Технологическая карта урока "Энергия заряженного конденсатора. Энергия электрического поля ”

Технологическая  карта  с конспектом урока Учитель физики Крячко Ирина Николаевна Тема урока “ Энергия заряженного конденсатора. Энергия электрического поля ”                                                                          Цель: Создать условия для деятельности школьников по изучению  и  закреплению понятий “энергия заряженного конденсатора”,  “плотность энергии электрического поля”, содействовать актуализации личностного смысла учащихся к изучению темы. Задачи: Образовательные: 1. формировать  понятие электроемкости уединенного проводника и ее единицы; познакомить с устройством плоского  конденсатора и видами их соединений,    вывести формулы электроемкости уединенного проводника, шара, плоского  конденсатора, батареи последовательно и параллельно соединенных конденсаторов, энергии заряженного конденсатора. 2. Показать  на примере демонстрации искровой разрядки конденсатора или разрядки конденсатора через лампу накаливания, что  электрическое поле обладает энергией, а поэтому оно материально. Воспитательная: ­развитие  коммуникативной  компетентности Развивающие: ­ развивать наблюдательность, внимание, умение анализировать; сравнивать результаты, делать выводы; развивать навыки  практической работы, умения работать группой Основные знания и умения 1. Знать физический смысл электроемкости, формулы для вычисления электроемкости уединенного проводника, шара, плоского  конденсатора, батареи параллельно и последовательно соединенных конденсаторов и уметь применять их для решения задач. 2. Знать формулу для вычисления энергии заряженного конденсатора и уметь применять ее для решения задач. Тип урока: изучение нового материала Используемая литература: Модульная технология изучения физики в 10­м классе, учебник Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н.  Сотский «Физика» 10 кл.  Методические рекомендации: Последовательность изложения нового материала 1. Электроемкость проводника. Единицы электроемкости. 2. Зависимость электроемкости проводника от его размеров, формы и окружающих тел. 3. Электроемкость металлического шара (сферы). 4. Конденсаторы. Их устройство, назначение, зарядка и разрядка, роль диэлектрика. Классификация конденсаторов. 5. Последовательное соединение конденсаторов в батарею. 6. Параллельное соединение конденсаторов в батарею. 7. Энергия заряженного конденсатора. Объемная плотность энергии электрического поля. Оборудование Два электрометра, четыре металлические сферы (двух диаметров), электрофорная машина, два изолирующих штатива,  демонстрационный разборный плоский конденсатор, демонстрационный конденсатор переменной емкости, набор конденсаторов  (керамические, бумажные, слюдяные, электролитические), фотовспышка, электрическая лампа на 3,5 В и 0,28 А, источник  постоянного тока или выпрямитель, питаемый от сети переменного тока, соединительные провода.  Демонстрации: ­ Зависимость потенциала уединенного проводника от величины сообщаемого заряда;  ­ зависимость потенциала уединенного проводника от его размера при сообщении одинаковых зарядов;  ­ зависимость потенциала проводника от присутствия других проводников;  ­зависимость электроемкости плоского конденсатора от площади обкладки, ­ расстояния между обкладками и диэлектриком, разделяющим обкладки;  ­ разрядка конденсатора через лампу накаливания или фотовспышка;  ­ устройство различных типов конденсаторов. Мотивация познавательной деятельности учащихся В наше время все учащиеся в какой­то степени знают о конденсаторах. Конденсаторы широко применяются в устройстве  радиоприемников, телевизоров, магнитофонов и во многих электронных приборах. Конденсаторы служат для накопления  электрических зарядов и электрической энергии. Свойство конденсатора накапливать и сохранять электрические заряды  используют в технике для получения кратковременных импульсов тока большой силы. Одним из примеров подобного  использования конденсатора является электронная фотовспышка, используемая в фотографии. В этом случае конденсатор  разряжается через специальную лампу. Проверка знаний, умений и навыков учащихся 1. Сообщить учащимся результаты физического диктанта, выполненного на прошлом занятии; разобрать типичные и грубые  ошибки. 2. Опросить устно четырех учащихся по следующим заданиям: План занятия Задание первое:  1) Объяснить физическую природу электростатической индукции. Почему внутри проводника, помещенного в электрическое  поле, напряженность равна нулю?  2) Написать формулу зависимости напряженности и разности потенциалов однородного электрического поля.  3) В  некоторой точке  поля  на  заряд 2нКл  действует  сила 0,4 мкН. Найти  напряженность  поля  в  этой  точке. Задание второе:  1) Объяснить физическую природу поляризации неполярных диэлектриков. Почему напряженность внутри диэлектрика,  помещенного в электрическое поле, меньше напряженности внешнего поля?  2) Написать формулу напряженности электрического поля заряженной плоскости.  3) Какая  сила действует  на заряд 12нКл, помещенный в  точку, в  которой  напряженность электрического  поля равна 2 кВ/м? Задание третье:  1) Объяснить физическую природу поляризации полярных диэлектриков. Почему незаряженная бумажная гильза (диэлектрик)  притягивается к заряженному телу?  2) Написать формулу потенциала электрического поля заряженного шара.  3) Металлическому  шару радиусом 3 см сообщили  заряд 16 нКл. Найти  напряженность поля  в  точке, удаленной  от  центра  шара  на  2 см. Задание четвертое:  1) В каких диэлектриках поляризация не зависит от температуры, а в каких зависит? Почему?  2) Почему при равновесии весь избыточный заряд наэлектризованного проводника расположен на его поверхности?  3) Металлическому  шару радиусом 3 см сообщили  заряд 16 нКл. Найти  напряженность поля  в  точке, удаленной  от  центра  шара  на  4 см. 3. Проверить выполнение домашнего задания.   № 958. Наэлектризуйте трением эбонитовую палочку. Сначала только коснитесь шарика электроскопа, а затем проведите по  нему палочкой. Одинаково ли зарядился электроскоп в том и другом случае? (во втором случае электроскоп зарядится больше,  так как заряд снимается не с одной, а со многих точек поверхности палочки.) .№ 974. Чему равна напряженность поля в центре равномерно заряженного проволочного кольца, имеющего форму окружности?  В центре равномерно заряженной сферической поверхности? (в обоих случаях напряженность равна 0.)  № 986. Для того, чтобы разредить электроскоп, бывает достаточно коснуться его пальцем. Разрядится ли электроскоп если  поблизости от него находится изолированное от земли заряженное тело (нет, т.к. на электроскопе останется индуцированный  телом заряд противоположного знака.) № 987. Если к заряженному «султану» поднести иголку острием, то листочки султана постепенно начинают разряжаться.  Почему? (На иголке находится заряд противоположного знака (одноименный по руке уходит в землю), который нейтрализует  заряд, находящийся на листочках.) 4. Изучение  нового  материала  с  использованием  слайдов  учеников Выясните суть понятия “энергия заряженного конденсатора” (изучите первых два абзаца §99­100 учебного пособия ). Вода может храниться в ведре, а с помощью чего можно накапливать и сохранять электрическую энергию?   Это устройство называется конденсатором   Немного истории. В тысяча семьсот сорок пятом году в Лейдене  голландский физик Питер Ван Мушенбрук совместно с  немецким коллегой создали первый  накопитель энергии и назвали его лейденской банкой Что же такое конденсатор? От латинского слова «уплотнение», «сгущение»­ это устройство, предназначенное для накопления  заряда и энергии электростатического поля Рассмотрим подробнее его устройство. Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых параллельных пластин  (называемых обкладками),  находящихся на малом расстоянии друг от друга и разделенных слоем диэлектрика. На пластины от  источника питания подаются заряды одинаковые по модулю, но противоположные по знаку. Таким образом,  между пластинами  возникает разность потенциалов. Все  электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора и однородно. Существует  огромный природный конденсатор. Облако и Земля­ это разноименные обкладки конденсатора. Молния­ разряд конденсатора.  Под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение одной из обкладок  Присутствие конденсатора в радиотехническом или электротехническом устройстве можно узнать по обозначениям.  Даны  обозначения конденсатора постоянной и переменной емкость Выясним, что является основной характеристикой конденсатора. Это электрическая емкость (электроемкость), которая  обозначается буквой  С. Электроемкость­ это физическая величина, характеризующая способность двух проводников накапливать электрический заряд. Единица электроемкости в системе СИ названа в честь великого ученого Майкла Фарадея и называется  фарад. Электроемкость двух проводников равна одному фараду, если при сообщении им заряда в один кулон между ними  возникает разность потенциалов один вольт. Один фарад ­ это очень большая величина, поэтому на практике используют мкФ, нФ, пФ.  Рассмотрим, как характеристики конденсатора выглядят на языке формул. Электроемкость двух проводников – это отношение  заряда проводника  к разности потенциалов между ними. С =q/U Но электроемкость  не зависит ни от сообщенного проводникам заряда, ни от возникающей между ними разности потенциалов.  Емкость конденсатора определяется геометрическими размерами проводников, формой, расположением и , конечно,  диэлектрической проницаемостью среды. С=  εε 0s/d               Чтобы зарядить конденсатор, нужно совершить работу по разделению положительных и отрицательных зарядов. Согласно закону  сохранения энергии эта работа равна энергии конденсатора, которую можно определить по трем, приведенным на слайде,  формулам W=q2/2С= СU2/2 =qU/2. На следующем слайде вы видите различные виды конденсаторов  Все разнообразие конденсаторов можно разделить на два типа: по виду диэлектрика конденсаторы бывают вакуумные, воздушные, бумажные, стеклянные, электролитические и другие  А вот по возможности изменять емкость­ это конденсаторы постоянной и переменной емкости, обозначения которых на схемах  вам было представлено выше  Для получения нужной электроемкости конденсаторы можно соединять в батареи, используя последовательный и параллельный  способ, как в случае с резисторами. Рассмотрим параллельный способ соединения конденсаторов. Если заряд на обкладке первого конденсатора обозначим  q1, а на обкладке  второго­ через q2, то по закону сохранения заряда общий заряд будет равен сумме  зарядов  q1  и  q2.  Разность потенциалов(напряжение)  U между обкладками остается неизменной. Общая емкость конденсаторов  при параллельном соединении равна сумме емкостей конденсаторов  С1 и С2. Собщ.=С1+С2  При последовательном соединении конденсаторов, суммарный заряд не меняется. Общая разность потенциалов на обкладках  конденсаторов равна сумме разности потенциалов на концах первого и разности потенциалов на обкладках второго конденсатора   Uобщ.=U1 +U2.    При последовательном соединении складываются обратные величины емкостей : 1/Собщ.= 1/С1+ 1/С2  Найденная емкость конденсатора при последовательном соединении всегда меньше наименьшей емкости  Так как конденсаторы способны накапливать электрическую энергию, а затем ее мгновенно отдавать, то они имеют широкую  область применения: 1)радиотехника и электротехника 2) в фототехнике всем известная фотовспышка. 3) в лазерной технике. 4) в элементах памяти ЭВМ и любимом вами компьютере. Ведь под крышками цифр и символов клавиатуры компьютера стоят  конденсаторы.  5)конденсатор нашел применение при измерении влажности воздуха и древесины, 6) в системе защиты от короткого замыкания.  Таким образом, вы видите насколько прочно вошли в нашу жизнь эти накопители энергии­ конденсаторы.  Но следует помнить,  что заряженный конденсатор опасен для жизни!  Рассмотрим некоторые типы задач, которые встречались на  ЕГЭ в прошлые годы  слайды   Таким образом, мы  с вами рассмотрели  назначение, основные характеристики, способы соединения конденсаторов, разобрали  несколько видов задач. Теперь у вас наверняка  не возникнет практических проблем при  встрече с конденсаторами.  Ответьте на предложенные вопросы: В распоряжении радиолюбителя имеются два конденсатора одинаковой емкости. Как нужно соединить эти конденсаторы, чтобы  получилась удвоенная емкость? Емкость, уменьшенная в два раза? В установках для улавливания пыли пропускают воздух через металлические трубы, по оси которых протягиваются  металлическая поволока. Проволока соединяется с минусом, а труба – с плюсом генератора, подающего напряжение в несколько  десятков тысяч вольт. Как будут вести себя пылинки: а) незаряженные? б) заряженные положительно или отрицательно? Выясните суть понятия “энергия заряженного конденсатора” (изучите первых два абзаца §101 учебного пособия ). Решите следующую задачу. Какую работу надо совершить, чтобы сжать пружину на x=5см, если для сжатия ее на  x1=1см  требуется сила F=200H? Зная, что энергия конденсатора определяется работой затраченной на его зарядку, определим формулу энергии конденсатора,  используя аналогию между работой по зарядке конденсатора и работой по сжатию  пружины.  Для этого изучите и дополните  следующую таблицу.                                                                Соответствия между механическими и электрическими величинами  в процессах зарядки конденсатора и сжатия пружины Сжатие пружины Жесткость k Удлинение пружины x Работа по сжатию недеформированной пружины  (определяется изменением потенциальной энергии пружины) Зарядка конденсатора Величина, обратная электроемкости. 1/С Заряд конденсатора q Энергия заряженного конденсатора …… А  2kx 2 Выясните суть понятия “плотность энергии электрического поля” (изучите последние три абзаца на с. 49 учебного пособия).  Сделайте необходимые пометки. Запишите максимальное количество различных вариантов формулы для энергии заряженного конденсатора, используя следующие величины: q, C, U, S, d,  ε ε ,  0 ,E.                                             “Энергия заряженного конденсатора. Энергия электрического поля ” Ответьте на предложенные вопросы: В распоряжении радиолюбителя имеются два конденсатора одинаковой емкости. Как нужно соединить эти конденсаторы, чтобы  получилась удвоенная емкость? Емкость, уменьшенная в два раза? В установках для улавливания пыли пропускают воздух через металлические трубы, по оси которых протягиваются  металлическая поволока. Проволока соединяется с минусом, а труба – с плюсом генератора, подающего напряжение в несколько  десятков тысяч вольт. Как будут вести себя пылинки: а) незаряженные? б) заряженные положительно или отрицательно? Выясните суть понятия “энергия заряженного конденсатора” (изучите первых два абзаца §12 на с.48 учебного пособия ). 1.Емкость конденсатора – это Задачи для самостоятельной работы 1) объем пространства между пластинами 2) суммарный объем его пластин 3) отношение суммарного заряда на пластинах к разности потенциалов между пластинами 4) отношение модуля заряда на одной из пластин к разности потенциалов между ними 2.Расстояние d  между обкладками плоского воздушного конденсатора увеличили в 2 раза, а пространство между обкладками  заполнили парафином. Диэлектрическая проницаемость парафина ε = 2. Как изменилась емкость конденсатора? 