СУД НАД ЕЛЕКТРОСТАТИКОЮ
“СУД НАД ЕЛЕКТРОСТАТИКОЮ”
Урок-рольова гра
Мета. Ознайомити учнів зі значенням законів електростатики; навчити працювати з додатковою літературою, узагальнити знання учнів про будову речовини.
Тип уроку. Урок узагальнення та систематизації знань.
Обладнання. Кодоскоп, кодограма, кінофільм “Дослід Йоффе – Міллікена”, електрофорна машина, султани, електроскоп, плоский конденсатор, пружина, оргскло, джерело високої напруги.
Методичні поради. Урок проводиться за сценарієм судового засідання, у якому беруть участь
Хід уроку
Секретар суду. Встати! Суд іде!
Головний суддя. Сьогодні слухається справа із звинувачення Електростатики. Вона обвинувачується в тому, що:
1) привласнила право існувати у двох формах: у вигляді речовини і у вигляді поля, оскільки стверджує, що навколо заряджених частинок існує електричне поле, за допомогою якого і передається дія одного заряду на інший;
2) електричні заряди невіддільні від частинок (немає частинок – немає і рядів);
3) з її вини виникають електричні розряди під
Ввести підсудну! Встановити особу підсудної. Отож, Ваше прізвище?
Підсудна. Електростатика.
Головний суддя. Ваші батьки?
Підсудна. Фалес Мілетський, Ріхман, Ломоносов, Кавендиш, Кулон, Максвел.
Головний суддя. Ваша біографія.
Підсудна. Електростатика – це наука про властивості й закономірності поведінки особливого виду матерії – електростатичного поля – різновиду електромагнітного поля, за допомогою якого здійснюється взаємодія між зарядженими тілами. У щоденному житті ви найчастіше стикаєтеся з різними видами саме електромагнітних сил (сила тертя, сила пружності тощо). Без електромагнітної взаємодії відразу зникло б життя на Землі.
Будова атомної оболонки, хімічні сили, утворення макроскопічних тіл витрачаються виключно електромагнітними силами. До створення електродинаміки привів довгий шлях планомірних досліджень і випадкових відкриттів. Усе почалося тоді, коли виявили властивість бурштину, потертого об шерсть, притягувати предмети, а закінчилося гіпотезою Дж. Максвелла, згідно з якою магнітне поле породжується змінним електричним полем.
Лише в другій половині XIX ст. (після створення електродинаміки) почали використовувати електромагнітні явища: було винайдено радіо, телебачення. А енергія електричного струму?
А освоєння космічного простору? Дивовижні можливості електромагнітної взаємодії ви перестали вже й помічати…
Головний суддя. То хто ж Ви?
Електростатика. Властивість тіл і частинок матерії, яка полягає в тому, що навколо заряджених тіл і частинок існує пов’язане з ними електричне поле. В одній точці простору можуть існувати кілька полів одночасно, і кожне з них може чинити дію на внесений у цю точку заряд, незалежно від наявності іншого поля (принцип суперпозиції полів). (Демонструється взаємодія заряджених султанів.)
Головний суддя. Чи є в прокурора запитання до підсудної?
Прокурор. Ні, Ваша Честь.
Головний суддя. У захисту?
Адвокат. У мене запитання до суду. Чи братиметься до уваги те, що батьками обвинуваченої були такі видатні люди, як Кулон і Максвелл?
Головний суддя. Ці факти справи не стосуються.
Адвокат. У мене поки що немає запитань.
Суддя. Чи є запитання у суддів?
Перший суддя. Кому Ви належите?
Електростатика. Майже усім тілам і частинкам, крім нейтронів, фотонів і деяким іншим елементарним частинкам.
Другий суддя. Сфера застосування Ваших сил?
Електростатика. Фізика, техніка, медицина, космос тощо.
Головний суддя. Переходимо до опитування свідків. Свідків, яким потрібно підготуватися письмово, прошу до дошки. (Два учні розв’язують на дошці задачі: 1) на визначення густини речовини з використанням електростатичних сил; 2) на зміщення електрона під час руху між пластинами плоского конденсатора.)
Задача 1. Два однакові заряджені тіла, підвішені в одній точці на нитках однакової довжини, розійшлися на кут а. Визначити густину речовини тіл, якщо при зануренні їх у гас кут розходження не змінився. Діелектрична проникність гасу? = 2, густина гасу? = 800 кг/м3.
Задача 2. Визначити зміщення електрона в електронно-променевій трубці, якщо він влітає в конденсатор паралельно до його пластин зі швидкістю v0. Відстань між пластинами дорівнює d, напруга між пластинами – U.
Головний суддя. Запрошується свідок Г. Що Ви можете сказати про підсудну?
