Тип занятия: урок на повторение и обобщение
Продолжительность занятия: 1 час 20 минут.
Цели занятия:
– обобщение основных
понятий злектростатического поля, формирование
единых взглядов на физическую картину природы;
Оснащение занятия:
Оборудование и приборы: электрофорная машина, два электрометра, два металлических шара из набора по электростатике, проводник, конденсатор демонстрационный, соединительные провода, секундомер, наборы для фронтальной лабораторной работы по электростатике.
ТСО: кодоскоп; кодопленка с задачами и их решениями; таблица характеристик электростатического поля; сравнительная таблица гравитационного и электростатического полей.
Учебно-наглядные пособия: плакат “С облака – на Землю”, таблица “Сравнительные характеристики гравитационного и электрического полей (Приложение 2).
Раздаточный материал: карточки с заданиями – маршрут движения, комплекты подсказок на каждое задание (по количеству групп),чистые бланки для ответов группами, задания для проверочной работы.
Оформление доски: плакат с изображением облака и земли, таблица достигнутых результатов (Приложение 1).
Примерный регламент работы
I. Вступительное слово преподавателя (2 минуты)
II. Актуализация опорных знаний (7 минут)
III. Повторение пройденного материала через самостоятельную работу с частично-поисковыми элементами (48 минут)
IY. Сравнение характеристик гравитационного и электростатического полей (8 минут)
Y. Кратковременная проверочная работа (10 минут)
YI. Подведение итогов занятия и выдача домашнего задания (5 минут)
На предыдущем занятии учащиеся получили домашнее задание: повторить тему “Электростатика”, решить задачи № 690, 705, 738, 757 (Рымкевич А.П. Физика. Задачник. М.: - Дрофа, 2000.) и подготовить примеры проявления статического электричества в природе.
ХОД ЗАНЯТИЯ
I. Вступительное слово преподавателя
Преподаватель: На всех предыдущих уроках вы знакомились с фактами существования электростатического поля; выучили понятия и термины, характеризующие электростатическое поле; осознали законы и теорию электростатического поля.
Сегодня пришло время проверить, как вы понимаете изученные законы и умеете с их помощью объяснять электростатические явления, а также не только выявить пробелы в ваших знаниях, но и устранить их. Урок сегодня - путешествие групп (на которые вы заранее по желанию разбились) с положительно заряженного облака на отрицательно заряженную Землю. Маршрут содержит четыре этапа, на каждом из которых вы должны выполнить задание или решить задачи, после этого будут открываться буквы ключевого слова урока.
II. Актуализация опорных знаний
Для того, чтобы спуск на Землю был успешным, повторим основные характеристики электростатического поля. Найдите в рабочей тетради таблицу характеристик электростатического поля. (На экране с помощью кодоскопа проецируется таблица 1). Посмотрите на экран.
Таблица 1. Характеристики электростатического поля
Физическая величина, закон |
Определение (формула) |
Частные формулы для точечных зарядов |
|
для вакуума |
Для среды |
||
Закон Кулона |
F = k·|q1|·|q2| / r2 |
F = k·|q1|·|q2| / r2 |
|
Е |
E = F / q E = U / d |
E = k· |qo| / r2 |
|
|
|
|
|
U |
U = A12 / q |
для плоского конденсатора |
|
C |
C = q / U |
|
|
W |
W = C·U2 /2 = q·U / 2 = q2/ (2C) |
||
w |
|
|
|
III. Повторение пройденного материала через самостоятельную работу с частично-поисковыми элементами
Преподаватель: Посмотрите на плакат.
Преподаватель: Как вы знаете, при создании достаточно большой разности потенциалов между двумя объектами, может возникнуть разряд. Как долго он длится? Рассчитаем.
На экране с помощью кодоскопа проецируется запись условия примера: средняя мощность удара молнии 2*1010 Вт, а выделяемая при этом энергия примерно равна 1*109 Дж.
