Prawo Coulomba

Zagadnienia

• Elektrostatyka
• Siła elektryczna
• Ładunki
• Prawo Coulomba

Opis

Wizualizuj siłę elektrostatyczną wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków. Obserwuj, jak zmiana znaku i wartości ładunków oraz odległości między nimi wpływa na siłę elektrostatyczną.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Rouinfar, listopad 2021)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, Szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Powiązanie wielkości siły elektrostatycznej z ładunkami i odległością między nimi
• Wyjaśnianie trzeciej zasady dynamiki Newtona na przykładzie sił elektrostatycznych
• Wykorzystanie pomiarów, do wyznaczenia stałej Coulomba
• Określanie, co sprawia, że siła jest przyciągająca lub odpychająca

Przykładowe materiały teoretyczne

• Prawo Coulomba (Wikipedia)
• Ładunek i siła elektrostatyczna (Khan Academy)
• Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie (Zintegrowana platforma edukacyjna)
• Prawo Coulomba (OpenStax)
• Prawo Coulomba (Open AGH)

Sterowanie symulacją

Ekran makroskali (link bezpośredni)

Wizualizuj siły elektrostatyczne, z jakimi dwa ładunki działają na siebie nawzajem. Zmieniaj wartości ładunków i ich odległość, aby zobaczyć, jak wielkości te wpływają na siłę.

Ekran skali atomowej (link bezpośredni)

Zbadaj przyciąganie i odpychanie elektrostatyczne w skali atomowej i zbuduj atom wodoru.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Prawo Coulomba chcesz uwzględnić tylko pierwszy ekran (screens=1), z włączonym trybem projektora (colorProfile=projector), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/coulombs-law_all.html?screens=1&colorProfile=projector

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/coulombs-law_all.html?locale=pl&screens=1&colorProfile=projector

Parametr query i opis	Przykłady
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=1 screens=2,1
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
colorProfile - zmienia kolory symulacji dla łatwiejszej projekcji.	colorProfile=projector
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

Ułatwienia dostępu

Sterowanie za pomocą klawiatury - skróty klawiszowe

Generalnie sterujemy symulacją za pomocą myszy lub dotyku. Alternatywnie uczniowie mogą też nawigować i sterować elementami interaktywnymi za pomocą klawiatury. Po kliknięciu otworzy się okno z listą obsługiwanych skrótów:

Tryb projektora i tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Klikając Opcje … w pojawiającym się oknie możemy zaznaczyć Tryb projektora. Następuje wtedy odwrócenie kolorów, tak jak na zrzucie ekranu poniżej.

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Uproszczenia modelu

• Kolor ładunku reprezentuje jego znak (niebieski = ujemny, czerwony = dodatni, szary = brak ładunku). Nasycenie koloru reprezentuje wartość ładunku.
• Zaznaczenie pola wyboru Wartości siły powoduje wyświetlenie wartości sił i dlatego będą one zawsze dodatnie.
• Strzałki wektora reprezentują kierunek siły i skalują się wraz z jej wielkością. Ze względu na duży zakres możliwych wartości wektory sił nie skalują się liniowo i mają stanowić jedynie reprezentację jakościową.

• Figurki dołączone do ładunków są wyświetlane, aby uzmysłowić uczniom, że obiekty są unieruchomione i dlatego pozostają w miejscu, pomimo tego, że się przyciągają lub odpychają. Gdy siła jest przyciągająca, figurki będą odciągać masy. Gdy siła jest odpychająca, figurki będą naciskać na masy. Figurki przyjmą głębszą postawę, aby wskazać, że siła wywierana na ładunek, który trzymają, wzrosła. Jednak traktowane są jako pozbawione masy i nie przyczyniają się do powstawania dodatkowych sił grawitacyjnych w układzie.
• Figurki na ekranie Skali Atomowej wydają się być zbudowane z kulek i patyczków z zestawu do modelowania cząsteczek (ball-and-stick), co pomaga dostrzec różnice w skali między ekranami.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Zidentyfikuj dwa sposoby zmiany wartości siły elektrostatycznej oddziaływania ładunków. Jak możesz zwiększyć lub zmniejszyć siłę elektrostatyczną za pomocą każdego z nich?
• Wybierz dwie różne wartości dla ładunku 1 i ładunku 2. Jaki jest związek między siłą, z jaką mniejszy ładunek działa na większy, a siłą, z jaką większy działa na mniejszy?
• Jak zmienia się siła elektrostatyczna, gdy odległość między ładunkami zostanie podwojona?
• Wyjaśnij różnicę między siłami przyciągania i odpychania. Kiedy ładunki się przyciągają, a kiedy odpychają.
• Na ekranie skali atomowej zmierz siłę elektrostatyczną w atomie wodoru.
• Wybierz zmienną niezależną (wielkość, którą będziesz zmieniać bezpośrednio) i zaprojektuj eksperyment określający, co dzieje się z siłą elektrostatyczną, gdy ta wielkość się zmienia. Co obserwujesz?
• Zaprojektuj eksperyment pozwalający określić równanie opisujące zależność między wartością siły elektrostatycznej, wartością ładunków i odległością między nimi. Wykorzystaj swoje dane do sporządzenia wykresów.



Eksploruj prawa odwrotnych kwadratów

Użyj Siły Grawitacyjne Lab, aby zbadać siłę grawitacji.

• Określ podobieństwa i różnice między siłami grawitacyjnymi i elektrostatycznymi.
• Porównaj wielkości sił grawitacyjnych i elektrostatycznych w atomie wodoru.

Interaktywne arkusze ćwiczeń

Należy traktować je jako szablon. Zalogowany uczestnik może kopiować je do swoich materiałów (Testy) i tu dowolnie remiksować dostosowując do swoich potrzeb. Link na górze po prawej

Testy, pytania sprawdzające - jakościowe

1. Wskaż rodzaje zmiennych w symulacji - występują tu wielkości, które można zmieniać bezpośrednio (zmienne niezależne) lub pośrednio (zmienna zależna).
   
   

   	zmienna niezależna	zmienna zależna
   Wartość ładunku 1
   Wartość ładunku 2
   Odległość między ładunkami
   Siła z jaką ładunek 1 działa na ładunek 2
   Siła z jaką ładunek 2 działa na ładunek 1

   
   
2. Określ rodzaj oddziaływania w zależności od znaku (+,-,0) ładunku q₁ i q₂.
   
   

   	przyciągają się	odpychają się	nie oddziaływują
   + , +
   + , -
   - , -
   0 , +
   - , 0

   
   
3. Wartość siły z jaką ładunek q₁ działa na ładunek q₂ wzrasta gdy
   • rośnie odległość między ładunkami
   • maleje odległość między ładunkami
   • rośnie wartość ładunku q₁
   • maleje wartość ładunku q₁
   • rośnie wartość ładunku q₂
   • maleje wartość ładunku q₂
4. Siła z jaką ładunek q₁ działa na ładunek q₂ w porównaniu do siły z jaką ładunek q₂ działa na ładunek q₁ ma
   • ten sam kierunek i zwrot
   • ten sam kierunek i przeciwny zwrot
   • inny kierunek
   • zawsze tą samą wartość
   • większą wartość gdy q₁ jest większe
   • większą wartość gdy q₂ jest większe
5. Wartość siły z jaką ładunek q₁ działa na ładunek q₂ wzrośnie czterokrotnie gdy
   • dwukrotnie wzrośnie ładunek q₁, a pozostałe wielkości nie zmienią się
   • czterokrotnie wzrośnie ładunek q₁, a pozostałe wielkości nie zmienią się
   • dwukrotnie wzrośnie ładunek q₂, a pozostałe wielkości nie zmienią się
   • czterokrotnie wzrośnie ładunek q₂, a pozostałe wielkości nie zmienią się
   • czterokrotnie zmaleje ładunek q₁, a pozostałe wielkości nie zmienią się
   • dwukrotnie wzrośnie ładunek q₁ i q₂, przy niezmienionej odległości
   • ośmiokrotnie wzrośnie ładunek q₁ i dwukrotnie zmaleje q₂, przy niezmienionej odległości
   • dwukrotnie wzrośnie odległość, a pozostałe wielkości nie zmienią się
   • dwukrotnie zmaleje odległość, a pozostałe wielkości nie zmienią się
   • czterokrotnie wzrośnie odległość, a pozostałe wielkości nie zmienią się
   • czterokrotnie zmaleje odległość, a pozostałe wielkości nie zmienią się

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Prawo Coulomba tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).