Learning Objective 10.1.A: Describe the electric force that results from the interactions between charged objects or systems.
- 10.1.A.1 Charge is a fundamental property of all matter.
- 10.1.A.1.i Charge is described as positive or negative.
- 10.1.A.1.ii The magnitude of the charge of a single electron or proton, the elementary charge $e$, can be considered to be the smallest indivisible amount of charge.
- 10.1.A.1.iii The charge of an electron is $-e$, the charge of a proton is $+e$, and a neutron has no electric charge.
- 10.1.A.1.iv A point charge is a model in which the physical size of a charged object or system is negligible in the context of the situation being analyzed.
- 10.1.A.2 Coulomb's law describes the electrostatic force between two charged objects as directly proportional to the magnitude of each of the charges and inversely proportional to the square of the distance between the objects.
- Equation: $\left|\vec{F}_E\right| = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2} = k\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2}$
- 10.1.A.3 The direction of the electrostatic force depends on the signs of the charges of the interacting objects and is parallel to the line of separation between the objects.
- 10.1.A.3.i Two objects with charges of the same sign exert repulsive forces on each other.
- 10.1.A.3.ii Two objects with charges of opposite signs exert attractive forces on each other.
- 10.1.A.4 Electric forces are responsible for some of the macroscopic properties of objects in everyday experiences. However, the large number of particle interactions that occur make it more convenient to treat everyday forces in terms of nonfundamental forces called contact forces, such as normal force, friction, and tension.
Learning Objective 10.1.B: Describe the electric and gravitational forces that result from interactions between charged objects with mass.
- 10.1.B.1 Electrostatic forces can be attractive or repulsive, while gravitational forces are always attractive.
- 10.1.B.2 For any two objects that have mass and electric charge, the magnitude of the gravitational force is usually much smaller than the magnitude of the electrostatic force.
- 10.1.B.3 Gravitational forces dominate at larger scales even though they are weaker than electrostatic forces, because systems at large scales tend to be electrically neutral.
Learning Objective 10.1.C: Describe the electric permittivity of a material or medium.
- 10.1.C.1 Electric permittivity is a measurement of the degree to which a material or medium is polarized in the presence of an electric field.
- 10.1.C.2 Electric polarization can be modeled as the induced rearrangement of electrons by an external electric field, resulting in a separation of positive and negative charges within a material or medium.
- 10.1.C.3 Free space has a constant value of electric permittivity, $\varepsilon_0$, that appears in physical relationships.
- 10.1.C.4 The permittivity of matter has a value different from that of free space that arises from the matter's composition and arrangement.
- 10.1.C.4.i In a given material, electric permittivity is determined by the ease with which electrons can change configurations within the material.
- 10.1.C.4.ii Conductors are made from electrically conducting materials in which charge carriers move easily; insulators are made from electrically nonconducting materials in which charge carriers cannot move easily.
Boundary statement: AP Physics 2 only expects students to make calculations of the electric force between four or fewer interacting charged objects or systems. The analysis of the resulting electric force from more charges is allowed in situations of high symmetry.
الهدف التعليمي 10.1.A: وصف القوة الكهربائية الناتجة عن التفاعلات بين الأجسام أو الأنظمة المشحونة.
- 10.1.A.1 الشحنة خاصية أساسية لجميع المواد.
- 10.1.A.1.i تُوصف الشحنة بأنها موجبة أو سالبة.
- 10.1.A.1.ii يمكن اعتبار مقدار شحنة الإلكترون الواحد أو البروتون، وهي الشحنة الأولية $e$، أصغر كمية لا تقبل القسمة من الشحنة.
- 10.1.A.1.iii شحنة الإلكترون هي $-e$، وشحنة البروتون هي $+e$، ولا possesses للنيوترون أي شحنة كهربائية.
- 10.1.A.1.iv الشحنة النقطية هي نموذج يكون فيه الحجم الفعلي لجسم أو نظام مشحون مهملاً في سياق الموقف قيد التحليل.
- 10.1.A.2 تصف قانون كولوم القوة الكهروستاتيكية بين جسمين مشحونين بأنها تتناسب طردياً مع مقدار كل منهما من الشحنات وتتناسب عكسياً مع مربع المسافة بينهما.
- المعادلة: $\left|\vec{F}_E\right| = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2} = k\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2}$
- 10.1.A.3 يعتمد اتجاه القوة الكهروستاتيكية على إشارات شحنات الأجسام المتفاعلة ويكون موازياً للخط الواصل بينهما.
- 10.1.A.3.i جسمان يحملان شحنات من نفس الإشارة يُمارسان قوى تنافر على بعضهما البعض.
- 10.1.A.3.ii جسمان يحملان شحنات من إشارات متعاكسة يُمارسان قوى تجاذب على بعضهما البعض.
- 10.1.A.4 القوى الكهربائية مسؤولة عن بعض الخصائص المجهرية للأجسام في التجارب اليومية. ومع ذلك، فإن العدد الكبير من تفاعلات الجسيمات يجعل من الملائم التعامل مع القوى اليومية بدلالة قوى غير أساسية تُسمى قوى التلامس، مثل القوة العمودية، الاحتكاك، والتوتر.
الهدف التعليمي 10.1.B: وصف القوى الكهربائية والجاذبية الناتجة عن التفاعلات بين الأجسام المشحونة ذات الكتلة.
- 10.1.B.1 يمكن أن تكون القوى الكهروستاتيكية تجاذبية أو تنافرية، بينما تكون القوى الجاذبية دائماً تجاذبية.
- 10.1.B.2 لأي جسمين لهما كتلة وشحنة كهربائية، تكون قيمة القوة الجاذبية عادةً أصغر بكثير من قيمة القوة الكهروستاتيكية.
- 10.1.B.3 تهيمن القوى الجاذبية على المستويات الكبيرة على الرغم من أنها أضعف من القوى الكهروستاتيكية، لأن الأنظمة ذات المقاييس الكبيرة تميل إلى أن تكون متعادلة كهربائياً.
الهدف التعليمي 10.1.C: وصف السماحية الكهربائية لمادة أو وسط ما.
- 10.1.C.1 السماحية الكهربائية هي مقياس لدرجة استقطاب مادة أو وسط في وجود مجال كهربائي.
- 10.1.C.2 يمكن نمذجة الاستقطاب الكهربائي على أنه إعادة ترتيب مستحثة للإلكترونات بواسطة مجال كهربائي خارجي، مما يؤدي إلى فصل الشحنات الموجبة والسالبة داخل مادة أو وسط.
- 10.1.C.3 الفراغ له قيمة ثابتة للسماحية الكهربائية، $\varepsilon_0$، تظهر في العلاقات الفيزيائية.
- 10.1.C.4 سماحية المادة لها قيمة مختلفة عن تلك الخاصة بالفراغ وتنتج عن تركيب وترتيب المادة.
- 10.1.C.4.i في مادة معينة، تحدد السماحية الكهربائية مدى سهولة تغيير الإلكترونات لتكويناتها داخل المادة.
- 10.1.C.4.ii الموصلات مصنوعة من مواد موصلة للكهرباء تتحرك فيها ناقلات الشحنة بسهولة؛ والعوازل مصنوعة من مواد غير موصلة للكهرباء لا يمكن فيها لناقلات الشحنة التحرك بسهولة.
عبارة الحدود: لا يتوقع امتحان AP Physics 2 من الطلاب سوى إجراء حسابات لقوة الكهرباء بين أربعة أجسام مشحونة أو أنظمة متفاعلة أو أقل. يُسمح بتحليل قوة الكهرباء الناتجة عن شحنات أكثر في حالات التناظر العالي.
*أنماط خطوط المجال الكهربائي للألواح المتوازية، والثنائي، والشحنة النقطية