Физическая викторина. Электричество и магнетизм. Электростатика
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1. Наэлектризованную эбонитовую палочку поднести к маленькому листочку очень тонкой фольги. Листочек притянется и прилипнет к палочке. Резким движением листочек стряхнуть с палочки, а затем быстро подвести ее под падающий листочек. Он будет парить в воздухе над палочкой (рис.) и следовать за ней, если перемещать ее в горизонтальном направлении.
Объяснить явление.
2. Привести пример, когда при сближении двух разноименно заряженных тел сила притяжения между ними уменьшается до нуля.
3. Как будет вести себя положительно заряженный шар в каждом из электрических полей, изображенных на рисунке? Как будет вести себя в этих полях незаряженный шар?
4. Положительно заряженный шар А поместили вблизи металлического шара В (рис.). Измерения показали, что сила электрического взаимодействия шаров равна нулю. Заряжен ли шар В?
5. Полый латунный шар А, имеющий небольшое отверстие, заряжен положительно (рис.). Как известно, на внутренней поверхности этого шара заряды отсутствуют. Зарядится ли металлический шар В, если его соединить проволокой с внутренней поверхностью шара А?
6. Чистый сухой песок через металлическую, хорошо изолированную воронку 1, соединенную со стержнем электрометра, насыпать в металлическую коробку 2, установленную под воронкой на площадке стержня другого электрометра (корпус каждого из электрометров заземлен) (рис.). Стрелки электрометров отклоняются. Объяснить явление.
Вернутся ли стрелки электрометров на нуль, если их стержни соединить разрядником?
7. Бутылку заткнуть пробкой, в которую воткнуть иголку острием вверх. На острие надеть перевернутый стакан. Гребенку из пластмассы натереть о шерсть и положить на донышко стакана (рис.). Поднести палец к концу гребенки, которая, поворачиваясь, будет следовать за ним. Объяснить явление.
8. С помощью наэлектризованной стеклянной палочки зарядить электроскоп положительным зарядом. Медленно издалека поднести к шарику электроскопа отрицательно заряженную эбонитовую палочку. Листочки электроскопа сначала опустятся, а при дальнейшем приближении эбонитовой палочки снова поднимутся. Объяснить явление.
9. Если коснуться рукой стержня заряженного электрометра, то его стрелка отклонится на еще больший угол. Если же коснуться рукой корпуса электрометра, то он не разрядится. Объяснить явление. Как разрядить электрометр?
10*. Указать знак заряда шара (рис.).
11. Расположить острие, соединенное с одним из кондукторов электрофорной машины, на расстоянии 3 см от поверхности среза картофельного клубня, который предварительно смочить 2%-ным раствором йодистого калия, и соединить с другим кондуктором (рис.). Почему после включения тока на поверхности среза появляется синее пятно?
12. В электрическом поле между пластинами раздвижного конденсатора, присоединенного к полюсам действующей электрофорной машины, поместить «колесо Франклина» (рис.). Оно начнет вращаться. Объяснить явление.
13. Электрический маятник.
Между двумя вертикально установленными металлическими пластинками, из которых одна изолирована и соединена проволокой с кондуктором электрофорной машины, подвесить на шелковой нити маленький пробочный шарик (рис.). При вращении дисков машины шарик колеблется между пластинками. Объяснить явление.
14. К шарикам кондукторов электрофорной машины привязать две тонкие стеклянные трубки (рис.), которые образуют горизонтальные «рельсы». Положить на них легкий целлулоидный шарик от настольного тенниса, покрытый проводящей бронзовой краской. Медленно вращать диски электрофорной машины. Шарик будет перекатываться взад и вперед между кондукторами. Объяснить явление.
15. Электрическая «пляска».
На две парафиновые свечи, лежащие на столе, положить кусок жести размером 400 X 200 мм и соединить его с кондуктором электрофорной машины. Между крышкой стола и жестью положить пять вырезанных из бумаги человечков. При вращении дисков машины человечки начинают прыгать (рис.). Объяснить явление.
