Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: к концу урока учащиеся сформулируют закон Кулона, запишут его математическую модель $F=k\frac{|q_1q_2|}{r^2}$, объяснят направление взаимодействия зарядов и решат не менее двух расчётных задач с проверкой единиц измерения.
- Сформировать представление о взаимодействии неподвижных точечных зарядов и зависимости силы взаимодействия от величины зарядов и расстояния между ними.
- Научить применять закон Кулона для расчёта силы взаимодействия заряженных тел в вакууме и воздухе.
- Развивать умение выдвигать гипотезы, анализировать результаты опыта, работать с формулой и преобразовывать её.
- Воспитывать ответственное отношение к работе с электрическими приборами, уважение к аргументированному мнению одноклассников и интерес к профессиям, связанным с физикой и техникой.
Планируемые результаты
Личностные
- Проявляют познавательный интерес к объяснению электрических явлений, наблюдаемых в быту.
- Осознают значение точных измерений и соблюдения правил безопасности при работе с электрическими устройствами.
- Готовы высказывать гипотезу и корректировать её на основании экспериментальных данных.
- Понимают связь изучаемого закона с инженерией, электроникой, энергетикой и современными технологиями.
Метапредметные
- Извлекают информацию из схемы, таблицы, текста задания и формулы.
- Сравнивают результаты наблюдений, устанавливают зависимость между физическими величинами.
- Планируют решение задачи, выбирают необходимые данные и контролируют единицы измерения.
- Аргументируют выводы в паре и представляют результат кратко и последовательно.
Предметные
- Знать понятия электрического заряда, точечного заряда, силы взаимодействия и коэффициента пропорциональности.
- Формулировать закон Кулона и записывать его математическую модель.
- Объяснять, что одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются.
- Уметь рассчитывать силу взаимодействия зарядов, переводить значения в единицы СИ и анализировать изменение силы при изменении заряда или расстояния.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личный смысл изучения закона через его применение в технике и повседневной жизни.
- Проявляют самостоятельность при выборе уровня расчётного задания.
- Оценивают собственную готовность объяснить наблюдаемое электрическое явление.
- Соблюдают правила безопасного поведения при демонстрации электризации тел.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель исследования на основе проблемного вопроса.
- Планируют последовательность решения расчётной задачи.
- Сверяют результат с эталоном и находят ошибку в единицах или подстановке.
- Оценивают степень достижения цели по листу самооценки.
Познавательные УУД
- Выдвигают гипотезу о влиянии расстояния и величины зарядов на силу взаимодействия.
- Моделируют взаимодействие зарядов с помощью схемы сил.
- Выделяют существенные данные из условия задачи и преобразуют формулу.
- Устанавливают причинно-следственную связь между изменением расстояния и силы взаимодействия.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в паре при анализе экспериментальной ситуации.
- Формулируют вопрос и аргументируют ответ физическими понятиями.
- Слушают мнение партнёра и корректно уточняют или дополняют его.
- Представляют общий вывод группы в течение одной минуты.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить два лёгких металлических шарика на изолирующих нитях, штатив, эбонитовую или пластиковую палочку, шерстяную ткань и электроскоп.
- Подготовить безопасную демонстрацию электризации тел; заранее проверить исправность оборудования и отсутствие открытых токоведущих частей.
- Распечатать карточки с проблемными ситуациями и расчётными задачами трёх уровней: по одной карточке на пару, всего по числу пар в классе.
- Распечатать лист самооценки по одному экземпляру на каждого ученика.
- Подготовить слайд или запись на доске со схемами одноимённых и разноимённых зарядов, обозначениями $q_1$, $q_2$, $r$, $F$.
- Вывести на экран таблицу приставок и единиц СИ: $1\ \text{нКл}=10^{-9}\ \text{Кл}$, $1\ \text{мкКл}=10^{-6}\ \text{Кл}$, $1\ \text{см}=10^{-2}\ \text{м}$.
- Подготовить эталон решения двух задач для самопроверки и карточки зелёного, жёлтого и красного цвета.
- Организовать свободное пространство на демонстрационном столе и предупредить учащихся не касаться приборов без разрешения учителя.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (4 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую деятельность через наблюдение электрического взаимодействия и проблемный вопрос.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс: "Здравствуйте, ребята. Проверьте, пожалуйста, готовность к работе: тетрадь, ручка, линейка и калькулятор должны быть на столе. Сегодня мы будем не просто записывать формулу, а выяснять, от чего зависит сила взаимодействия заряженных тел. Работать будем как исследователи: наблюдать, предполагать и проверять." | Проверяют принадлежности, записывают дату и готовятся к работе. |
2 мин | Учитель демонстрирует электризацию пластиковой палочки тканью и приближает её к лёгкому металлическому шарику: "Посмотрите, шарик сначала притянулся к палочке, а затем изменил движение. Как вы думаете, что действует на шарик? Почему действие проявляется без непосредственного контакта?" | Наблюдают опыт, формулируют предположения: "между телами действует электрическая сила", "тела имеют заряды". |
1 мин | Учитель показывает на доске проблемный вопрос: "Как вычислить силу взаимодействия двух заряженных тел и как она изменится, если заряд или расстояние увеличить? К этому вопросу мы вернёмся в конце урока." | Читают проблемный вопрос, называют, что хотели бы узнать. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели, что заряженные тела могут действовать друг на друга на расстоянии. Теперь выясним, какие знания о заряде и силах помогут нам описать это взаимодействие количественно."
Этап 2. Актуализация знаний (6 мин)
Цель этапа: восстановить понятия электрического заряда, электризации и силы, необходимые для открытия нового закона.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель организует приём "Подумай — обсуди в паре — поделись": "Вспомните, что называют электрическим зарядом. Сначала 30 секунд подумайте самостоятельно, затем одну минуту обсудите ответ с соседом. После этого я попрошу несколько пар назвать точную формулировку." | Индивидуально записывают ключевые слова, затем обсуждают в парах и формулируют: "Электрический заряд характеризует способность тел участвовать в электрическом взаимодействии". |
2 мин | Учитель показывает две схемы зарядов и спрашивает: "Что происходит с одноимёнными зарядами? Что происходит с разноимёнными? Как на рисунке обозначают направление силы?" | По схемам определяют: "Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются"; показывают стрелками направления сил. |
2 мин | Учитель записывает на доске обозначения и уточняет: "Какие величины нужно указать, чтобы описать взаимодействие двух зарядов? В каких единицах измеряют силу, заряд и расстояние?" | Называют силу $F$ в ньютонах, заряд $q$ в кулонах, расстояние $r$ в метрах; записывают обозначения. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили, что взаимодействие зависит от зарядов и описывается силой. Но пока не знаем точной зависимости. Сформулируем задачу, которую должны решить сегодня."
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать гипотезу о зависимости силы взаимодействия от зарядов и расстояния и определить план исследования.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель предлагает приём "Снежный ком": "Предположите, как изменится сила взаимодействия, если один из зарядов увеличить в два раза. А если расстояние увеличить в два раза? Сначала каждый запишите гипотезу, затем сравните её с соседом, после чего класс выберет наиболее обоснованные варианты." | Записывают гипотезы и обсуждают их: "при увеличении заряда сила должна увеличиться"; "при увеличении расстояния сила должна уменьшиться". |
2 мин | Учитель фиксирует гипотезы на доске и спрашивает: "Что нам нужно узнать, чтобы проверить эти предположения? Составьте план: какие величины сравнить, какую формулу получить и как проверить её на задаче." | Формулируют план: определить зависимость силы от зарядов и расстояния, записать закон, решить расчётную задачу и проверить результат. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня наша цель — открыть количественную связь между силой, зарядами и расстоянием, а затем применить её в расчётах. Начнём с анализа новой физической модели."
Этап 4. Открытие нового знания (10 мин)
Цель этапа: сформировать понятие закона Кулона, вывести его математическую модель и установить направление силы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает на экране схему двух точечных зарядов и говорит: "Для начала рассмотрим точечные заряды — тела, размеры которых значительно меньше расстояния между ними. Экспериментально установлено: сила взаимодействия увеличивается при увеличении каждого заряда и уменьшается при увеличении расстояния. Поэтому сила прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния. Посмотрите на запись и объясните, почему расстояние стоит в знаменателе." | Анализируют схему и формулируют: "При увеличении расстояния взаимодействие ослабевает, поэтому сила уменьшается". |
3 мин | Учитель записывает на доске: $F=k\frac{|q_1q_2|}{r^2}$ и поясняет: "Это закон Кулона. $F$ — модуль силы, $q_1$ и $q_2$ — модули зарядов, $r$ — расстояние между ними, $k$ — коэффициент пропорциональности. В вакууме $k\approx9\cdot10^9\ \text{Н}\cdot\text{м}^2/\text{Кл}^2$. Модули зарядов используются для вычисления величины силы, а знаки зарядов определяют характер взаимодействия." | Записывают формулу и обозначения в тетради, задают уточняющие вопросы, называют единицы измерения. |
2 мин | Учитель обращается к схеме: "Если заряды $q_1$ и $q_2$ имеют одинаковые знаки, как направлены силы? Если знаки разные? Помните третий закон Ньютона: силы равны по модулю и противоположны по направлению." | На схеме изображают силы: для одноимённых зарядов стрелки направлены от зарядов, для разноимённых — навстречу; формулируют: "Силы противоположны и равны по модулю". |
2 мин | Учитель задаёт вопрос на понимание: "Во сколько раз изменится сила, если расстояние увеличить в три раза, а заряды оставить прежними? Покажите рассуждение, а не только ответ." | Рассуждают по формуле: $r$ увеличивается в 3 раза, $r^2$ — в 9 раз, поэтому сила уменьшится в 9 раз. |
Запись в тетрадях
Закон Кулона: $F=k\frac{|q_1q_2|}{r^2}$. Сила взаимодействия прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы получили формулу и поняли, как в ней отражаются физические свойства взаимодействия. Теперь проверим закон на конкретной задаче и научимся оформлять решение по шагам."
