Урок по основам электростатики
методическая разработка по физике (10 класс)

Семинарское занятие “Напряженность электростатического поля”. Силовые линии. Проводники и диэлектрики в электростатическом поле.

Урок проводится на базе 10 класса в течение двух академических часов.

Цели урока:

Обучающие и развивающие:

Обобщение и систематизация знаний и умений по теме электростатика.

Прогнозирование способов перевода школьников к заданному целями обучения результату на основе обратной связи и преодоления возможных затруднений в работе.

Усиление активности, самостоятельности, творческой деятельности учащегося.

Формирование у школьников положительной мотивации и потребности в знаниях.

Использование проектной деятельности учащихся в группах, основанные на сборе и систематизации информации по различным вопросам электростатики, результаты исследовательских проектов учащиеся представляют в классе в виде работы на интерактивной доске. Проектные занятия направлены в первую очередь на воспитание культуры сотрудничества и культуры труда. Оценка проектов является сложным процессом, она должна учитывать не только приобретенные знания, но и практические навыки, учитывающие умение работать на интерактивной доске, уровень развития речи, владение терминологией предмета. В случае проектов, которые реализуются в группах, усложняющим фактором является необходимость оценки не только всей группы, но и ее отдельных членов.

Реализация принципа проблемности обучения. Связь обучения с жизнью, теории с практикой.

Организация самостоятельной работы и эффективность ее проверки.

Воспитательные цели:

Развитие волевых качеств: трудолюбия, ответственности, прилежания. Привитие интереса к знаниям, предмету. Формирование трудовых и учебных навыков. Использование возможностей словесной и балльной системы, сочетание принципиальности с разумной требовательностью. Воспитательное воздействие личности ученых.

Оформление кабинета:

На доске прикреплены три портрета ученых: Ш.О.Кулон, Дж.К.Максвелл, М. Фарадей, и цитаты: “Наука захватывает нас только тогда, когда заинтересовавшись жизнью великих исследователей, мы начинаем следить за историей их открытий”, Дж.К.Максвелл, “Имей мужество пользоваться своим умом”, Иммануил Кант. На другой доске плакаты:

1. Плакат по электростатике
2. Диэлектрики в электростатическом поле
3. Проводники в электростатическом поле.

На интерактивной доске Флипчарт №1, отражающий основные этапы семинарского занятия. На столе стоят приборы по электростатике для практической поисковой работы учащихся в группах.

    Содержание урока:

             Урок проводится в виде игры­ ­– заседания ученого совета

1. Вступительное слово учителя:

Добрый день, уважаемые сотрудники и гости. Я рада приветствовать Вас на открытом заседании кафедры теоретической физики в НИИ №1. Тема заседания: “Теоретические основы электростатики”. Наша кафедра теоретической физики состоит из шести конструкторских бюро, сотрудники конструкторских бюро работают вместе в течение шести месяцев и за прошедший период смогли показать хорошие результаты в достижении поставленных перед ними задач. На сегодняшний день в наше НИИ, на кафедру теоретической физики поступил заказ на разработку “Методов решения различных типов задач по электростатике”. Лучшее конструкторское бюро получит преимущество в выборе темы заказа. А чтобы преступить к заказу мы должны проверить Вашу теоретическую подготовку по теме электростатика. Защита будет проходить по трем видам работ:

1. Это Ваши проекты по одной из тем электростатики, выполненные в виде флипчартов на интерактивной доске. Этот конкурс будет оцениваться по трем критериям: теоретический отбор материала, его техническое оформление, Ваше умение представить свой материал слушателям. Максимальная оценка за этот конкурс – 15 баллов.
2. Это ваше умение применить теоретические знания на практических задачах, выявить скорость мышления, слаженность и быстроту работы каждого конструкторского бюро. Максимальная оценка – 10 баллов.
3. Выявление слабых звеньев и ярких индивидуальностей в каждом КБ, и Ваш личный вклад в деятельность КБ. Каждый участник получит индивидуальное задание, построенное по принципу от простого к сложному. Максимальная оценка – 10 баллов.

Желаю всем успеха.

2. Приступаем к первому конкурсу:      

К доске приглашается конструкторское бюро №1. Тема проекта:    

“Напряженность электростатического поля”. Для презентации проекта Вам предоставляется 5 минут. (Класс можно разбить на группы по 4-5 человек, темы проектов они получают заранее, чтобы тема была раскрыта можно дать учащимся дополнительные вопросы, по которым они будут готовить флипчарты).

