Глава 14. § 90. Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда — с. 300
§ 90. Вопрос 1. Какие взаимодействия называют электромагнитными?
Электромагнитными называют взаимодействия заряженных частиц и тел. Сила такого взаимодействия, как и сила тяготения, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но в 10³⁹ раз больше гравитационной (в атоме водорода электрон притягивается к протону именно с такой избыточной силой). Электромагнитные силы определяют строение атомов и молекул, свойства веществ, силы упругости и трения.
§ 90. Вопрос 2. Что такое элементарный заряд?
Элементарный заряд — это минимальный электрический заряд, существующий в природе; по модулю он равен заряду электрона (и протона): e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Заряд любого тела кратен ему: q = ±N|e|, где N — целое число. У элементарной частицы значение заряда строго определено: электрон несёт −e, протон +e, нейтрон заряда не имеет.
§ 90. Вопрос 3. Как можно определить, имеет тело заряд или не имеет?
О наличии заряда судят по электромагнитному взаимодействию: заряженное тело притягивает лёгкие предметы (кусочки бумаги, пушинки) и притягивается или отталкивается от других заряженных тел. Если тело приближать к подвешенному на нити лёгкому заряженному шарику или к стержню электрометра, то отклонение стрелки или шарика покажет, что заряд есть. Нейтральное тело таких сил не создаёт. Электрометр, кроме того, позволяет сравнивать заряды по значению отклонения стрелки.
§ 90. Вопрос 4. Приведите примеры явлений, вызванных электризацией тел, которые вы наблюдали в повседневной жизни.
1) Потрескивание и маленькие искорки при снятии синтетической рубашки или свитера в сухом воздухе.
2) Волосы после расчёсывания притягиваются к расчёске и «встают дыбом».
3) Пыль налипает на экран телевизора и монитора, на пластмассовые поверхности.
4) Воздушный шарик, потёртый о шерсть, прилипает к стене.
5) Лёгкий удар током при прикосновении к дверной ручке или автомобилю после ходьбы по синтетическому ковру.
Во всех случаях при трении электроны переходят с одного тела на другое, и тела приобретают заряды противоположных знаков.
2) Волосы после расчёсывания притягиваются к расчёске и «встают дыбом».
3) Пыль налипает на экран телевизора и монитора, на пластмассовые поверхности.
4) Воздушный шарик, потёртый о шерсть, прилипает к стене.
5) Лёгкий удар током при прикосновении к дверной ручке или автомобилю после ходьбы по синтетическому ковру.
Во всех случаях при трении электроны переходят с одного тела на другое, и тела приобретают заряды противоположных знаков.
§ 90. Вопрос 5. Почему при перевозке бензина к цистерне прикрепляют металлическую цепь, касающуюся земли?
При движении бензин трётся о стенки цистерны, и цистерна электризуется. Накопленный заряд может вызвать искровой разряд, а искра способна воспламенить пары бензина. Металлическая цепь, касающаяся земли, проводит заряд в землю и не даёт ему накапливаться, поэтому цистерна остаётся практически нейтральной и опасной искры не возникает.
§ 90. Вопрос 6. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда.
В изолированной системе (в неё не входят извне и из неё не выходят наружу заряженные частицы) алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется: q₁ + q₂ + … + qₙ = const. Это значит, что заряды не создаются и не исчезают, а только перераспределяются между телами. Заряженные частицы рождаются и исчезают лишь парами с равными по модулю и противоположными по знаку зарядами, поэтому сумма зарядов остаётся неизменной.
§ 90. Вопрос 7. Приведите примеры явлений, в которых наблюдается сохранение заряда.
1) Электризация трением: если потереть эбонитовую палочку о мех, то палочка получает отрицательный заряд −q, а мех — положительный +q; сумма зарядов остаётся равной нулю.
2) Соприкосновение двух одинаковых металлических шаров: общий заряд распределяется между ними поровну, а сумма зарядов не меняется.
3) Рождение электрон-позитронной пары из гамма-кванта: заряды +e и −e в сумме дают нуль, как и у нейтрального кванта; при аннигиляции пара снова превращается в нейтральные фотоны.
4) Опыт с двумя пластинами и электрометром: заряды пластин равны по модулю и противоположны по знаку, суммарный заряд нуль.
2) Соприкосновение двух одинаковых металлических шаров: общий заряд распределяется между ними поровну, а сумма зарядов не меняется.
3) Рождение электрон-позитронной пары из гамма-кванта: заряды +e и −e в сумме дают нуль, как и у нейтрального кванта; при аннигиляции пара снова превращается в нейтральные фотоны.
