MODUŁ 06 · BLOK II: MATERIA I JEJ WŁAŚCIWOŚCI

Przyciąganie i odpychanie, także ciał obojętnych

PPrezentacja dla nauczyciela

Znasz już podstawową zasadę: ładunki jednoimienne się odpychają, a różnoimienne się przyciągają. Ale jest w niej pewna pułapka. Naładowany balon przyciąga obojętne skrawki papieru — a przecież papier nie jest naładowany! Ten moduł wyjaśnia to zaskakujące zjawisko.

Dwie zasady i jedno zastrzeżenie

Zasada oddziaływania ładunków:
• Jednoimienne (ten sam znak: + i + albo − i −) → odpychają się.
• Różnoimienne (przeciwne znaki: + i −) → przyciągają się.
To prawda dla naładowanych ciał. A co z ciałem obojętnym? O tym niżej.

Model interaktywny: wybierz znaki dwóch ładunków

Ustaw znaki obu ładunków i naciśnij przycisk. Zobacz, w którą stronę działają siły.

Ładunek A: Ładunek B:

Rozszerzenie · dla zainteresowanych

Dlaczego naładowany balon przyciąga obojętny papier?

Zbliżasz ujemnie naładowany balon do małego kawałka papieru. Papier przed zbliżeniem jest obojętny. Dlaczego więc rusza w stronę balonu?

Papier jest w tym doświadczeniu izolatorem — ładunki nie wędrują przez niego na duże odległości. Mimo to pole elektryczne balonu może nieznacznie przesunąć ładunki w cząsteczkach papieru. Ujemny balon odpycha ładunki ujemne od swojej strony, a przyciąga dodatnie:

Bliższa strona papieru staje się względnie bardziej dodatnia.
Dalsza strona staje się względnie bardziej ujemna.
Siła przyciągania działa na bliższą stronę, a siła odpychania na dalszą. Ponieważ bliższa strona jest bliżej balonu, przyciąganie wygrywa.

Takie przesunięcie ładunków w izolatorze nazywamy polaryzacją. To nie jest swobodny przepływ elektronów przez cały przedmiot — ładunki tylko przesuwają się nieznacznie w obrębie cząsteczek.

Schemat przesadnie upraszcza rozmieszczenie ładunków. W rzeczywistym papierze zachodzą niewielkie przesunięcia ładunków (polaryzacja), nie powstają osobne rzędy znaków.

Najważniejszy wniosek tego modułu:
Ciało obojętne może być przyciągane przez ciało naładowane. Dlatego samo przyciąganie nie wystarcza, żeby stwierdzić, że dwa ciała mają przeciwne ładunki. To jedna z najczęstszych pomyłek w elektrostatyce.

Przykład z chemii. Cząsteczka wody ma biegun dodatni i ujemny, dlatego jest polarna. Gdy zbliżysz naładowany balon do cienkiego strumienia wody z kranu, strumień lekko się wygina — pole elektryczne przyciąga bliższą stronę cząsteczek. To polaryzacja, a nie nadanie wodzie ładunku netto.

Jak to się łączy…

W poprzednim module dzieliłeś materiały na przewodniki i izolatory. Tutaj okazuje się, że nawet ciało obojętne reaguje na naładowany przedmiot, bo jego ładunki mogą się nieznacznie przesunąć. W module 07 opiszesz to przesunięcie za pomocą pola elektrycznego, a w module 08 sprawdzisz całą tę wiedzę.

Chemia: cząsteczka wody jest polarna — jedna jej strona jest względnie dodatnia, a druga ujemna. Dlatego woda przyciąga jony i inne polarne cząsteczki, choć sama nie musi mieć ładunku netto.

1. 1. Które zachowanie jest jednoznaczne i dowodzi, że oba ciała są naładowane tym samym znakiem?

Odpychanie ciał naładowanych tym samym znakiem Przyciąganie ciał naładowanych różnymi znakami Brak oddziaływania ciał naładowanych i obojętnych Dotknięcie ciał, gdy jedno było obojętne

2. 2. Dlaczego przyciąganie nie wystarcza, żeby stwierdzić, że dwa ciała mają przeciwne ładunki?

