Лабораторная работа исследование электростатических полей: Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Пусть расстояние между этими точками
столь мало, что значение напряженности поля E между
ними можно считать неизменным. Проведём эквипотенциальные поверхности j и j + Dj  и
восстановим нормаль к эквипотенциальной поверхности в точке O.
Очевидно, работа переме­щения заряда q из точки О в точку О’
равна:

С другой стороны, эта же работа может быть выражена
через разность потенциалов точек O и О’ как 

Приравнивая два выражения для работы А, найдём:

или напряженность электростатического поля численно
равна изме­нению потенциала на единицу длины нормали к эквипотенциальной по­верхности,
взятому с обратным знаком. Величина   характеризует
быстроту возрастания потенциала в направлении, перпендикуляр

ном эквипотенциальной поверхности, и называется
градиентом потенциа­ла. Однозначная связь между Е   и  j и ортогональность силовых линий и эквипотенциальных
поверхностей позволяют легко перейти от изображения поля с помощью
эквипотенциальных поверхностей к его изображению с помощью силовых линий и
наоборот.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Постановка задачи

Целью работы является изучение различных
электростатических полей, моделируемых с помощью стационарных электрических
полей тока в электропроводной бумаге.

В качестве электродов предлагается
использовать любые комби­нации имеющихся электродов:

1. Две плоские параллельные пластины.

2. Два коаксиальных кольца.

3. Два точечных электрода.

4. Кольцо и плоский электрод.

5. Полуэллипс и плоский электрод и т.д.

Теория измерений

В основу изучения распределения
потенциалов в электростатичес­ком поле часто кладётся так называемый метод
зондов. Его сущность заключается в следующем: в исследуемую точку поля вводится
специаль­ный дополнительный электрод-зонд, по возможности так устроенный, чтобы
он минимально нарушал своим присутствием исследуемое поле. Этот зонд
соединяется проводником с прибором, измеряющий приобре­тенный зондом в поле
потенциал по отношению к какой-нибудь избран­ной за начало отсчёта точке поля.

Но изучение электростатического поля зарядов, например,
при помощи зондов, затруднено, поэтому в условиях задачи изучение электростатического
поля между системой заряженных проводников можно заменить изучением его менее точней,
но более удобной моделью — электростатического поля постоянного тока между той же системой
проводников, если потенциалы проводников поддерживаются постоянными, а проводимость
среды, в которой исследуется распределение потенциалов, намного меньше, чем
проводимость данных проводников. Плохо проводящей средой может быть обыкновенная
вода, влажный песок, электропроводная бумага и т.п.

Лаборатория 1 — Электрическое поле и электрический потенциал

Введение

Физики используют понятие поля для объяснения взаимодействия частиц или тел в пространстве, то есть силы «действия на расстоянии» между двумя телами, не находящимися в физическом контакте. Земля изменяет окружающее пространство таким образом, что любое тело, обладающее массой, например Луна, притягивается к ней. Гравитационное поле становится слабее по мере удаления от источника, но никогда полностью не исчезает.

Электрон изменяет пространство вокруг себя таким образом, что другие частицы с таким же зарядом отталкиваются, а частицы с противоположным зарядом притягиваются. Как и гравитационное поле, электрическое поле становится слабее по мере удаления от источника, но никогда не исчезает полностью. Любой заряд, помещенный в электрическое поле, будет испытывать силу, как и любая масса, помещенная в гравитационное поле. Как масса в гравитационном поле обладает некоторой потенциальной энергией, так и заряд в электрическом поле. В этой лабораторной работе мы рассмотрим некоторые аспекты электрического поля и электрического потенциала.

Обсуждение принципов

На заряженное тело действует сила

F

всякий раз, когда оно помещено в электрическое поле

E.

Векторное соотношение между силой и электрическим полем определяется выражением

( 1 )

F = qE.

Величина силы, деленная на величину заряда q на теле, численно равна величине электрического поля.

( 2 )

Е =  

Из

экв. (1)

F = qE.

, мы видим, что направление вектора электрического поля в любой заданной точке совпадает с направлением силы, действующей полем на положительный пробный заряд, находящийся в этой точке. Положительный пробный заряд будет отталкиваться от положительного заряда и притягиваться к отрицательному. Следовательно, силовые линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Количество линий, начинающихся с положительного заряда или заканчивающихся отрицательным зарядом, пропорционально величине заряда.

Электрическое поле в любой точке касается линий электрического поля.

Магнитуда E напряженности электрического поля пропорциональна количеству линий электрического поля на единицу площади, перпендикулярных линиям.

Положительный заряд, помещенный в электрическое поле, будет стремиться двигаться в направлении силовых линий электрического поля, а отрицательный заряд будет стремиться двигаться в направлении, противоположном направлению силовых линий электрического поля.

Работа, потенциальная энергия и электростатический потенциал

Работа выполняется при перемещении заряженного тела через электрическое поле. Объем работы W done зависит от электрического поля, величины заряда и смещения

d 

, которое заряд совершает через поле. Когда смещение настолько мало, что электрическое поле можно считать однородным в области, через которую движется заряд, работа Вт определяется выражением

( 3 )

W = |F||d| cos θ = q|E||d| cos θ  

где θ — угол между векторами поля и смещения или векторами силы и смещения.

Отрицательная работа, совершаемая электрической силой, определяется как изменение электрическая потенциальная энергия U тела. Иными словами, это разница потенциальных энергий

ΔU

, связанных с начальным и конечным положениями.

( 4 )

−W = ΔU = (U _{окончательная} − U _{начальная} )

Электростатический потенциал В определяется как электрическая потенциальная энергия тела, деленная на его заряд:

В = U/q

. В терминах электростатического потенциала работа, совершаемая электрическим полем, равна

( 5 )

Вт = −qΔV 

где

ΔV = V _{конечное} − V _{начальное}  

есть разность потенциалов .

Величина электрического поля также может быть определена из уравнения

. (3)

Вт = |F||d| cos θ = q|E||d| cos θ  

и

(5)

W = −qΔV

.

( 6 )

E =

  90 005

Когда заряженная частица движется в электрическом поле, если ее электрическая потенциальная энергия уменьшается, ее кинетическая энергия увеличивается. Другими словами, полная энергия сохраняется.

Положительный заряд, помещенный в электрическое поле, будет стремиться двигаться в направлении поля. Работа, совершаемая электрическим полем, в этом случае будет положительной, поскольку векторы поля и смещения имеют одинаковое направление, а угол между двумя векторами будет равен нулю, как показано на рис. 1 (а). Обратите внимание, что вектор скорости указывает направление вектора смещения заряда.

Рисунок 1 : Движение зарядов в электрическом поле

Из

экв. (4)

−W = ΔU = (U _{конечная} − U _{начальная} )

, видим, что изменение электрической потенциальной энергии в этом случае будет отрицательным. Следовательно, он будет терять электрическую потенциальную энергию и приобретать кинетическую энергию. Это говорит нам о том, что электрический потенциал уменьшается в направлении силовых линий электрического поля. Положительный заряд, если он свободно перемещается в электрическом поле, будет перемещаться из точки с высоким потенциалом в точку с низким потенциалом.

Теперь рассмотрим отрицательный заряд, помещенный в электрическое поле, как показано на рис. 1(б). Он будет стремиться двигаться в направлении, противоположном электрическому полю, и при этом ускоряться. Работа, совершаемая электрическим полем, будет

( 7 )

W = (−q)Ed cos(180) = qEd

Опять же, обратите внимание, что работа, совершаемая электрическим полем, положительна, и отрицательный заряд будет терять электрическую потенциальную энергию и приобретать кинетическую энергию, когда он движется против поля. Отрицательный заряд, если он свободно перемещается в электрическом поле, будет перемещаться из точки с низким потенциалом в точку с высоким потенциалом.

Чтобы переместить положительный заряд против электрического поля, работа должна быть совершена вами или внешней по отношению к полю силой. Заряд вынужден перемещаться из точки с низким потенциалом в точку с высоким потенциалом, а работа, совершаемая внешней силой, отрицательна. Обратное будет верно для отрицательного заряда.

Как и в случае гравитационного поля, нулевая точка электрического потенциала выбирается произвольно. В общем случае нулевая точка находится на бесконечности. Очень часто нулевой точкой является земля или проводник, непосредственно соединенный с землей.

Эквипотенциальные линии и линии электрического поля

Рассмотрим поле, создаваемое одиночным точечным зарядом. Точка в этом пространстве вблизи источника поля (т. е. вблизи точечного заряда) и другая точка вдали от источника поля имеют разные потенциалы. Это верно, даже если в двух точках нет зарядов. На рис. 2 точки А и В находятся под разными потенциалами из-за электрического поля положительного заряда.

Рисунок 2 : Электрический потенциал в различных точках поля

Все поля имеют определенные точки с одинаковым потенциалом. Например, когда источником поля является точечный заряд, то любые две точки, находящиеся на одинаковом расстоянии от точечного заряда (точки А и С на рис. 2), будут иметь одинаковый потенциал. Существует бесконечное число точек, лежащих на одной и той же сфере, находящихся на одном и том же расстоянии и имеющих одинаковый потенциал. В трех измерениях эти точки образуют поверхность, называемую эквипотенциальная поверхность . В двух измерениях — скажем, в экваториальной плоскости сферы — окружность (экватор), где сфера пересекает плоскость, представляет собой эквипотенциальную линию ; разность потенциалов между любыми двумя точками на этой прямой равна нулю.

Из уравнения

следует (4)

−W = ΔU = (U _{конечная} − U _{начальная} ) 

что при перемещении заряда вдоль «эквипотенциала» (то есть эквипотенциальной линии или поверхности) не совершается никакой работы.

Уравнение (4)

−W = ΔU = (U _{, конечное} — U _{, начальное} )

также говорит нам о том, что работа не совершается, когда смещение и поле перпендикулярны друг другу. Следовательно, векторы электрического поля должны быть перпендикулярны эквипотенциалам.

Рисунок 3 : Линии электрического поля и эквипотенциальные линии

На рис. 3 показаны некоторые линии электрического поля (синие линии со стрелками) для положительного заряда. Пунктирные красные круги — это два из множества эквипотенциальных кругов. В любой заданной точке одной из этих окружностей касательная к окружности будет перпендикулярна направлению линии электрического поля в этой точке.

Поскольку непосредственно найти силовые линии электрического поля непросто, в этом эксперименте вы сначала определите местонахождение эквипотенциальных линий, а затем начертите силовые линии, зная, что они перпендикулярны эквипотенциальным линиям.

Цель

Цель этого эксперимента — провести эквипотенциальные линии для четырех различных конфигураций заряда. Затем вы будете использовать эти эквипотенциальные линии для отображения линий электрического поля для каждой конфигурации.

Оборудование

• Картограф научных полей PASCO

• Программное обеспечение Capstone

• Источник питания

• Электроды

• Пробник напряжения

Процедура

Пожалуйста, распечатайте рабочий лист для этой лабораторной работы. Этот лист понадобится вам для записи ваших данных.

Вы будете использовать научный полевой картограф PASCO, который состоит из листа пропитанной углеродом бумаги. Электроды или заряженные тела образованы линией токопроводящих чернил, нанесенной на бумагу и затем высушенной. Вам будут предоставлены четыре конфигурации электродов, уже нарисованные на токопроводящей бумаге, которые соответствуют копиям, приведенным в рабочем листе. Паттерны показаны на рис. 4 ниже.

Рисунок 4 : Шаблоны электродов

1

Не рисуйте на бумаге с углеродной пропиткой.

Вы будете использовать картограф поля, чтобы определить эквипотенциальные точки и перенести эти местоположения в соответствующую копию, представленную на рабочем листе.

Оригинал проводящей бумаги и копия имеют одинаковое количество реперных меток, но на копии они ближе друг к другу, чем на оригинале, т. е. масштаб разный.

2

Вставьте пробник напряжения (штекер с красным и черным проводом) в аналоговый канал А универсального интерфейса PASCO 850 и подключите два провода к выходу 1 интерфейса.

Это будет служить вашим вольтметром.

Ваш интерфейс должен иметь соединения, подобные показанным на рис. 5.

Рисунок 5 : Схема подключения к компьютерному интерфейсу

Рисунок 6 : Фото соединений с компьютерным интерфейсом

Процедура A: Параллельные линии

3

Подсоедините выходные провода сигнального интерфейса «Выход 1» к болтам на токопроводящей бумаге.

Затем подключите – провод (черный) от пробника напряжения к – от выхода 1.

Провод + от датчика напряжения будет размещен в различных местах конфигурации и будет измерять разность потенциалов между этим местом и электродом, подключенным к первому проводу датчика напряжения.

Соединения электродов должны выглядеть так, как показано на рис. 7.

Рисунок 7 : Соединения электродов

4

Откройте соответствующий файл Capstone, связанный с этой лабораторией.

На рис. 8 показан начальный экран в Capstone. Вы увидите окно «Настройка эксперимента», окно «Генератор сигналов» и окно «Цифры».

Рисунок 8 : Открытие экрана Capstone

5

Окно «Генератор сигналов» отображается слева от дисплея напряжения. Установите напряжение постоянного тока на 5 В с помощью кнопок со стрелками вверх/вниз (вверх для увеличения значения и вниз для уменьшения значения) справа от настройки напряжения, как показано на рис. 9.

Рисунок 9 : Окно «Генератор сигналов»

6

Включите генератор сигналов, нажав ВКЛ.

7

Чтобы контролировать сигнал, нажмите Монитор в главном окне.

8

Используйте свободный провод (красный) от сигнального интерфейса, чтобы измерить потенциал в различных точках на бумаге вокруг электродов.

Не проводите пробником напряжения по бумаге, так как это может повредить бумагу.

Поднимайте датчик после каждого измерения, а затем перемещайте его в другое место на бумаге, чтобы выполнить следующее измерение.

Потенциал отображается на вольтметре в Capstone.

9

Поместите щуп в разные точки пространства между двумя параллельными линиями и определите направление увеличения напряжения.

Из этого определите, какая из двух параллельных линий имеет более высокий потенциал, и отметьте это в конфигурации параллельных линий на вашем рабочем листе.

10

При необходимости переориентируйте картографическую бумагу так, чтобы положительная линия была слева, как на рис. 4.

11

Проведите пять эквипотенциальных линий, пока они не закроются или не покинут график. Определите положение щупа по реперным меткам на бумаге и перенесите координаты этого положения на соответствующую копию.

12

На вашем графике должно быть пять эквипотенциальных линий, которые проходят через пространство между электродами и выходят к краям бумаги.

Обязательно пометьте напряжение каждой из эквипотенциальных линий.

13

Измерьте потенциалы в пяти точках A , B , C , D и E . Запишите эти значения напряжения в таблицу данных 1 на рабочем листе.

14

Измерьте расстояние этих пяти точек от положительной линии и запишите их в Таблицу данных 1.

15

Постройте пять линий электрического поля, соединяющих один электрод с другим. Нарисуйте стрелки, указывающие направление линий поля.

16

Выполните расчеты для таблицы данных 2 на рабочем листе.

КПП 1:
Попросите вашего ТА проверить ваши линии поля и расчеты, прежде чем продолжить.

Процедура B: точка и линия

17

Поместите датчик в разные точки пространства между электродами, чтобы определить направление увеличения напряжения.

Исходя из этого, определите окончание конфигурации с высоким потенциалом и отметьте его на копии в своем рабочем листе.

18

При необходимости измените ориентацию картографической бумаги, чтобы она соответствовала показанной для этой конфигурации на рис. 4.

19

Повторите шаги 11 и 12 для конфигурации точек и линий. Определите эквипотенциальные точки по обе стороны от линии, а также вокруг точки.

20

Постройте пять линий электрического поля, соединяющих один электрод с другим, и нарисуйте стрелки, указывающие направление этих силовых линий.

Примечание: Чтобы провести линию, перпендикулярную кривой, рассмотрим касательную к кривой в точке.

21

Измерьте потенциалы в двух точках вдоль линии электрического поля вблизи точки A и по обе стороны от нее. Запишите эти значения напряжения в таблицу данных 3 на рабочем листе.

22

Измерьте расстояние между этими двумя точками и запишите его в рабочий лист.

23

Из значений, полученных на шагах 21 и 22, рассчитайте напряженность электрического поля в точке A , используя уравнение

. (6)

E =

.

24

Повторите шаги с 21 по 23 для остальных четырех местоположений B , C , D и E .

25

Выполните расчеты для таблицы данных 3 на рабочем листе.

КПП 2:
Попросите вашего ТА проверить ваши линии поля и измерения, прежде чем продолжить.

Процедура C: диполь

26

Повторите шаги с 17 по 25 для конфигурации диполя. Определите эквипотенциальные точки в пространстве между двумя точками, а также вокруг точек.

27

Выполните расчеты для таблицы данных 4 на рабочем листе.

КПП 3:
Попросите вашего ТА проверить ваши линии поля и измерения, прежде чем продолжить.

Процедура D: Линия и треугольник

28

Повторите шаги с 17 по 25 для конфигурации линии и треугольника.

Определить равнопотенциальные точки в пространстве как внутри треугольника, так и вне его.

29

Выполните расчеты для таблицы данных 5 на рабочем листе.

КПП 4:
Попросите вашего ТА проверить ваши линии поля и измерения.

Электрические поля — Полный набор инструментов

Электрическое поле — полный набор инструментов

Цели

1. Понять, что все источники заряда воздействуют на другие объекты, находящиеся на некотором расстоянии, и что для описания этого влияния используется концепция электрического поля.
2. Дать математическое определение электрического поля (сила/заряд) и описать зависимость напряженности электрического поля от влияющих на него переменных.
3. Использовать понимание условного обозначения направления электрического поля для определения направления электрического поля вокруг источника заряда.
4. Построение и интерпретация диаграмм силовых линий электрического поля для изолированных зарядов и для совокупностей двух или более зарядов.
5. Использовать уравнение электрического поля, уравнение закона Кулона и законы Ньютона для анализа физических ситуаций, связанных с электрическими полями, и решения задач по физике, связанных с такими ситуациями.

Чтения из Учебного пособия по физике

1. Учебное пособие по физике, глава «Статическое электричество», урок 4

Интерактивное моделирование

1. Интерактивный кабинет физики: линии электрического поля

   Начинающие могут почувствовать закономерности электрического поля с помощью этого простого моделирования, подходящего для курсов «Концептуальная физика» или «Первая физика». Учащиеся перетаскивают положительные или отрицательные заряды на поле и наблюдают за линиями поля, возникающими в результате конфигурации зарядов. Примечание : специально соответствует DCI средней школы NGSS: HS-PS2.B.2 — «Силы на расстоянии объясняются полями, пронизывающими пространство, которые могут передавать энергию через пространство».

    

2. Интерактивный класс физики: электростатические пейзажи

   Это моделирование было разработано, чтобы помочь учащимся визуализировать электрический потенциал, окружающий два точечных источника заряда. Поместите два заряда в любом месте на виртуальной проводящей бумаге, нажмите «Старт» и наблюдайте, как система приближается к равновесию. Вы можете рассматривать ландшафт двумя способами: 1) как линии электрического поля, окружающие заряды, или 2) как электрический потенциал, показанный в вольтах.

    

3. Интерактивный урок физики: поместите заряд в цель

   Используйте Phun с физикой, используя свое понимание электрических полей, чтобы вести заряженную шайбу вокруг препятствий к цели. Размещая заряды на виртуальном катке, ваша шайба может притягиваться или отталкиваться от препятствий. Каждый раз, когда вы повышаете уровень, добавляются дополнительные барьеры!

