Тема уроку: Електризація тіл. Два роди електричних зарядів.
Мета уроку: ознайомити учнів з електростатичною взаємодією, вивчити правила безпеки під час роботи з накопичувачами електричних зарядів; пояснити механізм електризації тіл; дати класифікацію електричних зарядів (позитивні і негативні); навчити користуватися електроскопом.
Обладнання: пластина з оргскла, паперові «султанчики», палички зі скла та ебоніту, електроскопи, електрофорна машина, повітряні кульки, папір.
Тип уроку: вивчення нового матеріалу.
Хід уроку
І. Постановка навчальної проблеми.
У цей час у науці відомі чотири основні типи взаємодії, що існують у природі: гравітаційна, електромагнітна, сильна (ядерна) та слабка. Ми вже познайомилися з проявом гравітаційної взаємодії та починаємо вивчати один із найпоширеніших типів взаємодії – електромагнітну.
ІІ. Вивчення нового матеріалу.
Історія електрики цікава та повчальна. Ще грецький філософ Фалес Мілетський (624 – 547 рр. до н. е.) відкрив,що шматочок бурштину, потертий об вовну, набуває властивості притягувати дрібні предмети – порошинки, соломинки тощо. Довгий час вважалося, що цю властивість має тільки бурштин (від грец. electron), тому це явище стало називатися електризацією тіл.
Через більш ніж 2000 років після дослідів Фалеса лікар англійської королеви Вільям Гільберт (1540 – 1603) встановив, що електричні властивості має не лише бурштин, але й інші речовини (скло, смола, графіт тощо). Фактично Гільберту ми зобов’язані зародженням науки про електрику.
Першу електростатичну машину побудував німецький учений Отто фон Геріке (1602 – 1686). Куля, виготовлена з розплавленої сірки, приводилася в обертання спеціальним приводом і під час обертання натиралася долонями. Наелектризувавшись, вона притягувала до себе аркуші паперу, пластинки із золота, срібла й навіть струмені води й масла. За допомогою цього приладу Геріке виявив, що, крім протягування, існує й електричне відштовхування.
Демонстрація 1. Пластину з оргскла електризуємо об аркуш паперу й підносимо до дрібних клаптиків паперу (можна вирізати забавні фігурки й стиплером прикріпити до їхнього нижнього краю скріпки, тоді фігурки підніматимуться).
Важливо зазначити, що під час тертя електризуються обидва тіла.
Демонстрація 2. Ту саму пластину натираємо об шматок гуми. Переконуємося, що клаптики паперу прилипають і до гуми.
У ході дослідів необхідно звернути увагу учнів на те, що наелек тризовані тіла взаємодіють один із одним з різними силами. Чому? Намагаючись розібратися з цим питанням, підводимо учнів до ви значення поняття «електричний заряд».
Щоб мати можливість кількісно визначати інтенсивність елек тромагнітної взаємодії, фізики, за аналогією з масою, що визначає міру гравітаційної взаємодії частинок (тіл), увели ще одну фізичну величину — електричний заряд.
Запис у зошит. Електричний заряд — це властивість тіл або часток, що ха рактеризує інтенсивність їхніх електромагнітних взаємодій.
Природа «носіїв» електричних зарядів тривалий час залиша лася загадковою. Перший крок до її розгадки зробив англійський учений Дж. Дж. Томсон 1897 року. Він виявив, що при потужних електричних розрядах виникають потоки надзвичайно легких електрично заряджених частинок.
Відкриту Томсоном частинку на честь електрона-бурштину — «першої електричної речовини» — назвали електроном. Електрон був першою з відкритих ученими елементарних частинок, тобто дрібних частинок речовини.
Наступний крок до розгадки природи електрики зробив на по чатку ХХ століття англійський учений Резерфорд. Досліджуючи будову атома, він довів, що в центрі атома перебуває дуже мале по зитивно заряджене ядро, у якому зосереджена майже вся маса ато ма, а негативно заряджені електрони рухаються навколо ядра.
