Делимость электрического заряда. Опыт, подтверждающий делимость электрического заряда. Электронно-ядерная модель атома.

Зарядим один электроскоп, а второй нет, соединим их проволокой, заметим, что половина заряда первого передалась второму. Значит эл. заряд можно делить. Если к первому электроскопу, на котором осталась половина первоначального заряда, снова присоединить незаряженный электроскоп, то на нем останется ¼ от первоначального заряда.

Известно, что в обычном состоянии молекулы и атомы не имеют электрического заряда. Следовательно, нельзя объяснить электризацию их перемещением. Если же предположить, что в природе существуют частицы, имеющие электрический заряд, то при делении заряда должен быть обнаружен предел деления. Это значит, что должна существовать частица с наименьшим зарядом.

Существует ли предел деления заряда? Не может ли получиться заряд такой величины, который уже не поддается дальнейшему делению?

Для деления заряда на маленькие порции его следует передавать не шарам, а маленьким крупинкам металла или жидкости. После чего измеряли заряд, полученный на этих маленьких телах. Опытами было установлено, что возможно получить заряд, который в миллиарды миллиардов раз меньше, чем в рассмотренных нами опытах. Но дальше определенной величины заряд разделить не удавалось. Это позволило предположить, что существует заряженная частица, которая имеет самый малый заряд, который разделить невозможно.

Электрон очень мал. Масса электрона равна 9,1 × 10 -31 кг. Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, которая является наименьшей из всех молекул.

Электрический заряд – это одно из основных свойств электрона. Нельзя представить, что этот заряд можно снять с электрона. Они неотделимы друг от друга.

Электрический заряд – это физическая величина. Она обозначается буквой q. За единицу электрического заряда принят кулон (Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона.

Электрон – частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен 1,6 × 10 -19 Кл.

*Впервые определить заряд электрона удалось учёным Иоффе и Милликену.

Закон Кулона - сила взаимодействия точечных заряженных тел прямопропорциональна произведению зарядов этих тел и обратнопропорциональна квадрату расстояния между ними.

Точечно заряженные тела – тела, размерами которых в условии данной задачи можно пренебречь.

Заряд ядра равен по абсолютному значению общему заряду электронов атома, можно предположить заряженные частицы. Их назвали протонами. Каждый протон имеет массу, в 1840 раз большую, чем масса электрона. Атом в целом не имеет заряда , он нейтрален, потому что положительный заряд его ядра равен отрицательному заряду всех его электронов.

Атом – это мельчайшая частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств.

Э. Резерфорд установил, что внутри атома находятся положительно заряженное ядро, а снаружи – электрон.

*Ядро меньше атома в 10 тысяч раз.

*Масса атома практически равна массе его ядра.

Положительный ион – атом, потерявший электрон.

Отрицательный ион – атом, присоединивший один или несколько электронов.

Протон – ядро атома, который несёт один элементарный заряд.

Нейтрон – элементарная частица, не имеющая электрического заряда.

Протоны и нейтроны называют нуклонами – частицами ядра.

Валентные электроны – электроны, расположенные на внешнем слое.

Изотоп – это химический элемент с одинаковым количеством протонов и электронов, но с разным количеством нейтронов.

Опыты Н. Бора определили, что электроны в атомах располагаются слоями-оболочками (энергетическими уровнями. 1 уровень=2 электрона, 2 ур.=8, 3ур.=18, 4 ур.=32)

Вам уже известно, что для объяснения тепловых явлений необходимы знания о молекулярном строении вещества. Возможно ли с помощью представлений о молекулярном строении вещества объяснить явление электризации? Известно, что в обычном состоянии молекулы и атомы не имеют электрического заряда. Следовательно, нельзя объяснить электризацию их перемещением. Если же предположить, что в природе существуют частицы, имеющие электрический заряд, то при делении заряда должен быть обнаружен предел деления.

Рис. 38. Зарядка электроскопа

Проделаем следующий опыт. Зарядим электроскоп (рис. 38), а затем при помощи металлической проволоки соединим его с другим, незаряженным электроскопом (рис. 39). Как только проволока коснётся шариков обоих электроскопов, то половина заряда первого шара перейдёт на второй.

