Урок 93 Робота з переміщенням заряду в електростатичному полі. Потенціал (Урок)

10клас

Урок 93

Робота з переміщенням заряду в електростатичному полі. Потенціал

Мета уроку:

навчальна:

• формувати уявлення про роботу з переміщення заряду в електричному полі;
• формувати знання про потенціальну енергію взаємодії точкових зарядів;
• формувати уявлення про потенціал як енергетичну характеристику електричного поля та фізичний зміст різниці потенціалів;
• формувати розуміння про зв’язок між різницею потенціалів та напруженістю;
• поглиблювати знання учнів про природу електростатичного поля;       

розвивальна:

• сприяти збагаченню словникового запасу;
• сприяти формуванню пізнавальної самостійності, наполегливості, відповідальності;
• сприяти розвитку спостережливості, уваги, пам’яті, уяви,логічне  мислення,  виробленню звички до планування своїх дій;
• розвивати творчі здібності кожного учня;
• формувати навички розв’язування задач;

виховна:

• виховувати уважність, зібраність, спостережливість;
• виховувати культуру спілкування, вміння чітко формулювати думку;
• виховувати інтерес до предмету.

Тип уроку: комбінований

Наочність і обладнання: навчальна презентація, комп’ютер, підручник, відео «Робота з переміщення заряду в однорідному електричному полі.», відео «Потенціал електричного поля. Різниця потенціалів»             

Краще за все просувається природниче дослідження,

 коли фізичне завершується в математичному.

 /Ф.Бекон/

Хід уроку

І. Організаційний момент.

Взаємне вітання вчителя та учнів, перевірка присутності учнів, підготовки їх до уроку.

Думаємо колективно,

Працюємо оперативно,

сперечаємося доказово -

це для всіх обов’язково!

ІІ. Актуалізація знань учнів.

Фронтальне опитування:

• Які види зарядів існують в природі?
• Тіло заряджене «+». Що це означає? Тіло заряджене «-». Що це означає?
• Якими способами можна наелектризувати тіло? Чому при електризації тертям тіла набувають різнойменних зарядів?
• Чи можна створити електричний заряд або знищити його? Чому? Поясніть суть закону збереження електричних зарядів?
• Що таке електричне поле?
• Що таке напруженість електричного поля?
• Якою формулою виражається напруженість електричного поля в даній точці?
• Якою величиною є напруженість - векторною або скалярною?
• В чому полягає принцип суперпозиції?
• Що таке силові лінії?
• Яке поле називають однорідним?

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності  учнів.

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

 У механіці взаємну дію тіл одне на одне характеризують силою або потенціальною енергією. Електростатичне поле, що здійснює взаємодію між зарядами, також характеризують двома величинами. Напруженість поля – це силова характеристика. Тепер введемо енергетичну характеристику – потенціал.

ІV. 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 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.

Основна властивість електричного поля, завдяки якій, воно виявляє своє існування, - це здатність діяти на електричні заряди з певною силою. Якщо в електричне поле, створене одним зарядом, внести інший заряд, то на цей заряд поле діятиме з певною силою.

В той самий час поле цього заряду з такою самою за значенням силою, але протилежно спрямованою, діятиме на перший заряд. Іншими словами, на кожний із зарядів діє не другий заряд, який знаходиться десь в іншому місці, а електричне поле. Поле, створюване кожним зарядом у певній точці простору, не залежить від того, чи існує в цій точці інший заряд чи ні.

Досліджують електричні поля за допомогою пробного точкового заряду. Пробний заряд має бути достатньо малим, щоб він не спотворював досліджуваного поля

Обчислення роботи електричного поля з переміщення заряду.

З погляду теорії близькодії на заряд безпосередньо діє електричне поле,

створене іншим зарядом. Під час переміщення заряду, діюча на нього з боку

поля сила виконує роботу. Тому можна стверджувати, що заряджене тіло в

електричному полі має енергію.

Розглянемо дві пластинки, розміщені вертикально.

Ліва пластинка В заряджена негативно, а права С - позитивно. Обчислимо роботу, що виконується полем А під час переміщення заряду q із точки 1, яка знаходиться на відстані d1 від пластини В, у точку 2, розміщену на відстані d₂ < d₁ від тієї ж пластинки. Точки 1 і 2 лежать на одній силовій лінії.

На ділянці шляху Δ d = d₁ - d ₂ електричне поле виконує додатну роботу:

A = qE(d₁ - d ₂ ) = - (qEd ₂ - qEd₁ ).

Оскільки ця робота не залежить від форми траєкторії, то вона дорівнює зміні потенціальної енергії, взятій з протилежним знаком:

A = - (Wр₂ - Wр₁ ) = - ΔWр .

Порівнюючи рівняння, бачимо, що потенціальна енергія заряду в

однорідному електричному полі

Wр = qEd,

де заряд q може бути і позитивним, і негативним.

На замкненій траєкторії, коли заряд повертається в початкову точку, робота поля дорівнює нулю:

A = ΔWр = - (Wр₂ - Wр₁ ) = 0.

Поля, що мають цю властивість, називають потенціальними.

Якщо А > 0, то Wp зменшується, а Wk за законом збереження енергії

збільшується.

Якщо А < 0, то Wp збільшується, а Wk за законом збереження енергії

зменшується.

Енергетична характеристика електричного поля.

Під час розгляду руху електричних зарядів під дією електростатичного поля, яке здійснює роботу з переміщення зарядів, виникає необхідність ввести енергетичну характеристику поля. Робота поля не може бути його характеристикою, оскільки вона залежить від величини заряду, який переноситься, (А = Eqd).

Характеристикою поля є фізична величина, яка називається різницею потенціалів. Таким чином, у електростатичного поля є дві основні характеристики:

1) силова — напруженість;

2) енергетична — різниця потенціалів.

Різниця потенціалів.

Розглянемо переміщення заряду q з точки 1 в точку 2 в електростатичному полі, створюваному зарядом q.

Оскільки робота в електростатичному полі не залежить від форми шляху, то

А_І = А_ІІ = А_ІІІ = А_1-2

Отже,      А_1-2 / q₀ = const

Відношення А_1-2 / q₀ називається різницею потенціалів між точками 1 і 2

Згідно із законом збереження енергії робота А1-2, здійснена електричним полем у разі переміщення заряду з точки 1 в точку 2, дорівнює зміні потенціальної енергії електричного заряду в електростатичному полі:

або

Позначаючи

     і      

Дістанемо       Δφ=φ₁-φ₂

Отже, різниця потенціалів двох точок поля — це величина, яка чисельно дорівнює роботі кулонівських сил із переміщення одиничного позитивного заряду з однієї точки в іншу.

Практичне значення має не сам потенціал у точці, а зміна потенціалу, яка не залежить від вибору нульового рівня відліку потенціалу.

Потенціал.

Напруженість електричного поля - це силова характеристика. Введемо

енергетичну характеристику - потенціал.

Нехай W - потенціальна енергія пробного заряду q₀ в деякій точці

електричного поля. Різні пробні заряди у даній точці поля матимуть різні

потенціальні енергії. Водночас відношення потенціальної енергії пробних

зарядів до їх значень для даної точки поля є величиною сталою і тому може

служити характеристикою електричного поля.

Потенціал електричного поля