Тексты для групп

Задание первой паре.

1.      Прочитайте текст.

2.      Выделите сходства и различия между гравитационным и электростатическим полем.

3.      Подготовьте выступление для класса.

4.      Подготовьте два ложных и истинных утверждения по изученному материалу.

Сравнение гравитационного и электростатического полей

Согласно концепции (теории) дальнодействия, тела действуют друг на друга без посредников, через пустоту, на любом расстоянии, и такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью (но подчиняется определённым законам). Примером дальнодействия можно считать силу всемирного тяготения в классической теории гравитации Ньютона. Согласно концепции короткодействия (близкодействия), тело может действовать только на своё непосредственное окружение, а всякое действие на расстоянии должно осуществляться при помощи тех или иных посредников, которые получили название физических полей.

Важным отличием теории близкодействия от теории дальнодействия является наличие максимальной скорости распространения взаимодействий (полей, частиц) - скорости света.

Рассмотрим гравитационное поле.

Гравитация, она же притяжение или тяготение, – это универсальное свойство материи, которым обладают все предметы и тела во Вселенной. Суть гравитации залучается в том, что все материальные тела притягивают к себе все другие тела, находящиеся вокруг.

Гравитационное взаимодействие между телами осуществляется посредством создаваемого ими гравитационного поля, которое называется также полем тяготения. Гравитационное поле один из видов физического поля, посредством которого осуществляется гравитационное притяжение тел, например Солнца и планет Солнечной системы, планет и их спутников, Земли и находящихся на ней или вблизи нее тел.

Примечательно, что своей сферической формой Земля, Луна, Солнце и другие планеты обязаны именно силе тяготения. Она действует в направлении центра, подтягивая к нему вещество, составляющее «тело» планеты.

Гравитационное поле Земли – это силовое энергетическое поле, которое образуется вокруг нашей планеты благодаря действию двух сил:

• гравитации;
• центробежной силе, которая своим появление обязана вращению Земли вокруг своей оси (суточное вращение).

Поскольку и гравитация, и центробежная сила действуют постоянно, то и гравитационное поле является постоянным явлением.Незначительное воздействие на поле оказывают силы тяготения Солнца, Луны и некоторых других небесных тел, а также атмосферных масс Земли.

Гравитационное поле можно описать с помощью линий, которые также называются силовыми линиями ( рисунок 1). Они непрерывны, не пресекаются и направлены к центру планеты.  Тела точечной массы  двигаются в свободном состоянии вдоль этих линий к центру планеты. Это говорит о том, что направление линий поля совпадает с направлением силы, действующей со стороны поля на данное тело.

Электрическое поле – форма материи, посредством которой осуществляется электрическое взаи­модействие заряженных тел, оно окружает любое заряженное тело и проявляет себя по действию на за­ряженное тело.

Исходя из этого определения, можно пояснить принцип взаимодействия двух заряженных тел: вокруг одного заряженного тела образуется электрическое поле и вокруг другого тела образуется свое электри­ческое поле, поля контактируют, и именно благодаря такому промежуточному звену передается элек­трическое взаимодействие между заряженными телами.

Поскольку электрическое поле является одним из видов материи, то оно обладает определенными свой­ствами:

– создается вокруг покоящегося электрического заряда;

– определяется по действию на другой электрический заряд.

Отметим, что понятие электрического поля глобально по отношению ко всем электрическим взаи­модействиям и все электрические взаимодействия сопровождаются образованием электрического поля.

В дальнейшем мы более подробно остановимся на том факте, что электрическое поля является со­ставной частью более сложного вида материи электромагнитного поля. Но сейчас мы уже можем отме­тить, что вся материя мира разделяется на два типа: вещество и поле.

Такое поле окружает каждый электрический заряд и действует на другие заряды с некоторой силой. Следовательно, электрическое поле – разновидность силового поля.

Графически электрическое поле изображают с помощью силовых линий.

Силовая линия – это такая линия, касательная к которой в каждой её точке совпадает с направлением вектора напряжённости в этой точке.

Начинаются силовые линии на положительных зарядах или на бесконечности и заканчиваются на отрицательных, либо уходят в бесконечность. Они никогда не пересекаются и не касаются друг друга.

Силовые линии указывают направление действия силы, которая действует на положительно заряженную частицу со стороны электрического поля.

 В общем, эти линии имеют форму кривых. Но они могут быть и прямыми линиями в случае, если описывается поле одиночного точечного заряда(Рисунок 2).

Подумайте и выполните задания в паре на данном листе.

1.            Опишите, что означает, силовая линия

(i)           Гравитационного поля…………….

(ii)         Электрического поля ………………

2.            Заряженная металлическая сфера находится в изолированном пространстве. Запишите одно сходство и одно различие между гравитационным и электрическом поле вокруг сферы:

(i)           сходство ……………….

(ii)         Различие ……………….

3.            Две горизонтальных металлических пластины  находятся на расстоянии 1,8 см друг от друга в вакууме. Разность потенциалов между ними 270 В, как показано на рисунке.

Протон находится в пространстве  между пластинами. Объясните качественно и количественно, почему  при движении протона в  между пластинами гравитационное поле не учитывается.

Задание второй  паре.

1.      Прочитайте текст.

2.      Выделите сходства и различия между гравитационным и электростатическим полем.

3.      Подготовьте выступление для класса.

4.      Подготовьте два ложных и истинных утверждения по изученному материалу.

Однородное гравитационное и электростатическое поле

Однородным полем называется поле, напряженность которого  во всех точках поля одинакова. Это поле линии, которого идеально параллельны друг другу, а также  их густота на единицу площади также будет величиной постоянной.

С помощью силовых линий можно дать количественную характеристику напряжённости электрического поля. Для этого густота, или плотность, силовых линий выбирается пропорционально модулю вектора напряженности. Плотность силовых линий определяется как число линий, пронизывающих единичную поверхность в направлении, перпендикулярном к этой поверхности.

Гравитационное поле Земли или другой планеты можно считать однородным вблизи её поверхности. Например, по сравнению с размерами мелких тел, таких как автомобили, самолеты и шары.

Для малых высот в этом масштабе (несколько десятков километров)  напряженность поля не меняется достаточно сильно, чтобы быть заметным.  Опять же, линии поля направлены к центру Земли, и свободные тела вблизи поверхности Земли будут падать вдоль этих линий (Рисунок 1).

Мы уже знаем, что в пространстве вокруг заряженного тела существует электрическое поле (один из видов материи), обладающее запасом электрической энергии. Эта энергия проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные частицы.

Условно электрическое поле изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направление действия электрических сил, создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую бы двигалась в поле положительно заряженная частица.

Поле, созданное одной бесконечной заряженной плоскости и  двумя плоскими разноимённо заряженными параллельными пластинами, называется однородным. Графически такое поле изображается параллельными прямыми линиями с одинаковым расстоянием между линиями (Рисунок 2).

Гравитационное и электростатическое поле действуют на движущиеся тела. Если тело имеет в начальный момент времени скорость направленную перпендикулярно линиям напряженности поля, то его траектория движения изменяется под действием силы со стороны поля (Рисунок 3). Важным отличием гравитационного поля от электрического является то, что поскольку масса тела есть величина положительная, то тело будет отклоняться от первоначального направления движения по линиям напряженности поля. В случае электрического заряда это будет зависеть от знака заряда (Рисунок 3).

Вы можете видеть движение по ветви параболы, когда электроны движутся в однородном поле с начальной скоростью перпендикулярной полю. ТогдаизвторогозаконаНьютонаa = eE / m.

Такое движение электронов можно наблюдать в электронно-лучевой трубке.

Рассмотрим движение тела в поле тяготения Земли. Если сопротивлением воздуха можно пренебречь, то брошенное как угодно тело движется с ускорением свободного падения.

Рассмотрим сначала движение тела, брошенного горизонтально со скоростью v₀ с высоты h над поверхностью земли (рис. 11.1).

В векторном виде зависимость скорости тела от времени t выражается формулой

В проекциях на оси координат: v_x = v₀,     (2)                     v_y = –gt.   (3)

Вдоль оси ОХ н а тело не действуют силы, поэтому движение будет равномерным, вдоль оси ОУ действует сила тяжести – движение равноускоренное.

Мы видим, что тело как бы совершает одновременно два вида движения: вдоль оси x оно движется равномерно, а вдоль оси y – равноускоренно без начальной скорости.

x = v₀t,   (4)                            y = h – gt²/2.  (5)

На рисунке 11.2 показано положение тела через равные промежутки времени. Внизу показано положение в те же моменты времени тела, движущегося прямолинейно равномерно с той же начальной скоростью, а слева – положение свободно падающего тела.

Мы видим, что брошенное горизонтально тело находится все время на одной вертикали с движущимся равномерно телом и на одной горизонтали со свободно падающим телом.

Подумайте и выполните задания в паре на данном листе.

1.      Опишите, что означает, силовая линия

(i)           Гравитационного поля…………….

(ii)         Электрического поля ………………

2.            Заряженная металлическая сфера находится в изолированном пространстве. Запишите  одно сходство и одно различие между гравитационным и электрическом поле вокруг сферы:

(i)           сходство ……………….

(ii)         Различие ……………….

3.            Две горизонтальных металлических пластины  находятся на расстоянии 1,8 см друг от друга в вакууме. Разность потенциалов между ними  270 В, как показано на рисунке.

Протон находится в пространстве  между пластинами. Объясните качественно и количественно,  почему  при движении протона в  между пластинами гравитационное поле не учитывается.

Задание третьей  паре.

1.      Прочитайте текст.

2.      Выделите сходства и различия между силой взаимодействия тел в гравитационном и электростатическом полях.

3.      Подготовьте выступление для класса.

4.      Подготовьте два ложных и истинных утверждения по изученному материалу.

Благодаря гравитационному притяжению люди и животные могут спокойно перемещаться по земле, реки, моря и океаны – оставаться в пределах своих берегов, а воздух – не летать по бескрайним просторам Космоса, а образовывать атмосферу нашей планеты.

Возникает справедливый вопрос: если все предметы обладают гравитацией, почему Земля притягивает к себе людей и животных, а не наоборот? Во-первых, мы тоже притягиваем к себе Землю, просто, по сравнению с ее силой притяжения наша гравитация ничтожно мала. Во-вторых, сила гравитации прямо пропорционально зависит от массы тела: чем меньше масса тела, тем ниже его гравитационные силы.

Второй показатель, от которого зависит сила притяжения – это расстояние между предметами: чем больше расстояние, тем меньше действие гравитации. В том числе благодаря этому, планеты движутся на своих орбитах, а не падают друг на друга.

Закон всемирного тяготения был сформулирован Исааком Ньютоном (1643−1727) и опубликован в 1687 году. В соответствии с этим законом, два точечных тела притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна массам этих тел m1 и m2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: F=Gm1m2/r2.

 Здесь r − расстояние между данными телами, G − гравитационная постоянная, значение которой, найденное экспериментальным путем, составляет G=6,67×10−11м3кг⋅с2.

Сила гравитационного притяжения является центральной силой, т.е. направлена вдоль прямой, проходящей через центры взаимодействующих тел (Рисунок 1).

Силы гравитации не могут быть отталкиванием. Кроме того, гравитационное взаимодействие нельзя ослабить или устранить с помощью какого-либо экрана.

Его можно применить:

а) для материальных точек;

б) для тел, имеющих форму шара;

в) для шара большого радиуса, взаимодействующего с телами, размеры которых значительно меньше размеры шара.

Закон Кулона — это один из основных законов электростатики. Он определяет величину и направление силы взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами.

Под точечным зарядом понимают заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного воздействия на другие тела. В таком случае ни форма, ни размеры заряженных тел не влияют практически на взаимодействие между ними.

