ID: 00015296
Стеклянные незаряженные кубики 1 и 2 и алюминиевые незаряженные кубики 3 и 4 сблизили вплотную и поместили в электрическое поле, напряжённость которого направлена горизонтально вправо, 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 3, изображённый в правой части рисунка, не заряжен.
3) В электрическом поле (левая часть рисунка) правая грань кубика 2 заряжена положительно.
4) Кубик 4, изображённый в правой части рисунка, имеет положительный заряд.
5) В электрическом поле (левая часть рисунка) потенциал левой грани кубика 3 больше, чем потенциал правой грани кубика 4.
Запишите в ответ выбранные цифры.
Источник: ФИПИ
Слева нарисован квадрат из четырёх кубиков 2×2, они плотно прижаты друг к другу: сверху ряд 1–2 (кубик 1 слева, кубик 2 справа), снизу ряд 3–4 (кубик 3 слева, кубик 4 справа). Поле $\vec{E}$ направлено вправо. Справа показано то же самое, но кубики раздвинуты и подписаны в тех же позициях (1 сверху слева, 2 сверху справа, 3 снизу слева, 4 снизу справа) — поле к этому моменту уже выключено.
Стекло (кубики 1 и 2) — диэлектрик: свободных зарядов там нет, в поле вещество только поляризуется — заряды чуть смещаются внутри молекул, но никуда не утекают. Алюминий (кубики 3 и 4) — проводник: в нём много свободных электронов, и они реально перетекают с одного края на другой, пока кубики соприкасаются.
Поле направлено вправо. Электрон заряжен отрицательно, поэтому сила, действующая на него в поле, направлена против поля — влево. Значит, в любом проводнике свободные электроны в этом опыте смещаются влево.
Кубики 3 и 4 — алюминиевые, соприкасаются друг с другом по вертикальной границе (3 слева, 4 справа), пока в них есть поле — ведут себя как единый проводник. Электроны в проводнике тянет влево, то есть от кубика 4 (правого) к кубику 3 (левого). Значит, часть электронов действительно перешла из кубика 4 в кубик 3. Верно.
Кубики раздвинули, когда поле было ещё включено: избыточные электроны уже успели скопиться на кубике 3, и при раздвижении они остались на нём — деться им уже некуда, ведь кубик 4 больше не касается. После выключения поля этот заряд никуда не исчезает. Значит, кубик 3 в правой части рисунка заряжен (отрицательно), а вовсе не нейтрален. Неверно.
Кубик 2 — стеклянный, диэлектрик. В поле, направленном вправо, положительные и отрицательные связанные заряды внутри молекул чуть смещаются: отрицательные — против поля (влево, к левой грани), положительные — по полю (вправо, к правой грани). На правой грани кубика 2 выступает нескомпенсированный положительный связанный заряд. Это происходит независимо от соседних кубиков, потому что диэлектрик не обменивается свободными зарядами ни с чем. Верно.
Кубик 4 отдал часть своих электронов кубику 3 (см. пункт 1), значит у него электронов стало меньше, чем протонов, — избыток положительного заряда. При раздвижении кубиков в поле и последующем выключении поля этот заряд на кубике 4 сохраняется. Значит, кубик 4 в правой части рисунка действительно заряжен положительно. Верно.
Пока кубики 3 и 4 соприкасаются и поле ещё включено, вместе они образуют единый металлический проводник. У проводника в электростатическом равновесии потенциал одинаков во всех точках — он эквипотенциален. Значит, потенциал левой грани кубика 3 и потенциал правой грани кубика 4 в этот момент попросту равны, а не один больше другого. Неверно.
Итого верны утверждения 1, 3 и 4.