Графические задачи по теме Электродинамика в школьном курсе физики и методы их решения

Введение

Школьное образование в современных условиях должна обеспечить базовый уровень овладения знания по основам наук, обеспечить выпускни-кам школы объем знаний по всем учебным дисциплинам, в том числе по физике на уровне мировых стандартов и с учетом их возрастных возможно-стей, предпочтений и склонностей. Решение этой задачи связано с необходи-мостью пересмотра как содержания курса физики, так и с поиском новых методических подходов, а именно создание новых методических систем обучения физике для базового курса и профильного обучения. Качественные изменения методики преподавания физики связаны с пересмотром требова-ний к процессу подбора учебных задач и методики их использования.
Результаты проведенных бесед с учителями и наблюдений за организа-цией учебного процесса свидетельствуют о том, что большой процент учителей испытывают определенные трудности при изучении законов электрического тока для полных кругов. Причинами этих трудностей подавляющее большинство из них считает ограниченность учебного времени на уроке, низкий общий уровень подготовки и неоднородный состав уча-щихся в классах, отсутствие квалифицированных средств организации данного вида учебной деятельности и методики их применения.
Графический метод решения задач позволяет определить степень само-стоятельности постановки и решения проблемы учащимися. С помощью графических задач создаются проблемные ситуации, а этим активизируется мыслительная деятельность школьников. Необычная постановка вопроса в таких задачах и последующее обсуждение результатов вызывают заинтере-сованность учащихся.
Следовательно, актуальность исследования обусловлена необходимостью применения графических методов решения задач изучении законов, структуры содержания, методики и техники проведения учебного физического эксперимента электрического тока для полных цепей.
Объектом исследования является процесс изучения физики в средней школе.
Предметом исследования является методика и техника решения графи-ческих задач по теме «Электродинамика в школьном курсе физики» и методы их решения.
Для проверки выдвинутой гипотезы нами была поставлена цель: на ос-нове пересмотренной нами учебно-методической литературы отобрать и предложить методики решения графических задач по теме «Электродинами-ка» для изучения основы электродинамики, для достижения указанной цели мы поставили перед собой ряд задач:
1. Описать структуру современного изучения курса электродинамики и основные вопросы электродинамики;
2. Дать типологию задач по физике, их назначение ( в частности, графические задачи)
3. Описать методы решения графических задач в курсе физики ос-новной школы и привести конкретные методы решения.




 
Глава 1. Структура современного изучения курса электродинами-ки. Основные вопросы электродинамики

1.1. Электростатика

Электрический заряд q - скалярная характеристика элементарных ча-стиц, которая характеризует их способность вступать в электромагнитную взаимно - действие, создавать и испытывать влияние электрического поля Е. Он не зависит от скорости частицы, выполняется и закон его сохранения: никакие обоюдного - моде в замкнутой системе не могут изменить ее заряд Q = q1 + q2 + ... + qn
Большинство окружающих тел нейтральные (незаряженные), но при их соприкосновения или трении они электризуются, на них появляется свобод-ное заряд q. Положительным назвали заряд на стекле, которое натерли шелком. Носителями позитивного заряда является протоны, которые входят в состав всех ядер.
Отрицательный заряд создается на шелке при трении о стекло и вызван избытком электронов. Заряд электрона обозначают е (у протона + е). Во всех электрических явлениях более активной роль электронов, поскольку они легко отделяются с периферии атомов или молекул, их масса почти в 1800 раз меньше массы протона, а заряд одинаков. Поэтому их ускорения и подвижность во много раз больше, чем в протонов или позитивных ионов (атом или молекула, потеряли один или более внешних электронов).
Взаимодействие двух точечных неподвижных зарядов q1 i q2 описыва-ется законом Кулона (см. Рис.1.)

