Как найти заряд электрона физика - Avtoru.top - решение различных проблем

Возьмём два одинаковых электрометра и один из них зарядим (рис. а). Его заряд соответствует (6) делениям шкалы.

Рис. (1). Электрометры

Если соединить эти электрометры стеклянной палочкой, то никаких изменений не произойдёт. Это подтверждает тот факт, что стекло является диэлектриком. Если же для соединения электрометров использовать металлический стержень А (рис. б), держа его за не проводящую электричество ручку В, то можно заметить, что первоначальный заряд разделится на две равные части: половина заряда перейдёт с первого шара на второй. Теперь заряд каждого электрометра соответствует (3) делениям шкалы. Продолжим опыт. Разъединим электрометры и коснёмся второго шара рукой. От этого он потеряет заряд — разрядится. Соединим его снова с первым шаром, на котором осталась половина первоначального заряда. Оставшийся заряд снова разделится на две равные части, и на первом шаре останется четвёртая часть первоначального заряда. Таким же образом можно получить одну восьмую часть, одну шестнадцатую часть первоначального заряда и т.д.
Возникает вопрос, до каких пор можно уменьшать заряд? Существует ли предел деления электрического заряда? Чтобы выяснить это, понадобилось выполнить более сложные и точные опыты, чем описанный выше, так как очень скоро оставшийся на шаре заряд оказывается столь малым, что обнаружить его при помощи школьного электрометра не удаётся. Более точные опыты показали, что электрический заряд нельзя уменьшать бесконечно: он имеет предел делимости.

Электрический заряд — это физическая величина, которую обозначают буквой (q).

За единицу электрического заряда принят кулон (Кл). Частицу, имеющую самый маленький заряд, назвали электроном. Этот заряд нельзя «снять» с электрона. Заряд электрона обозначают буквой е. Заряд электрона является отрицательным. (e = -0,00000000000000000016) Кл = (-)

1,6
·10
−19

()Кл. Этот заряд в миллиарды раз меньше того, что обычно получают в опытах по электризации тел трением.
Чтобы узнать заряд тела, необходимо заряд электрона умножить на количество зарядов n:

q=e
·n

.
Электрон — очень маленькая частица. Его масса (m =)9,1
·10
−31 кг. Крылышко мухи имеет массу примерно в (5·10²²) большую, чем масса электрона.

Если тело не заряжено и при электризации оно приобрело электроны, то оно зарядится отрицательно. Его заряд будет равен сумме зарядов полученных электронов.

Обрати внимание!

Если тело заряжено отрицательно и при электризации оно ещё приобретает электроны, то отрицательный заряд тела возрастает.

Пример:

Например, до электризации тело с зарядом (2е) в ходе электризации приобретает ещё (4) заряда электрона. Тогда после электризации заряд тела равен (2е + 4е = 6е).

Обрати внимание!

Если тело заряжено отрицательно и при электризации оно теряет электроны, то отрицательный заряд тела уменьшается.

Например, до электризации тело с зарядом (8е) в ходе электризации теряет (3) заряда электрона. Тогда после электризации заряд тела равен (8е — 3е = 5е).

Все вещества состоят из атомов.

Обрати внимание!

Атом состоит из ядра, а вокруг него движутся электроны.

Модель атома можно представить себе следующим образом:

Рис. (2). Модель атома

Обрати внимание!

Ядро тоже имеет свой состав: протоны и нейтроны.

Информация об этих частицах дана в таблице.

Частицы	Обозначение	Заряд (условные единицы)	Заряд, Кл	Масса, кг
Протон	p	+1	1,6 ·10−19	1,7 ·10−27
Нейтрон	n	0	(0)	1,7 ·10−27
Электрон	e	-1	(-1,6·10^{-19})	9,1 ·10−31

Рис. (3). Состав атома

Обрати внимание!

Атом не имеет заряда, т.к. количество электронов в атоме равно количеству протонов.

Количество нейтронов в атомах может быть отлично от количества протонов и электронов.
Атом, потерявший один или несколько электронов, не будет нейтральным, а будет иметь заряд «+». Его называют положительным ионом.

Атом, потерявший один или несколько электронов, называют положительным ионом.

Атом, к которому присоединился электрон, приобретает заряд «-» и становится отрицательным ионом.

Атом, к которому присоединился один или несколько электронов, называется отрицательным ионом.

Нейтральный атом	Отрицательный ион	Положительный ион

Рис. (4). Число протонов и электронов одинаково	Рис. (5). Число электронов больше числа протонов	Рис. (6). Число электронов меньше числа протонов

Узнать, сколько тех или иных частиц содержит нейтральный атом, поможет периодическая система химических элементов (таблица Менделеева). Любой элемент в таблице имеет порядковый номер и относительную атомную массу.

Рис. (7). Обозначение элемента в периодической таблице

Обрати внимание!

Количество протонов, а также электронов в нейтральном атоме всегда совпадает с порядковым номером.
Количество нейтронов равно разности относительной атомной массы (выраженной целым числом) и порядкового номера.

Например:

Элемент	Порядковый номер	Относительная атомная масса	Число протонов	Число электронов	Число нейтронов
Медь	29	63,546	29	29	64 — 29=35

Зная строение атома, можно объяснить электризацию тел.

Обрати внимание!

При трении двух тел электроны переходят с одного тела (где силы притяжения к ядру меньше) на другое (в котором эти силы больше).

Зная строение атома, можно объяснить существование проводников и диэлектриков.

Проводник — это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов.

Так, в металлах это — электроны, в растворах солей, кислот, щелочей — положительные и отрицательные ионы. Например, когда прикасаются металлической проволокой к отрицательно заряженному электрометру, свободные электроны передвигаются по проволоке, а электрометр разряжается.

Изолятор (или диэлектрик) — тело, не содержащее внутри свободные электрические заряды.

Поэтому прикосновение деревянной линейки к заряженному электрометру не вызывает никаких изменений.
Зная строение атома, можно объяснить явление притяжения ненаэлектризованных тел к наэлектризованным.

п1.svg

Рис. (8). Воздействие положительно заряженной палочки на гильзу

В металлической гильзе есть свободные электроны. Под действием электрического поля палочки они приходят в движение, так как начинают притягиваться к ней. В результате происходит перераспределение заряда. Электроны скапливаются на стороне, которая ближе к палочке, и она заряжается отрицательно. На противоположной стороне недостаток электронов, поэтому она заряжается положительно. Но в целом заряд гильзы равен нулю (в соответствии с законом сохранения заряда).

п2.svg

Рис. (9). Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу положительно заряженной палочки

Если палочка будет заряжена отрицательно, то свободные электроны будут отталкиваться от неё и перемещаться в противоположную сторону.

п3.svg

Рис. (10). Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу отрицательно заряженной палочки

По такому же принципу происходит отклонение листочков незаряженного электроскопа при поднесении к нему (не касаясь) заряженной палочки.

Рис. (11). Распределение заряда на электроскопе

Электрическое поле палочки вызывает перераспределение зарядов в металлическом стержне электроскопа. В верхней части будет избыток электронов, а в нижней — недостаток. Поэтому оба листочка зарядятся положительно и оттолкнутся друг от друга.

Источники:

Рис. 1. Электрометры. © ЯКласс.
Рис. 2. Модель атома. © ЯКласс.
Рис. 3. Состав атома. © ЯКласс.
Рис. 4. Число протонов и электронов одинаково. © ЯКласс.
Рис. 5. Число электронов больше числа протонов. © ЯКласс.
Рис. 6. Число электронов меньше числа протонов. © ЯКласс.
Рис. 7. Обозначение элемента в периодической таблице. © ЯКласс.
Рис. 8. Воздействие положительно заряженной палочки на гильзу. © ЯКласс.
Рис. 9. Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу положительно заряженной палочки. © ЯКласс.
Рис. 10. Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу отрицательно заряженной палочки. © ЯКласс.
Рис. 11. Распределение заряда на электроскопе. © ЯКласс.

Источник

Заряд электрона

Определение и общие сведения о заряде электрона

На основе установленных М. Фарадеем законов электролиза ирландский ученый Д. Стоней выдвинул гипотезу о том, что существует элементарный заряд внутри атома. И в 1891 г. этот заряд Стоней предложил назвать электроном. Величину заряда электрона часто обозначают e или .

