Методика формування поняття поля у курсі фізики середньої школи

                 

     Схема досліду Ернста Резерфорад,  проведеного у 1911 році 

     Отже, в центрі атома знаходиться позитивно  заряджене ядро. Поодинокі альфа-частинки, які відбились від фольги, найімовірніше зазнали зіткнення з ядром атома золота. Це свідчить про те, що ядро атома має величезну масу, і можна вважати, що приблизно вся маса атома зосереджена в ядрі. 

     

     Проходження альфа-частинок через золоту фольгу у досліді Резерфорда 

     Дійсно, єдиним правдоподібним поясненням цьому  явищу могло бути те, що позитивно  заряджені альфа-частинки зустрічали на своєму шляху інші, ще більше сильніше позитивно заряджені частинки, заряд і маса яких були настільки великими, що альфа-частинки відлітали у бік і навіть назад, не дивлячись на свою величезну швидкість (близько  15 000 км/с), а відповідно і енергію. Такі великі сили відштовхування не могли з’явитись у атома, позитивний заряд якого був рівномірно розподілений по всій сфері атома, як це було запропоновано Дж.Дж. Томсоном. Електрони, згідно моделі Е. Резерфорда, обертаються навколо ядра на значній відстані від нього. Ця відстань в сотні тисяч разів перевищує розміри самого ядра. На сьогоднішній день відомо, що радіус атома становить 10-10 -10-9 метра, а приблизний радіус ядра –   10-15– 10-14  метра, отже, радіуса атома приблизно в сто тисяч раз більший за радіус ядра.

     Атом, у якого кількість електронів на орбіталях менша за кількість протонів в ядрі, називається позитивним іоном. 

     Атом, у якого кількість електронів більша за кількість протонів в ядрі, називається негативним іоном.

 

      1.5 Закон збереження електричного заряду. Електричне поле.

     Взаємодія заряджених тіл. Закон  Кулона. 

     Класи́чна електродина́міка — розділ фізики, який займається вивченням взаємодії наелектризованих, намагнічених тіл та провідників зі струмами.

     Предмет електродинаміки включає зв'язок електричних і магнітних явищ, електромагнітне випромінювання (в різних умовах, як вільне, так і в різноманітних випадках взаємодії з речовиною), електричний струм (взагалі кажучи, змінний) і його взаємодія з електромагнітним полем (електричний струм може бути розглянуто при цьому як сукупність рухомих заряджених частинок). Будь-яке електричне і магнітне взаємодія між зарядженими тілами розглядається в сучасній фізиці як здійснюване за посередництвом електромагнітного поля, і, отже, також є предметом електродинаміки.

     Закон збереження електричних  зарядів - в ізольованій системі повна алгебраїчна сума електричних зарядів залишається незмінною. Заряди можуть лише передаватись від одного тіла даної системи до іншого або зміщуватись всередині даного тіла. Електричні заряди можуть зникати і виникати знову, але завжди зникають або виникають два електричні заряди проти- лежних знаків.

     Закон Кулона.

     Володіючи знаннями про причини та способи  перерозподілу електричного заряду, характер взаємодії однойменно і  різнойменно  заряджених тіл, слід більш детально ознайомитись з кількісним розрахунком електричної сили, тобто визначити, як залежить сила, з якою взаємодіють заряджені тіла, від зарядів тіл, відстані між ними та середовища, в якому знаходяться тіла.    

       Взаємодія тіл кількісно описати досить нескладно, якщо розміри цих тіл малі в порівнянні з відстанню між ними. Такі заряджені тіла ми будемо називати точковими зарядами. Точкові заряди - це фізичні тіла, які мають електричний заряд і розміри яких набагато менші за відстань між цими тілами, на якій вони взаємодіють.

     Наближено точковими можна вважати маленькі заряджені тіла, наприклад заряджені  кульки.  

       Закон взаємодії двох точкових  зарядів був встановлений на  досліді у 1785 році французьким  фізиком Шарлем Кулоном. Будова  приладу, з яким Кулон проводив свої досліди, показана на рис 2, а. На дуже тонкій пружній нитці 1 підвішений за середину легкий ізоляційний стержень 2, на одному кінці якого закріплено кульку, виготовлену з провідника 3, а на другому диск 4, який виконував функцію противаги. Верхній кінець нитки закріплений на голівці, що могла обертатись і кут повороту якої можна було точно виміряти. Всередині приладу знаходилася друга, точно така сама кулька 5, яка закріплена на ізоляційній паличці 6. Вказані вище частини приладу були поміщені у великий скляний циліндр, який захищав стержень від руху повітря. На поверхню циліндра була нанесена шкала, яка дозволяла визначити відстань між кульками 3 і 5 при різних їх положеннях.

       рис. 2  Крутильні терези Кулона:    

     а) загальний вигляд; б) головка приладу;  в) провідник для нанесення заряду на кульку 5 

     Голівка приладу показана окремо на рис 2, б. В окремих дослідах, попередньо точно був визначений момент сили, необхідний для закручування нитки на певний кут, тобто на який кут повернеться ізоляційний стержень 2, якщо на один з його вільних кінців діятиме певний, відомий момент сили. Знаючи довжину ізоляційного стержня 2 (плече сили), можна обрахувати силу, прикладену до кульки 3, яка зумовлює такий самий обертальний момент.

       

     Схема досліду Ш. Кулона, на якій показані електричні сили, які діють на однойменно заряджені кульки 

     

       Принцип дії крутильних терезів.  Знаючи кут відхилення (бета) коромисла від початкового положення, знаходимо силу електричної взаємодії двох кульок 

     За  допомогою такого досліду Кулон  розв'язав першу частину проблеми: він знайшов закон, який дозволяв визначити залежність сили електричної  взаємодії від відстані між тілами. Виявилось, що сила відштовхування двох маленьких однойменно заряджених кульок обернено пропорційна квадрату відстані між центрами обох кульок. Якщо позначити через   силу відштовхування, через    - відстань між кульками, то цей висновок можна записати математично так:     (знак   позначає в даному випадку «прямо пропорційно»).    

     Точно такі результати були отримані і для різнойменних зарядів,

     

     але в цьому випадку спостерігається відштовхування.    

       Слід зауважити, що даний висновок  був ще в 1771 році встановлений англійським фізиком Генрі Кавендишем менш прямими, але більш точними дослідами.   

       Складніше Кулону було вияснити, яким чином впливають на силу взаємодії заряди, тому що на той час ще не було способів їх вимірювання. Кулон вчинив тоді так: можна надати кулькам однойменні заряди   та   (поки що невідомі), встановити обидві кульки на відомій відстані і виміряти кут закручування нитки. За відомим кутом закручування нитки визначимо момент сили, а, знаючи плече, і силу взаємодії між кульками. Потім доторкнемось, наприклад до першої кульки, такою самою незарядженою третьою кулькою і вилучимо цю третю кульку. При дотику однакових кульок заряд перерозподілиться між ними порівну, так що на кульці, до якої доторкнулись, залишиться заряд  . Тепер  знов встановимо обидві кульки на фіксованій відстані і, спостерігаючи їх взаємодію, виміряємо кут закручування нитки.

     Вчинивши  таким чином і надалі, можна було ділити заряд будь-якої кульки і вимірювати при цьому силу взаємодії.

     

       Схема досліду Ш. Кулона по встановленню залежності між силою електричної взаємодії і зарядами взаємодіючих точкових тіл 

     Детальні  досліди Кулона привели науковців  до встановлення залежності між силою  взаємодії кульок і зарядами цих  кульок. Виявилося, що сила електричної  взаємодії двох маленьких заряджених кульок прямо пропорційна добутку модулів зарядів цих кульок. Якщо позначити через   силу електричної взаємодії між кульками, через   та    - заряди кульок, то цей висновок можна записати математично так:     (знак  позначає в даному випадку «прямо пропорційно»).  

       Об'єднуючи обидва висновки Кулон  сформулював фізичний закон, який  був названий на його честь:

     Сила  електричної взаємодії двох точкових зарядів напрямлена вздовж прямої лінії, яка з'єднує ці заряди і прямо пропорційний добутку модулів обох зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

     Математичний  запис цього закону такий   

       Якщо позначити через   коефіцієнт пропорційності, то можна записати закон Кулона у вигляді

     

     Закон Кулона справджується лише для точкових зарядів. Якщо взаємодіючі заряджені тіла не можна вважати токовими (хоча б одне із взаємодіючих тіл), то закон Кулона справджуватись не буде. Наприклад, закон Кулона не справджується, якщо взаємодіють електрично заряджена поверхня (наприклад плита) і заряджена кулька; великий металевий заряджений циліндр і заряджена кулька; довгий тонкий заряджений провідник і точкове заряджене тіло тощо. 

        З закону видно, що він аналогічний за формою запису до закону Всесвітнього тяжіння. При цьому роль маси відіграють електричні заряди, які є мірою електричних властивостей тіл.  

       З закону Кулона можна визначити і фізичний зміст коефіцієнта  . Якщо ми маємо два однакових точкових заряди, модулі яких рівні 1Кл і ці точкові заряди розміщені на відстані 1 м один від одного, то сила взаємодії цих зарядів буде чисельно дорівнювати

       

       Тобто коефіцієнт пропорційності  

       - це електрична сила (притягання або відштовхування), з якою взаємодіють два точкових заряди, модулі яких рівні 1 Кл, і самі заряди знаходяться на відстані 1 м один від одного.  

       Дослідним шляхом встановлено,  що якщо заряд виражати в  кулонах, відстань в метрах, а  силу в ньютонах, то коефіцієнт  пропорційності k у записі закону Кулона дорівнює   . 

       В формулах електрики досить  часто використовується множення  на константу  , тому коефіцієнт пропорційності   прийнято записувати у вигляді

         

       Отже, закон Кулона ще записують так:

       

     Електричне  поле

     Дія зарядженого тіла на оточуючі тіла проявляається у вигляді сил притягання і відштовхування.

       

     Демонстрація  того, що навколо заряджених тіл  існує електричне поле 

     Розглянемо, наприклад, позитивно заряджене  тіло. Якщо до цього тіла піднести негативно  заряджену кульку, то кулька почне  притягуватись до тіла; якщо позитивно  заряджену - то відштовхуватись. Крім того, якщо змінювати положення кульки в просторі відносно зарядженого тіла, то характер взаємодії кульки і тіла не зміниться, змінюватиметься лише відхилення кульки на мотузці, що свідчитиме про зміну сили взаємодії.   

       З цього досліду можна зробити  висновок, що електрична сила  діє збоку зарядженого тіла на заряджену кульку в кожній точці простору, а величина цієї сили залежить від відстані між зарядженими тілами і їх зарядами (висновок із закону Кулона). Для повної характеристики заряду тіла необхідно знати, яку дію він чинить у буд-якій точці простору або, як говорять, необхідно знати електричне поле, яке виникає навколо зарядженого тіла. Таким чином, під поняттям «електричне поле» ми визначаємо простір, у якому проявляється дія електричного заряду.

            Електричне поле - простір, у якому проявляється дія електричного заряду.   

       Якщо є не один, а декілька  зарядів, які розміщені у різних  місцях, то у будь-якій точці  навколишнього простору проявиться  сумісна дія цих зарядів, тобто  електричне поле, яке створюється  всіма цими зарядами.  

       Можна уявити собі електричне поле як особливу форму чи вид матерії, з допомогою якої проявляється польова (безконтактна) взаємодія тіл. Звідси можна сформулювати ще одне означення електричного поля: