Семинар 1

4
ФИЗИКА, 8 КЛАСС, ЧАСТЬ 2
Семинар 1
Электрический заряд. Взаимодействие (притяжение и отталкивание) зарядов. Электрон и протон как носители заряда. Заряд электрона. Электризация тел. Электроскоп. Электрический ток. Напряжение. Закон Ома. Электрическое сопротивление.
Основные теоритические сведения
Одним из основных понятий физики является электрический заряд. Эксперименты показывают, что помимо массы, которая приводит к существованию гравитационного
притяжения, тела могут обладать также электрическим зарядом. Электрические заряды
бывают двух сортов: положительные и отрицательные. Два тела, несущие заряд одного знака (например, заряженные положительно), отталкиваются, а тела, несущие разноименные заряды (одно тело — положительный, второе — отрицательный), притягиваются. Электрически заряженные тела называют еще «наэлектризованными». Единицей
измерения заряда в системе СИ является кулон (1 Кл).
В окружающих нас телах носителями положительного заряда являются протоны (элементарные частицы, из которых состоят ядра атомов), а носителями отрицательного заряда — электроны (легкие элементарные частицы, образующие оболочки атомов). Заряд протона равен 1.6 1019 Кл , а заряд электрона — такой же по величине, но отрицательный. Заряд электрона является минимальной порцией заряда, которая может быть
передана от одного тела другому.
Если количество электронов и протонов в теле одинаково, то заряд тела равен нулю,
тело электрически нейтрально. Если в теле имеется недостаток электронов, то тело заряжено положительно, а если избыток электронов, то отрицательно. Поскольку в твердых телах протоны жестко закреплены на своих местах, электрический заряд передается от одного твердого тела другому путем перетекания электронов. Это может происходить, например, при трении двух тел друг о друга. Так, если стеклянную палочку потереть о шелковую ткань, то стекло зарядится положительно, а шелк — отрицательно
(электроны перетекут с палочки на ткань).
Все тела делятся на проводники и диэлектрики. В диэлектриках электрические заряды
жестко закреплены и не могут перетекать с места на место. В проводниках имеются так
называемые «свободные носители заряда», то есть заряженные частицы, которые могут
свободно перемещаться по телу. В твердых проводниках носителями заряда являются
электроны, а в жидких — ионы, то есть атомы или молекулы, имеющие избыточные
или недостающие электроны.
Поместим на один конец проводящего стержня положительный заряд, а на другой —
отрицательный. Положительные заряды притягиваются к отрицательным, поэтому свободные заряды начнут перетекать с одного конца стержня на другой. В стержне воз-
СЕМИНАР 1
5
никнет направленное движение зарядов, называемое электрическим током. В нашем
случае через некоторое время заряды равномерно распределятся по стержню и ток прекратится. Для того чтобы ток в проводнике тек не переставая, к нему надо приложить
электрическое напряжение. Это можно сделать, например, подключив проводник к
гальванической батарее или электрическому генератору. Направлением электрического
тока принято считать то направление, в котором текут положительные заряды. Если по
проводнику течет ток I , то заряд q , протекающий по нему за время t , можно вычислить по формуле
q  I t .
Электрическое напряжение измеряется в вольтах (1 В). Если к проводнику приложить
напряжение, то через него будет течь постоянный электрический ток. Сила тока измеряется в амперах. Один ампер ( 1 А  1 Кл с ) — это сила тока, при которой по проводнику за 1 секунду протекает заряд 1 кулон. Закон Ома связывает силу тока I в проводнике с приложенным к нему напряжением U :
I
U
.
R
Величина R называется электрическим сопротивлением проводника и измеряется в
омах ( 1 Ом  1 В А ).
Интересные факты
1. Учёный Шарль Дюфе, установивший, что существует два рода зарядов, называл
их «стеклянным» и «смоляным», так как получал один из них их с помощью
трения стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Привычное для нас понятие о
положительном и отрицательном заряде несколько позже ввёл американский
учёный Бенджамин Франклин.
2. Вот небольшой пример использования свойств электрических зарядов: движущиеся на конвейере окрашиваемые детали, например, корпус автомобиля, заряжают положительно, а частицам краски придают отрицательный заряд, и они
устремляются к положительно заряженной детали. Слой краски на ней получается тонкий, равномерный и плотный. Действительно одноименно заряженные
частицы красителя отталкиваются друг от друга — отсюда равномерность окрашивающего слоя. Частицы, разогнанные электрическим полем, с силой ударяются об изделие — отсюда плотность окраски. Расход краски снижается, так как
она осаждается только на детали. Кстати, в повседневной жизни вы не раз
встречались с ещё одним устройством, использующим этот же принцип – это лазерный принтер.
ФИЗИКА, 8 КЛАСС, ЧАСТЬ 2
6
3. Движение лавин в горах иногда сопровождается зеленовато-желтым свечением,
благодаря чему лавины становятся видимыми. При движении лавины происходит электризация, вследствие чего по ней начинают проскакивать искры, которые и образуют вышеуказанное свечение.
4. Покоритель Джомолунгмы Н. Тенсинг в 1953 г. в районе южного седла этой
горной вершины на высоте 7,9 км над уровнем моря при -30 °С и сухом ветре до
25 м/с наблюдал сильную электризацию обледеневших брезентовых палаток,
вставленных одна в другую. Пространство между палатками было наполнено
многочисленными электрическими искрами.
5. Когда немецкий электротехник Георг Симон Ом положил на стол ректора Берлинского университета свою диссертацию, где впервые был сформулирован этот
закон, без которого невозможен ни один электротехнический расчет, он получил
весьма резкую резолюцию. В ней говорилось, что «электричество не поддается
никакому математическом описанию, так как электричество - это собственный
гнев, собственное бушевание тела, его гневное Я, которое проявляется в каждом
теле, когда его раздражают». Ректором Берлинского университета был в те годы
философ Георг Вильгельм Фридрих Гегель.
6. Невьянская башня, расположенная на территории нынешней Свердловской области, была оснащена молниеотводом за четверть века до того, как он был сконструирован Бенджамином Франклином.
Примеры решения задач
Задача 1. Сколько электронов протекает за 1 минуту через проводник, если ток через
этот проводник равен 2 А?
Дано
t = 1 мин
I=2А
Си
60 с
Найти
N
Решение. Пользуемся формулой определения величины электрического тока I  q t ,
откуда q  I  t — такой заряд протек по проводнику. Чтобы получить число электронов, нужно поделить q на величину заряда одного электрона e .
Получаем N  q / e  It / e .
Теперь подставляем в формулу числа:
N
2  60
2  60 19

10  75 1019  7.5 1020 .
19
1, 6 10
1, 6
СЕМИНАР 1
7
Задача 2. Какое нужно приложить напряжение к проводнику сопротивлением 0.25 Ом,
чтобы сила тока в нем была равна 30 А?
Дано
R = 0,25 Ом
I = 30 А
Си
Найти
U
Решение. Здесь все совсем просто: U  IR  30  0.25  7.5 (В).
Текстовые задачи
I
Задача 1.1.
(ГКГ-42.15) Можно ли наэлектризовать эбонитовую палочку трением об
эбонитовую пластинку?
Задача 1.2.
(ГКГ-42.16) Можно ли при электризации трением зарядить только одно
из соприкасающихся тел?
Задача 1.3.
(ГКГ-42.17) Может ли одно и то же тело, например, эбонитовая палочка,
при трении наэлектризоваться один раз положительно, а другой - отрицательно?
Задача 1.4.
(Л1169) Почему при расчесывании волос эбонитовым или пластмассовым гребнем волосы как бы прилипают к нему?
Задача 1.5.
