Методика изучения различных проявлений электромагнитного поля

Различные проявления электромагнитного поля (электростатическое, стационарное и. вихревое электрические поля) в курсе физики одиннадцатилетней школы изучают в нескольких темах.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Самый простой случай электромагнитного взаимодействия проявляется при создании поля покоящимися заряженными телами. В этом случае электромагнитное поле предстает как поле электростатическое. Электростатическое поле изучают в теме «Электрическое поле».

Электростатическое поле-поле покоящегося электрического заряда; оно потенциально, безвихревой характер электростатического поля обусловлен его происхождением. Все это должно найти отражение в подходах к изучению учебного материала.

Анализ потенциальности электрического поля точечного заряда очень важен. Например, если ограничиться рассмотрением только однородного электрического поля (как это делают в большинстве учебных пособий), то у ребят может возникнуть нежелательная ассоциация: «однородное поле-потенциальность». Такая ассоциация, будучи применима к магнитному полю, нередко приводит к затруднениям в понимании того, почему магнитное поле, которое тоже может быть однородным, не является потенциальным. В то же время сферически симметричного постоянного магнитного поля с радиально расходящимися линиями магнитной индукции в природе не существует ввиду отсутствия в природе магнитных зарядов. Это объясняет разницу в свойствах электрического и магнитного полей.

При рассмотрении работы, совершаемой полем над зарядом, подводим десятиклассников к пониманию существа тех свойств электрических сил, благодаря которым их работа не зависит от формы траектории (их центральный характер и зависимость только от координат).

Установив потенциальный характер электростатического поля, вводят понятие потенциала. Потенциал можно найти, если известно распределение заряда в пространстве. Физический смысл потенциала определяется физическим содержанием вектора напряженности. Но если напряженность является силовой характеристикой, то потенциал является энергетической характеристикой.

Потенциалом электростатического поля ц называют физическую величину, определяемую отношением потенциальной энергии заряда, находящегося в электрическом поле, к этому заряду. Обычно оперируют разностью потенциала ц1- ц2, которую выражают через работу по перемещению заряда из одной точки поля в другую. Эта работа равна изменению потенциальной энергий заряда, но с противоположным знаком. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы правильно брать направление перемещения электрического заряда.

Где А12 — работа по перемещению заряда из начальной точки в конечную. Подчеркивают, что работа не зависит в электростатическом поле от формы пути, а ее знак зависит от направления (откуда и куда движется заряд). Легко видеть, что А12=q (ц1- ц2),.

где точка 1 — начальная, а 2 — конечная точка перемещения заряда.

Учащимся объясняют лишь связь напряженности электрического поля и разности потенциалов (Е=U/?D), где расстояние? D взято по направлению вектора напряженности Е.

Резюмируя сказанное, можно наметить такую последовательность рассуждений при введении понятия потенциала: а) устанавливают факт независимости работы поля от пути перемещения заряда в поле из одной точки в другую; б) зафиксировав одну из точек (нулевая точка), характеризуют все остальные точки работой по перемещению единичного заряда из исследуемой точки в нулевую; эта характеристика — потенциал имеет смысл потенциальной энергии единичного положительного пробного заряда, помещенного в данную точку; в) модуль и знак потенциала определяются выбором нулевого уровня; г) при выборе нулевого уровня в бесконечно удаленной точке пространства потенциалы всех остальных точек поля, созданного положительным зарядом, имеют положительный знак, а потенциалы точек в поле отрицательного заряда — отрицательный знак; д) потенциалы поля, созданного совокупностью зарядов, находятся алгебраическим суммированием потенциалов полей отдельных зарядов; е) под действием поля-свободные положительные заряды движутся в сторону уменьшения потенциала, а отрицательные—в сторону увеличения потенциала; ж) вводят понятие эквипотенциальной поверхности и устанавливают, что линии напряженности электростатического поля в точке пересечения перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям и направлены в сторону убывания потенциала; модуль вектора напряженности равен изменению потенциала на единицу длины в направлении действия силы, т. е. вдоль нормали к эквипотенциальной поверхности.

Теперь рассматривают закон Кулона, установленный с помощью фундаментального опыта. Если скорость электромагнитного поля была бы бесконечно большой, то закон Кулона был бы одинаково справедлив как для неподвижных, так и для движущихся зарядов. Но тогда понятие электромагнитного поля оказалось бы излишним, его никак нельзя было бы обнаружить. Поскольку электромагнитные сигналы распространяются с большой, но конечной скоростью, взаимодействие движущихся зарядов нельзя рассмотреть без электромагнитного поля. Подобные рассуждения убеждают десятиклассников в том, что электромагнетизм неразрывно связан с конечностью скорости света или, говоря по-иному, является релятивистским разделом физики.