Так з’ясувалося, де саме всередині речовини «зосереджені» по зитивні й негативні заряди: позитивні — у ядрах атомів, а негатив ні — в електронах.
Електрична взаємодія (на відміну від гравітаційної) – це не тільки притягування, а й відштовхування. На початку XVIII століття французький учений Шарль Дюфе пояснив притягування й відштовхування наелектризованих тіл існуванням двох типів електричних зарядів: якщо тіла мають елек тричні заряди того самого типу, вони відштовхуються, а якщо різ них типів, то притягуються.
Американський учений Бенджамін Франклін запропонував назвати електричні заряди одного типу позитивними, а іншого типу — негативними. Обґрунтовував він це тим, що тіла, які мають заряди різних типів, можуть, контактуючи одне з одним, повністю розрядитися, тобто втратити заряди. А це нагадувало додавання рівних за модулями чисел різних знаків, коли в результаті одер жуємо нуль.
Узагальнюючи дослідні дані про взаємодію заряджених тіл і частинок, можна зробити висновок:
однойменно заряджені тіла відштовхуються, а різнойменно заряджені — притягуються.
Електричний заряд переноситься тільки зарядженими частин ками: електричного заряду без частинок не існує. Заряджені час тинки називають носіями електричного заряду. Пам’ятаючи про це, ми будемо, однак, для стислості називати іноді заряджені час тинки просто зарядами.
Найбільш «активний» носій електричного заряду — електрон, що обумовлено насамперед його малою масою. Наприклад, елек трони є носіями заряду в металах.
Багатьма дослідами було доведено, що всі відомі елементарні частинки або не мають електричного заряду (такі частинки назива ються нейтральними), або мають заряд, кратний за модулем заряду електрона. Тому модуль заряду електрона назвали елементарним електричним зарядом. Елементарний електричний заряд познача ється e.
Найменший позитивний заряд — це заряд протона, що за моду лем дорівнює заряду електрона.
Демонстрація 3. Ебонітову паличку електризуємо тертям і підносимо спочатку до одного «султанчика», а потім до другого. Підносячи «султанчики» один до одного, будемо спостерігати відштовхування їхніх смужок.
Демонстрація 4. Другий «султанчик» електризуємо скляною паличкою, потертою об шовк. Підносячи його до першого «султанчика», будемо спостерігати протягування їхніх смужок.
Цими дослідами ми підтверджуємо існування в природі електричних зарядів двох родів – позитивних і негативних.
Запис у зошит. Тіла, які мають електричні заряди одного знака, взаємно відштовхуються, а тіла, які мають заряди протилежного знака, взаємно притягуються.
Також можна додатково показати такі досліди, що ілюструють взаємодію наелектризованих тіл.
1. Взаємне притягання (відштовхування) смужок двох «султанчиків», наелектризованих за допомогою електрофорної машини.
2. Шматочок вати поміщаємо між кульками розрядника електрофорної машини. Отримавши заряд від однієї кульки й відштовхнувшись від неї, шматочок вати летить до іншої кульки і, перезаряджаючись, повертається назад.
3. Металеву кулю, закріплену на ізольованому штативі, заряджаємо від електрофорної машини й сиплемо на неї шматочки дрібно нарізаного паперу. Отримавши від кулі однойменний заряд, шматочки паперу відскакують від неї в різні боки.
4. Пушинку – малесенький шматочок вати – кладемо на пластмасову наелектризовану лінійку, потім легенько її здуваємо, а лінійку швидко переміщаємо вниз під пушинку й спостерігаємо за її парінням в електричному полі.
5. Дві повітряні кульки електризуємо тертям об папір і спостерігаємо їхнє взаємне відштовхування. Можна піднести кульки до стелі або стіни й спостерігати їхнє «прилипання» до цих тіл. Якщо одну з кульок натерти папером, а другу – вовною, то вони почнуть притягуватися: котимо по столі одну кульку, а за нею слідом котиться й друга.
Прилад, за допомогою якого можна з’ясувати, наелектризовані тіла чи ні, називають електроскопом (від грец. електрон і скопео – спостерігати, виявляти).
