Закон Кулона. Потенціал і робота.

План – конспект теоретичного уроку з предмета

“Електротехніка з основами промислової електроніки”

Тема уроку: №3 Закон Кулона. Потенціал і робота.

Мета уроку:

Навчальна: сформувати знання про закон Кулона, електричний потенціал і роботу електричногополя.
Виховна: виховувати культуру праці, працелюбність, повагу до праці.
Розвиваюча: розвивати мислення, сприяти всебічному розвитку учнів, розвивати пам`ять, мислення.
Тип уроку:  урок засвоєння нових знань.

Наочні засоби :

1. плакати з електротехнічними приладами;
2. макети електротехнічних приладів.

СТРУКТУРА УРОКУ

1. Організаційно-вступна частина уроку.

2. Актуалізація опорних знань учнів.

3. Постановка завдань уроку.

4. Пояснення нової теми.

5. Оперативний контроль вивченого на уроці.

6. Закріплення теми уроку (практичне завдання).

7. Систематизація та узагальнення знань.

8. Підсумок уроку:

    а) підведення підсумків розглянутих на уроці знань

    б) пояснення домашнього завдання

    в) оцінювання знань учнів.

ХІД УРОКУ

1. Організаційно-вступна частина

     Налаштування психологічного настрою учня на продуктивну роботу

1. взаємне вітання;
2. перевірка наявності учнів;
3. організація уваги учнів до уроку.

2. Актуалізація та корекція опорних знань учнів

    Актуалізація мотиваційних резервів учня шляхом фронтального опитування учнів з пройденого раніше матеріалу. Запитання до учнів

1) прості електричні поля;

2) що таке точковий заряд;

1. властивості заряду осі між двома паралельними пластинами.

3. Постановка завдання уроку

    Сьогодні на уроці ми вивчимо закон Кулона, та що таке потенціал і робота.

4. Пояснення нової теми

Досліджуючи силову взаємодію заряджених тіл (рис. 1), Генрі Кавендіш у 1773 р. встановив закономірності, що складають зміст закону Куло­на. Але на той час явище електростатичної індукції було невідоме і Кавендіш не міг пояс­нити, чому притягуються дві кульки, одну з яких не було заряджено. Кулон, винахідник крутиль­них терезів, унаслідок багаторазових експериментів у 1785 р. встановив закономір­ності, які становлять тепер закон Кулона:

1. однойменні заряди відштовхуються, різно­-
   йменні притягуються;
2. сила взаємодії зарядів пропорційна їх
   добутку;
3. ця сила обернено пропорційна квадрату
   відстані між зарядами;
4. сила діє вздовж лінії, що з'єднує ці заряди;
5. сила взаємодії також залежить від влас-­
   тивостей середовища між зарядами.

 Сила F₁₂  за модулем дорів­нює силі -F₂₁ і визначається за формулою:

де q1 i q2 заряди кульок, г₁₂ — відстань між ними,  одиничний вектор, що вказує на напрямок дії сили F₁₂; k — коефіцієнт про­порційності. В системі СІ прийнято, що

де є_а називається абсолютною діелектричною проникністю середовища.

Найбільше числове значення має коефіцієнт для вакууму, що відпові­дає найменшому значенню ε₀. Цю ε_а вакууму позначено як ε₀ і названо елек­тричною сталою:

ε₀ = 8,85 • 10^-12 (Ф/м)

де Ф — означає фараду.

Для визначення ε_а через ε₀ введено відносну діелектричну проникність є_г:

ε_r = ε_а/ε₀

Вона показує, у скільки разів сила Кулона у да­ному середовищі менша, ніж у вакуумі. Тоді, щоб визначити абсолютну діелектричну про­никність середовища є_а, необхідно відносну діелек­тричну проникність є_г помножити на сталу ε₀.   Якщо у просторі знаходиться декілька зарядів, відстанню між якими та їх значеннями не можна знехтувати, тоді напруженість є_k поля, згідно з прин­ципом накладання, визначається як векторна сума напруженостей від кожного з п зарядів.

Тобто напруженість εk поля, що створюється п зарядами q_і (і = 1, 2, ..., n), дорівнює геометричній сумі напружено­стей полів, що створюються кожним зарядом окремо.

