Урок 91 "Електричне поле" (Урок)

10клас

Урок 91

 

Електричне поле.

 

Мета уроку:

навчальна:

• формувати уявлення про електричне поле як про вид матерії, що передає електричні взаємодії;
• розкрити матеріальний характер електричного поля і його основні властивості;
• формувати знання про силову характеристику електричного поля – напруженість;
• формувати уявлення про графічне зображення електричного поля за допомогою ліній напруженості;
• навчитися розв’язувати задачі на розрахунок напруженості електричного поля;

розвивальна:

• розвивати уміння пояснювати навколишні явища, аналізувати учбовий матеріал;
• сприяти збагаченню словникового запасу;
• сприяти формуванню пізнавальної самостійності;
• продовжувати формування навиків колективної роботи;
• розвивати пізнавальну активність, спостережливість, логічне мислення, пам’ять, зосередженість,уяву, увагу, навички індивідуальної та колективної творчості, комунікативні здібності учнів;
• розвивати навички роботи з науковою літературою, вміння проводити аналіз розрахункової задачі;
• навчати бачити взаємозв’язок між законами фізики та іншими предметами;
• сприяти виробленню звички до планування своїх дій;

виховна:

• виховувати пізнавальний інтерес до предмета, сприяти розвитку особистості (уважність, зібраність, спостережливість та творчість);
• виховувати цілеспрямованість в досягненні поставленої мети та відповідальне відношення до праці, розвиток ерудиції, акуратності в роботі;
• формування світогляду на прикладі показу загального зв’язку явищ.

 

Тип уроку: урок засвоєння нових знань.

 

Наочність і обладнання: навчальна презентація, комп’ютер, підручник,

електрометр, досліди з електризації, електричне поле заряджених кульок.

 

Потрібно знати:

• властивості електричного поля, принцип суперпозиції, зв’язок напруженості електричного поля з різницею потенціалів;
• сутність силової та енергетичної характеристик електричного поля, поляризації діелектриків;
• здатні пояснити вплив провідників і діелектриків на електричне поле.

Вміти:

• зображувати електричне поле за допомогою силових ліній, схеми з’єднань конденсаторів;
• класифікувати електричні поля на однорідні і неоднорідні;
• розв’язувати фізичні задачі на розрахунок напруженості і потенціалу електричного поля, взаємодію електричних зарядів, здійснену роботу під час переміщення заряду, електроємність, електроємності при послідовному і паралельному з’єднанні конденсаторів, енергію електричного поля.

 

Хід уроку

 

І. Організаційний момент.

Привітання учнів, перевірка присутніх.

 

ІI. Актуалізація опорних знань.

Фронтальне опитування учнів.

• Які заряди ви знаєте? Як на досліді переконатися в існуванні зарядів двох типів? Взаємодія зарядів.
• Як на досліді можна виявити електромагнітну взаємодію?
• Електризація тіл. Як на досліді перевірити, що тіла наелектризовані?
• Сформулювати і пояснити закон збереження електричного заряду.
• Закон Кулона. Чи зміниться сила взаємодії електричних зарядів, якщо простір між ними заповнити рідким діелектриком.
• У скільки разів зміниться сила взаємодії між двома точковими зарядами, якщо відстань між ними збільшити у два рази, а значення електричного заряду одного з них збільшити у три рази?
• Чим подібні й чим відрізняються закон всесвітнього тяжіння та закон Кулона?

 

Під час опитування учнів ведеться робота по картках біля дошки.

 

Робота по картках.

Задача 1. На якій відстані один від одного потрібно розташувати два заряди по 0,5•10^-6 Кл, щоб в гасі сила взаємодії між ними виявилася рівною 0,5Н? Діелектрична проникність гасу рівна 2.

 

Дано:   Розв’язування:

 

q1=q2=0,5∙10-6Кл F=0,5Н ε=2
R-?

Відповідь: 0,047м.

 

Задача 2. Два однакові точкові заряди взаємодіють у вакуумі на відстані 0,1м з такою ж силою, як і в скипидарі на відстані 0,07м. Визначте діелектричну проникність скипидару.

 

Дано:      Розв’язування:  

 

q1=q2 R1=0,1м R2=0,07м F1=F2
ε-?

Відповідь: 2.  

