Урок по физике в 10-м классе по теме "Диэлектрики и проводники в электрическом поле"

Цели:

• Образовательная: формирование представления о проводниках и диэлектриках; обеспечение в ходе урока понимания учащимися отличия проводников от диэлектриков с точки зрения электронной теории; создать условия для формирования понятие о диэлектриках и их физической природе с точки зрения электронной теории.
• Развивающая: способствовать развитию познавательной активности, образного мышления; способствовать дальнейшему развитию умений выделять главное, сравнивать, анализировать, делать выводы.
• Воспитательная: воспитание чувства ответственности и готовности к сотрудничеству; приобретение навыков общения и самоорганизации; способствовать формированию научного мировоззрения..

Оборудование: персональный компьютер, мультимедийный проектор, экран, электрометр с набором тел, гильза на штативе, пластина из оргстекла, лист пластика.

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, практический.

Учебник: Физика 10 класса, В.А. Касьянов, М., ДРОФА, 2005 г.

План урока

ХОД УРОКА

Организационный момент:

На предыдущих уроках по теме “электростатика” мы увидели много опытов, демонстрирующих электрические взаимодействия. Эти и другие не менее интересные опыты и явления можно осознать и объяснить после изучения темы урока.

Объявление темы урока: (приложение 1, слайд №1)

Ребята, запишите в тетради тему урока: “Диэлектрики и проводники в электростатическом поле”. На этом уроке мы рассмотрим поведение в электростатическом поле веществ, которые не могут проводить электрический ток (диэлектриков), и тех веществ, которые его проводят (проводники) (приложение 1, слайд №2).

Вашему вниманию предлагается лекционная подача материала, в тетради необходимо сделать краткие записи, которые помогут в подготовке по теме.

1. Учащимся предлагается план лекции (приложение 1, слайд № 3).
2. Проводники и диэлектрики.

Учитель: Давайте разберемся, почему диэлектрики не проводят электрический ток.

Диэлектрики - это вещества, не содержащие свободных заряженных частиц, т.е. таких заряженных частиц, которые способны свободно перемещаться по всему объему тела. Поэтому диэлектрики не могут проводить электрический ток.

Диэлектрики иначе называются изоляторами, назовите примеры твердых тел, являющихся диэлектриками (изоляторами).

Ученики: Диэлектриками являются многие твердые тела (фарфор, янтарь, эбонит, стекло, кварц, мрамор и др.), некоторые жидкости (например, дистиллированная вода) и все газы.

Учитель: По внутреннему строению диэлектрики разделяются на полярные и неполярные (приложение 1, слайд № 4).

В полярных диэлектриках молекулы являются диполями, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К таким диэлектрикам относятся спирт, вода, аммиак и др. (приложение 1, слайд № 5).

Рассмотрим поведение типичного полярного диэлектрика в электрическом поле (слайд №6). Сообщаем, что в отличие от проводников в диэлектриках нет свободных зарядов, которые могли бы под действием поля перемещаться по всему объему. Все электрические заряды диэлектрика связаны с молекулами и атомами вещества. Под действием электрического поля эти заряды могут смещаться только в пределах микроскопических объемов. Процесс смещения этих зарядов называют, поляризацией диэлектриков.

Неполярные диэлектрики состоят из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. К таким веществам относятся инертные газы, водород, кислород, полиэтилен и др. (приложение 1, слайд № 7, 8).

Если диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то происходит поляризация диэлектрика. При этом процессе молекулы диэлектрика ориентируются по внешнему электрическому полю. На противоположных поверхностях диполя появляются связанные заряды. Это приводит к тому, что в диэлектриках возникает свое электрическое поле, направленное против внешнего, и в сумме поле внутри диэлектрика будет меньше внешнего. Диэлектрическая проницаемость, о которой мы говорили раньше, характеризует способность диэлектрика к ослаблению внешнего поля (приложение 1, слайд № 9, 10).

Внесём полярный диэлектрик в электростатическое поле и посмотрим, что при этом произойдёт. В полярных диэлектриках поляризация происходит в результате переориентации диполей. Когда нет внешнего поля, диполи сориентированы хаотично и суммарное поле внутри вещества равно нулю. Во внешнем поле под действием кулоновских сил происходит поворот диполей. Воздействие внешнего электрического поля испытывают все молекулы диэлектрика. Это приводит к тому, что в диэлектрике возникает собственное электрическое поле. Электрическое поле внутри диэлектриков будет ослаблено по сравнению с внешним полем Е. Наряду с ориентирующим действием кулоновских сил, дипольные молекулы находятся под влиянием теплового движения. Тепловое движение стремится нарушить ориентацию диполей (приложение 1, слайд № 11, 12).

Когда неполярный диэлектрик помещают во внешнее электрическое поле, происходит перераспределение зарядов внутри молекул таким образом, что в целом в диэлектрике появляется собственное поле. В отличие от полярных диэлектриков, здесь нет влияния теплового движения на процесс поляризации (приложение 1, слайд № 13, 14).

Убедимся в этом на опыте. Возьмём электрометр с металлическим диском и зарядим его положительно. Поднесём к диску лист пластика, стрелка электрометра приблизилась к стержню. Значит, диэлектрик ослабляет поле диска.

Для того чтобы описать, как сильно ослабляет диэлектрик электрическое поле, вводят величину, которую называют диэлектрической проницаемостью.

Если обозначить Ео - напряжённость электрического поля в вакууме;

Е - напряжённость электрического поля в диэлектрике;

e-диэлектрическая проницаемость среды, то получим формулу (приложение 1, слайд № 15):

Главное отличие проводников от диэлектриков - наличие свободных зарядов, которые могут перемещаться под действием кулоновских сил. Это свойство проводников позволяет объяснить их поведение в электрическом поле (приложение 1, слайд № 16, 17).

