Работа электрического поля по перемещению заряда. Потенциал. Разность потенциалов электрического поля. Эквипотенциальные поверхности.

23 №Сабақ / Урок № 23

Сабақ жоспары / План урока

Сабақтың тақырыбы / Тема урока

Работа электрического поля по перемещению заряда. Потенциал. Разность потенциалов электрического поля. Эквипотенциальные поверхности. Связь между напряженностью и разностью потенциалов для однородных электрических полей.

Работа электрического поля при перемещении заряда

При перемещении заряда q действующая на него со стороны поля сила совершает работу. Следовательно, заряженное тело в электрическом поле обладает энергией.

Большие металлические пластины, имеющие заряды противоположного знака, создают однородное поле напряженностью (Рисунок 1). Это поле действует на заряд с постоянной силой.

Рисунок 1 – Работа электрического поля при перемещении заряда вдоль силовой линии

Согласно Рисунку 1 работа, совершаемая полем при перемещении положительного заряда q найдется следующим образом:

Из полученного уравнения следует:

·      A=max, когда cosα=1, ݺα=0⁰,заряд перемещается вдоль силовой линии;

·      A=0, когда cosα=0, ݺα=90⁰, заряд перемещается перпендикулярно силовым линиям поля.

Тогда работа, совершаемая полем при перемещении положительного заряда q из точки 1, находящейся на расстоянии от отрицательно заряженной пластины, в точку 2, расположенную на расстоянии <  от той же пластины, определяется по формуле:

А=q E (d₁ – d₂)=-( q E d₂ – q E d₁)

Точки 1 и 2 лежат на одной силовой линии.

Работа кулоновских сил не зависит от формы траектории

Работа любого электростатического поля при перемещении заряда по замкнутой траектории всегда равна нулю. Поля, обладающие таким свойством, называют потенциальными.

Кулоновские силы являются потенциальными. Работа потенциальных сил равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком:

A= - (W_p1 – W_p2)

Потенциальная энергия заряда в однородном электростатическом поле равна:

W_{p =} q E d

   Нулевой уровень потенциальной энергии выбирается произвольно, следовательно, физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а разность ее значений, определяемая работой поля при перемещении заряда из начального положения в конечное.  

Силовые линии электрического поля указывают направление уменьшения потенциальной энергии. Если поле совершает положительную работу, то потенциальная энергия заряженной частицы в поле уменьшается, и одновременно, по закону сохранения энергии, растет ее кинетическая энергия, т.е. частица ускоряется. (Ускорение электронов в электронных лампах). И наоборот, при отрицательной работе потенциальная энергия растет, а кинетическая энергия уменьшается, т.е. частица тормозится (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Аналогия с гравитационным полем

Потенциал. Разность потенциалов

Потенциал φ – это скалярная величина, являющаяся энергетической характеристикой электростатического поля и численно равная отношению потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду:

Потенциал определяет потенциальную энергию заряда q в данной точке поля и измеряется в вольтах (В); 1В = 1Дж/1Кл.

Для однородного поля потенциал можно найти по следующей формуле:

Практическое значение имеет не сам потенциал в точке, а изменение потенциала, разность потенциалов (φ₁ – φ₂), которая не зависит от выбора нулевого уровня отсчета потенциала.

Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению работы электростатического поля при перемещении заряда из начальной точки в конечную к этому заряду:

Напряжение. Связь между напряжением и напряженностью однородного поля

Связь между напряженностью однородного поля и разностью потенциалов U имеет следующую форму:

Эта формула позволяет:

·      вычислить напряженность через величины, которые можно легко измерить  и ;

·      установить связь между падением потенциала и напряженностью. Чем меньше меняется потенциал на расстоянии Δd, тем меньше напряженность электростатического поля; если потенциал не меняется совсем, то напряженность поля равна нулю;

·      получить единицу измерения напряжения в 1В;

·      с увеличением расстояния напряженность поля уменьшается.

Эквипотенциальные поверхности

Эквипотенциальной поверхностью в электростатическом поле называется геометрическое место точек, имеющих равный потенциал – поверхности с одинаковыми потенциалами.

Эквипотенциальные поверхности также как и силовые линии качественно характеризуют распределение поля в пространстве.

.

Свойства эквипотенциальных поверхностей:

·      в каждой точке эквипотенциальной поверхности вектор напряженности перпендикулярен этой поверхности и направлен в сторону уменьшения потенциала;

·      эквипотенциальные поверхности никогда не пересекаются (параллельны);

·      работа поля при перемещении заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю.

            Поверхность любого проводника в электростатическом поле является эквипотенциальной. Кроме того, все точки внутри проводника имеют один и тот же потенциал, т.к. напряженность поля внутри проводника равна нулю.

Графическое изображение силовых линий и эквипотенциальных поверхностей показано на Рисунке 3.

Рисунок 3 – Различные виды эквипотенциальных полей в зависимости от источников поля

Домашнее задание:

· Прочесть «Физика 10 класс. 2 часть» Б.Кронгарт, Д.Казахбаева, О.Иманбеков,  Т.Қыстаубаев - Мектеп. 2019, с. 25-36.

· Составить опорный конспект – формулы и рисунки обязательно.

· Из раздела «Решайте» с. 35 решить задачи № 5,12 записать в тетрадь фотографировать, поместить в ворд и прикрепить на портал.

Скачано с www.znanio.ru