НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ СБ УКРАЇНИ

НАВЧАЛЬНО-НАУКОВИЙ ІНСТИТУТ ІНФОРМАЦІЙНОЇ БЕЗПЕКИ

КАФЕДРА ТЕХНІЧНОГО ЗАХИСТУ ІНФОРМАЦІЇ

Затверджую

Завідувач кафедри ТЗІ

кандидат технічних наук, доцент

А. Гринь

“____” ___________ 2012 р.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЇ

З навчальної дисципліни «фізика»

(для студентів ІІ-го курсу спеціальності

«Управління інформаційною безпекою» на ІІ семестр)

Текст підготував: доцент кафедри

к.ф.-м.н., доцент Залізко В. Д.

Розглянуто та схвалено на засіданні кафедри

технічного захисту інформації

Протокол № від « » ________ 2012 р.

КИЇВ – 2012

ВСТУП

Більшість вчителів витрачають час на питання, які мають встано­вити, чого учень не знає, а справжнє мистецтво постановки питання полягає в тому, щоб з'ясувати, що учень знає або здатний пізнати (Альберт Ейнштейн).

Курс лекцій розроблений у відповідності до робочої навчальної програми ННІ ІБ НАСБ Ураїни. З метою раціонального використання часу та кращого засвоєння навчального матеріалу, враховуючи останні педагогічні розробки в напрямку євроінтеграції, сформулюємо загальну мету для всього лекційного курсу з дисципліни «ФІЗИКА». (Номерація лекцій продовжується з першого семестру).

• Навчальна мета – сформулювати новий навчальний матеріал, узагальнити, систематизувати і поглибити існуючі знання учнів; формувати вміння систематизувати результати отриманих знань, необхідних для розуміння явищ і процесів, що відбуваються в природі, техніці, побуті, та застосовувати ці знання для розв’язування задач; учити учнів самостійно мислити, контролювати правильність відповідей та перевірити засвоєння теми.

• Розвиваюча мета – розвивати в студентів логічне та просторове мислення, уміння аналізувати фізичні явища; закріпити навички роботи з віртуальними демонстраційними приладами, роздатковим матеріалом; тренувати пам’ять; розвивати розумові здібності, увагу, пам’ть, уяву, технічне мислення; сприяти розвитку вміння самостійно робити висновки та узагальнення.

• Виховна мета – формувати науковий світогляд та діалектичне мислення; виховувати екологічне мислення і поведінку, національну свідомість, працелюбність та наполегливість у навчанні.

Тип викладання лекцій: комбіновані лекції з поступовим узагальненням знань шляхом аналізу конкретних ситуацій з елементами ділової гри, навчальної співбесіди з учнями на базі евристичного спостереження, взаємонавчання та самооцінювання своєї діяльності.

Методичне забезпечення: добірка запитань з теми для актуалізації опрних знань, текст фізичного словника, картки з теоретичними завданнями, задачами тощо.

Матеріально-технічне забезпечення: мультимедійний проектор, екран, ПК, відео ресурси, набори спец приладів.

Міжпредметні зв’язки: математика, астрономія, біологія, українська мова та література, основи філософії.

Лекція 15. Електростатика. Електричний заряд.

Ще в стародавній Греції було відомо, що натертий шерстю янтар чи ебоніт здатні притягувати до себе дрібні предмети. Проте пояснити це явище вдалось лише після введення в науковий обіг нового розділу фізики – електростатики.

Електростатика – це такий розділ фізики, що вивчає електричні заряди, які перебувають  у стані спокою та під впливом електричних полів. Очевидно, що наші знання про електричні заряди не нові. Перші досліди по електростатиці провів у 600 р. до н. е. Фалес Мілетський, прте він не зміг пояснити чому шматочки янтарю, натерті шерстю, притягують дрібні предмети. У природі існує два  види електричних зарядів: позитивні та негативні. Негативні заряди ми одержимо, коли шматочки янтарю натерти шерстю, а позитивні, коли скляну паличку натерти шовком.

До підвішеної до стелі кульки піднесемо заряджену негативно паличку із янтарю. Доторкнувшись до кульки ми побачимо, що вони будуть відштовхуватись одна від одної. Таку ж картину ми спостерігатимемо і тоді, коли піднесемо до кульки позитивно заряджену скляну  паличку, отже на кульку переходить певний електричний заряд, після чого однаково заряджені предмети відштовхуватимуться один від одного. Якщо ми підвісимо дві кульки та зарядимо їх протилежними за знаком зарядами, то кульки будуть притягуватися одна до одної. Отже можна зробити висновок, що протилежні заряди притягуються.

