Горбанева Лариса Валерьевна, старший преподаватель

МИФ-2: Математика, информатика и физика – школьникам Хабаровского края
ФИЗИКА, 8 класс
Горбанева Лариса Валерьевна, старший преподаватель кафедры физики ДВГГУ
Электрические явления
Древние греки очень любили украшения и мелкие поделки из янтаря,
названного ими за его цвет и блеск «электрон» – что значит «солнечный
камень». Отсюда произошло, правда, много позже, и само слово электричество.
Способность янтаря электризоваться была известна давно. Впервые
исследованием этого явления занялся знаменитый философ Фалес Милетский.
Вот как об этом рассказывает легенда.
Дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном, изделием финикийских
мастеров. Как-то, уронив веретено в воду, девушка стала обтирать его краем
своего шерстяного хитона и заметила, что к веретену пристало несколько
шерстинок. Думая, что они прилипли к веретену, потому что оно все еще
влажно, она принялась вытирать его еще сильнее. И что же? Шерстинок
налипало тем больше, чем сильнее натиралось веретено. Девушка обратилась за
разъяснением этого явления к отцу. Фалес понял, что причина в веществе, из
которого сделано веретено, и в первый же раз, как к пристани Милета подошел
корабль финикийских купцов, он накупил различных янтарных изделий и
убедился, что все они, будучи натерты шерстяной материей, притягивают
легкие предметы, подобно тому, как магнит притягивает железо.
В дальнейшем это явление получило название электризацией.
При определенных условиях тела электризуются, т.е. приобретают
некоторый заряд. Существуют заряды только двух видов: отрицательные и
положительные,
причем
это
деление
условное.
Одноименные
заряды
отталкиваются, а разноименные притягиваются. Никаких других зарядов,
которые могли бы вызывать иное взаимодействие тел, в природе не существует.
Электризация твердых тел – это перемещение электронов, входящих в
состав атома одного тела, с одного тела на другое. При этом на теле,
приобретающем отрицательный заряд, образуется избыток электронов, а на
Хабаровск - 2012
МИФ-2, №1, 2012
положительно заряженном теле – недостаток электронов по сравнению с
незаряженным состоянием тела.
Наиболее распространенным способом электризации тел является
электризация при соприкосновении (путем трения). Известно, что если шелком
потереть стеклянную палочку или шерстью – эбонитовую, то по определению
первая приобретает положительный заряд, а вторая – отрицательный. Этот
способ электризации обусловлен тем, что при трении увеличивается площадь
соприкосновения тел и улучшается контакт между их поверхностями. Для
такого способа электризации необходимо, чтобы тела, приводящиеся в
соприкосновение,
обладали
различными
электрическими
свойствами,
например, разной концентрацией свободных электронов. Обычно тела
электронейтральны,
т.е.
суммарный
положительный
заряд
замкнутой
физической системы равен суммарному отрицательному заряду. Частичный
переход электронов от тела с наибольшей их концентрацией к телу с меньшей
концентрацией приводит к тому, что оба тела приобретают заряд.
Перечислим свойства зарядов.
- Существуют заряды двух видов – отрицательные и положительные.
Разноименные заряды притягиваются, одноименные отталкиваются.
- Носителем элементарного, т.е. наименьшего, отрицательного заряда
является электрон, заряд которого qе= –1,6∙10-19Кл, а масса mе= 9,1∙10-31кг.
- Носителем элементарного положительного заряда является протон qр=
+1,6∙10-19Кл, масса mр= 1,67∙10-27кг.
- Электрический заряд имеет дискретную природу. Это означает, что
заряд любого тела кратен заряду электрона q=Nqе, где N- целое число. Этот
вывод был получен опытным путем А.Ф. Иоффе и С.Р Миллекеном. Проводя
многочисленные опыты, ученые убедились в том, что заряд частицы (пылинки
или капли) оказывался каждый раз другим. Но изменения заряда оказывалось в
целое число раз (то есть 1,2,3,4 и т.д.) больше одной определенной величины.
То есть заряд капли состоит из целого числа таких зарядов, которые являются
самыми маленькими и больше уже не делятся. Значит пределом делимости
ХКЦТТ
МИФ-2: Математика, информатика и физика – школьникам Хабаровского края
элементарного заряда является электрон. Заряда, меньшего заряда электрона
(qе= –1,6∙10-19Кл) в природе нет.
- В изолированной системе, т.е. в системе, тела которой не обмениваются
зарядами с внешними по отношению к ней телами, алгебраическая (то есть с
учетом знаков) сумма зарядов сохраняется (закон сохранения заряда).
, где
– заряды одного тела
системы до и после взаимодействия его с другим телами системы.
Пример 1. Заряженная капля ртути с зарядом +3∙10-8Кл разлетается на две
капли, одна из которых оказывается заряженной до заряда +4∙10 -8Кл. Каков
заряд второй капли?
Решение: Из закона сохранения электрического заряда следует, что заряд до ее
распада равен сумме зарядов на образовавшихся каплях:
q3=+3∙10-8Кл – (+4∙10-8Кл) = – 10-8Кл.
