Методика изучения основных понятий и законов электростатики в систематическом курсе физики

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=Еq=EIt. 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

(электрохимический эквивалент) вещества, численно равный массе вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит заряда в 1 Кл. Делаем вывод Электрический ток в газах Зарядим конденсатор и подключим его обкладки к электрометру. Заряд на пластинах конденсатора держится сколь угодно долго, не наблюдается перехода заряда с одной пластины конденсатора на другую. Следовательно воздух между пластинами конденсатора не проводит ток. В обычных условиях отсутствует проводимость электрического тока любыми газами. Нагреем теперь воздух в промежутке между пластинами конденсатора, внеся в него зажженную горелку. Электрометр укажет появление тока, следовательно при высокой температуре часть нейтральных молекул газа распадается на положительные и отрицательные ионы. Такое явление называется ионизацией газа. Прохождение электрического тока через газ называется разрядом. Разряд, существующий при действии внешнего ионизатора, - несамостоятельный. Если действие внешнего ионизатора продолжается, то через определенное время в газе устанавливается внутренняя ионизация и разряд становится самостоятельным. Виды самостоятельного разряда: - Искровой разряд. Молния. Наблюдается при нормальном давлении и большой напряженности поля между электродами, имеет вид прерывистых ярких зигзагообразных нитей.- Дуговой разряд характеризуется большой плотностью тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами, порядка нескольких десятков вольт.- Тлеющий разряд возникает при понижении давления газа в разрядном промежутке.- Коронный разряд возникает в сильных неоднородных электрических полях. Делаем вывод. Электрический ток в полупроводниках Полупроводники - твердые вещества, проводимость которых зависит от внешних условий (в основном от нагревания и от освещения). При нагревании или освещении некоторые электроны приобретают возможность свободно перемещаться внутри кристалла, так что при приложении электрического поля возникает направленное перемещение электронов. Полупроводники представляют собой нечто среднее между проводниками и изоляторами. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами. Образование электронно-дырочной пары При повышении температуры или увеличении освещенности некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок». Примесная проводимость полупроводников Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости. Электронная и дырочная проводимости. Если примесь имеет валентность большую, чем чистый полупроводник, то появляются свободные электроны. Проводимость – электронная, примесь донорная, полупроводник n – типа. Если примесь имеет валентность меньшую, чем чистый полупроводник, то появляются разрывы связей – дырки. Проводимость – дырочная, примесь акцепторная, полупроводник p – типа. Делаем вывод