Фундаментальний принцип електростатики звучить так: під час взаємодії однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються.  Щоб дати сучасне формулювання електростатики розглянемо будову атома.  У п”ятому столітті до нашої ери грецькі вчені – філософи Демокріт та Левкіпп висловили думку, що речовина складається із маленьких частинок, які назвали атомами. Слово “атом “ у перекладі із грецької означає “ неподільний ”. У ХІХ ст. англійський вчений Джон Дальтон довів, що всі відомі хімічні елементи складаються із атомів.

У 1897 році інший англійський вчений Джон Томсон відкрив електрон, негативно заряджену частинку, яка має масу m_е = 9,1095 ∙ 10^-31 кг. Відкриття електрона висунуло велику кількість проблем у фізиці. Де знаходиться електрон? Яка будова атома? Всі ці питання стосувалися саме будови атома, бо у тому, що атоми є вже не сумнівався ніхто. Оскільки атом є електронейтральним, то повинні бути і позитивні заряди щоб нейтралізувати у атомі негативно заряджені електрони.

На початку ХХ століття англійський фізик Ернест Резерфорд ( 1871 – 1937 ) спостерігав відхилення α-частинок на тонкій золотій фользі і виявив, що вони відхиляються на незвично великий кут, що доводить наявність у атомі масивного ядра із великою масою. Згодом Резерфорд створив ядерну модель атома. Його модель атома складалася із маленького позитивно зарядженого ядра у якому зосереджена майже вся маса атома та негативно заряджених електронів,  що обертаються навколо ядра. Це нагадувало обертання планет навколо Сонця, тому модель атома Резерфорда назвали планетарною моделлю атома.

Саме Резерфорд відкрив позитивно заряджену частинку, відому нам під назвою протон. Згодом було відкрито і нейтрон, частинку, яка взагалі не володіє електричним зарядом. Відмінності між хімічними елементами зумовлені різною кількістю протонів та електронів, які входять е^- до складу атома. Так, наприклад, ядро атома гелію побудоване із двох протонів та двох нейтронів, навколо яких обертається два електрони. У наш час у модель е^-  Резерфорда внесено багато змін та доповнень, які покращили її. Зокрема було встановлено, що елементарні частинки, такі як протони, електрони,  нейтрони, тощо, складаються із кварків – частинок, що володіють дробним елекричним зарядом. Наведена таблиця, у якій містяться позначення та заряди всіх відомих кварків. 

Таким чином електростатика – це важливий розділ електродинаміки, що вивчає властивості нерухливих зарядів, їхньої взаємодії один з одним за допомогою полів, називаних електростатичними. Умова нерухомості зарядів у тій системі відліку, у якій вони вивчаються, є досить важливою, тому що у випадку зарядів, що рухаються, властивості навколишнього простору кардинально міняються й, зокрема, з'являється магнітне поле. Відомо, що різнорідні тіла такі, як шкіра, скло, ебоніт і т.д., потерті друг об друга, мають властивість притягати до себе легкі предмети, наприклад, шматочки паперу. Для пояснення такої взаємодії, названої електростатичною, і було уведене поняття електричного заряду. Заряджені тіла можуть, як притягатися, так і відштовхуватися. Цей факт вдається пояснити, якщо ввести два типи заряду, умовно названих позитивний і негативними (плюс і мінус). Як треба з досвіду, заряди з однаковими знаками відштовхуються, а з різними - притягаються. Сила взаємодії заряджених тіл може бути різної.

У системі одиниць СИ заряд виміряється в кулонах (Кл). 1 Кулон дорівнює заряду, що протікає через поперечний переріз провідника за 1 секунду при силі постійного струму в 1А. Виникнення зарядів на тілах обумовлено тим, що всі тіла побудовані з атомів. Атом складається з позитивно зарядженого ядра й негативно заряджених електронів. Заряд ядра обумовлений протонами. Заряди протона й електрона рівні по абсолютній величині, але противоположим за знаком. Число протонів і електронів в атомі однаково. Тому атом у цілому нейтральний, тобто алгебраїчна сума зарядів атома(сума зарядів з урахуванням знаків) дорівнює нулю, а отже, і тіло нейтрально. Щоб зарядити тіла, тобто наелектризувати їх, треба відокремити частину негативного заряду від пов'язаного з ним позитивного заряду. Це здійснюється різними способами: тертям тіл друг об друга, електростатичною індукцією й т.д.