Анализ и методика изложения темы электростатика
Обновлено: 28.06.2024
Электрический заряд. Закон сохранения заряда. Взаимодействие точечных зарядов. Закон Кулона. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля. Поле точечного заряда. Графическое изображение электростатических полей. Принцип суперпозиции. Потенциальность электростатического поля. Потенциал и разность потенциалов электростатического поля. Напряжение. Связь между напряжением и напряженностью однородного электростатического поля. Потенциал электростатического поля точечного заряда и системы точечных зарядов. Проводники в электростатическом поле. Диэлектрики в электростатическом поле. Диэлектрическая проницаемость вещества. Электроемкость. Конденсаторы. Электроемкость плоского конденсатора. Энергия электростатического поля конденсатора. Электродинамика – раздел физики посвященный изучении электрических и магнитных явлений, в которых основную роль играет взаимодействия между телами, элементарный заряд. Взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле, связанное с этими телами или частицами. Основное понятие является понятие электрического заряда и электрического поля. Наличие электрического заряда у тела (частицы) проявляется во взаимодействии с другими заряженными телами (частицами). Электрический заряд – свойство частиц материи или тел, характеризующее их взаимосвязь в собственном электромагнитном поле. Имеется два вида зарядов: положительный и отрицательный. Количественно определяется по силовому взаимодействию тел, обладающих электрическим зарядом. Авторы Шахмаев и др. На вопрос: Что такое электрический заряд? Отвечают: понятие заряда в какой-то мере сходно с понятием гравитационной массы. Подобно тому, как для характеристики гравитационного взаимодействия тел и частиц было введено понятие массы, так и для характеристики взаимодействия тел (частиц) введено понятие электрического заряда. Введение понятия массы позволило изучить явления, связанные с гравитационным взаимодействием частиц и тел, а введение понятия заряда позволяет изучить электромагнитные взаимодействия. Опытным путем установлено, что электрический заряд обладает следующими свойствами: 1. Электрические заряды могут быть двух видов: положительными и отрицательными; 2. Электрический заряд величина инвариантная, не зависящая от скорости движения зарядов; 3. Электрический заряд аддитивен, то есть заряд системы тел равен сумме зарядов тел, входящих в систему; 4. Все электрические заряды кратны заряду электрона; 5. Суммарный заряд изолированной системы остается постоянным. Центральное место в разделе электродинамика при изучении электрических явлений занимает закон сохранения электрического заряда, который подтверждается наблюдателями. Для демонстрации закона сохранения заряда используют следующее оборудование: электролиты с шаровыми кондукторами, пластинки для электризации (эбонит и из органического стекла), разрядник на изолированной ручке. Из опыта делается вывод: сумма зарядов замкнутой системы остается постоянной. Затем изучается закон Кулона. На основе опыта с крутильными весами. Сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними. Два неподвижных точечных заряда находятся в вакууме на расстоянии R друг от друга и взаимодействуют с силами, направленными по одной прямой, соединяющей эти заряды, модули этих сил пропорциональны произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними. , к – коэффициент пропорциональности. , - электрическая постоянная. , Необходимо напомнить учащимся, что закон Кулона справедлив для точеных неподвижных заряженных тел. Если размеры тел и расстояния между ними соизмеримы, то закон Кулона не применим. Далее формируют понятие об электрическом поле. Самый простой случай электромагнитного взаимодействия проявляется при создании поля покоящихся заряженными телами. В этом случае электромагнитное поле предстает как поле электростатическое. На основе опытов: 1) Поднося к электрометру наэлектризованную палочку, замечаем что стрелка отклоняется еще до того, как палочка коснется электрометра; 2) Помещаем стрелку из сухого дерева, она займет между шарами вполне определенное положение. Эти опыты говорят о том, что вокруг наэлектризованных тел существует материальный передатчик взаимодействия электрических зарядов, который называем электрическим полем. Показываем, что электрическое поле, существующее вокруг наэлектризованной палочки на различных расстояниях от палочки не одинаково. Следовательно, не обходимо ввести физическую величину, которая характеризует электрические поле. Для этого можно воспользоваться действием поля на пробный электрический заряд q. Отношение силы, с которой электрическое поле действует на пробный заряд к этому заряду будет зависеть от поля, которое изучается и от положения пробного заряда в нем. Напряженностью электрического поля называют векторную