Методика вивчення питань з електродинаміки в класах з профільним навчанням

Щоб одержати змінний струм, між полюсами магніту обертають рам­ку (або магніт всередині нерухомого витка дроту, що полегшує відведення струму до споживача),. Навпаки, якщо від зовнішнього джерела подати струм на рамку у магнітному полі, то виникне обертальний момент (фор­мула 47), що застосовується у безлічі електродвигунів для транспорту (трамваї, метро, електропоїзди та ін.), промисловості й побуту. Чимало електровимірювальних приладів теж використовують обертальний мо­мент (47) для вимірювання сили струму та інших його характеристик. Зазначимо, що одиниця сили струму ампер встановлюється через взаємо­дію струмів: якщо по двох паралельних і віддалених один від одного на 1 м дротах проходять струми в 1 А, то на кожен метр їх довжини виникає сила взаємодії 2 • 10-7 Н.

Для обчислення ЕРС, що виникає під час руху провідника у маг­нітному полі (рис.24), можна використати формулу

              (48)

Тут v — швидкість руху відрізка дроту l упоперек силових ліній од­норідного поля з індукцією В (оскільки вектор В входить у площину рисунка, то його позначають хрестиком).

Кількісне значення магнітної сталої μ0, яке міститься у формулі гус­тини енергії магнітного поля wВ = В2/2μ0,. дорівнює μ0= 4π •10-7Н/А2 . Електрична стала ε0 та магнітна стала μ0 зв'язані зі швид­кістю світла у вакуумі с співвідношенням

              (49)

що дозволяє обчислювати одну константу через дві інших.[4, 14]

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

              Фізика є фундаментальною наукою, яка вивчає загальні закономірності перебігу природних явищ, закладає основи світорозуміння на різних рівнях пізнання природи і дає загальне обґрунтування природничо-наукової картини світу. Сучасна фізика крім наукового має важливе соціокультурне значення. Вона стала невід’ємною складовою культури високотехнологічного інформаційного суспільства. Фундаментальний характер фізичного знання як філософії науки і методології природознавства, теоретичної основи сучасної техніки і виробничих технологій визначає освітнє, світоглядне та виховне значення шкільного курсу фізики як навчального предмета. Завдяки цьому в структурі освітньої галузі він відіграє роль базового компоненту природничо-наукової освіти і належить до інваріантної складової загальноосвітньої підготовки учнів в основній і старшій школах.

Навчання фізики в старшій школі, як правило, є профільним. За таких умов структурування змісту фізичної освіти і диференціація вимог до його засвоєння реалізується завдяки навчальним програмам різних рівнів. Програму обов’язкових результатів навчання фізики (рівень стандарту) орієнтовано головним чином на світоглядне сприйняття фізичної реальності, розуміння основних закономірностей плину фізичних явищ і процесів, загального уявлення про фізичний світ, його основні теоретичні засади і методи пізнання, усвідомлення ролі фізичних знань у житті людини і суспільному розвитку. За цією програмою навчаються, як правило, учні, які обрали суспільно-гуманітарний напрям профілізації.

Програма академічного рівня навчання фізики передбачає більш глибоке засвоєння фізичних законів і теорій, оволодіння навчальним матеріалом, необхідним для широкого застосування у поясненні хімічних, геофізичних, біологічних, екологічних та інших природних явищ, цілісного уявлення про природничо-наукову картину світу, розуміння значення і місця фізики в структурі природничих наук. Її зміст достатній для продовження вивчення фізики як навчального предмета у вищих навчальних закладах. За цими програмами навчаються учні, для яких фізика є базовим предметом або таким, що тісно пов’язаний з профільними предметами (технологічний, математичний, біолого-фізичний профілі),  а також здійснюється загальноосвітня підготовка учнів, які не визначилися щодо напряму спеціалізації.

Програма профільного навчання фізики передбачає систематизоване вивчення основних фізичних теорій, формування світогляду і наукового стилю мислення учнів на основі фізичної картини світу, оволодіння методами наукового пізнання та усвідомлення фізичного знання на рівні, необхідному для подальшого його використання в професійній діяльності та продовженні фізичної освіти. Основними профілями навчання, де фізика вивчається на такому рівні, є фізичний, фізико-математичний і фізико-технічний. Проте курс фізики може бути профільним і в інших напрямах  профілізації (наприклад, технологічному), якщо фізика в них відіграє  роль базового навчального предмета.

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

3.1. Методика викладання електродинаміки

Істотній переробці піддалася програма випускного класу. У зв'язку з переносом у VIII-IX класи одинадцятирічної школи елементів геометричної оптики і механічних коливань і хвиль, а в XI клас теми «Електромагнітна індукція», весь навчальний матеріал випускного класу групується навколо двох теорії-електродинаміки й основ квантової фізики. Тим самим весь курс фізики випускного класу логічно складно укладається в два розділи. Перший з них — «Електродинаміка нестаціонарних явищ» — включає електромагнітну індукцію, електромагнітні коливания і хвилі (куди, природно, входить перемінний електричний струм і хвильова оптика) і елементи спеціальної теорії відносності. Другий розділ — «Квантова фізика»-включає квантову оптику, фізику атома, атомного ядра й елементарних часток. Відповідно до нової програми загальні властивості хвиль і їхні специфічні явища, що характеризують - інтерференція, дифракція, дисперсія і поляризація - розглядаються один раз, на прикладі електромагнітних хвиль оптичного діапазону, але з обов'язковою ілюстрацією спільності отриманих закономірностей і їхньої застосовності до хвиль будь-якої природи. Проблеми атомної лінійчатий-лінійчаті-спектроскопі-лінійчаті спектри випущення і поглинання, спектральний аналіз-викладаються спільно з будівлею атома на основі боровских представлень. Посилено увагу до сучасних технічних застосувань досліджуваного матеріалу: основам електрифікації, радіозв'язку, телебачення, радіолокації; ядерній енергетиці і т.д.

Зміни змісту і структури курсу фізики вимагають істотного перегляду методики його викладання. Пропонована увазі читачів книга є першою спробою вирішити цю проблему. Книга характеризується наступними особливостями:

— у ній дана інтерпретація методичним задумам, що лежать в основі нової програми, тому поряд з конкретними методичними рекомендаціями, що мають, своєї метою полегшити підготовку вчителя до уроку, у посібнику утримується досить великий науково-методичний аналіз основних методичних проблем курсу фізики випускного класу, зокрема можливі підходи до введення закону електромагнітної індукції, можливість реалізації єдиного підходу до вивчення коливальних і хвильових процесів у світлі структури нової програми, можливість і доцільність на даному рівні розвитку фізики використання постулатів Бора і т.п.;

— для посилення зв'язків з курсом математики посібником рекомендується більш широке використання поняття похідній і диференціальним рівнянням, чим це прийнято в традиційній методиці навчання фізику в школі; посилені також зв'язки з філософськими розділами курсу суспільствознавства;

— у посібнику в основному розглянута методика викладання обов'язкового курсу фізики; разом з тим автори рахували можливим у ряді випадків дати рекомендації з узагальненню досліджуваного матеріалу на факультативних заняттях і в школах і в класах з поглибленим вивчанням фізики; усі ці виходи за рамки обов'язкової програми спеціально обговорені;

— у посібнику приділена увага деяким особливостям викладання фізики у випускному класі, зокрема проблемам поточного і передекзаменаційного повторення навчального матеріалу, проблемам побудови узагальнюючих лекцій, формуванню наукового світогляду і т.п.

Посібник призначений для учителів фізики загальноосвітньої школи, що викладають у випускному класі. Воно буде корисно також студентам педагогічних інститутів при вивченні курсу «Методика викладання фізики»

У Х класі відповідно до нової програми учні знайомляться з електродинамікою стаціонарних явищ: статичними електричним і магнітним полями, постійним струмом і основами класичної електронної теорії. У випускному класі продовжується вивчення електродинаміки, але на матеріалі нестаціонарних явищ-електромагнітна індукція, електромагнітні коливання (включаючи перемінний струм), електромагнітні хвилі (включаючи хвильову оптику). Завершується цей розділ курсу темою «Елементи теорії відносності», що цілком виправдано як логічно, так і історично — недарма адже першу статтю А. Эйнштейна, у якій були закладені основи спеціальної теорії відносності, називалася «До електродинаміки тіл, що рухаються,».

Створення такого «електродинамічного концентра» має серйозні наукові і дидактичні підстави. По-перше, підсилюється наступність матеріалу Х и XI класів. По-друге, формується єдиний підхід до вивчення властивостей перемінного електромагнітного поля, що сприяє більш глибокому розумінню сутності електромагнітних явищ. Нарешті, вперше в шкільному курсі фізики оптика викладається не на історичній основі, а як частина загального навчання про електромагнітне поле. Завдяки цьому реалізується єдиний підхід до вивчення електромагнітних хвиль будь-яких діапазонів частот, включаючи оптичний діапазон, що відповідає сучасному розумінню природи світла (у класичній теорії).

Разом з тим тут відбувається поглиблення й узагальнення тих зведень про коливання і хвилі, що були вивчені в механіку. Так, уводиться загальне поняття про гармонійні коливання; на прикладі електромагнітних хвиль розглядаються такі загальні хвильові явища, як відображення і переломлення хвиль, інтерференція, дифракція, дисперсія і поляризація. Тим самим перед учнями розгортається досить повна картина електродинаміки і визначається її роль як однієї з фундаментальних фізичних теорій.

Винятково важливе значення має даний розділ курсу у формуванні наукової картини світу. Тут учні зіштовхуються з новою формою матерії електромагнітним полем.

Звичайно, уперше поняття вводиться в електростатиці, потім — при вивченні магнітного поля постійних струмів. Але там поняття полючи вводиться трохи формально, поряд із законом Кулона і законом взаємодії електричних струмів. У рамках електростатики і магнитостатики не можна строго обґрунтувати існування електричних і магнітних полів; їхнє існування і роль як передавач взаємодії між нерухомими і зарядами, що рухаються, (струмами) тут постулируется, але не доводиться.

Інакше справа з перемінним електромагнітним полем — електромагнітною хвилею. Хоча електромагнітні хвилі збуджуються електричними зарядами, що рухаються з прискоренням (наприклад, в антені або при переході електрона з одного енергетичного рівня на іншій), хвиля відривається від джерела і потім існує сама по собі, рухаючи у вакуумі зі швидкістю з, переносячи при цьому енергію й імпульс і взаємодіючи з речовиною. Тут наочно виявляється матеріальність електромагнітного поля, його існування незалежне від нашої свідомості і здатність впливати на наші органи почуттів або безпосередньо, або за допомогою спеціально сконструйованих приладів.      I

Вивчення електродинаміки нестаціонарних явищ вимагає

реалізації межпредметных зв'язків із суміжними навчальними дисциплінами.

Великі зв'язки з математикою. При вивченні електромагнітної індукції й електромагнітних коливань використовується поняття похідної, зокрема похідної синусоїдальної функції. Для розуміння властивостей гармонійних коливань необхідні знання властивостей і графіків синусоїдальної функції, уміння за формою графіків судити про амплітуду, частоту і фазу коливання, уміння робити найпростіші тотожні перетворення тригонометричних функцій. При вивченні інтерференції і поляризації приходиться робити дії над

векторними величинами.

Фундаментальні зв'язки електродинаміки з астрономією. Справді, усі зведення про Вселенной ми одержуємо, аналізуючи випромінювання, що надходить до нас, від небесних тіл — зірок, планет, комет, туманностей і т.п. І якщо в XIX в. ми вміли реєструвати й аналізувати інформацію тільки у вузькій ділянці видимого випромінювання, те зараз астрономія стала всехвильової. Будуються величезні радіотелескопи, що працюють у діапазонах метрових і сантиметрових хвиль; у космос запускаються обсерваторії, постачені телескопами, реєструю­щими ультрафіолетове, рентгенівське і гамма-випромінювання. Перехід до всехвильової астрономії розширив обсяг наших зведень про Всесвіт, дозволив знайти нові об'єкти (квазари, пульсари, можливо, і чорні діри). Було виявлено реліктове випромінювання, що зробило більш достовірної теорію походження Всесвіт у результаті великого вибуху (модель гарячого Всесвіту). Великі зв'язки електродинаміки й астрофізики повинні бути використані як на уроках фізики, так і на уроках астрономії.