Законы электролиза еще не являются доказательством существования электрона как элементарного электрического заряда. Так, существовало мнение, о том, что все одновалентные ионы могут иметь разные заряды, а их средняя величина равна заряду электрона. Для доказательства существования в природе элементарного заряда следовало провести измерение зарядов отдельных ионов, а не суммарное количество электричества. Кроме того, открытым оставался вопрос о том, что связан ли заряд с какой-либо частицей вещества. Существенный вклад в решении этих вопросов сделали Ж. Перрен и Дж. Томсон. Они исследовали законы движения частиц катодных лучей в электрическом и магнитном полях. Перрен показал, что катодные лучи являются потоком частиц, которые несут отрицательный заряд. Томсон установил, что все данные частицы имеют равные отношения заряда к массе:

$[frac{q}{m}=const qquad (1) ]$

Помимо этого Томсон показал, что для разных газов отношение $frac{q}{m}$ частиц катодных лучей одинаково, и не зависит от материала, из которого изготавливался катод. Отсюда можно было сделать вывод о том, что частицы, которые входят в состав атомов разных элементов, одинаковы. Сам Томсон сделал вывод о том, что атомы являются делимыми. Из атома любого вещества можно вырвать частицы, имеющие отрицательный заряд и очень малую массу. Все данные частицы обладают одинаковой массой и одинаковым зарядом. Такие частицы назвали электронами.

Опыты Милликена и Иоффе

Американский ученый Р. Милликен экспериментально доказал то, что элементарный заряд существует. В своих опытах он измерял скорость движения капель масла в однородном электрическом поле, которое создавалось между двумя электрическими пластинами. Капля заряжалась при столкновении с ионом. Сравнивались скорости движения капли не имеющей заряда и этой же капли после столкновения с ионом (приобретшей заряд). Зная напряженность поля между пластинами, вычислялся заряд капли.

Опыты Милликена повторил А.Ф. Иоффе. Он использовал металлические пылинки вместо капель масла. Изменяя напряженность поля между пластинками, Иоффе добивался равенства силы тяжести и силы Кулона, пылинка при этом оставалась неподвижной. Пылинку освещали ультрафиолетом. Заряд ее при этом изменялся, для уравновешивания силы тяжести приходилось изменять напряженность поля. По полученным величинам напряженности ученый судил об отношении электрических зарядов пылинки.

В опытах Милликена и Иоффе было показано, что заряды пылинок и капель всегда изменялись скачком. Минимальное изменение заряда было равно:

$[left|q_eright|=1,6cdot {10}^{-19}Kl]$

Электрический заряд всякого заряженного тела равен целому числу и кратен заряду электрона. Сейчас существует мнение, что имеются элементарные частицы – кварки, которые обладают дробным зарядом ( $frac{q_e}{3}; frac{2q_e}{3}$ ).

Таким, образом, заряд электрона считают равным:

$[q_e=-1,6cdot {10}^{-19}Kl]$

Примеры решения задач

Источник

Электрон — это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица.

Электроны играют важную роль почти во всех физических эффектах. Поскольку электроны несут заряд, они также генерируют электрическое поле. Если привести электрон в движение, то возникнет магнитное поле. Если электрон проходит через другое внешнее электрическое поле, его путь изменяется под действием силы Лоренца.

Электрон принадлежит к лептонному семейству частиц. Существует несколько различных семейств частиц, перечисленных в стандартной модели физики частиц.

Спин электрона и магнитный момент электрона.

Согласно современному уровню знаний, лептоны являются элементарными частицами. По сравнению с другими лептонами, электрон имеет самую низкую массу среди лептонов, несущих заряд. Он принадлежит к первому поколению лептонов. Второе и третье поколения — мюон и тауон. Эти две частицы имеют одинаковые с электроном заряды и спин, но отличаются от него большей массой.

Лептоны отличаются от других фундаментальных частиц, таких как кварки, отсутствием сильного взаимодействия. Все лептоны принадлежат к семейству фермионов, поэтому электрон имеет собственный вращательный момент ( спин ) s = ½ в единицах ℏ, где ℏ — приведённая постоянная Планка).

« Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причём магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент (добавка примерно 0,116 %). Магнитный момент электрона μ_e = -9,2847647043(28)⋅10−24 Дж/Тл. »

Википедия

Атомы и молекулы.

Электроны связаны с ядрами атомов «притягивающей» кулоновской силой. Такой состав из атомного ядра и одного или нескольких электронов называется атомом. Электроны движутся вокруг ядра атома. Если число электронов отличается от заряда ядра, то это ион.

