Открытый урок по физике на тему «Электрический заряд. Электризация. Закон Кулона»

ГККП «Высший аграрно-технический колледж» УОАЗКО

Отрытый урок

по дисциплине “Физика”

группаТЖ-114.1

специальности 1516000 «Пожарная безопасность»

Тема урока: «Электрический заряд. Электризация. Закон Кулона»

Уральск – 2018

Подготовила: преподаватель математики и физика К.Г.Казмагамбетова.

Тема урока: Электрический заряд. Электризация. Закон Кулона.

Цель  урока:  

1. Сформировать знания учащихся о точечном заряде, о силе взаимодействия между зарядами, разъяснить физический смысл закона Кулона, указать границы его применения, научить решать качественные задачи на применение закона Кулона.

2. Развивать у учащихся умения наблюдать, анализировать, обобщать, сравнивать познавательные объекты, делать выводы, осуществлять самоконтроль, самооценку и самокоррекцию учебной деятельности.

3. Воспитывать у учащихся ответственность, трудолюбие, помочь им осознать ценность совместной деятельности.

(слайд 2)

Тип урока: урок формирования практических умений и навыков, закрепления и обобщения пройденного материала, учета и контроля знаний.

Ресурс: ПК, мультимедийный проектор, интерактивная доска, раздаточный материал, электронного учебника 10 класса по «Физика».

Мультимедийные компоненты: «Презентация  MS  PowerPoint»  для проведения урока

Ход урока

ХОД УРОКА

1. Организационный момент (5 минут)

Вопросы:

• Какие типы взаимодействий существуют в природе?

• Что изучает электростатика?

• Что такое электрического заряд?

• Как можно получить заряженное тело?

• Какие заряды перемещаются при электризации?

• Какой заряд считается элементарным? (слайд 3)

1. Актуализация познавательной деятельности.

Сегодня на уроке мы с вами познакомимся с основным законом электростатики – законом Кулона.

Запишите в тетрадь тему урока «Электрический заряд. Электризация. Закон Кулона». (слайд 1)

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая способность частиц или тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. В системе СИ электрический заряд измеряется в Кулонах (Кл). Свободный заряд в 1 Кл – это гигантская величина заряда, практически не встречающаяся в природе. Как правило, Вам придется иметь дело с микрокулонами (1 мкКл = 10^–6 Кл), нанокулонами (1 нКл = 10^–9 Кл) и пикокулонами (1 пКл = 10^–12 Кл).  (слайд 4)

Электрический заряд обладает следующими свойствами:

1. Электрический заряд является видом материи.

2. Электрический заряд не зависит от движения частицы и от ее скорости.

3. Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

4. Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

5. Все заряды взаимодействуют друг с другом. При этом одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Силы взаимодействия зарядов являются центральными, то есть лежат на прямой, соединяющей центры зарядов.

6. Существует минимально возможный (по модулю) электрический заряд, называемый элементарным зарядом. Его значение:

e = 1,602177·10^–19 Кл ≈ 1,6·10^–19 Кл.

Электрический заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду:

где: N – целое число. Обратите внимание, невозможно существование заряда, равного 0,5е; 1,7е; 22,7е и так далее. Физические величины, которые могут принимать только дискретный (не непрерывный) ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.

7. Закон сохранения электрического заряда. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

(слайд 5)

III. Формирование новых знаний

   Закон Кулона – один важнейших опытных законов, используемых при получении основных уравнений электродинамики.

    Задача, стоявшая перед Кулоном, - исследование взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов.

 Ну, а пока давайте познакомимся, кто же такой Кулон.

Историческая справка (слайд 6-7)

ЦОР -  видеофрагмент фильма «Шарль Кулон»

Кулон Шарль Огюстен (14.6.1736— 23.8.1806), французский физик, член Парижской АН (1781). После окончания средней школы в течение 9 лет работал на острове Мартиника в инженерных войсках. По возвращении (1772) во Францию занимался научными исследованиями. Ему принадлежат работы по технической механике (статика сооружений, теория ветряных мельниц и т. д.). Исследовал кручение волос, шёлковых (1777) и металлических (1784) нитей и сформулировал законы кручения; изобрёл крутильные весы, которые в дальнейшем применил для измерения электрических и магнитных сил взаимодействия. В 1781 описал опыты по трению скольжения и качения и сформулировал законы сухого трения. В 1785—89 опубликовал семь мемуаров, где дан закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов (Кулона закон), показано, что электрические заряды всегда располагаются на поверхности проводника, введены понятия магнитного момента и поляризации зарядов и т. д. Экспериментальные работы Кулона имели важное значение для создания теории электромагнитных явлений. Именем Кулона названа единица количества электричества (кулон).

ЦОР -  видеофрагмент фильма «Закон Кулона»

В природе точечных заряженных тел не существует, но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то, ни форма, ни размеры заряженных тел существенно не влияют на взаимодействия между ними. В таком случае эти тела можно рассматривать как точечные.

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от  свойств среды между заряженными телами.

Но воздух очень мало влияет на силу взаимодействия заряженных тел, она оказывается почти такой же, как в вакууме. Открытие закона взаимодействия электрических зарядов было облегчено тем, что эти силы оказались велики. С помощью крутильных весов удалось установить, как взаимодействуют друг с другом неподвижные заряженные тела.