Демонстрація 5. Демонструється електроскоп і пояснюється принцип його дії.
Демонстрація 6. Заряджений електроскоп з’єднують із незарядженим, використовуючи для цього по черзі дерев’яну лінійку, пластмасову лінійку, металевий стрижень на ізольованій ручці.
Електрони в металах можуть переміщатися по всьому шматку. А в багатьох розчинах солей, кислот і лугів по всьому об’єму мо жуть переміщатися йони (такі розчини називають електролітами).
У загальному випадку заряджені частинки, які можуть перемі щатися по всьому об’єму тіла, називають вільними зарядами (у ви падку металів — вільними електронами), а речовини, що містять вільні заряди, називають провідниками.
Оскільки живі тканини містять розчини солей, вони, звичайно, є провідниками (зокрема, провідником є тіло людини).
Якщо помістити провідник в електричне поле, то вільні заря ди, що перебувають у ньому, почнуть рухатися, й у провіднику ви никне спрямований рух зарядів, тобто електричний струм.
Провідники тому так і називаються, що вони проводять елек тричний струм.
У багатьох речовинах: газах, що перебувають за не занадто ви сокої температури, різних рідинах (у тому числі дистильованій воді), склі, пластмасах, гумі тощо — вільних зарядів немає. Такі речовини називають діелектриками (або ізоляторами, оскільки вони не проводять електричний струм і тому ізолюють провідники один від одного).
Запис у зошит. За здатністю проводити електричні заряди всі речовини умовно поділяються на провідники (метали, грунт, розчини солей і кислот і т. д.) і непровідники, або діелектрики (порцеляна, ебоніт, скло, гази, пластмаси й т. д.). Деякі речовини, провідність яких залежить від зовнішніх умов (температури, освітленості, наявності домішок), відносяться до напівпровідників.
Дається поняття заземлення. Пояснюється важливість заземлення.
З «ліриків» у «фізики»
Бенджамін Франклін (1706 – 1790), видатний американський політичний діяч, який працював у тому числі й в галузі фізики, ввів такі поняття, як «батарея», «конденсатор», «провідник», «заряд», «розряд», «обмотка», а також запропонував позначати заряди знаками «+» і «-», називаючи їх відповідно «позитивний» і «негативний», до 40 років займався літературою й видавничою справою. Його відомий роман «Альманах бідака Річарда» багато разів перевидавався й приніс авторові популярність і матеріальний статок.
Не тільки ебонітові палички!
Через тертя об повітря електризується обшивка літака. Тому перед посадкою їх розряджають за допомогою металевого троса, який опускають на землю.
Під час перевезення бензину заряджаються стінки цистерни, тому за бензовозом тягнеться землею металеве коло, а за легковими автомобілями – смуги з провідної гуми.
Як боротися?
З небажаною електризацією в побуті та в промисловості борються, підвищуючи вологість повітря в приміщенні, натираючи підлогу й стіни антистатичною мастикою.
Практично не електризується одяг із природного волокна – бавовни та льону.
Як використовувати?
Статична електрика використовується людиною:
- для лікування органів дихання спеціальними електроаерозолями;
- для очищення повітря від пилу й сажі за допомогою електростатичних фільтрів;
- в електрокопіювальних пристроях (наприклад, у ксероксі);
- для фарбування тканин у фарбувальнях;
- для копчення риби на спеціалізованих комбінатах (у спеціальних камерах контейнер з рибою заряджають позитивним зарядом, а електроди – негативним, що значно прискорює процес копчення).
ІІІ. Закріплення нового матеріалу.
Запитання для організації бесіди
1. Як на досліді виявити, наелектризовані тіла чи ні?
2. Як довести, що під час зіткнення електризуються обидва тіла?
3. Як можна передати тілу електричний заряд?
4. Які два роди електричних зарядів існують у природі?
5. Як взаємодіють між собою тіла, що мають заряди одного знака? різного знака?
6. Чи можна за кутом розбіжності паперових смужок електроскопа судити про його заряд?