 

 

 

 

 

Задача 3. Два заряди по 3,3•10^-8 Кл, розділені шаром слюди, взаємодіють з силою 5•10^-2 Н. Визначте товщину шару слюди, якщо її діелектрична проникність рівна 8.

 

Дано:      Розв’язування:

q1=q2=3,3∙10-8Кл F=5∙10-2Н ε=8
R-?

Відповідь: 5∙10^-3м.   

 

Задача 4. Визначте відстань r₁ між двома однаковими електричними зарядами, що знаходяться в маслі з діелектричною проникністю 3, якщо сила взаємодії між ними така ж, як в порожнечі на відстані r₂ = 0,3м.

 

Дано:            Розв’язування:    

ε1=3 F1=F2 R2=0,3м q1=q2 ε2=1
R1-?

Відповідь: 0,17м.

 

Завдання перевіряються і записуються в зошит.

 

IIІ. Мотивація навчальної діяльності учнів.

Сьогодні на уроці ми з вами розглянемо поняття електризації тіл, закон Кулона,  поняття напруженості електричного поля та ліній напруженості електростатичного поля, потенціалу та різницю потенціалів.

Знання силової, а згодом і енергетичної характеристики електричного поля необхідне для осмислення багатьох властивостей електричного поля, зокрема таких, як здатність його переміщати заряди, створювати електричний струм і ін.

 

IV. Вивчення нового матеріалу.

У курсі фізики ви вже вивчали явища електризації тіл. Пригадаємо деякі з дослідів та спробуємо пояснити причини електризації тіл.

Натерта шерстю паличка з пластмаси, скла, ебоніту чи гуми притягує листочки паперу, пушинки та інші легенькі тіла. Про тіла, які після натирання притягують до себе інші тіла, кажуть, що вони наелектризовані, або що їм надано електричний заряд. В електризації завжди беруть участь два тіла і обоє електризуються. Якщо скляну паличку потерти шматком гуми, притягувати до себе легкі тіла буде не лише паличка, а й гума.

Існують два види електричних зарядів. У цьому легко переконатися на простих дослідах. Наелектризуємо ебонітову паличку, підвішену на нитці. Наблизимо до неї таку саму паличку, потерту тим самим шматочком шерсті, - вона відштовхнеться. Оскільки палички однакові і однаково електризувалися, можна твердити, що на них знаходяться заряди одного виду. Якщо до підвішеної ебонітової палички піднести скляну паличку, потерту шовком, то палички взаємно притягуються. Наближаючи до підвішеної наелектризованої ебонітової палички наелектризовані тіла з інших речовин – пластмаси, гуми, капрону, - ми побачимо, що ебонітова паличка в одних випадках відштовхнеться від піднесених тіл, а в інших – притягнеться до них. Тому можна вважати, що існує тільки два види електричних зарядів. Заряди, одержані на склі, потертому шовком, називають позитивними, а заряди, що виникають на ебоніті чи гумі, потертих шерстю, - негативними.

Електричний заряд – це фізична величина, що характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітну взаємодію. Заряд позначають символом q і вимірюють у кулонах. 

Ви знаєте, що тіла, заряджені однойменними зарядами, взаємно відштовхуються, а заряджені зарядами протилежного знака – взаємно притягуються. За притягуванням чи відштовхуванням тіл можна судити, що дане тіло має електричний заряд.

Підвісимо на дротині, закріпленій на плексигласовій підставці, зігнуту пополам смужку паперу. Доторкнемося до дротини наелектризованою паличкою. Частина заряду з палички перейде на дротину і на паперові смужки, і вони розійдуться. Це явище покладено в основу будови знайомих вам з курсу фізики 8-го класу приладів для виявлення електричних зарядів  - електроскопа і електрометра. В електрометрі замість листочків фольги на металевому стержні закріплено стрілку, його корпус обов’язково роблять металевим і заземлюють. Біля стрілки електрометра розміщено шкалу з поділками. Чим більший заряд надамо електрометру, тим більшою буде сила відштовхування між стрілкою і стержнем електрометра і тим на більший кут відхилиться стрілка. Отже, за зміною кута відхилення стрілки електрометра можна дізнатися, збільшився чи зменшився заряд.

Як пояснюється електризація тіл і що відбувається при цьому з тілами? Пригадаємо ще один дослід з електризації тіл. Візьмемо дві пластинки - одну з ебоніту, другу з оргскла - і легенько потремо їх одна об одну. Внесемо тепер почергово пластинки всередину порожнистого циліндра, надітого на стержень електроскопа (мал. а). Електроскоп покаже, що обидві пластинки наелектризувалися, причому із внесенням кожної пластинки листочки електроскопа відхиляються на однаковий кут. Але якщо всередину циліндра внести обидві пластинки, складені разом, то електроскоп не виявить заряду - листочки не відхиляться (мал. б). Дослід можна повторити з будь-якими парами різних тіл, але результат буде той самий. Який висновок можна зробити з цього досліду? Очевидно, єдиний: заряди на обох пластинках дорівнюють один одному за значенням і протилежні за знаком, а тому в разі складання пластинок заряди взаємно нейтралізують один одного. Тоді можна зробити висновок, що ні позитивні, ні негативні заряди не виникали під час дотику (тертя), вони були на кожній пластинці вже до досліду, а під час дотику відбувся перерозподіл зарядів і на одній з пластинок виявився надлишок негативного заряду, а на другій  - нестача.

Щоб переконатися в правильності цих припущень пригадаємо, що всі тіла складаються з молекул і атомів. У складі кожного атома є позитивно заряджене ядро і негативно заряджені електрони. Кількість електронів у різних атомах різна. Ядра атомів складаються з позитивно заряджених частинок - протонів, заряд яких дорівнює за модулем зарядові електрона, і нейтральних (які не мають заряду) частинок - нейтронів.

 

Дослід (відхилення стрілки електроскопу при піднесенні зарядженої ебонітової палички)

Чому, не торкаючись ще до електроскопу - стрілка відхиляється?

 

Висновок: Навколо зарядженого тіла існує електричне поле (заряджене тіло створює навколо себе в просторі електричне поле).

Властивості електричного поля:

1) Здатність діяти на електричні заряди з деякою силою.

Якщо в електричному полі, створеному одним зарядом, помістити другий заряд, то на цей заряд поле діятиме з певною силою. В той же час поле другого заряду з такою ж по значенню, але протилежно направленою силою, діятиме на перший заряд, тобто на кожний із зарядів діє не інший заряд, що знаходиться десь у іншому місці, а електричне поле.

Дослід (піднесіть ебонітову паличку до гільзи, поспостерігайте за взаємодією).

2) Поле нерозривно пов'язане із зарядом (немає поля без заряду, заряду без поля).

 

Відмінності між полем і речовиною.

 

1. Поле не сприймається органами чуття, виявляється тільки по його дії на інші заряджені тіла.

2. Речовина займає певний об'єм, а поле необмежене в просторі.

3. Речовина непроникна (там, де розташоване одне тіло, не може знаходитися інше).

4. Поле взаємопроникне (у одній точці простору може знаходитися декілька полів).

 

 Електричне поле - особлива форма матерії, яка існує навколо заряджених тіл і за допомогою якої ці тіла взаємодіють між собою.

Людина не може безпосередньо за допомогою органів почуттів сприймати електричне поле, але об’єктивність його існування, матеріальність доведені експериментально.

Поле, як і речовина, є однією з форм існування матерії.

Отже, заряджені частинки взаємодіють одне з одним через електричне поле.

Зверніть увагу на те, що електричне поле поширюється в просторі хоча й із величезною, але кінцевою швидкістю — швидкістю світла. Завдяки цій властивості взаємодія між двома зарядами починається не миттєво, а через певний інтервал часу Δt =   l/c, де l — відстань між зарядами, а c — швидкість світла у вакуумі.

Сила, з якою електричне поле діє на заряджене тіло, називається електричною силою.

Під дією цієї сили частинка набуває прискорення:

 

 

Електричне поле володіє енергією. Діючи з певною силою на заряджене тіло, поле може виконати роботу по переміщенню цього тіла, і робота здійснюється за рахунок цього поля.

Розглянемо електричне поле, створене точковим електричним зарядом q. Внесемо в електричне поле цього заряду пробний заряд q₀. (електричне поле пробного заряду дуже мале в порівнянні з досліджуваним полем). На заряд q₀ діятиме сила F, різна в різних точках поля, яка пропорційна пробному заряду q₀.

Але якщо узяти відношення F/q₀, то ця величина не залежатиме від вибору пробного заряду, і характеризуватиме електричне поле в тій точці, де знаходиться пробний заряд. Ця величина одержала назву напруженості електричного поля в даній точці.

