Условие
Заряженный шарик лежит на столе, и никто к нему не прикасается, а лёгкая бумажная вертушка рядом с ним разворачивается. Объясни, что действует на вертушку, в какую сторону направлено это действие и как изобразить картину поля вокруг шарика. Что изменится, если рядом положить второй заряженный шарик?
Что известно и что ищем
- Известно, что взаимодействие есть на расстоянии, без касания, и что вертушка лёгкая и незаряженная.
- Ищем описание действия через электрическое поле, его направление и способ изображения.
- Дополнительный вопрос: как складываются действия двух заряженных тел.
Ход решения
- Шаг 1. Вспоминаем, что все заряженные тела действуют друг на друга на расстоянии, и это действие описывают при помощи электрического поля. Поле существует вокруг каждого заряженного тела, даже если рядом ничего нет.
- Шаг 2. Показываем, как поле обнаруживают. Нужен небольшой пробный заряд: по силе, которая на него действует, и судят о поле. В нашем опыте роль пробного тела играет вертушка — внутри неё поле смещает заряды, и она разворачивается.
- Шаг 3. Вводим силовую характеристику. Напряжённость показывает, с какой силой поле действует на единичный положительный заряд в данной точке. Направление действия и есть направление напряжённости: у положительного заряда силовые линии выходят из него, у отрицательного — входят.
- Шаг 4. Рисуем картину поля. Силовые линии — это воображаемые линии, которые показывают направление: чем гуще они идут, тем сильнее поле. У одиночного шарика линии идут радиусами, у двух разноимённых зарядов они соединяют заряды, у двух одноимённых — отталкиваются друг от друга.
- Шаг 5. Отвечаем про второй шарик. Действия двух полей складываются: это принцип суперпозиции. В каждой точке напряжённость от двух зарядов складывают как векторы — то есть с учётом направления, а не просто как числа. Поэтому между одноимёнными зарядами поле ослабевает, а между разноимёнными усиливается.
Проверь себя
- Ответ: на вертушку действует электрическое поле заряженного шарика; направление действия задаёт напряжённость, картину показывают силовыми линиями; при втором шарике поля складываются по принципу суперпозиции.
- Проверка вывода: если унести шарик далеко, вертушка перестанет разворачиваться. Ослабление действия с расстоянием подтверждает, что действует именно поле заряда, а не что-то в самой вертушке.
- Ловушка: считать, что поле — это «воздух вокруг заряда». Воздух можно откачать, а поле останется: это не вещество, а особый вид материи, который обнаруживают по действию на заряды.
Как объяснить ребёнку
«Вокруг заряженного шарика есть невидимая «сетка» — поле. Она не воздух и не пыль: убери воздух, поле останется. Мы его не видим, но чувствуем по действию: любая лёгкая вещь рядом разворачивается. Нарисуем вдоль сетки стрелки — это силовые линии. Если шариков два, стрелки складываются: там, где они смотрят навстречу, поле слабеет, где в одну сторону — усиливается».
Тема для отчёта родителю
«Электрическое поле, напряжённость и силовые линии».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.