Bo naładowane ciało przyciąga też ciało obojętne Bo przyciąganie zależy tylko od masy obu ciał Bo znak ładunku zależy wyłącznie od masy ciała Bo przyciąganie występuje tylko w polu magnetycznym

3. 3. Naładowany dodatnio balon zbliżono do obojętnego papieru. Co zaobserwujemy?

Papier zostanie odepchnięty od balonu Papier zostanie przyciągnięty do balonu Nie wystąpi żadne oddziaływanie między ciałami Papier naładuje się dodatnio i odleci

Jak odróżnić te dwa przypadki?

Skoro przyciąganie może oznaczać dwie różne rzeczy, jak ustalić, co naprawdę zachodzi? Oto praktyczne sposoby:

Odpychanie jest jednoznaczne. Jeśli dwa ciała odpychają się, to na pewno oba są naładowane i mają ten sam znak. Odpychanie nie zdarza się przy ciele obojętnym.
Przyciąganie trzeba sprawdzić dalej. Jeśli ciała się przyciągają, trzeba ustalić, czy obojętne ciało też jest przyciągane przez ten sam przedmiot — jeśli tak, to prawdopodobnie mamy do czynienia z ciałem obojętnym.
Zbliż obojętny przedmiot kontrolny. Jeśli ten sam naładowany przedmiot przyciąga również znany obojętny papier, to przyciąganie nie dowodzi przeciwnych ładunków.

Przykład wyjaśniony krok po kroku

Przykład 1 — balon i papier

Treść: Ujemnie naładowany balon przyciąga skrawki papieru. Czy papier ma ładunek dodatni? Uzasadnij.

Rozwiązanie krok po kroku:

Papier przed zbliżeniem balonu był obojętny — nikt go nie naelektryzował.
Balon odpycha elektrony w papierze od swojej strony, więc bliższa strona staje się względnie dodatnia.
Przyciąganie bliższej strony jest silniejsze niż odpychanie dalszej, więc papier rusza w stronę balonu.

Odpowiedź: Papier nie ma ładunku dodatniego. Jest obojętny, a mimo to przyciągany — przez przesunięcie ładunków w swoim wnętrzu.

Przykład 2 — dwa balony

Treść: Dwa balony potarte o ten sam sweter odpychają się. Co można o nich powiedzieć na pewno, a czego powiedzieć nie można?

Rozwiązanie krok po kroku:

Odpychanie jest jednoznaczne: oba balony są naładowane i mają ten sam znak ładunku.
Czego nie można powiedzieć: nie wiadomo z samego odpychania, jaki to znak (dodatni czy ujemny) ani jaka jest wartość ładunku.
Można natomiast przewidzieć, że po potarciu o ten sam materiał zwykle oba mają ładunek ujemny — ale to wniosek z wiedzy o tarciu, nie z samego odpychania.

Odpowiedź: Na pewno: oba są naładowane i mają ładunek tego samego znaku. Nie wiadomo: jaki to znak i jak duży ładunek — bez dodatkowych informacji.

Przykład z biologii. Ciało pszczoły podczas lotu gromadzi niewielki ładunek elektryczny, a pyłek i znamię słupka mogą mieć ładunek przeciwnego znaku. Dzięki temu pyłek łatwiej przywiera do kwiatu. Samo przyciąganie pyłku nie dowodzi jednak, że kwiat ma ładunek przeciwny — pyłek może być obojętny i ulegać polaryzacji, dlatego badacze mierzą ładunki osobno.

Jak to się łączy…

W poprzedniej sekcji poznałeś dwie zasady i zastrzeżenie do nich. Teraz uczysz się rozstrzygać, który przypadek naprawdę zachodzi. W module 07 zobaczysz, że pole elektryczne działa nawet wtedy, gdy ciała się nie dotykają, a w module 08 porównasz przewodniki, oddziaływanie i pole.

Matematyka: zdanie „jeśli ciała się odpychają, to mają ładunki tego samego znaku” nie jest tym samym co zdanie odwrotne. Z odpychania wynika jednoznaczny wniosek, ale z przyciągania taki wniosek nie wynika — to różnica między twierdzeniem a jego odwrotnością.