На доске появляется флипчарт КБ №1. Вспомогательные вопросы, по которым готовилась группа №1:

1. Характеристика пробного заряда, который нужно поместить в электростатическое поле для его экспериментального изучения.(Ответ: Это будет какое-то заряженное тело, которое, во-первых, должно иметь достаточно малые размеры, чтобы можно было судить о свойствах поля в определенной точке пространства и, во-вторых, его электрический заряд должен быть достаточно малым, чтобы можно было пренебречь влиянием этого заряда на распределение зарядов, создающих изучаемое поле).
2. Что такое напряженность электростатического поля? Что имеют в виду, когда ее называют силовой характеристикой электрического поля? Зависит ли напряженность поля от пробного заряда, помещенного в данную точку поля?

Открывается страница №1 КБ №1, один из участников группы объясняет независимость напряженности электростатического поля от величины пробного заряда, вносимого в поле, и во время объяснения дополнительный материал вписывает на флипчарте. Вот то, что можно вписывать на флипчарте:

E=F/q,

увеличиваем пробный заряд в 5 раз, тогда рассматриваем кулоновскую силу  до увеличения заряда и после:

F=k|q0||q|/r2,

F1=k|q0||5q|/r2,

следовательно, F1=5F, значит, во сколько раз увеличился пробный заряд, во столько раз и возросла и действующая на него сила со стороны поля. Таким образом, напряженность не зависит от величины пробного заряда.

Второй участник первой команды открывает страницу №2 и отвечает на вопросы: Чему равна напряженность точечного заряда по модулю? От чего она зависит?

Он вписывает на доске дополнительный материал:

E=F/q,

F=k|q0||q|/r2,

Если ее подставить в формулу для напряженности, то получим результат:

E=k|q0|/r2,

следовательно, напряженность зависит от величины заряда создающего поле и от расстояния от заряда до точки, в которой мы исследуем поле. При приближении к создающему поле точечному заряду, напряженность стремится к бесконечности при расстоянии, стремящемся к нулю.

Страница №3 флипчарта КБ №1, следующий участник должен ответить на такие вопросы: Как направлен вектор напряженности? И записать на доске единицу напряженности в СИ и формулу кулоновской силы через напряженность.

И последний участник открывает страницу №4 флипчарта КБ №1, формулирует принцип суперпозиции полей и объясняет чертеж.

После выступления КБ №1, к доске приглашается КБ №2, их проект: “Силовые линии электрического поля. Напряженность поля заряженного шара”. Открывается флипчарт КБ №2 страница №1. Участник отвечает на вопрос: Что называют силовыми линиями электрического поля? Объясняет демонстрируемый опыт. И дает полную характеристику силовым линиям. Следующий участник открывает страницу №2 флипчарта КБ №2. Объясняет картины силовых линий, вводит понятие однородного поля, объясняет  какие направления приписывают силовым линиям. Отвечает на вопрос  о том, могут ли силовые линии пересекаться?

Открывается страница №3 флипчарта КБ№2. Участники должны ответить на вопрос: Чему равна напряженность поля заряженного, проводящего шара? И сравнить ее с напряженностью точечного заряда, объяснить график E(r).

К доске приглашается КБ №3. Тема проекта: “Проводники в электростатическом поле”. Открывается флипчарт КБ №3.

Вспомогательные вопросы:

1. Какие заряды называют свободными?
2. Какие вещества называют проводниками? Приведите примеры.
3. Чему равен суммарный заряд незаряженного проводника?
4. Как размещается избыточный заряд на изолированном проводнике в отсутствии внешнего электростатического поля?
5. Чему равна напряженность поля внутри проводника, помещенного в электростатическое поле? Ввести понятие индуцированных зарядов или наведенных.

После демонстрации трех проектов можно прервать первый           конкурс, следующие проекты посмотреть позднее и приступить к конкурсу №2.

