4.2. Методика введення поняття про електричний заряд в школі.

Мета уроку: ознайомити учнів із електричними явищами, дати їм початкові знання з електризації і два різновиди зарядів.

Зміст нового матеріалу:

19.Електричні явища у природі і техніці. 20.Електризація тіл. 21.Два різновиди електричних зарядів.

Урок розпочинає вивчення важливого розділу фізики – електродинаміки. Тут потрібно не просто показати значення електрики в житті людини, що для сучасних учнів не буде великим відкриттям, а закласти основи для вивчення наступного матеріалу. А такими важливими поняттями є електричний заряд та електричне поле. Традиційно складається система перших уроків, з яких розпочинається пропедевтичний курс електродинаміки. Основою цієї системи є фізичний експеримент. Електризація ебонітової і скляної паличок та їхня дія на різні предмети, взаємодія наелектризованих паличок між собою та інші подібні досліди з електризації тіл мають показати учням, що існує особливий вид взаємодії, набагато сильніший від гравітаційної. Важливим етапом уроку є введення двох видів електричних зарядів. Підставою ля цього є два види електричних взаємодій – притягання і відштовхування. Експеримент, який для цього проводиться, описаний в підручнику.

Натерта шерстю паличка пластмаси, скла, ебоніту чи гуми притягує листочки паперу, пушинки та інші легенькі тіла. Про тіла, які після натирання притягують до себе інші тіла, кажуть, що наелектризовані, або що їм надано електричний заряд. В електризації завжди беруть участь два тіла і обоє електризуються. Якщо скляну паличку потерти шматком гуми, протягувати до себе легкі тіла буде не лише паличка, але й гума.

Існують два види електричних зарядів. У цьому легко переконатись на простих дослідах. Наелектризуємо ебонітову паличку, підвішену на нитці. Наблизимо до неї таку саму паличку, потерту тим самим шматочком шерсті, - вона відштовхнеться. Оскільки палички однакові і однаково електризувалися, можна твердити, що на них знаходяться заряди одного виду. Якщо до підвішеної ебонітової палички піднести скляну паличку, потерту шовком, то палички взаємно притягується. Наближаючи до підвищеної наелектризованої ебонітової палички наелектризовані тіла з інших речовин – пластмаси, гуми, капрону, плексигласу, - ми побачимо, що ебонітова паличка в одних випадках відштовхнеться від піднесених тіл, а в інших – притягнеться до них. Тому можна вважати, що існує тільки два види електричних зарядів. Заряди, одержані на склі, потертому шовком, наз позитивними, а заряди, що виникають на ебоніті чи гумі, потертих шерстю, - негативними.

Тіла, заряджені однойменними зарядами, взаємно відштовхуються, а заряджені зарядами протилежного знака – взаємно притягуються. За притягуванням чи відштовхуванням тіл можна судити, що дане тіло має електричний заряд.

Підвісимо на дротині, закріпленій на плексигласовій підставці, зігнуту пополам смужку паперу. Доторкнемося до дротини наелектризованою паличкою. Частина заряду з палички перейде на дротину і на паперові смужки, і вони розійдуться. Це явище покладено в основу будови приладів для виявлення електричних зарядів – електроскопа і електрометра. В електрометрі замість листочків фольги на металевому стержні закріплено стрілку, його корпус обов’язково роблять металевим і заземлюють. Біля стрілки електрометра розміщено шкалу з поділками. Чим більший заряд надамо електрометру, тим більшою буде сила відштовхування між стрілкою і стержнем електрометра і тим на більший кут відхилиться стрілка. Отже, за зміною кута відхилення стрілки електрометра можна дізнатися, збільшився чи зменшився заряд.

Позитивні заряди позначили знаком «+» (плюс), а негативні – «-» (мінус).

Тепер можна зробити такі висновки:

1. існують незаряджені та заряджені тіла або частинки, з яких вони складаються;

2. однойменні заряджені тіла або частинки відштовхуються, а різнойменно заряджені – притягуються;

3. під час взаємодії різнорідних тіл вони заряджаються різнойменно і, відповідно, притягуються одне до одного;

4. елементарні частинки, що входять до складу атомів та молекул: електрони мають негативний заряд, протони – позитивний. Існують і незаряджені елементарні частинки, наприклад нейтрони.

У курсі фізики 10-го класу на основі вивченого матеріалу 8 класу про електричні заряди та явище електризації тіл, пригадуються деякі з дослідів та пояснюються причини електризації тіл.

Як пояснюється електризація тіл і що відбувається при цьому з тілами? Візьмемо дві пластинки – оду ебонітову, другу з оргскла – і легенько потремо їх одна об одну. Внесемо тепер почергово пластинки в середину порожнистого циліндра, надітого на стержень електроскопа. Електроскоп покаже, що обидві пластинки наелектризувалися, причому із внесенням кожної пластинки листочки електроскопа відхиляються на однаковий кут. Але якщо всередину циліндра внести обидві пластинки, складені разом, то електроскоп не виявить заряду – листочки не відхиляться. Отже, заряди на обох пластинках дорівнюють один одному за значенням і протилежні за знаком, а тому в разі складання пластинок заряди взаємно нейтралізують один одного. Тобі можна зробити висновок, що ні позитивні, ні негативні заряди не виникали під час дотику (тертя), вони були на кожній пластинці вже до досліду, а під час дотику відбувся перерозподіл зарядів і на одній з них виявився надлишок негативного заряду, а на другій – нестача.

Отже, електризація тіла полягає у втраті тілом деякої кількості електронів.

4.3. По горизонтальній поверхні рухається куля маса 2 кг з швидкістю . Її наздоганяє друга куля масою 1 кг, швидкістю . В певний час відбувається їх взаємодія в наслідок абсолютно пружного удару. Знайти швидкість і кінетичну енергію куль після удару.

Дано:

Використаємо закон збереження імпульсу

ОХ:

І.

ІІ.

Різниця в перетворилася в внутрішню енергію.

Відповідь: ; .

5.1.Досліди з дифракції електронів. Хвилі де-Бройля. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга.

Дифракція електронів виникає, як і дифракція фотонів світла. Електрони при взаємодії з граткою розсіюються, після чого кожен з них потрапляє на фотопластинку в одну з точок, що визначаються умовою максимуму дифракції. Тільки велика кількість електронів дає повну дифракційну картину, яку можна розглядати, як прояв певної статистичної закономірності, у відповідності з якою електрони з найбільшою ймовірністю потрапляють в одні місця (темні лінії проявленої фотопластинки), а з найменшою – в другій (світлі лінії). Маючи результати дифракції електронів можемо зробити висновок: квадрат амплітуди хвилі де-Бройля в певній точці простору є ймовірністю знаходження частинок в цій же точці.

Вивчення оптичних явищ виявило, що світло має корпускулярно – хвильову природу: в одних випадках виявляє властивості неперервної електромагнітної хвилі (інтерференція, дифракція)

а в інших – веде себе як потік частинок (фотоефект, ефект Комптона)

В 1924р Луї де Бройль висуває сміливу гіпотезу про те, що корпускулярно – хвильовий дуалізм властивий не лише світлу, а й будь – якій частинці.

Якщо частинка знаходиться в деякій системі відліку х_0, у₀, z₀, то рівняння відповідного їй коливального процесу має вид Ψ₀=А₀cosω₀t₀ ,

де t– час у вказаній системі, А₀ – його амплітуда, ω₀ – циклічна частота, ω₀=

Якщо ж ця частинка відносно іншої системи відліку знаходиться в русі, то при переході в систему х, y, z, відносно якої частинка переміщується з швидкістю V, їй відповідає хвиля рівняння якої має вигляд Ψ= Аcosω, де t– час у вказаній системі, х, y, z, u, - фазова швидкість, яку потрібно визначити; циклічна частота Відомо, що при переході в нову систему відліку аргумент косинуса є інваріантом, ω₀t₀= ω

Підставимо в останню рівність значення ω, ω₀:

знайдемо Визначимо довжину хвилі частинки, що рухається . Отже, довжина хвилі де-Бройля виражається аналогічно електромагнітній хвилі релятивістська маса, V-швидкість частинки

Завдяки існуванню хвильових властивостей мікрочастинок, в класичній фізиці поняття місцезнаходження окремої частинки в просторі і її траєкторії руху втрачають сенс. Якщо ж все ж частинці приписують ці характеристики, то при цьому припускають певні похибки, які описуються співвідношенням невизначеності Гейзенберга

Координата х і проекція імпульсу p_x мікрочастинки не можуть одночасно мати точно фіксоване значення. Ці величини можуть знаходитись лише в певних інтервалах: x i x+Δx, p_x i p_x +Δ p_x .В 1927р. Гейзенберг показав, що між зазначеними невизначеностями Δx і Δ p_x існує співвідношення: Δx* Δ p_x≥h З якого випливає: чим точніше фіксується координата і менше Δx тим більша невизначеність імпульса Δ p_x і навпаки, чим точніший визначений імпульс, тим більша невизначеність координати.

Співвідношення зберігається відносно всіх координат. Інколи, замість Δ p_x у співвідношенні використовують Δ V_x (p_x=mΔ V_x )→ Δx* Δ V_x ≥Це співвідношення може також задаватися через невизначеність часу перебування частинки в даному стані Δt і невизначеність енергії частинки в цьому стані ΔE: ΔE≥h

Чим точніше визначений час перебування частинки в даному стані, тим з меншою точністю буде визначена енергія частинки в цьому стані.