Zadanie transferowe 1 — trzy nieznane kulki

Masz trzy lekkie kulki: A, B i C. Kulka A odpycha B, a przyciąga C. Kulka B również przyciąga C. Ustal, co można na pewno powiedzieć o ładunkach wszystkich trzech kulek, a czego nie da się ustalić. Zaplanuj jedno dodatkowe doświadczenie, które rozstrzygnie wątpliwości.

Pokaż przykładowe rozwiązanie i kryteria

Przykład: odpychanie A i B jest jednoznaczne, więc obie kulki są naładowane i mają ładunki tego samego znaku. Kulka C może być naładowana przeciwnie albo obojętna — w obu przypadkach A i B będą ją przyciągać. Żeby to rozstrzygnąć, zbliżamy C do skrawków papieru. Jeśli C przyciąga papier, jest naładowana, a skoro A ją przyciąga, ma ładunek przeciwny do A. Jeśli C nie przyciąga papieru, jest najprawdopodobniej obojętna. Nie da się natomiast ustalić, czy ładunki A i B są dodatnie, czy ujemne, bo nie mamy ciała o znanym znaku.

Kryteria: (1) pojęcie — uczeń odróżnia odpychanie od przyciągania i wie, że tylko odpychanie jest jednoznaczne; (2) uzasadnienie — poprawnie wnioskuje, że A i B mają ten sam znak, a C jest obojętna lub ma znak przeciwny; (3) przykład/dowód — proponuje test z papierem i przewiduje oba możliwe wyniki; (4) język — jasno rozdziela to, co pewne, od tego, co tylko możliwe.

4. 4. Dlaczego naładowany balon przyciąga obojętny papier?

Odpycha protony i przyciąga elektrony z całego papieru Przyciąga swobodne elektrony płynące przez papier Ogrzewa papier promieniowaniem podczerwonym i wprawia w ruch Indukuje ładunki w papierze i przyciąga bliższą stronę

5. 5. Czy przyciąganie dowodzi przeciwnych ładunków?

Tak, ale tylko wtedy, gdy oba ciała są izolatorami Tak, ale tylko wtedy, gdy oba ciała są metalami Nie, bo obojętne ciała też są przyciągane Tak, zawsze, niezależnie od rodzaju ciał

6. 6. Jaka siła działa między ładunkami?

Siła ciężkości działająca na oba ciała Siła elektryczna działająca między nimi Siła tarcia zależna od rodzaju powierzchni ciał Siła magnetyczna zależna od biegunów

Ćwiczenia i podsumowanie

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Zadanie 1. Dwa ciała się przyciągają. Co można o nich powiedzieć na pewno? Zadanie 1. Dwa ciała się przyciągają. Co można o nich powiedzieć na pewno?

Wskazówka 1 — czy przyciąganie jest jednoznaczne

Pomyśl o naładowanym balonie i obojętnym papierze — one też się przyciągają.

Wskazówka 2 — co jest jednoznaczne

Które zachowanie zdarza się tylko wtedy, gdy oba ciała są naładowane tym samym znakiem?

Na pewno oba są naładowane przeciwnie Na pewno oba są naładowane tak samo Niewiele — przyciągać może się także ciało obojętne

Zadanie 2. Dwa ciała się odpychają. Co można o nich powiedzieć na pewno? Zadanie 2. Dwa ciała się odpychają. Co można o nich powiedzieć na pewno?

Wskazówka 1 — czy ciało obojętne może być odpychane

Pomyśl: czy obojętny papier kiedykolwiek „ucieka” od naładowanego balonu?

Wskazówka 2 — wniosek

Skoro odpychanie nie zdarza się dla ciała obojętnego, to oba ciała muszą być naładowane. Jakie muszą mieć znaki?

Oba są naładowane ładunkiem tego samego znaku Oba są naładowane przeciwnie Jedno z nich na pewno jest obojętne

Zadanie 3. Dlaczego naładowany balon przyciąga obojętny papier? Zadanie 3. Dlaczego naładowany balon przyciąga obojętny papier?

