Диэлектрики и проводники в электрическом поле. Электростатическая индукция

Технологическая карта занятия

Учебная дисциплина: Физика

ФИО преподавателя: Лойторенко Анна Георгиевна

Тема занятия: "Диэлектрики и проводники в электрическом поле. Электростатическая индукция"

Тип занятия: урок изучения нового материала

Вид занятия: лекция

Методы и методические приемы проведения занятия: объяснительно-иллюстративный, практический.

Цели занятия:

• Образовательная:  формирование представления о проводниках и диэлектриках; обеспечение в ходе урока понимания учащимися отличия проводников от диэлектриков с точки зрения электронной теории; создать условия для формирования понятие о диэлектриках и их физической природе с точки зрения электронной теории.

• Воспитательная:  воспитание чувства ответственности и готовности к сотрудничеству; приобретение навыков общения и самоорганизации; способствовать формированию научного мировоззрения

• Развивающая: способствовать развитию познавательной активности, образного мышления; способствовать дальнейшему развитию умений выделять главное, сравнивать, анализировать, делать выводы.

Обеспечение занятия

• Наглядные пособия: электрометр с набором тел, гильза на штативе, пластина из оргстекла, лист пластика.

• Оборудование: персональный компьютер, мультимедийный проектор, экран,

тестовые задания по изучаемой теме.

• Технические средства обучения: персональный компьютер

• Учебные места (для практических и лабораторных занятий)

• Литература:

Основная - В.Ф.Дмитриева «Физика для профессий и специальностей технического профиля», Москва, «Просвещение», 2010

Дополнительная - В. А. Волков «Поурочные разработки по физике. 10 класс», Москва, «ВАКО», 2006

Межпредметные связи: предмет: Устройство Электровоза, тема: «Механическое оборудование электровозов», Материаловедение.

Ход занятия

(структура, содержание, хронометраж)

Приложения к технологической карте

Преподаватель Лойторенко А.Г. подпись

Лекция по теме «Диэлектрики и проводники в электрическом поле»

На предыдущих уроках по теме “электростатика” мы увидели много опытов, демонстрирующих электрические взаимодействия. Эти и другие не менее интересные опыты и явления можно осознать и объяснить после изучения темы урока.

Объявление темы урока: (приложение 1, слайд №1)

Ребята, запишите в тетради тему урока: “Диэлектрики и проводники в электростатическом поле”. На этом уроке мы рассмотрим поведение в электростатическом поле веществ, которые не могут проводить электрический ток (диэлектриков), и тех веществ, которые его проводят (проводники) (приложение 1, слайд №2).

Вашему вниманию предлагается лекционная подача материала, в тетради необходимо сделать краткие записи, которые помогут в подготовке по теме.

1. Учащимся предлагается план лекции (приложение 1, слайд № 3).

2. Проводники и диэлектрики.

Учитель: Давайте разберемся, почему диэлектрики не проводят электрический ток.

Диэлектрики - это вещества, не содержащие свободных заряженных частиц, т.е. таких заряженных частиц, которые способны свободно перемещаться по всему объему тела. Поэтому диэлектрики не могут проводить электрический ток.

Диэлектрики иначе называются изоляторами, назовите примеры твердых тел, являющихся диэлектриками (изоляторами).

Ученики: Диэлектриками являются многие твердые тела (фарфор, янтарь, эбонит, стекло, кварц, мрамор и др.), некоторые жидкости (например, дистиллированная вода) и все газы.

Учитель: По внутреннему строению диэлектрики разделяются на полярные и неполярные (приложение 1, слайд № 4).

В полярных диэлектриках молекулы являются диполями, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К таким диэлектрикам относятся спирт, вода, аммиак и др. (приложение 1, слайд № 5).

Рассмотрим поведение типичного полярного диэлектрика в электрическом поле (слайд №6). Сообщаем, что в отличие от проводников в диэлектриках нет свободных зарядов, которые могли бы под действием поля перемещаться по всему объему. Все электрические заряды диэлектрика связаны с молекулами и атомами вещества. Под действием электрического поля эти заряды могут смещаться только в пределах микроскопических объемов. Процесс смещения этих зарядов называют, поляризацией диэлектриков.

Неполярные диэлектрики состоят из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. К таким веществам относятся инертные газы, водород, кислород, полиэтилен и др. (приложение 1, слайд № 7, 8).