    

4. Моделирование PhET: заряды и поля

   Какие переменные влияют на взаимодействие заряженных тел? В этой модели учащиеся перетаскивают положительный или отрицательный заряд (или оба) на поле, а затем размещают «датчики электронного поля» (небольшие положительные тестовые заряды). Инструменты включают в себя виртуальную рулетку и датчик напряжения. Стрелки показывают векторы сил. Зарегистрированные пользователи PhET могут получить доступ к набору уроков, подготовленных преподавателями, и руководствам для учащихся.

    

5. Электрическое поле и потенциал точечного заряда в 2D-модели

   Для класса физики AP эта модель Java исследует электрическое поле и потенциал в двумерной ситуации. Студенты могут включить от 1 до 5 заряженных частиц, а затем перемещать тестовый заряд по плоскости, чтобы измерить как электрическое поле, так и потенциал. Вы можете включить сетку векторов поля, которые показывают направление. Чистый электрический потенциал и величина чистого поля численно показаны в таблице. 3 ключевых вывода:  1) Если заряд положительный, электрическое поле направлено в сторону от заряда, если отрицательный – к заряду; 2) электрическое поле является вектором; и 3) Чистое электрическое поле в любой точке представляет собой векторную сумму полей, вызванных отдельными зарядами.

    

Видео и анимация

1. Education Commons RW: Electric Fields

   В этом высококачественном 9-минутном видео используется комбинация демонстраций семян травы и иллюстраций на доске, чтобы показать закономерности и направление линий электрического поля. Это способствует пониманию трех основных идей: 1) картины электрического поля предсказуемы и могут быть отображены на диаграмме, 2) электрическая сила наиболее сильна вблизи заряженного объекта, где линии поля ближе всего друг к другу, и 2) линии электрического поля и линии магнитного потока имеют сходства, которые могут быть полезны для понимания свойств поля обоих . Отличный ресурс для учащихся с нарушениями чтения или тех, кто испытывает затруднения с содержанием.

    

2. Veritasium: Что в пламени свечи

   Мы знаем, что огонь — это окислительная химическая реакция, в результате которой выделяется тепло и свет. Но является ли пламя плазмой? Одним из тестов может быть вопрос о том, становится ли пламя свечи проводящим при воздействии электрического поля достаточной величины. Исследователь физического образования и ведущий Veritasium Дерек Мюллер едет в Париж, где он и французский физик проверяют эту идею. Примечание редактора: Ученые разделились во мнениях относительно того, является ли пламя плазмой. Мы не занимаем здесь какую-либо позицию, но надеемся, что это видео «вызовет» оживленную дискуссию!

    

3. Пленки AAPT: визуализация электрического поля с помощью кристаллов

   Преподаватель физики Джеймс Линкольн демонстрирует электрическое поле, используя кристаллы перманганата калия, неорганического соединения, обычно используемого на водоочистных сооружениях. Кристаллам дают раствориться вокруг положительного электрода. Ион перманганата отрицательный, поэтому он течет к электроду по мере растворения, создавая красивый рисунок поля. Не рекомендуется для живой установки в школьных лабораториях из-за высокого уровня напряжения и токсичности химического вещества.

Исследования в области физического образования

1. Сравнение понимания учащимися электрического поля и электрической силы

   В этом исследовании 2012 года сравнивались две последовательности вопросов студентов, чтобы оценить понимание электрического поля. В одной последовательности использовались представления электрической силы, а в другой последовательности электрического поля. В исследовании приняли участие 249 студентов крупного частного мексиканского университета, все из которых прошли вводные курсы по механике, электричеству и магнетизму. Группа 1 (n = 122) обращалась к силовой последовательности; 2 группа (n = 129) взял последовательность электрического поля. Основные выводы: 1) Студентам гораздо труднее понять концепцию электрического поля, чем концепцию электрической силы; 2) Учащиеся, давшие правильные ответы, в основном использовали векторные модели; 3) Большинство студентов использовали линии поля для представления электрического поля, а не рассматривали их как векторы, и 4) Даже после курса по электричеству и магнетизму большинство студентов не понимали основных концепций, лежащих в основе линий электрического поля.

Labs and Investigations

1. Класс физики, лаборатория, моделирование электрического поля

   Учащиеся используют моделирование электрического поля с открытым исходным кодом, чтобы изучить влияние расстояния, количества тестового заряда и количества заряда источника на напряженность электрического поля .

    

2. Класс физики, Лаборатория, Лаборатория волос Кулона

   Заряженные шары подвешиваются на легких нитях к общей опоре. Учащиеся проводят измерения (масса, расстояние между ними, длина струны и т. д.), чтобы определить количество электронов, переданных двум воздушным шарам при трении о шерсть животных.

    

3. Кабинет физики, Лаборатория, Линии электрического поля

   Учащиеся используют симулятор линий электрического поля, чтобы изучить структуру силовых линий (направление, общая форма, плотность и т. д.) вокруг отдельных точечных зарядов и совокупности точечных зарядов.

   Ссылка: http://www.physicsclassroom.com/lab#estatic

Демонстрационные идеи

1. Фильмы AAPT: десять способов «увидеть» электрическое поле

   Мы не можем видеть электрическое поле. Итак, как ученики могут визуализировать его? Учитель физики HS и популярный видеоведущий Джеймс Линкольн демонстрирует, как это делается, со своим обычным юмором и великой наукой. Видео исследует десять экспериментов, которые можно было бы провести в классе средней школы. Примечание редактора: нам особенно нравится эксперимент Plasma Globe, отличный выбор для экономного учителя (доступен в магазинах научных товаров примерно за 50 долларов).

    

2. Эквипотенциальные линии, картирование электрических и магнитных полей

   Это видео с практическими рекомендациями дает отличное руководство по организации классной лаборатории по полевому картографированию. В нем даются подробные указания по двум методам, в которых используются проводящая бумага и вольтметр. В одном методе (показан выше справа) для создания рисунка используются проводящие стержни. Второй метод создает дипольную диаграмму. Ведущий дает советы о том, как получить наилучшие показания, а также показывает, как строить эквипотенциальные линии.

    

3. Университет Рутгерса: Лаборатория электрического потенциала и карт поля

   Это руководство для учащихся к лабораторной работе по картографированию полей с использованием вольтметра и доски для карт полей. В нем объясняются процедуры картирования с помощью прибора и расчета электрического потенциала. Подходит для AP Physics на основе исчисления.

    

4. Physlet Физика: электрическое поле

   Если вы еще не пробовали Physlets для вводного обучения физике, вас ждет настоящее удовольствие! Физлеты — это простые модели Java, предназначенные для работы только с одним аспектом физического явления и не требующие особого анализа данных. Пакет Electric Field Physlet включает четыре объяснительные модели для введения концепции; три интерактивных исследования с дополнительными рабочими листами; и 10 анимационных задач. Подтемы включают представление линий поля, электрические поля от точечных зарядов, поля и тестовые заряды, задачи ранжирования и способы расчета электрического поля.

Интернет-модули Minds On Physics:

Интернет-модули Minds On Physics представляют собой набор интерактивных модулей вопросов, которые нацелены на концептуальное понимание учащихся. Каждый вопрос сопровождается подробной справкой, в которой рассматриваются различные компоненты вопроса.

1. Статическое электричество, Ass’t SE10 — электрическое поле
2. Статическое электричество, Ass’t SE11 — Уравнение электрического поля
3. Статическое электричество, Ass’t SE12 – Линии электрического поля

Ссылка: http://www.physicsclassroom.com/mop

Упражнения по построению концепции:

1. Уголок учебной программы, статическое электричество, электрическое поле
2. Уголок учебной программы, статическое электричество, линии электрического поля

Ссылка: Curriculum Corner

Упражнения по решению задач:

1. Блокнот с калькулятором, Статическое электричество, Задачи №16–№21, №26–№32

   Ссылка: Блокнот с калькулятором

Научные исследования:

1. Центр научных рассуждений, электростатика, зарядовые взаимодействия
2. Центр научных рассуждений, электростатика, эксперименты с липкой лентой

   Ссылка: Центр научных рассуждений

Распространенное заблуждение:

1. Напряженность поля НЕ является напряженностью силы

   Важно, чтобы учащиеся различали электрическую силу и напряженность электрического поля. Они не одинаковы. Они имеют разные (хотя и связанные) определения, выражаются в разных единицах и требуют разного набора измерений для их определения. Электрическая сила описывает количество толчка или притяжения, оказываемого на объект другим заряженным объектом. Напряженность электрического поля описывает количество силы на единицу заряда, испытываемой пробным зарядом, если он размещен в любом заданном месте относительно заряда источника. Электрическая сила имеет стандартную единицу Ньютон (Н), электрическое поле имеет стандартную единицу Ньютон/Кулон (Н/Кл). (См. соответствующие исследования в области образования в области физики на стр. 1, чтобы лучше понять это устойчивое заблуждение.)

2. Соглашение о направлении

   Направление электрического поля вокруг исходного заряда не всегда совпадает с направлением силы, действующей на пробный заряд. По соглашению, направление электрического поля — это направление, в котором положительный пробный заряд будет выталкиваться или тянуться, если его поместить в заданное пространство. Таким образом, направление силы на отрицательный заряд будет в направлении, противоположном направлению электрического поля.

3. Линии электрического поля показывают направление силы

   Это распространенное заблуждение студентов, что линии поля, окружающие заряженный объект, показывают, в каком направлении пробный заряд будет двигаться , если он находится на этой линии. Это не так. Линии поля — это силовые линии, а не линии движения. Будучи силовыми линиями, они показывают направление силы на объект заряда только в том случае, если на мгновение находятся на линии. Таким образом, пробный заряд не обязательно будет следовать за движением, направленным вдоль линии. Например, если движущийся заряд приближается к линии со скоростью, направленной под некоторым углом к ​​линии, сила заставит пробный заряд отклониться от его первоначального пути. Однако это не заставит пробный заряд продолжать движение вдоль линии.

В другом месте в Интернете:

1. Демонстрационная модель электрического поля точечного заряда

   Этот пакет от Open Source Physics предлагает мощный урок, основанный на моделировании, для последней фазы модуля по электрическому полю. Симулятор позволяет учащимся исследовать электрическое поле с несколькими конфигурациями точечного заряда и представлениями векторного поля. Он был разработан, чтобы устранить заблуждение о том, что электрическое поле и электрическая сила — это одно и то же, и способствовать пониманию факторов, влияющих на напряженность электрического поля. Пакет включает в себя полный план урока с разминкой, всестороннюю оценку (с ключом ответа) и редактируемый файл jar.

    

2. Физика спирали: электрическое поле – концепции и принципы

   Этот ресурс является частью Spiral Physics, научно-исследовательской учебной программы для курсов физики, основанных на вычислениях. В нем представлены альтернативные типы задач, бесцельные постановки задач, ранжирование задач и критический анализ. Темы организованы таким образом, чтобы обеспечить повторное знакомство с концепциями с течением времени, с постепенным повышением сложности. Эта ссылка ведет прямо к главе об электрическом поле. Он включает разделы, посвященные инструментам анализа, точечным зарядам, непрерывному заряду и распределению, закону Гаусса и плотности заряда.

Стандарты:

A. Научные стандарты нового поколения (NGSS)

Основные дисциплинарные идеи : Типы взаимодействий  

• HS-PS2.B.1 9 0140 : Закон Кулона обеспечивает математическую модель для описания и прогнозирования эффектов электростатических сил между удаленными объектами. .
• HS-PS2.B.2:  Силы на расстоянии объясняются полями (гравитационными, электрическими и магнитными), пронизывающими пространство, которые могут передавать энергию через пространство.
• HS-PS2.B.3:  Притяжение и отталкивание между электрическими зарядами на атомном уровне объясняют структуру, свойства и превращения материи, а также контактные силы между материальными объектами.