«Решение комплексных задач по теме

«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:



Компьютер,
с
рекомендуемыми
техническими
требованиями:
Windows
95/98/ME/NT/2000/XP, Internet Explorer 5.0, Pentium-150, 100 Мб свободного дискового
пространства, 64 Мб оперативной памяти, СD–ROM, SVGA 800x600
Мультимедийный курс «Открытая Физика 2.5. Часть II», ФИЗИКОН, 2002;
видеопроектор, экран.
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, υ0у = 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, υ0у = 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, υ0у = 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:
Решение:
6
υ0x = 5,0·10 м/с Выберем оси координат, совместив начало системы отсчета с точкой (0,
υ0у = 1,2·106 м/с 0) – точкой влета электрона. Второй закон Ньютона имеет
E = 1500 В/м
L = 7,2 см
вид:
, где
.
Следовательно
.
Рассмотрим второй закон Ньютона в проекциях на оси:
x: max = 0, т.к. вектор
оси x равномерное.
перпендикулярен оси x, движение вдоль
y: may = –(eE)y,
Найти:t, Δy
.
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 = L/υ0x, y – координата точки, в которую сместился электрон
после пролета в конденсаторе.
Проведем вычисления:
Dy = – 0,01 м
5. Проверим результаты. Проведем компьютерный эксперимент
интерактивной модели «Движение заряда в электрическом поле».
Рисунок M.3.3.5
6. Задача решена верно.
с
помощью
Задания повышенного уровня сложности
1. Определить направление скорости электрона после пролета конденсатора.
Дано:
Решение:
υx = 5,0·106 м/с Выберем оси координат, совместив начало системы отсчета с точкой (0, 0)
υу = 1,2·106 м/с
E = 1500 В/м
– точкой влета электрона. Второй закон Ньютона имеет вид:
,
L = 7,2 см
где
.
Следовательно
.
Рассмотрим второй закон Ньютона в проекциях на оси:
x: max = 0, т.к.
перпендикулярен оси x, движение вдоль
оси x равномерное.
Найти: tg α
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
2.
3. Как изменится время полета и дальность полета электрона, если напряженность
электрического поля возрастет в 2 раза? Проведите компьютерный эксперимент и
проверьте ответ.