Этап 5. Первичное закрепление. Решение задачи в парах (7 мин)
Цель этапа: отработать алгоритм применения закона Кулона с переводом величин в единицы СИ.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт карточки и говорит: "Решим задачу по алгоритму: выпишите дано, переведите величины в СИ, запишите формулу, выполните подстановку и сформулируйте ответ. Условие: два точечных заряда $q_1=2\ \text{мкКл}$ и $q_2=3\ \text{мкКл}$ находятся в воздухе на расстоянии $r=0{,}3\ \text{м}$. Определите модуль силы взаимодействия." | Читают условие, выделяют данные и записывают: $q_1=2\cdot10^{-6}\ \text{Кл}$, $q_2=3\cdot10^{-6}\ \text{Кл}$, $r=0{,}3\ \text{м}$. |
3 мин | Учитель напоминает: "Не подставляйте микрокулоны напрямую. Сначала проверьте все приставки. Запишите общий вид формулы и только затем подставляйте числа. Работайте в паре: один ученик контролирует единицы, второй выполняет вычисления, затем поменяйтесь ролями." | В парах оформляют решение: $F=9\cdot10^9\frac{(2\cdot10^{-6})(3\cdot10^{-6})}{0{,}3^2}$. |
2 мин | Учитель просит одну пару представить решение, а класс проверяет его по приёму "Две звезды и пожелание": "Назовите два корректных шага и один момент, который можно улучшить." | Сравнивают решения, получают $F=0{,}6\ \text{Н}$, формулируют ответ: "Модуль силы взаимодействия равен $0{,}6\ \text{Н}$". |
Эталон решения
Дано: $q_1=2\cdot10^{-6}\ \text{Кл}$, $q_2=3\cdot10^{-6}\ \text{Кл}$, $r=0{,}3\ \text{м}$, $k=9\cdot10^9\ \text{Н}\cdot\text{м}^2/\text{Кл}^2$. По закону Кулона $F=k\frac{|q_1q_2|}{r^2}$. Подставим значения: $F=9\cdot10^9\frac{2\cdot10^{-6}\cdot3\cdot10^{-6}}{0{,}09}=0{,}6\ \text{Н}$. Ответ: $F=0{,}6\ \text{Н}$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели, что основная причина ошибок — неверный перевод единиц или забытый квадрат расстояния. Теперь каждый самостоятельно проверит, умеет ли применять закон без подсказки партнёра."
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (9 мин)
Цель этапа: диагностировать индивидуальное понимание закона Кулона и закрепить зависимости между физическими величинами.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель объясняет выбор уровня: "Выберите один из трёх вариантов карточки. Минимальный вариант проверяет формулу и направление сил, базовый требует расчёта, повышенный — анализа изменения силы. Выбор уровня — ваша ответственность; после выполнения оцените, нужна ли вам дополнительная тренировка." | Выбирают карточку, записывают её уровень и приступают к работе индивидуально. |
4 мин | Учитель предлагает задания. Минимум: определить направление взаимодействия зарядов $+q$ и $-2q$ и записать формулу. Базовый: найти силу для $q_1=4\ \text{нКл}$, $q_2=6\ \text{нКл}$, $r=0{,}2\ \text{м}$. Повышенный: как изменится сила, если оба заряда увеличить в 2 раза, а расстояние увеличить в 2 раза? | Выполняют выбранное задание, оформляют решение с формулой и единицами; для повышенного варианта получают, что сила не изменится. |
2 мин | Учитель вывешивает эталон: "Проверьте не только ответ, но и ход решения: единицы СИ, квадрат расстояния, порядок действий и направление силы. Ошибку не стирайте сразу — отметьте место, где она возникла." | Сверяют работу с эталоном, выделяют исправление другим цветом, определяют причину ошибки. |
2 мин | Учитель проводит формирующее оценивание "Светофор": "Поднимите зелёную карточку, если можете самостоятельно решить задачу; жёлтую — если понимаете формулу, но ошиблись в вычислении; красную — если нужна помощь с выбором величин." | Показывают карточки, формулируют индивидуальный вопрос или записывают, какой шаг алгоритма требует повторения. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Самостоятельная работа показала, что формула становится рабочим инструментом только тогда, когда мы контролируем каждую величину и единицу. Осталось связать результат с первоначальным наблюдением и сформулировать общий вывод."
Этап 7. Рефлексия и домашнее задание (5 мин)
Цель этапа: обобщить открытое знание, проверить достижение цели и определить дальнейший маршрут обучения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель возвращается к проблемному вопросу: "Почему шарик притягивался к заряженной палочке и как теперь описать это взаимодействие? Сформулируйте ответ с использованием слов "электрическая сила", "заряд", "расстояние"." | Формулируют ответ: "Заряженные тела взаимодействуют электрическими силами; сила зависит от зарядов и расстояния и описывается законом Кулона". |
2 мин | Учитель раздаёт лист самооценки: "Закончите три фразы: "Сегодня я научился...", "Самой важной проверкой для меня было...", "Мне нужно повторить...". Затем оцените себя по шкале от 1 до 3: могу объяснить, могу решить, могу проверить." | Заполняют лист самооценки, называют один успешный шаг и одну трудность. |
1 мин | Учитель сообщает домашнее задание и говорит: "Выберите уровень с учётом сегодняшней самооценки. Обязательная часть нужна всем, повышенная поможет уверенно применять формулу, а дополнительная развивает исследовательское мышление." | Записывают выбранный уровень домашнего задания и контрольные вопросы. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня мы открыли закон Кулона и научились использовать его для расчёта силы взаимодействия. На следующем уроке рассмотрим электрическое поле и увидим, как оно передаёт действие от одного заряда к другому."
Критерии оценивания практической работы
- "5" — верно сформулирован закон Кулона, правильно выполнены перевод единиц и расчёт в самостоятельной задаче, объяснено направление силы или изменение силы при изменении параметров.
- "4" — формула и физический смысл определены верно, задача решена с одной неточностью в вычислениях или оформлении, не повлиявшей на выбор формулы.
- "3" — записана формула и определены основные величины, но допущены ошибки в переводе единиц, квадрате расстояния или вычислении; решение требует коррекции.
- Ниже базового уровня — отсутствует осознанное применение формулы или не различены притяжение и отталкивание; учитель предлагает повторить алгоритм по эталону.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о зависимости силы от зарядов и расстояния? | Выявление осознания содержания закона Кулона. |
Какой шаг решения задачи оказался самым трудным: перевод единиц, выбор формулы или вычисление? | Выявление точек затруднения в алгоритме решения. |
Как изменится сила, если расстояние увеличить в два раза? Объясните. | Проверка понимания обратной пропорциональности квадрату расстояния. |
Насколько уверенно вы сейчас можете решить аналогичную задачу по шкале от 1 до 3? | Субъективная оценка освоения темы и планирование помощи. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня мы установили, что электрическое взаимодействие можно описать не только качественно, но и количественно. Закон Кулона показывает: увеличение зарядов усиливает взаимодействие, а увеличение расстояния ослабляет его особенно быстро, потому что расстояние входит в квадрате. Типичная ошибка — подставить микрокулоны вместо кулонов или забыть возвести расстояние в квадрат. На следующем уроке мы перейдём от взаимодействия двух зарядов к понятию электрического поля."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Решить 4 задачи на вычисление силы взаимодействия двух точечных зарядов по закону Кулона; использовать заряды в нКл и мкКл, расстояния в сантиметрах и метрах, каждый раз выполнить перевод в СИ. | Закрепляет алгоритм решения и контроль единиц; при проверке обратить внимание на квадрат расстояния и порядок подстановки. |
Средний (повышающий) | Решить 3 задачи на определение неизвестного заряда или расстояния из закона Кулона, включая одну задачу на сравнение силы при изменении параметров. | Формирует умение преобразовывать формулу и анализировать зависимость между величинами. |
Продвинутый (дополнительный) | Составить и решить собственную задачу из контекста электроники, копировальной техники или электростатики: указать условие, схему зарядов, решение и объяснить направление сил. | Развивает моделирование, создание физической задачи и связь закона с технологиями. |
Контрольные вопросы перед выходом: "Как формулируется закон Кулона? Почему в формуле расстояние возводится в квадрат? Как определить, будут заряды притягиваться или отталкиваться? В каких единицах нужно подставлять заряд и расстояние?"
