Imię i nazwisko autora:

Jan Kamiński

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Czym jest pole elektryczne?

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony

Podstawa programowa

Cele kształcenia – wymagania ogólne
I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.

Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
3) prowadzi obliczenia szacunkowe i poddaje analizie otrzymany wynik;
5) rozróżnia wielkości wektorowe i skalarne, wykonuje graficznie działania na wektorach (dodawanie, odejmowanie, rozkładanie na składowe).
VII. Elektrostatyka. Uczeń:
3) posługuje się wektorem natężenia pola elektrycznego wraz z jego jednostką; ilustruje graficznie pole elektryczne za pomocą linii pola; interpretuje zagęszczenie linii pola jako miarę natężenia pola; rozróżnia pole centralne i pole jednorodne.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenie Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:

• kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji,

• kompetencje cyfrowe,

• kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,

• kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. opisze, co nazywamy polem elektrycznym;

2. zdefiniuje wektor natężenia pola elektrycznego;

3. poda precyzyjną definicję pola elektrycznego;

4. zastosuje pojęcie natężenia pola elektrycznego do obliczenia siły, jaka działa na ładunek punktowy umieszczony w polu elektrycznym.

Strategie nauczania

Inquiry‑Based Science Education

Metody nauczania

pokazywanie grafiki interaktywnej, burza mózgów, wspólne omawianie hipotez, argumentowanie

Formy zajęć:

dyskusja na forum klasy, rozwiązywanie przykładów (w parach)

Środki dydaktyczne:

tablica multimedialna

Materiały pomocnicze:

-

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Nauczyciel rysuje na tablicy ładunek punktowy (podpisuje go wartością Q) i pyta uczniów, co się stanie z małym ładunkiem dodatnim q, który umieścimy w pobliżu. W toku dyskusji uczniowie dochodzą do wniosku, że na ładunek będzie działać siła, zgodnie z prawem Coulomba. Nauczyciel zwraca uwagę, że ładunek Q wytwarza wokół siebie pole elektryczne i to pole oddziałuje na ładunki w pobliżu. Nauczyciel zapisuje na tablicy wzór $F=k\frac{\mathrm{\text{Qq}}}{r^2}$. Następnie pyta, co się stanie z ładunkami dodatnimi q' = 2q oraz q'' = 0,5q umieszczonymi w tej samej odległości r od ładunku źródłowego Q. Wspólnie z uczniami dochodzi do konkluzji, że będą na nie działać siły odpowiednio $F\prime =k\frac{Q\cdot 2q}{r^2}=2F$ oraz $F″=k\frac{Q\cdot 0,5q}{r^2}=0,5F$. Analizując trzy właśnie „obliczone” siły uczniowie z nauczycielem dochodzą do wniosku, że siła działająca na ładunek w polu elektrycznym ma wartość wprost proporcjonalną do tego ładunku.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel pyta (zapisując na tablicy niedokończone równania), jakie będą wartości ilorazów: $\frac{F}{q}$, $\frac{F\prime }{q\prime }$ oraz $\frac{F″}{q″}$ (Jeżeli któryś z uczniów już na tym etapie zauważy, że te ilorazy muszą być takie same, skoro mamy proporcjonalność wprost – to dobrze; mimo to nauczyciel przeprowadza wywód do końca, żeby przekonać „niedowiarków”). Zapisana zostaje (trzykrotnie) wartość ilorazu: $k\frac{Q}{r^2}$. Nauczyciel zwraca uwagę, że na te same ładunki umieszczone w innym miejscu pola będzie działać inna siła, ale iloraz $\frac{\mathrm{F}}{q^{}}$ będzie niezależny od wartości ładunku. Np. w odległości rIndeks dolny 1₁ od ładunku Q wynosi on $k\frac{Q}{r_1^2}$, tak samo dla ładunku q, q' oraz q''.

Nauczyciel nazywa ten iloraz wartością natężenia pola elektrycznego oraz wprowadza definicję:

Następnie objaśnia uczniom, że można wprowadzić wielkość wektorową:

Uczniowie mają sami określić (nauczyciel pyta o to), jaki kierunek i zwrot ma taki wektor oraz jaka jest jednostka natężenia pola elektrycznego. Następnie nauczyciel pokazuje, że $\vec{F}=q\vec{E}$. Uczniowie rozwiązują w parach dwa przykłady:

Przykład 1:

Porównanie dwóch pól, pochodzących od ładunków punktowych dodatnich o wartościach 1 µC i 2 µC. Obliczenie, jaka jest wartość natężenia pola w odległości 15 cm od tych ładunków i jaka siła zadziała tam na ładunek +2 µC oraz –3µC.

Przykład 2:

Porównanie pola pochodzącego od ładunku punktowego dodatniego +3 µC i ujemnego –3 µC. Obliczenie, jaka jest wartość natężenia pola w odległości 15 cm od tych ładunków i jaka siła zadziała tam na ładunek +2 µC oraz –3µC.

Faza podsumowująca:

W fazie podsumowującej uczniowie są zaznajamiani z przykładami pól elektrycznych występujących w przyrodzie. Nauczyciel posługuje się przy tym grafiką interaktywną, aby omówić różne pola; w szczególności porównuje ich natężenia i naprowadza uczniów na spostrzeżenie, że pola o największych natężeniach występują na poziomie atomowym i jądrowym. Przeprowadza z uczniami krótką dyskusję na ten temat, opierając się o dwa zagadnienia:

1. Dlaczego omawiane pola w atomie i w pobliżu jądra atomowego są tak duże (uczniowie powinni zwrócić uwagę na małe odległości, które w połączeniu z zależnością $\frac{1}{r^2}$ dają duże wartości natężenia, mimo relatywnie niewielkich ładunków.

2. Dlaczego, mimo że występujące natężenia pola są tak wielkie, nie widać ich efektu w świecie makroskopowym (uczniowie powinni zwrócić uwagę na występowanie równej liczby ładunków ujemnych i dodatnich w atomie i wynikającą z tego elektryczną obojętność materii).

Praca domowa:

Jako pracę domową uczniowie mają za zadanie rozwiązać cztery wybrane zadania z zestawu ćwiczeń.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Grafikę interaktywną, poza przedstawioną propozycją, można wykorzystać jako materiał, z którym uczniowie zapoznają się po lekcji w celu utrwalenia materiału (pytania zasugerowane w fazie podsumowującej niniejszego konspektu uczniowie opracowują wtedy samodzielnie).