  3) Конкурс №2:

Тема качественных задач: “Проводники и диэлектрики в электростатическом поле”. Каждая команда получит по одному практическому заданию и ровно через 2 минуты продемонстрирует нам опыт и объяснит его теоретически. (Опыты по электростатике капризны, поэтому пока один человек у доски объясняет процесс, другие члены команды ставят опыт, вопрос команда зачитывает в слух, если команда не справляется, другие команды могут заработать дополнительные баллы) Текст задач демонстрируется дополнительно на доске (экспериментальные и качественные. doc). Общее время на 2-ой конкурс со всеми организационными моментами и обдумыванием вопросов – 25 минут.

Вопросы:

КБ №1

Почему электронейтральная металлическая сфера притягивает как положительные, так и отрицательные заряды, находящиеся на малых расстояниях от нее? Объяснить теоретически, показать на практике.

КБ №2

Показать опыт и объяснить его: Поднесите заряженную палочку поочередно к кусочку ваты, положенному на деревянный стол и на стеклянную пластинку. Почему кусочки ваты притягиваются в первом случае сильнее, чем во втором? Обратите внимание на то, что дерево гораздо лучший проводник, чем стекло.

КБ №3

Как действует наэлектризованная стеклянная палочка на магнитную стрелку?

КБ №4

Электроскоп, стоящий вблизи действующей статической машины, заряжается. Почему? Как устранить действие машины на электроскоп?

КБ №5

В центре полого изолированного металлического шара находится заряд. Отклонится ли заряженный грузик, подвешенный на шелковой нити и помещенный вне шара? Разберите подробно, что при этом происходит. Что будет, если шар заземлен?

КБ №6

К шарику заряженного электроскопа подносят, не касаясь его, незаряженное металлическое тело. Как изменится отклонение листков? Объясните это явление.

Опыты и ответы:

Предварительно должна быть проведена беседа по технике безопасности с электроприборами.

Ответ КБ №1:

С помощью электрофорной машины заряжают противоположными знаками 2 султанчика и поочередно подносят к шарику на электрометре. Объяснение: металл – это проводник, имеющий свободные заряды, если подносим к нему заряженное тело, то на поверхности металла, с той стороны, где мы подносим заряженное тело, возникает индуцированный заряд противоположного знака.

Ответ КБ №2:

Они демонстрируют опыт с помощью эбонитовой палочки, потертой о мех и объясняют, почему ватка притянется в первом случаю быстрее, чем во втором. Объяснение: так как дерево лучший проводник, чем стекло, то в первом случае индуцированный заряд уходит через дерево в землю, а во втором случае стекло не дает стекать заряду, более заряд на ватке создается, когда ватка лежит на деревянном столе.

Ответ КБ №3:

Независимо от знака заряда наэлектризованной палочки, на концах стальной магнитной стрелки возникнут индуцированные электрические заряды, конец стрелки притянется или стрелка придет во вращение. Ответ КБ №4:

Вращаем ручку электрофорной машины и листочки электрометра раздвигаются, уменьшить действие электрического поля можно с помощью металлического листа. Объяснение: Электрофорная машина своим электрическим полем действует на электроскоп, на поверхности электроскопа создается наведенный электрический заряд.

Ответ КБ №5:

Если шар не заземлен, то грузик отклонится, так как на поверхности шара возникнут индуцированные заряды, равные по модулю, на внутренней поверхности противоположного знака, на внешней того же знака, что и заряд в центре. Вне шара совокупное действие заряда в центре и заряда на внутренней поверхности равно нулю, но останется действие заряда внешней поверхности, этот заряд будет действовать так, как если бы он был сосредоточен в центре и поэтому наличие полого шара никак не скажется. Если же шар заземлен, то зарядов на внешней поверхности не будет, не будет и поля вне шара и грузик не отклонится.

Ответ КБ №6:

Зарядить электроскоп с помощью эбонитовой палочки, потертой о мех, взять металлический шарик на диэлектрике и внести его в поле, отклонение листочков уменьшается. Объяснение: На поверхности незаряженного металлического шарика появляется наведенный электрический заряд противоположного знака, который будет уменьшать отклонение листков.

Закончился конкурс №2, проводится подведение итогов, и приступаем к продолжению конкурса №1. К доске приглашается КБ №4. Тема проекта: “Диэлектрики. Полярные, неполярные диэлектрики”. Открывается флипчарт КБ №4.

Вспомогательные вопросы:

1. Какие вещества называют диэлектриками?
2. Какие заряды называют связанными?
3. Какие диэлектрики относятся к неполярным?
4. Характеристика полярных диэлектриков.
5. Ввести понятие диполя.

