Конкурс "Я иду на урок"

Диэлектрики в электрическом поле

Цель урока: ознакомить учащихся с процессами в диэлектриках, находящихся в электрическом поле, дать понятие диэлектрической проницаемости веществ.

Особенности. В рамках педагогической технологии проблемного обучения учащимся демонстрируются эксперименты, результаты которых они не могут объяснить исходя из полученных ранее знаний. Вначале делается акцент на наблюдаемом в демонстрационном эксперименте противоречии между опытом и теорией, которое в ходе последующего обсуждения устраняется. Экран не должен заслонять классную доску, чтобы во время урока можно было использовать одновременно и её, и мультимедийный проектор.

В учебном процессе использованы учебники [1, § 44; 2, § 96, 97], задачник [3] и сценарий [4].

Оборудование: эбонитовая¹ и стеклянная палочки из набора по электростатике, электроскоп, нитяные перчатки, лампа накаливания на подставке, деревянная планка (линейка измерительная – 1 м), персональный компьютер, мультимедиапроектор, экран.

Литература

1. Физика: учеб. для 10 кл. с углубл. изучением физики / О.Ф. Кабардин и др.; под ред. А.А. Пинского, О.Ф. Кабардина. 2-е изд. М.: Просвещение, 2004. С. 244–252.
2. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. 10 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений. М.: Просвещение, 2005. С. 267–271.
3. Рымкевич А.П. Физика: сб. задач для 10–11 кл. М.: Дрофа, 2006. С. 92–95.
4. Коновалихин С.В. Проводники в электрическом поле // Физика-ПС. 2009. № 5. С. 13–15.

Ход урока

I. Организационный этап (5 мин)

Учитель. Есть ли вопросы по домашнему заданию? (Сценарий предыдущего урока см. в [4]. Если вопросов нет, то три ученика по очереди, по записям, сделанным дома в тетрадях, объясняют решение задач. Все задачи качественные, поэтому на их проверку требуется не более 5 мин.)

II. Этап объяснения нового материала

Учитель. Ещё раз уточним, что происходит в проводнике при внесении его в электрическое поле.

Ученик. Действие электрического поля приводит к смещению свободных электронов².

Учитель (показывая на экране слайд а). На экране схематично показан металл. Чёрные кружки – это свободные электроны, серые кружки – ионы металла. Чему равна валентность металла?

Ученик. Двум, потому что количество свободных, т. е. валентных, электронов в два раза больше количества ионов.

Учитель. Куда будут смещаться электроны, если снизу к металлу поднести заряженную стеклянную палочку?

Ученик. При трении о бумагу на стеклянной палочке образуется положительный электрический заряд. Силовые линии электрического поля, созданного одиночным положительным зарядом, направлены от него в бесконечность. Следовательно, силовые линии в пространстве около металла на данном рисунке направлены вверх. На ионы будет действовать электрическая сила, направленная вверх. На электроны эта сила будет действовать в противоположном направлении, т. е. вниз³.

Учитель. Все ли свободные электроны скопятся на нижней границе металла, как показано на этом рисунке (на экране слайд б⁴)?

Ученик. Нет.

Учитель. А почему?

Ученик. Смещение электронов создаст внутреннее электрическое поле, вектор напряжённости Епров которого будет направлен противоположно направлению вектора напряжённости Евнеш электрического поля, созданного стеклянной палочкой (слайд в).

Учитель. Правильно. И более правильной будет картина, показанная на рис. в. Как соотносятся между собой по величине векторы напряжённости электрических полей Е_внеш и Е_пров? (Для облегчения вопроса можно на доске написать математическое выражение Е_внеш/Е_пров … 1 и повторить вопрос в другой формулировке: «Какой знак – “=”, “<” или “>” – нужно поставить между правой и левой частями математического выражения?»)

Ученики. Знак «=».

Учитель. Означает ли это, что внутри любого проводника электрическое поле всегда отсутствует?

Ученик. Да.

Учитель. Ответ правильный. Но давайте уточним: внешнее, созданное стеклянной палочкой, и внутреннее электрические поля существуют. Нулю равна напряжённость результирующего электрического поля, образующегося при сложении внешнего и внутреннего полей. Где этот эффект используется?

Ученик. В автомагнитолах, чтобы предохранить приёмники от электрических полей, создаваемых системой зажигания двигателей. (См. [4].)

Учитель. А ещё?

Ученик. В телевизорах и компьютерах для защиты некоторых блоков.

Учитель. Как это называется?

Ученик. Электростатическая защита.

Учитель. Хорошо. С проводниками мы разобрались. Но все ли вещества являются проводниками?

Ученик. Нет. Кроме проводников имеются ещё вещества, которые не проводят электрический ток.

Учитель. Как они называются?

Ученик. Изоляторы.

Учитель. Кто помнит другое название изоляторов?

Ученик. Диэлектрики.

Учитель. Какие вещества являются диэлектриками или изоляторами?

Ученик (чаще всего ученики дают следующий, не совсем правильный, ответ). Вещества, не проводящие электрический ток.

Учитель. Неправильно. Диэлектриками называются вещества, не имеющие свободных электрических зарядов. Сегодня мы попробуем узнать, как они себя ведут в электрическом поле. Запишите в тетрадях название новой темы: «Диэлектрики в электрическом поле». Ниже запишите определение диэлектриков – спишите с экрана⁵. (Зачитывает запись на слайде.) Записали? Давайте вспомним: какие вещества относятся к диэлектрикам?

Ученики. Не помним...

Учитель. Когда-то давным-давно, учась в 8-м классе, вы мне говорили, что диэлектриками являются стекло, пластмассы, дерево, газы. Запишите это в тетради. (Непродолжительная пауза.) В диэлектрике свободных зарядов нет. Под действием внешнего электрического поля смещаться нечему. Будет ли нейтральный диэлектрик взаимодействовать с заряженным телом?

Ученики (чаще всего хором). Нет.

Учитель. Какой закон физики говорит нам об этом?

Ученик. Закон Кулона. Согласно формуле сила становится равной нулю, если один из зарядов равен нулю, т. е. взаимодействия нет.

Учитель. Проверим это экспериментально.

Демонстрация. Чтобы заинтриговать учеников, учитель демонстративно, подражая иллюзионистам, надевает белые перчатки, берёт в руки деревянную линейку и подносит её к электроскопу. Стрелка электроскопа не отклоняется.

Учитель. Чему равен заряд линейки?

Ученик. Она не заряжена, т. е. электрически нейтральна.

Продолжение демонстрации. Линейка устанавливается и уравновешивается на лампе накаливания. Затем электризуется текстолитовая или стеклянная палочка, по выбору учащихся. Поднося палочку к электроскопу, но не касаясь его стержня, учитель демонстрирует наличие заряда на палочке и подносит её к линейке – деревянная линейка начинает вращаться. После этого учитель подносит электроскоп к линейке и все убеждаются, что линейка по-прежнему электронейтральна. Замена стеклянной палочки на текстолитовую не изменяет направления вращения.

Учитель. Может быть, я подстроил что-то? У кого есть деревянная или пластмассовая линейка? Давайте попробуем провести эксперимент с ними. (К экспериментальному столу выходит ученик со своей деревянной линейкой и повторяет эксперимент учителя. Затем такой же эксперимент проводит ученик со своей пластмассовой линейкой.) Ну что? Опять я нарушил законы физики?

Ученики (хором). Вы второй урок подряд нас обманываете. В ваших экспериментах есть что-то неизвестное нам.

Учитель. Вы догадливы, а значит, умны. Попробуем разобраться в результатах моих и ваших экспериментов. Давайте вспомним, что такое химическая связь. Какие частицы её образуют?⁶

Ученик. Электроны.

Учитель. Электроны, образующие химические связи в любых веществах, стоят на месте или движутся?

Ученик. Движутся.

Учитель. Влияют ли на их движение внешние электрические поля?

Ученик. Наверное... По тому, что мы изучаем сейчас, должно влиять.

Учитель. Внешнее электрическое поле смещает электрические заряды так, что заряды внутри молекул начинают распределяться неравномерно (на экране появляется слайд г).

Учитель. На экране изображена молекула нафталина. Нафталин тоже является диэлектриком⁷.

