ID: 00012718
Стеклянные незаряженные кубики 1 и 2 и алюминиевые незаряженные кубики 3 и 4 сблизили вплотную и поместили в электрическое поле, напряжённость которого направлена горизонтально влево, как показано в левой части рисунка. Затем кубики раздвинули и уже после этого выключили электрическое поле (правая часть рисунка).
Выберите все верные утверждения, описывающие данный опыт.
1) В электрическом поле (левая часть рисунка) часть электронов
перешла из кубика 4 в кубик 3.
2) Кубик 2, изображённый в правой части рисунка, не заряжен.
3) В электрическом поле (левая часть рисунка) правая грань кубика 2 заряжена положительно.
4) Кубик 3, изображённый в правой части рисунка, имеет положительный заряд.
5) В электрическом поле (левая часть рисунка) разность потенциалов между левой гранью кубика 3 и правой гранью кубика 4 равна нулю.
Источник: ФИПИ
Шаг 1. Анализ стеклянных кубиков (диэлектрики)
Стеклянные кубики 1 и 2 являются диэлектриками. В них нет свободных носителей заряда, поэтому заряд не может перетекать из одного кубика в другой. Под действием внешнего электрического поля $\vec{E}$ происходит лишь поляризация: электронные оболочки атомов смещаются против направления поля (вправо).
Из-за этого на левой грани кубика 1 образуется связанный положительный заряд, а на правой грани кубика 2 — связанный отрицательный.
При раздвижении кубики остаются электрически нейтральными:
$q_1 = 0 \text{ Кл}, \quad q_2 = 0 \text{ Кл}$
Утверждение 2 — верно (кубик 2 не заряжен).
Утверждение 3 — неверно (правая грань заряжена отрицательно, а не положительно).
Шаг 2. Анализ алюминиевых кубиков (проводники)
Алюминиевые кубики 3 и 4 — проводники, обладающие свободными электронами. Внешнее поле направлено влево. Электрическая сила, действующая на отрицательно заряженные электроны, направлена в противоположную сторону — вправо.
Свободные электроны перетекают из кубика 3 в кубик 4. В результате кубик 4 получает избыток электронов (отрицательный заряд), а кубик 3 — их недостаток (положительный заряд):
$q_3 > 0 \text{ Кл}, \quad q_4 < 0 \text{ Кл}$
Так как кубики раздвинули до выключения поля, эти заряды на них сохранились.
Утверждение 1 — неверно (электроны перешли из 3 в 4, а не наоборот).
Утверждение 4 — верно (кубик 3 заряжен положительно).
Шаг 3. Анализ потенциала проводника
Соединенные кубики 3 и 4 образуют единое проводящее тело. В состоянии электростатического равновесия напряженность поля внутри проводника равна нулю, а весь его объем и поверхность являются эквипотенциальными (имеют одинаковый потенциал $\varphi$).
Следовательно, разность потенциалов между любыми точками этого проводника (включая крайние грани) равна нулю:
$\Delta\varphi = \varphi_1 - \varphi_2 = 0 \text{ В}$
Утверждение 5 — верно.