Site Loader

Содержание

Урок с элементами исследовательских заданий в 10-х классах по теме: «Силовые линии электрического поля»

Цели урока:

1. Дать понятие силовых линий электрического поля и показать на опытах различные методы исследования распределения электрического поля в пространстве. Дать понятие однородного электрического поля.

2. Развивать логическое мышление, умения ставить экспериментальные задачи и анализировать полученный результат.

3. Воспитывать мировоззрение учащихся на основе метода научного познания природы, воспитывать наблюдательность и интерес к изучаемому предмету.

Ход урока:

  1. Оргмомент, цели и задачи урока
  2. Повторение предыдущего материала в форме игры “Вопрос – ответ”
  3. Изложение новой темы
  4. Фронтальное исследовательское задание
  5. Подведение итогов
  6. Домашнее задание

1. Учитель: Сегодня на уроке мы с вами, ребята, познакомимся с различными методами изучения электрических полей и выполним экспериментальную работу по обнаружению электрического поля и его распределению в пространстве.

2. Учитель: Сначала повторим основные понятия, связанные с электрическими полями. Я предлагаю сделать это в форме игры “Вопрос– ответ”. Правила следующие: 1 ряд задает вопрос – 2 ряд дает ответ, 2 ряд задает вопрос – 3 ряд дает ответ и т.д.

Примерные вопросы учащихся:

  1. Что называют электрическим полем?
  2. Какого главное свойство электрического поля?
  3. Какая теория объясняет существование электрического поля?
  4. В чем заключается теория близкодействия?
  5. В чем заключается идея Фарадея?
  6. Чем создается электрическое поле?
  7. Каковы характеристики электрического поля?
  8. Что называется напряженностью электрического поля?
  9. Как найти напряженность поля точечного заряда?
  10. Как направлен вектор напряженности в поле положительного заряда, в поле отрицательного заряда?

И другие вопросы.

3.Учитель: А теперь, ребята, подумайте можно ли обнаружить электрическое поле в пространстве с помощью опытов?

Возможный ответ: Способов обнаружить несколько.

Учитель: А можно ли электрическое поле увидеть, осязать, услышать?

Ответ: Электрическое поле невидимо, однако можно использовать главное свойство поля, подействовать на электрический заряд.

Посмотрим цифровой фрагмент 1(видеофрагменты были взяты с CD-диска1С:Школа, физика Библиотека наглядных пособий) (колебания шарика между параллельными заряженными пластинками)

Учитель: Однако, изображать электрическое поле в пространстве научились давно. М. Фарадей предложил изображать электрическое поле силовыми линиями. Теперь открываем рабочие тетради и записываем тему урока “Силовые линии электрического поля”.

Сначала дадим определение силовым линиям.

Силовыми линиями называются непрерывные линии, в каждой точке пространства которой по касательной направлен вектор напряженности электрического поля.

Силовые линии электрического поля помогают наглядно представить распределение поля в пространстве. Однако не следует думать, что силовые линии – это существующие в действительности образования, вроде упругих нитей. Их нет в реальности, однако их можно сделать “видимыми”.

Опыт 1. С помощью электрофорной машины сообщим султану электрический заряд. Можно ли увидеть наличие электрического поля вокруг “головы” султана? На основании каких данных об этом можно сказать?

(Ответы учащихся)

Сделаем рисунки в тетрадях (Рисунок 1).

Рисунок 1

Мы знаем, что на султанах разные по знаку заряды. Как же различать эти силовые линии?

Для этого существуют особые свойства силовых линий.

  • они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных
  • они непрерывны в пространстве
  • они не пересекаются
  • густота силовых линий характеризует распределение электрического поля в пространстве.

В соответствии с этими свойствами покажем направление силовых линий (на рисунках поставить стрелки Рисунок 2)

Рисунок 2

Вопрос: как будет выглядеть электрическое поле одноименных и разноименных зарядов?

Давайте посмотрим на опыте с султанами.

4. Опыт 2. Исследовать электрическое поле в пространстве с помощью легкой стрелки из фольги или бумаги.

Фронтальный эксперимент для учащихся

Рисунок 3

Исследование электрического поля заряженных тел

Приборы и материалы (рис. 3): 1) стрелка бумажная (или из фольги) на острие, 2) линейка измерительная 30 см с миллиметровыми делениями (из оргстекла), 3) полоска резиновая размером 30X300 мм.

Порядок выполнения работы

1.

Наэлектризуйте линейку и резиновую полоску, натирая их друг о друга.

2. Подносите стрелку к различным участкам заряженной линейки, не касаясь ее. Для каждого случая зарисуйте в тетради положение стрелки.

По какой линии располагается продольная ось стрелки?

3. Расположите заряженные линейку и резиновую полоску параллельно друг другу и при помощи стрелки на острие исследуйте электрическое поле между ними.

Как расположены линии напряженности этого поля?

4. Сделайте рисунок в тетради с указанием направления линий напряженности.

Рисунок 4                                       Рисунок 5

Между пластинами возникает однородное электрическое поле. Его изображают параллельными силовыми линиями(Рисунок 4 и 5).