Рисунок 1. Обоснование и вывод закона Кулона

Здесь ε0 - электрическая постоянная, равная 8,85 • 10 Ф / м (Фарада (Ф) - единица измерения емкости) r - расстояние между зарядами. В СИ единицей измерения заряда является кулон (Кл = А • с), который определяют через единицу силы тока ампер (А). Для удобства вычисления в зада - чах полезно запомнить такую величину:
Если два разноименное заряженных тела поместить в проводник, кото-рый проводит ток (позволяет движение зарядов), то происходит их взаимная нейтрализация. Заряды в проводнике движутся настолько свободно, что при его заряжании располагаются на самой поверхности, скапливаясь на остриях и выступлениях, поэтому их плотность там наибольшая.
При расположении двух зарядов q1 i q2 на непроводнике/диэлектрике типа стекла, керосина, парафина, дистиллированной воды и др., сила их взаимодействия F оказывается в определенное число меньше по сравнению с силой взаимодействия (1) в вакууме. Величина ε называется диэлектрической проницаемости среды. Для многих процессов (электролиз, биопроцессы) важно, что вода имеет очень большое значение диэлектрической постоянной ε = 81.
С зарядами частиц неразрывно связано распределено вокруг них в ва-кууме и среде электрическое поле. Для неподвижных частиц его называют электростатическим.
Существование поля проявляется в силовом воздействии на помещен-ный в него электрический заряд. Сила F пропорциональна модулю заряда q. Это позволяет ввести основную силовую характеристику электростатическо-го поля - его напряженность Е
Единицей измерения напряженности является ньютон на кулон (Н / Кл) или вольт на метр (В / м). Формула (2) позволяет вычислить действие поля на заряды F = qE в любых случаях, она более универсальна, чем закон Кулона.
Комбинируя эти формулировки, легко находим зависимость от рассто-яния r до точечного заряда (источники поля Q) напряженности электростати-ческого поля (см. Рис.2.) :

Рисунок 2. Иллюстрация вывода формулы напряженности

Поскольку Е-вектор, то для Нахождение результирующей напряженно-сти полей нескольких источников используют векторное сложение отдельных напряженностей (принцип суперпозиции полей):

Рисунок 3. Векоры напряденности полей

Полное представление о распределении поля можно получить, начер-тав линии напряженности, касательные к которым дают направление вектора E в точке соприкосновения. Плотность расположения линий напряженности характеризует значение модуля E.
Если рядом с источником поля Q расположить точечный заряд + q, то под действием поля он будет отталкиваться, и во время этого движения у него будет расти кинетическая энергия Eк. Ситуация напоминает скатывание шарика с крутого склона, когда Еп переходит в Eк. Итак, заряд + q в поле заряда Q имеет определенную потенциальную энергию:


Рисунок 4. Потенциальная энергия и ее проявления

где φ - коэффициент, называется потенциала электростатического поля источника Q в точке, где расположен q. Если q очень удален от Q, то поле на него не действует и на бесконечности потенциал поля равен нулю. Поскольку при удалении заряда q от источника Q поле выполняет работу А по созда-нию кинетической энергии Ек заряда, то для вычисления потенциала данной точки поля по отношению к точкам с φ = 0 можно использовать любую из формул
Единицей измерения потенциала (точнее - разности потенциалов) явля-ется вольт ([φ] = В = Дж / Кл). Потенциал легко измеряется с помощью вольтметров или потенциометров.
Поле называют однородным, если вектор Е одинаков во всех его точ-ках. Такое поле создавай бесконечно большая заряженная плоскость. Если на единицу ее поверхности находится заряд σ (Кл / м2), то напряженность поля плоскости вычисляется по формуле (см. Рис.5)


Рисунок 5. Однородное электростатическое поле.

На практике легко создают подобное однородное поле между двумя разноименно заряженными пластинами с малым расстоянием между ними. Устройство называется конденсатором (рис.1). Разность потенциалов между пластинами принято обозначать U, а расстояние между ними - d. Если напряженность в конденсаторе составляет Е, то, двигая заряд от одной пластины к другой, поле выполняет работу Ее можно вычислить и по фор-муле (6) из-за разницы потенциалов U: A = qU. Из сравнительно - ния этих формул работы следует важный вывод: E \ U связанные простым соотноше-нием (рис.6.).

