Електроємність. Конденсатори. З’єднання
конденсаторів. ( 2 години)
Мета уроку:
Сформувати поняття електричної ємності провідника; ввести одиницю ємності; вивести формулу ємності плоского конденсатора; розглянути з’єднання конденсаторів; продовжувати розвивати вміння аналізувати, порівнювати, працювати в групі.
Задачі уроку:
Навчальні - удосконалення практичних умінь, розвивати уміння, практично оцінювати і використовувати різноманітну інформацію, продовжувати формувати навички самостійної роботи з дидактичним матеріалом.
Розвиваючі – плекати потребу і готовність навчатись; розвивати логічне мислення учнів; вміння застосовувати знання в нових ситуаціях.
Виховні – опанування культурою спілкування у процесі співпраці.
Тип уроку: комбінований.
Методичне обґрунтування:
Враховуючи складність теми, розбиваємо її на блоки і вивчаємо на протязі парного уроку. Під час вивчення теми «З’єднання конденсаторів» використовується метод базово-перехресних груп, що буде сприяти організації роботи учнів, змусить їх переглянути свої знання під час навчання інших. Під час перевірки домашнього завдання слабкі учні тестуються за комп’ютерами, що дає вчителю можливість ефективно впроваджувати особистісно-орієнтований підхід у навчанні.
План-схема уроку
| Етап уроку | Час хв. | Форми і методи діяльності вчителя | Результат діяльності |
І. | Розминка | 1 | Привітання з учнями і налаштування на роботу | Створення сприятливого психоемоційного клімату |
ІІ. | Актуалізація опорних знань | 14 | Інтерактивна вправа «Снігова лавина», тестування за комп’ютером, розв’язок домашнього завдання на екрані. | Повторення вивченого матеріалу. |
ІІІ. | Мотивація навчальної дії | 1 | Аналіз досвіду учнів на базі набутих знань і висування проблемного запитання | Дотримання єдиної змістової лінії уроку |
IV. | Сприйняття навчального матеріалу | 25 | Пояснення вчителя з використання проблемних запитань і дослідів | Засвоєння навчального матеріалу |
V. | Корекція знань | 6 | Учні відповідають на запитання вчителя | Виявлення хибних уявлень учнів |
VI. | Узагальнення знань | 8 | Розв’язання задач | Закріплення вивченого |
VII. | Вивчення нового матеріалу формування навичок | 30 | Робота в групах | Набування навичок розв’язання задач |
VIII. | Підсумки уроку | 4 | Інтерактивна вправа «Резюме» | Підбиття підсумків уроку |
IX. | Домашнє завдання | 1 | Завдання репродуктивного характеру | Засвоєння знань, набуття навичок. |
Єдиний шлях до знань – це діяльність.
Б. Шоу
I. Розминка
На початку уроку вчитель вітається з учнями і налаштовує на роботу.
II. Актуалізація опорних знань
Вчитель пропонує частині учнів зайняти місце біля комп’ютерів і відповісти на питання тестів.
1. Який вираз являє собою математичний запис закону збереження електричного заряду?
А. E =E1 + E2 + E3…+En Б. q1 + q2 + q3 +…+qn = const
| | | | |
B. F = F1 + F2 + F3 +…+Fn Г. p1 + p2 + p3 +…+pn =const
2. Взаємодія між нерухомими зарядженими частинками відбувається за
допомогою
А. …магнітного поля Б. …електростатичного поля
В. …конвенції Г. …перерозподілу зарядів
3. Яка фізична величина є силовою характеристики поля?
А. Різниця потенціалів Б. Робота.
В. Напруженість Г. Електричний заряд
4. Яка фізична величина є енергетичною характеристикою електричного поля
А. Потенціал Б. Робота
В. Напруженість Г. Електричний заряд
5. Яка з наведених формул дозволяє обчислити модуль сили електростатичної взаємодії двох точкових зарядів у вакуумі?
А. F = Eq0 Б. F = |q1||q2|/4πε0R2
B. E = U/d Г. E = |q|/4πε0R2
6. Яка з наведених формул дозволяє обчислити модуль напруженості електричного поля нерухомого точкового заряду в вакуумі?
А. E = F/ q0 Б. F = |q1||q2|/4πε0R2
B. E = U/d Г. E = |q|/4πε0R2
7. Діелектрична проникність діелектрика показує…
А. …у скільки разів напруженість поля в діелектрику більше напруженості поля в вакуумі
Б. … у скільки разів напруженість поля в діелектрику менше напруженості поля в вакуумі
В. … на скільки разів напруженість поля в діелектрику більше напруженості поля в вакуумі
Г. … на скільки разів напруженість поля в діелектрику менше напруженості поля в вакуумі
8. Дві однакові провідні кулі мають електричні заряди –50 нКл та +150 нКл. Який стане заряд після дотику куль?
А. 0 Б. 50 нКл В. 100 нКл Г. заряди не зміняться
9. Якою є напруженість поля в точці, де на пробний заряд 10 нКл діє
сила 0,2 мН?
А. 50 кВ/м Б. 20кВ/м В. 50 мкВ/м Г. 20 мкВ/м
10. В однорідному полі з напруженістю 60 кВ/м перемістили позитивний заряд 10 нКл. Переміщення дорівнює за модулем 4 см і утворює з напрямом силових ліній поля кут 60 градусів. Яку роботу виконало електричне поле?
А. -24мкДж Б. -12 мкДж В. 12 мкДж Г. 24 мкДж
З учнями, які не працюють на комп’ютері, (кількість комп’ютерів обмежена), вчитель проводить вправу «Снігова лавина»
Алгоритм прийому: слово – речення – запитання – відповідь.
Учитель звертається до учня і говорить «слово». Той промовляє слово, яке стосується теми уроку і говорить «Речення». Другий учень складає речення з цим словом. Третій учень придумує запитання до цього речення, четвертий відповідає на нього. Приклад наведено в таблиці.
Слово | Потенціал |
Речення | Потенціал – це різниця потенціалів в даній точці поля і точці, в якій потенціальну енергію приймають за нуль. |
Питання | Потенціал якого тіла приймають за нульовий? |
Відповідь | На практиці – поверхня землі. |
Слово | Напруженість |
Речення | Напруженість і різниця потенціалів пов’язані між собою. |
Питання | Як вони пов’язані? |
Відповідь | Напруженість електричного поля дорівнює різниці потенціалів, що приходиться на одиницю довжини вздовж лінії напруженості. |
І т. д. |
Після закінчення інтерактивної вправи і тестування на комп’ютерах, на екран виводяться слайди з розв’язанням домашніх завдань.
ІІІ. Мотивація навчальної діяльності
Вчитель: Ми перевірили ваші знання з теми, але хочу нагати, що в провіднику, вміщеному в електричне поле, відбувається перерозподіл зарядів доти, поки зовнішнє поле в середині провідника не скомпенсується власним полем розділених зарядів. При цьому результуюче поле в середині провідника відсутнє, напруженість поля спадає до нуля, а це означає, що всі його точки набули однакового потенціалу. Очевидно, цей потенціал має залежати від заряду провідника. Як же встановити цю залежність?
IV. Сприйняття навчального матеріалу
Звернімося до досліду.
Заземлений електрометр із кулею заряджатимемо пробною кулькою від електрофорної машини. Робимо висновок про залежність між зарядом і потенціалом:
q~φ.
Аналогічний дослід проводимо з меншою кулею і встановлюємо, що потенціал кулі буде більший. Таким чином провідники мають здатність накопичувати електричні заряди, але ці заряди будуть пов’язані з потенціалом тіла: q~φ.
Якщо ж кулі електрометрів з’єднати, то їх потенціали вирівняються, а отже, заряди перерозподіляться, переміщуючись у бік зниження потенціалу, тобто від меншої кулі до більшої. Як же називається величина, що характеризує здатність тіла накопичувати електричний заряд і визначає його зв’язок з потенціалом ? Ця величина називається електричною ємністю. (оголошується тема уроку).
Проведені досліди показують, що у кожного провідника потенціал змінюється пропорційно до заряду, а відношення заряду до потенціалу q/φ для даного провідника – величина стала, залежно від його розмірів і форми, й називається електроємністю провідника: С= q/φ.
Отже, електроємністю відокремленого провідника називається фізична величина, яка дорівнює відношенню заряду, наданого провіднику до його потенціалу: С= q/φ.
Це характеристика провідника, яка залежить від його розмірів, і форми і не залежить від матеріалу, агрегатного стану форми і розмірів порожнин у середині провідника. Це пояснюється тим, що надлишковий заряд розподіляється на зовнішній поверхні провідника.
Є нова фізична величина, потрібна й одиниця для її вимірювання. Одиницею вимірювання електроємності в СІ є
[С]= 1Кл/1В=1Ф – Фарад.
1фарад – ємність провідника, у якого зміна заряду на 1Кл викликає зміну потенціалу на 1В.
Як показав дослід з двома електрометрами, більшу ємність має більша куля, а значить, вона може накопичити більший заряд. Отже, щоб мати великий заряд, треба, щоб провідник мав велику ємність, а для цього він повинен мати значні розміри. На практиці це частіше всього зробити неможливо. Як же вийти з такої ситуації?
Проведемо такий дослід. До електрометра приєднаємо металевий диск і зарядимо його за допомогою скляної чи ебонітової палички. А тепер піднесемо до нього ще один такий самий диск. Що ми спостерігаємо?(зменшення потенціалу.) Про що це говорить? (про зростання ємності)
Таким чином, ємність провідника залежить не тільки від його розмірів в форми, а й зростає при наближенні іншого провідника. На цьому ґрунтується дія пристрою, який називається конденсатором ( condenso – згущувач).
Конденсатор – це два провідники( обкладки ), розділених шаром діелектрика( ізолятора), що мають рівні й протилежні за знаком заряди, при чому конфігурація провідників є такою, що поле, ними створюване, зосереджене в основному між провідниками. Таке можливе в тому випадку, коли обкладками є дві пластини, розміри яких значно перевищують відстань між ними, або два коаксіальні циліндри, або дві концентричні сфери. Такі конденсатори відповідно називаються плоскими, циліндричними і сферичними.
Під електричною ємністю конденсатора розуміють фізичну величину, що дорівнює відношенню заряду, накопиченому в конденсаторі(модуль заряду однієї з обкладок), до різниці потенціалів між його обкладками:
С= q/φ1- φ2.
Чим більша ємність, тим більший заряд можна помістити на обкладках конденсатора за тієї ж різниці потенціалів. Значить, електроємність характеризує здатність двох провідників накопичувати електричний заряд, при чому, оскільки у формулі фігурує різниця потенціалів між обкладками, ємність конденсатора не залежить ні від вибору нульового рівню потенціалу, ні від наявності навколишніх тіл, бо зовнішні тіла однаково змінюють потенціал кожної обкладки, а різниця φ1- φ2 залишається незмінною.
На електричних схемах конденсатор позначається так:
┤├
Найбільше поширення в техніці мають плоскі конденсаторі. Плоский конденсатор є системою з двох плоских паралельних пластин площею S кожна. Відстань між пластинами d набагато менша за їхні лінійні розміри. Від чого залежить ємність плоского конденсатора?
Звернемося до досліду. Візьмемо дві металеві пластинки А і В і розмістимо їх паралельно одна одній. Одну з них заземлимо, наприклад, В, а пластину А зарядимо від скляної палички, потертої об гуму, тобто позитивним зарядом. Тоді на внутрішній поверхні пластинки В за індукцією виникне заряд, однаковий за значенням і протилежний за знаком зарядові пластини А, а на зовнішній поверхні – позитивний заряд. Оскільки пластина В з’єднана із землею, то її позитивний заряд розподілиться по величезному провідникові – земля – пластина В, і пластина В набуде потенціалу землі.
Негативний заряд не може перейти на землю, оскільки притягується позитивним зарядом пластини А. Різнойменні заряди обох пластин, притягуючись один до одного, зосереджуються лише на внутрішньому їх боці. Між пластинами виникає однорідне електричне поле, а поза конденсатором електричні поля зарядів обох пластин компенсують одне одного.
Про ємність конденсатора будемо судити за формулою С= q/φ1- φ2.
Оскільки величину заряду в обох дослідах ми змінювати не будемо, то ємність конденсатора визначатиметься лише різницею потенціалів φ1- φ2. При віддаленні однієї з пластин від іншої різниця потенціалів між ними збільшується, а це свідчить про зменшення ємності конденсатора. Отже,
С~1/d.
Не змінюючи відстані між пластинами, одну з них зсовуємо вбік – площа пластини зменшується при цьому показання електрометра збільшилися, а отже, ємність конденсатора зменшилася, тобто С~S.
При внесенні між обкладки пластини з оргскла( можна запросити для цього когось із учнів, який повинен зробити й висновок) різниця потенціалів зменшується, що свідчить про збільшення ємності. Отже, С~ ε.
Об’єднавши ці три висновки, матимемо:
С ~ Sε/d або С= kSε/d, де k – коефіцієнт пропорційності, який залежить від системи одиниць. У СІ k= ε0. Тоді С= ε0εS/ d.
Ми бачимо, що електроємність конденсатора залежить від геометрії конденсатора: площі пластин і відстані між ними, а також від електричних властивостей середовища. Вона не залежить від матеріалу провідників: обкладки конденсатора можуть бути залізними, мідними, алюмінієвими і т. ін. та мати будь-яку товщину.
З формули ємності плоского конденсатора випливає, що, зменшуючи товщину діелектрика між платинами, можна дістати конденсатор великої ємності. Але при цьому слід мати на увазі, що зі зменшенням товщини діелектрика і незмінної різниці потенціалів між пластинами зростає напруженість поля конденсатора і при певному її значенні настає пробій діелектрика – розряд, який руйнує ізоляцію конденсатора. Тому кожен конденсатор, крім електроємності, характеризується ще й максимальною робочою напругою, більшої від якої не можна подавати на конденсатор.(Під час пояснення демонструються слайди з основними визначеннями і формулами.)
V Корекція знань
Щоб виявити хибні уявлення в учнів, в кінці першого уроку проводиться фронтальне опитування.
1. Що показує електроємність?
2. Чи залежить електроємність провідника від маси і форми?
3. Чи залежить електроємність провідника від присутності поряд нього інших провідників?
4. Що таке конденсатор?
5. Від чого залежить ємність конденсатора?
6. Що відбудеться з ємністю конденсатора, якщо зменшити відстань між пластинами? Якщо збільшити площу пластин? Якщо повітря між пластинами замінити слюдою?
VI.Узагальнення знань
На початку другого уроку пари розв’язують на дошці такі задачі:
Плоский конденсатор представляє собою дві металічні пластини площею 36 см2, між якими знаходиться слюдяна пластинка, товщиною 0,14 см. Знайти електроємність конденсатора. Чому дорівнює заряд конденсатора, якщо напруга на ньому 300В?
Який заряд був наданий плоскому конденсатору ємністю 20 ПФ, якщо напруженість між пластинами дорівнює 50 кВ/м, а відстань між ними 5 мм?
VII. Вивчення нового матеріалу, формування навичок
Вивчаємо тему «З’єднання провідників» ,метод базово-перехресних груп.
1. Учитель об’єднує учнів із 4 груп (базові) і пропонує кожному учневі групи вибрати карточку з кольором (червоний, синій, жовтий, зелений).
Роздає групам завдання.
Завдання 1 і 2 групі.
Ознайомитися з виданими на картці виведенням формул для паралельного з’єднання провідників. Визначити і записати в зошит основне з поданої інформації. Розглянути вже розв’язану задачу: «Знайти заряд, який треба надати двом паралельно з’єднаним конденсаторам з ємністю 2 і 1 мкФ, щоб зарядити до різниці потенціалів 20 кВ.» Записати в зошит.
Завдання 3 і 4 групі.
Ознайомитися з вданими на картці виведенням формул для послідовного з’єднання провідників. Визначити і записати в зошит основне з поданої інформації. Розглянути вже розв’язану задачу: «Два послідовно з’єднаних конденсатори ємностями 2 мкФ і 4 мкФ приєднані до джерела постійної напруги 120 В. Визначити напругу на кожному конденсаторі.»
2. Учитель об’єднує учнів у 4 перехресні групи так, щоб в першу ввійшли учні з червоною карткою, в другу – з синьою і т. д. Кожен з учасників ознайомлює інших зі змістом опрацьованої інформації.
Невідома інформація і задачі записуються в зошит.
3. Учням пропонується повернутися в базові групи. Завдання базових груп – корекція знань та формування навичок розв’язувати задачі.
Задача, яка запропонована для розв’язку в базовій групі.
Визначити електричну ємність батареї конденсаторів, якщо конденсатори мають однакову ємність 0,6 мкФ.
1.
2.
3.
Після розв’язання в групах правильне рішення виводиться на екран за допомогою мультимедійного проектора.
VIII. Вправа «Резюме». При підбитті підсумків уроку учитель пропонує учням письмово відповісти на серію запитань, які відображають їх ставлення до уроку.
1. Що не сподобалося під час заняття?
2. Що сподобалося?
3. Які запитання залишилися після заняття?
Учні відповіді не підписують і віддають учителеві або прикріплюють на дошці.
IX. Домашнє завдання. Опрацювати параграфи 52 – 54. Виконати вправу 18.