величину, являющуюся силовой характеристикой электрического поля в данной точке. Напряженность равна отношению силы с которой поле действует на точечный положительный электрический заряд к этому заряду. , . Если поля создаются n зарядами и в это поле вводится заряд q, то равнодействующая сила, действующая на заряд q, равна векторной сумме сил. Напряженность поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей поля каждого из зарядов системы. Этот вывод называется принципом суперпозиции. Распределение поля в пространстве можно сделать видимым. Дается определение: Непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке, через которую они проходят, совпадают с вектором напряженности называются силовыми линиями электрического поля, либо линиями напряженности. Опыт: с помощью султанов показывают демонстрации, сначала с одним, затем с двумя. Работа электрического поля по перемещению заряда , , , . Из курса физики 9 класса известно, что если работа не зависит от формы траектории, то она равна изменению потенциальной энергии, взятой со знаком минус. Следовательно, введем обозначение - потенциальная энергия заряда в положении 2, аналогично для положения 1. Значит потенциальная энергия заряда в однородном электростатическом поле в общем случае равен (3). (эта формула подобна ), но заряд в отличие от массы может быть положительным и отрицательным. Если поле совершает положительную работу, то потенциальная энергия заряженного тела уменьшается, одновременно, согласно закону сохранения энергии, кинетическая энергия – увеличивается, то есть заряд ускоряется в поле. Физический смысл имеет не сила потенциальной энергии, а разность ее значений, определенная работой поля при перемещении заряда из начального положения в конечное. Отметим, что работа электростатического поля при перемещении заряда из одной точки в другую не зависит от начального и конечного положений заряда. На замкнутой траектории положительного заряда. На замкнутой траектории работа электростатического поля всегда равна нулю. Из (3) следует, что потенциальная энергия заряда пропорциональна заряду, следовательно отношение потенциальной энергии к заряду не зависит от помещенного в поле заряда. Это позволяет ввести новую характеристику поля – потенциал. Потенциалом электростатического поля называют отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду. (4). - скалярная величина, энергетическая характеристика поля, определяет потенциальную энергию заряда q в данной точке поля. Модуль и знак потенциала определяется выбором нулевого уровня. Потенциал поля системы зарядов равен арифметической сумме потенциалов, созданных каждым из зарядов в отдельности. Работа по перемещению заряда (6). Вводим обозначение - напряжение или разность потенциалов. (7). Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению работы поля при перемещении заряда из начальной точки в конечную к этому заряду. Далее рассматривается вопрос о связи напряженности электростатического поля и разности потенциалов. Пусть заряд q перемещается в направлении электрического поля E из 1 в 2. Работа, совершенная полем A будет равна , => (8) последняя формула позволяет найти напряженность поля, если известно напряжение между двумя точками, расположенными на расстоянии Δd. Она также показывает, что чем меньше меняется потенциал на расстоянии Δd, тем меньше напряженность электростатического поля, если потенциал не меняется, то напряженность поля равна нулю. Согласно определения, напряженность , из (8)
12. Научно-методический анализ и методика изучения темы "Законы постоянного тока" в систематическом курсе физики
Электрический ток. Условия возникновения электрического тока. Сила тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление. Последовательное и параллельное соединение проводников. Расчет электрических цепей. Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля-Ленца. Сторонние силы. Электродвижущая сила источника тока. Закон Ома для полной электрической цепи. КПД источника тока. в 10 классе. Классическая электронная теория (разработана в 1900г. Друде, которую развил Лоренц) предполагает: 1) движение электронов подчиняется законам классической механики; 2) электроны друг с другом не взаимодействуют; 3) электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решетки, это взаимодействие сводится только к соударению; 4) в промежутках между соударениями электрон движется свободно; 5) электроны проводимости рассматривают как электронный газ, подобно идеальному газу; идеальный газ подчиняется закону равномерного распределения энергии по степеням свободы этому же закону подчиняется и электронный газ. Классическая электронная теория хорошо объясняет существование сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля-Ленца – зависимость электропроводимости от температуры и позволяют понять связь теплоты и электропроводимости металлов. Однако в некоторых случаях классическая теория приводит к выводам находящихся в противореции с опытом, например, согласно этой теории удельное сопротивление с ростом температуры должно возрастать пропорционально корню из Т. Опыт подтверждает прямую пропорциональную зависимость . В классической электронной теории теплоемкость металлов и явление сверхпроводимости совершенно не объяснимы. Трудности классической электронной теории связаны с тем, что: а) электронная проводимость не подчиняется законам статики Максвелла-Больцмана; б) не учитывается взаимодействие друг с другом; в) не учитывается, что электрон движется в периодическом поле кристаллической решетки; г) движение электронов описывается по законам классической механики, а не по законам квантовой механики. На смену классической электронной теории пришла квантовая теория твердых тел, в которой преодолены трудности классической теории. Необходимо отметить, что классическую электронную теорию применяют и сейчас, т.к. она проста и наглядна, а при малых концентрациях носителей заряда и больших температурах квантовая и классическая теории дают близкие результаты. Качественное объяснение некоторых вопросов уже давалось в 8 кл. В 10 классе этим не ограничиваются, необходимо ввести важные для понимания материала формулы. Следует обратить внимание учащихся на: 1) когда и зачем создана эта теория; 2) основные положения и модельные представления; 3) применение классической электронной теории (какие явления и факты объясняются данной теорией); 4) трудности классической электронной теории и причины их возникновения; 5) задачи классической ЭТ. Электронная проводимость металла была доказана следующими фундаментальными опытами: Опыт Ринке: В точ. через проводник, состоящий из Cu-Al-Cu пропустили ток, за это время состав составной проводник прошел огромный заряд 3,5 106 Кл, следовательно переноса вещества не наблюдалось, масса осталась неизменной, соприкасающиеся поверхности не изменились. Вывод – перенос заряда в металлах осуществляется частицами, входящими в состав всех металлов (электроны). Предлагается школьникам задача: какое изменение произойдет если бы ток представлял собой движение ионов? В опытах Мандельштама и Папалекси, Стюарта, Толмена лежала следующая идея – регистрация инерционного движения электронов. Закон Ома для участка цепи выводится на основе опыта. Скорость распространения электрического тока в проводниках – это скорость с которой распространяется действие электрического поля на заряды в проводнике. Поле почти мгновенно увлекает электроны в упорядоченное и очень медленное движение доли мм/сек. В 10 классе показывают, что средняя скорость упорядоченного движения электронов под действием электрического поля определяет силу тока в проводнике. Пусть проводник имеет поперечное сечение площадью S, за положительное направление принимают движение слева на право. Обозначим заряд каждой частицы через q0. Общий заряд, проходящий через поперечное сечение равно: . Если частица движется слева на право со средней скоростью V, то за время дельта t все чстицы, заключающеся в рассмотрении объема пройдут через поперечное сечение. Закон Ома для полной цепи. Любая замкнутая электрическая цепь состоит из внешних и внутренних участков, и внешних и внутренних сопротивлений. Для поддержания в цепи электрического тока в течение длительного времени необходим источник, внутри которого непрерывно происходило бы разделение электрических зарядов. В результате чего между полюсами источников поддерживалась бы разность потенциалов. ЭДС называют скалярную физическую величину, являющуюся энергетической характеристикой источника тока. ЭДС равна отношению работы, совершаемой сторонними силами при перемещении электрического заряда по замкнутой цепи к этому заряду. E=Aст/q. Силы в результате действия которых в источнике ток происходят разделения зарядов, принято называть сторонними. При выводе закона Ома для замкнутой цепи можно использовать различные методические подходы: 1) при перемещении по цепи заряда q сторонние силы в источнике совершают работу A=qE. При движении заряда на внешнем участке цепи преобразуется энергия стационарного поля, созданного и поддерживаемого источником Aвнеш =qU, U - напряженность на внешнем участке. На внутреннем A2=qU вн. A=A1+A2, qE=qU+qUвн, E=U+Uвн, U=IR, Uвн=Ir, E=Ir+Ir=I(R+r) или I=E/(R+r) Таким образом сила тока в цепи равна отношению Еист к сумме сопротивлений цепи. 2) Рассматривается та же цепь. За время дельта t через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд дельта q. Работа сторонних сил по перемещению заряда Аст=Еq=EIt. При совершении этой работы на внутренних и внешних участках цепи, сопротивление которых r и R выделяется некоторое количество теплоты , согласно закону сохранения энергии Аст=Q, следовательно I=E/(R+r). При R стремящимся к нулю, получается короткое замыкание, т.к. r мало. Здесь изучается последовательное и параллельное соединение потребителей: U=U1+U2, Rоб=R1+R2. При параллельном соединении I=I1+I2, 1/Rоб=1/R1+1/R2. В конце изучается работа и мощность тока, закон Джоуля-Ленца – количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока по проводнику пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению и времени прохождения тока через проводник:
