Поле точечного заряда и заряженного шара

Слайд 1. Поле точечного заряда и заряженного шара

Принцип суперпозиции полей. Физика, 10 класс

Слайд 2. Что такое электрическое поле?

Электрическое поле — это особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом. Оно передает взаимодействие между зарядами со скоростью света. Основной силовой характеристикой поля является напряженность $\vec{E}$.

Слайд 3. Поле точечного заряда

Точечный заряд — это тело, размерами которого в условиях задачи можно пренебречь.

Модуль напряженности поля в вакууме: $E=k\cdot \frac{|q|}{r^2}$

$k=9\cdot 10^9$ Н·м²/Кл² — электрическая постоянная

$q$ — величина заряда в Кулонах

$r$ — расстояние от заряда до точки наблюдения

Слайд 4. Визуализация линий напряженности

Слайд 5. Направление вектора напряженности

Вектор $\vec{E}$ направлен вдоль прямой, соединяющей заряд и точку, в сторону ОТ заряда. Поле «расталкивает» пробные положительные заряды.

Вектор $\vec{E}$ направлен вдоль той же прямой, но К заряду. Поле «притягивает» пробные положительные заряды.

Слайд 6. Принцип суперпозиции

Если электрическое поле создается системой из нескольких зарядов, то общая напряженность в данной точке равна векторной сумме напряженностей полей каждого из этих зарядов в отдельности: $\vec{E}={\vec{E}}_1+{\vec{E}}_2+\cdots +{\vec{E}}_n$.

Слайд 7. Алгоритм решения задач

Рассчитать модули напряженностей $E_1,E_2,\dots$ от каждого заряда в искомой точке по формуле точечного заряда.

Изобразить векторы ${\vec{E}}_i$ на чертеже, учитывая знаки зарядов и геометрию расположения.

Найти векторную сумму, используя проекции на оси координат или геометрические методы сложения.

Слайд 8. Поле заряженного шара

Рассмотрим проводящий шар радиусом $R$ с зарядом $q$. Из-за отталкивания одноименных зарядов, весь заряд распределяется тонким слоем по его поверхности. Это приводит к уникальным свойствам поля внутри и снаружи.

Слайд 9. Распределение поля шара

Вне шара ($r\ge R$): Поле совпадает с полем точечного заряда, помещенного в центр шара: $E=k\frac{|q|}{r^2}$.

Внутри шара ($r<R$): Напряженность поля равна НУЛЮ ($E=0$). Любой помещенный внутрь заряд не будет испытывать действия сил.

Слайд 10. График зависимости E от r для шара

На графике видно, что до поверхности ($r<R$) поле отсутствует. В точке $r=R$ происходит скачок до максимального значения, после чего напряженность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Слайд 11. Сравнение точечного заряда и шара

Слайд 12. Практическое применение

Электростатическая защита: если прибор поместить в металлический корпус, внешние поля не проникнут внутрь.

Клетка Фарадея: защита людей при работе с высоким напряжением.

Авиация: корпус самолета защищает пассажиров от ударов молнии.

Экранирование кабелей для устранения помех.

Слайд 13. Проверка понимания

Вопрос: Как изменится напряженность поля в точке, если расстояние до точечного заряда уменьшить в 3 раза? (Правильный ответ: Увеличится в 9 раз, так как $E\sim 1/r^2$)

Слайд 14. Вопросы для обсуждения

Почему птица, сидящая на одном проводе высокого напряжения, не погибает?

Безопасно ли находиться внутри автомобиля во время грозы?

Будет ли существовать поле внутри полого незаряженного шара, если рядом поместить заряд?

Как изменится поле системы, если один из зарядов заменить на противоположный по знаку?

Слайд 15. Итоги урока

Напряженность поля точечного заряда определяется формулой Кулона и убывает как $1/r^2$.

Принцип суперпозиции — это векторное сложение полей от нескольких источников.

Внутри проводника (шара) в равновесии электрическое поле всегда отсутствует ($E=0$).

Снаружи заряженный шар создает такое же поле, как если бы его заряд был в центре.