Образовательные ресурсы
Л. П.
Третьякова,
г. Наро-Фоминск, Московская обл.
Дистанционный курс проф. В.В.Майера «Электростатика: элементы учебной физики». Контрольная работа
4.2. Исследование электростатических полей
Цель: используя точечный индикатор, исследовать электростатические поля различных заряженных тел и тем самым убедить учащихся в реальности существования электрических полей.
Теоретическое обоснование: заряд порождает вокруг себя особый вид материи – электрическое поле. Главное его свойство – действие на другой заряд с силой, убывающей пропорционально квадрату расстояния. По действию на заряд устанавливают существование поля, распределение его в пространстве, изучают характеристики.
Оборудование: точечные индикаторы, лист пенопласта, электроскоп, металлическая пластина, заряженный плоский конденсатор, электрофорная машина.
Ход эксперимента
1. Изготавливаем индикатор электростатического поля. Из оболочки детского воздушного шара выдуваем резиновый шарик диаметром 1–2 см и привязываем его к шёлковой или капроновой нити. Нить продеваем через полиэтиленовую трубку и приклеиваем к ней скотчем. Поверхность шарика натираем до характерного металлического блеска графитовым порошком.
2. Исследуем с помощью этого индикатора поле: наэлектризованного трением листа пенопласта; заряженной металлической пластины; двух заряженных разноимённо и одноимённо пластин конденсатора; заряженного шара электроскопа, а также изменение этого поля при заземлении корпуса прибора.
3. Исследуем экранирующее действие заземлённого проводника: показываем существование электрического поля по обе стороны наэлектризованного диэлектрика; вносим в промежуток между заряженным телом и индикатором за изолирующую ручку большой металлический лист – индикатор показывает существование электрического поля; заземляем металлический лист – шарик индикатора немедленно опадает; убрав заземление, демонстрируем восстановление электрического поля.
Выводы
1. Замечаем, что вблизи заряженных тел действие поля сильное, а по мере удаления от него – ослабевает (клипы* 1, 2). Формируем понятие неоднородного поля.
2. Обращаем внимание на то, что нити, к которым привязаны шарики, располагаются перпендикулярно заряженной пластине и параллельно друг другу (фото 1).
3. Наблюдаем, как при заземлении электроскопа точечный индикатор показывает быстрое ослабление поля. Формируем понятие заземления и объясняем, что заземление – передача заряда Земле. Земной шар велик по сравнению с телами, находящимися на нём. Поэтому при соприкосновении с Землёй заряженное тело отдаёт ей почти весь свой заряд и практически становится электрически нейтральным (фото 2).
4. Наблюдаем колебания нескольких точечных индикаторов в поле двух разноимённо заряженных пластин. Формируем понятие электрического тока как направленного движения зарядов.
4.3. Дипольный индикатор электростатического поля
Цель: изготовить дипольные индикаторы и с их помощью исследовать различные электрические поля.
Теоретическое обоснование. Повторяем понятие диполя, вспоминаем его ориентацию в электрическом поле. Сравниваем молекулу диэлектрика с диполем. У полярного диэлектрика положительные и отрицательные заряды распределены несимметрично по объёму молекулы. На большом расстоянии такую молекулу можно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Такую в целом нейтральную систему зарядов называют электрическим диполем. В электрическом поле происходит смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны – поляризация. То есть под влиянием электрического поля происходит частичная ориентация электрических диполей.
У неполярных диэлектриков в электрическом поле центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие деформированные молекулы можно рассматривать как электрические диполи. Неполярный диэлектрик в электрическом поле также поляризуется. Этим объясняется, почему незаряженная диэлектрическая полоска бумаги ориентируется в электрическом поле.
Повторяем понятие силовых линий электрического поля. Непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с векторами напряжённости, называют силовыми линиями электрического поля. Силовые линии можно сделать видимыми с помощью диэлектрического индикатора.
Оборудование: дипольные индикаторы, лист пенопласта, электроскоп, металлическая пластина, заряженные шары.
Ход
эксперимента
1. Изготавливаем несколько одинаковых дипольных индикаторов: полоски бумаги, согнутые под углом вдоль, устанавливаем на иглы по центру тяжести. В качестве подставок используем держатели для магнитных стрелок.
2. С помощью этих индикаторов визуализируем электрическое поле: наэлектризованного трением листа пенопласта (фото 3); точечного заряда (фото 4); двух разноимённых зарядов (фото 5); заряженного шара (фото 6).
Выводы
1. Силовые линии электрического поля: а) не замкнуты, они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных; б) непрерывны и не пересекаются; в) гуще вблизи заряженных тел, где напряжённость поля также больше; г) вне заряженного шара распределены в пространстве точно так же, как и силовые линии точечного заряда.
2. Дипольные индикаторы позволяют визуализировать электрическое поле и помогают сформировать понятие силовых линий электрического поля.
4.4. Спектры электрических
полей
Цель: получить и исследовать спектры различных электростатических полей.
Теоретическое обоснование. Диэлектрические частицы в электрическом поле обозначают силовые линии и тем самым делают поле видимым – визуализируют его. Получающиеся при этом картины электрических полей называют спектрами. Частицы диэлектрического порошка являются, по сути, электрическими диполями, ориентирующимися в электрическом поле вдоль его силовых линий, делая их заметными. При объяснении этого метода визуализации электрического поля начинаем с повторения понятия диполя и его ориентации в электрическом поле, проводим сравнение крупинки манки с диполем.
Оборудование: плоский сосуд с подсолнечным маслом, манная крупа или мелко настриженный волос, металлические электроды.
Ход эксперимента 
1. В сосуд наливаем немного подсолнечного масла и посыпаем его сверху манной крупой. Вводим один электрод, на который подаём заряд. Наблюдаем картину электрического поля одного заряда (клип 3).
2. В этот сосуд вводим два проводящих шарика, заряженных разноимённо. Наблюдаем, как первоначально хаотически ориентированные частички выстраиваются в линии, начинающиеся на одном и заканчивающиеся на другом заряде (фото 7, клип 4).
3. Сосуд с подсолнечным маслом и манной крупой помещаем между заряженными разноимённо пластинами конденсатора. Наблюдаем силовые линии однородного электрического поля.
4. Повторяем эксперимент с двумя дипольными индикаторами для подтверждения результатов.
Выводы
1. Частицы выстраиваются в линии потому, что со стороны электрического поля на них действуют силы. Поэтому линии между электродами, которые обозначают частицы, называют силовыми линиями электрического поля.
2. Поля, созданные точечными зарядами, являются неоднородными, поле между пластинами заряженного конденсатора – однородное.
4.6. Энергия электрического
поля
Постановка проблемы. Обычно в опытах по электростатике для демонстрации взаимодействия зарядов используют лёгкие тела (волоски, шерстинки, кусочки бумаги). В результате у учащихся создаётся ощущение, что электростатическое поле – слабое, не способное совершать скольконибудь значительную работу.
Цель: экспериментально показать, что электрическое поле обладает энергией и может совершать значительную работу.
Теоретическое обоснование. В электрическом поле заряженные тела начинают перемещаться и поворачиваться. Следовательно, электрическое поле способно совершать работу, а значит, обладает энергией.
Оборудование: заряженный лист пенопласта размерами 4 ? 20 ? 40 см, диэлектрическая пластина, металлический уголок, выпуклая опора.
Ход эксперимента
1. Диэлектрическую пластину уравновешиваем на легко вращающейся платформе или на выпуклой опоре. К одному из концов пластины подносим наэлектризованный лист пенопласта. Наблюдаем, как пластина начинает притягиваться к пенопласту и поворачиваться – электростатическое поле совершает работу (клип 5).
2. Электрическим полем пробуем раскрутить более массивный предмет – металлический уголок (клип 6).
Вывод
Электрическое поле обладает энергией и способно совершать значительную работу.
5.3. Суперпозиция электрических полей
Цель: экспериментально доказать справедливость принципа суперпозиции электрических полей.
Теоретическое обоснование. Если на нити подвесить лёгкое заряженное тело, то силу, действующую на него в электрическом поле, можно оценить по отклонению тела из положения равновесия. Напряжённость электрического поля равна отношению силы к величине пробного заряда
Оборудование: электрическая лампа, пробный заряд на нити, два заряженных шарика на подставках, лист миллиметровой бумаги.
Ход эксперимента
1. К стеклянному баллону маленькой лампочки приклеиваем тонкую нить с лёгким проводящим шариком небольшого радиуса на конце. Наносим на шарик пробный заряд. Лампочку закрепляем над листом бумаги и включаем. На листе цифрой «0» отмечаем положение тени от шарика, находящегося в положении равновесия.
2. Приближаем к пробному заряду заряд 1 и отмечаем на листе положение отклонившегося шарика цифрой «1».
3. Убираем заряд 1. Помещаем вблизи пробного заряда заряд 2. При этом тень шарика занимает новое положение, отмечаемое цифрой «2».
4. Возвращаем заряд 1 в первоначальное положение. Теперь пробный шарик находится в поле сразу двух зарядов и отклоняется от положения равновесия так, что его тень занимает положение «3».
5. Соединяем точки 0, 1, 2, 3 векторами (фото 8, 9).
6. Изменяем величину пробного заряда, повторяем эксперимент и наблюдаем сохранение направления результирующего вектора напряжённости.
Вывод
Вектор равнодействующей силы, действующей на пробный заряд, примерно равен сумме векторов сил, действующих на него со стороны каждого заряда в отдельности. Напряжённости электрических полей, равные отношениям сил к величине пробного заряда, складываются, подобно силам. Таким образом, принцип суперпозиции электростатических полей экспериментально обоснован.
5.7. Электрическое поле вблизи заряженных плоскостей
Цель: экспериментально подтвердить, что равномерно заряженная плоскость создаёт электрическое поле по обе стороны от неё, а две параллельно установленные плоскости, несущие равные заряды противоположных знаков, создают электрическое поле только в области между ними.
Оборудование: два металлических диска, два одинаковых обёрнутых фольгой пенопластовых шарика на нитях, электрофорная машина.
Ход эксперимента
1. Два одинаковых обёрнутых фольгой пенопластовых шарика подвешиваем на нитях так, чтобы они касались металлического диска с разных сторон.
2. Заряжаем диск от электрофорной машины. При этом шарики отходят от диска на равные расстояния, свидетельствуя о том, что электрическое поле существует по обе стороны от заряженного диска.
3. Точно такой же диск заряжаем равным по модулю, но противоположным по знаку зарядом.
4. Постепенно приближаем второй диск к первому так, чтобы они оставались параллельными.
5. Наблюдаем, что отклонение шарика, находящегося вне дисков, уменьшается, а находящегося между дисками – увеличивается. Наконец первый шарик касается диска (поле вне дисков практически исчезло), а второй шарик отклонился на угол, примерно в два раза больше первоначального.
Вывод
Равномерно заряженная плоскость создаёт электрическое поле по обе стороны, а две параллельно установленные плоскости, несущие равные заряды противоположных знаков, создают электрическое поле только в области между ними.