В 1785 г. закон был установлен Ш. О. Кулоном с помощью специальных крутильных весов. Опыты Кулона позволили установить закон, поразительно напоминающий закон всемирного тяготения.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Сила взаимодействия направлена по прямой, соединяющей заряды, причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются( Рисунок 2).

Сила взаимодействия между зарядами зависит также от среды между заряженными телами.

В воздухе сила взаимодействия почти не отличается от таковой в вакууме. Закон Кулона выражает взаимодействие зарядов в вакууме.

Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы:

1. точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров;
2. их неподвижность. Иначе уже надо учитывать дополнительные эффекты: возникающее магнитное поле движущегося заряда и соответствующую ему дополнительную силу Лоренца, действующую на другой движущийся заряд;
3. взаимодействие в вакууме.

Однако, с некоторыми корректировками закон справедлив также для взаимодействий зарядов в среде и для движущихся зарядов.

Подумайте и выполните задания в паре на данном листе.

1.      Опишите, что означает, силовая линия

(i)           Гравитационного поля…………….

(ii)         Электрического поля ………………

2.      Заряженная металлическая сфера находится в изолированном пространстве. Запишите  одно сходство и одно различие между гравитационным и электрическом поле вокруг сферы:

(iii)       сходство ……………….

(iv)       Различие ……………….

3.      Две горизонтальных металлических пластины  находятся на расстоянии 1,8 см друг от друга в вакууме. Разность потенциалов между ними  270 В, как показано на рисунке.

Протон находится в пространстве  между пластинами. Объясните качественно и количественно,  почему  при движении протона в  между пластинами гравитационное поле не учитывается.

Задание четвертой  паре.

1.      Прочитайте текст.

2.      Выделите сходства и различия между напряженностью  гравитационного и электростатического поля.

3.      Подготовьте выступление для класса.

4.      Подготовьте два ложных и истинных утверждения по изученному материалу.

Любое тело создает вокруг себя гравитационное поле. Силовой характеристикой гравитационного поля является его напряженность.

Пусть нам надо в некоторой точке пространства охарактеризовать гравитационное поле, создаваемое некоторым телом массой М. Поместим в интересующую нас точку пространства (поля) “пробное” точечное тело массой m₁ и измерим силу  , с которой поле будет действовать на него. Если мы будем менять массу “пробного” тела: m₁ → m₂ → …→ m_n, то, как показывает опыт, будет меняться и сила, действующая на него:  →  → … → , однако, отношение силы, действующей на него, к его массе, не будет зависеть от массы “пробного” тела: /m₁= /m₂ = … = /m_n . Следовательно, это отношение уже зависит только от поля и, поэтому, является характеристикой поля в данной точке пространства и называется напряженностью гравитационного поля в данном месте:

   (2)

Напряженность – векторная характеристика поля, она направлена (так как m > 0) туда же, куда и сила притяжения  – т.е. в сторону тела массой М - тела, которое создает это поле. Численно напряженность равна силе, действующей на “пробное” точечное тело с единичной массой, помещенное в данную точку поля. Размерность напряженности поля совпадает с размерностью ускорения – в системе единиц СИ она равна Н/кг = м/с².

Напряженность гравитационного поля совпадает по величине, направлению и единицам измерения с ускорением свободного падения, хотя по своему физическому смыслу, это совершенно разные физические величины. В то время, как напряженность поля характеризует состояние пространства в данной точке, сила и ускорение появляются только тогда, когда в данной точке находится пробное тело.

Если нам известна напряженность g(r) гравитационного поля в любой точке пространства r, то, как это следует из определения (2), мы можем вычислить силу, которая будет действовать на точечное тело массой m, помещенное в данную точку поля:

F = mg

Рассмотрим гравитационное поле, создаваемое точечной массой М. Очевидно, что оно обладает сферической симметрией – вектор напряженности  в любой его точке направлен к массе М, создающей поле, и равен по величине, как это следует из закона (1)

g(r) = F/m = GM/r² (3)

- зависит только от расстояния r до источника поля.

Как вычислить напряженность гравитационного поля, создаваемого не одним точечным телом, а несколькими телами? Опыт показывает, что гравитационные поля удовлетворяют принципу суперпозиции. Он гласит, что гравитационное поле, создаваемое какой-либо массой, не зависит от наличия других масс. Напряженность поля, создаваемого несколькими телами, равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых этими телами в отдельности.

Из графика функции g=g(r) наглядно видно, что напряженность гравитационного поля g стремится к нулю, когда расстояние r стремится к бесконечности. Поэтому утверждения типа «спутник покинул гравитационное поле Земли» неверны (Рисунок 1).

Гравитационные поля небесных тел перекрываются. Если двигаться вдоль прямой, соединяющей центры Земли и Луны, то, начиная с определенного места, будет преобладать напряженность гравитационного поля Луны.

Напряженность электрического поля. Количественной характеристикой силового действия электрического поля на заряженные тела служит векторная величина E, называемая напряжённостью электрического поля.

E = F / q _пр.

Она определяется отношением силы F, действующей со стороны поля на точечный пробный заряд q_пр, помещенный в рассматриваемую точку поля, к величине этого заряда.

Понятие «пробный заряд» предполагает, что этот заряд не участвует в создании электрического поля и так мал, что не искажает его, т. е. не вызывает перераспределения в пространстве зарядов, создающих рассматриваемое поле. В системе СИ единицей напряженности служит 1 В / м, что эквивалентно 1 Н / Кл.

Напряженность поля точечного заряда. Используя закон Кулона можно найти выражение для напряжённости электрического поля, создаваемого точечным зарядом q в однородной изотропной среде на расстоянии r от заряда:

                                                      (1.2)

В этой формуле r – радиус-вектор, соединяющий заряды qи q_пр. Из (1.2) следует, что напряжённость E поля точечного заряда qво всех точках поля направлена радиально от заряда при q> 0 и к заряду при q< 0.

Напряженность электрического поля величина векторная. Если поле создано положительным зарядом, то она направлена из рассматриваемой точке  «От заряда» , в обратном случае «К заряду» (Рисунок 2).

Принцип суперпозиции полей:   напряженность поля, созданного системой зарядов равна геометрической сумме напряженностей полей, созданных каждым зарядом. Т.е. напряженности складываются геометрически:   (Это опытный факт.)

Подумайте и выполните задания в паре на данном листе.

1.      Опишите, что означает, силовая линия

(v)         Гравитационного поля…………….

(vi)       Электрического поля ………………

2.      Заряженная металлическая сфера находится в изолированном пространстве. Запишите  одно сходство и одно различие между гравитационным и электрическом поле вокруг сферы:

(vii)     сходство ……………….

(viii)   Различие ……………….

3.      Две горизонтальных металлических пластины  находятся на расстоянии 1,8 см друг от друга в вакууме. Разность потенциалов между ними  270 В, как показано на рисунке.

Протон находится в пространстве  между пластинами. Объясните качественно и количественно,  почему  при движении протона в  между пластинами гравитационное поле не учитывается.

Задание пятой  паре.

1.      Прочитайте текст.

2.      Выделите сходства и различия между  работой, потенциальной энергией и потенциалом гравитационного и электростатического поля.

3.      Подготовьте выступление для класса.

4.      Подготовьте два ложных и истинных утверждения по изученному материалу.

Подумайте и выполните задания в паре на данном листе.

1.      Опишите, что означает, силовая линия

(ix)       Гравитационного поля…………….

(x)         Электрического поля ………………

2.      Заряженная металлическая сфера находится в изолированном пространстве. Запишите  одно сходство и одно различие между гравитационным и электрическом поле вокруг сферы:

(xi)       сходство ……………….

(xii)     Различие ……………….

3.      Две горизонтальных металлических пластины  находятся на расстоянии 1,8 см друг от друга в вакууме. Разность потенциалов между ними  270 В, как показано на рисунке.

Протон находится в пространстве  между пластинами. Объясните качественно и количественно,  почему  при движении протона в  между пластинами гравитационное поле не учитывается.

Скачано с www.znanio.ru