«Решение комплексных задач по теме «Электрическое поле»»

Современный уровень развития науки и техники немыслим без использования компьютерных технологий в преподавании физики и астрономии в школе. Одно из направлений использования компьютера на уроках – моделирование физических процессов и явлений. Вашему вниманию предлагается пример использования интерактивной модели из «Открытой Физики» при решении задачи на движение электрона внутри заряженного конденсатора.

Тип урока – урок обобщения и систематизации знаний.

Цель урока: закрепление, обобщение и систематизация знаний по теме «Электрическое поле» на примере решения задачи, требующей анализа физической ситуации, понимания физической закономерности, характеризующей описанное явление, умения использовать материал, изученный в 9 классе в разделах «Кинематика. Динамика»

Задачи урока:

  1. Образовательные:
    • закрепление, обобщение и систематизация знаний полученных на уроках при изучении тем из курса физики 10-го класса – «Электрическое поле» и темы из курса 9-го класса – «Кинематика. Динамика».
  2. Воспитательные:
    • формирование системы взглядов на мир;
  3. Развивающие:
    • развитие речи, мышления;
    • совершенствование умственной деятельности: анализ, синтез, классификация, способность наблюдать, делать выводы, выделять существенные признаки объектов, выдвигать гипотезы, проверять результаты.

Оборудование к уроку:

Домашнее задание: Г. Н. Степанова. Сборник задач по физике. М., Просвещение: 1997. Задачи № 914, 915.

План урока:

  1. Организация начала урока, объявление темы и цели урока – 1 мин.
  2. Повторение пройденного материала по темам: из курса физики 10-го класса – «Электрическое поле», и 9-го класса – «Кинематика. Динамика» – 7 мин.
  3. Компьютерное моделирование и анализ физической ситуации движения электрона между обкладками незаряженного и заряженного конденсатора – 10 мин.
  4. Решение задачи – 20 мин.
  5. Подведение итогов урока – 2 мин.
Ход урока:
  1. Тема сегодняшнего урока – решение комплексной задачи по теме «Электрическое поле».
    Цель урока – применить ранее изученный материал для анализа и решения предложенной задачи.
  2. Прежде чем приступить к решению задачи, давайте вспомним разделы «Механика. Электрическое поле» и ответим на вопросы:
    • Что такое работа? Какие вы знаете единицы измерения работы?
    • Какие виды механической работы вам известны?
    • Каковы формулы для нахождения кинетической и потенциальной энергии?
    • В чем состоит теорема кинетической энергии?
    • Какова связь между работой и перемещением заряда в однородном электрическом поле?
  3. Итак, мы с вами убедились в том, что на перемещение заряда в однородном электрическом поле влияет величина потенциала данного поля. Давайте с помощью интерактивной модели «Движение заряда в электрическом поле» смоделируем данную ситуацию и рассмотрим траекторию движения заряда, находящегося между обкладками незаряженного и заряженного конденсатора.

    Введем необходимые исходные данные для первой ситуации:
    Рисунок M.3.3.1
    E = 0 В/м, υ0x = 4,0·106 м/с, υ = 0,5·106 м/с. В этом случае электрон продолжает двигаться между обкладками равномерно по инерции, поскольку никакие силы на него не действуют (действием силы тяжести модно пренебречь из-за ничтожно малой массы электрона).

    Пронаблюдаем за движением электрона на экране.
    Рисунок M.3.3.2

    Теперь зададим исходные данные для второй ситуации:
    Рисунок M.3.3.3
    E = 1500 В/м, υ0x = 4,0·106 м/с, υ = 1,2·106 м/с. При влете электрона в заряженный конденсатор на него начинает действовать постоянная кулоновская сила, направленная в сторону положительной обкладки конденсатора. Под действием этой силы электрон продолжает двигаться равномерно в направлении оси x, одновременно начиная смещаться к положительной обкладке, двигаясь в этом направлении равноускоренно с ускорением a. Проследим за движением электрона с помощью интерактивной модели.

  4. Мы с вами только что провели анализ физической ситуации. Предлагаю ознакомиться с текстом задачи.

    Задача: Пусть компоненты начальной скорости электрона υ0x = 5,0·106 м/с, υ = 1,2·106 м/с. Напряженность поля в конденсаторе E = 1500 В/м. Рассчитайте время полета электрона через конденсатор (L = 7,2 см) и смещение электрона по вертикали y.

    Начинаем решение задачи с чертежа.
    Рисунок M.3.3.4

    По существу имеем задачу механики: нужно найти траекторию электрона в поле с кулоновской силой при заданных начальных условиях

    Дано:
    υ0x = 5,0·106 м/с
    υ = 1,2·106 м/с
    E = 1500 В/м
    L = 7,2 см
    Решение:
    Выберем оси координат, совместив начало системы отсчета с точкой (0, 0) – точкой влета электрона. Второй закон Ньютона имеет вид: , где .
    Следовательно .
    Рассмотрим второй закон Ньютона в проекциях на оси:
    x: max = 0, т.к. вектор перпендикулярен оси x, движение вдоль оси x равномерное.
    y: may = –(eE)y, .
    Уравнение скорости движения электрона имеет вид:
    Проекции на оси x и y:
    x: υx = υ0x
    y: υy = υ0y+ayt.

    Нам неизвестно время полета электрона в конденсаторе. Запишем закон движения в проекции на оси координат: x = υ0xt, y = υ0yt + ayt2 / 2. Так как электрон за время t пролетел расстояние, равное длине пластины, то x = L. Значит, t = L0x, y – координата точки, в которую сместился электрон после пролета в конденсаторе.

    Проведем вычисления:

    Dy = – 0,01 м
    Найти:t, Δy
  5. Проверим результаты. Проведем компьютерный эксперимент с помощью интерактивной модели «Движение заряда в электрическом поле».

    Рисунок M.3.3.5

    Задача решена верно.

Задания повышенного уровня сложности

  1. Определить направление скорости электрона после пролета конденсатора.

    Дано:
    υx = 5,0·106 м/с
    υу = 1,2·106 м/с
    E = 1500 В/м
    L = 7,2 см
    Решение:
    Выберем оси координат, совместив начало системы отсчета с точкой (0, 0) – точкой влета электрона. Второй закон Ньютона имеет вид: , где .
    Следовательно .
    Рассмотрим второй закон Ньютона в проекциях на оси:
    x: max = 0, т.к. перпендикулярен оси x, движение вдоль оси x равномерное.
    y: may = –(eE)y,  .
    Для того, чтобы найти tg α необходимо определить υx и υy в момент вылета электрона из конденсатора: .
    Уравнение скорости движения электрона имеет вид:
    Проекции на оси x и y:
    x: υx = υ0x
    y: υy = υ0y + ayt, тогда
    Найти: tg α

  2. Как изменится время полета и дальность полета электрона, если напряженность электрического поля возрастет в 2 раза? Проведите компьютерный эксперимент и проверьте ответ.