Методика вивчення питань з електродинаміки в класах з профільним навчанням

Міністерство освіти і науки України

Рівненський державний гуманітарний університет

Кафедра методики викладання фізики і хімії

Курсова робота

на тему:

“Методика вивчення питань з електродинаміки в класах з профільним навчанням”

Підготував:

студент V курсу

фізико-технологічного факультету

групи ФІ - 51

Бондар І.І.

Науковий керівник:

кандидат фізико-математичних наук, професор кафедри методики викладання фізики та хімії

Рогаля А.М.

Рівне -2007

План

Вступ.......................................................................................................3

Розділ І. Структура сучасного вивчення курсу електродинаміки. Основні питання електродинаміки.............................................................5

1.1. Електростатика...............................................................................5

1.2. Закони постійного струму............................................................11

1.3. Магнітне поле................................................................................20

Розділ ІІ. Аналіз програм курсу фізики загальноосвітніх шкіл і шкіл профільного навчання до питання про вивчення електродинаміки..........................................................................................26

Розділ ІІІ. Методика експериментального визначення окремих характеристик та фізичних властивостей електродинаміки…...............32

3.1. Методика викладання електродинаміки.....................................32

Розділ ІV. Розробка уроків з фізики по розділу електродинаміка..........................................................................................36

Висновок...............................................................................................41

Література.............................................................................................42

ВСТУП

Шкільна освіта в сучасних умовах повинна забезпечити базовий рівень оволодіння знання з основ наук, забезпечити випускникам школи обсяг знань з усіх навчальних дисциплін, у тому числі з фізики на рівні світових стандартів і з урахуванням їхніх вікових можливостей, уподобань і нахилів. Вирішення цього завдання пов'язане з необхідністю перегляду як змісту курсу фізики, так із пошуком нових методичних підходів, а саме створення нових методичних систем навчання фізики для базового курсу та профільного навчання. Якісні зміни методики викладання фізики пов'язані з переглядом вимог до процесу підбору навчальних завдань та методики їх використання.

Результати проведених бесід з вчителями та спостережень за організацією навчального процесу свідчать про те, що великий відсоток вчителів зазнають певних труднощів при вивченні законів електричного струму для повних кіл. Причинами цих труднощів переважна більшість з них вважає обмеженість навчального часу на уроці, низький загальний рівень підготовки та неоднорідний склад учнів в класах, відсутність кваліфікованих засобів організації даного виду навчальної діяльності та методики їх застосування.

Стрімке збільшення потоку наукової інформації в період науково-технічного прогресу людства потребує своєчасного і адекватного її відображення в навчальному процесі. Використання сучасних нових інформаційних технологій (НІТ) сприяють підвищенню інформативності навчального матеріалу, його наочності та доступності.

Отже, актуальність дослідження зумовлена необхідністю вдос ерименту з врахуванням нових інформаційних технологій при поглибленому вивченні законів коналення структури змісту, методики і техніки проведення навчального фізичного експ електричного струму для повних кіл.

Об'єктом дослідження є процес вивчення фізики в середній школі.

Предметом дослідження є методика і техніка застосування системи навчального фізичного експерименту під час поглибленого вивчення законів електричного струму для повних кіл в сучасній загальноосвітній школі.

Гіпотеза дослідження: використання вчителем у процесі вивчення  основи електродинаміки нової методики і техніки застосування навчального фізичного експерименту в поєднанні з навчальним матеріалом та новими інформаційними технологіями дозволяє створити належні педагогічні умови для кращого засвоєння учнями елементів фізичних знань, вироблення експериментальних умінь та навичок, закріплення теоретичних знань, розвитку логічного мислення.

Для перевірки висунутої гіпотези нами була поставлена мета: на основі переглянутої нами навчально-методичної літератури відібрати і запропонувати систему навчального фізичного експерименту для вивчення основи електродинаміки, Для досягнення вказаної мети ми поставили перед собою ряд завдань:

1. Опрацювати навчальну методичну літературу та нормативні документи.

2.  Дослідити рівень фізичного експерименту  для  вивчення законів електричного струму для повних кіл, зокрема в класах з поглибленим    вивченням    фізики.

3. Запропонувати науково обґрунтовану систему навчального експерименту з використанням навчального матеріалу в поєднанні з новітніми інформаційними технологіями.