После выступления КБ №4, приглашается КБ №5.

Открывается флипчарт КБ №5.

Вопросы к теме:

1. В чем проявляется действие внешнего электростатического поля на молекулы полярного и неполярного диэлектрика?
2. Чему равна напряженность поля в диэлетрике?
3. Ввести понятие диэлектрической проницаемости среды.

После выступления КБ №5 можно опять прервать конкурс №1 и перейти к конкурсу №3 – это индивидуальные задания учащимся в двух вариантах, время выполнения задания – 10 минут.

4)Конкурс №3:

I вариант:

1)    От чего зависит направление вектора напряженности?

2) Почему линии напряженности электрического поля                                  непрерывны и не пересекаются?

3)   Почему напряженность поля внутри проводника равна 0?

4) Положительно заряженная  стеклянная   палочка отталкивает подвешенное на нити тело. Следует ли отсюда, что тело заряжено положительно?

5)Имеются три одинаковые сферы, одна из которых заряжена, а 2 другие нейтральны, как зарядить нейтральные сферы не приводя их в контакт с заряженной сферой.

II вариант:

1. Сформулируйте признак суперпозиции электростатических полей.
2. Как зависит от расстояния  напряженность поля, созданного заряженной сферой?
3. Почему диэлектрик ослабляет электростатическое поле?
4. Чему равна напряженность поля в центре равномерно заряженного проволочного кольца, имеющего форму окружности?
5. Металлически заряженный шар окружен толстым сферическим слоем диэлектрика. Нарисовать картину силовых линий электрического поля внутри и вне диэлектрика.

Разбор ответов на индивидуальные задание можно перенести на следующее занятие, так как в ходе семинарского занятия эти вопросы уже рассматривались.

        И наконец приступаем к окончанию конкурса №1, приглашается КБ №6 (Проект выполнен в программе POWERPOINT). Тема их проекта: “Электрическое поле. Теория близкодействия. Действия на расстоянии. Электростатика в природе и в быту. Техническое применение законов электростатики”. Их проект выполнен в виде презентации, демонстрируются слайды: электрическое поле – №1, электростатическая защита – №2, компьютерная модель – №3, электричество в природе – №4, электрические рыбы – №5, электростатические фильтры – №6, Максвелл – №7, Фарадей – №8, и идет объяснение группы.

5) Заключительное слово учителя.

Итак, уважаемые коллеги, давайте подведем итоги сегодняшнего заседания, но прежде чем проставить баллы и выбрать лучшее конструкторское бюро, я хочу обратиться к личностям ученых, без которых не состоялось бы наше сегодняшнее заседание. Трое ученых, живших в разные годы, создали основу электростатики. В данный момент я хочу остановиться на личности Фарадея, на доске появляется слайд №9 проектной работы КБ №6. Ребенок, родившийся в семье кузнеца, не получивший достойного образования, никогда не умевший выразить свои открытия математически, совершил переворот в математике. Это не только понятие электростатического поля, напряженности, силовых линий, понятие иона, но самое главное он ввел понятие электромагнитного поля. Чтобы установить связь между магнитным и электрическим полем, Фарадей потратил десять лет своей жизни, каждый день выполнял по несколько опытов, каждый опыт скрупулезно описывал, анализировал. Когда большая мечта овладевает достойным, не отступающим перед трудностями человеком, тогда и совершаются открытия, причисляемые к открытиям века. Еще в молодости Фарадей сформулировал идеал исследователя: “Ученый должен быть человеком, который стремится выслушать любое предположение, но сам определяет, справедливо ли оно. Внешние признаки явлений не должны связывать суждений ученого, у него не должно быть излюбленной гипотезы, он обязан быть вне школ и не иметь авторитетов. Он должен относиться почтительно не к личностям, а к предметам. Истина должна быть главной целью его исследований. Если к этим качествам еще добавится трудолюбие, то он может надеяться приподнять завесу в храме природы”. Этот идеал Фарадей воплотил в своей жизни, умер он 25 августа 1867 года. На этом позвольте закончить семинарское занятие и приступить к подведению итогов.

Урок апробирован был на открытом мероприятии и получил высокую оценку присутствующих коллег из других школ.