Свідок Г. Розповідає про електричний заряд, види електричних зарядів, взаємодію однойменних і різнойменних зарядів, способи електризації, про рівності зарядів, що виникають унаслідок електризації двох тіл, про закон збереження електричного заряду.
Головний суддя. Дякую. Слово надається свідку Б. (На екрані за допомогою проектора зображена установка, яка була використана для встановлення закону Кулона (мал. 1)).
Мал. 1.
Свідок Б. Розповідає про силу взаємодії зарядів, визначення коефіцієнта пропорційності, одиницю електричного заряду.
Головний суддя. Дякую. Запрошується свідок А.
Свідок А. Ваша Честь! Чи звертали Ви увагу на те, які подібні математичні вирази для закону всесвітнього тяжіння Ньютона і закону Кулона: 
По-перше, вони симетричні, прості, а тому красиві. По-друге, попри їхню схожість, між ними є суттєва відмінність; ми не знаємо частинок чи тіл з від’ємною масою, а заряди бувають додатними (+) і від’ємними(-).
Подібність цих законів була помічена давно. Майже 30 років Ейнштейн та інші вчені намагалися з’ясувати причини і наслідки такої подібності гравітаційного й електростатичного полів. Ейнштейн вважав, що гравітаційна й електрична взаємодії є різними виявами якоїсь однієї, фундаментальнішої взаємодії тіл. Спроба створити таку теорію Ейнштейну не вдалася. Сьогодні ми знаємо чому. Учений не знав про існування ідеї двох типів фундаментальних взаємодій – ядерної та слабкої, зумовлених взаємним перетворенням елементарних частинок. Створювана нині єдина теорія поля має об’єднувати всі чотири типи взаємодій, чим і займається сучасна фізика.
Цікаво, що закон Кулона і закон всесвітнього тяжіння Ньютона не єдині у своїй подібності.
У 1915 році скандинавський учений Бьоркнесс вивчав коливання повітряних бульбашок у воді. Йому вдалося показати, що дві бульбашки, які коливаються у воді на відстані R одна від одної, певним чином взаємодіють. Сила взаємодії 
де 
r1, r2 – радіуси бульбашок; ? – густина води; ? – різниця фаз коливань бульбашок.
У способах передачі взаємодії в законах Ньютона, Кулона і Бьоркнесса є відмінності. Але чому ж математична формула при цьому зберігається?
Відповіді ми не знаємо. Можливо, в основу нашого світогляду покладено кілька простих загальних принципів, зрозуміти які ми ще не можемо. Із них і випливають усі ті різноманітні явища, свідками яких ми є. При цьому кожне з таких явищ несе відбиток свого походження, пам’ять про своїх “батьків”, зберігає свої родові риси.
Головний суддя. Дякую. Викликається свідок Н.
Свідок пояснює за допомогою кодограми дослід Йоффе, доводить дискретність електричного заряду, наводить значення елементарного заряду e = -1,6-10-19 Кл. Демонструється кінофрагмент “Дослід Йоффе – Міллікена”.
Головний суддя. Викликається свідок С.
Перший суддя. Ваша Честь! У мене є запитання до свідка. Усі стверджують, що заряди взаємодіють через електромагнітне поле. Проте його не видно. Як же виявити це поле? Зобразити його?
Свідок С. Електростатичне поле виявляється за його дією на зарядні (Розповідає про створення поля зарядами, суперпозицію полів, про силові лінії, їх початок і кінець, їхню неперервність, наголошує, що силові лінії – це модель, за допомогою якої зображають поля. Демонструє кодограму силових ліній.
Головний суддя. Дякую. Викликається свідок О.
Свідок О. Повідомляє, що на заряд в електростатичному полі діє певне сила. Розповідає про напруженість електростатичного поля, а також про напруженість поля, створеного точковим зарядом, зарядженими кулею площиною; одиниці вимірювання напруженості.
Головний суддя. Викликається свідок Б. Що Ви можете сказати про можливість виконання роботи електростатичним полем? Які особливості цієї роботи?
Свідок Б. Виводить формулу для обчислення роботи щодо переміщення заряду в електростатичному полі; показує залежність роботи від координат заряду; доводить незалежність роботи від форми траєкторії, доводить, що робота вздовж замкнутого контуру дорівнює нулю, що електростатичне поле – потенціальне.
Головний суддя. Свідок Д., що Ви можете сказати про енергетичну характеристику поля?
Свідок Д. Розповідає про потенціал як про величину, зв’язану з роботою щодо переміщення одиничного заряду із нескінченності у дану точку поля; виводить формулу потенціалу поля, створеного точковим зарядом (кулею); показує зв’язок між силовою й енергетичною характеристиками поля; розповідає про різницю потенціалів, одиницю вимірювання напруженості поля (1 В/м).
Другий суддя. Запитання до свідка Д. Скажіть, будь ласка, яке співвідношення між одиницями вимірювання напруженості 1 В/м і 1 Н/Кл?
Свідок Д. 1 Н/Кл = 1 В/м. (Пояснює, що приймають за одиницю напруженості 1 Н/Кл і 1 В/м.)
Головний суддя. Дякую. Свідок К., що можна сказати про енергію електричного поля?
Свідок К. Розповідає про ємність, одиниці її вимірювання, конденсатори, види конденсаторів; виводить формули для визначення ємності кулі, плоского конденсатора; розповідає про з’єднання конденсаторів, нагромадження енергії між обкладинками конденсатора.
Свідки М. і Г. пояснюють розв’язання задач.
Головний суддя. Свідок Ш., що Ви можете сказати про дію електростатичного поля?
Свідок Ш. Електростатичне поле діє на живі організми. Ще в 1745 році І лікар Краценштейн намагався лікувати параліч електричними “ударами”. Жан Поль Марат, лікар і фізик за професією, напередодні Великої Французької революції лікував електрикою. Знамениті учені Гальвані, Юнг, Ерстед, Гельмгольц були фізиками, фізіологами і лікарями. У 1802 році учень Гальвані Альдіні вперше зробив спробу за допомогою електричного струму повернути до життя серце померлої людини.
У 1922 році хірург Бостон застосував гальванічний струм і повернув до життя пацієнта, який перебував у стані клінічної смерті. Електричні потенціали, що виникають у клітинах, тканинах і органах живого організму, називаються біопотенціалами. Вони утворюються внаслідок концентрації грації позитивних (+) і негативних (-) іонів усередині та ззовні клітин. Під час збудження клітин змінюється знак і значення біопотенціалу. Це явище отримало назву біопотенціальної дії. Це не що інше, як імпульс постійного або змінного струму. В умовних одиницях показано відносні потенціали різних ділянок тіла людини. (мал. 2). Частина тіла ліворуч від осі О – О має від’ємні потенціали, а праворуч – додатні. Електричне поле людського організму можна охарактеризувати еквіпотенціальними поверхнями.
Мал. 2.
Мабуть, кожному відомо, які неприємні відчуття викликає зубний біль. Дослідження показали, що виникнення болю пов’язане зі зниженням потенціалів. Біль завжди електрично “від’ємний”! Звідси і метод боротьби з ним: якщо бормашину з’єднати з позитивним полюсом джерела струму, а тіло людини – з негативним і доторкнутися до хворого зуба, то біль зменшується.
В атмосфері діють доволі сильні електричні поля. За нормальних умов електричне поле Землі має більш високий потенціал, ніж хмари, тому воно напрямлене знизу вгору. Зміни силової або енергетичної характеристики цього поля впливають на самопочуття і здоров’я людей. У 1960 році лікар Ж. К. Жердель опублікував цікаві дані про вплив зміни електричного потенціалу на хворих: у них спостерігалося збільшення кількості випадків безсоння, посилення болю, нападів астми, мігрені… Біологи вважають, що внаслідок потрапляння в організм більшої, ніж звичайно, кількості електрично заряджених частинок в організмі порушується процес обміну речовин, причому додатний і від’ємний електричні заряди діють по різному.
Американські вчені Т. Уінсор і Дж. Баккет експериментально довели шкідливу дію позитивних іонів. Добровольцям пропонувалося протягом 20 хв. дихати повітрям, в 1 см3 якого містилося 32 млн. позитивних іонів. У кінці експерименту всі скаржилися на запаморочення, утруднене дихання, хрипкий голос. Російські вчені встановили зв’язок надлишку позитивних іонів із серцевими нападами і післяопераційними ускладненнями. Міста є справжнім: генераторами позитивних іонів, які утворюються в результаті нагромадженні вихлопних газів, диму і пилу.
Негативні іони захищають здоров’я людини від шкідливого впливу забрудненої атмосфери. Людям, хворим на грип, достатньо побувати в приміщенні, у якому на підлозі і в стелі встановлені електроди під напругою 2000 упродовж 5 год., щоб почутися значно краще. М’ясо і масло, оброблені в та кий спосіб, не вражаються бактеріями чи грибками впродовж тривалого часу.
Застосування електричного поля високої напруженості з лікувальною метою називається франклінізацією або статичним душем (мал. 3).
Мал. 3.