Как вы знаете из курса органической химии, в таких веществах электроны делокализованы, т. е. располагаются не на одной связи между двумя атомами, а постоянно двигаются по всему кольцу. Около каждого атома в молекуле электроны находятся приблизительно одинаковое время. Если молекулу нафталина поместить во внешнее электрическое поле, как показано на слайде д, то под его действием электрон начнёт «тормозить» около одних атомов и «ускоряться» около других. В результате изменится объёмная плотность заряда. Отрицательный электрический заряд «скапливается» на одном конце молекулы, а положительный – на другом. Такой процесс называется поляризацией, а молекула – поляризованной. Запишите: «Смещение зарядов внутри молекул или атомов под действием внешнего электрического поля называется поляризацией. Молекула, внутри которой электрические заряды распределены неравномерно, называется поляризованной». (Проверяет, все ли ученики закончили запись.) Будет ли поляризованная молекула создавать своё электрическое поле?

Ученик (обычно неуверенно). Наверное, будет.

Учитель. Конечно, будет. Добавьте к только что сделанной записи: «Каждая поляризованная молекула создаёт своё электрическое поле». (Пауза.) Как направлен вектор напряжённости электрического поля поляризованной молекулы по отношению к вектору напряжённости внешнего электрического поля?

Ученик. Судя по вашему рисунку, против.

Учитель. Поля, созданные поляризованными молекулами, при наложении усиливают друг друга или ослабляют?

Ученик. Усиливают, ведь векторы напряжённости параллельны друг другу.

Учитель. Правильно. Поляризованные молекулы создают своё внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему. Внутри диэлектрика электрическое поле усиливается или ослабляется?

Ученик. Ослабляется.

Учитель. Правильно. Записывать будем? Вопрос на оценку. Внутри диэлектрика электрическое поле ослабится до нуля, как в металлах, или нет?

Ученики. Может быть, и не до нуля.

Учитель. Запишите: «В диэлектриках электрическое поле только ослабляется. Смещение электронов в атомах и молекулах незначительно. Поэтому внутренние электрические поля в диэлектриках всегда меньше внешних». (Обращается к записи на доске: Е_внеш/Е_пров ? 1.) Какой знак пропущен в этом математическом выражении?

Ученик (не сразу; не первый опрошенный). Наверное, «>».

Учитель (не сразу). Правильно. И эта физическая величина имеет собственное имя. Она называется диэлектрической проницаемостью, а обозначается греческой буквой ε (эпсилон)⁸.

Запишите: «Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз напряжённость электрического поля в вакууме больше напряжённости электрического поля в диэлектрике». Прошу не путать греческую букву «эпсилон» с русской буквой (кириллицей) «е». Накажу снижением оценки на ближайших проверочных работах. Надеюсь, вы уже сообразили, что формула должна быть записана и расшифрована в ваших тетрадях. (На экране слайд с формулой ε = Е_внеш/Е_пров.) Вопрос на «пятёрку». Может ли внутри диэлектрика электрическое поле быть сильнее, чем снаружи, т. е. в вакууме?

Ученики. Только что мы говорили, что электрическое поле внутри диэлектрика ослабляется. Значит, правильный ответ «не может».

Учитель. Правильно. Запишите: «Диэлектрическая проницаемость всех известных веществ больше единицы»⁹. Какое свойство электрических полей мы использовали, чтобы объяснить «противозаконное» поведение диэлектриков в электрическом поле?

Ученик (не первый опрошенный). Принцип суперпозиции электрических полей¹⁰?

Учитель (чтобы понять, сообразил ученик или просто прочитал в учебнике). Напомните всем присутствующим, что это за принцип такой?

Ученик. Если в некоторой точке пространства существует несколько электрических полей, то напряжённость результирующего поля равна векторной сумме всех полей.

Учитель. Отлично. Вы сегодня познакомились с ещё одним различием свойств проводников и ди­электриков. Кто может сформулировать это различие? Вопрос на оценку.

Ученик. Проводники уничтожают электрическое поле внутри, а диэлектрики только его ослабляют.

Учитель. Не совсем правильно. Мне не нравится выражение «уничтожают электрическое поле». Разве оно внутри проводника отсутствует?

Ученик. Но оно же равно нулю!

Учитель. Нулю равно результирующее электрическое поле внутри проводника, а электрические поля внутри металла существуют. Так как правильно нужно сформулировать различие между поведением проводников и диэлектриков во внешнем электрическом поле?

Ученик. В проводниках действие внешнего электрического поля полностью компенсируется, а в диэлектриках только ослабляется.

Учитель. Вот теперь правильно. Запишите это в свои тетради. Сейчас вы должны записать в тетради эту формулу и расшифровать её. (На слайде изменённая формула закона Кулона )

Что означает появление ε в знаменателе формулы? Увеличивается или уменьшается сила взаимодействия электрических зарядов в диэлектрике?

Ученик. Раз величина появляется в знаменателе, а она больше единицы, то сила взаимодействия уменьшается.

Учитель. Вывод: в диэлектрике электрические заряды взаимодействуют с меньшей силой.

III. Закрепление изученного материала (3–7 мин в классах естественно-научного профиля, 1–2 мин – в классах гуманитарного профиля)

Диэлектрическая проницаемость является векторной или скалярной величиной? • Диэлектрическая проницаемость разных веществ одинакова или нет? • Где найти величину диэлектрической проницаемости разных веществ? (Например, в [3], табл. 8, с. 166.) • Почему незаряженный шарик из диэлектрика может притягиваться к заряженному телу? (В электрическом поле диэлектрик поляризуется.) • Изменится ли масса молекул диэлектрика при внесении её во внешнее электрическое поле? (Нет.) • Меньше или больше напряжённость электрического поля внутри стекла по сравнению с напряжённостью внешнего поля? (Меньше.)

IV. Подведение итогов урока

Домашнее задание. § 44 (п. 5–6) [1] или § 96, 97 [2], задачи № 725, 728 [3].

Дополнительное задание. Выпишите в тетрадь из учебника различие между полярными и неполярными диэлектриками.

Фото предоставлены автором

---

¹ Термин «эбонитовая палочка» вызывает у нынешнего поколения учеников нездоровые ассоциации, поэтому на уроках я использую термин «текстолитовая палочка». Эбонит и текстолит – вещества, сходные по электропроводящим свойствам (А.С. Енохович. Справочник физика. М.: Просвещение, 1978. С. 183–184, 190), но эбонит уже почти не применяется в электро- и радиотехнике. Лишнее оживление не самой воспитанной части учеников может помешать нормальному ходу урока. В дальнейшем я буду пользоваться термином «текстолит». Хотелось бы, чтобы и авторы современных учебников заменили устаревший термин «эбонит».

² Здесь и ниже приведены «идеальные» ответы учеников. Такие слышишь редко. Но я стараюсь дополнительными вопросами добиться ответа, по крайней мере близкого к ожидаемому. С этой целью в начале учебного года я ввожу правило «трёх ответов»: три правильных ответа на вопросы в ходе урока – «5», два – «4», один – «3». Отсутствие ответа или три неправильных ответа – «2». Вопросы могут быть и по темам, изученным ранее. Ученики отвечают с места, разрешается пользоваться своими тетрадями, учебником. Выбор отвечающего зависит от многих факторов, уровня класса, дисциплины на данном уроке, количества активных учеников и т. п. Такой подход позволяет постоянно контролировать ситуацию в классе, «возвращая» на урок отвлёкшихся, активизируя внимание остальных, не позволяя расслабляться уже ответившим на три вопроса. Наиболее активные – как в положительном, так и в отрицательном смысле – могут получить две-три оценки.

³ Чаще всего такой ответ получить не удаётся, по­этому каждое утверждение приходится «выжимать» с помощью дополнительных вопросов. Например: как направлены силовые линии электрического поля, созданного одиночным положительным зарядом?

⁴ Рис. 1, а «достраивается» до рис. 1, б и т. д. с помощью эффектов мультипликации в презентации Power Point и вызывается на экран только после получения правильного ответа.

⁵ Пока ученики записывают, учитель имеет возможность сделать паузу, постоянно обращаясь при этом лицом к классу, контролируя дисциплину и следя за тем, чтобы записи в тетради делали все.

⁶ Вопрос неожиданный, но он позволяет обратить внимание учеников на связь между физикой и химией.

⁷ По современным данным, по электропроводящим свойствам нафталин близок к парафинам, т. е. ε = 2,1, ρ ≈ 10¹⁴ Ом · м.

⁸ Я часто прошу учеников расшифровать ту или иную формулу. Для этого они должны записать в тетрадь формулу, а ниже привести названия всех величин, входящих в неё, и единиц (в системе СИ), в которых они выражаются.

⁹ Справедливости ради стоит оговориться, что в последние два-три года появились сообщения об открытии веществ с ε < 1. Но на начальном этапе изучения темы об этом не стоит упоминать.

¹⁰ Этот вопрос всегда вызывает затруднение даже у учащихся сильных классов, поэтому повторение принципа суперпозиции просто необходимо при каждом удобном случае.