Если диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то происходит поляризация диэлектрика. При этом процессе молекулы диэлектрика ориентируются по внешнему электрическому полю. На противоположных поверхностях диполя появляются связанные заряды. Это приводит к тому, что в диэлектриках возникает свое электрическое поле, направленное против внешнего, и в сумме поле внутри диэлектрика будет меньше внешнего. Диэлектрическая проницаемость, о которой мы говорили раньше, характеризует способность диэлектрика к ослаблению внешнего поля (приложение 1, слайд № 9, 10).

Внесём полярный диэлектрик в электростатическое поле и посмотрим, что при этом произойдёт. В полярных диэлектриках поляризация происходит в результате переориентации диполей. Когда нет внешнего поля, диполи сориентированы хаотично и суммарное поле внутри вещества равно нулю. Во внешнем поле под действием кулоновских сил происходит поворот диполей. Воздействие внешнего электрического поля испытывают все молекулы диэлектрика. Это приводит к тому, что в диэлектрике возникает собственное электрическое поле. Электрическое поле внутри диэлектриков будет ослаблено по сравнению с внешним полем Е. Наряду с ориентирующим действием кулоновских сил, дипольные молекулы находятся под влиянием теплового движения. Тепловое движение стремится нарушить ориентацию диполей (приложение 1, слайд № 11, 12).

Когда неполярный диэлектрик помещают во внешнее электрическое поле, происходит перераспределение зарядов внутри молекул таким образом, что в целом в диэлектрике появляется собственное поле. В отличие от полярных диэлектриков, здесь нет влияния теплового движения на процесс поляризации (приложение 1, слайд № 13, 14).

Убедимся в этом на опыте. Возьмём электрометр с металлическим диском и зарядим его положительно. Поднесём к диску лист пластика, стрелка электрометра приблизилась к стержню. Значит, диэлектрик ослабляет поле диска.

Для того чтобы описать, как сильно ослабляет диэлектрик электрическое поле, вводят величину, которую называют диэлектрической проницаемостью.

Если обозначить Ео - напряжённость электрического поля в вакууме;

Е - напряжённость электрического поля в диэлектрике;

e-диэлектрическая проницаемость среды, то получим формулу (приложение 1, слайд № 15):

Главное отличие проводников от диэлектриков - наличие свободных зарядов, которые могут перемещаться под действием кулоновских сил. Это свойство проводников позволяет объяснить их поведение в электрическом поле (приложение 1, слайд № 16, 17).

Если проводник заряжен, то есть на нем находится избыточный заряд какого-либо знака, то из-за того, что одноименные заряды отталкиваются, они будут стремиться занять как можно больший объем и окажутся все на поверхности проводника. Наличие поля внутри привело бы к непрерывному движению зарядов до тех пор, пока поле не исчезло бы. Таким образом, внутри заряженного проводника электростатическое поле отсутствует. Потенциал внутри проводника постоянен (приложение 1, слайд № 18).

Проведём опыт. Поднесём незаряженную гильзу к заряженной стеклянной пластине. Гильза притянется к пластине. А ведь в электрические взаимодействия вступают только заряженные тела! Посмотрим, как такое возможно. Когда мы подносим гильзу к заряженной пластине, то под действием её электрического поля свободные электроны металлической гильзы приходят в направленное движение и собираются на левой стороне гильзы. Поэтому гильза притягивается к пластине (приложение 1, слайд № 19).

Правая сторона гильзы, с которой “сбежали” электроны, заряжается положительно. Поэтому внутри гильзы возникает своё электрическое поле, направленное против внешнего поля. И как только внутреннее поле станет равным внешнему полю, движение электронов прекратится. Внутри заряженного проводника поле становится равным нулю (приложение 1, слайд № 20).

Если проводник поместить во внешнее электрическое поле, то начнется перемещение свободных зарядов таким образом, что положительные заряды скапливаются на одной стороне, а отрицательные - на противоположной. Перераспределение зарядов будет происходить до тех пор, пока поле, созданное этими зарядами, не скомпенсирует внешнее поле. Если в этот момент разделить проводник плоскостью, перпендикулярной внешнему полю, то разделенные части проводника окажутся заряженными разноименно.

В разделении зарядов и заключается явление электростатической индукции. Благодаря этому явлению осуществляется электростатическая защита. Если какой-либо прибор необходимо защитить от внешних электрических полей, то его помещают в проводящую оболочку (приложение 1, слайд № 21, 22).