Під дією електричного поля іони, а також будь-які заряджені частинки розчину переміщуються. Це явище – іонофорез – використовують для введення в організм ліків. Їх уводять в організм за допомогою прокладок, змочених відповідним розчином і з’єднаних з електродами. При цьому необхідно враховувати полярність: наприклад, від анода вводяться іони металів, стрептоміцин, а від катода – кислотні радикали солей, пеніцилін Ліки, введені в такий спосіб, не руйнуються, довше затримуються в тканинах поступово потрапляючи у кров. (Розповідає про виникнення електричних зарядів внаслідок тертя об повітря, про боротьбу з електризацією – заземлення верстатів, літаків, автомобілів.)
Головний суддя. Запрошується свідок Р. Що Ви можете сказати про зміни властивостей речовин під дією електростатичного поля?
Свідок Р. Є низка діелектриків, які можуть зберігати стан поляризації навіть за відсутності електричного поля. Ще у 1839 році М. Фарадей повідомляв про існування таких діелектриків. Англійський фізик Хевісайд назвав такі речовини електретами. Перші зразки електретів були виготовлені у 20-роках XIX ст. у Японії із суміші каніфолі й воску. Зараз розроблено грунтовну теорію електретів і способи їхнього виготовлення. (Демонструється властивості електрета: металеві пластини від повітряного конденсатора закріплені у штативі одна над одною. Нижня пластина закріплена нерухомо, а верхня підвішена до пружини з невеликою жорсткістю. На нижню пластину кладуть органічне скло, а верхню переміщують так, щоб її відстань до оргскла становила 4-5 мм. Пластини під’єднують до джерела високої напруги (30-40 кВ) і спостерігають, як верхня пластина притягується до нижньої (оргскло поляризується). Від’єднавши пластини від джерела напруги, бачимо, що верхня пластина немов прилипла до оргскла. Якщо пластини з’єднати провідником, то вони продовжуватимуть притягатися і в такому стані. Якщо оргскло вийняти, пластини розійдуться. Отже, оргскло зберігає стан поляризації і є джерелом електростатичного поля.)
Такі електрети є основою електретного мікрофона. Таку ж будову має електретний телефон. Лінії зв’язку з електретними мікрофонами і телефонами працюють без зовнішніх джерел струму, тому підвищується надійність телефонних ліній.
Під час Другої світової війни американці захопили кілька японських островів у Тихому океані. Розглядаючи трофеї, вони звернули увагу на дивний японський телефон. Він був схожий на звичайний, але працював без джерела енергії, не було в ньому і звичайних магнітів. Незабаром американці захопили підводний човен, на якому були такі ж телефони. Зв’язківцям не вдалося розглядати їхні таємниці. Це були електретні телефони.
Російським ученим О. М. Губкіну і Г. І. Сканаві вдалося виготовити електрети з керамічних матеріалів. Вони мають добру механічну міцність і високу термостійкість.
Головний суддя. Дякую. Слово має прокурор.
Прокурор. Шановний суд! Для чого ми тут зібралися? Адже провина підсудної і так очевидна. Я не можу зрозуміти, як розсудливі люди можуть захищати Електростатику? Кожен із нас відчув на собі наругу підсудної. Адже и магазинах узимку не можна безкарно пройти повз красиву шубу; погано стане і під час посадки в тролейбус, особливо в сиру погоду. А милу домашню тварину – кота – не можна погладити без неприємних наслідків! А скільки і її вини зареєстровано травм, пожеж! І дехто ще намагається розповідати про її невинність. Схаменіться!
Головний суддя. Слово має захист.
Адвокат. Якщо розглядати вчинки Електростатики, то слід підкреслити, що позитивних якостей у неї значно більше ніж негативних. Її законами користуються в науці, побуті та медицині. Можна навести чимало прикладів її допомоги людині. Більше того, я вважаю, що ми маємо бути вдячними Електростатиці, оскільки без неї ми не змогли б переглядати телевізійні передачі чи користуватися електричними приладами.
Головний суддя. Слово має підсудна.
Електростатика. Громадяни судді! Якщо і було щось зроблено на шкоду людству, то це не моя провина. Це відбувається тому, що не всі знають закони електродинаміки чи не дотримуються їх.
(Суд іде на нараду.)
Секретар суду. Встати! Суд іде!
Головний суддя. Наш суд був швидким і справедливим. Уважно вислухавши обидві сторони, суд прийняв таке рішення.
Враховуючи деякі негативні сторони діяльності підсудної, а також промову адвоката і свідчення захисту, суд вважає більшість звинувачень перебільшеними, а тому постановляє:
1) Добре вивчати і глибоко усвідомлювати закони електростатики, проникати в таємниці природи і використовувати їх на користь людині.
2) Вести боротьбу з негативними проявами електростатики.
Засідання суду вважати закритим.
