Урок "Електричне поле. Напруженість електричного поля. Речовина в електричному полі."

Тема уроку. Електричне поле. Напруженість електричного поля. Речовина в електричному полі.

Мета уроку: нагадати учням про електризацію тіл, про два типи електричних зарядів та їх взаємодію, поглибити знання про електричне поле та його властивості; дати поняття про напруженість електричного поля; розвивати теоретичне мислення;

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Методичне забезпечення та обладнання: відео фрагменти «Султани», «Силові лінії однорідного електричного поля», ПК, екран, колонки.

Хід уроку

І. Організаційний момент. Взаємне вітання викладача та учнів, перевірка присутності учнів, підготовки їх до уроку.

Інструктаж з БЖД

ІІ. Актуалізація знань учнів.

Фронтальне опитування:

1. Що називають електричним зарядом?
2. Які два види електричних зарядів існують? Як вони взаємодіють?
3. Що називають електризацією тіл? Які досліди можна провести з електризації?
4. У чому полягає закон збереження електричного заряду?
5. Назвіть значення елементарного заряду.
6. Що вам відомо про електричне поле?
7. Сформулюйте закон Кулона. Запишіть формулу для обчислення сили взаємодії між двома зарядами.

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності. Повідомлення теми, мети, завдання уроку. 

ІV. Вивчення нового матеріалу.

План вивчення нового матеріалу:

1.      Електричне поле.
2.      Напруженість електричного поля.
3.      Принцип суперпозиції.
4.      Графічне зображення електричних полів.
5.      Речовина в електричному полі.

     В основі всіх фізичних явищ лежить взаємодія між тілами або частинками, що беруть участь у цих явищах. Механічна дія тіл одне на одного відбувається або в разі безпосереднього зіткнення тіл, або за наявності між ними якого-небудь матеріального посередника. Так, під час удару двох куль здійснюється безпосередній контакт обох тіл, що взаємодіють, а під час буксирування одного автомобіля іншим дія одного автомобіля на інший передається через третє тіло – трос. Земля рухається навколо Сонця через те, що взаємодіє з ним через гравітаційне поле.

    У всіх випадках, коли між двома тілами немає контакту, можна виявити таке «трете тіло», яке, будучи посередником, передає дію від одного тіла до іншого, причому з кінцевою швидкістю.

Наприклад, дія тіла, що видає звук, на барабанну перетинку вуха передається через повітря зі швидкістю звуку. Інша справа – взаємодія електричних зарядів. Заряджені тіла діють одне на одне, хоча на перший погляд немає ніякого посередника між ними. Взаємодія між зарядженими тілами здійснюється за допомогою електричного поля.

1. Електричне поле.

Відповідно до припущення англійського вченого М.Фарадея навколо заряджених тіл існує середовище, за допомогою якого й здійснюється електрична взаємодія. Простір, що оточує один заряд, впливає на простір, що оточує інший заряд, і навпаки. Посередником у цій взаємодії є електричне поле: кожен заряджене тіло створює електричне поле, що діє на інші заряджені тіла.

До Фарадея вважали, що матерія існує тільки у формі речовини, а взаємодія між тілами, що складаються із цієї речовини, відбувається тільки під час безпосереднього контакту або через простір без якого-небудь «посередника» (наприклад, за допомогою сили тяжіння). Фарадей же припустив, що існує інша форма матерії – поле, причому поле є посередником під час взаємодії тіл.

Таким чином, електричне поле — це вид матерії, за допомогою якої здійснюється електрична взаємодія заряджених тіл. Воно оточує будь-яке заряджене тіло й виявляє себе дією на заряджені тіла.

Розрізняють два основні види електричних полів: електростатичне та вихрове (індукційне).

Електростатичне поле — це електричне поле, яке існує навколо нерухомих у даній системі відліку тіл або частинок, що мають електричний заряд.

Отже, головна властивість електричного поля полягає в його здатності діяти на електричні заряди з деякою силою.

Перегляд відео фрагмента «Султани»

Чим більший електричний заряд тіла, тим сильніше електричне поле створює навколо себе це тіло. Ця здатність електричного поля  діяти на заряд із деякою силою дозволяє ввести кількісну характеристику електричного поля.

2. Напруженість електричного поля.

Якщо по черзі поміщати в одну й ту саму точку поля невеликі заряджені тіла й вимірювати сили, що діють на них із боку поля, то виявиться, що ці сили прямо пропорційні  величинам зарядів. Відношення сили до заряду залишається сталим, не залежить від модуля заряду й характеризує тільки електричне поле в тій точці, де розташований заряд. Ця характеристика називається напруженістю електричного поля.

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

Напруженість поля в одиницях СІ виражається в ньютонах на кулон:

Сила, що діє  на заряд з боку електричного поля, дорівнює: .

Знайдемо напруженість електричного поля, створюваного точковим зарядом на відстані r від нього:

3. Принцип суперпозиції. Якщо у разі накладення полів від декількох зарядів ці поля не роблять ніякого впливу одне на одного, то результуюча сила з боку всіх полів повинна дорівнювати геометричній сумі сил із боку кожного поля. У цьому полягає принцип суперпозиції полів: напруженість електричного поля системи N зарядів дорівнює векторній сумі полів, створюваних кожним із них окремо:

На малюнку показано як визначається поле в точці А, створене двома точковими зарядами q₁ та q₂.

Мал. 1

4. Графічне зображення електричних полів. Електричне поле не діє органи чуття. Ми його не бачимо. Проте розподіл поля в просторі можна зробити видимим. Для цього введемо своєрідну графічну модель електричного поля — лінії напруженості.                                        

Лінією напруженості називається безперервна лінія, дотична до якої в кожній точці збігається за напрямом із вектором напруженості.

Лінії напруженості не перетинаються.

Для електростатичного поля лінії починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних.

Силові лінії зображуються так, що щільність ліній пропорційна значенню напруженості електричного поля.

За напрям напруженості поля приймають напрям сили, що діє на позитивний заряд.

Силові лінії можна зробити «видимими». Якщо довгасті кристалики діелектрика (наприклад, хініну – ліків від малярії) добре перемішати у в’язкій рідині (наприклад, у рициновій олії) і помістити туди заряджені  тіла, то поблизу цих тіл кристалики «вишикуються» в ланцюжки вздовж ліній напруженості.

Мал. 2

На мал. 2 подано приклади ліній напруженості позитивно і негативно заряджених кульок (мал. 2, а, б), двох різнойменно заряджених кульок (мал. 2, в), двох однойменно заряджених кульок (мал. 2, г), двох пластин, заряди яких однакові за модулем і протилежні за знаком (мал. 2, д).

Перегляд відео фрагмента «Силові лінії однорідного електричного поля»

5.  Речовина в електричному полі.

Провідники (метали)

Усередині провідників завжди є «вільні» електрони, що рухаються довільно, при цьому концентрація їх у провіднику постійна. Вони не належать до конкретного атома (колекти­візовані).

При вміщенні провідника в електричне по­ле напруженістю частина вільних елек­тронів зміщується до поверхні провідника. Це створює надлишок негативного заряду бі­ля поверхні однієї частини провідника (лівої) і позитивного — біля іншої.

Ці заряди створюють поле напружені­стю , що повністю компенсує зовнішнє поле (оскільки Е'=-Е₀, то всередині провід­ника: , Е=Е₀-Е'=0). Цю власти­вість використовують для електростатичного захисту (електростатичного екранування). Тому, чутливі до електричного поля прилади розміщують у металевих ящиках. Електростатичний захист використовують і для того, щоб захистити людей, які працюють із пристроями, що перебувають у сильному електричному полі (металевою сіткою оточують робочий простір).

Діелектрики

У діелектриках немає колективізованих («вільних») електро­нів, тому діелектрики не проводять струм.

Є два основні типи діелектриків: полярні та неполярні.

1) Полярні діелектрики складаються з полярних молекул (диполів, тобто здвоєних електричних полюсів), які за відсут­ності зовнішнього поля розташовані хаотично (а).

Приклади: дистильована вода, кам'яна сіль.

Зовнішнє поле чинить орієнтуючу дію на диполі в діелект­рику (б).

2) Неполярні діелектрики складаються з електрично ней­тральних молекул (в).

Під дією зовнішнього поля електрони атомів молекул такої речовини зсуваються в бік, протилежний вектору напруженості поля. В результаті цього молекули діелектрика перетворюються на диполі (г).

Процес реагування діелектриків на зовнішнє електричне поле називають поляризацією діелектрика.

Усередині діелектрика, вміщеного в елек­тричне поле напруженістю , виявляється електричне поле. Його напруженість Е<Е₀.

,

Фізична   величина,   що   показує,   у   скільки   разів   напруженість поля, в якому перебуває діелектрик, більша, ніж напруженість поля в діелектрику, називається діелектричною про­никністю ε.

Приклади: ε янтарю ≈3, слюди ≈ 6.

Формула Кулона для випадку взаємодії зарядів, вміщених у діелектричне середовище:

Діелектрична проникність є показує, у скільки разів діелектрик послаблює взаємодію зарядів.

V. Закріплення нового матеріалу

Запитання до учнів:

1. Чим відрізняється простір, що оточує заряджене тіло, від простору, що оточує незаряджене тіло?
2. Які головні ознака й властивість електричного поля?
3. Чи можуть силові лінії перетинатися?
4. Електричне поле зарядженої кулі діє на заряджену порошину, що перебуває поблизу неї. Чи діє поле порошини на кулю?
5. У міру віддалення від точкового заряду густота ліній напруженості зменшується. Що це означає?

Розв’язування задач.

Задача 1. Заряд 2 нКл розташований у електричному полі з напруженістю 2 кН/Кл. Із якою силою поле діє на заряд? (В: 4 мкН)

Задача 2. В однорідному електричному полі електрон рухається з прискоренням 3,2∙10¹³м/с². Визначте напруженість поля, якщо маса електрона дорівнює 9,1∙10^-31кг. (В: 182 Н/Кл)

Задача 3. Заряди 90 і 10 нКл розташовані на відстані 4 см один від одного. Де треба розмістити третій заряд, щоб він перебував у рівновазі? (В: на відстані 1 см від меншого і 3 см більшого зарядів )

VІ. Підбиття підсумків уроку. Рефлексія

Учитель підвиває підсумки уроку, оцінює роботу учнів.

- Що запам’яталось кожному з вас сьогодні?

VІІ. Домашнє завдання

Вивчити конспект.