Электрическое поле – это материальный объект, делающий возможным взаимодействие между заряженными телами. Напряженность поля: сущность и основные характеристики Как доказать что электрическое поле материально

Сигналы о далеких событиях мы всегда получаем с помощью промежуточной среды.. Например, телефонная связь осуществляется с помощью электрических проводов, передача речи на расстояние происходит с помощью звуковых волн, распространяющихся в воздухе

(в безвоздушном пространстве звук распространяться не может). Поскольку возникновение сигнала всегда представляет собой материальное явление, то его распространение, связанное с передачей энергии от точки к точке пространства, может происходить только в материальной среде.

Важнейшим признаком того, что в передаче сигнала участвует промежуточная среда, является конечная скорость распространения сигнала от источника до наблюдателя, которая зависит от свойств среды. Например, звук в воздухе распространяется со скоростью около 330 м/с.

Если бы в природе существовали явления, при которых скорость распространения сигналов была бесконечно большой, т. е. сигнал мгновенно передавался бы от одного тела к другому при любом расстоянии между ними, то это означало бы, что тела могут действовать друг на друга на расстоянии и при отсутствии материи между ними. Такое воздействие тел друг на друга в физике называется дальнодействием. Когда же тела действуют друг на друга с помощью материи, находящейся между ними, их взаимодействие называется близкодействием. Следовательно, при близкодействии тело непосредственно воздействует на материальную среду, а эта среда уже воздействует на другое тело.

Для передачи воздействия одного тела на другое через промежуточную среду необходимо некоторое время, так как любые процессы в материальной среде передаются от точки к точке с конечной и вполне определенной скоростью. Математическое обоснование теории близкодействия было дано выдающимся английским ученым Д. Максвеллом (1831-1879 гг.). Так как сигналов, распространяющихся мгновенно, в природе не существует, в дальнейшем мы будем придерживаться теории близкодействия.

В некоторых случаях распространение сигналов происходит с помощью вещества, например, распространение звука в воздухе. В других случаях вещество непосредственно в передаче сигналов не участвует, например, свет от Солнца доходит до Земли через безвоздушное пространство. Следовательно, материя существует не только в виде вещества.

В тех случаях, когда воздействие тел друг на друга может происходить через безвоздушное пространство, материальную среду, передающую это воздействие, называют полем. Таким образом, материя существует в виде вещества и в виде? поля. В зависимости от рода сил, действующих между телами, поля могут быть различных видов. Поле, передающее воздействие одного тела на другое в соответствии с законом всемирного тяготения, называется полем тяготения. Поле, передающее воздействие одного неподвижного электрического заряда на другой неподвижный заряд в соответствии с законом Кулона, называется электростатическим или электрическим полем.

Опыт показал, что электрические сигналы распространяются в безвоздушном пространстве с очень большой, но конечной скоростью, которая равна приблизительно 300 000 км/с (§ 27.7). Это

доказывает, что электрическое поле - такая же физическая реальность, как и вещество. Изучение свойств поля позволило осуществить передачу энергии на расстояние с помощью поля и использовать это для нужд человечества. Примером может служить действие радиосвязи, телевидения, лазеров и т. п. Однако многие свойства поля изучены плохо или еще не известны. Изучение физических свойств поля и взаимодействия между полем и веществом является одной из важнейших научных проблем современной физики.

Любой электрический заряд создает в пространстве электрическое поле, с помощью которого он взаимодействует с другими зарядами. Электрическое поле действует только на электрические заряды. Поэтому обнаружить такое поле можно только одним способом: внести в интересующую нас точку пространства пробный заряд Если в этой точке поле есть, то на будет действовать электрическая сила.

Когда поле исследуют пробным зарядом, то считают, что он своим присутствием не искажает исследуемое поле. Это означает, что величина пробного заряда должна быть очень малой по сравнению с зарядами, создающими поле. В качестве пробного заряда условились использовать положительный заряд.

Из закона Кулона следует, что абсолютная величина силы взаимодействия электрических зарядов уменьшается при увеличении расстояния между ними, но никогда не исчезает совсем. Это означает, что теоретически поле электрического заряда простирается до бесконечности. Однако практически мы считаем, что поле имеется только там, где на пробный заряд действует заметная сила.

Отметим еще, что при движении заряда вместе с ним перемещается и его поле. Когда заряд удаляется настолько, что электрическая сила на пробный заряд в какой-либо точке пространства уже практически не действует, мы говорим, что поле исчезло, хотя в действительности оно переместилось в другие точки пространства.

Электрическое поле, согласно элементарным физическим представлениям, есть не что иное, как особый вид материальной среды, возникающий вокруг заряженных тел и влияющий на организацию взаимодействия между такими телами с определенной конечной скоростью и в строго ограниченном пространстве.

Уже давно доказано, что электрическое поле может возникать как у неподвижных, так и у находящихся в движении тел. Основным признаком наличия этого является его воздействие на

Одной из главных количественных является понятие «напряженность поля». В числовом выражении этот термин означает отношение силы, которая действует на пробный заряд, непосредственно к количественному выражению этого заряда.

То, что заряд пробный, означает, что он сам никакого участия в создании данного поля не принимает, а его величина настолько мала, что не ведет ни к каким искажениям исходных данных. Напряженность поля измеряется в В/м, что условно равно Н/Кл.

Известный английский исследователь М. Фарадей ввел в научный оборот метод графического изображения электрического поля. По его мнению, этот особый вид материи на чертеже должен изображаться в виде непрерывных линий. Они впоследствии стали называться «линии напряженности электрического поля», а их направление, исходя из основных физических законов, совпадает с направлением напряженности.

Силовые линии необходимы, чтобы показать такие качественные характеристики напряженности, как густота или плотность. При этом плотность линий напряженности зависит от их количества на единицу поверхности. Создаваемая картина силовых линий позволяет определить количественное выражение напряженности поля на отдельных его участках, а также узнать, каким образом она изменяется.

Достаточно любопытными свойствами обладает электрическое поле диэлектриков. Как известно, диэлектрики - это вещества, в которых практически нет свободных заряженных частиц, поэтому, как следствие, они не способны проводить К таким веществам следует отнести в первую очередь все газы, керамику, фарфор, дистиллированную воду, слюду и т.д.

Для того чтобы определить напряженность поля в диэлектрике, следует пропустить через него электрическое поле. Под его действием связанные заряды в диэлектрике начинают смещаться, однако покинуть пределы своих молекул они не в состоянии. Направленность смещения подразумевает, что положительно заряженные смещаются вдоль направления электрического поля, а отрицательно заряженные - против. В результате этих манипуляций внутри диэлектрика возникает новое электрическое поле, направление которого прямо противоположно внешнему. Это внутреннее поле заметно ослабляет внешнее, следовательно, напряженность последнего падает.

Напряженность поля является его важнейшей количественной характеристикой, которая прямо пропорционально той силе, с которой этот особый вид материи действует на внешний электрический заряд. Несмотря на то, что увидеть эту величину невозможно, с помощью чертежа силовых линий напряженности можно составить представление о ее плотности и направленности в пространстве.

ТИП УРОКА: Урок изучения нового материала.

ЦЕЛИ УРОКА:

Обучающие:

1. Сформировать одно из основных понятий электродинамики – электрическое поле.
2. Сформировать представление о материи в двух формах: вещества и поля.
3. Показать способы обнаружения электрического поля.

Развивающие:

1. Развивать способности учащихся анализировать, сравнивать, выделять существенные признаки, делать выводы.
2. Развивать абстрактное и логическое мышление учащихся.

Воспитывающие:

1. На примере борьбы теорий близкодействия и дальнодействия показать сложность процесса познания.
2. Продолжить формировать мировоззрение на примере знаний о строении материи.
3. Воспитывать умение доказывать, отстаивать свою точку зрения.

ОБОРУДОВАНИЕ:

• графопроектор;
• прибор для демонстрации спектров электрических полей;
• высоковольтный преобразователь “Разряд”;
• источник тока;
• соединительные провода;
• электрометр;
• мех, палочка из оргстекла;
• фигурки из бумаги;
• кусок ваты, провода;
• трансформатор;
• виток провода с лампой на 3,5В.

Дидактический момент: учет знаний, умений, навыков.

Прием: фронтальный опрос.

Учитель: Вспомните, что такое электрический заряд.
Ученик: Электрический заряд – свойство тел осуществлять электромагнитное взаимодействие друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения в несколько раз.
Учитель: Можно ли сказать: “Полетел свободный заряд.”
Ученик: Нет. Электрический заряд всегда находится на частице, свободных электрических зарядов не существует.
Учитель: Какие вам известны виды электрических зарядов, и как они взаимодействуют.
Ученик : В природе существуют частицы с положительными и отрицательными зарядами. Две положительно заряженные или две отрицательно заряженные частицы отталкиваются, положительно и отрицательно заряженные - притягиваются.
Учитель: Действительно, у зарядов все как в жизни у людей. Два энергичных активных человека не могут долгое время быть вместе, одинаковое отталкивается. Энергичный и спокойный уживаются хорошо, различное притягивается.
Учитель: В электростатике нам с вами известен закон Кулона для взаимодействия зарядов. Запишите и сформируйте этот закон.
Ученик : F = k|q1| |q2| / rІ (пишет на доске, проговаривает закон вслух).

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояний между ними. Если хотя бы один заряд увеличить, то увеличится сила взаимодействия, если расстояние между зарядами увеличить, сила уменьшится.

Дидактический момент: пропедевтика изучения нового материала.
Прием: проблемная ситуация.

Учитель: Хорошо, основное из пройденного мы вспомнили. А вы не задумывались, каким образом один заряд действует на другой?

Опыт: Помещаю на отрицательный полюс высоковольтного преобразователя ватку. Она приобретает знак “минус”. Со стороны положительного полюса на ватку действует электрическая сила. Под действием ее вата перепрыгивает на положительный полюс, приобретает знак “плюс” и т. д.

Учитель: Как же один заряд действует на другой?. Как осуществляются электрические взаимодействия?. Закон Кулона на это не отвечает. Проблема …Отвлечемся от электрических взаимодействий. А как вы взаимодействуете друг с другом, как, например, Аня обратит на себя внимание Кати?
Ученик: Я могу взять её за руку, толкнуть, бросить записку, попросить кого-то её позвать, крикнуть, свистнуть.
Учитель : Во всех ваших действиях с точки зрения физики есть общее: кто это общее заметил?
Ученик : Взаимодействие осуществляется через промежуточные звенья (руки, плечи, записки), или через среду (звук распространяется в воздухе).
Учитель : Какой же следует вывод?
Ученик: Для взаимодействия тел необходим некий физический процесс в пространстве между взаимодействующими телами.
Учитель : Итак, с взаимодействием людей мы разобрались. А как же взаимодействуют электрические заряды? Что является промежуточными звеньями, средой, осуществляющей электрические взаимодействия?

Дидактический момент: изучение нового материала.
Приемы: объяснение с опорой на знания учащихся, элементы спора, элементы игры, изложение теории в стихах, демонстрационный эксперимент.
Учитель: По этому поводу в физике был долгий спор сторонников теорий близкодействия и дальнодействия. Сейчас мы станем сторонниками этих теорий и попытаемся поспорить..
(Делю класс и доску на две половины. С правой стороны доски пишу: “Теория близкодействия”. Здесь же нарисован кроссворд, рисунок 1).

(С левой стороны доски пишу: “Теория дальнодействия”. Здесь нарисован кроссворд, рисунок 2).

Учитель: Итак, правая часть класса – сторонники теории близкодействия. Договорились?
Левая часть – сторонники теории дальнодействия. Договорились?
(Перехожу в правую часть класса).

Учитель: Что ж, начинаем спорить. Я излагаю суть теории близкодействия, а вы мне помогите, угадайте слова, написанные на доске.

Мы – сторонники близкодействия

Между телами должна быть среда.
Звенья для связи, а не пустота.
Процессы в среде той идут быстротечно,
Но не мгновенно. Их скорость конечна.
(Затем повторяю еще раз, без пауз, выделенные слова прошу произносить всех сторонников теории близкодействия).

Учитель: Приведите примеры, доказывающие вашу теорию.
Ученик: 1. Звук распространяется по воздуху или другой среде со скоростью 330 м/с.

2. Нажми на педаль тормоза, давление тормозной жидкости с конечной скоростью, передается к тормозным колодкам.
(Перехожу в левую часть класса)

Учитель: Сторонники теории дальнодействия. Яизлагаю суть теории дальнодействия, а вы мне помогите, отгадайте слова, выписанные на доске.

Мы - сторонники дальнодействия
Утверждаем: для взаимодействия
Необходима одна пустота,
А не какие-то звенья, среда .
Взаимодействие тел несомненно
В той пустоте происходит мгновенно.

(Затем повторяю еще раз, без пауз, выделенные слова прошу произносить всех сторонников теории дальнодействия)

Учитель: Приведите примеры, доказывающие вашу теорию?
Ученик: 1. Нажимаю на выключатель, свет включается мгновенно. 2. Электризую стержень о мех, подношу к электрометру, стрелка электрометра мгновенно отклоняется (показывает опыт с электрометром).
Учитель: Сделаем записи в тетради:

Теория близкодействия:

1. Электрическое взаимодействие осуществляется через среду, промежуточные звенья.
2. Электрическое взаимодействие передается с конечной скоростью.

Теория дальнодействия:

1. Электрическое взаимодействие осуществляется через пустоту.
2. Электрическое взаимодействие передается мгновенно.

Учитель: Как быть? Кто же прав? Для разрешения спора нам нужна...?

Класс: Идея.

Учитель: Да, идея - редкая дичь в лесу слов. / В.Гюго/

Спор завершил генератор идей -
Английский ученый Майкл Фарадей.

Какова идея Фарадея? Откройте стр.102 параграф38, пункт 1.

Даю 3 минуты уловить гениальную идею Фарадея. (Класс читает, учитель изменяет положение приборов).

Ученик: Согласно идее Фарадея, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот. По мере удаления от заряда поле ослабевает.

Учитель: Так кто же прав: сторонники теорий дальнодействия или близкодействия?

Ученик: Сторонники теории близкодействия.

Учитель: А что является промежуточным звеном, осуществляющим электрическое взаимодействие?

Ученик: Электрическое поле .

Учитель: Так почему же взаимодействует заряженная ватка с заряженным шаром на расстоянии, вспомните опыт?

Ученик: Электрическое поле заряженного шара действует на ватку.

Учитель: Электрическое поле... Сказать легко, а представить сложно. Наши органы чувств не способны видеть, фиксировать это поле. Так что же такое электрическое поле? (Формулировки пунктов 1) – 4) создаем совместно, ученики делают записи в тетрадь).

Электрическое поле: (запись в тетради ). Устные комментарии учителя или учеников.

1). Вид материи, существующий в пространстве около заряженных тел.	1) Материя может существовать в двух формах: вещества и поля. Вещество ощущаем непосредственно органами чувств, поле - опосредованно, через что-либо.
2). Поле материально, существует независимо от нас.	2) (а) Радиоволны - электромагнитные поля. Они распространяются в пространстве, даже когда их источник (например, радиостанция) не работает. (б) Микроволновая печь разогревает пищу за счет энергии электрического поля. Значит, электрическое поле существует. Оно материально, т.к. обладает энергией.
3). Электрическое поле распространяется с конечной скоростью с= 3* 10 8 м/с.	3) Сейчас это доказано: управляя луноходом с Земли, учитывают, что радиосигнал идет до Луны 1,3 сек.; управляя станцией на Венере, учитывают, что до нее электрическое поле идет 3,5 мин.
4). Главное свойство электрического поля -действие его на электрические заряды с некоторой силой.	4) Опыт: электрическое поле пластины из оргстекла действует на бумажные фигурки с силой, заставляя их двигаться, “плясать”.

Учитель: Хотелось бы вам “увидеть” электрическое поле?

С помощью наших органов чувств это невозможно. Нам помогут мелкие частицы (манка), насыпанные в машинное масло и помещенные в сильное электрическое поле.

Опыт. (Используется прибор для демонстрации спектров электрических полей).

Беру кювету с маслом и манкой, размешаю на графопроекторе, подвожу напряжение от “Разряда”к электродам. На электродах появились разноименные заряды. Что видим, как это объяснить?

Ученик: Вокруг электродов существует электрическое поле, крупинки манки наэлектризовались и под действием поля начали располагаться по определенным линиям, т.к. поле действует на крупинки с силой.

Учитель: Крупинки выстраиваются по силовым линиям электрического поля, отражая его “картину”. Там, где линии гуще - поле сильнее, реже - слабее. Линии тянутся друг к другу, значит, поля разноименные.

Поле двух пластин иное. Линии поля параллельны. Такое поле одинаково во всех точках и называется однородным.

Размещу в поле двух пластин металлическое кольцо," внутри кольца крупинки не перестраиваются. Что это значит?

Ученик: Внутри металлического кольца электрического поля нет.

Дидактический момент: обобщение; краткий учет знаний.
Приемы: экспресс - опрос с использованием сигнальных карточек; опыт на догадку.

Учитель: Так что же мы сегодня узнали, что же осталось в головах? Проверим. На ваших столах - 5 карточек разных цветов. Я задаю вопрос, вы поднимаете ту карточку, на которой, с вашей точки зрения, верный ответ: цветной стороной - ко мне, текстом - к вам. По цвету я быстро сориентируюсь, кто же что усвоил. (Учитель фиксирует результат экспресс-опроса).

Экспресс-опрос.

Вопрос 1. Сущность теории близко действия? (Красная карточка).

Вопрос 2. Сущность теории дальнодействия? (Синяя карточка).
Вопрос 3. Суть идеи Фарадея? (Зеленая карточка).
Вопрос 4. Что такое электрическое поле? (Белая карточка).

(Пятая карточка (оранжевая) не соответствует ни одному из вопросов).

Тексты карточек.

1. Красная карточка: тела взаимодействуют через промежуточные звенья с конечной
   скоростью.
2. Синяя карточка: тела взаимодействуют через пустоту мгновенно.
3. Зеленая карточка: электрическое взаимодействие происходит благодаря
   электрическому полю.
4. Белая карточка: вид материи, существующий в пространстве около заряженных тел. Поле независимо от нас, распространяет с конечной скоростью и действует с некоторой силой на заряд.

Итог: учитель проговаривает, сколько человек из класса правильно ответили на вопросы, называет верные цвета карточек. Молодцы!

Учитель: А сейчас – опыт под звонок.

Опыт: Включаю в сеть трансформатор. В его обмотках движутся заряды, вокруг которых, как вы знаете, создаётся электрическое поле. Беру виток провода и лампой. Виток не подключен к сети. Подношу к трансформатору. Почему лампа светится, ведь она не включена в электрическую сеть?

Ученик: Вокруг обмоток трансформатора существует электрическое поле, которое действует на заряды в витке силой, приводит заряды в движение, через лампу течет ток, лампа светится. Поле материально. Электрическое поле существует!

Дидактический момент: домашнее задание.
Прием: запись параграфов в дневник с доски.

§37, вопросы стр.102, §38, вопросы стр. 104. (Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Учебник для 10 кл. общеобразовательных учреждений. – 8-е изд. – М.: Просв., 2000).

VI ЭТАП

Дидактический момент: подведение итогов.

Прием: учет верных ответов учащихся за урок с последующим обобщением; выставление оценок.