ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 10 класс · § 22
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 22. Разность потенциалов. Напряжение и напряжённость

Как не перепутать вольты, вольты на метр и знак разности потенциалов?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Как не перепутать вольты, вольты на метр и знак разности потенциалов?

Наблюдаем и объясняем

Потенциал между пластинами

Меняй напряжение и расстояние. Затем выбери знак пробы и проверь работу через весь зазор.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

120 В
2 см
-2 мкКл

Правая пластина имеет φ = 0. Поле однородное, края не учитываются. Eₓ = U/d; направление вправо положительное.

01

Порядок точек: напряжение U₁₂

Разность потенциалов U₁₂ = φ₁ − φ₂ равна работе поля на единицу заряда при переходе из 1 в 2: U₁₂ = A₁₂/q. Перестановка точек меняет знак: U₂₁ = −U₁₂.

Приращение потенциала Δφ = φ₂ − φ₁ противоположно U₁₂. Например, переход от 100 В к 40 В даёт U₁₂ = +60 В и Δφ = −60 В. Названия похожи, поэтому порядок вычитания нужно записывать явно.

Напряжение 1 → 2

U₁₂ = φ₁ − φ₂

Приращение

Δφ = φ₂ − φ₁ = −U₁₂

Работа поля

A₁₂ = qU₁₂

Напряжение U₁₂ и приращение потенциала Δφ имеют противоположные знаки.

Как изменится U₁₂ при добавлении 50 В ко всем потенциалам?

Не изменится: одинаковая добавка сократится при вычитании.

02

Однородное поле: потенциал убывает по полю

Сравнивая A = qEd и A = qU, получаем U₁₂ = Ed для проекции d вдоль поля. Если точки лежат на одной линии в направлении поля, d равно расстоянию между ними и E = U/d.

При перемещении поперёк поля d = 0 и потенциал не меняется. Если ось x направлена по E⃗, то φ(x) = φ₀ − Ex. Это линейная зависимость; более сильное поле означает более быстрое падение потенциала по расстоянию.

Выбрать направление E⃗

Ось x по полю

Найти проекцию d

x₂ − x₁

Вычислить напряжение

U₁₂ = Ed

Напряжённость показывает пространственный темп изменения потенциала в однородном поле.

Можно ли делить U на любое расстояние между точками?

Нет. Простая формула E = U/d требует однородного поля и расстояния вдоль его направления.

Линии поля и эквипотенциальные линии диполя

Расстояния между эквипотенциальными линиями помогают понять изменение потенциала. В неоднородном поле связь с E требует учёта положения.

File:VFPt charges plus minus.svg: Geek3 / derivative work: MikeRun · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.

Цифровой мультиметр

Вольтметр подключают между двумя точками. Он показывает разность потенциалов, а не абсолютный потенциал с универсальным нулём.

André Karwath aka Aka · CC BY-SA 2.5 · Источник. Без изменений.

03

Единицы: что измеряет каждая величина

Напряжение U измеряют в вольтах. Напряжённость E — в В/м или Н/Кл. Энергия W — в джоулях, заряд q — в кулонах. Произведение qU имеет единицу энергии, а отношение U/d — напряжённости.

Если между широкими пластинами U = 120 В, а зазор d = 0,02 м, поле вдали от краёв E = 6000 В/м. Уменьшение зазора вдвое при сохранённом напряжении удваивает поле.

Единицы: что измеряет каждая величина: сравнение
ВеличинаЕдиницаСвязь
Напряжение UВA/q
Напряжённость EВ/мU/d в указанных условиях
Работа AДжqU
Проекция dмU/E

Вольт и вольт на метр нельзя использовать как взаимозаменяемые единицы.

Почему одинаковое напряжение может создавать разное поле?

При разных расстояниях одинаковый перепад потенциала распределён по-разному.

04

Модель: наклон графика и работа

Меняй напряжение и зазор между пластинами. График φ(x) показывает изменение потенциала, стрелки — поле. Отдельно выбери знак пробы: потенциальная энергия Wп = qφ может возрастать там, где сам потенциал убывает.

Если на заряд −2 мкКл действует напряжение U₁₂ = +60 В, работа поля равна −120 мкДж. Для положительного заряда она положительна. График потенциала при смене пробы остаётся прежним.

Поле источника

Определить φ₁ и φ₂

Напряжение

U₁₂ = φ₁ − φ₂

Пробный заряд

A = qU₁₂ с учётом знака

Смена знака пробы меняет работу, но не потенциалы заданного поля.

Куда ускоряется отрицательный заряд из покоя?

Против E⃗, в сторону более высокого потенциала; его потенциальная энергия при этом уменьшается.

Соберём главное

Шесть выводов

01Напряжение U₁₂ и приращение потенциала Δφ имеют противоположные знаки.
02Напряжённость показывает пространственный темп изменения потенциала в однородном поле.
03Вольт и вольт на метр нельзя использовать как взаимозаменяемые единицы.
04Смена знака пробы меняет работу, но не потенциалы заданного поля.
05Напряжение относится к паре точек и выбранному порядку.
06Формулы для плоских пластин предполагают пренебрежение краевыми эффектами.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Как определяется напряжение U₁₂?
2. Какова работа поля при переносе q из точки 1 в точку 2?
3. При φ₁ = 80 В и φ₂ = 20 В чему равно U₁₂?
4. При U₁₂ = 60 В и q = −2 мкКл чему равна A₁₂?
5. Какова связь модуля однородного поля и напряжения между пластинами?
6. При U = 120 В и d = 2 см чему равен модуль E?
7. При прежнем напряжении расстояние между пластинами удвоили. Что стало с E в идеальной модели?
8. Чему равна работа при переносе заряда между точками одной эквипотенциальной поверхности?
9. Как соотносятся линии E и эквипотенциальные поверхности?
10. Можно ли применять E = U/d к произвольному неоднородному полю как локальную формулу?

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 22. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 22. Разность потенциалов электростатического поля.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…