Закон Кулона
1-й семестр
ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ЯВИЩА
1. Електричне поле
Урок 5/5
Тема. Закон Кулона
Мета уроку: увести поняття точкового заряду, роз’яснити учням фізичний зміст закону Кулона.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
План уроку
Контроль знань | 4 хв. | 1. Як перевірити, що під час зіткнення електризуються обидва тіла? 2. Що таке електричне поле? Як можна виявити електричне поле? 3. Як довести, що електричне поле має енергію? |
Демонстрації | 5 | 1. Взаємодія заряджених тіл. 2. Відео-фрагмент “Дія електричного поля на електричні заряди” |
Вивчення нового матеріалу | 25 хв. | 1. Точковий заряд. 2. Будова крутильних ваг. 3. Закон Кулона |
Закріплення вивченого матеріалу | 11 хв. | 1. Навчаємося розв’язувати задачі. 2. Контрольні питання |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Точковий заряд
На початку уроку необхідно звернути увагу учнів на подібність електричної й гравітаційної взаємодій (хоча між ними існують і значні відмінності). Обидва закони справедливі
O Точковий заряд – електрично заряджене тіло, розмірами якого, порівняно з відстанню, на якій розглядається електрична взаємодія, можна знехтувати.
Назва “точковий заряд” не означає, що заряд розміщений на матеріальній точці. Всі тіла мають кінцеві розміри, ті самі заряди в одних випадках можуть уважатися точковими, в інших – ні.
2. Будова крутильних ваг
У звичайних лабораторних дослідах для виявлення й вимірювання електричних зарядів використовується електрометр – прилад, що складається з металевого стрижня й стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі.
Сили електричного відштовхування зумовлюють поворот стрілки на певний кут, за яким можна судити про заряд, переданий стрижню електрометра.
Електрометр є досить грубим приладом; він не дозволяє досліджувати сили взаємодії зарядів. Уперше закон взаємодії нерухомих зарядів був установлений французьким фізиком Ш. Кулоном (1785 г). У своїх дослідах Кулон вимірював сили притягування й відштовхування заряджених кульок за допомогою сконструйованого ним приладу – крутильних ваг, що вирізнялися надзвичайно високою чутливістю. Так, наприклад, коромисло ваг поверталося на 1° під дією сили близько 10-9 Н.
Ідея вимірів грунтувалася на блискучій здогадці Кулона про те, що якщо заряджену кульку привести в контакт із точно такою не – зарядженою, то заряд першої розділиться між ними нарівно. Таким чином, був зазначений спосіб змінювати заряд кульки у два, три й т. ін. рази.
3. Закон Кулона
Закон взаємодії точкових зарядів дослідним шляхом установив Шарль Кулон. У результаті виконаних дослідів Кулон установив, що нерухомі точкові заряди q1 й q2 взаємодіють у вакуумі із силою F, прямо пропорційною модулям зарядів й обернено пропорційною квадрату відстані r між зарядами:
Досліди довели, що коефіцієнт пропорційності в законі Кулона 
Фізичний зміст цього коефіцієнта такий: два точкових заряди по 1 Кл кожний, розташовані на відстані 1 м один від одного, взаємодіють із силою, що дорівнює 9-109 H.
Щоб уявити собі цю величезну силу, наведемо порівняння: вона дорівнює вазі навантаженого поїзда, довжина якого дорівнює приблизно відстані від Харкова до Києва.
Тепер стає зрозуміло, чому неможливо передати заряд 1 Кл тілу “звичайних” розмірів.
Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу
– У чому подібність і відмінності електричної й гравітаційної взаємодій?
– Чи справедливий вираз: “Точковий заряд – це заряд, розмірами якого можна знехтувати”?
– Порівняйте поняття “точковий заряд” й “матеріальна точка”.
– Які переваги мають крутильні ваги порівняно з електрометром?
– Чи завжди можна застосувати закон Кулона?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1. Навчаємося розв’язувати задачі
1) Два однакових позитивних заряди перебувають на відстані 10 мм один від одного й взаємодіють із силою, що дорівнює 7,2-10-4 H. Визначте заряд кожної кульки. (Відповідь: 2,8 нКл.)
2) Заряди двох однакових маленьких кульок дорівнюють відповідно – 2 й 10 нКл. Кульки привели в зіткнення й розвели на попередню відстань. У скільки разів змінився модуль сили взаємодії між ними?