1) увеличилась в 4 раза          3) не изменилась 2)уменьшилась в 4 раза          4) увеличилась в  2 раза 3.Конденсатор емкостью 0,01 Ф заряжен до напряжения 20 В. Какой энергией обладает конденсатор? 1) 0,1 Дж   2) 0,2 Дж    3) 2 Дж   4) 4 Дж 4.Если заряд на конденсаторе постоянной емкости увеличить в  2 раза, то энергия электрического поля конденсатора : 1) не изменится                    3) уменьшится в 2 раза 2) увеличится в 2 раза         4) увеличится в 4 раза 5.Воздушный конденсатор емкостью С заполняют диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε = 2. Конденсатор какой  емкости надо включить последовательно с данным, чтобы получившаяся батарея тоже  имела емкость С? 1) С    2) 2С   3) 3С 4) 4С 6.Разность потенциалов между пластинами плоского конденсатора, расстояние между которыми 4 см и напряженность  электрического поля между которыми 80 В/м, равна: 1) 320,0 В   2) 3,2 В   3) 20,0 В   4) 200,0 В 7. Отсоединенный от источника тока плоский воздушный конденсатор заряжен до разности потенциалов U. Если такой  конденсатор заполнить диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε , то разность потенциалов между обкладками  конденсатора станет равной:  1)   U       ε 2)(  ­1) U       3) U/ ε ε (  ­1)          4)  U/   ε 8(В).Плоский конденсатор подключили к источнику тока, а затем уменьшили расстояние между пластинами. Что произойдет при  этом с зарядом и электроемкостью конденсатора? К каждой позиции первого столбика подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу  выбранные цифры под  соответствующими буквами. Краевыми эффектами пренебречь, считая пластины конденсатора бесконечно большими.  Диэлектрическую проницаемость воздуха принять равной 1. ФИЗИЧЕСКИЕ   ВЕЛИЧИНЫ А) Заряд конденсатора Б)Электроемкость ИХ ИЗМЕНЕНИЕ 1)увеличится 2)уменьшится 3)не изменится А Б 9(В).Два последовательно соединенных конденсатора (С1=2 мкФ и С2= 4 мкФ) присоединены к источнику постоянного  напряжения U=120 В.Определить напряжение на  первом конденсаторе. 10(С).Конденсаторы, электрическая емкость которых С1= 4 мкФ и С2= 8 мкФ, заряжают до  напряжения 3 В каждый, а затем  «плюс»  одного из них подключают к «минусу»  другого и соединяют свободные выводы резистором сопротивлением 1000 Ом.  Какое  количество теплоты выделится в резисторе? 1.верный ответ 4. (Задача требует четкого знания определения электроемкости конденсатора) Ответы: 2. ответ 3 – не изменилась. Из  формуле по определению электроемкости плоского конденсатора  С = ε ε0s/d  видно, что при  увеличении расстояния между обкладками d  в 2 раза, электроемкость С уменьшится в 2 раза (обратно пропорциональная  зависимость), и при увеличении   ε  в 2 раза ( так как у воздуха  =1) зависимость). В результате электроемкость конденсатора  С не изменилась.  С увеличивается в 2 раза (прямо пропорциональная  ε 3.Ответ  2 :  0,2 Дж. Воспользуемся формулой для энергии плоского конденсатора: W=СU2/2, получим верный ответ. 4.Ответ 4: увеличится в 4 раза. Применим формулу для энергии  плоского конденсатор: W= q2/2С. Так как  заряд увеличится в 2  раза, а он возводится в формуле в квадрат, то энергия увеличится в 4 раза. 5.Верный ответ 2: 2С. После заполнения диэлектриком емкость конденсатора стала 2С. Если включить последовательно с этим  конденсатором конденсатор емкости С1, то общая емкость батареи Собщ.= 2С∙ С1/(2С+С1). Откуда С1=2С. 6. Верный ответ 2 : 3,2 В.  В плоском конденсаторе электрическое  поле однородное, и разность потенциалов между пластинами  равна произведению напряженности поля на расстояние между пластинами, т.е. U = Е ∙d 7.Верный ответ 4 : U/  . ε В это случае при отсоединении конденсатора от источника питания, заряд сохраняется. Электроемкость  же возрастает в   раз:  С1= εС. Поэтому U1=СU/ εС=U/ ε ε 8.