ΣΧΕΔΙΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΤΑΞΗ : Β΄ ΛΥΚΕΙΟΥ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ

ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ και ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ

Α. Διδακτικοί στόχοι

Οι μαθητές πρέπει:

1. Να μπορούν να διαπιστώνουν πειραματικά, ότι οι ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις ανήκουν στην κατηγορία των δυνάμεων που δρουν από απόσταση.

2. Να γνωρίζουν ότι κάθε ηλεκτρικό φορτίο Q συνοδεύεται και από το πεδίο του, που ασκεί δυνάμεις σε άλλα φορτία.

3. Να μπορούν να διαπιστώνουν τη σημασία του σταθερού πηλίκου F/q κατά την αλληλεπίδραση δύο σημειακών φορτίων Q,q.

4. Να ορίζουν λεκτικά και μαθηματικά την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου σε κάποιο σημείο του.

5. Να γνωρίζουν τη μονάδα μέτρησης της έντασης καθώς και το λειτουργικό ορισμό της μονάδας αυτής.

Β. Παρουσίαση της ενότητας

4 Το ηλεκτρικό πεδίο υπάρχει και συνοδεύει κάθε φορτισμένο σωματίδιο. Είναι ένα ακόμα χαρακτηριστικό γνώρισμα της ύλης.

4 Το ηλεκτρικό πεδίο είναι ο φορέας των ελκτικών και απωστικών ηλεκτρικών δυνάμεων.

4 Το ηλεκτρικό πεδίο αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρικά φορτία και έτσι παράγεται η ηλεκτρική δύναμη που ασκείται σε αυτά.

4 Το σταθερό πηλίκο της δύναμης που ασκεί το ηλεκτρικό πεδίο προς το φορτίο q που τοποθετείται σε κάποιο σημείο του πεδίου αυτού, χαρακτηρίζει το πεδίο και ονομάζεται ένταση .

Γ. Διδακτικές προτάσεις - Εναλλακτικές ιδέες των μαθητών

Η έννοια ηλεκτρικό πεδίο είναι ένα δύσκολο γνωστικό αντικείμενο. Πρόκειται για ένα προϊόν υψηλής αφαίρεσης με τη βοήθεια του οποίου, τουλάχιστον μέχρι σήμερα, μπορούμε να απαντήσουμε στο ερώτημα «Πώς αντιλαμβάνεται ένα φορτίο την ύπαρξη ενός άλλου, πότε και γιατί αλληλεπιδρούν;»

Ένας καλός τρόπος για να προσεγγίσουμε το θέμα αυτό είναι να προετοιμάσουμε τους μαθητές ξεκινώντας με παραδείγματα όπου ο φορέας της δύναμης είναι προφανής ( μακροσκοπική επαφή σωμάτων κλπ) και να προχωρήσουμε σε περιπτώσεις αλληλεπίδρασης από απόσταση ( βαρυτική έλξη, μαγνητικές αλληλεπιδράσεις, ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις ).

Στα μαθήματα Φυσικής της Γενικής Παιδείας πρέπει να δεχτούμε την ύπαρξη του ηλεκτρικού πεδίου όπως δεχόμαστε και την ύπαρξη του ηλεκτρικού φορτίου ως ιδιότητα της ύλης. Το ηλεκτρικό πεδίο υπάρχει, όπου υπάρχει ηλεκτρικό φορτίο και δεν είναι ο ίδιος ο χώρος. Το ηλεκτρικό πεδίο ασκεί δυνάμεις σε άλλα φορτία.

Είναι παιδαγωγικά ορθό να μη δώσουμε κατευθείαν τις «εντολές - ορισμούς» από την έδρα για την έννοια/μέγεθος ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, αλλά να καθοδηγήσουμε τους μαθητές να κάνουν μια σημαντική διαπίστωση σχετική με τη σταθερότητα και το περιεχόμενο του πηλίκου F/q. Τώρα μπορούμε να υιοθετήσουμε τη χρήση αυτού του φυσικού μεγέθους για την περιγραφή του ηλεκτρικού πεδίου, να δώσουμε τα χαρακτηριστικά του και τις μονάδες του. Η διατύπωση ενός ορισμού και ο μαθηματικός φορμαλισμός είναι απαραίτητα στοιχεία, δεν αποτελούν όμως αυτοσκοπό.

Σας προτείνουμε να χρησιμοποιήσετε το κείμενο που ακολουθεί για την αισθητοποίηση του πεδίου.

Ας απλουστεύσουμε λίγο τα πράγματα προκειμένου να δώσουμε ένα παράδειγμα, που θα βοηθήσει να κατανοήσουμε τη διαδικασία μεταφοράς της δύναμης από απόσταση.