Этот вывод наглядно продемонстрировал английский физик Майкл Фарадей. Он провёл следующий опыт. Оклеил большую деревянную клетку листами станиоля (оловянной бумагой) и изолировал её от Земли. При помощи электрической машины Фарадей очень сильно зарядил клетку, а сам поместился в неё с чувствительным электроскопом. При этом электроскоп не показывал никакого отклонения.

Можно провести подобный опыт. (Демонстрируется опыт)

Возьмём электрометр, на стержне которого укреплена малая сфера, и поднесём к нему положительно заряженную стеклянную пластину. Под действием поля пластины стрелка электрометра отклонится от стержня. Накроем теперь сферу калориметром и так же поднесём заряженную пластину. Стрелка отклоняться не будет. Калориметр оказывает экранирующее действие. Внутри него электрического поля нет.

Если напряженность электрического поля будет направлена под углом к поверхности проводника, то под действием составляющей этого поля, параллельной поверхности, заряды двигались бы непрерывно, что противоречит закону сохранения энергии. Отсюда следует вывод - напряженность электростатического поля перпендикулярна поверхности проводника. Также известно, что эквипотенциальные поверхности перпендикулярны силовым линиям, поэтому поверхность проводника является эквипотенциальной(приложение 1, слайд № 23).

Сообщение обучающихся:

Электромагнитное излучение как болезнетворный фактор следует рассматривать на основании клинических и экспериментальных материалов. Совместное действие этих излучений широкого диапазона можно классифицировать как отдельную радиоволновой болезни. Тяжесть ее последствий находится в прямой зависимости от напряженности ЭМП, продолжительности воздействия, физических особенностей различных диапазонов частот, условий внешней среды, а также от функционального состояния организма, его устойчивости к воздействию различных факторов возможностей адаптации. Сегодня мы не представляем свою жизнь без современных средств передвижения (трамвай, троллейбус, самолет, поезд, автомобиль и т. п.). Они помогают нам быть мобильными и тратить меньше времени на передвижения из пункта А в пункт В. Но мало кто задумывается, какую угрозу подвергает человек свое здоровье и жизнь, садясь за руль или в салон автомобиля, поезда, самолета или даже троллейбуса или трамвая. Установлено, что в 90 % случаев виной аварий является так называемый «человеческий фактор», то есть большинство случаев происходит по вине человека, который управляет транспортным средством. Почему это происходит? Что приводит к нарушению систем организма? На человека действуют электромагнитные поля, создаваемые силовыми установками, электротехническими средствами, которыми оснащено транспортное средство. Норма составляет 0,2 мкТл. Превышение нормы идет даже не в несколько раз, а в несколько сотен раз! ЭМИ серьезно нарушает работу организма. Первой страдает нервная система. Человек становится раздражительным и неадекватно реагирует на ситуации. Впоследствии нарушается сердечно — сосудистая система. В 90-е годы работы в этом направлении были продолжены. В центре внимания исследователей оказались работники железной дороги, которые по роду своей деятельности подвергаются воздействию электромагнитных полей. Проанализировав 12 тысяч больничных листков машинистов различных типов поездов и разных возрастов за 1975–1977 годы, исследователи выяснили, что в среднем машинисты электричек в 1,35 раза чаще, чем машинисты электропоездов, страдают от респираторных, желудочно-кишечных и кожных заболеваний, травм и несчастных случаев. Иначе обстоит дело с сердечно — сосудистыми заболеваниями. В машинистов электропоездов ишемическая болезнь сердца встречается в 2,27 раза чаще, чем у машинистов электричек, причем страдают ею даже люди, не достигшие тридцатилетнего возраста. Учитывая, что обе группы машинистов испытывают совершенно одинаковый «рабочий стресс» и подпадают под влияние «классических» факторов риска для сердечно — сосудистых заболеваний, связанных с питанием, курением и т. д., причиной возникновения и развития ишемической болезни у машинистов электропоездов можно считать магнитные поля.
Защита человека от опасного воздействия электромагнитного облучения осуществляется рядом способов, основными из которых являются: уменьшение излучения непосредственно от самого источника, экранирование источника излучения, экранирование рабочего места, поглощение электромагнитной энергии, применение индивидуальных средств защиты, организационные меры защиты.
Инженерно-технические защитные мероприятия сводят к  использованию экранирования электромагнитных полей непосредственно в местах пребывания человека.  Радиоизлучения могут проникать в помещения, где находятся люди через оконные и дверные проемы. Для экранирования смотровых окон, окон помещений, застекления потолочных фонарей, перегородок применяется металлизированное стекло, обладающее экранирующими свойствами. Такое свойство стеклу придает тонкая прозрачная пленка окислов металлов (олова), металлов (медь, никель, серебро) и их сочетания. Пленка обладает достаточной оптической прозрачностью и химической стойкостью. Будучи нанесенной, на одну сторону поверхности стекла она ослабляет интенсивность излучения на 30 дБ (в 1000 раз), при нанесении пленки на обе поверхности стекла ослабление достигает 40 дБ (в 10000 раз). Для защиты населения от воздействия электромагнитных излучений в строительных конструкциях в качестве защитных экранов могут применяться металлическая сетка, металлический лист или любое другое проводящее покрытие, в том числе и специально разработанные строительные материалы. В ряде случаев достаточно использования заземленной металлической сетки, помещаемой под облицовочный или штукатурный слой  [4]. В качестве экранов могут применяться также различные пленки и ткани с металлизированным покрытием.  В последние годы в качестве радиоэкранирующих материалов получили металлизированные ткани на основе синтетических волокон. Экранирующие текстильные материалы обладают малой толщиной, легкостью, гибкостью; они могут дублироваться другими материалами (тканями, кожей, пленками), хорошо совмещаются со смолами и латексами.
Сегодня на уроке мы разобрали поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле. Сделаем выводы: (приложение 1, слайд № 24, 25).

• Диэлектрики - это вещества, не содержащие свободных заряженных частиц.

• В полярных диэлектриках молекулы являются диполями, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

• Неполярные диэлектрики состоят из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.

• При поляризации молекулы диэлектрика ориентируются по внешнему электрическому полю.

• Диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика к ослаблению внешнего поля.

• Тепловое движение влияет на поляризацию полярных диэлектриков.

• Главное отличие проводников от диэлектриков - наличие свободных зарядов, которые могут перемещаться под действием кулоновских сил.

• Внутри заряженного проводника электростатическое поле отсутствует.

• Потенциал внутри проводника постоянен.

• Напряженность электростатического поля перпендикулярна поверхности проводника. Поверхность проводника является эквипотенциальной

Самопроверка Выполнение тестового задания (на карточках).

1. Какое из перечисленных веществ лишнее?

   1. Железо

   2. Резина

   3. Дерево

   4. Шёлк

2. Диэлектрик поместили в электростатическое поле, а затем разрезали на две части. Полученные половинки оказались…

1. Разноименно заряженными

2. Одноименно заряженными

3. Нейтральными

4. Однозначно ответить нельзя

1. Какое явление называется поляризацией диэлектрика?

1. Разделение разноименных зарядов в электрическом поле

2. Процесс передачи диэлектрику заряда

3. Смещение относительно друг друга связанных зарядов в молекуле под действием электрического поля

4. Распад молекул на ионы

1. Напряженность электростатического поля в вакууме 20 кН/Кл. Какова напряженность этого поля в керосине, если его диэлектрическая проницаемость равна 2?

1. 1000 Н/Кл

2. 10000 Н/Кл

3. 20000 Н/Кл

4. 40000 Н/Кл

1. На рисунке изображены различные вещества, внесенные в однородное электрическое поле. Стрелками показано направление линий напряженности внешнего поля. Укажите диэлектрик.

1. Только 1

2. Только 2

3. 1 и 2

4. Нет верного ответа

Домашнее задание: §§ 85–87 по учебнику В.Ф.Дмитриевой «Физика для профессий и специальностей технического профиля», конспект лекции.

Заполнить таблицу (пропущенные клетки)

Литература:
Бурлака, Н. И. Влияние электромагнитного излучения на функциональное состояние организма машинистов / Н. И. Бурлака. — Текст : непосредственный // Новые задачи современной медицины : материалы III Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, декабрь 2014 г.). — Санкт-Петербург : Заневская площадь, 2014. — С. 11-13. — URL: https://moluch.ru/conf/med/archive/153/6754/ (дата обращения: 01.07.2021).

Пожалуйста, не забудьте правильно оформить цитату:
 Куров Б.М. Как уменьшить загрязнение окружающей среды автотранспортом? // Россия в окружающем мире. - Аналитический    ежегодник. -2000. – 142 с.