Помощь по Физике Студентам и Школьникам

У каждого Человека должен быть выбор.
И каждый Человек должен знать, что этот выбор у него есть!

Ошибка №404

Об ошибочном решении качественной задачи С1.

В этом (2009) году на ЕГЭ по физике была дана качественная задача о шарике в конденсаторе. Для экспертов, проверяющих часть С, как всегда были разосланы критерии оценки задач. Ниже Вы можете посмотреть на условие самой задачи и её решение, предлагаемое составителями. В разных вариантах шарик подвешивался либо ближе к положительной пластине, либо ближе к отрицательной, либо посередине (хотя, как Вы можете увидеть из условия, акцент на этом не делался).

Давайте разберёмся с предлагаемым решением. С первым абзацем не поспоришь - всё верно. А вот со вторым..!? В любом учебнике по физике написано, что в плоском конденсаторе (а две металлические близко расположенные пластины - это и есть плоский конденсатор) поле ОДНОРОДНОЕ! А со стороны ОДНОРОДНОГО поля на ДИПОЛЬ (то, чем с электрической точки зрения и является шарик) суммарная сила равна НУЛЮ, независимо от места положения шарика! Конечно, некоторые школьники, возможно, знают, что на краях пластин конденсатора поле неоднородное (правда, этот факт отражён не во всяком учебнике по физике). И тогда на шарик будет действовать сила, притягивающая шарик в область с большим полем, то есть к ближней пластине. Но где написано, что шарик находится у края?

Таким образом, согласно приведённому критерию ученик, ответивший ВЕРНО в рамках своих школьных знаний, что шарик будет покоиться, получит ноль баллов! Судя по всему даже ВЕРНЫЕ рассуждения о неоднородном поле не являются гарантией получения полного балла, так как авторы НАСТАИВАЮТ на "взаимодействии заряженных тел", которое к данной задаче не имеет никакого отношения. Таким образом, приходится констатировать факт, что решение авторов НЕВЕРНОЕ!

Однако, в подобном конденсаторе шарик будет двигаться. Это достаточно известный опыт, который демонстрирует способность проводящих тел легко заряжаться и перезаряжаться - то, что описано в третьем абзаце решения - тут все верно. Только в слабых полях он висит спокойно без всякого намёка на движение, а двигаться начинает (и, причём, достаточно быстро) лишь при достижении напряженности поля некоторого порогового значения (порядка нескольких киловольт на сантиметр). При этом притягивается шарик не к БЛИЖАЙШЕЙ пластине (как утверждают составители задачи), а к ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ пластине, независимо от положения шарика в конденсаторе!

По крайней мере несколько десятков опытов, проведённых нами с различным телами (шариками, лёгкими болтиками и т.п), с разным расстоянием между пластинами конденсатора и разным положением шарика приводили именно к этому результату. Не могу сейчас дать толкового объяснения этого эффекта, и был бы рад получить его от кого-нибудь или письмом или на форумах (естественно, обещаю сделать его общедоступным). Пока лишь предполагаю, что связано это с ионизацией воздуха (при экспериментах слышался характерный запах). Возможно, вокруг шарика загорается коронный разряд, который по разному ведёт себя со стороны отрицательного и положительного электродов (в данном случае поверхностей шарика, обращённых к обкладкам конденсатора).

Кстати, добавлю, что этот опыт можно проводить и с непроводящим шаром, только тогда, конечно, надо говорить не о перераспределении электронов на шарике, а о его поляризации. И движется шарик также достаточно быстро при большом поле к ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ пластине, достигнув которую, он, естественно, не перезаряжается, а просто к ней прилипает.

В любом случае приходится констатировать ещё один факт: теория этого явления выходит за рамки школьной физики.

У этой задачи есть "продолжение" в "демо"-версии 2010 года (её условие и предлагаемое решение можно скачать с сайта ФИПИ). Только там вместо шарика используется легкая гильза (это не принципиально), а вместо двух пластин - одна. На мой взгляд решение этой задачи также не совсем корректное, так как в этом решении идёт речь не о неоднородном поле, а опять рассматривается сила взаимодействия заряженных тел. К тому же по условию потенциал пластины высокий, следовательно, нужно будет учитывать эффект ионизации воздуха. И я лично не уверен, в какую сторону начнёт двигаться шарик, если вместо положительной пластины будет дана отрицательная. Да и насколько велик эффект неоднородности поля для небольшой гильзы? - сила тяжести может и не позволить ей дойти до пластины.

В настоящий момент нами подготавливаются более тщательные эксперименты как с двумя пластинами так и с одной с видео записью. Видео запись будет обязательно выложена на сайте.

Шабалин Евгений Иванович.

10 сентября 2009 года.

До видео пока не доходят руки, но вот "Оценка возможности движения шарика в конденсаторе" – дополнение к этой статье.