Розв’язок. Нехай відстань між кульками дорівнює r. Тоді початкова сила взаємодії між кульками
А кінцева
Тут q – заряд кожної з кульок після зіткнення. Відповідно до закону збереження заряду 2q = q1 + q2. Отже,
Відповідь: модуль сили зменшився в 1,25 рази.
3) На якій відстані потрібно розташувати два точкових заряди 5-10-9 й 6-10-9 Кл, щоб вони відштовхувалися один від одного із силою, рівною 12-10-4 H? (Відповідь: 15 мм)
Що ми дізналися на уроці
– Точковий заряд – електричний заряд, розмірами носія якого порівняно з відстанню, на якій розглядається електростатична взаємодія, можна знехтувати.
– Нерухомі точкові заряди q1 й q2 взаємодіють у вакуумі із силою F, прямо пропорційною модулям зарядів й обернено пропорційною квадрату відстані r між зарядами:
– Два точкових заряди по 1 Кл кожний, розташовані на відстані 1 м один від одного, взаємодіють із силою, що дорівнює 9-109 H.
Домашнє завдання
1. Підр.: § 4.
2. Зб.:
Рів1 – № 3.1; 3.2; 3.3; 3.5; 3.6.
Рів2 – № 3.7; 3.9; 3.10; 3.11, 3.12.
Рів3 – № 3.13, 3.15; 3.16; 3.18; 3.20.
3. Д.: підготуватися до самостійних робіт № 1 й № 2.
У домашньому завданні записано: підготуватися до самостійної роботи. Що це означає?
Учні вдома переглядають тексти завдань із кожної самостійної роботи й вибирають той рівень, що їм на сьогоднішній день під силу (наприклад, середній, достатній або високий), а вчитель на уроці дає учневі номер варіанта з того рівня, що вибрав сам учень.
Учень, розібравшись із тим або іншим завданням, може або на уроці, або в позаурочний час попросити в учителя завдання більш високого рівня.
Задачі із самостійної роботи № 1 “Електризація тіл. Закон збереження електричного заряду. Закон Кулона”
Середній рівень
1. а) Як взаємодіють між собою тіла, що мають однойменні заряди? Наведіть приклади. б) Як змінюється сила взаємодії двох точкових електричних зарядів при збільшенні відстані між ними?
2. а) Як взаємодіють між собою тіла, що мають різнойменні заряди? Наведіть приклади. б) Як змінюється сила взаємодії двох точкових електричних зарядів при зменшенні відстані між ними?
Достатній рівень 1. а) Що можна сказати про заряди даних кульок? (див. рис.).
Б) Чи справедливим є вираз: “Під час тертя створюються заряди”? Чому?
2. а) Як заряджена паличка? Пунктиром показане початкове положення листочків електроскопа (див. рис.).
Б) Чи можна під час електризації тертям зарядити тільки одне з дотичних тіл? Відповідь обгрунтуйте.
Високий рівень
1. а) Чи можна на кінцях ебонітової палички одержати одночасно два різнойменних заряди? Як це зробити? б) З якою силою взаємодіють два точкових заряди 5 й 10 нКл, що перебувають на відстані 5 см один від одного?
2. а) Чому металевий стрижень не можна наелектризувати, якщо тримати його в руці? Яким способом це можна зробити? Чому? Поясніть. б) На якій відстані перебувають один від одного точкові заряди 4 й 6 нКл, якщо сила їхньої взаємодії дорівнює 6 мН?
Задачі із самостійної роботи № 2 “Електричне поле”
Середній рівень
1. Поясніть, чому після передачі електричному султану заряду його паперові смужки розходяться в різні сторони?
2. Як можна виявити електричне поле поблизу зарядженого тіла?
Достатній рівень
1. а) Чи будуть взаємодіяти близько розташовані електричні заряди в безповітряному просторі, наприклад, на Місяці, де немає атмосфери?
Б) Чи можна пояснити електризацію тіл переміщенням атомів і молекул? Чому?
2. а) Як буде змінюватися сила електричної взаємодії двох заряджених тіл в міру зміни заряду цих тіл? б) Що дозволяє стверджувати, що навколо зарядженого тіла існує електричне поле?
Високий рівень
1. а) Зернятко рису притягається до негативно зарядженої ебонітової палички. Чи можна стверджувати, що зернятко заряджене позитивно? Обгрунтуйте свою відповідь. б) Як за допомогою електричних полів можна описати взаємодію електричних зарядів?
2. а) Що спільного між гравітаційною й електричною взаємодією? Які найбільш істотні відмінності?
Б) Якщо піднести руку до наелектризованого султана, то паперові листочки розходяться. Чому?