7. Що називається заземленням?
8. Які досліди доводять, що існують електричні заряди двох ти пів?
9. Іноді під час фарбування пульверизатором металевої поверхні їй передають заряд одного знака, а крапелькам фарби — заряд протилежного знака. Для чого це потрібно?
10. Чи можна наелектризувати ебонітову паличку шляхом тертя об ебонітову пластинку?
11. Чому, коли розчісують сухе волосся, воно прилипає до пласт масового гребінця?
12. Чому вважається, що в природі існують тільки два роди елек тричних зарядів?
ІV. Домашнє завдання.
1. Вивчити теоретичний матеріал уроку за конспектом та за підручником § 1, 2 (п. 1), ст. 4 – 12.
2. Виконати завдання:
Початковий та середній рівень
1. Кулька з металевої фольги мала позитивний заряд. Ії розрядили, й кулька стала нейтральною. Чи можна стверджувати, що заряд кульки зник?
2. Клаптик негативно зарядженої металевої фольги, дотикаючись до іншого, але нейтрального клаптика фольги, частково втратив свій негативний заряд. Чи можна стверджувати, що частина заряду зникла безслідно?
3. Дві монетки заряджені однаковими за абсолютним значенням, але різними за знаками зарядами. Після дотикання одна до одної вони стають нейтральними. Куди «зникає» заряд?
4. Монетка, яка висить на шовковій нитці, має певний заряд. До неї підносять і торкаються такою ж монеткою. Порівняйте заряди монеток після доторкання.
5. Під час проведення дослідів з електрики взаємодію заряджених тіл спостерігають за відхиленням ниток, на яких підвішені заряджені тіла. Чому в цих дослідах використовують шовкові нитки?
Достатній рівень
1. Негативно зарядженою ебонітовою паличкою доторкнулися до металевої посудини, яка стояла на сухому дерев’яному столі й попередньо не була заряджена. Потім посудину перенесли до металевої мийки. Як змінювався заряд посудини?
2. До позитивно зарядженої металевої кульки, яка висить на шовковій нитці, доторкнулися позитивно зарядженою скляною паличкою. Заряд кульки збільшився. Як змінювалася кількість протонів або електронів у кульці під час збільшення позитивного заряду?
Високий рівень
1. Запропонуйте досліди, за допомогою яких можна встановити, чи заряджене тіло, чи ні.
2. Які експериментальні факти свідчать про те, що є заряди двох знаків?
3. Вода витікає тонким струменем із зарядженої позитивно металевої посудини. Який заряд мають краплі води у струмені? Як впливає те, що краплини заряджені, на їх поведінку під час падіння?
4. Під час фарбування деталей складної форми досить часто використовують спосіб нанесення фарби шляхом розпорошення її крапельок. Чому заряджання деталі зарядом одного знаку, а джерела фарби — зарядом іншого знаку суттєво зменшує втрати фарби?
5. Запропонуйте досліди, які б дали змогу відрізнити провідник від діелектрика?
2. Творче завдання. Сконструюйте та побудуйте саморобний електроскоп.
3. Додаткове завдання. Підготуйте інформацію про приклади електризації в побуті та техніці.
Коментуючи домашнє завдання, учитель указує на його «раз норівневість»: учням пропонується самим вибирати домашнє за вдання за рівнем складності (середній, достатній і високий). При цьому учень уже не зможе сказати: «Я не зміг розв’язати задачу», тому що завдання першого рівня дуже прості й не повинні викли кати труднощів під час їх розв’язання. Разом з тим, слабкий учень, розв’язавши прості задачі та переконавшись у своїх силах, може спробувати виконати домашнє завдання вищого рівня.
Учитель може заздалегідь роздрукувати аркуші з номерами домашнього завдання (наприклад, на один урок, на місяць або на чверть) і роздати учням. При цьому можна запропонувати дітям вклеювати ці аркуші собі в зошит і під ними записувати розв’язання домашніх завдань.
Це полегшує контроль для вчителя й забезпечує самоконтроль для учнів.