Глава M. Методика

M.3. Методика работы с компьютерным курсом

M.3.3. Т. Ю. Захарова. Урок «Решение комплексных задач по теме «Электрическое поле»»

Современный уровень развития науки и техники немыслим без использования компьютерных технологий в преподавании физики и астрономии в школе. Одно из направлений использования компьютера на уроках – моделирование физических процессов и явлений. Вашему вниманию предлагается пример использования интерактивной модели из «Открытой Физики» при решении задачи на движение электрона внутри заряженного конденсатора.

Тип урока – урок обобщения и систематизации знаний.

Цель урока: закрепление, обобщение и систематизация знаний по теме «Электрическое поле» на примере решения задачи, требующей анализа физической ситуации, понимания физической закономерности, характеризующей описанное явление, умения использовать материал, изученный в 9 классе в разделах «Кинематика. Динамика»

Задачи урока:

1. Образовательные:
   • закрепление, обобщение и систематизация знаний полученных на уроках при изучении тем из курса физики 10-го класса – «Электрическое поле» и темы из курса 9-го класса – «Кинематика. Динамика».
2. Воспитательные:
   • формирование системы взглядов на мир;
3. Развивающие:
   • развитие речи, мышления;
   • совершенствование умственной деятельности: анализ, синтез, классификация, способность наблюдать, делать выводы, выделять существенные признаки объектов, выдвигать гипотезы, проверять результаты.

Оборудование к уроку:

• Компьютер, с рекомендуемыми техническими требованиями: Windows 95/98/ME/NT/2000/XP, Internet Explorer 5.0, Pentium-150, 100 Мб свободного дискового пространства, 64 Мб оперативной памяти, СD–ROM, SVGA 800x600
• Мультимедийный курс «Открытая Физика 2.5. Часть II», ФИЗИКОН, 2002;
• видеопроектор, экран.

Домашнее задание: Г. Н. Степанова. Сборник задач по физике. М., Просвещение: 1997. Задачи № 914, 915.

План урока:

1. Организация начала урока, объявление темы и цели урока – 1 мин.
2. Повторение пройденного материала по темам: из курса физики 10-го класса – «Электрическое поле», и 9-го класса – «Кинематика. Динамика» – 7 мин.
3. Компьютерное моделирование и анализ физической ситуации движения электрона между обкладками незаряженного и заряженного конденсатора – 10 мин.
4. Решение задачи – 20 мин.
5. Подведение итогов урока – 2 мин.

1. Тема сегодняшнего урока – решение комплексной задачи по теме «Электрическое поле».
   Цель урока – применить ранее изученный материал для анализа и решения предложенной задачи.
2. Прежде чем приступить к решению задачи, давайте вспомним разделы «Механика. Электрическое поле» и ответим на вопросы:
   • Что такое работа? Какие вы знаете единицы измерения работы?
   • Какие виды механической работы вам известны?
   • Каковы формулы для нахождения кинетической и потенциальной энергии?
   • В чем состоит теорема кинетической энергии?
   • Какова связь между работой и перемещением заряда в однородном электрическом поле?

3. Итак, мы с вами убедились в том, что на перемещение заряда в однородном электрическом поле влияет величина потенциала данного поля. Давайте с помощью интерактивной модели «Движение заряда в электрическом поле» смоделируем данную ситуацию и рассмотрим траекторию движения заряда, находящегося между обкладками незаряженного и заряженного конденсатора.

   Введем необходимые исходные данные для первой ситуации:

   Рисунок M.3.3.1

   E = 0 В/м, υ_0x = 4,0·10⁶ м/с, υ_0у = 0,5·10⁶ м/с. В этом случае электрон продолжает двигаться между обкладками равномерно по инерции, поскольку никакие силы на него не действуют (действием силы тяжести модно пренебречь из-за ничтожно малой массы электрона).

   Пронаблюдаем за движением электрона на экране.

   Рисунок M.3.3.2

   Теперь зададим исходные данные для второй ситуации:

   Рисунок M.3.3.3

   E = 1500 В/м, υ_0x = 4,0·10⁶ м/с, υ_0у = 1,2·10⁶ м/с. При влете электрона в заряженный конденсатор на него начинает действовать постоянная кулоновская сила, направленная в сторону положительной обкладки конденсатора. Под действием этой силы электрон продолжает двигаться равномерно в направлении оси x, одновременно начиная смещаться к положительной обкладке, двигаясь в этом направлении равноускоренно с ускорением a. Проследим за движением электрона с помощью интерактивной модели.

4. Мы с вами только что провели анализ физической ситуации. Предлагаю ознакомиться с текстом задачи.

   Задача: Пусть компоненты начальной скорости электрона υ_0x = 5,0·10⁶ м/с, υ_0у = 1,2·10⁶ м/с. Напряженность поля в конденсаторе E = 1500 В/м. Рассчитайте время полета электрона через конденсатор (L = 7,2 см) и смещение электрона по вертикали y.

   Начинаем решение задачи с чертежа.

   Рисунок M.3.3.4

   По существу имеем задачу механики: нужно найти траекторию электрона в поле с кулоновской силой при заданных начальных условиях

   Дано: υ0x = 5,0·106 м/с υ0у = 1,2·106 м/с E = 1500 В/м L = 7,2 см

   Решение: Выберем оси координат, совместив начало системы отсчета с точкой (0, 0) – точкой влета электрона. Второй закон Ньютона имеет вид: , где . Следовательно . Рассмотрим второй закон Ньютона в проекциях на оси: x: max = 0, т.к. вектор перпендикулярен оси x, движение вдоль оси x равномерное. y: may = –(eE)y, . Уравнение скорости движения электрона имеет вид: Проекции на оси x и y: x: υx = υ0x y: υy = υ0y+ayt. Нам неизвестно время полета электрона в конденсаторе. Запишем закон движения в проекции на оси координат: x = υ0xt, y = υ0yt + ayt2 / 2. Так как электрон за время t пролетел расстояние, равное длине пластины, то x = L. Значит, t = L/υ0x, y – координата точки, в которую сместился электрон после пролета в конденсаторе. Проведем вычисления: Dy = – 0,01 м

   Найти:t, Δy

5. Проверим результаты. Проведем компьютерный эксперимент с помощью интерактивной модели «Движение заряда в электрическом поле».

   Рисунок M.3.3.5

   Задача решена верно.

Задания повышенного уровня сложности

1. Определить направление скорости электрона после пролета конденсатора.

   Дано: υx = 5,0·106 м/с υу = 1,2·106 м/с E = 1500 В/м L = 7,2 см

   Решение: Выберем оси координат, совместив начало системы отсчета с точкой (0, 0) – точкой влета электрона. Второй закон Ньютона имеет вид: , где . Следовательно . Рассмотрим второй закон Ньютона в проекциях на оси: x: max = 0, т.к. перпендикулярен оси x, движение вдоль оси x равномерное. y: may = –(eE)y,  . Для того, чтобы найти tg α необходимо определить υx и υy в момент вылета электрона из конденсатора: . Уравнение скорости движения электрона имеет вид: Проекции на оси x и y: x: υx = υ0x y: υy = υ0y + ayt, тогда

   Найти: tg α

   
   

2. Как изменится время полета и дальность полета электрона, если напряженность электрического поля возрастет в 2 раза? Проведите компьютерный эксперимент и проверьте ответ.

   

Прошу вас обратить внимание, что домашняя задача № 915 аналогична разобранной на уроке.