Верный ответ: А­1, Б­1. Так кА  конденсатор подключен к источнику тока, то его заряд увеличивается. Но величина заряда не  играет роли в значении электроемкости конденсатора. На  электроемкость влияет уменьшение расстояния между пластинами.  С  = ε ε0s/d  . Из формулы видно, что  электроемкость и расстояние между пластинами находятся в обратно пропорциональной  зависимости. 9. Решение: При последовательном соединении конденсаторов q= q1= q2, т.е. заряды на обкладках конденсаторов  равны . Но, с  другой стороны, можно записать: q=С1 U1=С2 U2  (1).  Для данного вида соединения конденсаторов сумма напряжений U1  и  U2   равна напряжению источника тока U :   U =U1  +  U2 . (2) В равенство (1)  подставим значение U2  из (2):   U2 =U  ­  U1 ;  С1 U1=С2 (  U  ­  U1). Из полученного уравнения находим напряжение на первом конденсаторе: U1 = С2 U/(С1+  С2). После  подстановки численных значений получим ответ: 80 В. 10.Запишем выражение для начальной энергии конденсаторов: W1=( С1+  С2)∙ U2/2. Запишем выражения для энергии конденсаторов после Замыкания их через резистор: W1= q1 С1 U – С2 U и q1/С1 = q2/С2, т.к. конденсаторы соединены параллельно. Отсюда следует, что q1 = U С1(С1­  С2)/ С1+  С2, q2 = U С2(С1­  С2)/ С1+  С2,  а, следовательно,  W2=( С1­  С2)2 U2 / 2(С1+  С2). Выделившееся количество теплоты равно: Q= W1 – W2= 2С1С2 U2/ С1+  С2. Q=48 мк Дж. Из итоговой формулы видно, что ответ не зависит от значения сопротивления  резистора. 2/2С2,где заряды на пластинках конденсаторов находятся из выражений : q1+ q2 =  2/2С1+ q2 Технологическая  карта  урока Деятельность учителя Деятельность учащихся Приемы, методы и формы обучения Прогнозируемый результат совместной деятельности Оборудова­ ние Основ­ ные этапы урока В   я м е р ) н и м ( 2 7 Организа­ ционный момент Актуали­ зация знаний, проверка д/з. 17 Изучение нового материа­ла 5 8 Первич­ ная проверка новых знаний Закрепле­ ние и примене­ ние изу­ ченного Создает нормальную обстановку для работы на Участвуют в определении общих целей урока  и плана Беседа уроке его проведения Устанавливает правильность, полноту и  осознанность выполнения домашнего задания всеми учащими. Способствует  актуализации личностного смысла учащихся к изучению темы Организует групповую деятельность учащихся по выполнению задания 2 рабочей карты Организует  деятельность по выполнению заданий 4­6 рабочей карты урока Выполняют задание 1 рабочей карты Индивидуальн ая, групповая Анализируют  решения домашних задач,  устраняют недочеты, Выполняют в группах задание Групповая, 1 рабочей карты использование аналогии Выполняют в группах задания 4­6 рабочей карты урока  Устанавливает правильность и осознанность учащимися изученного материала   Выступают с отчетами “лидеры” групп. Участники Групповая, индивидуаль­ групп дополняют выступающих ная Организует деятельность школьников над заданиями 7­ 8 рабочей карты, обеспечивает контроль за их выполнением Выполняют задания 6­7 рабочей карты Групповая Психологическая настроенность, представление цели урока Ликвидация недостатков в выполнении д/з, актуализированные знания о соединении конденсаторов Восприятие, осмысление и первичное запоминание изучаемого материала Выявление и ликвидация неясностей осмысления учащимися изученного материала Усвоение школьниками знаний и способов деятельности на уровне их применения в разнообразных ситуациях Рабочая карта урока,  Рабочая карта урока Рабочая карта урока Рабочая карта урока Информа­ ция о д/з  Подведе­ ние итогов занятия  Рефлек­ сия 2 2 2 Организует инструктаж по выполнению д/з Записывают д/з в дневник Фронтальная, индивидуаль­ ная Понимание учащимися цели, содержания и способов выполнения д/з Д/з на доске Дает качественную оценку работы класса, групп, и отдельных учащихся, выставляет бальные оценки Организует рефлексию Оценивают работу групп Взаимооценка Выставление бальных отметок Оценивают свое эмоциональное состояние и свою деятельность на уроке