Рис. 39. Делимость электрического заряда

Это значит, что первоначальный заряд поделился на две равные части.

Если к первому электроскопу, на котором осталась половина первоначального заряда, снова присоединить незаряженный электроскоп, то на нём останется1/4 от первоначального заряда. Таким же образом каждый из этих разделённых зарядов можно снова поделить на две равные части и т. д.

Существует ли предел деления заряда? Не может ли получиться заряд такой величины, который уже не поддаётся дальнейшему делению?

Чтобы ответить на эти вопросы, пришлось провести ещё более сложные опыты. Дело в том, что оставшийся на шаре электроскопа заряд становится таким малым, что при помощи электроскопа его обнаружить невозможно. С этой целью для деления заряда на маленькие порции его передавали не шарам, а маленьким крупинкам металла или жидкости. После чего измеряли заряд, полученный на этих маленьких телах, который оказался в миллиарды миллиардов раз меньше, чем в рассмотренных нами опытах (см. рис. 38). Но дальше определённой величины заряд разделить не удавалось. Это позволило предположить, что существует заряженная частица, которая имеет самый малый заряд, который разделить невозможно.

Милликен Роберт (1868-1953)
Американский физик-экспериментатор. Опытным путём доказал существование частиц с наименьшим зарядом. Лауреат Нобелевской премии

Существование мельчайших частиц, имеющих наименьший электрический заряд, было доказано многими опытами. Такие опыты проводили советский учёный Абрам Фёдорович Иоффе и американский учёный Роберт Милликеп. В своих опытах они электризовали мелкие пылинки цинка. Заряд пылинок меняли и вычисляли. Так поступали несколько раз. При этом заряд оказывался каждый раз другим. Но все его изменения были в целое число раз (т. е. в 2, 3, 4 и т. д.) больше некоторого определённого наименьшего заряда. Этот результат можно объяснить только так. К пылинке цинка присоединяется или от неё отделяется только наименьший заряд (или целое число таких зарядов). Этот заряд дальше уже не делится. Частицу, имеющую самый маленький заряд, назвали электроном .

Иоффе Абрам Фёдорович (1880-1960)
Российский физик, академик. Создатель российской научной школы. Проводил исследования по измерению заряда электрона.

Кулон Шарль Огюстен (1763-1806)
Французский физик, военный инженер. Изобрёл прибор для установления основных законов электрического и магнитного взаимодействий.

Электрон очень мал. Масса электрона равна 9,1 10 -31 кг. Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, которая является наименьшей из всех молекул.

Электрический заряд - это одно из основных свойств электрона. Нельзя представить, что заряд можно снять с электрона. Они неотделимы друг от друга.

Электрический заряд - это физическая величина. Она обозначается буквой q. За единицу электрического заряда принят кулон (Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона.

Электрон - частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен -1,6 10 -19 Кл.

Вопросы

1. Как на опыте показать, что электрический заряд делится на части?
2. Имеет ли электрический заряд предел делимости?
3. Как назвали частицу с самым малым зарядом? Что вы знаете о заряде и массе электрона?

Слайд 2

Повторим и вспомним: Какие тела называются наэлектризованными? (тела, которые после натирания приобретали свойство притягивать к себе другие тела) Какие два рода электрических зарядов существуют в природе? (в природе существуют положительный и отрицательный заряды) Как они взаимодействуют? (одноимённые заряды отталкиваются друг от друга, а разноимённые притягиваются)

Слайд 3

Электризация тел может осуществляться не только трением. Проведём следующий опыт. Подвесим на шёлковой нити лёгкую гильзу из алюминиевой фольги и прикоснёмся к ней наэлектролизованной палочкой. Мы увидим, что после касания гильза начинает отталкиваться от палочки. Это означает, что гильза и палочка имеют одноимённый заряд.

Слайд 4

Откуда же взялся электрический заряд на гильзе? Очевидно, часть электрического заряда с наэлектризованной палочки перешла на гильзу. Следовательно, при соприкосновении двух тел электрический заряд может частично переходить с заряженного тела на незаряженное.

Слайд 5

Наличие на каком-либо теле электрического заряда можно обнаружить с помощью специального прибора, называемого электроскопом (от греч. электрон и скопео – смотреть, наблюдать). В электроскопе через пластмассовую пробку 5, вставленную в металлический корпус 1, пропущен металлический стержень 3. На конце его подвешанны два лёгких металлических листочка 4. Корпус с обоих сторон закрыт стёклами 2.

Слайд 6

Если стерженя электроскопа коснуться заряженным телом, то листочки разойдутся. Значит, они зарядились одноимённым зарядом. Причём, угол расхождения листочков зависит от заряда, который был им сообщён. Чем больше этот заряд, тем сильнее они будут отталкиваться друг от друга, и тем на больший угол они разойдутся.

Слайд 7

Если к заряженному электроскопу поднести одноимённо заряженное тело, как электроскоп, то его листочки разойдутся сильнее. Приближая к электроскопу тело заряженное противоположным по знаку зарядом, угол между листочками электроскопа уменьшится

Слайд 8

Существует другой вид электроскопа, называемый электрометром. Вместо листочков на металлическом стержне укреплена стрелка. Поворот стрелки объясняется тем, что при соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стрелке и стержню. Силы отталкивания, действующие между одноимёнными электрическими зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки

Слайд 9

Опыт показывает, что при увеличении электрического заряда на стержне угол отклонения стрелки от вертикального положения увеличивается. Следовательно, по изменению этого угла можно судить об увеличении или уменьшении электрического заряда, переданного стержню электрометра.

Слайд 10

Если зарядить один из двух одинаковых электрометров и соединить приборы металлическим стержнем, то окажется, что отклонение стрелки первого электрометра несколько уменьшится, зато отклонится стрелка второго электрометра. В результате стрелки обоих приборов отклонятся на один и тот же угол. Как объяснить данное явление?

Слайд 11

Если предположить, что металл является веществом, по которому свободно перемещаются электрические заряды, то от заряженного электрометра по металлическому стержню половина заряда могла перейти к незаряженному электрометру. В результате они оба оказались одинаково заряженными, и их стрелки отклонились на одинаковые углы.

Слайд 12

Вещества, которые способны проводить электрические заряды, называются проводниками. Металлы, а также растворы солей и кислот в воде являются хорошими проводниками.

Слайд 13

Тело человека также проводит электричество. Если коснуться заряженного предмета, например, шара электрометра рукой, то этот предмет разрядится. Через руку электрический заряд перейдёт к человеку

Слайд 14

Если электрометры соединить стеклянной палочкой, то никаких изменений не произойдёт. То есть стекло не позволяет электрическим зарядам свободно перемещаться с одного тела на другое.

Цели урока:

• показать, что электрический заряд можно делить на части;
• познакомить учащихся с электроном;
• познакомить учащихся с планетарной моделью атома по Резерфорду;
• развивать способности учащихся анализировать, сравнивать, делать выводы.
• развивать мышление учащихся.

Наглядные пособия и оборудование:

• презентация;
• мультимедийный проектор;
• электроскопы, металлическая проволока с изолированной ручкой, стеклянная и эбонитовая палочки, куски меха, шёлка;
• "султаны" на подставке, электрофорная машина;
• таблица "Периодическая система химических элементов Менделеева".

Ход урока

Актуализация знаний

Наэлектризуем "султан" с помощью электрофорной машины. Почему полоски "султана" разошлись в разные стороны?

Сообщим двум "султанам" с помощью электрофорной машины сначала разноимённые заряды, а затем одноимённые. Объясните наблюдаемые явления. Почему в первом случае полоски "султанов" притягиваются, а во втором - отталкиваются?

Как называется прибор?

Коснёмся шара электроскопа наэлектризованной палочкой из стекла. Почему отклоняется стрелка электроскопа

С помощью чего осуществляется электрическое взаимодействие заряженных тел?

Разгадаем кроссворд и узнаем, о чём мы сегодня будем говорить на уроке. (Слайд 1)

Способ сообщения телу электрического заряда.

Вещество, которое не проводит электричество.

Вещество, которое хорошо проводит электричество.

Прибор, служащий для обнаружения и измерения электрического заряда.

Делимость электрического заряда.

Зарядим электроскоп, при помощи металлической проволоки соединим его с незаряженным электроскопом.

Что произошло? Почему?

(Половина заряда первого шара перешла на второй, заряд разделился на две равные части) Повторим опыт. Заряд первого шара ещё уменьшился в два раза. На первом электроскопе останется от первоначального заряда. значит, электрический заряд может делится.

Как вы думаете, можно ли заряд делить бесконечно?

Почему? Существует ли предел деления заряда?

Русский учёный А. Ф. Иоффе и американский учёный Р. Милликен доказали, что это деление имеет предел. Был сделан вывод о существовании в природе частицы, имеющей наименьший отрицательный заряд. (Слайд 3) Эту частицу назвали электроном. (Слайд 4)

Электрон - элементарная частица, имеющая отрицательный заряд.

Частица, имеющая наименьший положительный заряд, называется протоном.

Электроны и протоны входят в состав атома.

Заряд протона равен по модулю заряду электрона.

Учёный Резерфорд экспериментально обосновал планетарную модель атома (Слайд 5):

• в центре атома находятся положительно заряженное ядро;
• вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Как вы думаете, почему модель атома называется планетарной?

Ядро состоит из протонов и нейтронов.

Какой заряд имеют протоны? Нейтроны? Как вы думаете, имеет ли атом электрический заряд?

Число электронов равно числу протонов, значит заряд ядра равен по модулю заряду электронов, следовательно, атом нейтрален.

Массы протона и нейтрона во много раз больше массы электрона, поэтому масса атома сосредоточена в ядре.

Атомы разных элементов отличаются друг от друга числом протонов, нейтронов и электронов.

Найдите в таблице Менделеева алюминий. (Слайд 6)

Чему равен порядковый номер алюминия? Чему равна его атомная масса?

Определите состав атомов водорода, гелия, лития. (Слайды 7,8,9) Модель какого атома изображена на рисунке? (Слайд 10) Почему атом нейтрален?

Атом, потерявший один или несколько электронов, будет иметь положительный заряд. Его называют положительным ионом.

Атом, присоединивший один или несколько электронов, будет иметь отрицательный заряд. Его называют отрицательным ионом. (Слайд 11)

Закрепление изученного материала.

Проверим, как вы усвоили тему сегодняшнего урока. (Слайд 12,13)

В центре атома находится ______

Вокруг ядра движутся ___________

Ядро атома состоит из ____________________

Ядро имеет _______________ заряд.

Электроны имеют ______________ заряд.

Протоны имеют _______________ заряд.

Нейтроны имеют _______________ заряд.

Атом имеют _______________ заряд.

Атом, потерявший один или несколько электронов, называется ________________

Атом, присоединивший один или несколько электронов, называется _____________

Определите состав атома и заполните таблицу (Слайд 14):

Домашнее задание: Параграф 29,30, упражнение 11.

На данном уроке мы рассмотрим вопросы, связанные с делимостью электрического заряда. То есть рассмотрим, до какой же степени можно разделить электрический заряд. Также мы познакомимся с наименьшим носителем электрического заряда, который известен на сегодняшний день - с электроном. Мы рассмотрим планетарную модель строения атома, предложенную Резерфордом, а также поймём природу возникновения зарядов у различных тел и веществ.

Тема: Электрические явления

Урок: Делимость электрического заряда. Строение атома

Данный урок посвящён делимости электрического заряда. Нам предстоит ответить на вопрос, существует ли минимальный электрический заряд, а также познакомиться со строением атома.

На предыдущих уроках мы выяснили существование электрических зарядов, а также принципы их взаимодействия.

И вот теперь мы подошли к вопросу, что же такое электрический заряд. Ответ был найден учеными далеко не сразу. Существовало множество теорий. И только в конце XIX века физики пришли к окончательному ответу на этот важнейший с точки зрения науки вопрос.