16. На парафиновую пластинку поставить кольцо из жести (d = 3 см, h = 5 см), на которое подвесить загнутым кончиком бумажный листочек. Кольцо наэлектризовать, проводя по нему заряженной эбонитовой палочкой. При этом листочек отклонится от кольца (рис.). Поднести к кольцу заряженную эбонитовую палочку сначала со стороны листочка, затем с противоположной стороны. В первом случае угол отклонения листочка уменьшится, во втором — увеличится. Объяснить явление.
17. Если к заряженному кольцу (см. предыдущую задачу) поднести на расстоянии 10 см зажженную спичку, то листочек опустится. Объяснить явление.
18. Обернуть кусочками бумаги шарики полюсов электрофорной машины, обвязав бумажки проволокой в том месте, где шарики соединяются со стержнем. Далее зажечь свечу и подождать, когда ее пламя будет коптить.
Раздвинуть полюсы машины так, чтобы между ними не проскакивала искра. Вращая диски машины, поднести свечу поочередно к обоим ее полюсам.
Копотью покроется только отрицательный полюс машины. (Знак заряда на полюсе можно проверить электроскопом.) Объяснить явление.
19. Как с помощью пламени свечи определить знак заряда пластин раздвижного конденсатора, соединенных с полюсами действующей электрофорной машины?
20. К кондукторам электрофорной машины (рис.) присоединить два шарообразных изолированных проводника А и В, расположенных на расстоянии 20 см друг от друга. Между ними поместить на изолирующей подставке парафиновую палочку С длиной 10—12 см и толщиной 1 см с закругленными концами. Между проводником В и палочкой С, ближе к последней, подвесить на шелковой нити короткую бумажную гильзу D длиной 1 см. При работе машины гильза D притянется к палочке и останется неподвижной. Повторить опыт, заменив палочку С такой же, обернутой станиолем деревянной палочкой. При работе машины гильза D будет колебаться между палочкой С и проводником В. Объяснить явление.
21. Два проводника заряжены положительно: первый — до потенциала 100 В, а второй — до потенциала 50 В. Будут ли заряды переходить с первого проводника на второй, если привести проводники в соприкосновение?
22. Металлическое тело с поверхностью неодинаковой кривизны (рис.) соединить проводником с кондуктором электрофорной машины. Равномерно вращать ее диски на протяжении всего опыта. Небольшую неоновую лампочку, цоколь которой заземлен, перемещать по линии, указанной на рисунке пунктиром, на расстоянии 1—2 см от поверхности проводника. Около выступающих участков проводника лампочка будет светиться ярче, чем около остальных. Если перемещать лампочку, касаясь нижним контактом на ее цоколе поверхности проводника, то в любой точке, в том числе и у острия, свечение будет одинаковым. Объяснить явление.
23*. Проект вечного двигателя.
В сообщающиеся сосуды налит керосин (рис.). Одно колено сосуда помещают в сильное электростатическое поле
между обкладками конденсатора, за счет чего уровень керосина в этом колене выше, чем в другом. Через два блока перекинута цепочка из шариков, плотность материала которых меньше плотности керосина. Так как в левом колене больше шариков погружено в керосин, то цепочка, по мысли изобретателя, должна непрерывно вращаться. Почему же в действительности она не вращается?
24. Наклеить на эбонитовую пластинку две полоски фольги, между которыми оставить промежуток в 4—5 мм. В этом промежутке насыпать кучку ликоподия (рис.).
С помощью клемм подключить полоски фольги к электрофорной машине и привести ее в действие. Порошок ликоподия взлетит желтым облачком. Объяснить явление.
25. К диску, надетому на стержень электрометра, привязать проволокой полоску бумаги размером 200 х 600 мм, сложенную гармоникой. Зарядить электрометр. Растянуть полоску с помощью привязанной к ней шелковой нити (рис.). Угол отклонения стрелки электрометра уменьшится. Отпуская нить, снова сложить полоску. Угол отклонения стрелки примет прежнее значение. Объяснить явление.
26*. Имеют ли электростатические явления какое-нибудь практическое значение, ведь силы взаимодействия наэлектризованных тел очень малы?
Ответы
1. Около наэлектризованной палочки листочек по индукции заряжается. На его ближайшей к палочке стороне появится разноименный (по отношению к заряду палочки) заряд, а на более удаленной — одноименный. Поэтому листочек притянется к палочке и коснется ее. При этом заряд, разноименный с зарядом палочки, нейтрализуется, а оставшийся одноименный заряд оттолкнет листочек.
2. Такими телами являются, например, заряженные разноименно кольцо и маленький шарик, находящийся на оси кольца, перпендикулярной к его плоскости (рис.). По мере приближения шарика к кольцу притяжение его сначала увеличивается, а затем начинает уменьшаться (так как вблизи плоскости кольца притяжения его отдельных частей почти уравновешиваются), а в самом центре, очевидно, равно нулю (см. на рис. график зависимости силы притяжения F от расстояния l между шариком и кольцом). Задача показывает, что закон Кулона можно применять лишь к точечным зарядам.
3. Если положительно заряженный шар внести в любое из этих электрических полей, то он будет двигаться вправо. Незаряженный шар в поле I будет двигаться вправо, так как в этом направлении напряженность поля увеличивается. В поле II он будет двигаться влево, а в поле III он будет оставаться в покое, так как это поле однородно.
4. Заряжен, так как если бы его заряд был равен нулю, то он притягивался бы к шару А. Нетрудно видеть, что заряд шара В положителен.
5. Зарядится. Электроны, находящиеся на шаре В и в проводнике, соединяющем шары, будут притягиваться к положительным зарядам шара А и сначала перейдут на его внутреннюю поверхность, а затем на наружную. В результате шар В приобретет положительный заряд.
6. При отрывании высыпающихся песчинок от песка, находящегося в воронке, и песок, и высыпающиеся песчинки электризуются разноименными зарядами, причем алгебраическая сумма этих зарядов равна нулю. Поэтому при соединении стержней электрометров их стрелки возвратятся на нуль.
7. Вследствие электростатической индукции палец, поднесенный к заряженной гребенке, заряжается разноименным с ней зарядом. Поэтому гребенка притягивается к пальцу. Наведенный же в пальце одноименный заряд уходит в землю.
Примечание. После опыта для безопасности перевернуть пробку и вставить ее в горлышко иголкой внутрь.
8. Когда мы приближаем эбонитовую палочку, электроны из верхней части стержня электроскопа поступают в листочки и нейтрализуют положительный заряд листочков, которые вследствие этого опускаются. Но при дальнейшем приближении эбонитовой палочки на листочках накапливаются избыточные электроны, листочки заряжаются отрицательно и снова расходятся.
9. Перед опытом электрометр поставить на изолирующую подставку (например, из плексигласа) и зарядить не стержень, а корпус электрометра. На стержне по индукции появятся два равных разноименных заряда. Если прикоснуться к стержню, то заряд, одноименный с зарядом корпуса, уйдет в землю, отчего разность потенциалов между корпусом и стержнем увеличится. Прикосновение к корпусу не отводит его заряд в землю, так как он связан с разноименным зарядом стержня. Чтобы разрядить электрометр, надо соединить его стержень с корпусом.
10. Шар заряжен положительно.
11. Образующиеся в электрическом поле около острия аэроионы под влиянием разности потенциалов устремляются к клубню и вызывают разложение йодистого калия. Выделяющийся при этом йод окрашивает картофельный крахмал в синий цвет.
12. Острия колеса заряжаются через влияние, и воздух около них ионизируется. Колесо начинает вращаться вследствие отталкивания от одноименно заряженных ионов.
13. Коснувшись пластинки, соединенной с электрофорной машиной, маятник заряжается одноименным с ней зарядом и отталкивается от нее. Далее он касается другой пластины и, отдав ей свой заряд, разряжается. Поэтому он снова притягивается первой пластиной и т. д.
14. См. ответ к задаче 13.
15. См. ответ к задаче 13.
16. При поднесении палочки к листочку он отталкивается от нее и приближается к кольцу, так как листочек заряжен одноименно с палочкой. Если поднести палочку с другой стороны кольца, то часть его зарядов перейдет на листочек, поэтому силы отталкивания между листочком и кольцом увеличатся и листочек отойдет дальше от кольца.
17. Пламя ионизирует воздух. Ионы, несущие заряд, разноименный по отношению к заряду кольца, притянутся к нему и нейтрализуют его.
18. Частицы углерода в пламени, образующие сажу, заряжены положительно.
19. Надо поместить зажженную свечу между пластинами. Пламя свечи отклонится в сторону отрицательно заряженной пластины (см. ответ к задаче 18).
20. Заряды, индуцированные на парафиновой палочке, не свободные, а вызваны ориентацией диполей. Поэтому они не переходят на гильзу. Если палочка С сделана из проводника, то обмен зарядами между палочкой С и гильзой D будет происходить беспрепятственно и гильза D станет электрическим маятником (см. ответ к задаче 13).
21. Не обязательно. Сближая проводники, мы изменяем их потенциалы, в результате чего потенциал второго проводника может стать больше, чем был вначале. Пусть, например, первый проводник представляет собой полый шар с отверстием, а второй — небольшой шарик, который вводят внутрь полого шара и касаются его внутренней поверхности. Тогда заряды будут переходить со второго проводника на первый.
22. 1. У выступающих участков проводника поверхностная плотность зарядов, а следовательно, напряженность электрического поля и ионизация воздуха будут больше, чем у других участков. В точках с большей ионизацией больше электропроводность воздуха и сила тока, текущего через лампу.
2. Поверхность проводника является эквипотенциальной, поэтому при соприкосновении с любой ее точкой нижнего контакта лампочки напряжение на ее полюсах, а следовательно, и сила текущего через нее тока не изменяются.
23. На каждый элемент объема керосина в левом колене, громе силы тяжести, направленной вниз, действуют электростатические силы, направленные вверх. В результате действия электростатических сил гидростатическое давление в левом колене будет ослаблено и суммарная подъемная сила, действующая на шарики в левом колене, несмотря на то, что шариков здесь больше, будет такой же, как и в правом колене.
24. Между полосками фольги происходит искровой разряд. В узком канале искры воздух нагревается до высокой температуры, расширяется и разбрасывает порошок ликоподия. Опыт демонстрирует механическое действие искры.
25. Уменьшение угла отклонения стрелки электрометра свидетельствует об уменьшении его потенциала, но заряд его, очевидно, не меняется. Следовательно, при растяжении полоски (как показывает формула C=q/V) электроемкость прибора возрастает, а при ее складывании —уменьшается.
26. 1. При изготовлении тканей в текстильной промышленности волокна заряжаются, отталкиваются друг от друга, прилипают к металлическим частям машины, путаются, вследствие этого учащаются обрывы.
2. При обработке тканей на отделочных и сушильных машинах заряды создают электрические поля напряжением в несколько тысяч вольт. Проскакивающие искры могут служить причиной пожара. Для устранения зарядов увлажняют воздух.
3. В типографиях при работе ротационных машин бумага электризуется, что приводит к ее свертыванию и браку при печатании.
4. При перевозке горючих жидкостей в автоцистернах жидкости взбалтываются и электризуются. Чтобы избежать возникновения искр и пожара, к корпусу автомашины прикрепляют цепь, которая при движении волочится по земле и отводит заряды в землю.