【Учебник по физике для старших классов, издание «Ренжэ»】Базовый курс, третий том: Исследуем микромир: происхождение заряда и микроскопическая сущность зарядки тел

Под прочной поверхностью всех вещей скрывается неутомимый электрический мир. Сущность зарядки вещества — это не создание заряда из ничего, а нарушение равновесия микрочастиц внутри веществанарушение равновесия микрочастиц.

1. Микроскопические носители заряда

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. В металлических проводниках часть внешних электронов атомов освобождается от связей и становится свободными электронами, которые могут двигаться внутри металла, как в «море»свободные электроны, а атомы, потерявшие электроны, становятся ионами, закрепленными в узлах кристаллической решёткиионами.

2. Физическая картина возникновения заряда

трибоэлектричество: разные материалы различаются по способности удерживать электроны. При трении электроны переходят от материала с слабой привязкой к материалу с сильной привязкой, вследствие чего оба тела приобретают равные по величине, но противоположные по знаку заряды.
индукционное электричество: используяэлектростатическую индукцию（Electrostatic induction），使导体内的自由电荷在外部电场作用下重新分布。靠近带电体的一端感应出异种电荷，远离端感应出同种电荷。

3. Измерение заряда

Мы используемвеличину заряда (Electric quantity) для описания количества заряда, которым обладает тело; её международная единица измерения —кулон (C). Используяэлектроскоп (Electroscope), мы можем качественно наблюдать силу заряда по углу расхождения ленточек. Помните: заряды подчиняются вечному закону «одинаковые заряды отталкиваются, разные притягиваются».

ВОПРОС 1

Какое из следующих утверждений о напряжённости электрического поля является правильным:

Напряжённость электрического поля $E$ определяется самим полем и не зависит от испытательного заряда $q$, помещённого в него

Напряжённость электрического поля $E$ прямо пропорциональна силе $F$, действующей на испытательный заряд

Если в точке электрического поля не помещать испытательный заряд, то напряжённость поля в этой точке будет равна нулю

Направление напряжённости электрического поля всегда совпадает с направлением электрической силы

ВОПРОС 2

В сухую погоду, сняв верхнюю одежду, вы часто получаете удар током, когда касаетесь металлической дверной ручки. Какой физический процесс это иллюстрирует?

индукционное электричество

зарядка при контакте

электростатический разряд, вызванный трибоэлектричеством

заряд появляется из ниоткуда

ВОПРОС 3

Как показано на рисунке, положительно заряженный проводящий шар $C$ приближается к незаряженному проводнику в форме подушки. Если разделить этот проводник посередине на две части — $A$ и $B$, то какова связь между их зарядами?

$Q_A = Q_B$

$Q_A = -Q_B$

$Q_A > Q_B$

$Q_A < Q_B$

ВОПРОС 4

Какое из следующих утверждений о элементарном заряде является правильным:

Элементарный заряд — это сам электрон или протон

Заряд любого заряженного тела представляет собой целое число элементарных зарядов $e$

Значение элементарного заряда обычно принимается равным $1.60 \times 10^{-23} \text{ C}$

Элементарный заряд можно разделить с помощью трибоэлектричества

ВОПРОС 5

Ленточки электроскопа расходятся, потому что:

ленточки подвергаются гравитационному воздействию

одноимённые заряды отталкиваются

разноимённые заряды притягиваются

поток воздуха раздвигает ленточки

Комплексный анализ эксперимента: перенос заряда и расчёт равновесия

Решение реальных физических задач с использованием микромодели и условия равновесия сил

Эксперимент 1: Возьмите два проводника $A$ и $B$, изолированные друг от друга, и прикоснитесь ими друг к другу. Поднесите положительно заряженный шар $C$ к $A$, затем разведите $A$ и $B$. Оказалось, что $A$ получил заряд $-1.0 \times 10^{-8} \text{ C}$. Эксперимент 2: Как показано на рисунке 9-3, подвесите заряженный шарик массой $4.5 \times 10^{-3}\text{ кг}$ на изолированной нити длиной $2.0\text{ м}$ в однородном электрическом поле. В состоянии равновесия он отклонился от вертикали на $2.0\text{ см}$.

Вопрос

1. Как происходит перенос электронов в эксперименте 1? Каково количество переданных электронов?

Ответ:
Поскольку $A$ заряжен отрицательно, это означает, что электроны перешли от $B$ к $A$. По формуле $n = \frac{|Q|}{e} = \frac{1.0 \times 10^{-8}}{1.6 \times 10^{-19}} = 6.25 \times 10^{10}$ шт. Таким образом, $A$ получил $6.25 \times 10^{10}$ электронов, а $B$ потерял такое же количество.

Вопрос

2. В эксперименте 2, если напряжённость электрического поля составляет $1.5 \times 10^{5}\text{ Н/Кл}$, каков заряд шарика?

Ответ:
Пусть угол отклонения шарика равен $\theta$. Поскольку $L = 2.0\text{ м}$, $d = 0.02\text{ м}$, и $\theta$ очень мал, то $\tan\theta \approx \sin\theta = \frac{d}{L} = 0.01$. По условию равновесия $qE = mg \tan\theta$. Подставляя данные: $q = \frac{4.5 \times 10^{-3} \times 10 \times 0.01}{1.5 \times 10^5} = 3.0 \times 10^{-9} \text{ Кл}$. Заряд шарика составляет $3.0 \times 10^{-9} \text{ Кл}$.