Вывод: силовые линии перпендикулярны поверхности проводника (возможны другие выводы учащихся)

Запишем определение:

Электрическое поле, напряженность которого одинакова во всех точках пространства, называется однородным.

С этим понятием мы встретимся в теме “Конденсаторы”.

Опыт 3. Наблюдение силовых линий с помощью мелких частиц в вязкой жидкости.

Посмотрим цифровой фрагмент 2 “Силовые линии электрического поля”.

Таким образом, мы изучили три способа исследования электрических полей.

Подведем итоги экспериментов (формулируем с помощью учащихся)

  1. Густота силовых линий больше вблизи заряженных тел, где напряженность поля больше.
  2. Силовые линии перпендикулярны поверхности заряженного тела.
  3. Силовые линии наглядно представляют наличие электрического поля в пространстве, в действительности их нет.
  4. Напряженность электрического поля, созданного неподвижным зарядом направлена по касательной к силовой линии.

Сделаем еще один рисунок в тетради (Рисунок 6).

Рисунок 6

Дополнительное задание на дом:

Показать с помощью силовых линий электрическое поле заряженного шара, цилиндра, тела неправильной формы.

5. Подведем итоги урока:

Сегодня мне понравилось…

За работу можно поставить следующие оценки… (По ходу урока)

6. Домашнее задание:

§ 40, вопросы, выучить основные понятия, уметь изображать электрическое поле заряженных тел.

PhysBook:Электронный учебник физики — PhysBook

Содержание

  • 1 Учебники
  • 2 Механика
    • 2.1 Кинематика
    • 2.2 Динамика
    • 2.3 Законы сохранения
    • 2.4 Статика
    • 2.
      5 Механические колебания и волны
  • 3 Термодинамика и МКТ
    • 3.1 МКТ
    • 3.2 Термодинамика
  • 4 Электродинамика
    • 4.1 Электростатика
    • 4.2 Электрический ток
    • 4.3 Магнетизм
    • 4.4 Электромагнитные колебания и волны
  • 5 Оптика. СТО
    • 5.1 Геометрическая оптика
    • 5.2 Волновая оптика
    • 5.3 Фотометрия
    • 5.4 Квантовая оптика
    • 5.5 Излучение и спектры
    • 5.6 СТО
  • 6 Атомная и ядерная
    • 6.1 Атомная физика. Квантовая теория
    • 6.2 Ядерная физика
  • 7 Общие темы
  • 8 Новые страницы

Здесь размещена информация по школьной физике:

  1. материалы из учебников, лекций, рефератов, журналов;
  2. разработки уроков, тем;
  3. flash-анимации, фотографии, рисунки различных физических процессов;
  4. ссылки на другие сайты

и многое другое.

Каждый зарегистрированный пользователь сайта имеет возможность выкладывать свои материалы (см. справку), обсуждать уже созданные.

Учебники

Формулы по физике – 7 класс – 8 класс – 9 класс – 10 класс – 11 класс –

Механика

Кинематика

Основные понятия кинематики – Прямолинейное движение – Криволинейное движение – Движение в пространстве

Динамика

Законы Ньютона – Силы в механике – Движение под действием нескольких сил

Законы сохранения

Закон сохранения импульса – Закон сохранения энергии

Статика

Статика твердых тел – Динамика твердых тел – Гидростатика – Гидродинамика

Механические колебания и волны

Механические колебания – Механические волны


Термодинамика и МКТ

МКТ

Основы МКТ – Газовые законы – МКТ идеального газа

Термодинамика

Первый закон термодинамики – Второй закон термодинамики – Жидкость-газ – Поверхностное натяжение – Твердые тела – Тепловое расширение


Электродинамика

Электростатика

Электрическое поле и его параметры – Электроемкость

Электрический ток

Постоянный электрический ток – Электрический ток в металлах – Электрический ток в жидкостях – Электрический ток в газах – Электрический ток в вакууме – Электрический ток в полупроводниках

Магнетизм

Магнитное поле – Электромагнитная индукция

Электромагнитные колебания и волны

Электромагнитные колебания – Производство и передача электроэнергии – Электромагнитные волны


Оптика.

СТО

Геометрическая оптика

Прямолинейное распространение света. Отражение света – Преломление света – Линзы

Волновая оптика

Свет как электромагнитная волна – Интерференция света – Дифракция света

Фотометрия

Фотометрия

Квантовая оптика

Квантовая оптика

Излучение и спектры

Излучение и спектры

СТО

СТО


Атомная и ядерная

Атомная физика. Квантовая теория

Строение атома – Квантовая теория – Излучение атома

Ядерная физика

Атомное ядро – Радиоактивность – Ядерные реакции – Элементарные частицы


Общие темы

Измерения – Методы решения – Развитие науки- Статья- Как писать введение в реферате- Подготовка к ЕГЭ — Репетитор по физике

Новые страницы

Запрос не дал результатов.

Физика Силовые линии электрического поля. Напряженность поля заряжённого шара

Материалы к уроку

Конспект урока

Электрическое поле не действует на органы чувств. Его мы не видим. Тем не менее, распределение поля в пространстве можно сделать видимым. Мы получим некоторое представление о распределении поля, если нарисуем векторы напряженности поля в нескольких точках пространства. Картина будет более наглядной, если нарисовать непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке, через которую они проходят, совпадают с векторами напряженности. Эти линии называют силовыми линиями электрического поля или линиями напряженности.
Не следует думать, что линии напряженности – это существующие в действительности образования вроде растянутых упругих нитей или шнуров, как предполагал сам Фарадей. Линии напряженности помогают лишь наглядно представить распределение поля в пространстве, и не более реальны, чем меридианы и параллели на земном шаре. Однако силовые линии можно сделать видимыми. Если продолговатые кристаллики изолятора (например, хинина) хорошо перемешать в вязкой жидкости (например, в касторовом масле) и поместить туда заряженные тела, то вблизи этих тел кристаллики выстроятся в цепочки вдоль линии напряженности.
На рисунках приведены примеры линий напряженности: 
положительно заряженного шарика; 
двух разноименно заряженных шарика; 
двух одноименно заряженных шарика; 
двух пластин, заряды которых равны по модулю и противоположны по знаку.
Силовые линии электрического поля не замкнуты, они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Силовые линии непрерывны и не пересекаются. Густота силовых линий больше вблизи заряженных тел, где напряженность поля также больше.
Рассмотрим пример. 
 В электрическом поле равномерно заряженного шара в точке А находится положительно заряженная пылинка. Как направлена сила, действующая на пылинку со стороны поля?
Она направлена от заряженного шара к пылинке вдоль радиуса шара, способствуя отдалению пылинки от шара.
Рассмотрим электрическое поле заряженного проводящего шара радиусом (эр) R . Заряд (кю)  q равномерно распределен по поверхности шара. Силовые линии электрического поля, как вытекает из симметрии, направлены вдоль продолжений радиусов шара. Силовые линии вне шара распределены в пространстве точно так же как и силовые линии точечного заряда. Если совпадают картины силовых линий, то можно ожидать, что совпадают и напряженности полей. Поэтому на расстоянии (эр малое) от центра шара напряженность поля определяется той же формулой, что и напряженность поля точечного заряда, помещенного в центр сферы: отношением модуля заряда к квадрату расстояния от него с коэффициентом пропорциональности Кулона. Внутри проводящего шара напряженность поля равна нулю.
Одинаковые ли силы действуют на одинаковые электрические заряды со стороны заряженного металлического шара?
На заряд в точке В действует меньшая сила электрического поля, чем на заряд в точке А.
Электрическое поле есть двух видов:
неоднородное поле – поле с переменной от точки к точке напряженностью. Изображается кривыми силовыми линиями,
непараллельными прямыми, параллельными прямыми, расположенными с разной    густотой.
Однородное поле – поле, вектор напряженности которого остается постоянным по величине и направлению. Изображается параллельными прямыми, расположенными с одинаковой густотой.
Решим задачу.
На рисунке изображены линии напряженности электрического поля в некотором месте пространства. В какой из точек напряженность максимальна по модулю? 
Число силовых линий, приходящихся на поверхность единичной площади, расположенную нормально к силовым линиям, пропорционально модулю напряженности. Это видно в точке 1.
Вообразим вокруг шара – сферу радиуса r. Если радиус сферы больше или равен радиусу шара r ≥ R, то внутрь воображаемой сферы попадет весь заряд q, распределенный по шару и полный поток силовых линий электрического поля сферы будет равен произведению напряженности поля шара на площадь центрального сечения сферы: откуда поле вне сферы имеет напряженность, равную отношению заряда шара к произведению четыре пи электрической постоянной на квадрат радиуса сферы.
Внутри сферы, большей чем шар, электрическое поле, то есть напряженность электрического поля равна нулю, так как там нет зарядов.
Как видно, вне сферы поле тождественно с полем точечного заряда той же величины, помещенного в центр сферы.
Для поля вне шара радиусом R получается тот же результат, что и для пустотелой сферы.
Поле объемного заряженного шара описывается тремя формулами, позволяющими вычислить напряженность поля внутри шара, на поверхности и вне шара.
Здесь (кю) q — заряд шара, (эр) r — расстояние от центра шара до точки поля, (эр большое) R — радиус шара, (пи) π =3,14 (три целых 14 сотых), (эпсилон нулевое) ε0 — электрическая постоянная, которая равна восьми целым 85 сотым на 10 в минус 12 степени квадратных кулонов в ньютон-квадратном метре.

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

  • Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

  • Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

  • Повысим успеваемость по школьным предметам

  • Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

5.

7: Линии электрического поля — Physics LibreTexts
  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    4377
    • OpenStax
    • OpenStax
    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Объяснять назначение диаграммы электрического поля
    • Описать взаимосвязь между векторной диаграммой и диаграммой силовых линий
    • Объясните правила создания диаграммы поля и почему эти правила имеют физический смысл
    • Зарисовка поля произвольного исходного заряда

    Теперь, когда у нас есть некоторый опыт расчета электрических полей, давайте попробуем разобраться в геометрии электрических полей. Как упоминалось ранее, наша модель состоит в том, что заряд на объекте (исходный заряд) изменяет пространство в области вокруг него таким образом, что когда другой заряженный объект (пробный заряд) помещается в эту область пространства, этот пробный заряд испытывает электрическую силу. Концепция электрического линия поля s и диаграммы линий электрического поля позволяют нам визуализировать способ изменения пространства, позволяя нам визуализировать поле. Цель этого раздела — дать вам возможность создавать наброски этой геометрии, поэтому мы перечислим конкретные шаги и правила, связанные с созданием точного и удобного наброска электрического поля.

    Важно помнить, что электрические поля трехмерны. Хотя в эту книгу мы включили несколько псевдотрехмерных изображений, некоторые диаграммы, которые вы увидите (как здесь, так и в последующих главах), будут двухмерными проекциями или сечениями. Всегда помните, что на самом деле вы смотрите на трехмерное явление.

    Нашей отправной точкой является физический факт, что электрическое поле исходного заряда заставляет пробный заряд в этом поле испытывать силу. По определению, векторы электрического поля указывают в том же направлении, что и электрическая сила, которую испытает (гипотетический) положительный пробный заряд, если поместить его в поле (рис. \(\PageIndex{1}\)).

    Рисунок \(\PageIndex{1}\): Электрическое поле положительного точечного заряда. Показано большое количество векторов поля. Как и у всех векторных стрелок, длина каждого вектора пропорциональна величине поля в каждой точке. (а) Поле в двух измерениях; (б) поле в трех измерениях.

    Мы нанесли на рисунок много векторов поля, которые равномерно распределены вокруг заряда источника. Поскольку электрическое поле является вектором, стрелки, которые мы рисуем, соответствуют в каждой точке пространства как величине, так и направлению поля в этой точке. Как всегда, длина нарисованной нами стрелки соответствует величине вектора поля в этой точке. Для заряда точечного источника длина уменьшается на квадрат расстояния от заряда источника. Кроме того, направление вектора поля находится в радиальном направлении от исходного заряда, потому что направление электрического поля определяется направлением силы, с которой положительный пробный заряд будет действовать в этом поле. (Опять же, имейте в виду, что фактическое поле является трехмерным; есть также линии поля, указывающие наружу и внутрь страницы.)

    Эта диаграмма верна, но становится менее полезной по мере усложнения распределения заряда источника. Например, рассмотрим диаграмму векторного поля диполя (рис. \(\PageIndex{2}\)).

    Рисунок \(\PageIndex{2}\): Векторное поле диполя. Даже имея всего два одинаковых заряда, диаграмму векторного поля становится трудно понять.

    Есть более удобный способ представления той же информации. Вместо того, чтобы рисовать большое количество все более мелких векторных стрелок, мы соединяем их все вместе, образуя непрерывные линии и кривые, как показано на рисунке \(\PageIndex{3}\).

    Рисунок \(\PageIndex{3}\): (a) Диаграмма силовых линий электрического поля положительного точечного заряда. (б) Диаграмма силовых линий диполя. На обеих диаграммах величина поля указана плотностью силовых линий. Векторы поля (здесь не показаны) касаются всюду линий поля.

    Хотя на первый взгляд это может показаться неочевидным, эти диаграммы поля передают ту же информацию об электрическом поле, что и векторные диаграммы. Во-первых, направление поля в каждой точке — это просто направление вектора поля в этой же точке. Другими словами, в любой точке пространства вектор поля в каждой точке касается линии поля в этой же точке. Стрелка, расположенная на линии поля, указывает ее направление.

    Что касается величины поля, на это указывает плотность силовых линий — то есть число силовых линий на единицу площади, проходящих через небольшую площадь поперечного сечения, перпендикулярную электрическому полю. Эта плотность силовых линий рисуется пропорциональной величине поля в этом поперечном сечении. В результате, если силовые линии расположены близко друг к другу (то есть плотность силовых линий больше), это указывает на то, что величина поля в этой точке велика. Если силовые линии далеко друг от друга в поперечном сечении, это указывает на малую величину поля. Рисунок \(\PageIndex{4}\) иллюстрирует идею.

    Рисунок \(\PageIndex{4}\): Линии электрического поля, проходящие через воображаемые области. Поскольку количество линий, проходящих через каждую область, одинаково, но сами области различны, плотность силовых линий различна. Это свидетельствует о разной величине электрического поля в этих точках.

    На рисунке \(\PageIndex{4}\) одинаковое количество силовых линий проходит через обе поверхности ( S и \(S’\)), но поверхность S больше, чем поверхность \(S’ \). Следовательно, плотность силовых линий (количество линий на единицу площади) больше в точке \(S’\), что указывает на то, что электрическое поле сильнее в точке \(S’\), чем в точке С . Правила построения диаграммы электрического поля следующие.

    Стратегия решения задач: рисование линий электрического поля
    1. Линии электрического поля либо возникают на положительных зарядах, либо исходят из бесконечности, и либо заканчиваются на отрицательных зарядах, либо уходят в бесконечность.
    2. Количество силовых линий, начинающихся или заканчивающихся зарядом, пропорционально величине этого заряда. Заряд 2 q будет иметь в два раза больше линий, чем заряд д .
    3. В каждой точке пространства вектор поля в этой точке касается линии поля в этой же точке.
    4. Плотность силовых линий в любой точке пространства пропорциональна (и, следовательно, репрезентативна) величине поля в этой точке пространства.
    5. Линии поля никогда не могут пересекаться. Поскольку силовая линия представляет направление поля в данной точке, если две силовые линии пересекаются в какой-то точке, это будет означать, что электрическое поле указывает в двух разных направлениях в одной точке. Это, в свою очередь, предполагает, что (чистая) сила, действующая на пробный заряд, помещенный в эту точку, будет направлена ​​в двух разных направлениях. Поскольку это очевидно невозможно, отсюда следует, что силовые линии никогда не должны пересекаться.

    Всегда помните, что силовые линии служат только удобным способом визуализации электрического поля; они не являются физическими лицами. Хотя направление и относительная напряженность электрического поля могут быть определены по набору силовых линий, эти линии также могут вводить в заблуждение. Например, силовые линии, нарисованные для представления электрического поля в области, должны обязательно быть дискретными. Однако фактическое электрическое поле в этой области существует в каждой точке пространства.

    Линии поля для трех групп дискретных зарядов показаны на рисунке \(\PageIndex{5}\). Поскольку заряды в частях (а) и (б) имеют одинаковую величину, показано одинаковое количество силовых линий, начинающихся или заканчивающихся на каждом заряде. Однако в (с) мы рисуем в три раза больше силовых линий, выходящих из заряда \(+3q\), чем входящих в заряд \(-q\). Линии поля, которые не заканчиваются на \(-q\), исходят наружу от конфигурации заряда, в бесконечность.

    Рисунок \(\PageIndex{5}\): Три типичные диаграммы электрического поля. а) диполь. б) Два одинаковых заряда. в) Два заряда противоположных знаков и разной величины. Можно ли по диаграмме определить, какой заряд имеет большую величину?

    Умение построить точную диаграмму электрического поля — важный и полезный навык; это значительно упрощает оценку, прогнозирование и, следовательно, расчет электрического поля заряда источника. Лучший способ развить этот навык — использовать программное обеспечение, которое позволяет вам размещать исходные заряды, а затем рисовать чистое поле по запросу. Мы настоятельно рекомендуем вам поискать программу в Интернете. Как только вы найдете тот, который вам нравится, запустите несколько симуляций, чтобы получить основные идеи построения диаграммы поля. Затем попрактикуйтесь в рисовании диаграмм полей и сверяйте свои прогнозы с компьютерными диаграммами.

    PhET: заряды и поля

    Расположите положительные и отрицательные заряды в пространстве и просмотрите результирующее электрическое поле и электростатический потенциал. Постройте эквипотенциальные линии и выясните их связь с электрическим полем. Создавайте модели диполей, конденсаторов и многого другого!


    Эта страница под названием 5.7: Electric Field Lines распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

    1. Наверх
      • Была ли эта статья полезной?
      1. Тип изделия
        Раздел или Страница
        Автор
        ОпенСтакс
        Лицензия
        СС BY
        Версия лицензии
        4,0
        Программа OER или Publisher
        ОпенСтакс
        Показать оглавление
        нет
      2. Теги
        1. Электрическое поле
        2. строка поля
        3. строк поля
        4. источник@https://openstax. org/details/books/university-physics-volume-2

      19.4 Эквипотенциальные линии – Колледж физики

      Резюме

      • Объясните эквипотенциальные линии и эквипотенциальные поверхности.
      • Опишите действия по заземлению электроприбора.
      • Сравните линии электрического поля и эквипотенциальные линии.

      Мы можем изображать электрические потенциалы (напряжения) графически, точно так же, как мы рисовали картинки для иллюстрации электрических полей. Конечно, эти два связаны. Рассмотрим рисунок 1, на котором изображен изолированный положительный точечный заряд и линии его электрического поля. Силовые линии электрического поля исходят из положительного заряда и заканчиваются на отрицательном заряде. В то время как мы используем синие стрелки для представления величины и направления электрического поля, мы используем зеленые линии для обозначения мест, где электрический потенциал постоянен. Они называются эквипотенциальными линиями в двух измерениях, или эквипотенциальных поверхностей в трех измерениях. Термин эквипотенциальный также используется как существительное, относящееся к эквипотенциальной линии или поверхности. Потенциал точечного заряда одинаков в любом месте воображаемой сферы радиусом [латекс]\boldsymbol{r}[/латекс], окружающей заряд. Это верно, поскольку потенциал точечного заряда задается формулой [latex]\boldsymbol{V = kQ/r}[/latex] и, таким образом, имеет одинаковое значение в любой точке, находящейся на заданном расстоянии [latex]\boldsymbol {r}[/latex] от оплаты. Эквипотенциальная сфера представляет собой круг на двумерном изображении на рисунке 1. Поскольку линии электрического поля направлены радиально от заряда, они перпендикулярны эквипотенциальным линиям.

      Рис. 1. Изолированный точечный заряд Q с линиями электрического поля синего цвета и эквипотенциальными линиями зеленого цвета. Потенциал одинаков вдоль каждой эквипотенциальной линии, а это означает, что для перемещения заряда в любом месте вдоль одной из этих линий не требуется никакой работы. Для перемещения заряда от одной эквипотенциальной линии к другой необходима работа. Эквипотенциальные линии в любом случае перпендикулярны линиям электрического поля.

      Важно отметить, что эквипотенциальных линий всегда перпендикулярны силовым линиям электрического поля . Никакой работы не требуется для перемещения заряда по эквипотенциалу, поскольку [латекс]\boldsymbol{\Delta V = 0}[/латекс]. Таким образом, работа равна

      [латекс]\boldsymbol{W = — \Delta \;\textbf{PE} = -q \Delta V = 0}.[/latex]

      Работа равна нулю, если сила перпендикулярна движению. Сила действует в том же направлении, что и [латекс]\boldsymbol{E}[/латекс], поэтому движение по эквипотенциалу должно быть перпендикулярно [латексу]\boldsymbol{E}[/латекс]. Точнее, работа связана с электрическим полем соотношением

      [латекс]\жирныйсимвол{W = Fd \;\textbf{cos} \theta = qEd \;\textbf{cos} \theta = 0. }[/latex]

      Обратите внимание, что в приведенном выше уравнении [латекс] \boldsymbol{E}[/latex] и [latex]\boldsymbol{F}[/latex] обозначают величины напряженности и силы электрического поля соответственно. Ни [latex]\boldsymbol{q}[/latex], ни [latex]\textbf{E}[/latex], ни [latex]\boldsymbol{d}[/latex] не равны нулю, поэтому [latex]\boldsymbol{ \textbf{cos} \theta}[/latex] должен быть равен 0, то есть [латекс]\boldsymbol{\theta}[/latex] должен быть равен [латекс]\boldsymbol{9{\circ}}[/латекс]. Другими словами, движение по эквипотенциалу перпендикулярно [латексу]\boldsymbol{E}[/латексу].

      Одно из правил для статических электрических полей и проводников состоит в том, что электрическое поле должно быть перпендикулярно поверхности любого проводника. Это означает, что проводник является эквипотенциальной поверхностью в статических ситуациях . На поверхности проводника не может быть разности потенциалов, иначе будут течь заряды. Одно из применений этого факта состоит в том, что проводник можно зафиксировать при нулевом напряжении, подключив его к земле с помощью хорошего проводника — процесс, называемый заземлением. Заземление может быть полезным инструментом безопасности. Например, заземление металлического корпуса электроприбора гарантирует, что он находится при нулевом напряжении относительно земли.

      Заземление

      Проводник можно зафиксировать при нулевом напряжении, соединив его с землей с помощью хорошего проводника — процесс, называемый заземлением.

      Поскольку проводник является эквипотенциальным, он может заменить любую эквипотенциальную поверхность. Например, на рис. 1 заряженный сферический проводник может заменить точечный заряд, а электрическое поле и потенциальные поверхности вне его останутся неизменными, что подтверждает утверждение о том, что распределение сферического заряда эквивалентно точечному заряду в его центре.

      На рис. 2 показано электрическое поле и эквипотенциальные линии для двух одинаковых и противоположных зарядов. Имея линии электрического поля, эквипотенциальные линии можно провести, просто сделав их перпендикулярными линиям электрического поля. И наоборот, учитывая эквипотенциальные линии, как на рис. 3(а), линии электрического поля можно нарисовать, сделав их перпендикулярными эквипотенциалам, как на рис. 3(б).

      Рис. 2. Линии электрического поля и эквипотенциальные линии для двух равных, но противоположных зарядов. Эквипотенциальные линии можно провести, сделав их перпендикулярными линиям электрического поля, если они известны. Обратите внимание, что потенциал наибольший (наиболее положительный) вблизи положительного заряда и наименьший (наиболее отрицательный) вблизи отрицательного заряда. Рис. 3. (a) Эти эквипотенциальные линии можно измерить вольтметром в лабораторном эксперименте. (b) Соответствующие силовые линии электрического поля находят, проводя их перпендикулярно эквипотенциалам. Обратите внимание, что эти поля согласуются с двумя равными отрицательными зарядами 90 033. Один из наиболее важных случаев — знакомые параллельные проводящие пластины, показанные на рис. 4. Между пластинами эквипотенциалы расположены на равном расстоянии друг от друга и параллельны. То же самое поле можно было бы поддерживать, поместив проводящие пластины на эквипотенциальные линии при показанных потенциалах.

      Рис. 4. Электрическое поле и эквипотенциальные линии между двумя металлическими пластинами.

      Важное применение электрических полей и эквипотенциальных линий связано с сердцем. Сердце полагается на электрические сигналы для поддержания своего ритма. Движение электрических сигналов заставляет камеры сердца сокращаться и расслабляться. Когда у человека сердечный приступ, движение этих электрических сигналов может быть нарушено. Искусственный кардиостимулятор и дефибриллятор могут использоваться для запуска ритма электрических сигналов. Эквипотенциальные линии вокруг сердца, грудного отдела и оси сердца являются полезными способами наблюдения за структурой и функциями сердца. Электрокардиограмма (ЭКГ) измеряет слабые электрические сигналы, генерируемые во время деятельности сердца. Подробнее о взаимосвязи между электрическими полями и сердцем обсуждается в главе 19. .7 Энергия, запасенная в конденсаторах.

      Исследования PhET: заряды и поля

      Перемещайте точечные заряды по игровому полю, а затем просматривайте электрическое поле, напряжения, эквипотенциальные линии и многое другое. Это красочно, это динамично, это бесплатно.

      Рис. 5. Заряды и поля
      • Эквипотенциальная линия — это линия, вдоль которой электрический потенциал постоянен.
      • Эквипотенциальная поверхность представляет собой трехмерную версию эквипотенциальной линии.
      • Эквипотенциальные линии всегда перпендикулярны линиям электрического поля.
      • Процесс, с помощью которого проводник может быть зафиксирован при нулевом напряжении, соединив его с землей с помощью хорошего проводника, называется заземлением.

       

      Задачи и упражнения

      1: (a) Нарисуйте эквипотенциальные линии вблизи точечного заряда + [латекс]\boldsymbol{q}[/латекс]. Укажите направление возрастания потенциала. (b) Сделайте то же самое для точечного заряда [латекс]\boldsymbol{-3 \; д}[/латекс].

      2: Нарисуйте эквипотенциальные линии для двух одинаковых положительных зарядов, показанных на рисунке 6. Укажите направление увеличения потенциала.

      Рис. 6. Электрическое поле вблизи двух равных положительных зарядов направлено от каждого из зарядов.

      3:  На рис. 7 показаны силовые линии электрического поля вблизи двух зарядов [латекс]\boldsymbol{q_1}[/latex] и [латекс]\boldsymbol{q_2}[/латекс], величина первого из которых в четыре раза больше секунда. Начертите эквипотенциальные линии этих двух зарядов и укажите направление возрастания потенциала.

      4: Нарисуйте эквипотенциальные линии на большом расстоянии от зарядов, показанных на рисунке 7. Укажите направление возрастания потенциала.

      Рис. 7. Электрическое поле вблизи двух зарядов.

      5: Нарисуйте эквипотенциальные линии вблизи двух противоположных зарядов, где отрицательный заряд в три раза больше положительного по величине. См. Рисунок 7 для аналогичной ситуации. Укажите направление возрастания потенциала.

      6: Нарисуйте эквипотенциальные линии вблизи отрицательно заряженного проводника на рис. 8. Как будут выглядеть эти эквипотенциальные линии на большом расстоянии от объекта?

      Рис. 8. Отрицательно заряженный проводник.

      7: Нарисуйте эквипотенциальные линии, окружающие две проводящие пластины, показанные на рисунке 9, учитывая, что верхняя пластина имеет положительный заряд, а нижняя пластина имеет одинаковое количество отрицательного заряда. Обязательно укажите распределение заряда на пластинах. Является ли поле самым сильным там, где пластины находятся ближе всего? Почему так должно быть?

      Рисунок 9.

      8: (a) Нарисуйте линии электрического поля вблизи заряженного изолятора на рисунке 10. Обратите внимание на его неоднородное распределение заряда. (b) Нарисуйте эквипотенциальные линии, окружающие изолятор. 2}[/latex] . а) Чему равно электрическое поле относительно земли на высоте 3,00 м? б) Рассчитайте электрический потенциал на этой высоте. (c) Нарисуйте электрическое поле и эквипотенциальные линии для этого сценария.

      10: Малый электрический скат ( Narcine bancroftii ) поддерживает невероятный заряд на голове и заряд, равный по величине, но противоположный по знаку, на хвосте (рис. 11). а) Нарисуйте эквипотенциальные линии, окружающие луч. (b) Нарисуйте эквипотенциали, когда луч находится вблизи корабля с проводящей поверхностью. в) Как это распределение заряда может быть полезно лучу?

      Рисунок 11. Малый электрический скат ( Narcine bancroftii ) (кредит: Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Коллекция рыболовства NOAA).

       

      эквипотенциальная линия
      линия, вдоль которой электрический потенциал постоянен
      заземление
      фиксация проводника при нулевом напряжении путем соединения его с землей или землей

      19.

      4 Эквипотенциальные линии – Колледж физики

      Резюме

      • Объясните эквипотенциальные линии и эквипотенциальные поверхности.
      • Опишите действия по заземлению электроприбора.
      • Сравните линии электрического поля и эквипотенциальные линии.

      Мы можем изображать электрические потенциалы (напряжения) графически, точно так же, как мы рисовали картинки для иллюстрации электрических полей. Конечно, эти два связаны. Рассмотрим рисунок 1, на котором изображен изолированный положительный точечный заряд и линии его электрического поля. Силовые линии электрического поля исходят из положительного заряда и заканчиваются на отрицательном заряде. В то время как мы используем синие стрелки для представления величины и направления электрического поля, мы используем зеленые линии для обозначения мест, где электрический потенциал постоянен. Они называются эквипотенциальными линиями в двух измерениях, или эквипотенциальных поверхностей в трех измерениях. Термин эквипотенциальный также используется как существительное, относящееся к эквипотенциальной линии или поверхности. Потенциал точечного заряда одинаков в любом месте воображаемой сферы радиуса $латекс \boldsymbol{r}$, окружающей заряд. Это верно, поскольку потенциал точечного заряда определяется выражением $latex \boldsymbol{V = kQ/r} $ и, таким образом, имеет одно и то же значение в любой точке, находящейся на заданном расстоянии $latex \boldsymbol{r} $ от заряд. Эквипотенциальная сфера представляет собой круг на двумерном изображении на рисунке 1. Поскольку линии электрического поля направлены радиально от заряда, они перпендикулярны эквипотенциальным линиям.

      Рис. 1. Изолированный точечный заряд Q с линиями электрического поля синего цвета и эквипотенциальными линиями зеленого цвета. Потенциал одинаков вдоль каждой эквипотенциальной линии, а это означает, что для перемещения заряда в любом месте вдоль одной из этих линий не требуется никакой работы. Для перемещения заряда от одной эквипотенциальной линии к другой необходима работа. Эквипотенциальные линии в любом случае перпендикулярны линиям электрического поля.

      Важно отметить, что эквипотенциальных линий всегда перпендикулярны силовым линиям электрического поля . Для перемещения заряда по эквипотенциалу не требуется никакой работы, поскольку $latex \boldsymbol{\Delta V = 0}$. Таким образом, работа равна

      $latex \boldsymbol{W = – \Delta \;\textbf{PE} = -q \Delta V = 0}. $

      Работа равна нулю, если сила перпендикулярна движению. Сила действует в том же направлении, что и $латекс \boldsymbol{E}$, поэтому движение по эквипотенциалу должно быть перпендикулярно $латексу \boldsymbol{E}$. Точнее, работа связана с электрическим полем соотношением

      $latex \boldsymbol{W = Fd \;\textbf{cos} \theta = qEd \;\textbf{cos} \theta = 0.} $ 9{\circ}} $. Другими словами, движение по эквипотенциалу перпендикулярно $латексу \boldsymbol{E}$.

      Одно из правил для статических электрических полей и проводников состоит в том, что электрическое поле должно быть перпендикулярно поверхности любого проводника. Это означает, что проводник является эквипотенциальной поверхностью в статических ситуациях . На поверхности проводника не может быть разности потенциалов, иначе будут течь заряды. Одно из применений этого факта состоит в том, что проводник можно зафиксировать при нулевом напряжении, подключив его к земле с помощью хорошего проводника — процесс, называемый заземлением. Заземление может быть полезным инструментом безопасности. Например, заземление металлического корпуса электроприбора гарантирует, что он находится при нулевом напряжении относительно земли.

      Заземление

      Проводник можно зафиксировать при нулевом напряжении, соединив его с землей с помощью хорошего проводника — процесс, называемый заземлением.

      Поскольку проводник является эквипотенциальным, он может заменить любую эквипотенциальную поверхность. Например, на рис. 1 заряженный сферический проводник может заменить точечный заряд, а электрическое поле и потенциальные поверхности вне его останутся неизменными, что подтверждает утверждение о том, что распределение сферического заряда эквивалентно точечному заряду в его центре.

      На рис. 2 показано электрическое поле и эквипотенциальные линии для двух одинаковых и противоположных зарядов. Имея линии электрического поля, эквипотенциальные линии можно провести, просто сделав их перпендикулярными линиям электрического поля. И наоборот, учитывая эквипотенциальные линии, как на рис. 3(а), линии электрического поля можно нарисовать, сделав их перпендикулярными эквипотенциалам, как на рис. 3(б).

      Рис. 2. Линии электрического поля и эквипотенциальные линии для двух равных, но противоположных зарядов. Эквипотенциальные линии можно провести, сделав их перпендикулярными линиям электрического поля, если они известны. Обратите внимание, что потенциал наибольший (наиболее положительный) вблизи положительного заряда и наименьший (наиболее отрицательный) вблизи отрицательного заряда. Рис. 3. (a) Эти эквипотенциальные линии можно измерить вольтметром в лабораторном эксперименте. (b) Соответствующие силовые линии электрического поля находят, проводя их перпендикулярно эквипотенциалам. Обратите внимание, что эти поля согласуются с двумя равными отрицательными зарядами 90 033. Один из наиболее важных случаев — знакомые параллельные проводящие пластины, показанные на рис. 4. Между пластинами эквипотенциалы расположены на равном расстоянии друг от друга и параллельны. То же самое поле можно было бы поддерживать, поместив проводящие пластины на эквипотенциальные линии при показанных потенциалах.

      Рис. 4. Электрическое поле и эквипотенциальные линии между двумя металлическими пластинами.

      Важное применение электрических полей и эквипотенциальных линий связано с сердцем. Сердце полагается на электрические сигналы для поддержания своего ритма. Движение электрических сигналов заставляет камеры сердца сокращаться и расслабляться. Когда у человека сердечный приступ, движение этих электрических сигналов может быть нарушено. Искусственный кардиостимулятор и дефибриллятор могут использоваться для запуска ритма электрических сигналов. Эквипотенциальные линии вокруг сердца, грудного отдела и оси сердца являются полезными способами наблюдения за структурой и функциями сердца.

      alexxlab

      Добавить комментарий

      Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *