Сравните электрическое и магнитное поля

План-конспект урока повторения и обобщения, 11-й класс

Методические рекомендации . Урок проводится после изучения темы «Магнитное поле». Основной методический приём – выделение общих и отличительных черт электрического и магнитного полей с заполнением таблицы. Предполагается достаточно развитое диалектическое мышление, в противном случае придётся делать отступления философского характера. Сравнение электрического и магнитного полей подводит учащихся к выводу об их взаимосвязи, на чём основана следующая тема – «Электромагнитная индукция».

Физика и философия рассматривают материю как основу всего сущего, которая существует в разных формах. Она может быть сосредоточена в пределах ограниченной области пространства (локализована), но может быть, напротив, делокализована. Первому состоянию можно поставить в соответствие понятие вещество , второму – понятие поле . Наряду со специфическими физическими характеристиками эти состояния имеют и общие. Например, есть энергия единицы объёма вещества и есть энергия единицы объёма поля. Свойства материи неисчерпаемы, процесс по­знания бесконечен. Поэтому все физические понятия надо рассматривать в развитии. Так, например, современная физика в отличие от классической не проводит строгой границы между полем и веществом. В современной физике поле и вещество взаимно превращаются: вещество переходит в поле, а поле переходит в вещество. Но не будем забегать вперёд, а вспомним классификацию форм материи. Обратимся к схеме на доске.

Попробуйте по схеме составить краткий рассказ о формах существования материи. ( После ответов учащихся учитель напоминает, что след ствием этого является сходство характеристик гравита ционного и электрического полей, которое было выяв ле но на предыдущих уроках по теме «Электрическое поле» .) Напрашивается вывод: если есть сходство между грави тационным и электрическим полями, то должно быть оно и между полями электрическим и магнитным. Давайте сопоставим свойства и характеристики полей в виде таблицы, аналогичной той, которую мы делали при сравнении гравитационного и электрического полей.

Электрически заряженные тела Движущиеся электрически заряженные тела (электрические токи) Мелкие листочки бумаги.
Электрическая гильза.
Электрический «султан» Металлические опилки.
Замкнутый контур с током.
Магнитная стрелка

Опыты Кулона по взаимодействию электрически заряженных тел

Опыты Ампера по взаимодействию проводников с током Линии напряжённости электрического поля в случае неподвижных зарядов имеют начало и конец (потенциальное поле); могут быть визуализированы (кристаллы хинина в масле) Линии индукции магнитного поля всегда замкнуты (вихревое поле); могут быть визуализированы (металлические опилки)

Вектор напряжённости электрического поля E .

Величина:

Направление:

Вектор индукции магнитного поля В .
Величина: .

Направление определяется правилом левой руки

Работа электрического поля неподвижных зарядов (кулоновcкой силы) равна нулю при обходе замкнутой траектории

Работа магнитного поля (силы Лоренца) всегда равна нулю

Сила всегда отлична от нуля:
F = qE Сила зависит от скорости движения частицы: не действует, если частица покоится, а также если Вещество и поле .

Заключение

1. При обсуждении источников поля для повышения интереса к предмету хорошо сравнить два природных камня: янтарь и магнит.

Янтарь – тёплый камень удивительной красоты – обладает необычным, располагающим к философическим построениям свойством: он может притягивать! Будучи натёртым, он притягивает пылинки, нити, кусочки бумаги (папируса). Именно по этому свойству ему и давали названия в древности. Так, греки называли его электрономпритягивающим ; римляне – харпаксомграбителем , а персы – кавубой , т.е. способным притягивать мякину . Его считали магическим, лекарственным, косметическим.

Таким же таинственным и полезным считали известный тысячи лет другой камень – магнит. В разных странах магнит называли по-разному, но бо 1 льшая часть этих названий переводится как любящий . Так поэтично древние отметили свойство кусков магнита притягивать железо.

С моей точки зрения, эти два особенных камня можно рассматривать как первые изученные природные источники электрического и магнитного полей.

2. При обсуждении индикаторов полей полезно одновременно продемонстрировать с помощью учащихся взаимодействие наэлектризованной эбонитовой палочки с электрической гильзой и постоянного магнита с замкнутым контуром с током.

3. Визуализацию силовых линий лучше продемонстрировать, используя проекцию на экран.

4. Деление диэлектриков на электреты и сегнетоэлектрики – дополнительный материал. Электреты – это диэлектрики, длительно сохраняющие поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля и создающие собственное электрическое поле. В этом смысле электреты подобны постоянным магнитам, создающим магнитное поле. А ведь это ещё одно сходство с жёсткими ферромагнетиками!

Сегнетоэлектрики – кристаллы, обладающие (в некотором температурном интервале) спонтанной поляризацией. При уменьшении напряжённости внешнего поля индуцированная поляризация частично сохраняется. Для них характерно наличие предельной температуры – точки Кюри, при которой сегнето­электрик становится обычным диэлектриком. Опять сходство с ферромагнетиками!

После работы с таблицей коллективно обсуждаются обнаруженные сходства и различия. Сходство лежит в основе единой картины мира, различия объясняются пока на уровне разной организации материи, лучше сказать – степени организации материи. Одно то, что магнитное поле обнаруживается только около движущихся электрических зарядов (в отличие от электрического), позволяет предсказать более сложные методы описания поля, более сложный математический аппарат, применяемый для характеристик поля.

После подведения итогов урока можно рекомендовать дополнительную литературу, а в качестве домашнего задания – подумать о сравнительной характеристике трёх полей: гравитационного, электрического и магнитного.

Статья подготовлена при поддержке компании «ВЕРТИКАЛЬ». Хорошая реклама обеспечит известность Вашей продукции и поднимет продажи. Рекламное агентство «ВЕРТИКАЛЬ» предлагает широкий спектр услуг по изготовлению и распространению вашей рекламы. Перейдя по ссылке: «реклама в лифтах», вы сможете, не потратив много времени, более подробную информацию о ценах и акциях, действующих на данный момент.

Читайте также:  Смартфон xiaomi redmi 6a 2 16gb обзор

Дмитрий Георгиевич Евстафьев – потомственный учитель физики (отец, Георгий Севостьянович, участник Великой Отечественной войны, много лет проработал в Добринской СОШ, совмещая преподавание с обязанностями директора школы), окончил в 1978 г. физмат Оренбургского ГПИ им. В.П.Чкалова по специальности «Физика», педагогический стаж 41 год. С 1965 г. работает в МОУ Притокская СОШ, несколько лет был её директором. Был трижды награждён почётными грамотами Оренбургского обл оно . Педагогическое кредо: «Не довольствоваться достигнутым!» Многие его выпускники окончили технические вузы. Вместе с женой воспитали пятерых детей, трое работают в школах Оренбуржья, двое учатся на историческом и филологическом факультетах Оренбургского ГПУ. Сын Сергей – победитель Всероссийского конкурса «Лучшие учителя России» 2006 г., учитель информатики, работает в райцентре – посёлке Новосергиевка. Хобби – пчеловодство .

План-конспект урока повторения и обобщения, 11-й класс

Методические рекомендации . Урок проводится после изучения темы «Магнитное поле». Основной методический приём – выделение общих и отличительных черт электрического и магнитного полей с заполнением таблицы. Предполагается достаточно развитое диалектическое мышление, в противном случае придётся делать отступления философского характера. Сравнение электрического и магнитного полей подводит учащихся к выводу об их взаимосвязи, на чём основана следующая тема – «Электромагнитная индукция».

Физика и философия рассматривают материю как основу всего сущего, которая существует в разных формах. Она может быть сосредоточена в пределах ограниченной области пространства (локализована), но может быть, напротив, делокализована. Первому состоянию можно поставить в соответствие понятие вещество , второму – понятие поле . Наряду со специфическими физическими характеристиками эти состояния имеют и общие. Например, есть энергия единицы объёма вещества и есть энергия единицы объёма поля. Свойства материи неисчерпаемы, процесс по­знания бесконечен. Поэтому все физические понятия надо рассматривать в развитии. Так, например, современная физика в отличие от классической не проводит строгой границы между полем и веществом. В современной физике поле и вещество взаимно превращаются: вещество переходит в поле, а поле переходит в вещество. Но не будем забегать вперёд, а вспомним классификацию форм материи. Обратимся к схеме на доске.

Попробуйте по схеме составить краткий рассказ о формах существования материи. ( После ответов учащихся учитель напоминает, что след ствием этого является сходство характеристик гравита ционного и электрического полей, которое было выяв ле но на предыдущих уроках по теме «Электрическое поле» .) Напрашивается вывод: если есть сходство между грави тационным и электрическим полями, то должно быть оно и между полями электрическим и магнитным. Давайте сопоставим свойства и характеристики полей в виде таблицы, аналогичной той, которую мы делали при сравнении гравитационного и электрического полей.

Электрически заряженные тела Движущиеся электрически заряженные тела (электрические токи) Мелкие листочки бумаги.
Электрическая гильза.
Электрический «султан» Металлические опилки.
Замкнутый контур с током.
Магнитная стрелка

Опыты Кулона по взаимодействию электрически заряженных тел

Опыты Ампера по взаимодействию проводников с током Линии напряжённости электрического поля в случае неподвижных зарядов имеют начало и конец (потенциальное поле); могут быть визуализированы (кристаллы хинина в масле) Линии индукции магнитного поля всегда замкнуты (вихревое поле); могут быть визуализированы (металлические опилки)

Вектор напряжённости электрического поля E .

Величина:

Направление:

Вектор индукции магнитного поля В .
Величина: .

Направление определяется правилом левой руки

Работа электрического поля неподвижных зарядов (кулоновcкой силы) равна нулю при обходе замкнутой траектории

Работа магнитного поля (силы Лоренца) всегда равна нулю

Сила всегда отлична от нуля:
F = qE Сила зависит от скорости движения частицы: не действует, если частица покоится, а также если Вещество и поле .

Заключение

1. При обсуждении источников поля для повышения интереса к предмету хорошо сравнить два природных камня: янтарь и магнит.

Янтарь – тёплый камень удивительной красоты – обладает необычным, располагающим к философическим построениям свойством: он может притягивать! Будучи натёртым, он притягивает пылинки, нити, кусочки бумаги (папируса). Именно по этому свойству ему и давали названия в древности. Так, греки называли его электрономпритягивающим ; римляне – харпаксомграбителем , а персы – кавубой , т.е. способным притягивать мякину . Его считали магическим, лекарственным, косметическим.

Таким же таинственным и полезным считали известный тысячи лет другой камень – магнит. В разных странах магнит называли по-разному, но бо 1 льшая часть этих названий переводится как любящий . Так поэтично древние отметили свойство кусков магнита притягивать железо.

С моей точки зрения, эти два особенных камня можно рассматривать как первые изученные природные источники электрического и магнитного полей.

2. При обсуждении индикаторов полей полезно одновременно продемонстрировать с помощью учащихся взаимодействие наэлектризованной эбонитовой палочки с электрической гильзой и постоянного магнита с замкнутым контуром с током.

3. Визуализацию силовых линий лучше продемонстрировать, используя проекцию на экран.

4. Деление диэлектриков на электреты и сегнетоэлектрики – дополнительный материал. Электреты – это диэлектрики, длительно сохраняющие поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля и создающие собственное электрическое поле. В этом смысле электреты подобны постоянным магнитам, создающим магнитное поле. А ведь это ещё одно сходство с жёсткими ферромагнетиками!

Читайте также:  Как переделать документ в пдф формат

Сегнетоэлектрики – кристаллы, обладающие (в некотором температурном интервале) спонтанной поляризацией. При уменьшении напряжённости внешнего поля индуцированная поляризация частично сохраняется. Для них характерно наличие предельной температуры – точки Кюри, при которой сегнето­электрик становится обычным диэлектриком. Опять сходство с ферромагнетиками!

После работы с таблицей коллективно обсуждаются обнаруженные сходства и различия. Сходство лежит в основе единой картины мира, различия объясняются пока на уровне разной организации материи, лучше сказать – степени организации материи. Одно то, что магнитное поле обнаруживается только около движущихся электрических зарядов (в отличие от электрического), позволяет предсказать более сложные методы описания поля, более сложный математический аппарат, применяемый для характеристик поля.

После подведения итогов урока можно рекомендовать дополнительную литературу, а в качестве домашнего задания – подумать о сравнительной характеристике трёх полей: гравитационного, электрического и магнитного.

Статья подготовлена при поддержке компании «ВЕРТИКАЛЬ». Хорошая реклама обеспечит известность Вашей продукции и поднимет продажи. Рекламное агентство «ВЕРТИКАЛЬ» предлагает широкий спектр услуг по изготовлению и распространению вашей рекламы. Перейдя по ссылке: «реклама в лифтах», вы сможете, не потратив много времени, более подробную информацию о ценах и акциях, действующих на данный момент.

Дмитрий Георгиевич Евстафьев – потомственный учитель физики (отец, Георгий Севостьянович, участник Великой Отечественной войны, много лет проработал в Добринской СОШ, совмещая преподавание с обязанностями директора школы), окончил в 1978 г. физмат Оренбургского ГПИ им. В.П.Чкалова по специальности «Физика», педагогический стаж 41 год. С 1965 г. работает в МОУ Притокская СОШ, несколько лет был её директором. Был трижды награждён почётными грамотами Оренбургского обл оно . Педагогическое кредо: «Не довольствоваться достигнутым!» Многие его выпускники окончили технические вузы. Вместе с женой воспитали пятерых детей, трое работают в школах Оренбуржья, двое учатся на историческом и филологическом факультетах Оренбургского ГПУ. Сын Сергей – победитель Всероссийского конкурса «Лучшие учителя России» 2006 г., учитель информатики, работает в райцентре – посёлке Новосергиевка. Хобби – пчеловодство .

Термином «поле» в русском языке обозначают очень большое пространство однородного состава, например, пшеничное или картофельное.

В физике и электротехнике его используют для описания различных видов материи, например, электромагнитной, состоящей из электрической и магнитной составляющих.

Электрический заряд связан с этими формами материи. Когда он неподвижен, то вокруг него всегда есть электрическое поле, а при движении образуется еще и магнитное.

Представление человека о природе электрического (более точное определение — электростатического) поля сложилось на основе исследований опытным путем его свойств, ибо другого метода изучения пока не существует. При этом способе выявлено, что оно воздействует на движущиеся и/или неподвижные электрические заряды с определенной силой. По измерениям ее величины оценивают основные эксплуатационные характеристики.

вокруг электрических зарядов (тел или частиц);

при изменениях магнитного поля, как, например, происходит во время перемещения электромагнитных волн.

Изображают его силовыми линиями, которые принято показывать исходящими из положительных зарядов и оканчивающимися на отрицательных. Таким образом, заряды являются источниками электрического поля. По действию на них можно:

выявить наличие поля;

ввести калиброванную величину для измерения его значения.

Для практического использования выбрана силовая характеристика, называемая напряженностью , которая оценивается по действию на единичный заряд положительного знака.

Оно действует на:

электрические тела и заряды, находящиеся в движении с определённым усилием;

магнитные моменты без учета состояний их движения.

Магнитное поле создается:

прохождением тока заряженных частиц;

суммированием магнитных моментов электронов внутри атомов или других частиц;

при временно?м изменении электрического поля.

Его тоже изображают силовыми линиями, но они замкнуты по контуру, не имеют начала и конца в противоположность электрическим.

Взаимодействие электрического и магнитного полей

Первое теоретическое и математическое обоснование процессов, происходящих внутри электромагнитного поля, выполнил Джеймс Клерк Максвелл. Он представил систему уравнений дифференциальной и интегральной форм, в которых показал связи электромагнитного поля с электрическими зарядами и протекающими токами внутри сплошных сред либо вакуума.

В своем труде он использовал законы:

Ампера, описывающие протекание тока по проводнику и создание вокруг него магнитной индукции;

Фарадея, объясняющего возникновение электрического тока от воздействия переменного магнитного поля на замкнутый проводник.

Труды Максвелла определили точные соотношения между проявлениями электрических и магнитных полей, зависящих от распределенных в пространстве зарядов.

После публикации работ Максвелла прошло уже много времени. Ученые постоянно изучают проявления опытных фактов между электрическими и магнитными полями, но даже сейчас не особо получается выяснить их природу. Результаты ограничиваются чисто практическим применением рассматриваемых явлений.

Объясняется это тем, что с нашим уровнем знаний можно только строить гипотезы, ибо пока мы способны лишь предполагать что-то. Ведь природа обладает неисчерпаемыми свойствами, которые еще предстоит много и длительно изучать.

Сравнительная характеристика электрического и магнитного полей

Взаимную связь между полями электричества и магнетизма помогает понять очевидный факт: они не обособленны, а связаны, но могут проявляться по-разному, являясь единым целым — электромагнитным полем.

Если представить, что в какой-то точке пространства создано неоднородное поле электрического заряда, неподвижное относительно поверхности Земли, то определить вокруг него магнитное поле в состоянии покоя не получится.

Если же наблюдатель начнет перемещаться относительно этого заряда, то поле станет меняться по времени и электрическая составляющая образует уже магнитную, которую сможет увидеть своими измерительными приборами настойчивый исследователь.

Читайте также:  Avermedia lgp 2 plus

Аналогичным образом эти явления проявятся тогда, когда на какой-то поверхности расположен неподвижный магнит, создающий магнитное поле. Когда наблюдатель станет перемещаться относительно него, то он обнаружит появление электрического тока. Этот процесс описывает явление электромагнитной индукции.

Поэтому говорить о том, что в рассматриваемой точке пространства имеется только одно из двух полей: электрическое или магнитное, не имеет особого смысла. Этот вопрос надо ставить применительно к системе отсчета:

Другими словами, система отсчета влияет на проявление электрического и магнитного поля таким же образом, как рассматривание пейзажей сквозь светофильтры различных оттенков. Изменение цвета стекол влияет на наше восприятие общей картинки, но, оно, даже если принять за основу естественный свет, создаваемый проходом солнечных лучей через воздушную атмосферу, не даст истинной картины в целом, исказит ее.

Значит, система отсчета является одним из способов изучения электромагнитного поля, позволяет судить о его свойствах, конфигурации. Но, она не обладает абсолютной значимостью.

Индикаторы электромагнитных полей

Электрически заряженные тела используют в качестве индикаторов, указывающих на наличие поля в определенном месте пространства. Ими, для наблюдения электрической составляющей, могут использоваться наэлектризованные мелкие кусочки бумаги, шарики, гильзы, «султаны».

Рассмотрим пример, когда по обе стороны плоского наэлектризованного диэлектрика расположены на свободном подвесе два индикаторных шарика. Они будут одинаково притягиваться к его поверхности и вытянутся в единую линию.

На втором этапе между одним из шариков и наэлектризованным диэлектриком поместим плоскую металлическую пластину. Она не изменит действующие на индикаторы силы. Шарики не поменяют свое положение.

Третий этап эксперимента связан с заземлением металлического листа. Сразу только как это произойдет, индикаторный шарик, расположенный между наэлектризованным диэлектриком и заземленным металлом, изменит свое положение, сменив направление на вертикальное. Он перестанет притягиваться к пластине и будет подвержен только гравитационным силам тяжести.

Этот опыт показывает, что заземленные металлические экраны блокируют распространение силовых линий электрического поля.

В этом случае индикаторами могут выступать:

замкнутый контур с протекающим по нему электрическим током;

магнитная стрелка (пример с компасом).

Принцип распределения опилок из стали вдоль магнитных силовых линий является наиболее распространенным. Он же заложен в работу магнитной стрелки, которая, для уменьшения противодействия сил трения, закрепляется на остром наконечнике и этим получает дополнительную свободу для вращения.

Законы, описывающие взаимодействия полей с заряженными телами

Прояснению картины процессов, происходящих внутри электрических полей, послужили опытные работы Кулона, осуществляемые с точечными зарядами, подвешенными на тонкой и длинной нити из кварца.

Когда к ним приближали заряженный шарик, то последний влиял на их положение, заставляя отклоняться на определенную величину. Это значение фиксировалось на лимбе шкалы специально сконструированного прибора.

Таким способом были выявлены силы взаимного действия между электрическими зарядами, называемые электрическим, Кулоновским взаимодействием. Они описаны математическими формулами, позволяющими проводить предварительные расчеты проектируемых устройств.

Здесь хорошо работает закон, описанный Ампером на основе взаимодействия проводника с током, размещенного внутри магнитных силовых линий.

Для направления действия силы, осуществляющей воздействие на проводник с протекающим по нему током, применяют правило, использующее расположение пальцев на левой руке. Четыре соединенных вместе пальца необходимо расположить по направлению тока, а силовые линии магнитного поля должны входить в ладонь. Тогда оттопыренный большой палец укажет направление действия искомой силы.

Графические изображения полей

Для их обозначения на плоскости чертежа используются силовые линии.

Для обозначения линий напряженности в этой ситуации используют потенциальное поле, когда имеются неподвижные заряды. Силовая линия выходит из положительного заряда и направляется в отрицательный.

Примером моделирования электрического поля может служить вариант размещения кристаллов хинина в масле. Более современным способом считается использование компьютерных программ графических проектировщиков.

Они позволяют создавать изображения эквипотенциальных поверхностей, судить о численном значении электрического поля, анализировать различные ситуации.

У них для наглядности отображения применяются линии, характерные для вихревого поля, когда они замкнуты единым контуром. Приведенный ранее пример со стальными опилками наглядно отображает это явление.

Их принято выражать векторными величинами, имеющими:

определённое направление действия;

значение силы, рассчитываемое по соответствующей формуле.

Вектор напряженности электрического поля у единичного заряда можно представить в форме трехмерного изображения.

направлена от центра заряда;

имеет размерность, зависящую от способа вычисления;

определяется бесконтактным действием, то есть на расстоянии, как отношение действующей силы к заряду.

Напряженность, возникающую в катушке, можно рассмотреть на примере следующей картинки.

Силовые магнитные линии в ней от каждого витка с внешней стороны имеют одинаковое направление и складываются. Внутри межвиткового пространства они направлены встречно. За счет этого внутреннее поле ослаблено.

На величину напряженности влияют:

сила проходящего по обмотке тока;

количество и плотность намотки витков, определяющих осевую длину катушки.

Повышенные токи увеличивают магнитодвижущую силу. Кроме того, в двух катушках с равным числом витков, но разной плотностью их намотки, при прохождении одного и того же тока эта сила будет выше там, где витки расположены ближе.

Таким образом, электрическое и магнитное поля имеют совершенно определенные отличия, но являются взаимосвязанными составляющими единого общего — электромагнитного.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock detector