Методика вивчення питань з електродинаміки в класах з профільним навчанням

Істотну роль грає вивчення даного розділу у вихованні і розвитку учнів. Знайомство з діяльністю М. Фарадея, Дж. К. Максвелла, Г. Герца, А. С. Попова, А. Эйнштейна дозволяє зрозуміти значення їхніх робіт для сучасної фізики і техніки.

Разом з тим тут дуже добре проглядається взаємодія експерименту і теорії в розвитку науки'. Проглядається лінія від гіпотези Фарадея про можливості одержання електричного струму за рахунок магнітного поля до відкриття їм на досвіді явища електромагнітної індукції. Потім йде узагальнення Максвеллом навчання Фарадея про електромагнітне поле, створення математичної теорії електродинаміки, пророкування існування електромагнітних хвиль і їхньої тотожності зі світловими хвилями. Далі досвідчена перевірка Герцом теорії Максвелла, доказ існування електромагнітних хвиль і спільності їхніх властивостей із властивостями світлових хвиль. На цій основі А. С. Попов будує перші радіопередавачі і радіоприймачі, довівши тим самим можливість практичного використання електромагнітних хвиль. Підсумком з'явився розгляд Эйнштейном електродинаміки в що рухаються системах відліку і створення нової теорії простору і часу — спеціальної теорії відносності.

Весь цей матеріал має серйозне пізнавальне і виховне значення, ілюструючи хід розвитку наукового прогресу і роль у ньому видатних вітчизняних і закордонних учених.

Винятково велика політехнічна значимість даного розділу курсу. Тут учні знайомляться з проблемами електроенергетики — виробництвом, передачею і перетворенням електричної енергії, з індукційними генераторами і трансформаторами. При вивченні електричних коливань розглядаються основні властивості перемінного струму й узагальнюється поняття резонансу.

Учні знайомляться з принципами радіотелефонного зв'язку (модуляція, детектирование), радіолокації і телебачення. Вивчення властивостей світла, явищ інтерференції і поляризації зв'язується з їхнім технічним застосуванням, вивчення дифракції в'язане зі здатністю оптичних приладів, що дозволяє, Дисперсії і дифракційної зі спектральною апаратурою, повного відображення - з волоконною оптикою (светопроводи), невидимих ділянок із застосуванням у народному господарстві цих випромінювань, релятивістського співвідношення маси і з основами ядерної енергетики.

Таким чином, вивчення електродинаміки нестаціонарних явищ грає важливу освітню, що виховує і розвиває роль, сприяє формуванню наукового світогляду учнів. Цим і визначається серйозна увага, що приділяється формуванню поняття перемінного електромагнітного поля і вивченню його властивостей у випускному класі.[6, 7, 12, 13]                                                 

Розділ ІV. Розробка уроків з фізики по розділу електродинаміка

Вибіркові плани - конспекти при вивченні електричних і магнітних явищ

              Урок 1.

Тема: Діелектрики в електростатичному полі. Два види діелектриків. Поляризація діелектриків.

Мета: 1.Формувати уявлення учнів про фізичну природу діелектриків з точку зору електронної теорії. 2. Поглибити поняття електричного поля в середовищі. 3.Показкти значення дослідження діелектриків для розвитку народного господарства.

План. 1. Послаблення електростатичного поля у діелектрику, зв’язані заряди.

2.Два класи діелектриків. 3. Поляризація полярних діелектриків. 4.Поляризація неполярних діелектриків. 5.Сегнетоелектрики. Дослідження сегнетоелектриків фізиками.

Обладнання: таблиці, електрометр з диском з набору до нього, паличка для електризацій, лист оргскла або ебоніту.

Хід уроку.

І. Організаційний момент.

    - введення учнів до класу і привітання;

    - перевірка присутності учнів;

    - призначення чергових;

   - наголошення на те, що сьогодні буде урок вивчення нового матеріалу.

ІІ. Повторення і перевірка знань.

Провести треба коротко, щоб залишити час для самостійного розвязування задач, яке можна провести після пояснення нового матеріалу. Повторити: 1.Провід-ники в електростатичному полі, явище електризації через вплив. 2. Електричне поле та електричний заряд всередині провідника в зовнішньому електростатичному полі. 3. Напруженість електростатичного поля рівномірно зарядженої кулі. 4.Напруженість електростатичного поля рівномірно зарядженої нескінченної площини.

ІІІ. Пояснення нового матеріалу.

Учні вже знають, що сила взаємодії між зарядами, напруженість поля в діелектрику зменшується в раз. Потрібно дати відповідь на запитання: Чому змінюється напруженість електричного поля в діелектрику? Зробивши висновок за навчальним посібником, підтверджують його дослідом. На стержень електрометра насаджують диск з набору, що додається до електрометра. Електрометр заряджають, а увагу учнів фіксують на величині відхилення його стрілки. Потім кладуть на електрометр лист оргскла; спостерігають зменшення кута відхилення стрілки (ніби зменшення заряду). Знімають і віддаляють плексигласовий лист і знову спостерігають збільшення кута відхилення стрілки. Роблять висновок, що діелектрик залишається нейтральним, але створює електричне поле, напрям напруженості якого протилежний напруженості зовнішньго поля.

Після цього переходять до з’ясування механізму поляризації діелектриків у зовнішньому електростатичному полі. Пояснення найкраще розпочати з порівняння діелектриків з провідниками. Діелектрики відрізняються від металів дуже малою густиною вільних електронів. Моделлю молекули чи атома діелектрика може бути диполь – система двох різнойменних, рівних за абсолютною величиною електричних зарядів. У діелектриках, на відміну від провідників, диполі можуть лише «орієнтуватися» певним чином у зовнішньому електричному полі. Так вводять поняття зв’язаних поляризаційних зарядів, електричне поле яких завжди спрямоване проти зовнішнього. За посібником вводять уявлення (пояснення разом з малюнком на дошці) про полярні та неполярні діелектрики.

Потім переходять до вивчення сегнетоелектриків. Чудові властивості сегнетоелектриків визначаються тим, що в них спонтанно (мимовільно) виникає поляризація, але в деякому інтервалі температур.Сегнетоелектриками називають речовини, в яких у деякому інтервалі температур у відсутності зовнішнього поля мимовільно виникає поляризація, тоді як останні діелектрики поляризуються лише при накладанні зовнішнього поля. Термін «сегнетоелектрики» походить від назви кристала, в якомуце явище вперше було виявлено (сегментова сіль). Значний внесок у розуміння природисегнетоелектриків зробив відомий фізик І.В. Курчатов, створивши у 30-ті роки першу теорію сегнетоелектриків. Інший фізик – Б.М. Вул – відкрив титанат барію – головного представника сегнетоелектричних кристалів.

IV. Закріплення матеріалу.

Запропонувати учням опрацювати текст § 71, 72 та дати відповіді на такі запитання: 1. Що таке зв’язані заряди? 2. Які типи діелектриків тепер відомі? 3. У чому полягає процес поляризації діелектриків? 4. Що таке сегнетоелектрики?

V. Завдання додому.

§ 71, 72, повторити за посібником для ІХ класу § 73, 77, 85. Допитливим можна запропонувати зробити коротке повідомлення: «Застосування сегнетоелектриків у техніці» за книгою: Смоленський Г.А., Крайник Н.Н. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. М., «Наука», 1968.

VI. Самостійна робота.

У заключній частині уроку (15 – 20 хв) можна провести самостійну роботу на розв’язування задач з електростатики.

              Варіант 1.

1. Крапельці масою 16 · 109кг надали заряд 1,6 · 10-15 Кл. Знайти прискорення, яке вона дістане від кульки, що має заряд 2· 10-6 Кл, у той момент, коли буде на відстані 30см від неї (=1). Описати рух кульки.

2. Заряджена кулька має поверхневу густину заряду 8,8 · 10-5 Кл/м2. Визначити напруженість електричного поля на поверхні кулі.

                           Варіант 2.

1. Дві частинки масою 0,2 і 0,5г мають зарядивідповідно 10-8 та 10-9 Кл. Відштовхуючись, вони в якийсь момент перебувають на відстані 2см. Визначити прискорення частинок у цей момент і описати їх рух, вважаючт, що на частинки діють тільки кулонівські сили (=1).

2. Однорідне електричне поле напруженістю 3,4 · 104 Н/Кл утворене двома зарядженими вертикальними пластинками. У ньому міститься кулька масою 6г, підвішена на шовковій нитці. На який кут відхилиться нитка, якщо кульці надати заряд 1,7 · 10-6 Кл? [4, 11]

Урок 2.

      Тема: Електрорушійна сила індукції в рухомих провідниках. Розв’язування задач.

Мета:  Вивчити кількісні співвідношення, які описують це явище в рухомих провідниках. Закріпити вивчений матеріал під час розв’зування задач.

План. 1. Явище електромагнітної індукції в рухомих провідниках. 2. Е.р.с. самоіндукції у прямолінійному ізольованому провіднику, що рухається в магнітному полі. 3. Розв’язування задач на закон електромагнітної індукції для контуру, що рухається в магнітному полі та на закон електромагнітної індукції для рухомих прямолінійних провідників. 4. Вивід формули е.р.сіндукції для випадку рухомого провідника в магнітному полі.

Обладнання: Гальванометр від демонстраційного вольтметра, підково подібний магніт і два прямих магніти; прилад для демонстрації принципу дії електродвигуна і генератора. Виток у магнітноиу полі Землі, з’єднувальні проводи, ключ, кіноапаратура для демонстрації навчального кінофільмк «Принцип дії генератора постійного струму».

Хід уроку.

І. Організаційний момент.

   - введення учнів до класу і привітання;

   - перевірка присутності учнів;

   - призначення чергових;

   - наголошення на те, що сьогодні буде урок вивчення нового матеріалу та розв’язування задач по даній темі.

ІІ. Повторення і перевірка знань учнів.

1. Як пояснити утворення індукційного струму в контурі, розміщеному у змінному магнітному потоці? 2. Чим відрізняється стаціонарне електричне поле від вихрового? 3. Як діє магнітне поле на рухомий заряд? 4. Як вивести формулу, за якою можна обчислити силу Лоренца?

ІІІ. Пояснення нового матеріалу. Принципове значення для вивчення закону електромагнітної індукції має детальний аналіз наступної задачі.

Нехай прямолінійна ділянка провідника АВ довжиною l сковзає по дотичних, опором яких можна знехтувати. Індукція магнітного поля В спрямована перпендикулярно до площини так, як показано на малюнку (1).

На заряди в провіднику АВ, що рухається, діє сила Лоренца. Напрямок цієї сили залежить від знаку заряду. Під дією її заряди (електрони в металі) почнуть переміщатися. Це переміщення при розімкнутому ключі К буде продовжуватися доти, поки на кінцях провідника А и В не утвориться така кількість різнойменних зарядів, що створить електричне поле Е, спрямоване проти дії сили Fм, при якому магнітні й електричні сили зрівноважать один одного, і, отже,

     Fm = Fe

qvB = qE,   звідки

Е = vB

У цей момент різниця потенціалів між крапками A  I В— електрорушійна сила ε дорівнює:                     

ε = El = vBl.

Отримане вираження для EРС можна записати й у більш загальному виді:

ε = B (lvΔt)/Δt

Врахувавши, що площа поверхні, обмеженої контуром, зменшується на величину AS=lvΔt, запишемо:

ε=-BΔS/Δt=-ΔФ/Δt,

тобто при русі провідника, замкнутого на контур у зовнішньому магнітному полі, у ньому виникає EРС, рівна швидкості зміни потоку індукції магнітного поля через поверхню контуру.

При замиканні ключа К в замкнутому контурі піде струм, що фіксується амперметром. Можна довести, що отримана формула справедлива для будь-яких рухів і деформацій замкнутого контуру.

Розглянуте явище широке використовується при одержанні струму в спеціальних пристроях, що називаються генераторами. При русі (обертанні) витка або обмотки в магнітному полі на кінцях обмотки збуджується EРС.

У цьому місці деякі учні можуть звернути увагу на удаване протиріччя.

Як відомо, сила Лоренца роботу не робить. З формули

А = Fs cos (F,s)

              Мал. 3

            Мал. 2

випливає, що якщо сила  Fv, а отже, fs, то cos(F,s) = cos90°=0 і робота сили Лоренца повинна  також дорівнювати нулеві.

Отже, сила Лоренца не може змінити модуль швидкості й енергії заряджених часток.

Разом з тим аналіз розглянутої задачі показав, що робота відбувається, виділяється тепло в проводах, а виходить, і може обертатися електродвигун, підключений до нашого генератора.

Швидкість електронів також збільшується. Це видно з малюнка (2). Загальна швидкість електронів  буде складатися зі швидкості руху провідника АВ і швидкості електронів e в ньому:

              заг=.

Отже, для руху провідника АВ з постійною швидкістю необхідно зробити позитивну роботу зовнішньою силою проти складової сили Лоренца Fл.. Робота сили F2 у цьому випадку негативна.