Усі уроки фізики 10 клас ІI семестр - Рівень стандарт - 2018 рік

Розділ IV. Електричне поле

УРОК № 98 / IV-5. РОБОТА З ПЕРЕМІЩЕННЯ ЗАРЯДУ В ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОМУ ПОЛІ

Мета: 1) ввести поняття роботи електростатичного поля з переміщення заряду в ньому, вивести формулу для розрахунку роботи електричного поля;

2) продовжити розвиток логічності мислення, вмінь аналізу фізичної задачі та визначення способів її рішення;

3) сприяти формуванню уважності та наполегливості під час розв'язування задач.

Очікувані результати: учні знають: властивості електричного поля, принцип суперпозиції, визначення напруженості електричного поля, пробного електричного заряду; розуміють сутність силової характеристики електричного поля, вміють відображати електричне поле за допомогою силових ліній, класифікують електричні поля на однорідні та неоднорідні, застосовують формулу для розрахунку роботи електричного поля з переміщення електричного заряду.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ХІД УРОКУ

I. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ МОМЕНТ 1 хв

ІІ. ПЕРЕВІРКА ДОМАШНЬОГО ЗАВДАННЯ (ЦОР) 3 хв

ІІІ. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Як обчислити роботу з переміщення заряду в однорідному електростатичному полі

Нехай в однорідному електричному полі напруженістю позитивний точковий заряд q переміщується із точки 1 з координатою х₁ в точку 2 з координатою x₂.

Робота, виконана силою з переміщення тіла, дорівнює A = Fs cos α. У нашому випадку сила а s cos α = d = x₂ — x₁.

Виходить, робота сил однорідного електростатичного поля під час переміщення електричного заряду із точки 1 в точку 2 дорівнює: A_1-2 = qE(x₂ - x₁), або A_1-2 = qEd.

Якби заряд переміщався із точки 2 у точку 1, то знак роботи змінився б на протилежний, тому що роботу виконували б проти сил поля. Очевидно, що під час переміщення заряду q із точки 1 у точку 2 і назад була виконана робота, що дорівнює: A = A₁ + A₂. Оскільки заряд q повернувся у вихідну точку, то система зарядів залишилася незмінною, а отже, і поле залишилося вихідним. Кожне поле має певну енергію. Енергія в цьому випадку залишилася незмінною, а оскільки робота є мірою зміни енергії, то сумарна робота дорівнює нулю: A = 0. Звідси випливає, що |A₁| = |A₂|.

Аналогійні міркування можна провести й у випадку, якщо переміщати заряд q із точки 1 у точку 2 і назад по інших траєкторіях. На підставі вищевикладених міркувань можна зробити висновки:

1) робота в електростатичному полі залежить не від форми шляху, а тільки від положення точок у полі, між якими переміщається заряд;

2) робота з будь-якого замкнутого контуру в електростатичному полі дорівнює нулю.

2. Як обчислити роботу з переміщення заряду в полі, створеному точковим зарядом

Нехай поле створене позитивним точковим зарядом Q, розташованим у вакуумі, а позитивний пробний заряд q рухається в цьому полі із точки 1 у точку 2.

Припустімо, що спочатку заряд q рухався вздовж радіуса на ділянці 1 → 2', а потім уздовж дуги на ділянці 2' → 2. Тоді робота A_1-2 поля під час переміщення заряду із точки 1 у точку 2 дорівнює сумі робіт A_1-2, і A_2'-2 на цих ділянках: A_1-2 = A_1-2' + A_2'-2.

Очевидно, що робота A_2'-2 дорівнює нулю, оскільки в цьому випадку вектор сили в будь-який момент часу перпендикулярний до вектора переміщення. Щоб визначити роботу А_1-2', розіб’ємо весь шлях r заряду на ділянці 1 → 2' на дуже маленькі відрізки Δr, на яких силу можна вважати постійною. Тоді робота ΔA поля на кожному відрізку Δr дорівнюватиме: Роботу поля на всьому шляху можна визначити як суму: Звідси можна обчислити роботу, яку виконують сили поля, створеного точковим зарядом Q, під час переміщення пробного заряду q із точки 1 у точку 2:

3. Як пов'язані робота й потенціальна енергія

Тіло, що перебуває в потенціальному полі, має потенціальну енергію, за рахунок зменшення якої сили поля виконують роботу. Тому заряджене тіло, поміщене в електричне поле, має потенціальну енергію. А різниця її значень у довільних точках 1 і 2 дорівнює роботі, яку повинні виконати сили поля, щоб перемістити заряд із точки 1 у точку 2: A_1-2 = W_n1 — W_n2.