(Л1171) Если прижать к стене лист бумаги и потереть его суконкой или
щеткой, то лист прилипнет к стене. Почему? Если этот лист поднести к мелко нарезанным кусочкам бумаги, то бумажки притянутся к листу. Почему?
Задача 1.6.
(Л1172) На тонких шелковых нитях подвешены два одинаковых шарика
из сердцевины подсолнечника: один – заряженный, другой – незаряженный. Чтобы
определить, какой из них заряжен, девочка сначала к одному, а затем к другому поднесла палец. Могла ли она таким способом определить, какой из шариков заряжен?
Задача 1.7.
(Л1177) Один шар заряжен положительным зарядом, другой – отрицательным. Как измениться масса шаров после их соприкосновения? Почему?
Задача 1.8.
(ГКГ-42.7) Почему к цистерне бензовоза прикрепляют касающуюся
земли стальную цепь? Почему при использовании железнодорожной цистерны необходимости в этом не возникает?
Задача 1.9.
Если долго гладить пушистого домашнего любимца или походить по
пушистому ковру босиком, то батареи центрального отопления начинают «бить током». Объясните этот эффект.
ФИЗИКА, 8 КЛАСС, ЧАСТЬ 2
8
Задача 1.10.
Вычислите:
а) 2 107  6 104
в)
6 107
3 104
б) 3 106  4,1103
г)
1,5 1016
5 104
Задача 1.11.
Определите число электронов, если их суммарный заряд равен:
а) 4,8 Кл
в) 1,6 1018 Кл
б) 4,8 1020 Кл
г) 8 мКл
Всегда ли задача имеет решение? Если нет – объясните почему.
Задача 1.12.
Какой заряд протекает через лампочку за минуту при силе тока 1 А?
Задача 1.13. (Ф-§4, А5) Сколько времени длиться пуск стартера автомобиля, если
при силе тока в 200 А за это время в цепи стартера протекает заряд 5000 Кл?
Задача 1.14. При обрыве и падении на землю провода высоковольтной линии передач человек, находящийся на расстоянии нескольких метров от места падения провода,
может быть поражен электрическим током, если будет покидать место аварии обычным
шагом, и останется невредим, если будет бежать или перемещаться прыжками. Объясните этот эффект.
Задача 1.15. Почему птицы могут без всякого вреда для себя сидеть на электрических проводах, в то время как работающие с высоким напряжением электрики используют резиновые перчатки, чтобы избежать поражения электрическим током?
Задача 1.16. (Л1282) Сопротивление вольтметра равно 12 000 Ом. Какова сила тока,
протекающего через вольтметр, если он показывает напряжение, равное 12 В?
Задача 1.17. (Л1283) Определите силу тока в электрочайнике, включенном в сеть с
напряжением 220 В, если сопротивление нити накала при работе чайника равно примерно 39 Ом.
Задача 1.18. (Л1289) В паспорте амперметра написано, что сопротивление его равно
0,1 Ом. Определите напряжение на зажимах амперметра, если он показывает силу тока
10 А.
Задача 1.19. (Л1290) Определите напряжение на участке телеграфной линии длиной
1 км, если сопротивление этого участка 6 Ом, а сила тока, питающего цепь, 0,008 А.
Задача 1.20. (Л1293) Определите сопротивление электрической лампы, сила тока в
которой 0,5 А при напряжении 120 В.
Задача 1.21. (Л1294) Вычислите сопротивление спирали лампы от карманного фонаря, если при напряжении 3,5 В сила тока в ней 0,28 А.
СЕМИНАР 1
9
Задача 1.22. (Л1295) На цоколе электрической лампы написано 1 В, 0,68 А. Определите сопротивление спирали лампы в рабочем состоянии.
Задача 1.23. (Л1296) Чему равно сопротивление спирали электрической лампы в рабочем состоянии, у которой на цоколе написано 6,3 В, 0,22 А?
Задача 1.24. (Л1298) При напряжении 1,2 кВ сила тока в цепи одной из секций телевизора 50 мА. Чему равно сопротивление цепи этой секции?
II
Задача 1.25. Металлический шар несет заряд 1,2 мКл. Насколько изменится масса
шара, если его разрядить? Масса электрона равна me  9, 2 1031 кг .
Задача 1.26. Какой заряд несут протоны суммарной массой 1 г? Масса протона равна
mp  1,67 1027 кг .
Задача 1.27. Сколько электронов протекает за 1 минуту через проводник, если ток
через этот проводник равен 2 А?
Задача 1.28.
За 30 секунд через проводник протекает 3,75 1020 электронов. Чему ра-
вен ток через проводник?
Задача 1.29. а) Обычно сопротивление человеческого тела составляет примерно
20 - 100 кОм. Определите смертельно опасное напряжение. Ток силой 100 мА считается
для человека смертельным.
б) При особо неблагоприятных условиях (сильное утомление, алкогольное опьянение,
большая влажность в помещении и т.д.) сопротивление человеческого тела может
упасть до 1 кОм. Определите смертельно опасное напряжение в таком случае.
Задача 1.30.
(Ф-§6, В14) При напряжении U1 = 220 В сила тока в резисторе равна
I1 = 6 А. Какой будет сила тока в нем, если напряжение уменьшить до U 2 = 110 В? Если напряжение уменьшить в 4 раза? Если резистор заменить на резистор с сопротивлением в три раза выше первого резистора?
Задача 1.31.
(Ф-§6, В15) При напряжении U1 = 220В сила тока в спирали лампы рав-
на I1 = 0,3 А. Какова будет сила тока, если напряжение уменьшится на U = 10 В?
Увеличиться на U = 10 В?
ФИЗИКА, 8 КЛАСС, ЧАСТЬ 2
10
Задача 1.32. (Л1285) На рис. 1.1 дана зависимость силы тока от напряжения для двух
проводников. Какой из проводников имеет большее сопротивление?
Задача 1.33. (Л1286) На рис. 1.2 дан график зависимости силы тока в цепи от напряжения. Определите, чему равна сила тока на участке цепи при напряжении 5; 10; 25 В.
Чему равно сопротивление участка цепи?
Задача 1.34. (Л1287) На рис. 1.3 дан график зависимости силы тока от напряжения
для двух параллельно соединенных участков цепи. Определите, чему равна сила тока
на каждом участке цепи при напряжении 2 и 6 В. Какой участок цепи имеет большее
сопротивление; во сколько раз? Укажите, от чего зависит наклон прямой графика к оси
напряжения; к оси токов.
I, A
I
I, A
5
4
3
2
1
1
2
U
U, В
5 10 15 20
Рис. 1.1
Рис. 1.2
1
5
4
3
2
1
2
U, В
2
4
6
8
Рис. 1.3
Задача 1.35. (ГКГ-44.43) На рисунке 1.4 показаны графики зависимости силы тока от
напряжения для трех различных проводников. Каково сопротивление каждого из них?
I, А
1,5
1,0
0,5
0
10
20
30
U, В
Рис. 1.4
Задача 1.36. (ГКГ-44.48) Постройте на одном чертеже графики зависимостей силы
тока от напряжения для двух проводников, сопротивления которых 5 Ом и 15 Ом.
СЕМИНАР 1
11
Задача 1.37. (ФИПИ) Результаты измерения силы тока в резисторе при разных значениях напряжениях на его клеммах показаны в таблице:
U, В
0
1
2
3
4
5
I, А
0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
Определите, что покажет амперметр при напряжении в 3,5 В.
III
Задача 1.38. Емкость аккумулятора для мобильного телефона составляет 650 мАч.
Какой заряд надо пропустить через этот аккумулятор, чтобы зарядить его из полностью
разряженного состояния? Какой ток выдает зарядное устройство телефона, если на
полную зарядку батареи уходит 2 часа? Какой ток потребляет аппарат во время телефонного разговора, если батареи хватает на 5 часов непрерывной беседы?