Краткие конспекты по теме "Электродинамика (начало)"
план-конспект урока по физике (10 класс) по теме

Автор: Борисова Екатерина Сергеевна, преподаватель физики, информатики

Место работы: ГООУ СПО «Мурманский строительный колледж им. Н.Е.Момота», г.Мурманск

Конспекты уроков по теме «Силы электромагнитного воздействия неподвижных зарядов»

Урок 1/93

Электрический заряд. Квантование заряда.

Цель: дать понятие об электронном заряде, как об особом свойстве тел и частиц материи и о квантовании заряда.

Ход урока.

1. Организационный момент
2. Домашнее задание
3. Объяснение нового материала
4. Закрепление
5. Итог урока

Сегодня мы начинаем изучать новый раздел физики – электродинамику. Электродинамика – наука о свойствах и закономерностях поведения электромагнитного поля. 

Посмотрим внимательно на слово «электродинамика». Динамика означает движение, электро – значит, речь пойдет об электрических явлениях.

Вспомним, что слово «электричество» произошло от греческого слова elektron – янтарь. Дело в том, что греческий философ Фалес Милетский, живший в 640 – 550 вв. до н. э., открыл, что янтарь, потертый о мех, приобретает свойство притягивать к себе мелкие предметы – пушинки, соломинки. Чтобы объяснить это явление, необходимо вспомнить такое понятие, как электрический заряд.

Электрический заряд – физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц, является источником энергии электромагнитного поля.

Существует два типа электрически зарядов:

- положительные - +g

- отрицательные - - g

Положительными называются заряды, возникающие на стекле, потертом о шелк. Отрицательными – заряды, возникающие на эбонитовой палочке, потертой о мех. Определить, заряжено ли тело или нет, можно с помощью физического прибора – электрометра (опыт: 46/1).

В се окружающие нас тела состоят из атомов и молекул.

Атом – это нейтральная частица, он состоит из ядра и электронов; число электронов равно числу протонов в ядре.

Давайте рассмотрим простейшую модель атома – атома водорода.

Носителем отрицательного заряда в атомах являются электроны.

Электрон – это элементарная частица с отрицательным зарядом.

Носителями положительного заряда в атоме являются протоны, входящие в состав ядер атомов. И электрон, и протон относятся к элементарным частицам. Заряд протона равен заряду электрона, но с противоположным знаком.

Атом

        атомное ядро        атомная оболочка

                   протоны        нейтроны        электрон

gp = +1,6 * 10 -19 Кл        gn = 0        ge= -1,6 * 10 -19 Кл

m0 = 1836 me        m0 = 1839 me        me= 9, 11 * 10 -31 кг

Заряды всегда взаимодействуют между собой. Вспомним, что одноименные заряды всегда отталкиваются друг от друга, а разноименные – всегда притягиваются:

Электрический заряд не существует сам по себе. Тело всегда обладает массой, но заряд тела может быть равен нулю. Если заряд тела положительный, то говорят, что в теле не хватает электронов. А если  заряд тела отрицательный – это избыток электронов.

Таким образом, электрический заряд элементарных частиц – это особая характеристика частицы – количественная мера ее электромагнитного взаимодействия с другими частями. Мы с вами уже знаем четыре типа фундаментальных взаимодействий:

1. гравитационное
2. слабое
3. электромагнитное
4. сильное (ядерное)

Мы будем рассматривать электромагнитные взаимодействия.

Урок 2/94

Электризация тел. Закон сохранения заряда.

Цель: углубление понятия об электризации тел; сформировать представление о законе сохранения электрического заряда.

Ход урока.

1. Организационный момент
2. Домашнее задание
3. Опрос
4. Изучение нового материала
5. Итог урока

- Что изучает электродинамика?

- Что такое электрический заряд?

- Какие два вида зарядов существуют?

- Как они взаимодействуют между собой?

- Что называют атомом?

 - Из чего он состоит?

На прошлом уроке мы начали изучение нового раздела физики – электродинамики.

К созданию электродинамики привела длинная цепь планомерных исследований и случайных открытий, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы и заканчивая гипотезой Максвелла, о прохождении магнитного поля переменным электрическим током.

Сегодня мы начнем изучение основных законов электромагнитного взаимодействий.

С 8 класса мы знаем, что тело, которое после натирания притягивает к себе другие тела, считают наэлектризованным или, что ему сообщили электрический заряд.

Электризация – это сообщение телу электрического заряда.

Существуют два способа электризации тел:

1. Трение.

Если провести расческой несколько раз по сухим волосам, то небольшая часть электронов – самых подвижных заряженных частиц – перейдет с волос на расческу и зарядит ее отрицательностью. Волосы при этом зарядятся положительно. При электризации трением, оба тела приобретают противоположные по знаку, но одинаковые по модулю заряды (опыт).

2. Передача электрического заряда от заряженного тела к незаряженному. (опыт).

Определенная часть электронов переходит с одного тела на другое. Так как электрические заряды существуют не сами по себе, а связаны с частицами, то можно сделать вывод: при электризации тел, число заряженных частиц не меняется, а происходит лишь их перераспределение в пространстве, а значит суммарный их заряд остается неизменным.

Все тела обладают массой и поэтому притягиваются друг к другу. Заряженные же тела могут, как притягивать, так и отталкивать друг друга (опыт с султанами или гильзами).

Если элементарная частица имеет заряд, то его значение, как показали многочисленные опыты, строго определено.

В 8 классе вы ознакомительно проследили за опытом Милликена и Иоффе. В своих опытах они электризовали мелкие пылинки цинка. Заряд пылинок меняли несколько раз и вычисляли его. Так поступали несколько раз. При этом заряд оказывался каждый раз другим. Идея  этого опыта основывается на простом факте: так же, как и стеклянная палочка, потертая мехом, приобретает электрические свойства, так ведут себя и другие тела. Капельки масла, которые впрыскивались в камеру, будут электризоваться, ведь, проходя через горлышко распылителя, масло будет подвергаться трению (диафильм).

Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.

Тело электрически заряжено в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда.

Отрицательный заряд обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный – недостатком.

Наличием заряда определяют с помощью электроскопа, но определить величину заряда  с помощью электроскопа нельзя. Для этого есть электрометр.

С помощью электрометра можно доказать, что при электризации трением оба тела приобретают противоположные по знаку, но одинаковые по модулю заряды.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной

q1+q2+q3+…= const

Во всех случаях, заряженные частицы рождаются только парами с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами. Исчезают заряженные частицы, превращаясь в нейтральные, тоже только парами. Во всех случаях сумма зарядов изолированной системы остается одной и той же.

Урок 3/95

Закон Кулона.

Цель: разъяснить физический смысл закона Кулона, указать границы применимости.

Ход урока.

1. Организационный момент
2. Домашнее задание
3. Опрос
4. Объяснение нового материала
5. Закрепление
6. Итог урока

- Что такое электрический заряд?

- Что называют электризацией?

- Когда  считают тело электрически заряженным?

- О чем говорит закон сохранения электрического заряда?

На прошлом уроке мы с вами увидели, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом. Тела, заряженные одинаковым по знаку зарядом, - отталкиваются, а если разными по знаку зарядами – притягиваются.

Взаимодействие зарядов происходит посредством электростатического поля. И наша цель – это обнаружить, как взаимодействуют эти заряды, то есть найти количественную формулу, определяющую силу взаимодействия зарядов. Заранее скажем, что заряды мы будем брать точечные.

Точечный заряд – это тело, размерами которого можно пренебречь, по сравнению с расстоянием, на котором осуществляется взаимодействие его с другими заряженными телами.

Значит, для себя отметим, что расстояние r много больше размеров самого заряда. Это нам позволит обеспечить задачи решение задачи.

Раздел электродинамики, посвященный изучению покоящихся электрических зарядов, называют электростатикой.

Основной закон электростатики – это закон взаимодействия точечных электрических зарядов, который был установлен экспериментально французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 году.

К упругой проволоке крутильных весов прикрепили стеклянный стержень с металлическим шариком на одном конце и противовесом на другом. Еще один металлический шарик неподвижно закреплен в корпусе весов.

При сообщении шарикам одноименных зарядов, один имеет величину g1, а другой - g2,  они будут отталкиваться друг от друга, при этом стеклянный стержень отклонится на некоторый угол. Прикрепив стрелку к стержню можно определить угол отклонения. Шкала на поверхности сосуда отградирована, то есть каждому углу соответствует определенная сила взаимодействия.

Оказалось, что сила взаимодействия пропорциональна величинам этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Сила взаимодействия - ~ (*)

 - модуль зарядов, r2 – расстояние между зарядами.

Обратите внимание на то, что мы уже можем измерять отношение зарядов, но их природу мы еще не знаем.

Пока у нас не будет количественной формулы, связывающей заряды с силой, определить единицу заряда мы не в состоянии.

Итак, мы имеем закон Клона в экспериментальном виде. Чтобы из формулы (*) получить аналитическое выражение, мы должны умножить полученное выражение на коэффициент пропорциональности k.

Сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов прямо пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эта формула отражает зависимость силы воздействия двух зарядов от величины этих зарядов и расстояния между ними.

Силу мы определим, когда изучим законы Ньютона, r – расстояние [м]

Здесь мы имеем пока две неопределенные величины: k и q.

Все дело в том, что в системе СИ, единицу заряда устанавливают с помощью единицы тока. За единицу заряда принимается 1 Кл.

Один кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.

[q] = [Кл]

1 Кл = 1 А * с

Физический смысл k:

Из закона Кулона:

                                                то есть  

k не может принимать произвольное значение, он определен экспериментально:

Е0 = 8, 85 * 10-12  - электрическая постоянная.

Соответственно этому, расчеты показывают, что k = 9 * 109 

Условия для выполнения закона Кулона:

1. Должны быть точечные заряды
2. Заряженные тела должны быть неподвижными.

Урок 4/96.

Решение задач.

Цель: научить учащихся решать задачи на применение закона Кулона в случаях ,когда на заряженные тела, действуют силы, направленные вдоль одной прямой и под углом друг к другу.

Ход урока.

1. Организационный момент
2. Домашнее задание
3. Опрос
4. Решение задач
5. Итог урока

- Чему равен заряд электрона?

- Что называют точечным зарядом?

- О чем говорит закон Кулона?

- Формула закона Кулона?

- Единица заряда?

Задача 1.

Два одинаковых точечных заряда g взаимодействуют в вакууме с силой 0,1 Н. Расстояние между зарядами 6 м. Найти величины зарядов.

q - ?        Решение        Вычисление

F = 0,1 Н

r = 6 м        

k = 9 * 109

        Согласно закону Кулона:

Ответ: величина зарядов 2 * 10-5 Кл

Задача 2.

Два точечных заряда на расстоянии q находятся на расстоянии r друг от друга. Если расстояние между ними уменьшить на 50 см, то сила взаимодействия увеличивается в два раза. Найти расстояние r между зарядами.

R - ?        Решение        Вычисление

x = 50 см        

        Напишем закон Кулона для двух величин:

        По условию , а из формул

        , тогда

        r - x

        -1) = + x

        Ответ: расстояние равно 1, 75 м

№ 687 (Р)

F - ?             СИ        Решение        Вычисление

q1 = q2 = q = 10 нКл        10*10-9Кл                

r = 3 см        0,03 м        

        = 100*10-5Н = 102*10-5Н=

k = 9*109        = 10-3Н = 1 мН

        Ответ: сила взаимодействия между зарядами 1 мН

        № 679 (Р)

r - ?        СИ        Решение        Вычисление

q1 = 1 мкКл        10-6Кл        

q2 = 10 нКл        10-8Кл

F =  9 мН        9*10-3Н

K = 9*109

        Ответ: расстояние между зарядами 0, 1 м.

№ 680

                  Решение

q1

q2= 4 q1

F1 = F2

Ответ: 2 раза

Урок 5/97

Напряженность электрического поля.

Цель: раскрыть материальный характер электрического поля, дать понятие напряженности электрического поля, исходя из ее общего определения, научить учащихся применять формулу  в решение несложных задач на расчет напряженности. Величины пробного заряда и силы.

Ход урока.

1. Организационный момент
2. Домашнее задание
3. Изложение нового материала
4. Проверка домашнего задания
5. Итог урока

Если мы рассмотрим рисунок:

И зададим вопрос: «Что действует на заряд В? », то Кулон ряд других ученых однозначно отвечали: «Заряд А».

Однако, дальнейшее развитие науки показало, что взаимодействие зарядов носит сложный характер. Заряды воздействуют друг с другом посредством полей. Так, взаимодействие зарядов А и В происходит следующим образом. Вокруг заряда А существует электрическое поле, простирающееся на больший объем пространства, чем занимает сам заряд. Заряд В оказывается расположенным в этом электрическом поле, и оно действует на него силой Аналогично вокруг заряда В существует поле, которое действует на заряд А силой

Электрическое поле – особый вид материи. Вокруг наэлектризованного тела существует какой-то материальный передатчик взаимодействия – это поле. Какими же свойствами обладает электрическое поле?

Свойства электрического поля:

1. Порождается электрическими зарядами
2. Действует на электрический заряд с силой
3. Способно совершать работу по перемещению заряда, то есть поле обладает энергией
4. Обладает свойством суперпозиций
5. Электрическое поле точечного заряда убывает обратно пропорционально r2 (~
6. Распространяется со скоростью  с = 300 000 км/с (с – скорость распространения электромагнитных  взаимодействий).

Для характеристики полей вводится соответствующие физические величины, отличные от характеристик вещества. Для электрического поля важнейшей характеристикой является напряженность.

Поместим в поле, созданное зарядом q1, некоторый пробный заряд q’, который будет испытывать действие со стороны заряда q1.

        Обозначим положение заряда q’ буквой А. Сила воздействия этих двух точечных зарядов равна:

Если мы уберем заряд q’ и поместим на его место другой заряд q’’, то сила взаимодействия будет равна:

Не трудно заметить, что отношения  и это отношение есть величина постоянная для данной точки поля:

Значит, выражение  может являться характеристикой электрического поля в данной точке. Это отношение обозначается через букву E и называется напряженностью электрического поля:

Напряженностью электрического поля  равна отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд к этому заряду. Это силовая характеристика электрического поля.

В системе СИ единицей напряженности является:

Силу, действующую на точечный заряд q, можно определить из формулы:

Направление вектора направленности  совпадает с направлением силы , действующей на положительный заряд. Если мы имеем положительный заряд q1 > 0, то в точке А создана напряженность поля , которая будет направлена от заряда.

Если же поле создано отрицательным зарядом q2 < 0, то в точке А направления поля будет к заряду.

        Напряженность поля не зависит от заряда вносимого в данную точку поля, она зависит только от поля и от положения пробного заряда в этом поле.

Пробный заряд – это точечный положительный заряд, который настолько мал, что своим полем не вызывает перераспределения заряда на теле, поле которого исследуется (пух, бусинка, ватка).

Напряженность поля точечного заряда может быть рассчитана по формуле:

№ 696 (Р)

E - ?        СИ        Решение        Вычисление

q = 2 нКл        2*10-9Кл                

F = 0,4 мкН        0,4*10-6Н

        Ответ:

№ 697 (Р)

F -?        СИ        Решение        Вычисление

        F = 2*103*12*10-9= 24*10-6Н

q = 12 нКл        12*10-9Кл        

E = 2        2*103        

        Ответ:

Урок 6/98

Лини напряженности электростатического поля.

Цель: ознакомить учащихся со знаковыми моделями электрических полей и научить пользоваться этими моделями для характеристики электрических полей.

Ход урока.

1. Организационный момент
2. Домашнее задание
3. Опрос
4. Изучение нового материала
5. Итог урока

- Свойства электрического поля

- Чему равна напряженность электрического поля?

- Единицы измерения Е?

- От чего зависит и не зависит Е?

- По какой формуле рассчитывается напряженность?

Для графического изображения электрического поля можно было бы из каждой точки поля провести стрелку, указывающую величину и направление напряженности электрического поля в этой точке. Однако такой способ изображения поля крайне неудобен, так как отдельный стрелки, накладываясь друг на друга, создали бы весьма запутанную картину.

Английский ученый Фарадей разработал более удобный способ изображения полей. Фарадей предложил изображать поле линиями, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором направленности поля в то же точке. Такие линии называются силовыми линиями поля, или линиями напряженности.

С помощью силовых линий поле точечного положительного заряда и точечного отрицательного заряда можно изобразить следующим образом.

        Силовые линии этих полей представляют прямые линии. Так как электрическое поле существует во всех точках пространства, то через любую точку можно провести силовую линию.

Силовые линии нигде не пересекаются, они могут только сходиться к заряду или расходится от него.

А теперь изобразим электрические поля, с помощью силовых линий между двумя одинаковыми разноименно и одноименно заряженными телами:

В физической науке модельные представления (силовые линии) полей имели и имеют важное значение. Они позволили характеризовать электрические поля и вывести целый ряд закономерностей. Использование силовых линий позволяет успешно решать методическую задачу по формированию понятия поля.

А какими же свойствами обладают линии напряженности?

Свойства линий напряженности:

1. Начинаются с положительного заряда и заканчиваются на отрицательном заряде;
2. Не обрываются, то есть, непрерывны и не пересекаются;
3. Густота силовых линий больше вблизи заряда;
4. Оканчиваются или начинаются на заряженных телах, а затем расходятся в разные стороны.

До этого момента мы рассматривали графические изображения неоднородных полей. Теперь давайте рассмотрим силовые линии однородного поля.

Электрическое поле, напряженность которого одинакова во всех точечках пространства, называется однородным.

Силовые  линии данного поля представляют собой параллельные прямые, густота которых всюду одна и та же. 

Метод описания полей с помощью силовых линий хорош тем, что мы можем более сильное поле показать более густо расположенными линиями.

Литература:

1. Методика преподавания физики в 8-10 классах средней школы. Ч. 2/ В.П. Орехов, А.В. Усова, С.Е. Каменецкий и др. – М.: Просвещение, 1980 г.
2. Методика преподавания физики в средней школе. Молекулярная физика. Электродинамика. Пособие для учителя/ Шамаш С.Я., Эвенчик Э.Е., Орлов В.А.  – М.: Просвещение, 1987 г.
3. Уроки физики в 9 классе/ С.Л. Вольштейн, А.М. Качинский, М.М. Круглей., М.С. Кузей – Мн.: Народная асвета, 1977 г.