Цели урока:
Обучающая:
Рассмотреть, как происходит взаимодействие точечных зарядов.
Добиться понимания учащимися закона Кулона, его физического смысла и границ применения.
Сравнить электростатические и гравитационные силы.
Развивающая: формирование основных навыков решения задач на применение закона Кулона.
Воспитательная: формирование научного мировоззрения.
Оборудование: портрет Кулона, компьютер, CD –проектор, компьютерная презентация по данной теме, CD- диск «Открытая физика 1.1», эбонитовые и стеклянные палочки, раздаточный материал (распечатки задач или задачники)
Ход урока
(В течение 1 и 2 частей урока используется компьютерная презентация)
Оформление доски: Портрет Кулона, таблица «Энергия связи электрона с атомами вещества».
Ребята, в течение двух последних уроков мы с вами рассматривали начала электростатики, ее качественные законы (особенности). Начиная с этого урока, мы приступим к изучению количественных законов электромагнитных взаимодействий, а сегодня рассмотрим основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел или частиц (закон Кулона).
Но прежде, давайте вспомним, что мы с вами изучили на прошлом уроке.
1. Актуализация опорных знаний (10 минут)
1. Почему при электризации трением заряжаются оба трущихся тела?
2. Определите знак избыточных зарядов на дереве после того, как об него потрется кошка. Какие по знаку заряды остаются на шерсти кошки?
3. Остается ли неизменной масса тела при его электризации?
4. Сформулируйте закон сохранения заряда.
5. (Дополнительный вопрос)
Газета «Известия» 22 марта 1969 года поместила следующий репортаж своих корреспондентов : «… В Швеции сейчас наблюдается любопытное явление …Здороваешься за руку, и вдруг тебя бьет током, взялся за какой-то металлический предмет – опять удар. В чем дело? Все объясняется просто. Воздух в Скандинавии сейчас настолько сух, что статическое электричество не уходит из организма, а накапливается в нем в больших количествах. От сверхмерной наэлектризованности люди становятся более раздражительными и повышенно возбудимыми».
Насколько, с точки зрения физики, обоснованы выводы авторов?
(Тульчинский № 506)
Мы с вами сейчас вспомнили, что происходит при взаимодействии тел.
А теперь давайте рассмотрим, с какой силой могут взаимодействовать заряженные тела.
2. Формирование новых знаний (15-20 минут)
Ребята, откройте тетради и запишите тему сегодняшнего урока «Закон Кулона».
Первые количественные результаты по измерению силы взаимодействия зарядов были получены в 1785 году французским ученым Шарлем рвые количественные результаты по измерению силы взаимодействия зарядов были получены в 1785голу Огюстеном Кулоном.
Кулон для измерения этой силы использовал крутильные весы. Их основным элементом был легкий изолирующий стрежень (коромысло) -3, подвешенный за его середину на серебряной упругой нити 4. Верхний конец нити прикреплен к проградуированной шкале 7. С помощью этой шкалы определяют угол закручивания нити.
Маленькая тонкая незаряженная сфера 1 на одном конце коромысла уравновешивалась бумажным диском 5 на другом конце. Поворотом коромысла она приводилась в контакт с такой же неподвижной заряженной сферой 2, в результате чего ее заряд делился поровну между сферами.
Диаметр сфер выбирался намного меньше, чем расстояние между сферами, чтобы исключить влияние размеров и формы заряда на результаты измерений.
Для упрощения понимания сути физического процесса мы рассмотрим новую модель- точечный заряд(так же точечный источник света, идеальный газ, кристаллическая решетка)
Запишем определение : Точечный заряд – заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного действия на другие тела.
Все части прибора помещены в стеклянный цилиндр, на поверхности которого нанесена шкала, позволяющая определять расстояние между шариками при различных положениях.
При сообщении сферам одноименных зарядов они начинали отталкиваться, закручивая упругую нить. Максимальный угол поворота коромысла, был пропорционален силе, действующей на сферу 1.
Кулон определял силу взаимодействия заряженных сфер по углу закручивания нити в зависимости от расстояния между ними.
