Конкурс "Я иду на урок"

Проводники в электрическом поле

Цель урока¹: ознакомить учащихся с процессами, происходящими в проводниках, помещённых в электрическое поле.

Оборудование: эбонитовая² и стеклянная палочки из набора по электростатике, электроскоп, нитяные перчатки, лампа накаливания на подставке, металлическая пластина, персональный компьютер, мультимедийный проектор³.

Учебники⁴:

1. Физика-10: Под ред. А.А.Пинского, О.Ф.Кабардина. – М.: Дрофа, 1994, 2003.

2. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика-10. – М.: Дрофа, 2004.

3. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике для 10–11 кл. – М.: Просвещение, 2003.

Ход урока

Организационный этап (1 мин)

Учитель. Есть ли вопросы по домашнему заданию? (Если вопросов нет, три ученика показывают на доске решение домашних задач и объясняют их решение в течение 3–5 мин⁵.) Запишите название новой темы: «Проводники...» (Далее урок идёт как диалог с учащимися в сопровождении демонстрационных экспериментов и компьютерных моделей. Учитель каждый раз обращается с вопросом к КОНКРЕТНОМУ ученику.) Напомните, пожалуйста, формулировку закона Кулона.

Ученик (обычно правильный ответ⁶ даёт второй или третий ученик, однако такая «трата» времени позволяет держать в напряжении весь класс в течение всего урока). Два точечных неподвижных электрических заряда взаимодействуют в вакууме с силой, прямо пропорциональной произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстоянию между ними.

Учитель. Чему равна сила взаимодействия между двумя зарядами, если один из них равен нулю?

Ученик. Нулю.

Учитель. Давайте проверим. У меня в руках металлическая пластина (стержень). Как установить, есть ли на пластине электрический заряд?

Ученик. С помощью электроскопа.

Демонстрация. Учитель, демонстративно надев нитяные перчатки, берёт в руки пластину и прикасается ею к стержню электроскопа. Электроскоп показывает отсутствие электрического заряда.

Учитель. Сейчас я попробую проверить, будет ли электронейтральная металлическая пластина взаимодействовать с наэлектризованной текстолитовой палочкой.

Демонстрация (описана на с. 245 и представлена на рис. 4-31 учебника [1]. В ходе демонстрации необходимо обратить внимание учащихся на многократные изменения направления вращения пластины. После окончания эксперимента следует обязательно показать с помощью электроскопа, что на пластине электрический заряд отсутствует.)

Учитель. Какого знака электрический заряд на текстолитовой палочке?

Ученик. Положительный.

Учитель. Будет ли эффект таким же, если изменить заряд на палочке? Кстати, как это сделать⁷?

Ученик(и) (после некоторой дискуссии). Надо взять другую палочку, стеклянную.

Демонстрация. (Повторяется описанный выше эксперимент с пластиной, но палочка стеклянная.)

Учитель. Несмотря на изменение знака заряда, характер взаимодействия металлической электронейтральной пластины с заряженными телами не изменился. Может быть, проводя эксперимент, я вас обманываю? Не хочет ли кто-нибудь повторить эти эксперименты и уличить меня в обмане? (Один из учеников класса повторяет эксперимент с эбонитовой палочкой⁸.) Только что на ваших глазах был нарушен закон Кулона. Согласно законодательству Российской Федерации, нарушение законов наказуемо. Помогите мне избежать наказания за нарушение закона самого Шарля Огюста Кулона!

Ученики. Вы, как всегда, нас обманываете?..⁹

Учитель. Но, с другой стороны, заряженное и незаряженное тела взаимодействовать не должны. (Далее начинается объяснение необычного, с учётом имеющихся у учеников знаний, экспериментального факта.) К какому классу веществ относится пластина?

Ученик. Это металл.

Учитель. В чём особенность строения металлов?

Ученик. Атомы металлов легко отдают свои электроны.

Учитель. Куда исчезают эти электроны?

Ученик. Они остаются внутри металла и движутся внутри него хаотично и беспорядочно, как молекулы в идеальном газе.

Учитель (включает мультимедийный проектор. На экране появляется рисунок, сделанный в редакторе PowerPoint, с изображением ионов и свободных электронов в металле). Как электроны распределяются внутри проводника?

Ученики (после выдвижения нескольких версий). Равномерно.

Учитель. Что изменится в движении электронов, если металл внести в электрическое поле? (На рисунке появляются изображения электродов – положительный вверху, отрицательный внизу, – создаваемые с помощью простейших эффектов анимации. В дальнейшем на этом же рисунке появятся знаки избыточных зарядов, свободные электроны и стрелки векторов внешнего и внутреннего электрических полей. Окончательный вид рисунка см. ниже.)

Ученики. Они должны двигаться под действием электрического поля.

Учитель. Каким образом? Направление электрического поля можно определить по рисунку. Куда смещаются электроны?

Ученик. Силовые линии электрического поля направлены от положительного полюса к отрицательному, следовательно, электроны будут смещаться сверху вниз¹⁰.

Учитель (вызывая на экране направленную сверху вниз стрелку с надписью «Е_внешн = Е₁»). Неправильно. Отрицательно заряженные электроны станут притягиваться к положительному полюсу, т.е. двигаться вверх. Все ли электроны будет смещаться вверх внутри проводника?

Ученик. Да.

Учитель. Нет. Поспорим. (Нужно дать возможность ученикам «выпустить пар», поговорить 2–3 минуты, а потом помочь сформулировать коллективное мнение.)

Ученики. Под действием внешнего электрического поля смещаться будут только свободные электроны, а остальные жёстко привязаны к атому.

(На рисунке появляются смещённые свободные электроны.)

Учитель. Изменится ли при этом заряд на поверхности проводника? (Это самый сложный момент урока. Учащиеся с большим трудом воспринимают следствие закона сохранения заряда, согласно которому в том месте, где электронов больше, появляется избыточный отрицательный заряд, а там, где их стало меньше, – избыточный положительный. На объяснение этого явления стоит выделить 3–7 минут.) О чём говорит электронейтральность пластины в начале и в конце опытов?

Ученик. Количество положительных и отрицательных зарядов в пластине одинаково.

Учитель. Но электроны постоянно движутся, как же достигается баланс?

Ученик. Их общее число остаётся неизменным.

Учитель. А при смещении электронов вверх?

Ученик. Вверху больше отрицательных зарядов.

Учитель. А внизу? (После непродолжительной дискуссии и упоминания знаменитой ломоносовской фразы о том, что если где-то что-то убыло, то, значит, где-то чего-то присовокупилось, приходим к выводу, что внизу должен образоваться избыточный положительный заряд. При этом мы заключаем, что это не точечные, а поверхностные электрические заряды.) Сверху отрицательный заряд, снизу – положительный. Создадут ли они своё электрическое поле?

Ученики (обычно хором). Нет.

Учитель. Что такое электрическое поле?

Ученики (обычно хором). Вид материи, создаваемый электрическими зарядами и способный действовать на другие электрические заряды.

Учитель. Будут ли смещённые электрические заряды создавать электрическое поле?

Ученики (хором). Может, да, а может, и нет.

Учитель. Проголосуем. Кто считает, что смещённые электрические заряды создают внутреннее электрическое поле, поднимите руки. Кто считает, что нет? (Результат голосования непредсказуем. Однако всегда есть возможность определить, кто активно участвует в уроке, а кто – нет. В дальнейшем часть класса, не участвующая в голосовании, становится главным объектом вопросов учителя.) Большинство право (не право). Как же будет направлено электрическое поле, созданное смещёнными зарядами?

Ученик. Снизу вверх.

(На экране появляется направленная снизу вверх стрелка с надписью «Е_внешн = Е₂».) Что такое принцип суперпозиции электрических полей?

Ученик. Вектор напряжённости результирующего электрического поля равен сумме векторов напряжённостей электрических полей зарядов, создающих эти поля.

Учитель. Если внешнее электрическое поле больше внутреннего, будет ли результирующее электрическое поле действовать на свободные электроны?

Ученик. Да.

Учитель. Будет ли при этом увеличиваться отрицательный электрический заряд на верхней поверхности пластины?

Ученик. Конечно.

Учитель. Что произойдёт с величиной результирующего электрического поля при увеличении электрического заряда вверху?

Ученики. Оно уменьшится.

Учитель. А если напряжённости внешнего и внутреннего полей станут равными по величине, т.е. Е₂ = Е₁? Будут ли смещаться электроны?

Ученик. Нет.

Учитель. Почему?

Ученик. Когда Е₂ = Е₁, сила, действующая на электрический заряд, равна нулю.

Учитель. Таким образом, смещение электронов под воздействием внешнего электрического поля прекращается при равенстве внешнего и внутреннего электрических полей. Правильным ли будет утверждение, что внутри любого металлического проводника электрическое поле всегда равно нулю?

Ученики (после некоторой дискуссии). Да.

Учитель. Это касается всех металлов? Даже жидкого металла – ртути?

Ученик (не сразу). Да.

Учитель. А электролитов?

Ученик (не сразу). Да.

Учитель. Подведём итоги. Внешнее электрическое поле заставляет электроны внутри проводников смещаться. Смещение электронов создаёт внутри проводника электрическое поле, равное по величине внешнему. Внутреннее поле направлено против внешнего, поэтому его действие нейтрализуется.

Ученик. Когда Е₂ = Е₁, сила, действующая на электрический заряд, становится равной нулю. (Это утверждение учащиеся переписывают в тетрадь с экрана.)

Закрепление изученного материала. Решение качественных задач • Почему внутри любого проводника электрическое поле отсутствует? • Почему при равновесии весь избыточный заряд наэлектризованного проводника расположен на его поверхности? • Что произойдёт с металлическим стержнем, помещённым в однородное электрическое поле? Силой тяжести пренебречь. • Почему напряжённость электрического поля внутри металлического шара равна нулю? • Почему приём радиопередач ухудшается при проезде под проводами линий электропередачи?

Учитель. Экранирование электрического поля металлическими проводниками используется для защиты электроприборов от внешних электрических полей. Это называется электростатической защитой. Примером применения такой защиты является магнитола в автомобиле. Чем отличается автомагнитола от обычного радиоприёмника?

Ученики. Она помещена в металлический корпус.

Учитель. Зачем?

Ученики. Чтобы предохранить от внешних электрических полей.

Учитель. Откуда они в автомобиле?

Ученики (вспоминая уроки об устройстве двигателя внутреннего сгорания). Возникают при электрическом разряде свечей зажигания.

Домашнее задание. [1] § 44 (1–5); [2] № 709, 712, 714.

Сергей Владимирович Коновалихин – учитель физики, канд. химич. наук. Окончил в 1978 г. Кустанайский пединститут (КазССР). Сейчас работает в МОУ СОШ № 75 наукограда Черноголовка и в Институте структурной макрокинетики РАН (в должности старшего научного сотрудника). Автор более ста научных статей в советских, российских и зарубежных научных и педагогических журналах. В 2005 г. награждён медалью «Почётный знак» международного фонда «Научное партнёрство» за внедрение инновационных технологий в методику преподавания физики. Женат, воспитывает дочь.

 

---

¹ На уроке проблемного обучения перед учащимися ставятся задачи, которые зачастую противоречат имеющимся у них знаниям; в ходе урока противоречия устраняются, а учащиеся решают экспериментальные задачи и вырабатывают новые подходы к решению проблемных задач.

² Слово «эбонитовая», к сожалению, вызывает у некоторых учеников нездоровые ассоциации, поэтому я чаще использую термин «текстолитовая» (палочка).

³ На уроке одновременно используются стандартная классная доска (для оперативной реакции на вопросы учеников) и экран – для показа заранее подготовленной презентации с помощью мультимедийного проектора.

⁴ В течение пятнадцати лет убеждаюсь, что урок по данному сценарию обеспечивает усвоение материала учащимися независимо от используемого учебника.

⁵ Перед этим уроком заканчивается изучение темы «Графическое изображение электрического поля», поэтому проверка домашнего задания не требует большого времени.

⁶ На моих уроках введено правило: три правильных ответа – «5», два – «4», один – «3», ни одного – «2». Система накопительная, и активный ученик может за один урок набрать до 12 правильных ответов.

⁷ Вопрос провокационный, поэтому правильный ответ на него может быть оценён выше, чем на остальные вопросы.

⁸ Для электризации эбонитовой палочки требуется меньше времени, но если класс потребует, то можно попросить уже другого ученика повторить эксперимент со стеклянной палочкой.

⁹ Десять лет проводя урок по этой схеме, я только два раза получил правильный ответ: «Палочку и стержень нельзя рассматривать как точечные электрические заряды, закон Кулона для больших тел не выполняется». Этим умникам пришлось сразу поставить «пятерки».

¹⁰ Самая распространённая ошибка: приведённое выше правило справедливо для положительных зарядов. Необходимо ещё раз напомнить, как действует электрическое поле на отрицательные заряды.