13. Научно-методический анализ и методика изучения темы "Электрический ток в различных средах"
Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. (За направление тока принято направление движения положительных зарядов.) Электрический ток в жидкостях. Электролитами - вещества, растворы которых проводят электрический ток. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. Электролитами являются водные растворы неорганических кислот, солей и щелочей. Сопротивление электролитов падает с ростом температуры, так как с ростом температуры растёт количество ионов. Явление электролиза - это выделение на электродах веществ, входящих в электролиты; Положительно заряженные ионы (анионы) под действием электрического поля стремятся к отрицательному катоду, а отрицательно заряженные ионы (катионы) - к положительному аноду. На аноде отрицательные ионы отдают лишние электроны (окислительная реакция) На катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная). Закон электролиза (Фарадея) : масса вещества, выделивщегося на электроде за время t при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени. m0 – масса иона; М – молярная масса вещ-ва; NА – число ионов в одном моле; q – заряд протекший через электролит за время t;q0 – заряд иона , который определяется валентностью атома n; N – число ионов достигших электрода; e – модуль элементарного заряда; k – коэффициент пропорциональности
Тема “Постоянный электрический ток” является частью раздела “Электродинамика” в курсе физики средней (полной) школы наряду с темой “Электростатика”. Данный раздел обычно изучается после раздела “Термодинамика”, и данная тема либо завершает курс физики Х класса (учебники под авторством Мякишева Г.Я., Буховцева Б.Б., Синякова А.З., Пинского А.А., Громова С.В., Шароновой Н.В. и др.), либо начинает курс физики XI класса (учебники Касьянова А.В., Генденштейна Л.Э., Дика Ю.И., Пурышевой Н.С., Важеевской Н.Е., Тихомировой С.А., Яворского Б.М.).
Закономерности постоянного тока первоначально изучаются в VIII классе в темах “Сила тока, напряжение, сопротивление”, “Работа и мощность тока”. На изучение этого материала отводится значительно больше времени, чем на изучение законов постоянного тока в X или XI классе. Уже тогда политехнические знания школьников пополняются знаниями физических основ электрификации и электроэнергетики, учащиеся приобретают навыки и умения обращения с некоторыми электроприборами. Определенное значение изучение законов постоянного тока имеет и для трудового воспитания учащихся, ведь на любом промышленном производстве, сельском хозяйстве, в быту ребята встречаются с использованием электрической энергии. Также важно упомянуть о значении изучаемого материала для воспитания интернационализма и патриотизма, ведь в данной теме есть много ярких примеров, показывающих интернациональный характер науки и иллюстрирующих существенных вклад русских ученых в развитие электродинамики и использование достижений этого раздела.
Изучение процессов электропроводности различных сред знакомит учащихся с физическими основами электроники — одним из наиболее эффективных и перспективных направлений научно-технического прогресса. Рассматривается устройство и действие вакуумного диода, электронно-лучевой трубки, полупроводникового диода, транзистора и др. Изучение этих приборов подготавливает учащихся к пониманию их использования в микропроцессорной технике. Это определяет большое политехническое значение данной темы. Изучение электрического тока в различных средах имеет не только политехническое значение, но и большое воспитательное и мировоззренческое значение: здесь изучаются явления, служившие источником суеверий и страхов (молния, огни св. Эльма и т.п.), учащихся фактически знакомят с четвертым состоянием вещества – плазмой.
Также при изучении тока в различных средах закладываются основы для понимания устройства и действия ряда приборов и установок, которые учащиеся будут изучать в курсе физики XI класса, таких, как вакуумный фотоэлемент, рентгеновская трубка, газоразрядный счетчик элементарных частиц, радиоприемник, генератор незатухающих колебаний, радиолокационная установка и др.
И, наконец, изучение темы “Постоянный электрический ток” способствует дальнейшему развитию логического, теоретического мышления (благодаря четкой системе темы, опоре на аналогию, анализ, синтез и т.д.), научно-творческого мышления (благодаря знакомству с разнообразными электроприборами, выполнению лабораторных работ и экспериментов).