В результате многочисленных измерений силы взаимодействия двух неподвижных точеных зарядов в вакууме Кулон установил закон, названный впоследствии его именем
Закон Кулона:
Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена по прямой, соединяющей заряды:
где :
q 1,q 2 - величина зарядов [Кл]
r- расстояние между зарядами [м ]
k – коэффициент пропорциональности
F12- сила Кулона (кулоновская сила) [Н]
(Ребята давайте запишем в тетрадь закон Кулона, величины и единицы их измерения).
В СИ единица заряда является не основной, а производной. Единица измерения «кулон» определяется с помощью –«ампера», основной единицы силы тока в СИ.
Кулон – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника, при силе тока 1А за 1с.
В СИ коэффициент пропорциональности в законе Кулона равен:
k= 9*10 9 (Н*м2) / Кл2
Часто его записывают в виде: k= 1/ (4пe0 )
где e0= 8,85 *10 -12 Кл 2 / (Н*м2 ) – электрическая постоянная
Рассмотрим силы взаимодействия зарядов:
Кулоновские силы, как и гравитационные, подчиняются 3 закону Ньютона:
F12 = -F21
- Кулоновская сила является центральной.
- Силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела.
Электрические силы отталкивания принято считать положительными, силы притяжения - отрицательными. Знаки сил взаимодействия соответствуют закону Кулона: произведение одноименных зарядов является положительным числом, и сила отталкивания имеет положительный знак. Произведение разноименных зарядов является отрицательным числом, что соответствует знаку силы притяжения.
Границы применимости закона:
Заряженные тела должны быть точечными. Если же размеры и расстояния соизмеримы, то закон Кулона не применим. В этом случае необходимо мысленно «разбить» тело на такие малые объемы, чтобы каждый из них отвечал условию точечности. Суммирование сил, действующих между элементарными объемами заряженных тел, дает возможность определить электрическую силу.
Заряженные тела должны быть неподвижными, т.к. при движении заряженных тел проявляется действие магнитного поля, возникающего в результате этого движения.
3. Формирование умений и навыков.
Решение качественных и количественных задач:
Известно, что стеклянная палочка, потертая о шелк, заряжается положительно. Определите экспериментально знак заряда пластмассовой ручки, потертой о шерсть.
Может ли одно и то же тело, например эбонитовая палочка, при трении электризоваться то отрицательно, то положительно. Проверьте это на опыте.
Определите силу взаимодействия электрона с ядром в атоме водорода, если расстояние между ними равно 0,5 *10 -10 м.
Во сколько раз кулоновская сила взаимодействия электрона с ядром в атоме водорода больше силы их гравитационного взаимодействия? Масса электрона mе =9,1*10 -31кг, масса протона mр=1,67*10 -27кг, гравитационная постоянная G= 6,67 *10 -11 Н*м2 / кг 2
(Примерно во столько же раз масса Галактики больше массы человека.)
Определите силу взаимодействия 2 одинаковых точечных зарядов по 1 мкКл, находящихся на расстоянии 30 см друг от друга.
Сила взаимодействия двух одинаковых точечных зарядов, находящихся на расстоянии 0,5 м, равна 3,6 Н найдите величины этих зарядов.
На каком расстоянии нужно расположить два заряда 5*10 -9 Кл и 6*10 -9 Кл, чтобы они отталкивались друг от друга с силой 12*10-5 Н.?
Два одинаковых шарика находятся на расстоянии 40 см друг от друга. Заряд одного из них 9*10 -9 Кл, а заряд другого 2*10-9 Кл. Шарики привели в соприкосновение и вновь раздвинули на такое же расстояние. Найдите силы их взаимодействия до и после соприкосновения.
4. Итог урока. Выставление оценок.
Домашнее задание §77. Задача 4 стр. 360 – учебник
Примечание: Во время урока так же можно использовать диск «Открытая Физика», показать взаимодействие заряженных тел.
Приложение 1 (самостоятельная работа )
Приложение 2 (тест)
Приложение 3 (более подробно устройство крутильных весов)
Приложение 4 (Биография Кулона)
Приложение 5 (Презентация)
Приложение 6 (таблица «энергия связи электрона с атомами)