Волновая природа связанных электронов описывается атомными орбиталями. Каждая из этих орбиталей имеет ряд квантовых чисел, таких как энергия и момент. Кроме того, у атома может быть только дискретное число орбиталей. В силу принципа Паули на орбитали может находиться максимум два электрона, спин которых имеет разные знаки.

Электроны находятся в оболочке атома, протоны — в атомном ядре

Химическая связь между атомами возникает благодаря электромагнитным взаимодействиям, которые описываются с помощью квантовой физики. Самые прочные связи создаются путем обмена или передачи электронов. Это позволяет образовывать молекулы. В молекулах электроны движутся аналогично атомам и занимают молекулярные орбитали. Однако фундаментальным отличием является образование пар электронов с разными спинами. Это позволяет нескольким электронам занимать одну орбиталь без нарушения принципа Паули.

Делимость электрического заряда

Хорошо известно, что молекулы и атомы в их нормальном состоянии не имеют электрического заряда. Поэтому мы не можем объяснить электризацию их движением. Однако если мы предположим, что частицы с электрическим зарядом существуют в природе, то мы должны обнаружить, что существует предел деления электрического заряда.

Согласно различным экспериментам, проведенным советским ученым Абрамом Федоровичем Иоффе и американским ученым Робертом Милликеном, было обнаружено, что существует заряженная частица с минимальным зарядом, который невозможно разделить.

В своих экспериментах они электризовали маленькие частицы цинковой пыли. Заряд пылинок меняли и вычисляли. Это было проделано несколько раз. При этом заряд оказывался каждый раз другим. Однако все изменения были кратны целому числу, большему, чем некоторый минимальный заряд (т.е. 2, 3, 4 и т.д.). Этот результат можно интерпретировать только следующим образом. Только наименьший заряд (или целое число таких зарядов) присоединяется к пылинке цинка или отсоединяется от нее. Этот заряд дальше уже не делится. Частица с наименьшим зарядом называется электроном.

Также в ходе опытов было установлено, что любая частица вещества либо электрически нейтральна, либо имеет заряд, кратный по модулю заряду электрона.

Свойства электрона

Электрон характеризуется и другими важными свойствами, помимо спина и магнитного момента. Рассмотрим их.

Масса электрона

Электроны очень малы. Масса электрона составляет m_e = 9,109 • 10^-31 кг или 5, 489 • 10^-4 атомных единиц массы (а. е. м). Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, которая является самой маленькой из всех молекул. Из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт).

Отношение массы протона к массе электрона равно 1836, то есть протон в 1836 раз «тяжелее» электрона.

Заряд электрона

Электрический заряд — одно из основных свойств электрона. Невозможно представить, что с электронов можно снять заряд. Они неотделимы друг от друга.

Электрический заряд — это физическая величина. Она обозначается буквой q. Единицей электрического заряда является кулон (Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона. Электрон — это частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен e₀ = — 1,6 • 10^-19 Кл.

Модуль заряда электрона назвали элементарным электрическим зарядом. Его обозначают е. Измерения показали, что e = 1,6 • 10¹⁹ Кл.

Обратите внимание, что любой, даже самый малый, заряд тела содержит целое число элементарных зарядов. Так как заряд тела обозначается буквой q, то получаем: q = eN, где N — целое число (N = 1, 2, 3, … ).

Элементарный заряд может показаться очень малым, однако вспомним: в любом теле, видимом невооружённым глазом, содержится невообразимо большое число заряженных частиц. Так, суммарный заряд электронов в одной столовой ложке воды равен по модулю примерно миллиону кулонов (а вы уже знаете, как велик заряд всего в 1 Кл).

Важно! Термин элементарный заряд был придуман, когда предположили, что этот заряд является наименьшим электрическим зарядом в природе. Сегодня мы знаем, что 1/3 элементарного заряда также приходится на кварки.

Энергия покоя электрона

Энергия электрона рассчитывается из эквивалентности массы и энергии. Вы знаете это как формулу из теории относительности E=mc². E означает энергию, m — массу, а c — скорость света. Как было уже сказано выше в этой статье: «из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт)».

В формуле это можно рассчитать следующим образом: E = m_ec² = 9,109 • 10^-31 • (3 • 10⁸ )² = 8,2 • 10^-14 Дж = 0,511 • 10⁶ эВ ≈ 0,511 МэВ

Список литературы

Список литературы

Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
Бронштейн М. П. Атомы и электроны. — М.: Наука. — 1980. — 152 с., Библиотечка «Квант», вып. 1. Тир. 150000 экз.

Источник

Создание работы лабораторного практикума «Определение заряда электрона»

Авторы
Руководители
Файлы работы
Наградные документы

Кувайцев Д.А. 1

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 19 имени Героя Советского Союза Ивана Петровича Мытарева города Димитровграда Ульяновской области»

Хайруллова Е.В. 1

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Изучая физику, я столкнулся с такой постоянной величиной, как заряд электрона. Он равен: . Заряд электрона был определен в 1874 году. Я задумался, как такую маленькую величину смогли определить более чем сто лет назад? В то время не существовало компьютеров и мощных вычислительных машин. Значит и сегодня можно повторить эти рассуждения и эксперименты в школьном кабинете физики на уроках лабораторного практикума. И показать одноклассникам, что компьютер это не единственное средство в изучении нашего мира.

Цель моей работы: Создать для кабинета физики школы работу лабораторного практикума по теме: «Определение заряда электрона»

Задачи, которые стояли передо мной были следующие:

1) Изучить закон Фарадея.

2) Познакомиться с процессом электролиза.

3) Изучить метод определение заряда электрона через закон Фарадея и подобрать к нему оборудование.

4)Экспериментальным путем определить заряд электрона.

5)Разработать описание лабораторной работы по теме: «Определение заряда электрона».

Проблема, стоящая передо мной, заключалась в следующем: Выяснить, можно ли на экспериментальной установке из доступных приборов определить заряд электрона.

Объект изучения: Закон Фарадея и процесс электролиза. Предмет изучения: Заряд электрона. Продукт проекта: Лабораторная работа по теме: «Определение заряда электрона»

Явление электролиза было открыто в начале 19 века. Законы электролиза сформулированы Майклом Фарадеем в 1833 году. С тех пор были обнаружены с помощью электролиза такие элементы как галлий, фтор. Электролиз широко применяют в технике для различных целей. Электролитическим способом покрывают поверхность металла тонким слоем другого металла для защиты от коррозии. При помощи электролиза осуществляют очистку металла от примесей. С помощью электролиза получают электронные платы для различных электронных изделий. Я изучил явление электролиза и на его основе создал установку по определению заряда электрона для лабораторного практикума по физике в старших классах.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Электрический ток в жидкостях

Жидкости, как и твердые тела, могут быть проводниками электрического тока. В растворах и расплавах солей происходит распад молекул соли на ионы под действием молекул воды. Молекулу воды можно представить диполем. В той части молекулы, где находится атом кислорода, скапливается отрицательный заряд, так как атомы водорода отдают валентные электроны кислороду. А в той части молекулы воды, где находятся атомы водорода, скапливается положительный заряд. (Рис.1)

Рис.1.

Диполи воды своим положительным краем подходят к отрицательному иону кислотного остатка, а отрицательным краем к положительному иону металла соли. В результате теплового движения диполи воды растаскивают молекулы соли на катионы металла и анионы кислотного остатка. Таким образом, в растворе соли всегда имеются её положительные и отрицательные ионы. (Рис.2)

Рис. 2.

В моем случае происходит диссоциация молекулы сульфата меди на анионы сульфатного остатка SO₄ и катионы меди Cu.

Наряду с процессом диссоциации молекул в растворах электролитов происходит и обратный процесс, объединение разных ионов в одну молекулу при их сближении, который называется рекомбинацией. При создании в электролите внешнего электрического поля путем опускания в раствор медного купороса CuSO₄ разноименно заряженных электродов, возникает направленное движение ионов. Положительные ионы меди движутся к отрицательному электроду, а отрицательные ионы кислотного остатка к положительному электроду. (Рис.3)

Рис.3.

Д остигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами, находящимися на катоде. Образовавшиеся в результате реакции нейтральные атомы меди оседают на катоде.

Таким образом, прохождение тока через раствор соли сопровождается явлением электролиза, то есть выделением на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через его раствор электрического тока. Явление электролиза было открыто в 1800г. Английскими учеными: У. Никольсоном и А. Карлейлем.

