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.
จุดประสงค์การเรียนรู้ 10.1.A: อธิบายแรงไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุหรือระบบที่มีประจุ
- 10.1.A.1 ประจุเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของสสารทุกชนิด
- 10.1.A.1.i ประจุถูกอธิบายว่าเป็นบวกหรือลบ
- 10.1.A.1.ii ขนาดของประจุของอิเล็กตรอนหรือโปรตอนหนึ่งตัว ซึ่งเรียกว่าประจุพื้นฐาน $e$ สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นหน่วยของประจุที่เล็กที่สุดและไม่แบ่งแยกได้อีก
- 10.1.A.1.iii ประจุของอิเล็กตรอนคือ $-e$ ประจุของโปรตอนคือ $+e$ และนิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้า
- 10.1.A.1.iv จุดประจุคือแบบจำลองที่ขนาดทางกายภาพของวัตถุหรือระบบที่มีประจุมีนัยสำคัญน้อยมากเมื่อเทียบกับบริบทที่กำลังวิเคราะห์อยู่
- 10.1.A.2 กฎของคูลอมบ์อธิบายแรงอิเล็กโทรสแตติกระหว่างวัตถุที่มีประจุสองชนิดว่าแปรผันตรงกับขนาดของประจุแต่ละชนิดและแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุ
- สมการ: $\left|\vec{F}_E\right| = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2} = k\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2}$
- 10.1.A.3 ทิศทางของแรงอิเล็กโทรสแตติกขึ้นอยู่กับสัญญาณของประจุของวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์กัน และเป็นขนานกับเส้นที่เชื่อมระหว่างวัตถุทั้งสอง
- 10.1.A.3.i วัตถุสองชนิดที่มีประจุชนิดเดียวกันจะ exert แรงผลักกันเอง
- 10.1.A.3.ii วัตถุสองชนิดที่มีประจุต่างชนิดกันจะ exert แรงดูดกันเอง
- 10.1.A.4 แรงไฟฟ้าเป็นสาเหตุของคุณสมบัติระดับมหภาคบางอย่างของวัตถุในประสบการณ์ประจำวัน อย่างไรก็ตาม จำนวนมากของปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคที่เกิดขึ้นทำให้สะดวกกว่าที่จะพิจารณาแรงในชีวิตประจำวันใน terms of แรงที่ไม่ใช่พื้นฐานซึ่งเรียกว่าแรงสัมผัส เช่น แรงปกติ แรงเสียดทาน และแรงตึง
จุดประสงค์การเรียนรู้ 10.1.B: อธิบายแรงไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วงที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุที่มีประจุและมีมวล
- 10.1.B.1 แรงอิเล็กโทรสแตติกอาจเป็นแรงดึงดูดหรือแรงผลัก ในขณะที่แรงโน้มถ่วงจะเป็นแรงดึงดูดเสมอ
- 10.1.B.2 สำหรับวัตถุสองวัตถุที่มีมวลและประจุไฟฟ้า แรงโน้มถ่วงจะมีขนาดน้อยกว่าแรงไฟฟ้าสถิตอย่างมีนัยสำคัญโดยทั่วไป
- 10.1.B.3 แรงโน้มถ่วงมีอิทธิพลเหนือกว่าในระดับขนาดใหญ่แม้ว่าจะอ่อนกว่าแรงไฟฟ้าสถิต เนื่องจากระบบในระดับใหญ่มักจะเป็นกลางทางไฟฟ้า
จุดประสงค์การเรียนรู้ 10.1.C: อธิบายค่าความอนุจุนไฟฟ้า (electric permittivity) ของวัสดุหรือสื่อ
- 10.1.C.1 ค่าความอนุจุนไฟฟ้าเป็นการวัดระดับการเกิดขั้วไฟฟ้าของวัสดุหรือสื่อเมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า
- 10.1.C.2 การเกิดขั้วไฟฟ้าสามารถจำลองได้ด้วยการจัดเรียงตัวใหม่ของอิเล็กตรอนภายใต้สนามไฟฟ้าภายนอก ส่งผลให้เกิดการแยกตัวของประจุบวกและประจุลบภายในวัสดุหรือสื่อ
- 10.1.C.3的空间มีค่าคงที่ของความอนุจุนไฟฟ้า $\varepsilon_0$ ซึ่งปรากฏในความสัมพันธ์ทางฟิสิกส์
- 10.1.C.4 ความอนุจุนไฟฟ้าของสสารมีค่าแตกต่างจากค่าของพื้นที่ว่าง ซึ่งเกิดจากองค์ประกอบและการจัดเรียงตัวของสสารนั้นๆ
- 10.1.C.4.i ในวัสดุที่กำหนด ค่าความอนุจุนไฟฟ้าถูกกำหนดโดยความสะดวกที่อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนการจัดวางภายในวัสดุนั้น
- 10.1.C.4.ii ตัวนำทำจากวัสดุที่นำไฟฟ้าซึ่งพาประจุเคลื่อนที่ได้ง่าย ส่วนฉนวนทำจากวัสดุที่ไม่สามารถนำไฟฟ้าซึ่งพาประจุเคลื่อนที่ได้ยาก
คำจำกัดขอบเขต: AP Physics 2 คาดหวังให้นักเรียนคำนวณแรงไฟฟ้าระหว่างวัตถุหรือระบบที่มีประจุสี่ตัวหรือน้อยกว่าเท่านั้น การวิเคราะห์แรงไฟฟ้าที่เกิดจากประจุมากกว่านี้อนุญาตได้ในสถานการณ์ที่มีความสมมาตรสูง