Отже, A_1-2 = -ΔW_n, де W_n1 і W_n2 — потенціальні енергії заряду в точках 1 і 2 відповідно.

Виберемо нульову точку (нагадаємо, що нульовою точкою називають точку, у якій потенціальна енергія заряду дорівнює нулю). Зазвичай за нульову точку вибирають будь-яку точку, що нескінченно віддалена від зарядів, які створюють поле: W_n → 0, якщо r → ∞. У цьому випадку W_n2 = 0, а W_1-∞ = W_n1. Тобто потенціальна енергія заряду в цій точці електростатичного поля дорівнює роботі, яку повинне виконати поле з переміщення заряду із цієї точки в нескінченність.

Отже, Енергія взаємодії двох точкових зарядів має сенс роботи, яку повинне виконати електростатичне поле для збільшення відстані між цими зарядами від r до нескінченності.

Якщо система складається із зарядів одного знаку, то внаслідок дії сил відштовхування заряди намагаються віддалитися один від одного на нескінченно велику відстань.

Тому енергія системи зарядів є позитивною; у результаті видалення зарядів енергія системи зменшується до нуля (графік 1 на рисунку).

Якщо система складається із зарядів протилежних знаків, тоді уже не сили поля, а зовнішні сили мають виконати позитивну роботу, щоб віддалити заряди на нескінченно велику відстань. Тому у разі віддалення зарядів один від одного енергія їх взаємодії буде збільшуватися до нуля, а від самого початку вона була негативною (графік 2 на рисунку).

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

1. Чи залежить робота з переміщення зарядженого тіла з однієї точки поля в іншу від форми траєкторії?

2. Які поля називають потенціальними?

3. За рахунок якої енергії сили електростатичного поля виконують роботу?

4. За якої умови переміщення електричного заряду з однієї точки електричного поля в іншу не потребує витрат енергії?

5. Що називають нульовою точкою потенціальної енергії? яку точку найчастіше вибирають за нульову?

IV. ЗАКРІПЛЕННЯ ЗНАНЬ УЧНІВ

1. Однойменно заряджені тіла зближують. Яку роботу виконують сили електричного поля — позитивну або негативну? Як змінюється енергія електричного поля: збільшується або зменшується?

2. Як зміниться потенціальна й кінетична енергія позитивного заряду, що перебуває на порошині, яка вільно переміщається в полі точкового позитивного заряду у напрямку силової лінії?

3. Як треба переміщати точковий заряд у полі іншого (нерухомого) точкового заряду, щоб потенціальна енергія взаємодії зарядів не змінювалася?

4. В однорідному полі під кутом 60° до напрямку силових ліній переміщується заряд 5 нКл. Визначте роботу поля й зміну потенціальної енергії заряду, якщо напруженість поля дорівнює 30 кН/Кл, а модуль переміщення заряду становить 20 см. як зміняться отримані значення, якщо переміщатиметься заряд -5 нКл?

5. Два однакових точкових заряди по 50 мкКл кожний перебувають на відстані 1 м один від одного. яку роботу необхідно виконати, щоб зблизити ці заряди до відстані 50 см?

6. Дві нескінченно довгі паралельні плоскі пластини заряджені різнойменними зарядами поверхневої густини 3 ∙ 10^-4 Кл/м². Відстань між пластинами дорівнює 1,5 см. Визначте роботу, яку виконує поле, переміщаючи заряд 2,5 ∙ 10^-6 Кл з однієї пластини на другу.

V. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Вивчити відповідний параграф підручника, конспект уроку, відповісти на запитання після параграфа, виконати завдання за задачником.