Введение понятия потенциала в школьном курсе физики

Методическая разработка предназначена в помощь десятиклассникам при решении задач на расчет электрических цепей с использованием понятия потенциала электростатического поля.

Поле вначале курса вводится как математическое понятие, применяемое в физике для удобства описания. Приводятся примеры скалярных и векторных полей.

Примером скалярного поля может служить поле температуры или давления. В комнате всегда можно найти более нагретые места (у радиаторов отопительной системы), или менее нагретые места (у окон); или вспомним, что атмосферное давление уменьшается с высотой, значит, правомочным будет употребление понятия поля для этой величины, так как в различных точках пространства комнаты величина давления принимает разные значения.

Примером векторного поля может служить поле скоростей воздуха в комнате. Если отвлечься от молекулярного строения газа, то можно говорить о скорости части газа, как о скорости некоторой среды, а не как о скорости молекул. В этом случае при внимательном рассмотрении мы заметим, что в помещении очень часто возникает сквозняк (к примеру, от приоткрытой двери к приоткрытому окну), скорость которого различна в разных точках комнаты.

Таким образом, мы можем приписать разным точкам пространства комнаты разные значения скорости воздуха, в том числе и равные нулю. Значит, мы будем говорить о поле скоростей, т.е. о векторном поле, т.к. скорость - это вектор.

Следующим примером применения понятия поля будет рассмотрение и описание гравитационного поля вокруг массивного тела (планета, звезда). Для описания поля нам потребуется обратиться к закону всемирного тяготения и ко второму закону Ньютона.

При рассмотрении гравитационного поля, рассматриваются два способа описания поля – силовой (векторный) и энергетический (скалярный). Здесь и знакомятся ученики впервые с понятием потенциала, а ускорение свободного падения, изученное в 7 классе, предстает как напряженность гравитационного поля.

Рассматриваются однородные и неоднородные поля, их общие свойства и их различия. Делается акцент на визуализации полей, формируется модель со зрительными образами (картинками) и математическими выражениями. Содержание презентации не предполагает углубления в физическую сущность гравитационного поля как вида взаимодействия.

Описание электрического поля проводится в той же последовательности, что и гравитационное поле. Данный прием укрепит запоминание материала и породит более глубокую общность в восприятии полей.

Повторное знакомство с понятием потенциала, но уже электрического, имеет небольшой акцент на однородное поле, т.к. именно это понятие потребуется для решения задач.

Теперь рассматривается, как ведут себя металлы в электрическом поле. Вводится понятие электростатической индукции. Применение понятия потенциала в электрических цепях требует рассмотрения проводников, помещенных в однородное электрическое поле. Приводится несложное доказательство эквипотенциальности проводника в поле. Это очень полезная информация и для объяснений явлений с электрометрами и многих других. Рассмотрено устройство и принцип работы источника тока.

Особое внимание уделено формированию модели электрической цепи. Рассмотрены изменения потенциала в источнике тока, в проводнике и в резисторе, что способствует пониманию работы цепи и пониманию метода решения задач.

Примеры решения задач связывают рассмотренную теорию с решением задач методом потенциалов. Отличительной особенностью метода является его своеобразная простота и лаконичность.

Рассмотрев понятие поля в такой общей форме, обучающиеся возможно смогут приобрести знания. Путь, который покажется им долгим и вполне серьезно сложным, но если они его пройдут, то можно будет совсем небольшими дополнительными тропинками приводить их к новым вершинам:

1. Дополнение материала законом сохранения энергии позволяет понять космические скорости и вторую, и третью, закономерности движения по эллиптической орбите и по круговой.
2. Дополнение материала сведениями о потенциале поверхности земли, поможет объяснить многие явления с электрометрами.
3. Изучение магнитного поля будет опираться на имеющийся багаж знаний о векторном поле и обогатит нас новыми свойствами новых полей.
4. Изучение нестационарного магнитного поля приведет к вихревому электрическому полю, а потом к электромагнитным волнам.