Крутильные весы - чувствительный физический прибор для измерения малых сил (малых моментов сил).

Крутильные весы были изобретены Ш. Кулоном в 1784. Простейшая  конструкция состоит из вертикальной нити, на которой подвешен лёгкий уравновешенный рычаг.

Измеряемые силы действуют на концы рычага и поворачивают его в горизонтальной плоскости до тех пор, пока не окажутся уравновешенными силами упругости закрученной нити. По углу поворота рычага можно судить о величине крутящего момента  действующих сил. Шкалу отсчёта крутильных весов  обычно градуируют непосредственно в единицах силы или момента силы. Высокая чувствительность весов достигается применением достаточно длинной нити с малым значением модуля сдвига.

Крутильные весы применяют для измерения механических, электрических, магнитных и гравитационных сил и их вариаций.

Кулон исследовал зависимость силы взаимодействия F от заряда q₁ одного из шариков коромысла весов и заряда q₂ неподвижно закреплённого шарика, находящихся на расстоянии r.  Радиусы шариков r₁ и r₂ гораздо меньше r.

Измерять силу и расстояние во времена Кулона уже умели. Сложности были с измерением заряда. Но Кулон нашёл простой способ изменения заряда одного из шариков в 2, 4, и более раз, соединяя его с таким, же незаряженными шариком. Новое значение силы взаимодействия при новом заряде определялось экспериментально.

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

Закон Кулона (слайд 8)

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных точечных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

где: ε – диэлектрическая проницаемость среды – безразмерная физическая величина, показывающая, во сколько раз сила электростатического взаимодействия в данной среде будет меньше, чем в вакууме (то есть во сколько раз среда ослабляет взаимодействие). Здесь k – коэффициент в законе Кулона, величина, определяющая численное значение силы взаимодействия зарядов. В системе СИ его значение принимается равным:

k = 9∙10⁹ м/Ф.

Силы взаимодействия точечных неподвижных зарядов подчиняются третьему закону Ньютона, и являются силами отталкивания друг от друга при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения друг к другу при разных знаках. Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел, равномерно заряженных сфер и шаров. В этом случае за расстояния r берут расстояние между центрами сфер или шаров. На практике закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними. Коэффициент k в системе СИ иногда записывают в виде:

где: ε₀ = 8,85∙10^–12 Ф/м – электрическая постоянная.

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции: 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.

Запомните также два важных определения:

Проводники – вещества, содержащие свободные носители электрического заряда. Внутри проводника возможно свободное движение электронов – носителей заряда (по проводникам может протекать электрический ток). К проводникам относятся металлы, растворы и расплавы электролитов, ионизированные газы, плазма.

Диэлектрики (изоляторы) – вещества, в которых нет свободных носителей заряда. Свободное движение электронов внутри диэлектриков невозможно (по ним не может протекать электрический ток). Именно диэлектрики обладают некоторой не равной единице диэлектрической проницаемостью ε.

Для диэлектрической проницаемости вещества верно следующее (о том, что такое электрическое поле чуть ниже):

Границы применимости: (слайд 14)

1.      Заряженные тела должны быть точечными. Если же размеры и расстояния соизмеримы, то закон Кулона неприменим. В этом случае необходимо мысленно «разбить» на такие малые объёмы, чтобы каждый из них отвечал условия точечности. Суммирование сил, действующих между элементарными объёмами заряженных тел, даёт возможность определить электрическую силу.

2.      Заряженные тела должны быть неподвижными.

Так как при движении заряженных тел проявляется действие магнитного поля, возникшего в результате этого движения.

А сейчас я предлагаю вам отгадать кроссворд. (слайд 15)

1. Как называется явление разделение электрического заряда? (электризация)

2. С помощью какого математического действия выражен закон сохранения электрического заряда? (сумма, q₁+q₂+…..+q_n=const)

3. Как называется величина, характеризующая действие одного тела на другое? (Сила)

4. Как называется действие тел друг на друга? (взаимодействие)

5. Как называется зависимость, в которой при уменьшении одной величины, другая увеличивается? (обратная)

6. Как называется единица измерения электрического заряда?

IV. Применение знаний и умений при решении задач

1. 1. Определите силу взаимодействия двух одинаковых точечных зарядов по 1 мк Кл, находящихся на расстоянии 30 см друг от друга. (слайд 17)

1. Заряды 10 нКл и 16 нКл расположены на расстоянии 7 мм друг от друга. Какая сила действует между ними? (ε=1) (самостоятельно) (слайд 18)

3. Решите следующую задачу самостоятельно:

На каком расстоянии нужно расположить два заряда: q₁=5*10^-9 Кл и q²=6*10^-9 Кл, чтобы они отталкивались друг от друга с силой 12*10^-5 Н? (ε=1) (0,03 м) (слайд 19)

Подведение итога урока. (слайд 20)

Отметьте знаком «плюс» то, что вы хорошо поняли на уроке и знаком «минус» то, что поняли плохо или вообще не поняли.

Домашнее задание:  п.  8.2 № 1, 4, 5 из упр Домашнее задание: п/п 85-90, Упр.16. учебник «Физика 10» Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Соцкий. (слайд 21)

.