  

Напруженістю електричного поля в даній його точці називається векторна фізична величина, чисельно рівна відношенню сили, з якою поле діє на точковий заряд, поміщений в цю точку, до значення цього заряду.

Напруженість - векторна величина. Напрям вектора напруженості співпадає в кожній точці простору з напрямом сили, що діє на позитивний пробний заряд.

За напрямок вектора напруженості в деякій точці електричного поля вибирають напрямок кулонівської сили, що діяла б на пробний позитивний заряд, якби він був поміщений у цю точку поля.

 

 

Коротше: напруженість характеризує силу, що діє на одиничний позитивний заряд в даній точці простору.

 

де q — заряд, що створює електричне поле.

 

Як визначити напруженість точкового заряду?

  

  

 

Напруженість електричного поля точкового заряду зменшується пропорційно квадрату відстані від заряду.

 Якщо точковий заряд, що створює поле, позитивний, то в кожній точці поля напруженість направлена по прямій від цього заряду, якщо - негативний, то до заряду.

Якщо два точкові заряди - знаходимо рівнодіючу.

 

Принцип суперпозиції.

Якщо в даній точці простору різні заряджені частинки створюють електричне поле, напруженості яких Е_1, Е₂, Е₃.., то результуюча Е в цій точці рівна:

Наочною силовою характеристикою електричного поля є лінії напруженості (силові лінії електричного поля). Лінії напруженості не перетинаються, оскільки в кожній точці поля вектор напруженості має лише один напрям.

Уявні лінії, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямком напруженості електричного поля, називаються силовими лініями, або лініями напруженості електричного поля.

 

Лінії напруженості відокремленої негативно зарядженої кульки (мал.1). Лінії напруженості відокремленої позитивно зарядженої кульки (мал.1).

 

мал.1

Лінії напруженості поля позитивно зарядженої кульки

Лінії напруженості поля негативно зарядженої кульки

 

Лінії напруженості електростатичного поля завжди не замкнуті: вони починаються на поверхні позитивно заряджених тіл (або в нескінченності) і закінчуються на поверхні негативно заряджених тіл (або в нескінченності) (див. мал. 1,2).

За напрям силової лінії прийнято такий напрям, по якому став би рухатися позитивний заряд, внесений в поле.

Поле, створене нерухомими електричними зарядами називається електростатичним.

        

мал.2

 

мал.3

 

а - електричне поле  однакових за значенням різнойменних зарядів;

б -  електричне поле однакових за значенням однойменних зарядів;

в - електричне поле двох пластин,заряджених різнойменними зарядами однакових величин.

Графічне зображення електричного поля

з допомогою ліній напруженості поля

 

У будь-якій точці поля густина ліній напруженості рівна модулю напруженості поля в цій точці.

Густиною ліній напруженості називають число ліній, що проходить через одиничну площу, перпендикулярну до них.

Коли вектори напруженості в усіх точках поля мають однакове значення і напрям, лінії напруженості є прямими лініями, паралельні вектору напруженості, і густина ліній напруженості у всіх ділянках цього поля постійна. Таке поле називається однорідним.(мал. 3)

Між пластинами поле однорідне.

Досліди англійського фізика Міллікена повністю довели дискретний характер електричного заряду, існування в природі найменшого (елементарного) електричного заряду.

 Міллікен з великою точністю зміряв значення елементарного заряду (електрона)

е = 1,6 ·10^-19 Кл.

 

 Опорний конспект «Напруженість».

 

V. Закріплення вивченого матеріалу.

 

Електричне поле зарядженої кулі діє на заряджену порошину, що перебуває поблизу неї. Чи діє поле порошини на кулю?

 

• Чому стрілка електрометра відхиляється, якщо до нього піднести заряджений предмет, не торкаючись електрометра?

Вказівка. У результаті поділу зарядів, що відбувається під дією електричного поля, стрілка й нижня частина стрижня електрометра набувають однойменних зарядів.

• Маленьку заряджену кульку піднесли до великого металевого листа. Покажіть орієнтовний вид силових ліній електричного поля.

 

Давайте проведемо бліц – опитування.

