Ładunki i pola

Zagadnienia

• Pole elektryczne
• Elektrostatyka
• Powierzchnie ekwipotencjalne
• Potencjał elektrostatyczny
• Ładunki elektryczne
• Napięcie

Opis

W symulacji Ładunki i pola uczniowie badają zagadnienia elektrostatyki, rozmieszczając ładunki dodatnie i ujemne w przestrzeni i obserwując powstałe pole elektryczne, potencjał i linie ekwipotencjalne.

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, sierpień 2023)

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

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Wyznacz zmienne wpływające na natężenie (wartość i kierunek) pola elektrycznego dla statycznego rozkładu ładunków.
• Zbadaj zmienne, które wpływają na wielkość potencjału elektrostatycznego (napięcia).
• Wyjaśnij co to są linie ekwipotencjalne i porównaj je z liniami pola elektrycznego.
• Dla danego rozmieszczenia ładunków statycznych przewiduj przebieg linii sił pola elektrycznego. Sprawdź prognozę, dodając wektory.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Co nazywamy polem elektrycznym? (ZPE)
• Właściwości linii pola elektrycznego (ZPE)
• Jak graficznie zilustrować pole elektryczne za pomocą linii pola? (ZPE)
• Co to jest pole centralne? (ZPE)
• Co to jest wektor natężenia pola elektrycznego? (ZPE)
• Jak definiuje się potencjał pola i jaka jest jego jednostka? (ZPE)
• Pole elektryczne (Wikipedia)
• Ładunek, pole i potencjał elektryczny (Khan Academy)
• Ładunki i pola elektryczne (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Ekran symulacji

W dowolny sposób rozmieść ładunki, a następnie wyświetl wektory natężenia pola elektrycznego, potencjał. Obejrzyj kształty powierzchni ekwipotencjalnych. To jest kolorowe, to jest dynamiczne, to nic nie kosztuje!

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 symulację Ładunki i pola chcesz uruchomić w języku hiszpańskim (locale=es), z wyłączonymi linkami zewnętrznymi (allowLinks=false), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/charges-and-fields_all.html?locale=es&allowLinks=false

Parametr query i opis	Przykładowe linki
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)
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

Ułatwienia dostępu

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, aby ułatwić projekcję. 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

• Zakłada się, że ładunki są unieruchomione niezależnie od miejsca ich umieszczenia.
• Model traktuje ładunki elektryczne jako ładunki punktowe o wartości jednego nanokulomba.
• Na niektórych tabletach na planszy można umieścić maksymalnie 32 ładunki.
• Chociaż stosowane są trójwymiarowe równania Maxwella, ładunki mogą być przeciągane po dwuwymiarowej powierzchni.
• Potencjał elektryczny spada odwrotnie proporcjonalnie do odległości od ładunku (\(\sim\frac{1}{r}\)), a wartość natężenia pola elektrycznego odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości od ładunku (\(\sim\frac{1}{r^2}\)). Wypadkowy potencjał elektryczny i natężenie pola elektrycznego obejmuje wkład wszystkich ładunków zgodnie z zasadą superpozycji.




• Pole elektryczne jest prezentowane za pomocą tablicy strzałek przymocowanych do siatki. Jasność strzałek wskazuje wielkość pola. Takie przedstawienie pozwala na dyskusję na temat kierunku i wartości natężenia pola elektrycznego.

• Siatka jest ułożona w taki sposób, że jeśli pojedynczy ładunek zostanie umieszczony na głównym skrzyżowaniu, pole elektryczne będzie wyglądać jak klasyczny obraz podręcznikowy (po lewej), podczas gdy ładunek umieszczony poza siatką może na pierwszy rzut oka wyglądać dziwnie (choć nadal poprawnie) (po prawej).
• Opcja Tylko kierunek usuwa gradient jasności ze strzałek pola E aby umożliwić badanie kierunku natężenia pola E niezależnie od jego wartości.
• Czujniki mogą być używane do określania dokładnej wartości i kierunku natężenia pola elektrycznego E w dowolnym miejscu.
• Ładunki mogą być umieszczane jeden na drugim. Jeśli para +/- nałoży się na siebie, pole elektryczne wyniesie zero. Jeśli trzy lub więcej par +/- nałoży się na siebie, symulacja może generować błędne ustawienie.

• Potencjał elektrostatyczny można wyświetlić zaznaczając pole wyboru Potencjał. Im jaśniejszy kolor, tym większa wartość potencjału. Dodatnie potencjały są oznaczane kolorem czerwonym, a ujemne niebieskim. Kolor czarny oznacza 0 V (choć potencjały, które są stosunkowo małe, mogą być również wydawać się czarne).

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

• Utwórz ładunek +2 nC (lub +3 nC, -2 nC, - 3 nC).
• Przewiduj kierunek i wartość natężenia pola elektrycznego w danym punkcie przed umieszczeniem tam sondy.
• Określ, gdzie natężenie pola elektrycznego jest największe dla dwóch przeciwnych ładunków. Czy istnieje punkt, w którym wartość natężenia pola elektrycznego wynosi zero?
• Zaprojektuj eksperyment, aby określić związek między odległością, wielkością ładunku i natężeniem pola elektrycznego wokół pojedynczego ładunku.
• Wybierz konfigurację ładunków z co najmniej dwoma ładunkami i określ, jak będzie wyglądać pole elektryczne wokół ładunków w czterech różnych punktach. Zweryfikuj przewidywania za pomocą sondy.
• Skonstruuj kondensator o równoległych płytkach i zbadaj pole elektryczne między płytkami.
• Zidentyfikuj czynniki wpływające na potencjał elektryczny.
• Zbadaj zachowanie pola elektrycznego wzdłuż linii ekwipotencjalnej.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Ładunki i pola tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).