Ответ: заряд на второй капле – 10-8Кл.
Направленное движение электрических зарядов – это электрический ток.
Для возникновения электрического тока необходимо электрическое поле и
носители электрических зарядов (электроны и другие заряженные частицы).
Устройства, создающие и поддерживающие в проводнике электрическое поле,
называются источниками тока.
Сила тока – физическая величина, показывающая, какой заряд протекает
через поперечное сечение проводника за единицу времени:
. Если за 1с
через поперечное сечение провода или другого проводника (грифель
карандаша, раствор соли в стакане и т.д.) протек заряд равный 1Кл, то сила тока
в этом проводнике была равна 1А.
Согласно
закона
Ома,
сила
тока
на
участке
цепи
прямо
пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна
сопротивлению этого участка.
Хабаровск - 2012
МИФ-2, №1, 2012
Ом также показал, что электрическое сопротивление металлических
проводников R пропорционально их длине L и обратно пропорционально
площади
их
поперечного
сечения
S:
.
Коэффициентом
пропорциональности является ρэл – удельное электрическое сопротивление (не
следует путать с плотностью ρ материала проводника). Значение ρэл для
различных
материалов
приведены
в
справочных
таблицах.
Хорошим
проводником считается серебро (ρэл =1,6∙10-8Ом∙м) и медь (ρэл =1,7∙10-8Ом∙м).
Удельное сопротивление материалов позволяет условно их разбить на
группы:
 проводники:
 сплав нихром ≈ 10-6Ом∙м;
 графит ≈ 10-5Ом∙м;
 речная вода ≈ 10 Ом∙м;
 диэлектрики:
 мрамор ≈ 105Ом∙м;
 дерево ≈ 109Ом∙м;
 фарфор ≈ 1012Ом∙м;
 полиэтилен ≈ 1015Ом∙м;
Протекание тока в реальных системах происходит через элементы,
соединенные различными
способами: последовательно, параллельно.
В
электрических цепях с самым причудливым соединением элементов зачастую
можно выделить участки, в которых элементы соединены последовательно и
параллельно. Основные закономерности протекания тока в таких участках.
При последовательном соединении проводников (рис. 1):
I1  I 2  I
ХКЦТТ
U  U1  U 2 ,
R  R1  R2
МИФ-2: Математика, информатика и физика – школьникам Хабаровского края
При параллельном соединении проводников (рис. 2)
1
1
1


R R1 R 2
U1 = U2 = U,
I = I1 +I2,
Общее
сопротивление
проводников
при
параллельном соединении уменьшается. Это можно
объяснить на основании зависимости
. При параллельном соединении
проводников происходит как бы увеличение площади поперечного сечения
проводника. Сопротивление проводника обратно пропорционально площади
поперечно сечения проводника, значит при увеличении площади поперечного
сечения
проводника
его
сопротивление
уменьшается.
Поэтому
общее
сопротивление при параллельном соединении проводника меньше самого
маленького.
Часто в схемах электрических цепей можно видеть смешанное
соединение, т.е. приборы соединены последовательно и параллельно.
Рассмотрим метод эквивалентных замен.
Пример 2. Вычислить сопротивление участка цепи АБ на рисунке 3.
На представленной схеме (рис. 3)
резисторы
R1
и
R2
соединены
последовательно, резисторы R4 и R5 –
параллельно, а резистор R6 присоединен
параллельно к блоку, содержащему все
остальные резисторы. В таком случае для вычисления сопротивления всего
участка следует заменять эквивалентными сопротивлениями те блоки, в
которых способ
соединения
элементов
очевиден,
постепенно
упрощая
цепь.
Так заменяя R1
Хабаровск - 2012
МИФ-2, №1, 2012
и R2 на R12=R1+R2, а R4 и R5 на
, получим схему, представленную на
рисунке 4 а).
Замена R3 и R12 на R123 приводит к эквивалентной схеме, представленной
на рисунке 4 б).
Далее заменяем последовательное соединение сопротивления R123 и R45
на R12345 получаем схему, представленную на рисунке 4в), что делает очевидной
замену двух параллельных резисторов на один R123456, эквивалентный всему
исходному участку цепи (рис. 4г).
Еще один метод нахождения сопротивления участков цепи со смешанным
соединением метод соединения и разведения точек цепи с одинаковым
потенциалом для упрощения расчетов.
Этот
метод
применим
тогда,
когда
блоки
с
параллельным
и
последовательным соединением цепи в явном виде не просматриваются. В
таких случаях возможно свести в одну точку те точки цепи, которые обладают
одинаковым потенциалом (например, соединенных проводом с малым
сопротивлением), или искусственное разъединение таких точек, превращая
схему в совокупность блоков, сопротивление которых легко рассчитать.
Пример 3. Найти общее сопротивление
участка цепи.
На представленной схеме (рис. 5а)
точки
B,C,D
соединены
проводом,
поэтому обладают общим потенциалом.
Их можно соединить вместе. При сведении их в точку В получается схема,
представленная на рис 5б, в которой расчет сопротивления участка значительно
упрощается.
ХКЦТТ
МИФ-2: Математика, информатика и физика – школьникам Хабаровского края
В схеме, представленной на рисунке 6а наоборот, удобно точку О
разделить на две точки О1 и О2 (рис. 6б), после чего расчет сопротивления
между участками цепи существенно упрощается (рис. 6в).
Контрольная работа №2 для учащихся 8 классов
Приведенные ниже задания являются контрольной работой №2 для
учащихся 8 классов. Каждая задача оценивается в 5 баллов, для зачета нужно
набрать не менее 35 баллов.
Правила оформления работ:
Решения по каждому предмету оформляется отдельно. Каждое задание
имеет свой шифр (Ф.8.2.1 и т.д.), который указывается перед записью
решения. Переписывать текст задачи не надо, достаточно краткой записи,
если это необходимо. Оформлять решения в порядке следования заданий.
Можно присылать нам столько решений, сколько удалось вам сделать, даже
если оказалось невозможным выполнить всю работу.
Наш адрес: 680000, г. Хабаровск, ул. Дзержинского, 48, ХКЦТТ
(ХКЗФМШ).
Подробнее познакомиться со школой, ее традициями можно на нашем сайте:
www.khspu.ru/~khpms/. Там же, на форуме, можно проконсультироваться по
вопросам, связанным с решением задач (и не только).
Ф.8.2.1. На одном металлическом шаре находится заряд 10-6Кл. При
соединении его с другим таким же шаром, заряды выровнялись за 0,2с. Какой
заряд протек по проводу, которым соединили шары, и какова была сила тока в
проводе?
Ф.8.2.2. Накал лампы, включенной в схему,
показанную на рисунке 7, регулируется
ползунком реостата. Вольтметр при слабом
накале показал 0.8 В, при сильном – 1В. Во
сколько раз возросло показание амперметра,
если сопротивление спирали лампы считать
постоянным?
Ф.8.2.3. Каково сопротивление 1м провода из константана диаметром 0,8мм?
Хабаровск - 2012
МИФ-2, №1, 2012
Ф.8.2.4. При намотке катушки из медного провода ее масса возросла на 1,78г, а
сопротивление оказалось равным 34 Ом. Оцените по этим данным длину и
площадь поперечного сечения провода.
Ф.8.2.5. Во сколько раз изменилось сопротивление металлического проводника,
если его длину увеличить в 4 раза, а площадь поперечного сечения в 2 раза?
Ответ обоснуйте.
Ф.8.2.6. Два одинаковых металлических шара, один из которых несет заряд в
3∙10-8Кл, а другой незаряжен, приводят в соприкосновение. Каковы будут
заряды на каждом из шаров.
Ф.8.2.7. Две капли сливаются в одну. До слияния заряд первой из них был
+3∙10-9Кл, а второй – - 2∙10-9Кл. Каков заряд образовавшейся капли?
Ф.8.2.8. При соприкосновении двух одноименных заряженных металлических
шаров разного размера, заряд перераспределяется так, что на одном из них
оказывается заряд в 3 раза больший, чем на другом. Каковы заряды на шарах
после соприкосновении, если до него каждый из них имел заряд в 10 -8Кл?
Ф.8.2.9. Сколько электронов и в каком направлении переместилось при
соприкосновении двух одинаковых металлических шаров, если они имели
заряды 3∙10-9Кл и – 1∙10-8Кл, соответственно?
Ф.8.2.10. Капля ртути, имеющая заряд + 3∙10-8Кл, разлетелась на три капли.
Заряды распределились в соотношении 1 : 2 : 4, и заряд одной из них стал
отрицательным. Каков заряд на каждой капле?
Ф.8.2.11. Рассчитайте сопротивление между точками А и Б в схемах,
изображенных на рисунках 8 и 9, если
сопротивление каждого резистора 2Ом.
Ф.8.2.12. Начертите схему электрической цепи, состоящей из двух
аккумуляторов, звонка и двух кнопок, расположенных так, что можно звонить
из двух разных мест.
Ф.8.2.13. Требуется увеличить в 4 раза силу тока в цепи при возросшем вдвое
сопротивлении. Что нужно для этого сделать?
Ф.8.2.14. Через поперечное сечение проводника в 1с проходит 6∙1019
электронов. Какова сила тока в проводнике?
ХКЦТТ
МИФ-2: Математика, информатика и физика – школьникам Хабаровского края
Ф.8.2.15. Имеются два отрезка проволоки. Первый отрезок в 8 раз длиннее
второго, но второй имеет вдвое большую площадь поперечного сечения.
Каково отношение сопротивлений этих отрезков?
Ф.8.2.16. Определите распределение токов в цепи (рис. 10), напряжение на
каждом резисторе, полное сопротивление цепи, если R1=R2=R3=R4=R5=2Ом, а
напряжение на концах цепи UАВ=36В.
Хабаровск - 2012