До этого предполагали, что тела заряжаются из-за движения специальной заряженной жидкости: якобы, когда она покидает тело, то оно заряжается отрицательно, а когда попадает в него, то наоборот. По другой теории, внутри тела находилось всегда сразу две жидкости. Если одна из них вытекала, то другая оказывалась в избытке, что и приводило к появлению электрического заряда.

Чтобы разобраться с электрическим зарядом, нам необходимо дать ответ на следующий вопрос: до какой степени можно делить электрический заряд? Чтобы понять суть этого вопроса, рассмотрим следующий эксперимент.

Возьмём два незаряженных электрометра.

Также возьмём стеклянную палочку и потрём её о бумагу. Как мы уже знаем из предыдущих уроков, палочка приобретёт заряд.

Сообщим теперь с помощью наэлектризованной палочки заряд одному из электрометров.

Теперь возьмём металлический стержень (на изолированной ручке) и соединим с помощью него шары обоих электрометров. Как мы уже знаем, в результате заряд разделится между электрометрами.

Снимем заряд со второго электрометра (опять же, мы уже знаем, как это делается: достаточно просто прикоснуться к шару электрометра пальцем).

Повторим эксперимент. Ситуация повторится с той лишь разницей, что заряд на первом электрометре уменьшился приблизительно в 2 раза (он перешёл на второй электрометр, откуда мы его «забрали»).

И снова снимем заряд со второго электрометра. И снова заряд на первом электрометре уменьшился практически в 2 раза.

Возникает вопрос, до каких пор мы можем повторять указанные действия? Электрометры не позволяют нам ответить на этот вопрос, так как являются достаточно неточными приборами с большой погрешностью в измерениях.

Как же поступили физики в этой ситуации?

Ответ на поставленный вопрос практически одновременно и независимо друг от друга дали два учёных - американский физик Р. Э. Милликен (Рис. 1) и русский физик А. Ф. Иоффе (Рис. 2), поэтому их опыты так и называются: опыты Иоффе-Милликена.

Рис. 1. Р. Э. Милликен ()

Рис. 2. А. Ф. Иоффе ()

Иоффе и Милликен независимо друг от друга с помощью определённых приборов сумели определить заряд электрона - мельчайшей частицы, до которой можно делить электрический заряд.

Милликену, в частности, удалось определить и массу этой элементарной частицы.

В конце XIX века благодаря исследованию ядерных превращений удалось открыть частицу - электрон . Такое название она получила вследствие того, что обладает минимальным электрическим зарядом.

В результате опытов Иоффе-Милликена стало известно, что масса электрона равна , а его заряд (который условились считать отрицательным) равен

. Обозначается это так:

;

Это характеристики самой маленькой частицы, обладающей электрическим зарядом. До более мелких значений электрический заряд разделить не удалось. Поэтому заряд электрона - минимальный электрический заряд. Все остальные заряды кратны заряду электрона (то есть делятся на него без остатка). Это означает, что, к примеру, заряд не может быть равен .

В качестве обозначения единицы заряда мы указали «Кл» - Кулон . Названа эта единица измерения в честь французского учёного Шарля Кулона (Рис. 3), который вывел закон о взаимодействии электрических зарядов. Кулон показал, что чем больше расстояние между зарядами, тем меньше сила их взаимодействия, а чем больше по модулю величины зарядов, тем эта сила больше.

Рис. 3. Шарль Кулон ()

Отметим немаловажный факт: и заряд, и масса электрона крайне малые величины (сравнительно, конечно же).

Важно также помнить, что электрический заряд не существует отдельно от вещества. Если нет частицы - нет и заряда. Обратная ситуация возможна: частица может быть незаряженной, то есть существовать без заряда, а вот заряд без частицы - никогда.

Следующий шаг в изучении электрических зарядов состоял в том, чтобы понять, как расположены электрические заряды внутри вещества. Мы знаем, что все тела состоят из атомов и молекул. Из этого можно сделать вывод, что электрон каким-то образом связан с атомом.

Существовало много теорий о том, что же такое атом. Одни учёные считали, что он напоминает булку с изюмом ()Рис. 4.

Рис. 4. Модель атома Томсона () ()

То есть, положительный заряд - это сама булка, а изюм - это электроны. Поэтому атом заряда не имеет (как и должно быть, ведь если вещество не наэлектризовано, то оно заряда не имеет).

Другие учёные считали, что атом напоминает орех: есть скорлупа, внутри которой находятся положительные и отрицательные заряженные частицы (Рис. 5).

Рис. 5. Иллюстрация к модели атома в виде ореха ()

Вообще, существовало множество теорий, каждая из которых объясняла те или иные известные на тот момент свойства атома.

Наконец, английский учёный Эрнест Резерфорд (Рис. 6) провёл опыт, который позволил установить, как же всё-таки устроен атом.

Рис. 6. Э. Резерфорд ()

С помощью уже открытых тогда свойств радиоактивности ему удалось определить, что атом - некое подобие планетарной системы. Как мы знаем, в центре Солнечной системы находится Солнце, вокруг которого по орбитам вращаются планеты. Такую же модель Резерфорд предложил для атома (Рис. 7).

В центре атома расположено массивное, положительно заряженное ядро, а вокруг ядра по своим орбитам движутся электроны. При этом скорость движения электронов очень большая.

В целом, из опытов следовало, что атом электронейтрален, а всё изменение заряда тела обеспечивается движением электронов. То есть если в наших опытах тела приобретали заряд, то это связано не с положительно заряженным ядром, а с движением отрицательно заряженных электронов. Если электроны от тела «уходят», то тело заряжается положительно (так как «ушли» отрицательно), а если, наоборот, электроны к телу «приходят», то тело заряжается отрицательно.

Рис. 7. Модель атома Резерфорда ()

Рассмотрим схему строения атома, которую предложил Резерфорд, более подробно на примере атомов гелия и водорода.

1. Схема строения атома гелия

Атом гелия состоит из ядра, в котором находятся 2 положительно заряженные частицы (протоны) и 2 нейтрально заряженные частицы (нейтроны) , заряд нейтронов равен 0 (Рис. 8). Вокруг атома движутся по своим орбитам 2 электрона.

В целом заряд атома равен 0.

Если мы от этого атома один из электронов удалим, то атом станет положительно заряженным ионом . Если же наоборот - добавить электрон, то получим отрицательно заряженный ион .

Рис. 8. Атом гелия ()

2. Схема строения атома водорода

Водород - самый простой по своему строению элемент. Ядро состоит всего из одного протона, а вокруг ядра вращается один электрон. Атом водорода также в целом электронейтрален (Рис. 9).

Рис. 9. Атом водорода ()

Говоря, что тело (вещество) не имеет заряда, мы не имеем в виду, что внутри тела (вещества) нет электронов. Они есть, но их заряд компенсируется положительно заряженными частицами. Если тело приобретает заряд, то это означает, что к телу «пришли» или «ушли» электроны.

Об опытах Резерфорда мы будем более подробно говорить в старшей школе. Сам Резерфорд считал, что эксперименты должны быть простыми, чёткими и понятными каждому.

Однако объяснить строение атома достаточно сложно. В частности, нам предстоит ответить на непростой вопрос: почему отрицательно заряженные электроны не притягиваются к положительно заряженным протонам ядра и не падают на ядро.

На следующем уроке мы познакомимся с объяснением некоторых электрических явлений.

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» ().
2. Уроки ().

Домашнее задание

1. П. 29-30, вопросы 1-4 - стр. 68, вопросы 1-5 - стр. 69, упр. 11. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
2. В ядре атома натрия 11 протонов. Сколько электронов обращается вокруг ядра? Во что превратится атом натрия, если он потеряет один электрон?
3. Что имеет большую массу: атом лития или положительный ион лития? Атом хлора или отрицательный ион хлора?
4. Во что превратится атом натрия, если «убрать» из его ядра один протон, не изменяя количества электронов?