Преподаватель: Итак, ваш результат? (Учащиеся называют ответ).
Правильно. Проверим решение. (Проверка решения и ответа).
Преподаватель: Время разряда примерно 0,05 секунды. Наш спуск продлится гораздо дольше. В маршрутном листе - 4 этапа. На каждом этапе решение зада и проверка решения. Каждое задание оценивается по 5-балльной системе (отсутствие правильного ответа – 1 балл).
Если возникают проблемы в решении, вы можете поочередно воспользоваться подсказками № 1 и № 2, теряя при этом по 1 баллу за каждую использованную подсказку. По окончанию работы каждая группа представляет письменный коллективный ответ. У доски представитель группы, сдавшей правильные решения задач, объясняет ее решение, получая дополнительный балл. После прохождения этапа вписываем в кружок очередную букву ключевого слова.
По завершению маршрута получаем ключ для дальнейшей совместной работы. В конце занятия - выполнение кратковременной проверочной работы.
Вас, конечно же, интересует оценка ваших знаний и умений применять эти знания. Участники команды-победительницы получают оценку “5”, участники команды, занявшей второе место, - “4”, участники команды, занявшей третье место, - “3”. Команд, получивших каждую из оценок, может быть несколько. Кроме того, каждый участник может получить дополнительную оценку за индивидуальную работу у доски или дополнения ответов товарищей.
Если нет вопросов, в путь. Успехов вам в творческой работе! Первый этап называется “Электрические заряды и их взаимодействие” Откройте конверт № 1. В конверте две задачи. На их решение отводится 10 минут. Правильно рассчитайте время, чтобы, в случае необходимости, вы успели воспользоваться подсказками и решить задачи. Время пошло. Приступайте к решению.
Учащиеся коллективно в малых группах решают задачи.
1 этап. Электрические заряды и их взаимодействие
Задание № 1.1. Как с помощью отрицательно заряженного проводника, не изменяя его заряда, зарядить другой проводник положительно? (Можно использовать приборы для проведения эксперимента).
Подсказка №1. Вспомните, в чем заключается явление электризации через влияние (электростатическая индукция) и как взаимодействуют одноименные и разноименные заряды (закон Кулона).
Подсказка № 2. Используйте факт, что Земля - проводник.
Задача № 1.2. Почему два разноименно заряженных шара из металла взаимодействуют друг с другом с большей силой, нежели заряженные одноименно (при всех прочих одинаковых условиях)? Решение поясните чертежами. Возможно ли, чтобы два одноименно заряженных проводника притягивались?
Подсказка № 1. Изобразите, как благодаря электростатической индукции распределяются заряды на разноименно и одноименно заряженных шарах, находящихся в поле друг друга. Расстояние между шарами одинаково.
Подсказка № 2. Сравните распределение зарядов для одноименно и разноименно заряженных шаров. Воспользуйтесь для объяснения законом Кулона.
По истечению времени, отведенного на решение задач, каждая команда сдает ответы. Приглашаются представители команды для объяснения решений. Один учащийся готовит на доске решение 2-ой задачи. В это время второй учащийся с помощью приборов демонстрирует и объясняет решение 1-го задания. Затем на экране представлены краткие решения и ответы к задачам, которые остальные учащиеся могут занести в свои рабочие тетради.
Преподаватель: Все задачи решены. Откроем первую букву ключевого слова. Это буква “П”. Переходим ко второму этапу под названием “Силовая характеристика электрического поля”. Откройте конверт № 2. В нем три задачи. Время для их решения – 12 минут.
2 этап. Силовая характеристика электрического поля
Задача № 2.1. Изобразите линии напряженности электрического поля положительного заряда, сообщенного металлическим телам, имеющим форму: а) цилиндра, б) пятиконечной звезды.
Задача № 2.2. Если положительно заряженный шар поместить в любое из электрических полей, изображенных на рисунке, он станет двигаться вправо. Как будет вести себя в этих полях нейтральный проводящий шар?
Подсказка № 1. Вспомните, как по виду силовых линий можно судить о модуле вектора напряженности и что происходит в проводнике, помещенном в электростатическое поле?
Подсказка № 2. Чем гуще расположены силовые линии, тем напряженность электрического поля больше, а значит, больше будет и сила, действующая на заряд.
Задача № 2.3. Электрорецепторы боковой линии у ряда рыб обладают удивительной чувствительностью к изменению напряженности внешнего электрического поля вдоль поверхности своего тела и посылают нервные импульсы в мозг, когда значение напряженности превышает 10 мкВ/м. Каким образом, используя это качество, рыбы могут ориентироваться в мутной воде, находить скрытую добычу? Поясните ответ рисунком.
Подсказка №1. Изобразите картину силовых линий электрического поля вокруг рыбы при отсутствии и при внесении какого-либо тела, отличающегося по электропроводности от воды.
По истечении времени, отведенного на решение заданий второго этапа, каждая команда сдает ответы. Приглашаются представители команд для объяснения своих решений.
При отсутствии верного решения любой из задач, преподаватель с помощью учащихся объясняет решение, используя подготовленные на кодопленке записи. Учащимся предлагается в своих тетрадях сделать краткие записи решения задач.
Преподаватель: Вписываем в кружок вторую букву (“О”) и переходим к третьему этапу “Энергетическая характеристика электрического поля”. Откройте конверт № 3. Время для решения – 10 минут.
3 этап. Энергетическая характеристика электрического поля
Задача № 3.1. Два положительно заряженных шара соединили проволокой. Может ли электрический заряд переходить с шара, обладающего меньшим зарядом к шару, заряд которого, больше. (Решение задачи можно сопровождать демонстрацией).
Подсказка № 1. Вспомните, что является условием направленного движения зарядов. Сделайте чертеж.
Подсказка № 2. Потенциал электростатического
поля на поверхности шара: 
Как можно создать
разные потенциалы на поверхностях шаров, если Q >
q ?
Задача № 3.2. В однородное электрическое поле напряженностью 25 В/м введены концы проводников А и В, присоединенных к лампочке карманного фонаря, как показано на рисунке.
По данным рисунка определить, будет ли гореть лампочка. Почему?
Подсказка № 1. Вспомните, что происходит в проводнике, внесенном в электростатическое поле?
Подсказка № 2. Подумайте, что следует из равенства потенциалов между любыми точками проводника.
Задача № 3.3. С поверхности металлического шара радиуса R =1 м, несущего на себе отрицательный заряд Q = -1,1*10-9 Кл, вылетает электрон. Найти скорость электрона вдали от шара, если его начальная скорость v0 =6*105 м/с. Отношение абсолютной величины заряда электрона e к его массе m равна 1,76*1011 Кл/кг.
Подсказка № 1. Вспомните, как определяется работа, которую совершает электрическое поле по перемещению заряда, как определяется потенциал электрического поля на поверхности шара и вдали от него.
Подсказка № 2. Потенциал электрического поля
на поверхности шара определяется по формуле 
где r – радиус
шара. Работа поля равна: 
. За счет чего совершается эта
работа?
После отведенного времени на решение задач, для их объяснения приглашаются учащиеся. Решение третьей задачи преподаватель просит прокомментировать учащегося по готовой записи на кодопленке, проецируемой на экран.
Преподаватель: После проверки решений, вписываем третью букву “Л”. И, наконец, 4-ый этап, который называется “Верно ли решение?” Вы уже умеете объяснять многие сложные электрические явления. А сможете ли распознать ошибку в рассуждениях, на первый взгляд верных? Проверим. На обдумывание и решение этой задачи отводится 4 минуты.
Задача № 4.1. Пластины плоского конденсатора присоединены к гальваническому элементу. Как изменится сила их притяжения и энергия электростатического поля, если они будут помещены в непроводящую жидкость с диэлектрической проницаемостью, равной 3?
Предлагаемое решение задачи 4.1. Так как сила взаимодействия заряженных тел обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости вещества, то сила притяжения пластин уменьшится в три раза. Энергия электростатического поля конденсатора увеличится в три раза.
Преподаватель: Время, отведенное на работу, прошло. Сдайте результаты и мы проверим правильность ваших решений.
Комментарии преподавателя. Верное решение
задачи. Вчитаемся в текст задачи:
конденсатор присоединен к источнику,
следовательно, разность потенциалов 
С увеличением
диэлектрической проницаемости в 3 раза,
увеличивается в три раза емкость конденсатора 
Увеличение
емкости при постоянной разности потенциалов
ведет к увеличению заряда каждой пластины в три
раза (C = q/U).
Напряженность поля между пластинами остается
постоянной, т.к. 
Сила, действующая на каждую пластину, станет втрое больше, т.к. F= E*q, а заряд увеличился в три раза.
Энергия электростатического поля W = CU2/2. Т. к. С2/С1 = 3, то W2/ W1 = 3.
Преподаватель: Все задачи решены. Впишем в кружок последнюю букву “Я”. Таким образом, ключом к нашей следующей работе стало слово “поля”. Это не случайно. Решая задачи, мы все время, и в прямом, и переносном смысле слове, находились в 2-х полях: гравитационном и электрическом Что же такое – поле?
Учащиеся дают ответ.
Преподаватель: Вам известно, что поле – это особого рода материя, существующая реально, помимо наших знаний о нем, обладающая массой и энергией. Как утверждал великий английский физик, один из основоположников теории полей, Майкл Фарадей, все основные взаимодействия передаются посредством особого изменения окружающего пространства.
Y. Сравнение характеристик гравитационного и электростатического полей
Преподаватель: Проанализируем сходства и различия гравитационного и электростатического полей с позиции единой картины природы (Таблица 2).
Таблица сравнения характеристик гравитационного и электростатического полей, которая имеется у каждого учащегося, объясняется в виде беседы с учащимися. В ходе беседы учащиеся самостоятельно определяют различия и общее в свойствах гравитационного и электростатического полей, пользуясь подготовленными дома примерами.
YI. Кратковременная проверочная работа
Преподаватель: Вы не только повторили многие вопросы электростатики, но учились находить пути решения задач, объединив усилия и пользуясь подсказками. Теперь каждый индивидуально в течение 10 минут решит предложенные задачи. (При распределении вариантов задач используется дифференцированный подход).
1 вариант. Базовый уровень
Задача №1. Почему ионы являются центрами конденсации водяных паров?
Задача №2. Даны два проводника: у одного из них при меньшем заряде больший потенциал. Какой из них обладает большей емкостью? Как будут перемещаться заряды при их соединении проводником?
2 вариант. Базовый уровень
Задача №1. Если в однородное электростатическое поле поместить проводящий электрический шар, то поле перестает быть однородным. Почему?
Задача №2. Воздушный конденсатор зарядили от источника постоянного напряжения, а затем отключили и расстояние между пластинами увеличили в два раза. Что произошло с энергией электрического поля конденсатора?
3 вариант. Повышенный уровень
Задача. В жидкий диэлектрик опущен положительно заряженный проводник. Что происходит на границе между проводником и поверхностью диэлектрика? Почему?
4 вариант. Повышенный уровень
Задача. Между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами с равными по модулю зарядами помещен легкий шарик на шелковой нити. Будет ли отличаться поведение шарика- проводника и шарика- диэлектрика, если их привести в движение в направлении, как показано на рисунке.
5 вариант. Облегченный уровень
Задача №1. Чем объяснить, что легкий бузиновый шарик, подвешенный на шелковой нити, вначале притягивается к наэлектризованной палочке, а затем отталкивается от нее?
Задача № 2. Обладает ли незаряженный проводник электроемкостью?
YII. Подведение итогов
Пока учащиеся выполняют проверочную работу, преподаватель оценивает коллективные письменные ответы и результаты заносит в таблицу результатов.
Преподаватель: Результаты проверочной работы вы узнаете на следующем занятии. А сейчас подведем итоги групповой и индивидуальной работы.
(Называются количества баллов, набранные группами; отмечаются удачные ответы, активные участники, личные достижения учащихся).
Преподаватель: Вы узнали победителей сегодняшнего путешествия в гравитационном и электростатическом полях Земли. Но правильнее будет считать, что каждый из вас сделал новые шаги по пути познания природы. Дальнейших вам творческих успехов!
Домашнее задание: Сравнить действия полей на человека и другие живые организмы. Решить задачи № и составить к ним подсказки.
Занятие закончено.
Приложение 1. Таблица достигнутых результатов
№ гр |
Фамилия |
Инд. балл |
1 этап |
2 этап |
3 этап |
4 | Итог | Оценка | |||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | Итог | 1 | 2 | 3 | Итог | 1 | 2 | 3 | Итог | 1 | 2 | 3 | Итог | Итог | ||||
| 1 | |||||||||||||||||||||
| 2 | |||||||||||||||||||||
| 3 | |||||||||||||||||||||
Приложение 2
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Приложение 3. Эталоны ответов на задачи 1-ого этапа
Эталон ответа задания 1.1. В поле отрицательно заряженного проводника внести незаряженный заземленный проводник. Электроны под действием сил отталкивания перейдут с незаряженного проводника в Землю, тем самым, создав недостаток отрицательного заряда на этом проводнике. Убрав заземление с проводника, получим проводник положительно заряженный.
Эталон ответа задачи 1.2. Электростатическая индукция приводит к такому перераспределению зарядов на шарах, при котором одноименные заряды оказываются на большем расстоянии, чем одноименные (см. рис.)
А так как сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, то модуль силы отталкивания одноименно заряженных зарядов будет меньше модуля силы притяжения разноименных зарядов.
Может случиться так, что одноименно заряженные металлические шарики будут даже притягиваться. Это возможно, если заряд одного из шариков много больше заряда другого.
Эталоны ответов на задачи 2-ого этапа
В поле 1 незаряженный шар будет двигаться вправо, так как в этом направлении происходит увеличение напряженности поля (Е1 < E2).
В поле 2 он будет двигаться влево (E1 > E2).
В поле 3 шар будет оставаться в покое (E1 = E2)
Эталоны ответов к задаче 2.3.
Так как находящиеся в воде вокруг рыбы предметы отличаются по своей электропроводности от воды, они искажают электрическое поле вблизи одной из боковых сторон поверхности рыбы. По этим искажениям поля рыбы могут ориентироваться в мутной воде и находить добычу.
Эталоны ответов на задачи 3-ого этапа
Потенциал шара определяется согласно формуле: 
Если радиус
первого шара меньше радиуса второго, то его
потенциал выше потенциала второго шара. Движение
положительного заряда происходит в направлении
уменьшения потенциала, т.е. должно выполняться
условие: 
а это
возможно при условии: (k · q / r1) / (k
· Q / r2) >1; r2/r1> Q/q.
При этих условиях положительный электрический заряд может переходить с шара, заряд которого меньше на шар, заряд которого больше пока потенциалы шаров не выравняются.
Эталон ответа задачи 3.2
Проводник в электростатическом поле является эквипотенциальной поверхностью, поэтому разность потенциалов между точками А и В равна нулю, и ток существовать не может. Лампочка гореть не будет.
Эталон ответа задачи 3.3
1 способ
2 способ
Полная энергия W электрона вблизи поверхности
шара 
где
- потенциал,
создаваемый заряженным шаром вблизи
поверхности.
Вдали от шара полная энергия электрона 
, где v–
скорость электрона, 
- потенциал, создаваемый
шаром вдали от поверхности.
Так как полная энергия электрона не меняется, из закона сохранения энергии
, находим
скорость 
.
Эталоны ответов кратковременной проверочной работы
1 вариант. Базовый уровень
Эталон ответа на задачу 1. Молекулы воды по своей природе являются электрическими диполями. При хаотическом движении молекулы водяного пара встречаются с ионами воздуха и происходит взаимодействие их электрических полей, в результате чего молекулы водяного пара оседают на ионах воздуха. Поэтому конденсация водяных паров лучше происходит на электрически заряженных частицах, чем на нейтральных.
Эталон ответа на задачу 2.
Заряд с проводника, потенциал которого выше, будет переходить на проводник, потенциал которого ниже, пока потенциалы не выравняются.
2 вариант. Базовый уровень
Эталон ответа на задачу 1. Согласно принципу суперпозиции полей, результирующее поле вокруг шара искажает картину однородного электростатического поля.
Эталон ответа на задачу 2. Заряд конденсатора
не меняется, а электроемкость, при раздвижении
пластин, уменьшается 
Энергия заряженного
плоского конденсатора W = Q2/(2*C). Из этой
формулы следует, что при раздвижении пластин
плоского конденсатора его энергия
увеличивается. Увеличение энергии плоского
конденсатора происходит за счет энергии внешних
сил, совершающих работу по раздвижению пластин.
3 вариант. Повышенный уровень
Эталон ответа на задачу 1. Под действием электростатического поля проводника жидкий диэлектрик поляризуется и его диполи будут ориентироваться по направлениям линий напряженности. Напряженность суммарного электростатического поля в этом участке уменьшится. А так как напряженность электростатического поля на границе проводник-воздух остается без изменений, диполи диэлектрика испытывают большую силу взаимодействия с полем проводника, окруженной воздухом, чем с полем проводника, помещенном в диэлектрик.
Таким образом, диполи диэлектрика будут перемещаться в сторону действия большей силы, т. е. жидкий диэлектрик будет подниматься по поверхности проводника (образовывая вогнутый мениск) до тех пор, пока электрические силы, действующие на диполи, не уравновесятся силой тяжести поднятого диэлектрика.
4 вариант. Повышенный уровень
Эталон ответа на задачу 1. Шарик-проводник в электрическом поле электризуется через влияние и выведенный из состояния равновесия, притягивается отрицательно заряженной стороной своей поверхности к положительно заряженной пластине. При соприкосновении с пластиной он частично нейтрализует ее положительный заряд и сам, зарядившись положительно, оттолкнется от пластины и притянется к отрицательно заряженной пластине. Где повторится аналогичный процесс. Таким образом, шарик-проводник будет совершать колебания между пластинами, перенося заряд с одной пластины на другую до тех пор, пока пластины не разрядятся. Шарик-диэлектрик в электрическом поле поляризуется и после выведения из положения равновесия притягивается к положительно заряженной пластине и, т. к. отсутствие свободных зарядов не ведет к уменьшению заряда пластины, останавливается около нее, не совершая никаких колебаний.
5 вариант
Эталон ответа на задачу 1. Шарик в электростатическом поле поляризуется, т. е. на поверхности, обращенной к палочке, сосредоточится заряд противоположный по знаку заряду палочки, и шарик притянется к палочке. При соприкосновении шарика с наэлектризованной палочкой часть заряда переходит на шарик. Став одноименно заряженным с палочкой, шарик отталкивается.
Эталон ответа на задачу 2. Электроемкость проводника не зависит от величины заряда, сообщенного ему, а зависит от его формы, размеров, величины внешней поверхности и диэлектрических свойств окружающей среды. Следовательно, незаряженный проводник обладает электроемкостью.