Урок физики в 10 классе по теме "Электрическое поле"

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Цель: повторение основных понятий, законов и формул ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ в соответствии с кодификатором ЕГЭ.

Элементы содержания, проверяемые на ЕГЭ 2010 :

• Электризация тел
• Взаимодействие зарядов. Два вида заряда
• Закон сохранения электрического заряда
• Закон Кулона
• Действие электрического поля на электрические заряды
• Напряженность электрического поля
• Принцип суперпозиции электрических полей
• Потенциальность электростатического поля
• Потенциал электрического поля. Разность потенциалов
• Проводники в электрическом поле
• Диэлектрики в электрическом поле
• Электрическая емкость. Конденсатор
• Энергия электрического поля конденсатора

Электризация тел

• Электрический заряд ( q или Q ) – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия

• По-гречески янтарь – это " электрон ". Отсюда и произошло современное слово "электричество" и название наэлектризованные тела .
• Существует:
• электризации трением ;
• электризация индукцией ;
• Любые тела взаимодействуют с наэлектризованными телами и сами электризуются.

Трибоэлектрическая шкала.

При трении двух материалов тот из них, что расположен в ряду выше , заряжается положительно и тем сильнее, чем более разнесены материалы по шкале.

Электризация тел

• Носителями зарядов являются элементарные частицы

• Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e. e = 1,602177·10 –19  Кл ≈ 1,6·10 –19  Кл

• В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке ( атомным номер ).
• Электрический заряд тела – дискретная величина :

Взаимодействие зарядов. Два вида заряда

• Электрический заряд ( q или Q ) – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия

• Существует два рода электрических зарядов , условно названных положительными и отрицательными .
• Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому.
• Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

• Одноименные заряды отталкиваются , разноименные – притягиваются .

• Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием

Закон сохранения электрического заряда - один из фундаментальных законов природы

• В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной :

• q 1  + q 2  + q 3  + ... +q n  = const

• (в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака )

Закон Кулона

• Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь .
• Закон Кулона : Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

• Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона :
• Закон Кулона хорошо выполняется для точечных зарядов
• В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон ( Кл ).
• Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

где ε 0 – электрическая постоянная

Закон Кулона

• Закон Кулона : Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

• 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.

Действие электрического поля на электрические заряды

• Электрическое поле — особая форма поля, существующая вокруг тел или частиц , обладающих электрическим зарядом , а также в свободном виде в электромагнитных волнах.

• Электрическое поле непосредственно невидимо , но может наблюдаться по его действию и с помощью приборов .
• Основным действием электрического поля является ускорение тел или частиц, обладающих электрическим зарядом .
• Электрическое поле можно рассматривать как математическую модель , описывающую значение величины напряженности электрического поля в данной точке пространства.
• Электрическое поле является одной из составляющих единого электромагнитного поля и проявлением электромагнитного взаимодействия .

Напряженность электрического поля

• Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика напряженность электрического поля .

• Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:

• Напряженность электрического поля – векторная физическая величина.

• Направление вектора совпадает в каждой точке пространства с направлением силы , действующей на положительный пробный заряд .

Принцип суперпозиции электрических полей

• Принцип суперпозиции : напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности :

• Для наглядного представления электрического поля используют силовые линии

• Силовые линии электрического поля

Силовые линии поля

Силовые линии электрических полей

электрического диполя

Силовые линии

кулоновских полей

Поле равномерно заряженной плоскости.

σ = Q/S – поверхностная плотность заряда .

S – замкнутая поверхность.

Потенциальность электростатического поля

• При перемещении пробного заряда q в электрическом поле электрические силы совершают работу .
• Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории , а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда.
• Работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю.

Работа электрических сил при малом перемещении заряда q

Потенциальность электростатического поля

• При перемещении пробного заряда q в электрическом поле электрические силы совершают работу .
• Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории , а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда.

Работа электрических сил при малом перемещении заряда q

Потенциальность электростатического поля

• Силовые поля, работа сил которых при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю , называют потенциальными или консервативными.

• Потенциальная энергия заряда q, помещенного в любую точку (1) пространства, относительно фиксированной точки (0) равна работе A 10 , которую совершит электрическое поле при перемещении заряда q из точки (1) в точку (0):
• W p1  = A 10

Работа , совершаемая электрическим полем при перемещении точечного заряда q из точки (1) в точку (2), равна разности значений потенциальной энергии в этих точках и не зависит от пути перемещения заряда и от выбора точки (0).

A 12  = A 10  + A 02  = A 10  – A 20  = W p1  – W p2

Потенциал электрического поля. Разность потенциалов

• Физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда , называют потенциалом φ электрического поля :
• Потенциал φ является энергетической характеристикой электростатического поля.
• В Международной системе единиц (СИ) единицей потенциала является вольт (В): 1 В = 1 Дж / 1 Кл.

• Работа A 12 по перемещению электрического заряда q из начальной точки (1) в конечную точку (2) равна произведению заряда на разность потенциалов (φ 1  – φ 2 ) начальной и конечной точек:

• A 12  = q(φ 1  – φ 2 )
• Потенциал поля в данной точке пространства равен работе , которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность .

Потенциал электрического поля. Разность потенциалов

• Для наглядного представления электрического поля наряду с силовыми линиями используют эквипотенциальные поверхности .
• Поверхность , во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения , называется эквипотенциальной поверхностью или поверхностью равного потенциала .

• Силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям .
• Эквипотенциальные поверхности (синие линии) и силовые линии (красные линии) простых электрических полей:
• точечного заряда;
• электрического диполя;
• двух равных положительных зарядов

Проводники в электрическом поле

• Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов ( электронов ), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника.
• Типичные проводники – металлы .

• Электростатическая индукция - перераспределение свободных зарядов в проводнике, внесенном в электрическое поле, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды.

• Индукционные заряды создают свое собственное поле которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника: (внутри проводника).

• Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю , а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника .

Проводники в электрическом поле

• Все внутренние области проводника , внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными
• На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики

Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.

Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q , то напряженность поля создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

Поляризация неполярного диэлектрика

Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

Диэлектрики в электрическом поле

• В диэлектриках ( изоляторах ) нет свободных электрических зарядов .
• Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.
• Связанные заряды создают электрическое поле которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля . Этот процесс называется поляризацией диэлектрика .
• Полное электрическое поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля
• Физическая величина, равная отношению модуля напряженности внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности полного поля в однородном диэлектрике , называется диэлектрической проницаемостью вещества .

Электрическая емкость. Конденсатор

• Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

• В системе СИ единица электроемкости называется фарад (Ф):

• Конденсатором называется система двух проводников, разделенных слоем диэлектрика ,
• а проводники, составляющие конденсатор , называются обкладками

Электрическая емкость. Конденсатор

Поле плоского конденсатора

Электрическая емкость. Конденсатор

При параллельном соединении конденсаторов:

U 1  = U 2  = U

q 1  = С 1 U и q 2  = С 2 U

q = q 1  + q 2

При последовательном соединении конденсаторов:

q 1  = q 2  = q

U  =  U 1  +  U 2

Энергия электрического поля конденсатора

• Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил , которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор .