заряженной металлической палочки шарика электрометра произойдёт ещё более заметное отклонение стрелки.
Задание №7 К середине массивного проводника, соединяющего два незаряженных электрометра, поднесли отрицательно заряженную палочку. Как распределится заряд на электрометрах?
Задание №8 К одному из незаряженных электрометров, соединенных проводником, поднесли отрицательно заряженную палочку. Как распределится заряд на электрометрах?
Задание №9 К отрицательно заряженному электроскопу поднесли, не касаясь его, палочку из диэлектрика. При этом листочки электроскопа разошлись на значительно больший угол. Как заряжена палочка?
Задание №10 К одному из незаряженных электрометров, соединённых проводником, поднесли положительно заряженную палочку. Как распределится заряд на электрометрах?
Задание №11 К середине массивного проводника, соединяющего два незаряженных электрометра, поднесли отрицательно заряженную палочку. Как распределится заряд на электрометрах?
Задание №12 Какой африканской стране принадлежит мрачный рекорд, связанный с небесным электричеством?
Задание №13 Как разряды молний влияют на планету?
Задание №14 В один из грозовых дней 1983 г. группа полисменов из Суиндоу (Англия) внезапно окуталась жутким сиянием. Как объяснить увиденное явление?
Задание №15 Металлическая пластина, имевшая положительный заряд, по модулю равный 10 е, при освещении потеряла шесть электронов. Каким стал заряд пластины?
Задание № 16 Определи, какое действие будет оказывать наэлектризованная палочка на подвешенный металлический шарик в случаях, изображённых на рисунке.
Задание № 17 Молния чаще всего ударяет в деревья, имеющие большие, глубоко проникающие в почву корни. Почему?
Задание № 18 Объясните, почему при ударе молнии в песчаную почву, образуются так называемые фульгуриты – неправильной формы куски плавленого кварца (песка).
Задание № 19 Почему во время грозы не рекомендуется укрываться под высокими деревьями и другими высокими предметами, особенно на открытой местности? Как следует себя вести в том случае, если гроза застала вас на открытом участке?
Задание № 20 Почему молния редко ударяет в открытые нефтехранилища («нефтяные озёра»)?
Задание № 21 Правда ли, что молния предпочитает ударять в дубовые деревья?
Задание № 22 Говорят, что в Заполярье зимой, когда температура воздуха –50°C, мир там становится «ужасно электрическим». Объясните это или опровергните.
Задание № 23 Используя химическое действие тока, можно покрыть металлическим слоем изделие не только из проводящих материалов, но и из диэлектриков – воска, пластмассы, гипса, дерева, пластилина и др. Как это сделать?