1.     Два однойменні тіла ………… (відштовхуються)
2. Два різнойменних тіла ………. (притягуються)
3. Заряд позначається буквою ()
4. Заряд вимірюється в (Кл)
5. Формула закону Кулона ()
6. Якою буквою позначається напруженість? (Е)
7. Формула напруженості та її одиниці виміру (, Н/Кл)

 

Навчаємося розв’язувати задачі

1. У вершинах при гострих кутах ромба, складеного із двох рівносторонніх трикутників зі сторонами ℓ = 25 см, розташовані точкові заряди 

q₁ = q₂ = 2,5 · 10^-9 Кл. У вершині при одному з тупих кутів ромба розташований точковий заряд q₃ = -5 · 10^-9 Кл. Визначте напруженість електричного в четвертій вершині ромба.

Розв’язання.

У четвертій вершині ромба кожний із трьох зарядів q₁, q₂ і q₃ створює своє поле, напруженості яких дорівнюють  , , і    відповідно. Згідно із принципом суперпозиції результуюча напруженість  у точці A дорівнює векторній сумі напруженостей: .

 

Оскільки поле створює система точкових зарядів, то модуль напруженості поля кожного заряду визначають за формулою: .  Отже, ,   .

Модуль результуючої напруженості E' полів, створених зарядами q₁ і q₂, дорівнює , де  = 60°. Тоді модуль напруженості E в четвертій вершині ромба (точці A) дорівнює:

Визначимо значення шуканої величини:  .

.

Відповідь: напруженість поля в четвертій вершині ромба дорівнює 360 Н/Кл і напрямлена до заряду q₃.

 

2. На відстані r = 2 см від нерухомого точкового заряду у вакуумі напруженість електричного поля цього заряду E₁ = 900 Н/Кл. Визначте напруженість E₂ електричного поля цього заряду на відстані r₁ = 10 см від нього.
3. У вертикально напрямленому однорідному електричному полі перебуває порошина масою 10^-9 г й зарядом 3,2 · 10^-17 Кл. Яка напруженість поля, якщо сила ваги порошини врівноважена силою електричного поля?

 

Задача 1.

 Два заряди q₁ = + 3·10^-7 Кл і q₂ = -2·10^-7 Кл знаходяться у вакуумі на відстані 0,2м один від одного. Визначте напруженість поля в точці С, розташованій на лінії, що сполучає заряди, на відстані 0,05м вправо від заряду q₂.

Дано: Розв’язування:    

q1=+3∙10-7Кл q2=-2∙10-7Кл R=0,2м R2=0,05м
ЕС-?		Відповідь: 6,7∙105Н/Кл.

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 2.

 У деякій точці поля на заряд 5·10^-9 Кл діє сила 3·10^-4 Н. Знайдіть напруженість поля в цій точці і визначить величину заряду, що створює поле, якщо точка віддалена від нього на 0,1м.

Дано: Розв’язування:    

q0=5∙10-9Кл F=3∙10-4Н R=0,1м
Е-? q-?		Відповідь: 0,6∙105Н/Кл; 6,7∙10-8Кл.

 

 

Відгадайте кросворд.

 

 

				2			3
	1
5
			2
				3
	4

 

 

По горизонталі:

1. Мінімальний заряд, який існує в природі.
2. Учений, який довів дискретний характер електричного заряду.
3. Атом, що втратив або приєднав один або декілька електронів.

4,5. Частинки, з яких складається ядро атома.

 

По вертикалі:

1. Прилад, що служить для виявлення заряду.
2. Надання тілу електричного заряду.
3. Одиниця вимірювання заряду.

 

 

VI. Підсумок уроку.

Що ми дізналися на уроці

• Електричне поле — це форма матерії, що існує біля заряджених тіл і проявляється в дії з деякою силою на будь-яке заряджене тіло, що перебуває в цьому полі.
• Напруженість електричного поля   — це векторна величина, що характеризує електричне поле й дорівнює відношенню сили , з якою електричне поле діє на пробний заряд, поміщений у деяку точку поля, до значення q цього заряду: .
• Напруженість поля точкового заряду:  .  
• Принцип суперпозиції полів: напруженість електричного поля системи N зарядів дорівнює векторній сумі напруженостей полів, створюваних кожним з них окремо: .
• Лінії напруженості електричного поля (силові лінії) — лінії, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямком вектора напруженості електричного поля.

 

VIІ. Домашнє завдання.

1.Опрацювати §41

2. Вправа №41(1,4)