Законы Фарадея

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор электролита.

Найдем массу вещества, выделяющегося на электроде за определенный промежуток времени t. Эта масса равна массе всех ионов, осевших на электроде за это время:

где m_i-масса одного иона.

Полный заряд Q всех ионов, прошедших через раствор на электрод, пропорционален заряду q_iкаждого иона:

Из этой формулы получаем

Тогда масса выделившегося на электроде вещества

Коэффициент пропорциональности , учитывая, что и , где n— валентность вещества. Из первого закона Фарадея получаем второй

Определение заряда электрона

Из второго закона Фарадея получаем формулу для расчета элементарного заряда:

Учитывая, что молярная масса меди 0,06355 кг/моль и валентность меди равна 2 необходимо в эксперименте измерить силу тока в цепи, время его протекания и массу выделившейся на электроде меди .

Электрическая цепь установки для определения заряда электрона должна содержать амперметр, для измерения силы тока, электроды, опущенные в раствор медного купороса, ключ и источник постоянного тока. Все элементы цепи должны быть соединены последовательно. Так же необходимы весы для измерения массы меди и часы для измерения времени протекания тока через раствор медного купороса. (Рис. 4)

(Рис. 4.)

Экспериментальная часть

В первой попытке создания установки источником тока служил гальванический элемент « Крона 9V», в качестве электродов были выбраны два гвоздя. (Приложение 1) После многочисленных попыток, я понял, что оба электрода темнеют, и на них не остается медь, следовательно, в качестве электродов нужно было использовать другой металл. (Приложение 2) Я решил изменить опыт. Заменил электроды медными пластинками, источник тока оставил «Крону 9V», убрал амперметр и добавил в цепь реостат и вольтметр для определения силы тока. (Приложение 3). В результате опыта я заметил, что один электрод стал оранжевым, что свидетельствовало о том, что на нем выделилась медь, а другой остался без изменений. (Приложение 4) Опыт получился, но т. к. я использовал весы с точностью 0.1г, то не смог обнаружить увеличение массы пластины из-за выделения на ней меди. Я несколько раз повторил опыт, но разницы в массах электрода так и не заметил. Перед постановкой следующего эксперимента сначала изучил он-лайн модель установки, представленной в интернете. (Определение заряда электрона и числа Фарадея.4.) (Приложение 5) Она состояла из того же оборудования, что и моя принципиальная схема, но в качестве источника питания использовался лабораторный выпрямитель, который давал силу тока в 2А. Поэтому следующий эксперимент был поставлен с лабораторным выпрямителем. При силе тока в 2А и времени протекания 600с изменение массы электрода составило 0,4 г (Приложение 6) . По второму закону Фарадея я рассчитал заряд электрона. (Приложение 7) Выполнив измерения и вычисления, получил данные, представленные в приложении 8. Я провел эксперимент три раза и по результатам трех опытов вычислил среднее значение заряда электрона. (Приложение . Оно совпало с табличным значением:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выводы

В ходе работы над проектом я работы я получил следующие результаты:

Познакомился с процессом электролиза и законом Фарадея;

Изучил метод определение заряда электрона через закон Фарадея и подобрал к нему оборудование;

Выяснил наилучшие условия постановки эксперимента;

Экспериментальным путем определил заряд электрона.

Разработал описание лабораторной работы по теме: «Определение заряда электрона».

Описание работы передано моему руководителю для проведения этой работы на уроках практикума. Хотя эксперимент лабораторной работы кажется простым с первого взгляда, но для получения результата необходимо знать наилучшие условия для его проведения. Я сделал множество попыток, имея в распоряжении справочные материалы, пока не добился результата. Поэтому вызывает особое уважение труд первооткрывателей научных знаний и их мастерство экспериментаторов. Проект будет интересен не только мне, но и ученикам нашей школы и ученикам других школ. Для реализации проекта нужны приборы, которые имеются в кабинете физики любой школы. Для реализации проекта участники должны иметь базовое знание физики и иметь навыки работы с электрическим оборудованием.

Результаты

Продуктом моего проекта является описание работы лабораторного практикума.

Работа лабораторного практикума по теме: «Определение заряда электрона»

Цель работы: Научиться определять заряд электрона экспериментальным путем.

Теоретическое обоснование: Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор электролита.

, где m_i-масса одного иона.

Полный заряд Q всех ионов, прошедших через раствор на электрод, пропорционален заряду q_iкаждого иона:

Тогда масса выделившегося на электроде вещества .

Из второго закона Фарадея получаем формулу для расчета элементарного заряда:

Учитывая, что молярная масс меди 0,06355 кг/моль и валентность меди равна 2, необходимо в эксперименте измерить силу тока в цепи, время его протекания и массу выделившейся на электроде меди.

Оборудование: источник тока, ключ, амперметр, раствор медного купороса, анод и катод (медные пластинки), соединительные провода, емкость, электронные весы, секундомер

Порядок выполнения работы:

Подготовьте таблицу для записи результатов измерений.

Время t, с	Сила тока I,А	m₀нач.,г	m₁конеч.,г	m=m₁-m₀, кг

Взвесьте на весах катод (m₀)

Соберите электрическую цепь.

Наполните сосуд насыщенным раствором медного купороса.

Замкните цепь. Наблюдайте на протяжении опыта в течении 10-15 минут за показаниями амперметра. Так как показания амперметра могут изменяться, то регулируйте значение тока ручкой выпрямителя.

Разомкните цепь, извлеките из сосуда с медным купоросом катод и взвесьте его на весах. (m₁) Полученный результат запишите в таблицу

Найдите разницу массы катода до начала опыта и после его окончания. (m) Полученный результат запишите в таблицу. Это значение показывает массу налипшей на катод меди.

Подставьте данные значения в формулугде M-молярная масса, I- -сила тока в электролите, N_А— постоянная Авогадро, m -изменение массы катода, t- время прохождения тока через электролит.

Рассчитайте значение заряда электрона. Сравните полученное значение заряда с табличным значением. Ваше показание и табличные данные расходятся? Если да, то запишите почему.

Запишите вывод.

ЛИТЕРАТУРА

Касьянов В.А. Физика 10 класс. Углубленный уровень, Москва, «Дрофа», 2018 год.

Библиотека по физике. http://physiclib.ru/books/item/f00/s00/z0000058/st033.shtml

Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н.Н. Физика 10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений, Москва, «Просвещение», 2011 год.

Определение заряда электрона и числа Фарадея. Видеоуроки. https://www.youtube.com/watch?v=phzGQXi4Hys

Электролиз. Статья из Википедии. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%B7

Электролиз. Статья. http://electricity-automation.com/page/elektroliz-bazovoye-predstavleniye

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Электрическая схема опыта №1

Приложение 2

Результат опыта №1

Приложение 3

Электрическая схема опыта №2

Приложение 4

Результат опыта №2

Приложение 5

Вид установки эксперимента из интернета

Приложение 6

Фотография установки для определения заряда электрона

Приложение 7

Фотографии выполнения эксперимента по определению заряда электрона

Приложение 8

Таблица результатов экспериментов

№	I, A	t, c	m0, г	m1, г	m,кг	Q, 10^-19Кл	Q10^-19ср
1	2	600	11.3	11.7	0.0004	1.58
2	2	602	11.3	11.701	0.0004	1.58	1,583
3	2	615	11.3	11.73	0.00043	1.59

Просмотров работы: 2574

Источник

Исследовательская работа

«Определение заряда
электрона»

Выполнил: ученик Стариков
Артём

Учитель физики: Сенчик

Максим Максимович

Школа физиков «Спектр»

МБОУ «Богашевская СОШ им. А.
И. Фёдорова» Томского района

2018 год

Введение

Заряд электрона (e) – одна из фундаментальных постоянных, которая определяет
наименьшее значение электрического заряда, наблюдаемое у элементарных частиц.
Заряд любого тела кратен элементарному заряду ().

Используя закон Фарадея, ирландский физик Джордж Стони рассчитал
значение заряда электрона Кл и
предложил назвать эту величину электроном.

В 1897 году, исследуя катодные лучи, английский физик Джозеф
Томсон открыл первую элементарную частицу, обладающую отрицательным зарядом. В
1909 году американский физик Роберт Милликен на основе этого эксперимента точно
определил заряд этой элементарной частицы, и он оказался равен заряду,
высчитанному Стони. Элементарная частица получила название электрона.