Рисунок 6. Работа сил электрического поля

случае и в конденсатора можно легко вычислить одну величину через другую. Формула (8) объясняет также, почему единицей Е считают вольт на метр. Не следует забывать, что простая формула (8) применима только для однородного поля; в случае неоднородного поля она значительно сложнее.
Напряженность больше там, где быстрее с расстоянием меняется потен-циал (аналогично тому, что потенциальная энергия меняется быстрее на крутом склоне, где большая скатывающая сила).
При внесении в электростатическое поле (рис.2) проводника (а) и ди-электрика (б) в результате воздействия электростатического поля на обоих появляются (или индуцируются) электрические заряды. Хотя расположение зарядов в них подобное, есть и очень существенные различия: заряды в проводнике перемещаются до этого на поверхность, пока в его объеме не исчезнет электростатическое поле. Итак, для защиты какого-то прибора от поля Е достаточно окружить его со всех сторон хотя бы тонким слоем металла.
В диэлектрике заряды смещаются лишь в пределах молекул, поэтому индуцированные заряды значительно меньше, чем на проводнике, а электри-ческое поле лишь ослабляется, а не исчезая совсем. Из сказанного ранее о взаимодействии зарядов в диэлектрике (она уменьшается в ε раз) следует, что диэлектрик ослабит электростатическое поле конденсатора тоже в ε раз, то есть Е = Е / е, где Е-поле при отсутствии диэлектрика; Е - поле в диэлек-трике.
Равновесие зарядов на проводнике возможна только тогда, когда на каждый из них действует сила, направленная перпендикулярно к поверхно-сти проводника (иначе она змищуватиме их в сторону и равновесие невоз-можна). Отсюда следует, что вектор Е поля проводника перпендикулярно к его поверхности, а каждая точка поверхности имеет один и тот же потенциал φ (в этом легко убедиться с помощью вольтметра).
Потенциал поверхности проводника φ и заряд q связаны между собой соотношением q= Cφ, где размерный коэффициент С называют электроем-кость проводника. Он увеличивается с размером проводника, с ростом ε среды вокруг проводника и при приближении других проводников к данно-му. Единица измерения электроемкости определяется формулой С = q / φ и называется Фарадой (Ф), то есть [С] = Кл / В = Ф. Так как заряд в 1 Кл очень большой, емкость в 1Ф также очень велика. Поэтому на практике часто используют части этой единицы микрофарад (мкФ) 10-6 Ф и пикофарад (пФ) - 10-12 Ф.
Заряженный конденсатор имеет определенную энергию Wc, что вычис-ляется по формуле (6), если приравнять ее к работе, которую исполнит поле конденсатора, перемещая заряд q разностью потенциалов (напряжением) U. При этом напряжение изменяется от начального значения U0 до 0. Поскольку среднее значение U составляет U0 / 2, то работа А при разрядке конденсато-ра емкостью с, заряженного до U0, каждая обложка которого заряд q, вычисляется так:



Рисунок 7. Напряжение в конденсаторе

Здесь в преобразованиях использована формула (см. Рис.7.). Разрядка конденсатора используется довольно часто, особенно тогда, когда необхо-димо выделить значительную энергию лампы-молнии для фото, лазеры, радио - локаторы и др.
Необходимо знать, что электроемкость плоского конденсатора вычис-ляется по формуле, представленной на рис. где S - площадь каждой из его пластин d - расстояние между ними; ε - диэлектрическая проницаемость среды между пластинами; ε0 - электрическая постоянная. По форме пластин различают плоские, цилиндрические и другие типы конденсаторов. Особое значение имеют конденсаторы переменной емкости, которые и позволяют нам настроить радио - приемник на любую станцию. Для этого желательно иметь в конденсаторе диэлектрик с большим ε.
Поскольку промышленность выпускает только конденсаторы с вполне определенными значениями С, то для получения промежуточных значений их соединяют в различных комбинациях. Чаще всего употребляют паралель-ное и последовательное соединение При параллельном сочетании напряже-ние на конденсаторах одинакова (U), а общий заряд q является суммой зарядов каждого конденсатора, поэтому можно записать: