«Формування професійних компетенцій при викладанні фізики»

 

 

 

 

 

Любчак Василь Петрович,

Викладач фізики

Новоград-Волинського

промислово-економічного технікуму      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2020 н.р.

 

 

 

ВСТУП

Мета будь-якої діяльності – досягнення максимального морально-фінансового задоволення. Реалії життя вносять зміни у даний тандем. Вміння розпізнати і оцінити свої помилки на початковому етапі дають можливість запобігти принаймні простому розчаруванню. Дане вміння може формуватися лише із життєвих реалій, адже більш успішним буде той, хто матиме зовнішні і внутрішні ресурси, той, у кого вже будуть сформовані базові компетентності.

Щодня молода людина сприймає величезний обсяг інформації. Вміння  оцінити, побачити її перспективність – достатньо непроста задача. А якщо врахувати кількість загальноосвітніх предметів, то ця задача немає рішення,  якщо відсутній взаємозв’язок предметних компетентностей, які визначаються державними навчальними програмами. В межах однієї дисципліни важливо сформувати вміння бачити не тільки саму «проблему», але й її місце та вплив у загальній структурі. Ідеальним варіантом буде можливість пройти самостійно послідовність ситуацій, де кожна наступна вимагатиме більш компетентних дій, росту досвіду, розумінню системи. Завдання викладача сформувати дорожню карту, яка дала б можливість прокладати маршрути, знаходити і виправляти помилки та досягати кінцевої мети.

Загальноосвітній курс фізики є достатньо алгоритмізований. Спробуємо побудувати логічний маршрут з теми «Електростатика». Збудуємо спочатку напрям розвитку самої теми, а потім конкретизуємо безпосередніми завданнями (заняттями).        

                                                                            Величини

                            Скаляр                                                                                              Вектор

                            число                                                                                                число і напрям

                                                                           Результат

                     додавання чисел                                                                            додавання векторів

                 (а)+(                                                                                                          =

                                                                                                                                                =

                                                                                                                                             

                                                                                                                             

                                                                                                                            =   

                                                                                                                               

                                                                                                                                   

                                                                                Енергія

 Потенціальна                                                                                                               Кінетична

Енергія взаємодій                                                                                                                Енергія руху

( залежить від виду ) 

Робота

Зміна енергії                                                                                                           Сила, переміщення, кут                                              

А=W₂-W₁                                                                                                                                                                                                  А=F· S·cosα

Електростатика

Енергія «двох»                                                                                                                    Сила «двох»

W=                                                                                                                        F=

Енергія одного                                                                                                                       Сила одного

=                                                                                                                            E=

Зв’язок

Е=

Результат

додавання чисел                                                                                                                  додавання векторів

                                                                                                                                      

Робота

А=W₂-W₁                                                                                                                                        A=F·S·cosα

A= -                                                                                                                             A= E·q·S cosα

A=ϕ_2- qϕ₁                                                                                                                                                                                                                     A=m ·a ·S cosα

A=q(ϕ_2- ϕ₁)= qU                                                                                                                                      a= 

A=                                                                                                                                          S=                                                                                                                                                         

                                                                                                                                                    S=

          

Дана  узагальнена  структура вказує лише напрям розвитку дослідження і можливі математичні дії.      Перейдемо безпосередньо до занять (відповідно до державної програми)                                                                                                                                                                                                                                                                          

 

Тема:  Електричні заряди. Закон збереження заряду.                                                                           Взаємодія зарядів.  Закон Кулона. Діелектрична проникність середовища. Лінійна, поверхнева та об’ємна густина заряду                                                                       Основні положення та означення.                                                                                                              1.За багато століть до  нової ери було помічено, що бурштин (янтар), потертий об  вовну (або хутро) притягує легкі предмети. Цей ефект назвали електричним (від грец. «elektron» — бурштин).                                                           2.Усі тіла в природі складаються з молекул. Молекули складаються із атомів. Атоми складаються із дрібніших частинок – протонів, нейтронів та електронів ,                                              які умовно назвали елементарними.  Протони та нейтрони знаходяться в ядрі                            атома. Електрони рухаються навколо ядра.                                                                                                           3. Елементарні частинки взаємодіють між собою.                                                         4. Експериментально доведено, що протони, які знаходяться за межами ядра,                                  відштовхуються між собою; електрони – відштовхуються між собою,                                   а протон і електрон  притягуються між собою.   Таку взаємодію назвали електромагнітною.                                                                                                                     5. Тому протонам та електронам  окрім маси надали  ще одну характеристику  -                           електричний заряд. Електричний заряд - є фізичною величиною, яка визначає                           інтенсивність електромагнітної взаємодії.   (Електричний заряд позначають                                      літерою – q, одиниця вимірювання – Кл (Кулон)                                                                                              6.Електричні заряди протона та електрона називають елементарними. (позначають літерою – е, одиниця вимірювання – Кл (Кулон).                                                                                                                                    7.По характеру взаємодії ( протягування та відштовхування)електричні заряди поділили на дві групи, які умовно назвали  - позитивними та негативними. Історично склалось так, що електричний заряд протона назвали позитивним, а електричний заряд електрона -  негативним.                                                                   8. Електричні заряди  елементарних частинок (елементарні заряди) відповідно рівні:                                     протона             е =   + 1,6 ∙ 10^-19Кл,  або просто  е =1,6 ∙ 10^-19Кл ;                                                                        електрона          е =   -  1,6 ∙ 10^-19Кл                                                                                                                                     9. За звичайних умов атоми не проявляють жодних електричних властивостей. Такий атом називають  нейтральним . В нейтральному атомі  кількість протонів рівна кількості електронів і відповідно кількість позитивного заряду рівна кількості негативного заряду.                                                                                                                                 10. Надати  тілу електричний заряд (наелектризувати)  означає накопичити на ньому додаткову                  ( надлишкову) кількість протонів або електронів.

       + + + + + + + + + + + + + + +                                                             - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 

                                           

11. Довільний електричний заряд тіла q   кратний елементарному заряду е . Це твердження називають дискретністю, або кажуть, що електричний заряд квантується.

12. Закон збереження електричного заряду: Алгебраїчна сума електричних зарядів в ізольованій системі є величиною сталою. 

13.  Прилади для з'ясування наелектризованості тіла     -  Електроскоп (від грец. «skopein» — бачити) — для виявлення і порівняння зарядів.                                          -   Електрометр — для вимірювання зарядів.

 

14. Незалежно від  того чи притягуються заряди чи відштовхуються  їх взаємодію описують законом Кулона, відкритим експериментально  у 1785р :

Сила взаємодії між двома точковими зарядами прямо пропорційна добутку модулів цих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними і напрямлена по прямій яка з’єднує ці заряди:    або  

                                                                               r

              d₁                                                                                                                                  d₂

                     q₁                                                                                                                       q₂

Точковими називають електричні заряди, що знаходяться на тілах, розміри яких набагато менші за відстань між цими тілами, тобто  .

- електрична стала: ; k – коефіцієнт пропорційності:

15.  Сила взаємодії між зарядами залежить від середовища в якому вони взаємодіють. Найкраща взаємодія у вакуумі, а у довільному середовищі є гіршою. Фізична величину, яка показує у скільки разів сила взаємодії між зарядами у вакуумі більша за силу взаємодії цих зарядів у середовищі називають діелектричною проникністю середовища .  - безрозмірна величина.

                                          Діелектрична проникність середовища:

      1. Повітря, вакуум      1             ;                                              7.  Гас                                                   2

      2. Парафін                   2             ;                                               8. Масло трансформаторне               2,2

      3. Ебоніт                     2,6           ;                                              9. Скло                                   5,5……..10                                           

      4. Кварц                      2,7           ;                                              10. Вода                                                81

      5. Восковий папір      3,7           ;

      6. Слюда, фарфор       6             ;                        

16.  В залежності від форми та об’єму тіл на яких накопичується заряд  розрізняють три види густини електричного заряду:

                 ,  q   

                                                                           S                         q                          V                   q

   Лінійна густина заряду                      Поверхнева густина заряду           Об’ємна густина заряду

         ;                                       ;                                   ; 

Модель № 1. А. (надлишкова кількість електронів) 

28.1. ЗНО. Шерсть заряджається позитивно внаслідок тертя ебонітової палички об неї. Це відбувається тому, що:

А) електрони переходять з палички на шерсть                                                      Б) протони переходять з палички на шерсть

 В) електрони переходять із шерсті на паличку

 Г) протони переходять із шерсті на паличку

28.2.ЗНО.Тіло, виготовлене з діелектрика, внесене в однорідне електричне поле, вектор напруженості якого напрямлений, як показано на рисунку. Після цього тіло розділили на частини А і В. Які електричні заряди будуть мати ці частини після розділення?

(обидві частини залишаться нейтральними)

 

 

 

28.3. ЗНО.З поверхні електрично нейтральної краплі рідини вилетів електрон. Потім крапля поглинула протон. Елементарний електричний заряд дорівнює 1,6∙10⁻¹⁹ Кл. Обчисліть значення електричного заряду краплі після цих перетворень.   ( 3,2∙10⁻¹⁹ Кл)

 

28.4. ЗНО. Визначте, як зміниться сила кулонівської взаємодії двох точкових заряджених тіл, якщо відстань між ними зменшити в n разів.  (збільшиться в n ² разів)

Модель № 1.Б. (надлишкова кількість електронів) 

або

28.5.Дві однакові негативно заряджені кульки знаходяться в вакуумі на відстані 1,6 м і взаємодіють з силою               9·10^-7Н. Чо­му дорівнює кількість надлишкових електронів кожної куль­ки? Заряд електрона   -1,6 ∙ 10^-19Кл , .           а) 10¹¹ б) 1,6·10¹⁰; в) 9·10¹¹; г) 16·10²; д) вірної відповіді тут немає.                                             

Модель № 2. (взаємодіють двічі два точкових заряди, змінюються  параметри)                                                            Початкові умови                                                                          Кінцеві  умови                 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                

                                                                 

   1)       або     2)   

28.6. Два точкових заряди знаходяться на віддалі r один від одного. Якщо віддаль між зарядами зменшити на 0,5 м, то сила взаємодії між зарядами збільшиться в два рази. Яка від­стань була між зарядами?                                       а) 1,75м; б) 3,5м; в) 4м; г)3,8м; д) вірної відповіді тут немає.

28.7. Два точкові заряди знаходяться у вакуумі на деякій відстані. Потім ці заряди занурюють у дистильовану воду, діе­лектрична проникність якої дорівнює 81. У скільки разів треба змінити відстань між цими зарядами, щоб сила взаємодії між  ними в воді була б така сама, як у вакуумі?                                             а) збільшити в 9 разів; б) збільшити в 81 раз; в) зменшити в 81 раз; г) зменшити в 9 разів; д) вірної відповіді тут немає.

28.8.У скільки разів зміниться сила взаємодії, між двома точковими зарядами, якщо відстань між ними збільшиться в два рази, а замість вакууму між зарядами буде середовище з діелектричною проникністю, рівною 2?     а) зменшиться в 4 рази; б) збільшиться в 4 рази; в) не зміниться; г) зменшиться в 8 разів; д) вірної відповіді тут не­має.

28.9. У скільки разів зміниться сила взаємодії між двома однаково зарядженими кульками, якщо заряд кожної кульки збільшити в 4 рази, а відстань між ними зменшити в 2 рази?  а) зменшиться в 64 рази; б) збільшиться в 64 рази; в) збільшиться в 8 разів; г) зменшиться в 8 разів; д) вірної від­повіді тут немає.       

 

Модель № 3. (взаємодіють  заряджені тіла,  заряди приводять у дотик    - враховуємо знак і густину ) 

                                                   1)                                                                         

                                                                                                                           

 

                                                       2)                                                                                    

                                                 Тіла після дотику мають  однаковий заряд !                     

28.10. ЗНО. Дві маленькі металеві однакові кульки, заряджені однаковими за модулем різнойменними зарядами, доторкнули і розвели на попередні місця. Визначте заряди на кульках після їхнього розведення, якщо зовнішнє електричне поле відсутнє.              (обидві кульки будуть незаряджені)

28.11.ЗНО. Двом металевим кулям різних розмірів, віддаленим від інших тіл й одна від одної, надали однакових позитивних зарядів. Укажіть, чи переходитимуть заряди               з однієї кулі на              іншу,              якщо              з’єднати їх провідником.    

  А) переходитимуть з кулі більшого розміру

 Б) переходитимуть з кулі меншого розміру

 В) повністю перейдуть на кулю більшого розміру

 Г) не переходитимуть

28.12.ЗНО. Дві однакові металеві кульки, що мають заряди –q і +3q, доторкнули одна до одної. Які заряди              матимуть кульки після              роз’єднання?

А	Б	В	Г
+q    і +q	+2q і +2q	+q    і –3q	+3q і –q

28.13.Однакові металеві кульки,.-.що мають заряди  і   приводять в контакт і знову розводять на попередню відстань. У скільки разів при цьому зміниться сила взаємодії між кульками?                  а) збільшиться в 48 разів; б) зменшиться в 48 разів; в) збільшиться в 12 разів; г) зменшиться в 12 разів;                    

28.14.Дві однакові металеві кульки зарядили так, що заряд однієї з них у 5 разів більший, ніж заряд іншої. Кульки доторкнули одна до одної і розсунули на ту ж саму відстань. Як змі­нилася (за модулем) сила взаємодії, якщо кульки мали одно­йменні заряди?       а) збільшилася в 1,8 раза; б) зменшилася в 1,5 раза; в) збільшилася в 0,8 раза; г) зменшилася в 0,3 раза; д) вірної відповіді тут немає.                                                                                                   

28.15.Дві однакові металеві кульки зарядили так, що заряд однієї з них у 5 разів більший, ніж заряд іншої. Кульки доторкнули одна до одної і розсунули на ту ж саму відстань. Як змі­нилася (за модул.ем) сила взаємодії, якщо кульки мали різно­йменні заряди?    а)збільшилася в 1,8 рази; б) зменшилася в 1,5 рази; в) збільшилася в 0,5рази; г) зменшилася в 1,25 рази; д) вірної відповіді тут немає.

Модель № 4. (  взаємодіють три заряди, які знаходяться на одній прямій  )

  1)                                                                                      

                                                                                                                                                                 х

                                                                                                                                              Результуюча сила визначається  векторною сумою:  ,    або  в проекції  на вісь  х  - 

28.16. Заряди величиною q₁=+4 нКл, q₂=+8 нКл, q₃=-2 нКл розміщені між собою як показано на  рисунку.   Відстані   між  нимистановлять відповідно 4 см і 6 см.  Середовище   -   вакуум.   Яка   сила   діє   на   третій   заряд? а)140мкН; б)210мкН; в)100мкН; г)220мкН; д) вірної відповіді тут немає.

 

 

28.17. Заряди 90 і 10 нКл розташовані на відстані 4 см один від одного. На якій відстані від меншого заряду треба розмістити третій заряд, щоб він перебував у рівновазі?         а) 0,5 см; б) 2,4 см; в) 3 см; г) 1 см; д) вірної відповіді тут немає.

Модель № 5. (  взаємодіють три заряди, які не знаходяться на одній прямій  )

         q₁                     d                       q₂                       Результуюча сила визначається  векторною сумою:                              

                                                        Модуль результуючої сили визначають за теоремою косинусів:

              r₁                                          r₂                                                F²= F²₁  +   F²₂ + 2F₁F₂  cosα

                             α   

                                  q₃                                                     Кут  α   визначають із  трикутника :

                   α                                        

                                                                           Сили   визнпачають:

                                                                    

  28.18. Заряди величиною q₁=+l нКл, q₂=+9 нКл, q₃=-48 нКл розміщені між собою як пока­зано на рисунку. Відстані між ними становлять відповідно 3 см, 4 см і 5 см. Середовище -вакуум. Яка сила діє на перший заряд?  а)180,8мкН; б)284,6мкН; в)632,5мкН; г) 136,6 мкН;

 

 

Розв’яжіть  самостійно  і сконструюйте  нові задачі.

 

 

28.19. В вершинах рівностороннього трикутника стороною 10см знаходяться заряди + q=1нКл , +q=1нКл, - q=1нКл. Яка сила діє на заряд + q=2нКл, який знаходиться в центрі трикутника?

 

28.20 В вершинах квадрата стороною 10см знаходяться послідовно заряди + q=1нКл , +q=1нКл, - q=1нКл, - q=1нКл. Яка сила діє на заряд + q=2нКл, який знаходиться в центрі квадрата?

 

 

Тема: Електричне поле. Напруженість. Лінії напруженості. Принцип суперпозиції електричних полів. Провідники та діелектрики в електричному полі.

                      Основні положення та означення.                                                                                                                                                           

1.Електростатичне   поле  — особливий вид  матерії,   що  оточує заряджені тіла і передає дії зарядів один на одного.                           Властивості електричного поля:

а).  Матеріальне, існує незалежно від нас.                         б). Створюється електричними зарядами.

в).  Виявляється за дією на нерухомі заряди.                     г).  Послаблюється з відстанню.

2. Електричне  поле досліджують за допомогою «пробного заряду» q₀ — точкового позитивного заряду, достатньо малого за величиною, щоб не спотворити поле, в яке він внесений (легенька заряджена кулька на шовковій нитці).

3. Електричне поле зображують за допомогою ліній напруженості.   Напруженість електричного поля – фізична величина яка показує силу з якою електричне поле діє на одиничний пробний заряд вміщений в дану точку поля  і визначається відношенням сили до величини цього заряду.

             або                           q                   r                                                                                 (позначається літерою - Е , одиниця вимірювання – вольт поділено на метр )                                           Напруженість електричного поля — силова характеристика поля.

       4.Лінії напруженості електричного поля:

1) спосіб     графічного     зображення поля., 2) уявні   лінії,   дотичні   до   яких   у кожній точці поля збігаються за напрямком з вектором  напруже­ності Е у даній точці; ,3) мають напрям, який збігається з напрямом сили, що діє на позитивний заряд;  4) починаються на позитивних зарядах, закінчуються на негативних;  5)  густина ліній напруженості, які пронизують одиницю площі попе­речного перерізу, пропорційна модулю вектора Е; 6) незалежні неперервні і не можуть перетинатись.

     Приклади напруженості електричного поля

 

5. Якщо  в деякій точці простору одночасно присутні декілька електричних полів з напруженостями  Е₁, Е_{2 ………} Е_N , то результуючу напруженість у цій точці знаходять за принципом суперпозиції  тобто як векторну суму  

6.  Провідники в електричному полі           а.  Електростатична індукція —                                                      перерозподіл зарядів у провіднику під дією зовнішнього електричного поля.                                                                                                  Заряди називаються наведеними або індукованими.                                                                                                             б. Напруженість електричного поля всередині провідника   дорівнює   нулю,                                                                   бо   заряди   у провіднику перерозподіляються доти, поки на­пруженість                                                                       зовнішнього      поля      Е_о      не дорівнюватиме      протилежно                                                                               напрямленій напруженості   Е'   поля   індукованих  зарядів.                                                                                                       в.  Електростатичний    захист.    Зовнішнє    поле    не проникає      всередину                                                                                    провідника      внаслідок екрануючої дії наведених зовнішнім полем зарядів на                                                                          поверхні. Для захисту від зовнішніх електричних полів     чутливі                                                           електровимірювальні     прилади оточують густою металевою сіткою,                                                                                       центральний дріт   кабеля   телеантени   —   плетеним   дротяним екраном.                                                                                           г.  Поверхнева густина заряду у провід­ників   залежить   від   форми   поверхні.                                                       Найменшу    густину   має    на внутрішній поверхні, найбільшу — на виступаючих вістрях.

7.Діелектрики в електричному полі   1.  Види діелектриків.                                                                                                                                                               а)  полярні (створюють власне електростатичне поле);

б)  неполярні(не створюють власного електростатичного поля).

2.  Поляризація  діелектрика  — реагування  на зовнішнє  електричне поле.                                                                           а) молекули   полярного   діелектрика   орієнту­ються    вздовж    вектора                                                            напруженості    Е_о зовнішнього поля (орієнтаційна поляризація);                                                                                                2) молекули неполярного діелектрика деформу­ються, в результаті чого виникають                                                              диполі, які орієнтуються вздовж вектора Е_о зовніш­нього поля (деформаційна поляризація).

 

Модель № 1. А.                                                                                                                                                                    

29.1.ЗНО. Крапля води набула заряду 4·10^–12 Кл.  Яка сила діє на краплю з боку електричного              поля   Землі               напруженістю              90 В/м?

А	Б	В	Г
0,036 нН	0,225 нН	0,36 нН	2,25 нН

 

 

29.2. ЗНО. На рисунку схематично зображено рамки у вигляді геометричних фігур: кола та рівносторонніх восьмикутника, трикутника й квадрата. Заряд рівномірно розподілений по довжині дротин, з яких виготовлено рамки. У якому випадку в геометричному центрі фігури напруженість поля дорівнює нулю?

А) у кожному Б )для кола  В) для восьмикутника й квадрата      Г) для трикутника

 

Модель № 1. Б.

Початкові умови                                                                          Кінцеві  умови                 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

                                                                 

   1)       або     2)   

29.3. ЗНО.  Дощова крапля має заряд q₁=+1,5 нКл. Як зміниться модуль напруженості  електричного поля краплі на              відстані 10 см              від неї,              коли вона зіллється з іншою краплею,              заряд              якої              q₂= – 0,5 нКл?

А	Б	В	Г
збільшиться в 1,5 раза	збільшиться в 1,33 раза	зменшиться в 3 рази	зменшиться в 1,5 раза

 

29.4. Дуже маленьку заряджену кульку занурили у гас. На якій відстані від кульки напруженість поля буде така сама, якою вона була до занурення на відстані 29 см? Діелектрична проникливість гасу 2,1.                          а) 14 см; б) 40 см; в) 60,9 см; г) 20 см; д) вірної відповіді тут немає.

29.5  Металеву кулю радіусом 2 см занурили в гас. Пове­рхнева густина заряду кулі (1/16)·10^-5Кл/м². Чому дорівнює напруженість електричного поля в точці, віддаленій від повер­хні кулі на 1 см? Діелектричну проникність гасу вважати рів­ною 2.                                                                                                                          а)94,2кВ/м;   6)21,6 кВ/м;   в)10,8кВ/м;   г) 15,7 кВ/м; д) вірної відповіді тут немає.

Модель № 2. (два заряди, два  електричних поля,  точка на одній прямій із зарядами  )

                                                                                             

                                                                                                                                                                                   х

                                                   

Результуюча напруженість  визначається  векторною сумою:     ,    або  в проекції  на вісь  х  -                                                                                                                                                                                                                    29.6 Два точкових заряди q₁= 10 мкКл  і  q₂= - 1мкКл розташовані у воді на відстані 5 см один  від одного. Визначити напруженість електричного поля у точці , що лежить на прямій яка з’єднує заряди на відстані 2см від другого заряду.                                                                                                                                                                                       

29.7  Між зарядами q і 9q відстань дорівнює 8 м. На якій відстані від першого заряду розташована точка, в якій напру­женість поля дорівнює нулю?   а) 1,5м; б) 1,1 см; в) 3 см; г) 2 см; д) вірної відповіді тут немає.                   

29.8 Два однойменних заряди 0,27 мкКл та 0,03 мкКл знаходяться на відстані 0,2 м. На якій відстані від першого за­ ряду вздовж прямої, що з'єднує ці заряди, напруженість поля буде рівна нулю?                                           а) 5 см; б) 10 см; в) 15 см; г) 18 см; д) вірної відповіді тут немає.                                                                                                       

29.9  Два однойменні заряди, один з яких у 4 рази біль­ший від другого, розташували на відстані l один від одного. На якій відстані від меншого заряду на прямій, що з'єднує ці за­ ряди, напруженість поля дорівнює нулю?       а) 2l/3; б) l/4; в) 3l/4; г) l/3; д) вірної відповіді тут не­має.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Модель № 3. (  два заряди, два  електричних поля,  точка не на  прямій із зарядами    )

         q₁                d                       q₂        Результуюча напруженість визначається  векторною сумою:                              

                                                                Модуль  визначають за теоремою косинусів:

                 r₁                                             r₂                                                Е²= Е²₁  +   Е²₂ + 2Е₁Е₂  cosα

                             α   

                                                                                       Кут  α   визначають із  трикутника :

                   α                                        

                                                                           Напруженості   визнпачають:

                                                                                          

29.10. Заряди величиною q₁=+l нКл, q₂=+9 нКл,  розміщені  на відстані 5 см .  Визначити напруженість електричного поля в точці яка знаходиться на відстані 5 см від першого заряду  та  5 см від другого, Середовище -вакуум.

29.11. В вершинах рівностороннього трикутника стороною 10см знаходяться заряди + q=1нКл , +q=1нКл, - q=1нКл. Яка напруженість електричного поля в центрі трикутника?

29.12. В вершинах квадрата стороною 10см знаходяться послідовно заряди + q=1нКл , +q=1нКл, - q=1нКл, - q=1нКл. Яка напруженість електричного поля в центрі квадрата?

Скористайтесь вашими розробками  попереднього заняття і пофантазуйте.

Модель № 4 . (електрична сила врівноважена іншими силами)                                                а)                                                                                                                                                                                                                                     29.13. В однорідному електричному полі горизонтально розташованого                                                      конденсатора знаходиться в завислому стані крапелька ртуті масою 0,1 г.                                                                  Який заряд крапельки, якщо на­ пруженість поля дорівнює 1000 В/см? g=10 м/с².                                                                                                                                                                   a) 10 нКл; б) 5 нКл; в) 15 нКл; г) 20 нКл; д) вірної відпо­віді тут немає.

                                                                                                                                                                                                                                                              

 

 

б)                                                                                                                                                   

 

29.14. Позитивно заряджена кулька, що має масу 0,18 кг і густину речовини 1800 кг/м³,                               перебуває у зваженому стані в рідкому діелектрику, густина якого 900 кг/м³.                                                                           У діелектрику існує однорідне електричне поле напруженість якого стано­вить 45 кВ/м,                                    напрямлене  вертикально вгору. Який заряд куль­ки? g=10 м/с².                                                                                                                                  а) 10мкКл; б) 20мкКл; в) 25 мкКл; г) 30мкКл: д) вірної відповіді тут немає.

 

 

в)                             y                                                    ;                       

                    F_н            Eq                     х                 ;          

                        mg                                     

29.15. Силові лінії однорідного електричного поля напру­женістю 10⁵В/м мають горизонтальний напрям. В такому елек­тричному полі знаходиться кулька масою 1 г, яка підвішена на невагомій непровідній нитці. При якому значенні заряду куль­ки q нитка відхилиться від вертикального напряму на кут 45°?
g=10 м/с².    а)25нКл;  б)200нКл; в)100нКл; г)50нКл;  д) вірної відповіді тут немає.

 

 

г)                 ;      ;   

29.16 З яким прискоренням рухається електрон у полі, на­пруженість якого становить 10 _КВ/м? Маса електрона дорів­нює 9,1 • 10^-31кг, заряд - 1,6 ·10^-19 Кл.         а) 1,51·10¹⁴м/с²;   б) 1,76·10¹⁵м/с²;  в) 1,1·10¹⁵м/с²;  г)5,6·10^І5м/с²; д) вірної відповіді тут немає.                                                                                                                                                                 

 

 

29.17 В однорідному електричному полі, напруженість, якого  910 кВ/м,  знаходиться  електрон  і  починає  рухатись вздовж силової лінії поля. За який час електрон пройде від­стань   3,2м?   Маса  електрона  9,1· 10 ^-31кг,   заряд  електрона 1,6 ·10 ^-19Кл. Вважати, що рух рівноприскорений                                                                                           а) 2,5 с; б) 12,6 нс; в) 6,3 нс; г) 3,15 нс; д) вірної відпо­віді тут немає.                                                                                            

 

 

 

Тема:  Потенціальна енергія взаємодії електричних зарядів.

Потенціал.  Напруга. Робота електричного поля по переміщенню заряду. Зв'язок між напруженістю та напругою.  

Основні положення та означення.                                 

1. Енергією називають універсальну міру руху і перетворення  матерії.
2. З механіки відомо існування двох видів енергії – кінетичної та потенціальної.
3. Потенціальною енергією називають енергію яка визначається взаємодією та взаємним розміщенням тіл або його частин.
4. Електричні заряди взаємодіють між собою, а отже існує потенціальна енергія їх взаємодії. Для двох точкових зарядів величина потенціальної енергії визначається виразом:                            r                          ( позначається  літерою - W, одиниця вимірювання  -  джоуль (Дж))
5. Навколо кожного заряду існує електричне поле . Якщо в електричне поле  помістити  пробний точковий заряд то поле перемістить його з однієї  точки в іншу тобто електричне поле виконає роботу по переміщенню  точкового заряду. Роботу визначають   зміною енергії.   Отже в кожній точці  електричного поля пробний заряд  має певне значення енергії .   Для кількісної характеристики потенціальної енергії, що припадає на одиничний  пробний заряд  у  довільно визначеній точці поля вводять поняття  потенціалу. 
6. Потенціалом називають  енергетичну характеристику електричного поля, що  показує величину потенціальної енергії , яку мав би одиничний  позитивний заряд вміщений в дану точку поля . Потенціал визначається відношенням  величини потенціальної енергії до величини пробного заряду :                                        ( позначається  літерою - , одиниця вимірювання  -  вольт (В))              .       Потенціал – скалярна величина
7.  Напругою називають фізичну величину яка показує різницю потенціалів між  двома точками електричного поля     ( позначається  літерою -, одиниця вимірювання  -  вольт (В))

                                                            А                                       В

         q                             r₁

                                                                            r₂

                                                                                                   

8. Робота сил електричного поля по переміщенню заряду визначається:                                                            - як зміна потенціальної енергії                  - як зміну кінетичної енергії                                                                                  - як добуток сили на переміщення                                                                                                                     при                         
9. Робота сил електричного поля  має властивості: 1) робота не залежить від форми траєкторії; 2) А = 0 при переміщенні заряду позамкнутому    контуру.

 

10.  Із порівняння двох виразів для роботи отримуємо взаємозв’язок напруги і напруженості:        

 

 

 

                       або         або    

                                                             А                S                    В                     

         q                             r₁

                                                                            r₂                                                                                                   

   11. Еквіпотенціальні    поверхні   —   геометричне   місце   точок   в електричному  полі,  які  мають  однаковий  потенціал  (один  із  методів наочного зображення електричних полів).     Властивості.

1. У кожній точці еквіпотенціальної поверхні вектор напруженості  Е перпендикулярний до неї і напрямлений у бік спадання потенціалу.

2. Робота   при   переміщенні   заряду   по   еквіпотенціальній   поверхні дорівнює нулю.

12. Прилади для вимірювання різниці потенціалів називаються електро­метрами. Електрометр вимірює різницю потенціалів між його стержнем зі стрілкою та металевим корпусом. Для вимірювання різниці потенціалів між двома провідниками один приєднують до стержня електрометра, а другий — до його корпусу. Для вимірювання потенціалу відносно Землі тіло з'єднують зі стержнем, а корпус заземлюють.

 

Модель № 1А. (  два заряди, два  електричних поля,  точка на одній прямій із зарядами    )

                                                                                                                                     

                                                                                                                                        

                                                              Враховуємо знак заряду !

Результуючий  потенціал  визначається  алгебраїчною  сумою       

  30.1.ЗНО. Порівняйте потенціали точок в однорідному електричному полі, зображеному на рисунку.

 

 

30.2.Два однойменні додатні, по 10 нКл кожний, заряди перебувають на відстані 0,2 м. Який потенціал електричного поля в точці, яка лежить посередині на прямій, що з'єднує ці заряди?                                                   а) 1800 В; б) 1600 В; в) 1200 В; г) 100 В; д) вірної відпо­віді тут немає.                                                             

 

30.3.Два заряди  q₁= +1нКл  і  q₂= - 3мкКл знаходяться  на відстані 1м один від одного. Визначити потенціал електричного поля в точці яка лежить на прямій, що з’єднує заряди на відстані 1м від другого заряду

 

 

Модель № 1Б. (  два заряди, два  електричних поля,  точка не на  прямій із зарядами    )

              q₁                d                       q₂        Результуючий  потенціал визначається  алгебраїчною сумою:                                        

                                                                                       Потенціали    визначають:

                 r₁                                          r₂                                                              

                                                                                              

  30.4. Заряди величиною q₁=+l нКл, q₂=+9 нКл,  розміщені  на відстані 5 см .  Визначити  потенціал електричного поля в точці яка знаходиться на відстані 5 см від першого заряду  та  5 см від другого, Середовище -вакуум.                                                                                                                                                                                         

 

30.5.  Заряди +1,0 ∙10 ^-8Кл і -1,0 ∙10 ^-8Кл розташовані на де­якій відстані один від одного. Чому дорівнює в полі зарядів потенціал тієї точки, яка розташована на віддалі 10 см від пер­шого і 20 см від другого заряду?                         а) 10 В; б) 450 В; в) 1350 В; г)-450 В;

 

Модель № 2. (  заряджена частинка починає рухатись в електричному полі   )                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              

                                                   

;                                                    

                                                          

                                                   

30.6.ЗНО.В однорідному електричному полі переміщується позитивно заряджене точкове тіло з точки 1 у точку 2 за траєкторіями І, ІІ, ІІІ, зображеними на рисунку. Правильно продовжте твердження: робота сил електричного поля при переміщенні зарядженого тіла

 однакова за  траєкторіями І, ІІ, ІІІ.

30.7.ЗНО. Порошинка масою 0,01 г, зарядом + 5 мкКл і з початковою швидкістю, що дорівнює нулю, прискорюється електричним полем, розпочинаючи рух з точки електричного поля, потенціал якої дорівнює 200 В. Визначте потенціал точки, у якій швидкість порошинки дорівнюватиме 10 м/с.                 (100 В )

30.8.В однорідному електричному полі,  напруженість, якого 60 кВ/м, перемістили заряд 5 нКл. Модуль вектора пере­міщення становить 20 см і утворює кут 60° з напрямом силової лінії. Чому дорівнює робота сил поля?                   а) 60 кДж;    б) ЗО мкДж;    в) 300 мкДж;    г) 15 мкДж;                                                        

30.9.Електрон, рухаючись під дією електричного поля,збільшив свою швидкість з 10 до 30 Мм/с. Яка різниця потен­ціалів між початковою та кінцевою точками переміщення?     Маса електрона 9,1 10 ^-31кг, а заряд 1,6·10 ^-19Кл. а) 20 мВ; б) 2,3 кВ; в) 32 кВ; г) 250 м                  

30.10.Два електрони рухаються назустріч один одному у вакуумі (з нескінченості) з відносною швидкістю 10⁶м/с. На яку найменшу відстань можуть наблизитися електрони?                                                                             а) 0,8·10 ^-6см; б) 1,8·10 ^-6см; в) 2,05·10 ^-7см; г) 5,06·10 ^-8см; д) вірної відповіді тут немає.                                           

30.11.Протон і альфа-частинка проходять однакову при­скорюючу  різницю потенціалів. У скільки разів відрізняються набуті швидкості цих частинок. Початкові швидкості рівні ну­лю. Маса альфа-частинки в 4 рази більша маси протона, а за­ряд - в 2 рази.                                                                                                                            а) швидкість протона у 6 разів більша; б) швидкість протона у 4, б рази .менша; в) швидкість протона у 1,4 рази бі­льша; г) швидкість протона у 1,4рази менша; д) вірної відповіді тут немає.                                                                              

30.12.Два заряди по  16,7 нКл розташували  на відстані 1,0 м один від одного. Яку роботу треба виконати, щоб зблизи­ти ці заряди до відстані 10 см?                                                                                                                           а) 22,6мкДж; б) 16,7мкДж; в) 279мкДж; г) 301 мкДж. д) вірної відповіді тут немає.                                                 

      Вибудовуючи заняття відповідно вибраного напрямку ми прийдемо  до об’єднання усіх  електростатичних і електродинамічних величин. Наприклад ( спрощена модель )

 

                                                                                            

                                               

                                                  

1. Яка      напруженість      електричного       поля       в алюмінієвому провіднику перерізом 1,4 мм² , якщо сила струму становить 1 А? Питомий опір алюмінію 28·10 ^-8Ом·м.   а)200В/м;   б) 0,2 В/м;   в) 5 В/м;   г) 0,5 В/м;   д) вірної відповіді тут немає.

2. Яка   сила   діє   на   кожен   вільний    електрон   у провіднику, якщо до його кінців прикладено напругу 100 В, а провідник має довжину 4 м? Електричне поле вважати постійним. Заряд електрона 1,6·10 ^-19Кл.   а)3,2·10 ^-8Н;    б) 7,2·10 ^-І8Н;    в) 5,4·10 ^-18H;   г)4·10 ^-18Н; д) вірної відповіді тут немає.

3. Яка густина струму в провіднику при температурі 120°С, якщо його питомий опір становить                             2·10 ^-7Ом·м,   а температурний    коефіцієнт    опору    при    температурі    0°С дорівнює   6·10^{- 3}К ^-1?    Напруженість    електричного    поля    в провіднику 0,84 В/м.  а)1,25А/мм²;    б)221А/м²;    в) 10⁶А/м²;   г)2,44А/мм²; д) вірної відповіді тут немає.

ВИСНОВОК

Такий підхід дає можливість не тільки оцінювати зовнішні параметри, а й розуміти внутрішню структуру – бути над системою, а не в середині неї.

Вибір теми «Електростатика» не є випадковим. Складні математичні моделі, відносно мала кількість «ефектних» експериментів не стимулюють творчий студентський пошук.  Але без розуміння таких елементарних закономірностей не буде сформована жодна компетентність, а тим паче розуміння єдиної фізичної природи простих речей.

             На жаль, сучасні видання (підручники, збірники задач, завдання ЗНО) мало поєднують фізику із іншими природничими предметами та із новітніми досягненнями в них.  Тому завдання кожного викладача – постійний  пошук.