Wskazówka 1 — co dzieje się z ładunkami w papierze

Ładunki w papierze mogą się nieznacznie przesunąć. W którą stronę odpycha je balon?

Wskazówka 2 — która siła wygrywa

Przyciąganie działa na stronę bliższą balonu, odpychanie na dalszą. Która siła jest silniejsza?

Bo papier zawsze ma ładunek dodatni Bo ładunki w papierze się przesuwają i przyciąganie bliższej strony wygrywa Bo balon działa grawitacyjnie

Zadanie transferowe 2 — oceń rozumowanie kolegi

Kolega mówi: „Zbadałem, że naładowany długopis przyciąga moją kulkę. Więc moja kulka ma na pewno ładunek przeciwny”. Jak sprawdziłbyś, czy ma rację, mając tylko ten długopis i skrawki papieru?

Pokaż przykładowe rozwiązanie i kryteria

Przykład: wystarczy zbliżyć długopis do skrawków papieru, o których wiemy, że są obojętne. Jeśli długopis przyciąga również papier, to znaczy, że przyciąga rzeczy obojętne — więc przyciągnięcie kulki nie dowodzi, że kulka ma ładunek przeciwny. Żeby uzyskać jednoznaczny wniosek, trzeba by sprawdzić, czy kulka jest odpychana przez coś, co ma taki sam znak jak długopis — odpychanie jest jednoznaczne. Samo przyciąganie nie rozstrzyga.

Kryteria: (1) pojęcie — uczeń wskazuje polaryzację jako możliwą przyczynę przyciągania; (2) uzasadnienie — wyjaśnia, dlaczego przyciąganie nie dowodzi przeciwnych ładunków; (3) przykład/dowód — opisuje próbę z papierem i wskazuje, co by ją rozstrzygnęło; (4) język — formułuje ocenę rozumowania bez obraźliwych sformułowań i z jasnym wnioskiem.

Przykład z matematyki. W logice zdanie „jeżeli A, to B” nie jest równoważne zdaniu „jeżeli B, to A”. Podobnie jest z ładunkami: z odpychania wynika, że ciała mają ten sam znak, ale z samego przyciągania nie wynika, że znaki są przeciwne. Matematyka uczy, kiedy wniosek jest uprawniony, a kiedy trzeba szukać dodatkowego dowodu.

Jak to się łączy…

W poprzedniej sekcji sprawdzałeś, kiedy przyciąganie jest jednoznaczne. Tutaj ćwiczysz to samo na przykładzie kolegi i jego kulki. W module 08 porównasz tę wiedzę z przewodnikami i polem elektrycznym, a w module 09 zobaczysz, jak silne pole prowadzi do iskry.

Technika: w malowaniu proszkowym drobinki farby zostają naładowane, a malowany przedmiot przyciąga je polem elektrycznym. Farba osiada równiej niż przy zwykłym natrysku, bo ładunek pomaga jej trafić na powierzchnię.

Podsumowanie modułu

Zapamiętaj

Jednoimienne się odpychają, różnoimienne się przyciągają — to dotyczy ciał naładowanych.
Naładowane ciało przyciąga także ciało obojętne, bo ładunki w nim się nieznacznie przesuwają — to polaryzacja.
Odpychanie jest jednoznaczne; przyciąganie — nie.

Uważaj na błąd

„Jeśli dwa ciała się przyciągają, to muszą mieć przeciwne ładunki.” Nie — jedno z nich może być obojętne. Zanim wyciągniesz wniosek, sprawdź, czy ten sam naładowany przedmiot przyciąga również znany obojętny papier.

Sprawdź, czy rozumiesz

Dlaczego obojętny papier jest przyciągany, choć nie ma ładunku netto?

Odpowiedź

Bo w papierze ładunki mogą się nieznacznie przesunąć: bliższa strona staje się względnie dodatnia, a dalsza względnie ujemna. Siła przyciągania działa na bliższą stronę, a odpychanie na dalszą — a bliższa jest bliżej, więc przyciąganie wygrywa. Ładunek całkowity papieru nadal wynosi zero.