Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Силовые линии. Принцип суперпозиций полей.

Физика 10 класс

Тема: «Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Силовые линии. Принцип суперпозиций полей.»

Цель урока: познакомить учащихся с историей борьбы концепций близкодействия и действия на расстоянии; с недостатками теорий, ввести понятие напряженности электрического поля, формировать умение изображать электрические поля графическим способом; пользоваться принципом суперпозиции для расчета полей системы заряженных тел.

Ход урока

Проверка домашнего задания методом выполнения самостоятельной работы

Вариант 1

1. Можно ли создать или уничтожить электрический заряд? Почему? Поясните суть закона
сохранения электрического заряда.

2. В воздухе расположены два тела, у которых равные отрицательные электрические заряды, тела отталкиваются друг от друга с силой 0,9 Н. Расстояние между зарядами 8 см. Вычислить массу избыточных электронов в каждом теле, а также их количество.

Решение. m = m₀ N = 9,1·10^-31·5·10¹²= 4,5·10^-19 (кг); N = √Fr²/ke; N= 5·10¹² (электронов)

Вариант 2

1. Почему при трении разнородные тела электризуются, а однородные не электризуются?

2. Три проводящих шарика, привели в соприкосновение, на первом шарике заряд 1,8·10^-8Кл, второй — имел заряд — 0,3·10^-8 Кл, третий шарик не имел заряда. Как распределился заряд между шариками? С какой силой будут взаимодействовать в вакууме два из них на расстоянии 5см один от другого?

Решение. q₁+q₂+q₃= 3q; q = (q₁+q₂+q₃)/3q = 0,5·10^-8(Кл)

F= kq²/r²; F= 9·10^-5 (H)

Изучение нового материала

Напомним, что не так давно мы познакомились с понятием электрического поля. Электрическое поле — это особая форма материи, которая создается покоящимися электрическими зарядами и оказывает воздействие на другие заряды.

Для того, чтобы каким-то образом описать электрическое поле, необходимо ввести количественную характеристику, которая называется напряженностью электрического поля. Рассмотрим электрическое поле, создаваемое зарядом q₁. Мы можем помещать в разные точки этого поля заряд q₂ и измерять силу, с которой поле заряда q₁ действует на заряд q₂.

Исходя из закона Кулона:

Таким образом, отношение силы, действующей на заряд со стороны поля, к величине этого заряда не зависит от самого заряда:

Поэтому, можно считать это отношение характеристикой поля. Итак, напряженность электрического поля — это отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля заряд, к величине этого заряда:

Как видно из формулы, единицей измерения напряженности поля является ньютон на кулон:

Напряженность электрического поля, как и сила, является векторной величиной.

Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы, действующей на положительный заряд, помещенный в данное поле.

Исходя из всего выше сказанного, мы можем найти напряженность электрического поля, созданного точечным зарядом:

Как видно из формулы, напряженность поля в данной точке прямо пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядом и данной точкой поля.

Рассмотрим простой пример, когда точечный положительный заряд создает электростатическое поле.

Модуль напряженности данного поля вычисляется по формуле, которую мы только что рассматривали. То есть напряженность будет убывать пропорционально квадрату расстояния между зарядом и данной точкой поля. Таким образом, во множестве точек, равноудаленных от заряда будет наблюдаться одинаковая напряженность. Как вы знаете, множество точек равноудаленных от центра — это есть ни что иное, как сфера.

Теперь, внесем в данное поле так называемый пробный заряд. Пробным зарядом называется точечный положительный заряд.

Как вы знаете, в данном случае возникнет кулоновская сила отталкивания:

Исходя из этого, мы можем определить направление вектора напряженности. Таким образом, мы можем заключить, что вектор напряженности будет направлен вдоль прямой, соединяющей заряд и данную точку поля.

Теперь внесем пробный заряд в поле, создаваемое отрицательным зарядом. В этом случае между отрицательным зарядом и пробным зарядом возникнет кулоновская сила притяжения. Поскольку напряженность сонаправлена с силой Кулона, мы можем заключить, что напряженность поля, создаваемого отрицательным зарядом, будет направлена не от заряда, а к заряду.

Возникает резонный вопрос: как охарактеризовать поле, если оно создается не одним, а несколькими зарядами? В этом случае, нам снова нужно воспользоваться пробным зарядом и рассмотреть, силы, действующие на него:

Итак, на рисунке пробный заряд обозначен за q₀. На него будут действовать кулоновские силы притяжения со стороны зарядов q₁ и q₃ (поскольку они отрицательные) и кулоновская сила отталкивания со стороны заряда q₂ (поскольку он положительный). Как вы знаете, результирующая сила равна векторной сумме всех сил, действующих на данное тело:

Если теперь мы разделим это уравнение на величину пробного заряда, то получим, что напряженность поля в данной точке равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых зарядами:

Этот метод называется принципом суперпозиции полей, который гласит следующее: если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля, с определенными напряженностями, то результирующая напряженность поля в этой точке будет равна векторной сумме напряженностей этих полей.

Закрепление изученного материала

Самостоятельная работа с книгой.

1. Прочитайте в учебнике определение силовых линий электрического поля.

2. Рассмотрите внимательно рисунки 295 – 296, где приведены примеры линий напряженности различных заряженных тел и систем тел.

3. Ответьте на вопросы.

А) Каким образом отображается на рисунках модуль вектора напряженности? По какому внешнему признаку можно отличить поле с интенсивным действием?

Б) Где начинаются и где заканчиваются линии напряженности электрического поля?

В) Существуют ли обрывы в линиях напряженности?

Г) Как расположены линии электрического поля относительно поверхности заряженного тела?

Д) В каком случае электрическое поле можно считать однородным?

Е) Сравните картину силовых линий точечного заряда и равномерно заряженного шара.

Ж) Выясните, с помощью какой формулы и в каких допустимых пределах можно рассчитать напряженность поля проводящего шара.

Пример решения задачи.

Задача. Два равных по модулю заряда находятся в вершинах равностороннего треугольника, сторона которого равна 2 м. Найдите модуль и направление напряженности в третьей вершине треугольника, если модуль заряда равен 150 нКл.

Подведем итоги урока

• На уроке я работал…….., потому что………

• Своей работой на уроке я………

• Урок для меня показался…….

• За урок я…..

• Мое настроение……..

Домашнее задание: §89 – 91.

Решить задачи на применение принципа суперпозиции полей

1. (ЕГЭ 2008 г.) А19. На рисунке изображены линии напряженности электрического поля в некотором месте пространства. В какой из точек напряженность максимальна по модулю?

1. (ЕГЭ 2010 г.) А17. Какое направление в точке О имеет вектор напряженности электрического поля, созданного двумя одноименными зарядами?

2. 

3. (ЕГЭ 2007 г.) А19. Определите напряженность поля в центре квадрата, в углах которого находятся заряды: (+q), (+q), (—q), (—q)?