Если проводник заряжен, то есть на нем находится избыточный заряд какого-либо знака, то из-за того, что одноименные заряды отталкиваются, они будут стремиться занять как можно больший объем и окажутся все на поверхности проводника. Наличие поля внутри привело бы к непрерывному движению зарядов до тех пор, пока поле не исчезло бы. Таким образом, внутри заряженного проводника электростатическое поле отсутствует. Потенциал внутри проводника постоянен (приложение 1, слайд № 18).

Проведём опыт. Поднесём незаряженную гильзу к заряженной стеклянной пластине. Гильза притянется к пластине. А ведь в электрические взаимодействия вступают только заряженные тела! Посмотрим, как такое возможно. Когда мы подносим гильзу к заряженной пластине, то под действием её электрического поля свободные электроны металлической гильзы приходят в направленное движение и собираются на левой стороне гильзы. Поэтому гильза притягивается к пластине (приложение 1, слайд № 19).

Правая сторона гильзы, с которой “сбежали” электроны, заряжается положительно. Поэтому внутри гильзы возникает своё электрическое поле, направленное против внешнего поля. И как только внутреннее поле станет равным внешнему полю, движение электронов прекратится. Внутри заряженного проводника поле становится равным нулю (приложение 1, слайд № 20).

Если проводник поместить во внешнее электрическое поле, то начнется перемещение свободных зарядов таким образом, что положительные заряды скапливаются на одной стороне, а отрицательные - на противоположной. Перераспределение зарядов будет происходить до тех пор, пока поле, созданное этими зарядами, не скомпенсирует внешнее поле. Если в этот момент разделить проводник плоскостью, перпендикулярной внешнему полю, то разделенные части проводника окажутся заряженными разноименно.

В разделении зарядов и заключается явление электростатической индукции. Благодаря этому явлению осуществляется электростатическая защита. Если какой-либо прибор необходимо защитить от внешних электрических полей, то его помещают в проводящую оболочку (приложение 1, слайд № 21, 22).

Этот вывод наглядно продемонстрировал английский физик Майкл Фарадей. Он провёл следующий опыт. Оклеил большую деревянную клетку листами станиоля (оловянной бумагой) и изолировал её от Земли. При помощи электрической машины Фарадей очень сильно зарядил клетку, а сам поместился в неё с чувствительным электроскопом. При этом электроскоп не показывал никакого отклонения.

Можно провести подобный опыт. (Демонстрируется опыт)

Возьмём электрометр, на стержне которого укреплена малая сфера, и поднесём к нему положительно заряженную стеклянную пластину. Под действием поля пластины стрелка электрометра отклонится от стержня. Накроем теперь сферу калориметром и так же поднесём заряженную пластину. Стрелка отклоняться не будет. Калориметр оказывает экранирующее действие. Внутри него электрического поля нет.

Если напряженность электрического поля будет направлена под углом к поверхности проводника, то под действием составляющей этого поля, параллельной поверхности, заряды двигались бы непрерывно, что противоречит закону сохранения энергии. Отсюда следует вывод - напряженность электростатического поля перпендикулярна поверхности проводника. Также известно, что эквипотенциальные поверхности перпендикулярны силовым линиям, поэтому поверхность проводника является эквипотенциальной (приложение 1, слайд № 23).

Сегодня на уроке мы разобрали поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле. Сделаем выводы: (приложение 1, слайд № 24, 25).

• Диэлектрики - это вещества, не содержащие свободных заряженных частиц.
• В полярных диэлектриках молекулы являются диполями, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.
• Неполярные диэлектрики состоят из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.
• При поляризации молекулы диэлектрика ориентируются по внешнему электрическому полю.
• Диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика к ослаблению внешнего поля.
• Тепловое движение влияет на поляризацию полярных диэлектриков.
• Главное отличие проводников от диэлектриков - наличие свободных зарядов, которые могут перемещаться под действием кулоновских сил.
• Внутри заряженного проводника электростатическое поле отсутствует.
• Потенциал внутри проводника постоянен.
• Напряженность электростатического поля перпендикулярна поверхности проводника. Поверхность проводника является эквипотенциальной

Самопроверка Выполнение тестового задания (на карточках).

1. Какое из перечисленных веществ лишнее?
1. Железо
2. Резина
3. Дерево
4. Шёлк
2. Диэлектрик поместили в электростатическое поле, а затем разрезали на две части. Полученные половинки оказались…
1. Разноименно заряженными
2. Одноименно заряженными
3. Нейтральными
4. Однозначно ответить нельзя
3. Какое явление называется поляризацией диэлектрика?
1. Разделение разноименных зарядов в электрическом поле
2. Процесс передачи диэлектрику заряда
3. Смещение относительно друг друга связанных зарядов в молекуле под действием электрического поля
4. Распад молекул на ионы
4. Напряженность электростатического поля в вакууме 20 кН/Кл. Какова напряженность этого поля в керосине, если его диэлектрическая проницаемость равна 2?
1. 1000 Н/Кл
2. 10000 Н/Кл
3. 20000 Н/Кл
4. 40000 Н/Кл
5. На рисунке изображены различные вещества, внесенные в однородное электрическое поле. Стрелками показано направление линий напряженности внешнего поля. Укажите диэлектрик.



1. Только 1
2. Только 2
3. 1 и 2
4. Нет верного ответа

Домашнее задание: §§ 85–87 по учебнику В.А.Касьянова-10; конспект лекции.

Заполнить таблицу (пропущенные клетки)