Сила F_к, що діє на заряд q в точці поля напруженості є_k, дорівнює добутку скаляра q на вектор питомої сили єk:

Fk = q·εk

У випадку, коли силу  прикладено до тіла з зарядом q, яке руха­ється по шляху l, ця сила виконає роботу.

Потенціал і робота електричного поля

Рухатися може як тіло з нерухомим зарядом q, так і заряд q в тілі. В обох випадках виконується робота кулонівських сил Fk  електростатичного поля напруженості є_k. Нехай заряд q рухається в однорідному полі між дво­ма пластинами А і В. Робота на шляху 1 складається з елементар­них робіт. Елементарною називають роботу ΔА на малому відрізку Δl шляху, де напруженість є_k можна вважати незмінною. Ця робота дорівнює:

ΔА = Fk · Δl · cosα

де α — кут між векторами Fk  i  Δl .

На шляху l робота А дорівнює алгебраїчній сумiΣ,_і елементарних ро­біт.

Робота вимірюється у джоулях: [Дж] = [Н • м] = [кг • м² • с-²]. В електро­техніці доречно ввести роботу по переміщенню одиничного заряду:

Відношення А/q визначає інваріантну до заряду q характеристику поля кулонівських сил — електричний потенціал (φ). Потенціал φ є скаляром, що визначає потенціальну енергію одиничного позитивного заряду у за­даній точці поля і має розмірність:

Електростатичне поле називають потенціальним. Кожна точка його має певний потенціал. Робота по переміщенню одиничного заряду із заданої точки поля в точку, де напруженість є_k дорівнює нулю (умовну нескінчен­но віддалену точку), є питомою потенціальною енергією або потенціалом цієї точки поля.

 Роботу по переміщенню оди­ничного позитивного заряду з точки 1 поля в точку 2  нази­вають різницею потенціалів між цими точками.

Можна зазначити, що різниця потенціалів і потенціал не залежать від форми шляху, а визначаються його крайніми точками.

Отже, випливають такі висновки:

1. Робота кулонівських сил електростатичного поля будь-якої системи за­рядів не залежить від форми шляху, а визначається його крайніми точками.

2.  Якщо крайні точки електростатичного поля збігаються (шлях замкнений),
то робота кулонівських сил завжди дорівнює нулю, тобто циркуляція вектора εк  напруженості електростатичного поля дорівнює нулю; силові лінії елек­тричного поля не можуть бути замкненими, бо тоді робота вздовж замкненого шляху не дорівнюватиме нулю, що суперечить попередньому висновку.

3. Якщо одиничний позитивний заряд рухатиметься у напрямку на-­
пруженості є_к  електростатичного поля або під гострим кутом до неї, то
для досить малої відстані між точками А і В матимемо:

Фізичний зміст одиниці питомої роботи в один вольт: 1В — це одиниця потенціалу, різниці потенціалів (або напруги), тобто роботи в 1 Джоуль по пе­реміщенню заряду в один кулон із заданої точки в нескінченість або з однієї в другу. Тисяча вольт — один кіловольт (1 кВ), одна тисячна вольта — один мілівольт (1 мВ).

5. Оперативний контроль

Викладач оперативно проводить опитування учнів з викладеного матеріалу:

1. розповісти закон Кулона;
2. що таке робота;

3)  що таке потенціал та напруга ?

6. Закріплення теми уроку

  Викладач дає завдання учням написати на дошці формули : закону Кулона, Кулонівської сили, роботи, потенціалу, напруги.

7. Систематизація та узагальнення знань

   Викладач викликає до дошки по одному учнів із завданням розповісти:

- про  властивості закону Кулона;

- про відношення роботи до заряду;

- про потенціал та напругу.

8. Пояснення домашнього завдання

Викладач

- підводить підсумки уроку коротким оглядом його змісту.

- проводить оцінювання знань учнів, які відповідали на уроці, оголошує оцінки.

На дошці викладач пише домашнє завдання

Сторінки 10 – 13 у підручнику «Електротехніка з основами промислової електроніки» , Автор  А.М. Гуржій та інші. Київ Форум 2002

План – конспект теоретичного уроку

 з предмета

“Електротехніка з основами промислової електроніки”

Тема уроку №3: Закон Кулона. Потенціал і робота.

                                                                            Склав викладач: Р.В. Лакуста