Υποθέτουμε ότι σε κάποιο μικρό ξενοδοχείο, υπάρχει στα μαγειρεία μια μικρή εστία φωτιάς. Όπως ξέρουμε ο καπνός διαχέεται πρώτα στους κοντινούς χώρους του ξενοδοχείου και αργότερα στους πιο μακρινούς χώρους. Το τι θα συμβεί λίγο-πολύ είναι γνωστό. Οι ένοικοι θα αντιληφθούν με την όσφρησή τους το γεγονός και σίγουρα θα δραστηριοποιηθούν ποικιλοτρόπως. Η δραστηριότητα θα εντοπίζεται πρώτα στους χώρους που βρίσκονται κοντά στην εστία της φωτιάς και στη συνέχεια στους πιο μακρινούς χώρους.

Ας επισημάνουμε κάποια σημεία από το παράδειγμα αυτό.

1. Υπήρξε μια εστία φωτιάς, που είναι η πηγή του καπνού

2. Ο χώρος του ξενοδοχείου γέμισε καπνούς, δηλαδή απέκτησε κάποια επιπλέον ιδιότητα.

3. Ο καπνός δεν γέμισε ακαριαία όλους τους χώρους αλλά απαιτήθηκε χρόνος για να φτάσει και στους πιο απομακρυσμένους.

4. Η οποιαδήποτε δραστηριότητα των ενοίκων εκδηλώθηκε ύστερα από την αντίληψη του καπνού στα δωμάτια, χωρίς να έχουν άμεση γνώση της θέσης της εστίας της φωτιάς.

Δηλαδή υπάρχει μια πηγή, ο χώρος σταδιακά αποκτά ιδιότητες, και παράγεται δράση.

Με λίγη φαντασία μπορούμε να σκεφτούμε ανάλογα και για δυο φορτία που απωθούνται από απόσταση.

1. Το κάθε ένα φορτίο συνοδεύεται από το πεδίο του.

2. Τα πεδία αυτά δεν διαδίδονται ακαριαία αλλά με κάποια ταχύτητα, από σημείο σε σημείο του χώρου.

3. Το άλλο φορτίο που βρίσκεται σε κάποια θέση του χώρου δέχεται δύναμη, ακριβώς λόγω της ύπαρξης του πεδίου.

4. Με ανάλογους συλλογισμούς προκύπτει και η δύναμη που ασκείται και στο αρχικό φορτίο.

Τελικά αυτά πιστεύουμε σήμερα για το πως μεταφέρονται οι δυνάμεις.

Οι προηγούμενες προτάσεις είναι τα κύρια σημεία της θεωρίας του πεδίου δυνάμεων.

Προϋπάρχουσες ιδέες και γνώσεις των μαθητών

Υπάρχει ένα πρόβλημα που ξεκινά από το εννοιολογικό περιεχόμενο της λέξης «πεδίο» στην καθημερινή ζωή. Η λέξη αυτή συνήθως δηλώνει μια περιοχή, έχει σχέση με κάποιο χώρο. Γήπεδο (πεδίον γης), πεδιάδα, οροπέδιο, είναι συνηθισμένες καθημερινές λέξεις με το προαναφερόμενο περιεχόμενο. Πεδίο μάχης και οπτικό πεδίο, είναι κάποιες άλλες εκφράσεις που χρησιμοποιούνται καθημερινά και προκαλούν σύγχυση.

Στη Φυσική, πεδίο δεν είναι ο χώρος. Το πεδίο υπάρχει, αφού είναι χαρακτηριστική ιδιότητα της ύλης, και έχει προταθεί ως φορέας των δυνάμεων αλληλεπίδρασης. Με το πεδίο εξηγούμε το πώς μεταφέρονται οι δυνάμεις από απόσταση, καθώς και ότι απαιτείται κάποιος χρόνος για τη μεταφορά αυτή. Πρέπει λοιπόν πρώτα εμείς να αποφεύγουμε την έκφραση «Πεδίο είναι ο χώρος ….» και να την αντικαταστήσουμε με την έκφραση «Γύρω από το φορτίο υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο …» ή «Στο χώρο γύρω από το φορτίο υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο ..».

Αναφορές στην ιστορία και την εξέλιξη της επιστήμης

1. ΦΥΣΙΚΗ Β΄ ΛΥΚΕΙΟΥ γενικής παιδείας Ο.Ε.Δ.Β. (Ζησιμόπουλος, Καραγιάννης, Παπαλεξίου, Στάης, Τρικαλινός, Χαραλαμπόπουλος) : ΠΡΟΕΚΤΑΣΕΙΣ, Η έννοια του πεδίου (σελ. 34)

2. ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΚΑΙ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ, Ο.Ε.Δ.Β. - Αθήνα 1999 (σελ. 194-198)

Διδακτικά μέσα

Η/Υ , σύνδεση με το Internet, βιντεοπροβολέας, οθόνη

Μπορούμε να επισκεφθούμε τη διεύθυνση ή να έχουμε αποθηκεύσει το site http://www.colorado.edu/physics/2000/waves_particles/wavpart3.html

Εδώ θα μπορέσουμε να τοποθετήσουμε ηλεκτρόνια σε ένα ηλεκτρικό πεδίο και να δούμε τη δύναμη που ασκεί σε αυτά το πεδίο σε διάφορα σημεία του. Το ηλεκτρικό πεδίο είναι το πεδίο που δημιουργείται από ένα θετικό και ένα αρνητικό φορτίο.

Μπορούμε να επισκεφθούμε τη διεύθυνση ή να έχουμε αποθηκεύσει το site

http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/nforcefield.html

Εδώ θα μπορέσουμε να τοποθετήσουμε διάφορα ηλεκτρικά φορτία σε ένα ηλεκτρικό πεδίο και να δούμε τη δύναμη που ασκεί σε αυτά το πεδίο σε διάφορα σημεία του. Το ηλεκτρικό πεδίο είναι το πεδίο που δημιουργείται από ένα θετικό και ένα αρνητικό φορτίο των οποίων τη θέση μπορούμε να αλλάξουμε καθώς και το είδος τους.

Μπορούμε να επισκεφθούμε τη διεύθυνση ή να έχουμε αποθηκεύσει το site

http://www.gel.ulaval.ca/~mbusque/elec/main_e.html

Στην εφαρμογή αυτή μπορούμε να τοποθετήσουμε όπου θέλουμε διάφορα σημειακά φορτία και να «δούμε» το ηλεκτρικό τους πεδίο μέσω των δυναμικών του γραμμών. Κάνοντας κλικ σε ένα σημείο σχεδιάζεται η δυναμική γραμμή που περνάει από αυτό κ.ο.κ.

Μπορούμε να επισκεφθούμε τη διεύθυνση ή να έχουμε αποθηκεύσει το site

http://www.glencoe.com/sec/science/cgi-bin/splitwindow.cgi?top=http://www.glencoe.com/sec/science/top2.html&link=http://www.phys.ufl.edu/%7Ephy3054/elecstat/efield/Welcome.html

Με αυτή την εφαρμογή, μπορούμε να δούμε τη διανυσματική μορφή του ηλεκτρικού πεδίου δύο σημειακών φορτίων της επιλογής μας.

Φύλλο Εργασίας του μαθητή

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ και ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ

1. Το ελαφρύ σφαιρίδιο του ηλεκτρικού εκκρεμούς με την αγώγιμη επικάλυψη είναι φορτισμένο και όταν ισορροπεί, το νήμα δεν είναι κατακόρυφο. Για να ερμηνεύσουμε το φαινόμενο αυτό, υποθέτουμε ότι:

· Οι δυνάμεις που δρουν στο σφαιρίδιο είναι το βάρος και η δύναμη του νήματος.

· Υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο που ασκεί δύναμη στο φορτισμένο σφαιρίδιο.

· Το σφαιρίδιο έχει πάρα πολύ μικρό βάρος..

Χαρακτηρίστε με Σ τις σωστές και με Λ τις λάθος προτάσεις.

2. Με ποιο τρόπο η διάταξη (1) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την

ανίχνευση ηλεκτρικών πεδίων;

(1) (2)

......……………………………………………………………………………………………….

......……………………………………………………………………………………………….

......………………………………………………………………………………………………. .

.....……………………………………………………………………………………………….

......……………………………………………………………………………………………….

Όνομα:........................................ Επώνυμο:.........................................................

Τμήμα: ........................................ Ημερομηνία:.....................................................

Φύλλο Αξιολόγησης

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ και ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ

1. Δύο σημειακά φορτία Q, q αλληλεπιδρούν απωστικά.

· Τη δύναμη στο φορτίο q, ασκεί άμεσα το φορτίο Q

· Τη δύναμη στο φορτίο q, ασκεί το ηλεκτρικό πεδίο του φορτίου Q.

· Τη δύναμη στο φορτίο q, ασκεί το ηλεκτρικό πεδίο του φορτίου q.

Χαρακτηρίστε με Σ τις σωστές και με Λ τις λάθος προτάσεις.

2. Το σημειακό φορτίο Q αλληλεπιδρά με διάφορα σημειακά φορτία q1, q2, q3, …. ,που βρίσκονται σε σταθερή απόσταση r, από αυτό και παράγονται οι δυνάμεις F1, F2, F3, αντίστοιχα. Σε ποιο συμπέρασμα καταλήγουμε για το πηλίκο F/q ;

......……………………………………………………………………………………………….

......………………………………………………………………………………………………..

.....……………………………………………………………………………………………….

......……………………………………………………………………………………………….

3. Να ορίσετε λεκτικά και μαθηματικά την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου σε κάποιο σημείο του.

......……………………………………………………………………………………………….

......……………………………………………………………………………………………….

......……………………………………………………………………………………………….

......……………………………………………………………………………………………….

......………………………………………………………………………………………………. ......……………………………………………………………………………………………….

4. Τι μπορεί να σημαίνει ότι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου σε ένα σημείο του είναι 5N/C ;

......……………………………………………………………………………………………….

......……………………………………………………………………………………………….

......……………………………………………………………………………………………….

.....……………………………………………………………………………………………….