2. Структура и содержание темы
Существуют различные варианты структуры данной темы: некоторые авторы разделяют её на 2 взаимосвязанные главы: “Законы постоянного тока” и “Электрический ток в различных средах” (Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Синяков А.З., Пинский А.А. и др.). Громов С.В. и Шаронова Н.В. предлагают несколько отличное от предыдущего разделение внутри темы: они выделяют главы “Постоянный ток в металлах” и “Электрический ток в полупроводниках, вакууме, газах, электролитах”. Есть учебники, авторы которых предлагают изучение этой темы как единого целого (Касьянов А.В., Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.) – но при этом, изучению проводимости различных сред уделяется очень мало внимания.
- условия, необходимые для существования постоянного тока;
- закон Ома для полной цепи.
В программу X (XI) класса включены вопросы, позволяющие одновременно повторить закон Ома дли участка цепи и законы последовательного и параллельного соединения проводников.
Электрический ток в различных средах изучают на основе представлений о микроструктуре вещества и элементов классической электронной теории. Изучение механизма проводимости различных сред, природы носителей зарядов, характера их движения в этих средах дает возможность углубить представление о строении вещества, полученное учащимися при изучении молекулярной физики.
Содержание темы “Постоянный электрический ток”
*Курсивом выделен материал, предназначенный для изучения в профильных классах.
Т.к. в VIII классе учащимися уже были рассмотрены основные характеристики электрического тока и параметры электрических цепей, в Х классе все эти величины просто повторяют. Но наряду с этим, вводится важное понятие электродвижущей силы и закон Ома для полной цепи. На основе свойств электростатического поля, с которым учащиеся уже знакомы, показывают, что данный вид электрического поля не может поддерживать ток в проводнике, ведь без восполнения энергии статическое поле не может постоянно двигать заряды, совершая при этом работу. Но также известно, что разность потенциалов на любом участке цепи остается неизменной. Школьникам не представляется возможным элементарное изложение процессов преобразования энергии в проводнике при протекании тока, но факт существования поля внутри и вне проводника при протекании тока необходимо продемонстрировать экспериментально! Так как введение понятия ЭДС и дальнейший вывод закона Ома для полной цепи основывается на ранее изученном материале, то в зависимости от того, насколько хорошо были усвоены учащимися те или иные вопросы VIII класса, следует уделить больше или меньше времени на их обзорное повторение в X классе.
Понятие напряжения весьма трудно усваивается в курсе физики базовой школы, но в старших классах оно обычно не вызывает затруднений. Необходимо лишь обратить внимание учеников на терминологию: что есть разность потенциалов, падение напряжения, при каком условии разность потенциалов на участке цепи равна падению напряжения. В заключение изучения стационарного электрического поля в проводниках необходимо кратко повторить основные отличия и сходства его с электростатическим полем.
Говоря о задачах изучения рассматриваемой темы, следует иметь в виду, что без понимания закона Ома для полной цепи и понятия ЭДС невозможно усвоение закона электромагнитной индукции и ряда других вопросов электродинамики.
Изучение механизма проводимости в различных средах также имеет специфические трудности. Невозможно показать учащимся ни самих носителей зарядов, ни характера их движения. Эти трудности можно частично преодолеть, если максимально использовать учебные фильмы, интерактивные модели, в которых условно показан характер движения носителей зарядов в различных средах, и кроме того, показаны многие примеры применении приборов и устройств, основанных на этих закономерностях. Изучение темы должно широко опираться на демонстрационный и лабораторный эксперимент.
В основу изучения тока в различных средах положена единая методическая концепция, основанная на сопоставлении зависимости силы тока от напряжения и механизма проводимости в этих средах. Электрический ток в металлах, газах, полупроводниках и других средах существенно различается как носителями зарядов, так и характером их движения. В то же время электрический ток во всех средах имеет общую черту: он представляет собой упорядоченный поток заряженных частиц. В связи с этим необходимо при изучении тока в каждой новой среде сравнивать его с током в других средах. Это определяет единый план изучения тока в каждой среде: выясняют природу носителей зарядов; характер их движения; зависимость силы тока от напряжения (вольт-амперную характеристику); принцип действия приборов, устройств, основанных на закономерностях тока в этих средах; технологические процессы.
Рассмотрение основных закономерностей начинается с тока в металлах. Обусловлено это рядом причин: во-первых, это позволяет осуществить преемственную связь с курсом физики VIII класса; во-вторых, вольт-амперная характеристика для металлов наиболее простая. Но дальнейшая последовательность изложения темы определяется методическими соображениями. Например, А.А.Пинский: металлы, жидкости, газы, вакуум, полупроводники – изучение материала в таком порядке отражает исторический путь изучения и использования в технике особенностей прохождения тока через различные среды. В учебнике Б.Б. Буховцева: металлы, полупроводники, вакуум, жидкости, газы – здесь изучение полупроводников идет после изучения проводимости металлов, что подчеркивает важность полупроводников в современной технике – именно такую последовательность предлагает программа общеобразовательной средней школы.
Наиболее подробно изучается электрический ток в металлах и электролитах, здесь даются количественные зависимости, решают задачи. Весь остальной материал изучают фактически на качественном уровне.
При изучении электрического тока в растворах электролитов главное внимание уделяют закону Фарадея – при этом нельзя забывать о тесной связи с курсом химии.
При изучении особенностей прохождения тока в полупроводниках необходимо уделить внимание достижениям современной науки в области применения полупроводников. Целесообразно начать изучение с демонстрации их характерных свойств, а уже затем на основе введенного в химии понятия ковалентной и парно-электронной связи выяснить механизм протекания тока и объяснить свойства полупроводниковых материалов.
3. Основные методические подходы к изучению темы
Как было упомянуто ранее, различные авторы учебников предлагают различную последовательность и структуру изучения темы “Постоянный электрический ток”.
Можно выделить 3 основных подхода к делению материала темы:
На мой взгляд, наиболее целесообразными являются 1 и 3-й подходы, которые реализуются в комплектах учебников Мякишева Г.Я., Буховцева Б.Б. (базовый уровень, 10 класс), МякишеваГ.Я., Синякова А.З. (профильный уровень, 10-11 класс), учебник под ред. Пинского А.А. (профильный уровень, 10 класс), а также в учебнике Громова С.В. под ред. Шароновой Н.В. (базовый уровень, 10 класс). Связано это с тем, что во 2-м варианте недостаточно полно раскрываются закономерности протекания тока в различных средах, у учащихся невозможно сформировать целостную картину представлений о постоянном электрическом токе, в силу незавершенности материала темы и отнесении некоторой его части в другие разделы (например, в учебнике Касьянова А.В. материал о полупроводниках дается в главе “Электромагнетизм”, в учебнике Л.Э. Генденштейна и Ю.И. Дика темы “Электрический ток в различных средах” как таковой нет вообще).
Отличие 1го и 3го подхода состоит в соединении или отделении материала об электрическом токе в металлах от остальных сред. С одной стороны, отделение этого материала оправдано, т.к. оно имеет более широкое применение, чем всё остальное, и первоначальное рассмотрение электронной теории, а уже затем основных законов протекания тока в металлах вполне логично. Но с другой стороны, в этом случае металлы выносятся в обособленную группу веществ, и нарушается целостность восприятия картины протекания тока в различных средах, затрудняется возможность сравнения их характеристик и закономерностей, хотя это также важно для полного усвоения материала темы.
Применение 3го подхода наиболее целесообразно в классах технического профиля, 2-го – в гуманитарных классах, и 1-го – в классах биолого-химического профиля.
4. Обоснование целесообразности использования интерактивной доски при изучении темы “Постоянный электрический ток”
Изучение темы “Постоянный электрический ток”, как и других тем, имеет свои особенности. Так, главной проблемой, на мой взгляд, является невозможность демонстрации учащимся внутренних механизмов протекания тока, при том, что “внешние проявления” протекания электрического тока учащимся хорошо известны, и они сталкиваются с ними каждый день. При изучении закономерностей протекания электрического тока в различных средах (будь то металл, жидкость, газ, вакуум или полупроводник) учащимся невозможно показать ни самих носителей зарядов, о которых так много говорится, ни тем более характера их движения. Эти трудности можно частично преодолеть, если максимально использовать учебные фильмы, различные интерактивные модели, в которых хотя бы условно показан характер движения носителей зарядов в различных средах. К тому же, на данный момент подобных электронных образовательных ресурсов великое множество. Также учащимся полезно будет познакомиться с устройством различных приборов, использующих закономерности протекания тока в различных средах, и посмотреть на их непосредственное применение, что опять же невозможно сделать в связи с отсутствием подобного оборудования в школе. Подобные видеоролики существуют, причем как в виде натурных съемок, так и смоделированных на компьютере. И ещё в этой теме разработано большое количество интерактивных опытов и лабораторных работ, которые не могут быть заменены натурным физическим экспериментом, опять же в связи с отсутствием соответствующего оборудования, позволяющего проводить эти исследования из-за его опасности, несовместимости со школьным кабинетом физики.
В связи с тем, что всё вышеперечисленное имеет отношение к реализации общеметодического принципа наглядности в обучении, а интерактивная доска – уникальное средство для реализации этого принципа, считаю необходимым применение интерактивных технологий при изучении данной темы. Демонстрация опытов, принципиальных схем приборов, механизмов возникновения и протекания тока через картинки и видеозаписи на интерактивной доске, с учетом возможности остановки кадра и внесения пометок, поправок, позволит учащимся лучше и глубже понять материал темы.
Также, интерактивная доска поможет здесь в плане экономии времени урока за счет простого и быстрого создания рисунков, электрических схем, вольтамперных характеристик и т.д., которых в данной теме очень много, и фактически, они являются одними из основных элементов знаний наряду с математическими выражениями законов. Причем, всё это потребуется как при изучении нового материала, так и на этапах закрепления и контроля знаний.
На мой взгляд, при изучении данной темы необходима опора на аналогии и нахождение общих черт в закономерностях протекания тока в различных средах, а использование интерактивной доски даёт прекрасную возможность коллективного обсуждения результатов экспериментов, группировки различных явлений и процессов по общим признакам, составления обобщающих таблиц, блок-схем и т.д.
И, конечно же, тема “Постоянный электрический ток” не является исключением в плане использования присущих всем предметам преимуществ изучения материала с интерактивной доской.
Керман А.П. Методика изложения в средней школе темы "Электростатика" с полным текстом учебного материала по данной теме : Автореферат дис. на соискание учен. степени кандидата пед. наук по методике физики / Акад. пед. наук РСФСР. Науч.-исслед. ин-т методов обучения. - Москва, 1955. - 11 с. ; 20 см
Купить
Реферат по теме Методика изложения в средней школе темы "Электростатика" с полным текстом учебного материала по данной теме : Автореферат дис. на соискание учен. степени кандидата пед. наук по методике физики
Курсовая по теме Методика изложения в средней школе темы "Электростатика" с полным текстом учебного материала по данной теме : Автореферат дис. на соискание учен. степени кандидата пед. наук по методике физики
ВКР/Диплом по теме Методика изложения в средней школе темы "Электростатика" с полным текстом учебного материала по данной теме : Автореферат дис. на соискание учен. степени кандидата пед. наук по методике физики
Диссертация по теме Методика изложения в средней школе темы "Электростатика" с полным текстом учебного материала по данной теме : Автореферат дис. на соискание учен. степени кандидата пед. наук по методике физики
Заработать на знаниях по теме Методика изложения в средней школе темы "Электростатика" с полным текстом учебного материала по данной теме : Автореферат дис. на соискание учен. степени кандидата пед. наук по методике физики
Помогите сайту стать лучше, ответьте на несколько вопросов про книгу:
Методика изложения в средней школе темы "Электростатика" с полным текстом учебного материала по данной теме : Автореферат дис. на соискание учен. степени кандидата пед. наук по методике физики
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). 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:
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака. Из закона сохранения заряда так же следует, если два тела одного размера и формы, обладающие зарядами q1 и q2 (совершенно не важно какого знака заряды), привести в соприкосновение, а затем обратно развести, то заряд каждого из тел станет равным:
С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному (то есть минимально возможному) заряду e.
Иногда в задачах электрический заряд распределен по некоторому телу. Для описания этого распределения вводятся следующие величины:
1. Линейная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по нити:
где: L – длина нити. Измеряется в Кл/м.
2. Поверхностная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по поверхности тела:
где: S – площадь поверхности тела. Измеряется в Кл/м 2 .
3. Объемная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по объему тела:
где: V – объем тела. Измеряется в Кл/м 3 .
Обратите внимание на то, что масса электрона равна:
Закон Кулона
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:
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):
Электрическое поле и его напряженность
По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с некоторой силой. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела.
Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не вносит заметного перераспределения исследуемых зарядов. Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика - напряженность электрического поля E.
Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда:
Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора напряженности совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд. Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим.
