Робота в електричному полі.

Потенціал електричного поля.

Мета.

Навчальна. Ввести поняття роботи електричного поля, потенціалу та різниці потенціалів поля.

Розвиваюча. Розвивати логічне та алгоритмічне мислення, фізичну компетентність.

Виховна. Виховувати культуру наукового мовлення.

Тип уроку. Комбінований.

Дидактичні матеріали:

• Фізика: 10 кл.: підруч. для загальноосвіт. навч. закл.: рівень стандарту/ Бар'яхтар В. Г., Довгий С.О., Божинова Ф. Я, Кірюхіна О. А., ТОВ "Видавництво "Ранок"" , 2018. <<Завантажити>>
• Фізичний довідник. <<Дивитись>>

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Робота в електричному полі. Потенціал електричного поля.
3. Запитання до уроку.
4. Домашнє завдання.
5. Перевір себе.
6. Для допитливих.

Хід уроку

1. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

Самостійна робота:  “Напруженість електричного поля. Провідники та діелектрики в електричному полі”.

2. Робота в електричному полі. Потенціал електричного поля.

Робота в електричному полі. З погляду теорії близькодії на заряд безпосередньо діє електричне поле, створене іншим зарядом. Під час переміщення заряду, діюча на нього з боку поля сила виконує роботу. Тому можна стверджувати, що заряджене тіло в електричному полі має енергію.

Розглянемо дві пластинки, розміщені вертикально. Нехай ліва пластинка заряджена позитивно, а права - негативно.

Обчислимо роботу, що виконується полем під час переміщення позитивного заряду q із точки А, яка знаходиться на відстані d1 від негативної пластини у точку В, розміщену на відстані d2<d1 від тієї ж пластинки. Точки А і В лежать на одній силовій лінії.

Якщо вектор переміщення позитивного заряду співпадає з вектором напруженості поля, електричне поле виконує додатну роботу, якщо протилежні - від’ємну. Для від’ємного заряду навпаки.

На ділянці шляху = d1 - d2 електричне поле виконує додатну роботу:

A == qE(d1 - d2) = - (qEd2 - qEd1)       (1)       

Робота з переміщення зарядженого тіла в електричному полі не залежить від форми траєкторії руху, а визначається положенням початкової і кінцевої точок руху.

Поля, у яких робота не залежить від форми тарєкторії і визначається лише положенням тіла в початковий і кінцевий моменти руху, називають потенціальними полями (гравітаційні, електростатичні).

            Оскільки ця робота не залежить від форми траєкторії, то вона дорівнює зміні потенціальної енергії, взятій з протилежним знаком:

A =  - Wp= - (Wp2 - Wp1)    (2)                         

Порівнюючи рівняння (1) і (2) бачимо, що потенціальна енергія заряду в однорідному електричному полі Wp = qEd, де заряд q може бути і позитивним, і негативним.

При переміщенні зарядженого тіла в електростатичному полі замкнутою траєкторією робота дорівнює нулю: A = Wp = - (Wp2 - Wp1) = 0.

Потенціал електричного поля. Потенціальна енергія в електростатичному полі пропорційна заряду (Wp = qEd), тому відношення Wp до q не залежить від вміщеного в поле заряду. Це дозволяє ввести нову кількісну характеристику поля - потенціал - відношення потенціальної енергії до заряду:

,   [φ] = В = Дж/Кл.

Потенціал - скалярна фізична величина, що є енергетичною характеристикою електричного поля і визначає потенціальну енергію заряду q в довільній точці електричного поля.

Потенціал поля в даній точці рівний тій роботі, яку виконає поле переміщуючи одиничний заряд з даної точки в нескінченність, тобто туди, де поля немає.

Напруженість електричного поля завжди спрямована в бік зменшення потенціалу.

Потенціал однорідного поля: .

Потенціал поля точкового заряду: .

Електричне поле рівномірно зарядженої кулі радіусом R, повний заряд якої q, співпадає ззовні з електричним полем точкового заряду q, поміщеного в центр кулі. Тому напруженість електричного поля і потенціал точок  поля, створеного кулею на відстанях  визначають за формулами, що відповідають напруженості електричного поля і потенціалу, точок поля, створеного точковим зарядом.

Потенціал в довільній точці поля визначають як суму потенціалів, створених окремими точковими зарядами: .

Практичне значення має не сам потенціал, а його зміна. Оскільки , то робота

,

де  - різниця потенціалів або напруга. Вона дорівнює:

 .

Різниця потенціалів (напруга) між двома точками - це фізична скалярна величина, що дорівнює відношенню роботи поля, яка виконується для переміщення заряду із початкової точки поля в кінцеву, до величини цього заряду.

Знаючи потенціал в кожній точці поля, можна знайти напруженість поля. Між напруженістю електростатичного поля E і напругою існує зв'язок. Оскільки A = qEd і A = qU, то у разі рівності лівих частин рівними будуть і праві частини цих формул. Отже, звідси

.                

Ця формула показує:

1) чим менше змінюється потенціал на відстані d, тим меншою є напруженість електричного поля;

2) якщо потенціал не змінюється, то напруженість дорівнює нулю;

3) напруженість електричного поля спрямована в бік зменшення потенціалу.

Під час переміщення заряду під кутом 90° до силових ліній електричне поле не виконує роботу, оскільки сила перпендикулярна до переміщення, а це означає, що всі точки поверхні, перпендикулярної до силових ліній, мають однаковий потенціал. Поверхні однакового потенціалу називають еквіпотенціальними.

Еквіпотенціальне поле - це геометричне місце точок однакових потенціалів.

Еквіпотенціальні поверхні однорідного поля є площинами, а поля точкового заряду - концентричними сферами.

Анімація. Заряди і поля.

Силові лінії, так само, як і еквіпотенціальні поверхні, якісно характеризують розподіл поля в просторі. 

Вектор напруженості електричного поля перпендикулярний до еквіпотенціальних поверхонь.

Еквіпотенціальною є будь-яка поверхня провідника в електростатичному полі.

Мал. Еквіпотенціальні лінії поля над Землею та над заземленими провідниками.

3. Запитання до уроку.

Запитання 92.1. За яких умов в електричному полі виконується робота?

Запитання 92.2. Від чого залежить робота в однорідному електричному полі?

Запитання 92.3. Чому робота при русі зарядженого тіла замкнутою траєкторією в електричному полі дорівнює нулю?

Запитання 92.4. Чому електростатичне поле потенціальне?

Запитання 92.5. Яку властивість поля характеризує потенціал?

Запитання 92.6. Яка поверхня називається еквіпотенціальною?

Запитання 92.7. Що називається різницею потенціалів? Які одиниці вимірювання?

Запитання 92.8. Ви помічали, що птахи люблять сидіти на проводах? Але чому ж вони не гинуть від удару струмом?

4. Домашнє завдання.

Підручник: §.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

Тести онлайн. Робота в електричному полі. Потенціал електричного поля. (Відповіді учнів) (Версія для друку)

5. Перевір себе.

Вправа 92.1. Напруженість та потенціал електричного поля.

6. Для допитливих.

Інформаційна сторінка. Потенціал електричного поля атмосфери Землі.