Решение задач по теме "Закон Кулона".

Физика 10 класс

Тема. Решение задач «Закон Кулона».

Цель урока: разъяснить физический смысл закона Кулона; указать границы применимости; научить решать задачи на применение формулы закона Кулона.

Задачи урока:

Образовательные: работая с материалом учебника, опорным конспектом и текстом презентации выяснить особенности проведения эксперимента Шарлем Кулоном; используя демонстрационный эксперимент понять, как ведут себя заряженные тела, и от чего зависит сила их взаимодействия; организовать совместную деятельность по определению основных способов решения задач по теме: «Закон Кулона». 

Развивающие: продолжить развитие познавательного интереса у обучающихся к предмету; высказывая свое мнение и решая задачи развивать у обучающихся умение говорить, анализировать, делать выводы.

Воспитательные: содействовать воспитанию у обучающихся уверенности в познаваемости окружающего мира; при обсуждении проблемы и решении задач воспитывать коммуникативную культуру школьников.

Тип урока: урок изучения и закрепления новых знаний.

План урока:

1. Оргмомент (2 минуты).

2. Актуализация знаний (10 минут).

3. Изучение нового материала (10 минут).

4. Закрепление знаний (15 минут).

5. Подведение итогов (2 минуты).

6. Домашнее задание (1 минута)

Ход урока:

1. Оргмомент.

2. Актуализация знаний.

Физический диктант. «Электризация тел. Закон сохранения электрического заряда»

1. Чем объясняется электризация тел при соприкосновении?

2. Какие опыты доказывают существование двух видов электрических зарядов?

3. Каков принцип действия электрометра?

4. Какие частицы являются носителями отрицательных и положительных зарядов?

5. Как формулируется закон сохранения электрического заряда?

6. Остается ли неизменной масса тела при его электризации?

7. Как называется раздел физики, изучающий заряженные тела?

8.Какое взаимодействие существует между заряженными телами, частицами?

9.Какая физическая величина определяет электромагнитное взаимодействие?

10. Зависит ли величина заряда от выбора системы отчета?

11.Можно ли сказать, что заряд системы складывается из зарядов тел, входящих в эту систему?

12.Как называется процесс, приводящий к появлению на телах электрических зарядов?

13.Если тело электрически нейтрально, означает ли это, что оно не содержит электрических зарядов?

14.Верно ли утверждение, что в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех тел системы остается постоянной?

15.Если в замкнутой системе число заряженных частиц уменьшилось, то означает ли это, что заряд всей системы тоже уменьшился?

III. Изучение нового материала.

Сообщение на тему: « Биография Ш. Кулона»

Французский физик Шарль Кулон родился в городе Ангулеме. После окончания средней школы он поступил на военную службу. В Париже прошел инженерную подготовку и был направлен на остров Мартинику для строительства укреплений.

В 1772 г. Кулон вернулся во Францию и был назначен инженером по крепостным и водным сооружениям. Одновременно со службой он проводил научные исследования. Вначале его привлекли проблемы трения, кручения и сопротивления материалов.

Его имя стало известно в научном мире в 1777 г., когда он опубликовал ряд работ, в которых представил результаты экспериментов по измерению кручения волос, шелковых и металлических нитей. За эти работы в 1781 г. Кулона избрали членом Парижской академии наук.

Пользуясь изобретенными им крутильными весами, Кулон детально исследовал взаимодействие одноименных и разноименных точечных электрических зарядов. Эти эксперименты привели к открытию в 1785 г. основного закона электростатики — закона Кулона. В своих опубликованных работах 1785—1789 гг. ученый показал, что электрические заряды всегда располагаются на поверхности проводника, ввел понятия магнитного момента и поляризации зарядов и т. д.

Экспериментальные работы Кулона имели большое значение для создания теории электромагнитных явлений.

Его именем названа единица количества электричества (Кулон).

Объяснение закона Кулона

В 1785 г. французским физиком Шарлем Кулоном экспериментально установлен закон взаимодействия точечных зарядов.

Точечными зарядами называют заряженные тела размеры которых много меньше расстояния между ними.

Опыты Кулона. Видео «Опыты Кулона»

Проведя большое количество опытов, Кулон установил, что в вакууме: F ~ |q₁|·| q₂| F ~ 1/R²

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Кулоновская сила подчиняется III закону Ньютона: силы взаимодействия между зарядами равны по модулю и направлены противоположно друг другу вдоль прямой, соединяющей эти заряды. 

Кулоновские силы F — центральные силы. 

Разноименные заряды притягиваются. Одноименные заряды отталкиваются. Единица заряда — кулон (1 Кл). Это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А.

Минимальный заряд, существующий в природе,— заряд электрона: q = - 1,6.10^-19 Кл.

Коэффициент пропорциональности k, выраженный из  закона Кулона:

Установлено, что если q₁ = q₂ = 1 Кл и R = 1 м, то в вакууме k = 9 * 10⁹  . 

Т. е. k показывает, что два точечных заряда по 1 Кл каждый на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме взаимодействуют с силой 9 * 10⁹ Н.

Диэлектрическая проницаемость среды ε 

Диэлектрическая постоянная  ε    характеризует электрические свойства среды. Для любой среды ε   1 и зависит от самой среды; 

показывает, во сколько раз сила взаимодействия точечных заряженных тел в вакууме больше их сил взаимодействия в среде при прочих равных условиях. 

Закон Кулона для среды: 

В системе СИ коэффициент k  выражают через электрическую постоянную ₀:

, следовательно , 

Закон Кулона для среды в СИ:

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

IV. Закрепление знаний.

Блиц – опрос:

1. Что определяет закон Кулона?

2. Как записывается закон Кулона для взаимодействия зарядов в вакууме?

3. Какая величина характеризует влияние среды на силу взаимодействия между зарядами?

4. Запишите закон Кулона для взаимодействия зарядов с учетом среды в системе СИ?

5. Чему равен коэффициент пропорциональности в законе Кулона?

6. Как изменится сила кулоновского взаимодействия двух точечных зарядов при увеличении каждого заряда в 3 раза, если расстояние между ними уменьшить в 2 раза?

7. Как изменится сила электростатического взаимодействия точечных электрических зарядов при перенесении их из среды с диэлектрической проницаемостью 7 в вакуум, если расстояние между зарядами останется неизменным?

8. Два одинаковых металлических шара заряжены равными по модулю, но разноименными зарядами. Шарики привели в соприкосновение и раздвинули на прежнее расстояние. Во сколько раз изменилась сила взаимодействия? (Если одноименно заряжены частицы, то не изменилась, а если разноименно – стала равной нулю.)

Выполнение заданий на листках по вариантам. 

Вставь пропущенные слова.

1 вариант

1). Если модуль первого точечного заряда увеличить в 3 раза, то сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов ____________ в ____ раза.

2). Если модуль второго точечного заряда уменьшить в 5 раз, то сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов ____________ в ____ раз

3). Если расстояние между двумя точечными электрическими зарядами увеличить в 2 раза, то сила взаимодействия между ними _____________ в ____ раза.

4). Чтобы сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами увеличилась в 9 раз, нужно расстояние между зарядами ___________ в _____ раз.

5). Если модуль первого точечного заряда увеличить в 4 раза, а расстояние между двумя точечными электрическими зарядами уменьшить в 2 раза, то сила взаимодействия между ними _____________ в ____ раза.

2 вариант

1). Если модуль первого точечного заряда уменьшить в 5 раз, то сила

взаимодействия двух точечных электрических зарядов ____________ в ____ раз.

2). Если модуль второго точечного заряда увеличить в 4 раза, то сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов ____________ в ____ раза.

3). Если расстояние между двумя точечными электрическими зарядами уменьшить в 3 раза, то сила взаимодействия между ними _____________ в ____ раз.

4). Чтобы сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами увеличилась в 16 раз, нужно расстояние между зарядами ___________ в _____ раз.

5). Если модуль второго точечного заряда уменьшить в 3 раза, а расстояние между двумя точечными электрическими зарядами увеличить в 3 раза, то сила взаимодействия между ними _____________ в ____ раз.

Проверка правильности выполнения заданий.

Учащиеся обмениваются работами. Задания с ответами проецируются на доску 

Решение задач.

Задача 1. Два заряда +1.66 10^-9 Кл и +3,33 10^-9 Кл находятся на расстоянии 20 см друг от друга. Где надо поместить третий заряд, чтобы он оказался в равновесии?

Дано: q₁ = 1.66 10^-9 Кл, q₂ = 3,33 10^-9 Кл,  r = 0,42 м,    = 1.

Найти: r₁

Решение. Точка, где надо поместить третий заряд q (положительный или отрицательный) лежит на линии, соединяющей эти заряды. Допустим,  q - положительный заряд. На него действуют кулоновские силы F₁и F₂ (рис. 1) со стороны зарядов q₁ и q₂. Заряд q находится в равновесии, значит  .

Значит в проекциях на ось X: F₁ – F₂ = 0 или F₁ = F₂. Учитывая, что

Получим

=  откуда  r₁ = 0,08 м

Задача 2. С какой силой взаимодействуют в вакууме два одинаковых шарика, заряды, которых q₁ = 2·10 ^-9 Кл и q₂= 4·10^-8Кл, на расстоянии 2 см?

Решение: силу взаимодействия определяют по закону Кулона:

F=1,8 ·10^-3Н

Задача 3. Изменится ли сила взаимодействия между заряженными шариками (см. задачу 2), если их предварительно сблизить до соприкосновения, а затем развести на тоже расстояние (2 см)?

Задача 4. На каком расстоянии сила взаимодействия двух точечных зарядов по 1 Кл равна 1Н?

V. Итог урока.

На уроке я работал активно / пассивно. Своей работой на уроке я доволен / не доволен. Урок для меня показался коротким / длинным. За урок я не устал / устал. Мое настроение стало лучше / стало хуже. Материал урока мне был понятен / не понятен, полезен / бесполезен, интересен / скучен

Выставление отметок

VI. Домашнее задание. ______________________________________________________________

Дополнительные задачи.

№1. Определите силу взаимодействия 2 одинаковых точечных зарядов по 1 мкКл, находящихся на расстоянии 30 см друг от друга.

№2. Сила взаимодействия двух одинаковых точечных зарядов, находящихся на расстоянии 0,5 м, равна 3,6 Н найдите величины этих зарядов.

№ 3. На каком расстоянии нужно расположить два заряда 5•10 ^-9 Кл и 6•10 ^-9 Кл, чтобы они отталкивались друг от друга с силой 12•10^-5 Н.?