4.  Зробити  висновки  по розділу електродинаміка

Для досягнення поставлених завдань використовувалися наступні методи дослідження: аналіз програми в історичному аспекті та системи дидактичних вимог щодо структури і змісту навчального матеріалу, аналіз педагогічного досвіду, педагогічні спостереження, педагогічні оцінки, педагогічний  експеримент.

Наукова новизна і практична значимість дослідження полягають в пропонуванні науково обґрунтованої системи навчального експерименту в поєднанні з навчальним матеріалом та використанням новітніх інформаційних технологій, яка підвищить ефективність засвоєння учнями матеріалу та сприятиме збільшенню зацікавленості до предмету.

Достовірність та обґрунтованість дослідження полягає у системному підборі навчального експерименту у поєднанні з навчальним матеріалом, який відповідає сучасним положенням дидактики, методики викладання фізики, педагогіки. На основі педагогічного експерименту достовірно виявлено покращення результатів навчання учнів після вдосконалення використання системи навчального фізичного експерименту

Розділ І.Структура сучасного вивчення курсу електродинаміки. Основні питання електродинаміки

1.1.Електростатика

- Взаємодія заряджених тіл, Закон Кулона.

- Закон збереження електричного заряду.

- Електричне поле.

- Напруженість електричного поля.

- Електричне поле точкового заряду.

- Провідники в електричному полі.

- Діелектрики в електричному полі.

- Діелектрична проникність.

- Робота електричного статичного поля при переміщенні заряду.

- Різниця потенціалів.

- Електроємність.

- Конденсатори.

- Енергія електростатичного поля.

Електричний заряд q — скалярна характеристика елементарних ча­сток, яка характеризує їх здатність вступати в електромагнітну взаємо­дію, створювати і відчувати вплив електричного поля Е. Він не залежить від швидкості частинки, виконується і закон його збереження: жодні взає­модії у замкненій системі не можуть змінити її заряд Q = q1 + q2 + ... + qn

Більшість оточуючих тіл нейтральні (незаряджені), але при їх дотику або терті вони електризуються, на них з'являється вільний заряд q. Позитивним назвали заряд на склі, яке натерли шовком. Носіями пози­тивного заряду є протони, що входять у склад усіх ядер.

Негативний заряд створюється на шовку при терті об скло і виклика­ний надлишком електронів. Заряд електрона позначають -е (у протона +е). В усіх електричних явищах більш активною є роль електронів, оскільки вони легко відділяються з периферії атомів чи молекул, їх маса майже у 1800 разів менша від маси протона, а заряд однаковий. Тому їх прискорення і рухливість у багато разів більші, ніж у протонів або пози­тивних іонів (атом чи молекула, що втратили один або більше зовнішніх електронів).

Взаємодія двох точкових нерухомих зарядів q1 i q2 описується законом Кулона

              (1)

Тут ε0 — електрична стала, яка дорівнює 8,85 • 10 Ф/м (Фарада (Ф) — одиниця вимірювання ємності); r — відстань між зарядами. В СІ одиницею вимірювання заряду є кулон (Кл =А • с), який визначають через одиницю сили струму ампер (А). Для зручності обчислення у зада­чах корисно запам'ятати таку величину:

Якщо два різнойменне заряджених тіла помістити у провідник, який проводить струм (дозволяє рух зарядів), то відбувається їх взаємна нейт­ралізація. Заряди у провіднику рухаються настільки вільно, що при його заряджанні розташовуються на самісінькій поверхні, скупчуючись на вістрях і виступах, тому їх густина там найбільша.

При розташуванні двох зарядів q1 i q2 на непровіднику діелектрику типу скла, гасу, парафіну, дистильованої води тощо сила їх взаємодії F виявляється у певне число є меншою в порівнянні із силою взаємодії (1) у вакуумі. Величина ε має назву діелектричної проникності середовища. Для багатьох процесів (електроліз, біопроцеси) важливо, що вода має дуже велике значення діелектричної сталої ε = 81.

Із зарядами часток нерозривно зв'язане розподілене навколо них у вакуумі і середовищі електричне поле. Для нерухомих частинок його називають електростатичним.

Існування поля виявляється у силовій дії на вміщений у нього елект­ричний заряд. Сила F пропорційна модулю заряда q. Це дозволяє ввести основну силову характеристику електростатичного поля — його напру­женість Е

      (2)

Одиницею вимірювання напруженості є ньютон на кулон (Н/Кл) або вольт на метр (В/м). Формула (2) дозволяє обчислити дію поля на заряди F = qE у будь-яких випадках, вона більш універсальна, ніж закон Куло­на (1).

Комбінуючи (2) і (1), легко знаходимо залежність од відстані r до точкового заряду (джерела поля Q) напруженості електростатичного по­ля:

(3)

Оскільки Е—вектор, то для Знаходження результуючої напруженості полів кількох джерел використовують векторне додавання окремих на­пруженостей (принцип суперпозиції полів):

  (4)

Повне уявлення про розподіл поля можна дістати, накресливши лінії напруженості, дотичні до яких дають напрям вектора E у точці дотику. Густота розташування ліній напруженості характеризує значення модуля E.

Якщо поряд із джерелом поля Q розташувати точковий заряд +q, то під дією поля він відштовхуватиметься, і під час цього руху у нього зростатиме кінетична енергія Eк. Ситуація схожа на скочування кульки з крутого схилу, коли Еп переходить у Eк. Отже, заряд +q  у полі заряду Q має певну потенціальну енергію

         (5)

де φ - коефіцієнт, що має назву потенціалу електростатичного поля джерела Q у точці, де розташований q. Якщо q дуже віддалений від Q, то поле на нього не діє і на нескінченності потенціал поля дорівнює нулю. Оскільки при віддаленні заряду q від джерела Q поле виконує роботу А по створенню кінетичної енергії Ек заряду, то для обчислення потенціалу даної точки поля по відношенню до точок з φ = 0 можна використати будь-яку з формул

     (6)

Одиницею вимірювання потенціалу (точніше — різниці потенціалів) є вольт ([φ ] = В = Дж/Кл). Потенціал легко вимірюється за допомогою вольтметрів або потенціометрів.

Поле називають однорідним, якщо вектор Е однаковий в усіх його точках. Таке поле створюй нескінченно велика заряджена площина. Якщо на одиниці її поверхні знаходиться заряд σ (Кл/м2) то напруженість поля площини обчислюється за формулою

   (7)

На практиці легко створюють подібне однорідне поле між двома різно­йменне зарядженими пластинами з малою відстанню між ними. Цей пристрій називається конденсатором (рис.1). Різницю потенціалів між пластинами прийнято позначати U, а відстань між ними — d. Якщо напруженість в конденсаторі становить Е, то, рухаючи заряд від однієї пластини до другої, поле виконує роботу  ЇЇ можна обчислити і за формулою (6) через різницю потенціалів U: A = qU. З порівнян­ня цих формул роботи випливає важливий висновок: E \ U пов'язані простим співвідношенням

        (8) випадку і у конденсатора можна легко обчислити одну величину через іншу. Формула (8) пояснює також, чому одиницею Е вважають вольт на метр. Не слід забувати, що проста формула (8) застосов­на тільки для однорідного поля; у випадку неодно­рідного поля вона значно складніша.

Рис.1

Рис.2

Напруженість більша там, де швидше з відстанню змінюється потенціал (аналогічно тому, що потенціальна енергія змінюється швидше на крутому схилі, де велика скочуюча сила).

При внесенні в електростатичне поле (рис.2) провідника (а) і ді­електрика (б) внаслідок впливу електростатичного поля на обох з'явля­ються (або індукуються) електричні заряди. Хоча розташування зарядів у них подібне, є й дуже істотні відмінності: заряди у провіднику перемі­щуються доти на поверхню, доки в його об’ємі не зникне електростатич­не поле (див. рис.2,а). Отже, для захисту якогось приладу від поля Е досить оточити його з усіх боків хоча б тонким шаром металу.

В діелектрику заряди зміщуються лише у межах молекул, тому інду­ковані заряди значно менші, ніж на провіднику, а електричне поле лише послаблюється, не зникаючи зовсім. Зі сказаного раніше про взаємодію зарядів у діелектрику (вона зменшується в ε раз) випливає, що діелектрик послабить електростатичне поле конденсатора теж в ε раз, тобто Е= Е/е , де Е—поле при відсутності діелектрика; Е — поле у діелектрику (див. рис.2,6).