Совершенствование лекционного курса Электричество и магнетизм на основе применения компьютерных (стр. 11 из 14)

Сформулируйте четко, в чем заключается физический смысл ЭДС. Поясните, что название сложилось исторически, в действительности, ни с какой силой в обычном смысле этого слова понятие ЭДС не связано. В источнике тока обязательно действуют сторонние силы, поэтому источник характеризуется величиной ЭДС и внутренним сопротивлением источника r.

Таким образом, перемещение электрического заряда происходит под действием сил электрического поля и сторонних сил. Полная работа по перемещению заряда q складывается также из работы сил электрического поля и работы источника ЭДС:

. Обсудите физический смысл этой формулы, введите понятие напряжения U, поясните, как выглядит выражение U для однородного и неоднородного участка цепи.

Запишите закон Ома для неоднородного участка цепи, для замкнутой цепи. Покажите, что напряжение U на зажимах работающего источника всегда меньше его ЭДС. Закрепите материал с помощью упражнений и решения задач.

Пример. Два одинаковых элемента с ЭДС

и внутренним сопротивлением r соединены так, как показано на рис. 3а и 3б. Определите показания вольтметра. Сопротивлением проводов пренебречь. Внутреннее сопротивление вольтметра считать бесконечно большим.

Решение: в случае "а" оба элемента посылают ток в одном направлении. Падение напряжения на источнике Ur=Ir в каждом элементе. Поэтому напряжение на зажимах каждой батареи

. Величина создаваемого тока:

Поэтому U=0.

В случае "б" оба источника действуют навстречу друг другу, поэтому I=0 и U =

.

Очень полезно познакомить учеников с правилами Кирхгофа, которые значительно облегчают расчет сложных разветвленных цепей. Обязательно поясните, что первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения электрического заряда. В случае постоянного тока нет стоков и истоков зарядов, то есть в любом узле не может происходить накопления зарядов, сколько зарядов приносится током, столько и уносится. При объяснении второго закона поясните, что он используется только для замкнутых контуров. Его применение связано с заданием направления токов, направления обхода контура и знака ЭДС. Подчеркните, что выбор направления обхода контура условен, но он позволяет задать знаки электрических величин. Для усвоения необходимо решить как можно больше задач.

Если замкнутый участок цепи содержит несколько сопротивлений или источников ЭДС, нужно использовать правила нахождения сопротивления участка цепи при последовательном или параллельном соединении сопротивлений. То же касается источников тока.

Пример. Два элемента соединены параллельно навстречу друг другу. Первый элемент имеет ЭДС

1 = 2 В и внутреннее сопротивление r1 = 0,6 Ом, второй - 2 = 1,5 В и r2 = 0,4 Ом. Определите напряжение на зажимах источников.

Решение: ЭДС действуют навстречу друг другу, поэтому результирующая ЭДС

. Общее сопротивление цепи . Ток в цепи . В первом элементе на внутреннем сопротивлении падает напряжение , во втором - , поэтому

Как и следовало ожидать,

.

При изучении закона Джоуля-Ленца особых затруднений не встречается. Однако следует заметить, что закон в виде

удобнее использовать для расчетов при последовательном соединении, так как в этом случае через все участки цепи протекает один и тот же ток.

При параллельном соединении все участки цепи находятся под одинаковым напряжением, поэтому закон Джоуля-Ленца удобнее записать в форме

. Однако, в такой форме закон может быть использован не всегда, а только в тех случаях, когда энергия тока на данном участке переходит только в тепловую энергию. Например, в случае электромотора, вращающего какой-либо станок, часть энергии тока превращается в механическую, а часть идет на нагревание проводов обмотки электромотора. Поэтому даже если электромотор подключен параллельно другим электроприборам, для расчета тепла, идущего на нагревание его обмоток, нужно пользоваться законом в виде .

Магнитное поле в вакууме

Изучение темы "Магнитное поле в вакууме" необходимо начать с демонстрации экспериментов, которые показывают, что движущиеся заряды создают магнитное поле. Это, прежде всего, опыт Эрстеда - действие электрического тока на магнитную стрелку. Сравнивая результат этого опыта с действием постоянного магнита на магнитную стрелку, легко пояснить, почему поле движущихся зарядов названо магнитным. Подчеркните, что неподвижные заряды создают электростатическое поле и не создают магнитного поля. Однако, так как движение относительно, то заряд, движущийся в одной системе отсчета, будет неподвижным в другой. Поэтому деление на электрическое и магнитное поле относительно, и следует говорить о едином электромагнитном поле. Но в том случае, когда исследования проводятся в системе, в которой заряды движутся, можно говорить о магнитном поле. Обнаружить и измерить магнитное поле можно по силе взаимодействия электрических токов.

При взаимодействии параллельных проводников с током один из них может служить пробным устройством для измерения магнитного поля, создаваемого другим током. Покажите на опыте, что величина силы, действующей на пробный ток, зависит от длины проводника, силы тока и их взаимной ориентации, при этом сила максимальна, когда проводники параллельны. Исходя из этого факта, введите характеристику магнитного поля - магнитную индукцию

, сравните с характеристикой электрического поля . Введите понятие силовых линий магнитного поля и покажите на опытах с железными опилками характер силовых линий магнитного поля токов различной конфигурации. Сравните картины силовых линий, создаваемых токами и постоянными магнитами различной формы. Более подробно остановитесь на виде силовых линий, создаваемых прямым проводником с током. Покажите, что помещенная рядом с проводом магнитная стрелка устанавливается по касательной к линиям поля. Направление линий поля прямого тока можно определить с помощью векторного произведения или, пока оно не введено, с помощью простого правила правой руки.

Очень важно обратить внимание на то, что магнитное поле, как и электрическое, удовлетворяет принципу суперпозиции. Поэтому, зная магнитную индукцию поля, создаваемого одним зарядом, можно рассчитать магнитную индукцию поля, создаваемого системой электрических зарядов. Для хорошо подготовленной группы для расчета магнитных полей проводников с током любой формы можно воспользоваться законом Био-Саварра для магнитной индукции поля, создаваемого линейным элементом тока. Поясните, что постоянные токи всегда замкнуты, на опыте нельзя выделить отдельный элемент тока, поэтому закон был установлен экспериментально на основании результатов многочисленных экспериментов с токами различной формы. Для лучшего усвоения материала решите задачи, в которых для расчета магнитных полей используются принцип суперпозиции и закон Био-Саварра.