Напряженность поля в произвольных системах сферически симметричных зарядов. Методические материалы

Цифровой ресурс может использоваться для обучения в рамках программы средней школы (базового и профильного уровней).

Компьютерная модель-задача. Пользователю предлагаются изображения пяти систем зарядов. Требуется рассчитать для каждой системы напряженность в указанной точке и расположить схемы, соответствующие системам, в порядке возрастания напряженности.

Краткая теория

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к значению этого заряда:

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора в каждой точке пространства совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим. Во многих случаях для краткости это поле обозначают общим термином – электрическое поле.

Если с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в отдельности. Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности:

Это свойство электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции.

В соответствии с законом Кулона напряженность электростатического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, равна по модулю:

Это поле называется кулоновским. В кулоновском поле направление вектора зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор направлен по радиусу от заряда, если Q < 0, то вектор направлен к заряду.

Работа с моделью

Для решения задачи требуется рассчитать для каждой из пяти изображенных систем напряженность в указанных точках и расположить схемы, соответствующие системам, в порядке возрастания напряженности. Пользователь имеет возможность перемещать с помощью курсора мышки рисунки в соответствующие позиции. При нажатии на кнопку Проверить анализируется результат, после чего можно либо обновить экран для нового решения, либо посмотреть правильное решение данного задания.

Рекомендации по применению модели

Данная модель может быть применена в качестве интерактивной задачи на уроках повторения, решения задач в 10 классе по теме «Напряженность электрического поля», «Принцип суперпозиции полей».

Пример планирования урока с использованием модели
Тема «Напряженность электрического поля. Решение задач»

Цель урока: повторить понятие напряженности электрического поля точечного заряда и заряженной сферы; принцип суперпозиции полей; отработать решение задач.

№ п/п Этапы урока Время, мин Приемы и методы
1 Организационный момент 2
2 Проверка домашнего задания по теме «Напряженность электрического поля» 15 Индивидуальный опрос
3 Решение задач по теме «Напряженность электрического поля» 25 Решение задач на доске, самостоятельное решение задач с использованием интерактивной модели «ЭСП в произвольных системах сферически симметричных зарядов»
4 Объяснение домашнего задания 3
Таблица 1. 
Примеры вопросов и заданий
1.

Электрическое поле у поверхности Земли в среднем равно E = 150 Н/Кл. Вектор напряженности направлен вниз перпендикулярно поверхности Земли. Предполагая, что электрическое поле создается зарядом самой Земли, определите модуль и знак этого заряда. Радиус Земли RЗ = 6,38∙106 м.

2.
Рис. 1. 

Какая стрелка на рисунке указывает направление вектора напряженности электрического поля двух одинаковых по модулю разноименных точечных зарядов +q и –q в точке C?