4) Опыт с двумя пластинами и электрометром: заряды пластин равны по модулю и противоположны по знаку, суммарный заряд нуль.
§ 90. Образец заданий ЕГЭ, задание 1. Два точечных заряда притягиваются друг к другу только в том случае, если заряды
1) одинаковы по знаку и любые по модулю
2) одинаковы по знаку и обязательно одинаковы по модулю
3) различны по знаку и любые по модулю
4) различны по знаку, но обязательно одинаковы по модулю
1) одинаковы по знаку и любые по модулю
2) одинаковы по знаку и обязательно одинаковы по модулю
3) различны по знаку и любые по модулю
4) различны по знаку, но обязательно одинаковы по модулю
Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются; модули зарядов на знак силы не влияют (по третьему закону Ньютона силы равны по модулю при любых значениях зарядов). Значит, условие притяжения — только различие знаков.
Ответ: 3) различны по знаку и любые по модулю.
Ответ: 3) различны по знаку и любые по модулю.
§ 90. Образец заданий ЕГЭ, задание 2. На тонких шёлковых нитях подвешены два заряженных одинаковых шарика (см. рис.). [рисунок: две нити прикреплены к потолку на некотором расстоянии друг от друга и наклонены навстречу друг другу, шарики висят ближе друг к другу, чем точки подвеса]
Какое из утверждений верно?
1) Заряды шариков обязательно равны по модулю.
2) Силы, действующие на каждый из шариков, различны.
3) Заряды шариков имеют одинаковый знак.
4) Заряды шариков имеют разные знаки.
Какое из утверждений верно?
1) Заряды шариков обязательно равны по модулю.
2) Силы, действующие на каждый из шариков, различны.
3) Заряды шариков имеют одинаковый знак.
4) Заряды шариков имеют разные знаки.
Нити наклонены к центру: шарики отклонились навстречу друг другу, то есть притягиваются, значит, их заряды разных знаков. Утверждение 3 неверно. Утверждение 1 необязательно: при притяжении модули зарядов могут быть разными. Утверждение 2 неверно: по третьему закону Ньютона силы взаимодействия равны по модулю (а на одинаковые шарики действуют и одинаковые силы тяжести).
Ответ: 4) заряды шариков имеют разные знаки.
Ответ: 4) заряды шариков имеют разные знаки.
§ 90. Образец заданий ЕГЭ, задание 3. На рисунке изображены три пары заряженных лёгких одинаковых шариков, подвешенных на шёлковых нитях. Заряд одного из шариков указан на рисунках. В каком случае заряд другого шарика может быть отрицателен?
[рисунок: А — левый шарик с зарядом −q, нити расходятся, шарики отклонились друг от друга; Б — левый шарик с зарядом +q, нити сходятся, шарики притянулись друг к другу; В — левый шарик с зарядом +q на вертикальной нити, правый отклонён вправо, от него]
1) А
2) А и Б
3) В
4) А и В
[рисунок: А — левый шарик с зарядом −q, нити расходятся, шарики отклонились друг от друга; Б — левый шарик с зарядом +q, нити сходятся, шарики притянулись друг к другу; В — левый шарик с зарядом +q на вертикальной нити, правый отклонён вправо, от него]
1) А
2) А и Б
3) В
4) А и В
Случай А: шарики отталкиваются, заряды одного знака; один заряд −q, значит, и другой отрицателен: возможно.
Случай Б: шарики притягиваются, заряды разных знаков; один заряд +q, значит, другой отрицателен: возможно.
Случай В: шарики отталкиваются, заряды одного знака; один заряд +q, значит, другой положителен: отрицательным быть не может.
Ответ: 2. А и Б.
Случай Б: шарики притягиваются, заряды разных знаков; один заряд +q, значит, другой отрицателен: возможно.
Случай В: шарики отталкиваются, заряды одного знака; один заряд +q, значит, другой положителен: отрицательным быть не может.
Ответ: 2. А и Б.
§ 90. Образец заданий ЕГЭ, задание 4. На двух одинаковых металлических шарах находятся положительный заряд +Q и отрицательный заряд −5Q. При соприкосновении шаров заряд на каждом шаре станет равен
1) −4Q
2) +6Q
3) −2Q
4) +3Q
1) −4Q
2) +6Q
3) −2Q
4) +3Q
По закону сохранения заряда суммарный заряд системы q = Q + (−5Q) = −4Q. Шары одинаковые, поэтому заряд делится поровну: q' = −4Q / 2 = −2Q.
Ответ: 3) −2Q.
Ответ: 3) −2Q.