Изучение электрона, явлений, связанных с ним и его движением,
позволило не только объяснить многие явления как электричество, магнетизм и
свет, но и предсказать новые явления, свойства, что привело к появлению в 20
веке квантовой физики.

Электролиз

Электрический ток в металлах не сопровождается никакими
химическими процессами, что объясняется тем, что ток в металлах переносят
электроны. Но в некоторых проводниках — растворах электролитов и расплавах —
ток сопровождается определёнными химическими изменениями.

Соединим последовательно с источником тока лампу и электрическую
ванну с дистиллированной водой, в которую опустим угольные электроды. Замкнув
цепь, мы увидим, что лампа не загорится — химически чистая вода практически не
проводит ток. Но если мы растворим в воде какую-либо соль, например, медный
купорос, то лампа загорится, а на катоде выделится медь из раствора (рис. 1).

Рис. 1

Когда через раствор протекает электрический ток, с зарядом всегда
переносится вещество — это явление называется электролизом. Соответственно, в
этих проводниках носителями тока являются ионы.

Когда в воде растворяют соли, кислоты или щелочь, нейтральные молекулы
этих веществ расщепляются на положительные и отрицательные ионы. Растворы
электролитов всегда имеют какое-нибудь количество катионов — положительных
ионов — и анионов — отрицательных ионов. Они передвигаются беспорядочно, пока
отсутствует электрическое поле. Но когда оно появляется, катионы начинают
двигаться к катоду, а анионы — к аноду (рис. 2).

Рис. 2

Закон Фарадея

С помощью электронной теории можно вычислить массу веществ, выделившихся
на электроде при электролизе. Эта масса m равна произведению массы
одного электрона m₀ на число ионов n, которые осели на
электроде, то есть . Масса
одного иона , где M —
молярная масса вещества, N_A — постоянная Авогадро. Число
осевших на электроде ионов можно выразить через заряд Q, прошедший через
электролит, и заряд одного иона q₀: .
Соответственно,

Заряд любого иона равен заряду одновалентного иона e,
умноженного на валентность иона n: . Таким образом,

. (1)

Из формулы (1) следует, что масса вещества, выделившегося на
электроде, пропорциональна заряду, прошедшему через раствор. Эту зависимость
экспериментально установил Майкл Фарадей в 1930-х годах, поэтому формула (1)
стала носить название закона Фарадея.

Вычисление заряда электрона

Пользуясь законом Фарадея, можно вычислить заряд электрона. Из
формулы (1) получаем:

Чтобы определить заряд электрона, нужно в опыте с электролизом какого-нибудь
раствора, например медного купороса, определить массу выделившейся меди,
продолжительность опыта и силу тока. Тогда можно вычислить заряд электрона,
зная молярную массу меди и ее валентность.

Проведение экспериментов

Я решил экспериментально определить заряд электрона. Для этого
была нарисована схема электрической цепи (рис. 3). Собранная схема показана на
фотографии 1. Отдельно элементы цепочки показаны на фотографиях 2, 3 и 4.

Рис. 3

Фотография 1 Фотография 2

Фотография 3 Фотография 4

График 1

График 2

График 3

После того как в кюветку (фотография 2) налили раствор медного
купороса и собрали электрическую цепь, подключают источник тока (ВСШ-6).
Изменение тока, протекающего через раствор, показано на графике 1. Поскольку в
процессе эксперимента сила тока менялась (см. график 1), использовали его
среднее значение. Эксперимент проводили в течение 10 минут. На основании
проведенных измерений определяем значение заряда электрона по формуле . Постоянные
значения внесены в таблицу 1.

M (кг/моль)	n	N_A(моль^-1)	t (с)
	2		600

Таблица 1

Было проведено 8 экспериментов, результаты 2 экспериментов ближе
всего к табличному значению e. Значения, полученные во время более экспериментов,
внесены в таблицу 2.

№	m₁ (10^-3 кг)	m₂ (10^-3 кг)	m (10^-3 кг)	I_ср (A)	e (Кл)
1	4,37	4,45		0,423
2	4,68	4,77		0,438
3	4,46	4,54		0,384
4	4,60	4,65		0,438
5	4,74	4,88		0,311	0,
6	4,33	4,43		0,4
7	4,52	4,60		0,361
8	4,59	4,66		0,275