Для наглядного представления электрического поля используют силовые линии. Эти линии проводятся так, чтобы направление вектора напряженности в каждой точке совпадало с направлением касательной к силовой линии. Силовые линии обладают следующими свойствами.
- Силовые линии электростатического поля никогда не пересекаются.
- Силовые линии электростатического поля всегда направлены от положительных зарядов к отрицательным.
- При изображении электрического поля с помощью силовых линий их густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля.
- Силовые линии начинаются на положительном заряде или бесконечности, а заканчиваются на отрицательном или бесконечности. Густота линий тем больше, чем больше напряжённость.
- В данной точке пространства может проходить только одна силовая линия, т.к. напряжённость электрического поля в данной точке пространства задаётся однозначно.
Электрическое поле называют однородным, если вектор напряжённости одинаков во всех точках поля. Например, однородное поле создаёт плоский конденсатор – две пластины, заряженные равным по величине и противоположным по знаку зарядом, разделённые слоем диэлектрика, причём расстояние между пластинами много меньше размеров пластин.
Во всех точках однородного поля на заряд q, внесённый в однородное поле с напряжённостью E, действует одинаковая по величине и направлению сила, равная F = Eq. Причём, если заряд q положительный, то направление силы совпадает с направлением вектора напряжённости, а если заряд отрицательный, то вектора силы и напряжённости противоположно направлены.
Силовые линии кулоновских полей положительных и отрицательных точечных зарядов изображены на рисунке:
Принцип суперпозиции
Если с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в отдельности. Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряжённостей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности:
Это свойство электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции. В соответствии с законом Кулона, напряженность электростатического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, равна по модулю:
Как успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике?
Для того чтобы успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике, среди прочего, необходимо выполнить три важнейших условия:
Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов, а также ответственная проработка итоговых тренировочных тестов, позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того, на что Вы способны.
Нашли ошибку?
Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на электронную почту (адрес электронной почты здесь). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.
ЗАПРЕЩЕНО использование представленных на сайте материалов или их частей в любых коммерческих целях, а также их копирование, перепечатка, повторная публикация или воспроизведение в любой форме. Нарушение прав правообладателей преследуется по закону. Подробнее.
ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Теория и формулы (кратко и сжато)
Электростатика – раздел электродинамики, изучающий покоящиеся электрически заряженные тела. Существует два вида электрических зарядов: положительные (стекло о шелк) и отрицательные (эбонит о шерсть).
Элементарный заряд – минимальный заряд (е = 1,6∙10 -19 Кл)
Заряд любого тела кратен целому числу элементарных зарядов: q = N∙е
Электризация тел – перераспределение заряда между телами. Способы электризации: трение, касание, влияние.
Закон сохранения электрического заряда – в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной. q1 + q 2 + q 3 + …..+ qn = const
Пробный заряд – точечный положительный заряд.
Закон Кулона
Закон Кулона (установлен опытным путем в 1785 году) Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.
Электрическое поле
Электрическое поле – вид материи, осуществляющий взаимодействие между электрическими зарядами, возникает вокруг зарядов, действует только на заряды
Силовые линии напряженности электрического поля – непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке, через которые они проходят, совпадают с вектором напряженности.
Свойства силовых линий:
- не замкнуты;
- не пересекаются;
- непрерывны;
- направление совпадает с направлением вектора напряжённости;
- начало на + q или в бесконечности, конец на – q или в бесконечности;
- гуще вблизи зарядов (где больше напряжённость).
- перпендикулярны поверхности проводника
Разность потенциалов или напряжение (Δφ или U) — это разность потенциалов в начальной и конечной точках траектории заряда Δφ = φ1 – φ2
Чем меньше меняется потенциал на отрезке пути, тем меньше напряженность поля.
Напряженность электрического поля направлена в сторону уменьшения потенциала.
Электроемкость
Электроемкость С — характеризует способность проводника накапливать электрический заряд на своей поверхности.
- — не зависит от электрического заряда и напряжения.
- — зависит от геометрических размеров проводников, их формы, взаимного расположения, электрических свойств среды между проводниками.
Проводники и диэлектрики
Конденсаторы
Конденсатор — электротехническое устройство, служащее для быстрого накопления электрического заряда и быстрой отдачи его в цепь (два проводника, разделенных слоем диэлектрика ).
Читайте также: