Методика изучения электродинамики в школьном курсе физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗДЕЛ «ЭЛЕКТРОДИНАМИКА» В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ: ЗНАЧЕНИЕ, СТРУКТУРА РАЗДЕЛА

Раздел «Электродинамика» - один из наиболее сложных разделов школьного курса, где изучают электрические, магнитные явления, электромагнитные колебания и волны, вопросы волновой оптики и элементы специальной теории относительности.

Решение общеобразовательных задач в основном сводится к тому, что в данном разделе должно быть введено основное для современной физики понятие электромагнитного поля, а также физические понятия: электрический заряд, электромагнитные колебания, электромагнитная волна и ее скорость. Здесь же должны быть даны представления о свойствах электромагнитных волн, их распространении, о принципах радиосвязи, телевидения.

Учащихся на доступном им уровне знакомят с фундаментальной физической теорией - теорией макроскопической электродинамики, основным творцом которой был Дж. К. Максвелл.

При изучении раздела «Электродинамика» происходит расширение и углубление в сознании школьников понятия материи. До этого они изучали лишь один вид материи - вещество. Теперь встречаются со вторым (особым) видом материи - электромагнитным полем, познают его отличие от вещества. При рассмотрении основ специальной теории относительности учащихся знакомят с физическими представлениями о пространстве и времени.

Если рассматривать логическую структуру раздела «Электродинамика», то в ней надо выделить: формирование понятия электромагнитного поля и электрического заряда; изучение взаимодействия поля и вещества, электрических и магнитных свойств вещества; изучение законов тока и электрических цепей; знакомство с элементами СТО; показ основных технических применений электродинамики.

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ КАК РАЗДЕЛА ФИЗИЧЕСКОЙ НАУКИ

Классическая механика исходила из принципа дальнодействия и представления о мгновенной передаче этого действия. В случае же электромагнитного взаимодействия, как показало развитие науки, необходимо исходить из принципа близкодействия, при этом учитывать конечную скорость передачи действия. Если бы справедлив был принцип дальнодействия, то в электромагнетизме основным понятием был бы электрический заряд q, а поле являлось всего лишь вспомогательным понятием. В действительности без понятия электромагнитного поля (совместно с понятием электрического заряда q) нет электродинамики. В решении этих важнейших для электродинамики вопросов существенную роль сыграли работы М. Фарадея, а определяющую - работы Дж. К. Максвелла.

В электродинамике рассматривают различные силы:

1) Силы, характеризующие взаимодействие покоящихся зарядов для вакуума. Они носят центральный характер, зависят от расстояния между взаимодействующими зарядами и не зависят от скорости.

2) Сила взаимодействия тока и магнитной стрелки (опыт Эрстеда) действует по линии, соединяющей их, зависит не только от расстояния между взаимодействующими объектами, но и от силы тока, которая, в свою очередь, зависит от скорости движения заряженных частиц и заряда.

3) Силы, возникающие между двумя параллельными проводниками с током, не являются центральными. Они пропорциональны силе тока в проводниках (а значит, и заряду) и скорости его движения и обратно пропорциональны расстоянию между ними.

4) Сила, действующая на движущийся заряд со стороны магнитного поля. Она зависит от скорости движения заряда, но не является центральной.

Во всех случаях говорится о скорости частиц относительно какой-то системы отсчета, именно это и учитывают в электродинамике. В электродинамике рассматривают силы, которые не только зависят от расстояний, но и от скорости движения зарядов в выбранной системе отсчета. Подобные силы в механике Ньютона не рассматривали.

Эти особенности в основном сводятся к тому, что электромагнитные взаимодействия специфичны, для их объяснения надо исходить из принципа близкодействия и учитывать конечную скорость передачи действия.

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ КАК РАЗДЕЛА ШКОЛЬНОГО КУРСА ФИЗИКИ

Ведущая роль в преподавании физики отводится физическому эксперименту. Не исключение и раздел «Электродинамика». В первую очередь это следующие опыты: 1) Кулона по установлению зависимости силы взаимодействия двух электрических зарядов от модуля этих зарядов и расстояния между ними; 2) Эрстеда по обнаружению действия электрического тока на магнитную стрелку; 3) Ампера по взаимодействию параллельных токов; 4) Ома, вскрывающий характер зависимости между силой тока и напряжением; 5) Фарадея по электромагнитной индукции; 6) Герца по получению, обнаружению и выяснению свойств электромагнитных волн; 7) Рикке по выяснению носителей тока в металлах; 8) Толмена и Стюарта, Мандельштама и Папалекси, доказывающие электронную проводимость металлов; 9) Милликена и Иоффе, подтвердившие атомистическое строение электричества и позволившие измерить элементарный: электрический заряд; 10) Майкельсона и Морли, не обнаружившие преимущественной системы отсчета; 11) Ремера, Физо и других ученых по измерению скорости света; 12) Юнга, обнаружившие волновые свойства света, и т.д.

При изучении основ электродинамики применяют следующие модели: свободный электрон, модель электронного газа, модель проводника и диэлектрика (на основе представлений о свободных электронах), зонная модель проводника, диэлектрика, полупроводника. Наиболее простыми для восприятия являются материальные модели. Но при изучении электродинамики в основном применяют не материальные, а мысленные модели, для восприятия которых необходим определенный уровень развития абстрактного мышления.

При изучении электромагнитных явлений широко применяют и аналогии: между гравитационным и электростатическим полями; между электрическим током и потоком жидкости; явлением самоиндукции и инерции; явлением термоэлектронной эмиссии и испарением жидкости и др. В ряде случаев для повышения наглядности обучения можно использовать материальные модели-аналогии. В электродинамике это, главным образом, функциональные модели-аналогии:

а) Механическая модель для разъяснения процессов, происходящих в электрической цепи. В этой модели скатывание шарика вниз под действием силы тяжести аналогично перемещению электрических зарядов во внешней цепи под действием сил электрического поля. Работа, совершаемая для подъема шарика по наклонной плоскости, аналогична работе сторонних сил в источнике тока.

б) Для объяснения опытов Стюарта и Толмена, Мандельштама и Папалекси, которыми было доказано, что электрический ток в металлах представляет собой движение электронов, применяют механическую модель инерциального движения электронов.

При изучении электромагнитных волн используют модели радиоприемника, линии радиотелеграфной и радиотелефонной связи, модель распространения электромагнитных волн и передачи информации на расстояние. Следует отметить, что аналогии лишь частично отражают сходство данного явления или понятия с изученным материалом, а модели вносят те или иные упрощения в поведение материальных объектов.

В тех случаях, когда реальный эксперимент провести невозможно, используют мысленный эксперимент.

Еще одна особенность раздела «Электродинамика»- насыщенность его мировоззренческим и политехническим материалом. Необходимо так организовать работу учащихся, чтобы они глубоко и прочно усвоили этот материал. Целесообразно осветить роль в развитии физики и техники таких ученых, как А. Ампер, М. Фарадей, Дж.К. Максвелл, Ш. Кулон, М.В. Ломоносов, Э. Ленц, А.Г. Столетов, Я.И. Френкель, Л.Д. Ландау, П.Н. Лебедев, А.С. Попов, Г. Герц, А. Эйнштейн, Т. Юнг, А.Ф, Иоффе, Н.Д. Папалекси, Л.И. Мандельштам и др.

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ РАЗДЕЛА «ЭЛЕКТРОДИНАМИКА»

Под электродинамикой понимают науку о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействия между электрически заряженными телами. Как известно, в природе существует единое электромагнитное поле, различными проявлениями которого являются электрическое и магнитное поля.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД

На современной ступени развития науки заряд принимают за свойство элементарных частиц. Наличие электрического заряда у тела или частицы, как известно, проявляется в том, что они ведут себя определенным образом - взаимодействуют с другими заряженными телами (частицами). «Электрический заряд- свойство частиц материи или тел, характеризующее их взаимосвязь с собственным электромагнитным полем,- имеет два вида, известные как положительный заряд (заряд протона, позитрона и др.) и отрицательный заряд (заряд электрона и др.); количественно определяется по силовому взаимодействию тел, обладающих электрическими зарядами».

Наличие у тела (частицы) заряда означает, что оно способно к электромагнитным взаимодействиям. Понятие электрического заряда и электромагнитного поля - два взаимосвязанных понятия. Следовательно, понятие электрического заряда можно формировать только совместно с понятием электромагнитного поля, и наоборот. Если рассмотреть электрический заряд и связанное с ним поле в различных системах отсчета, то в случае равномерного движения заряда можно найти такие ИСО, где есть либо электрическое поле, либо и электрическое, и магнитное. В случае неравномерного движения заряда его поле всегда будет электромагнитным- одновременно будут существовать и действовать и электрическое, и магнитное поля. Таким образом, для описания электромагнитных явлений существен выбор системы отсчета.

Электрический заряд абсолютен (инвариантен)- он не зависит от выбора системы отсчета. В настоящее время экспериментально доказано существование этого факта. Для введения понятия об электроне показывают делимость и дискретность электрического заряда. Делимость заряда ясна из простейших опытов перетекания заряда с одного заряженного тела на другое, незаряженное. Эти опыты осуществимы в школе, и школьники хорошо понимают их сущность.

Дискретность же электрического заряда была доказана опытами, которые в школе осуществить нет возможности. Речь идет об опытах Иоффе и Милликена. Представим, что в электрическое поле между заряженными пластинами конденсатора попадает какое-то заряженное тело. В опыте Иоффе это металлическая пылинка, а в опыте Милликена-капелька масла. В опыте Иоффе равновесие пылинки достигалось только при определенных зарядах на ней, т. е. заряд пылинки менялся как бы скачками. Этот опыт доказал дискретность электрического заряда. Опыт Милликена дал возможность определить и значение элементарного заряда (заряда электрона). При анализе этого опыта необходимо учитывать размеры капельки масла, так что в расчет, кроме силы электрического поля и силы тяжести, берут еще архимедову силу и силу Стокса.

Однако в средней школе под опытом Иоффе - Милликена понимают, по существу, опыт Милликена, но в нем не учитывают архимедову силу и силу Стокса, а оговаривают, что капелька останавливается электрическим полем, т. е. здесь есть и элементы опыта Иоффе. Для школьников это допустимо. Нужно лишь объяснить, что заряд q= nе, где е - заряд электрона.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

В средней школе изучают элементы макроскопической электродинамики - электродинамики Максвелла, уравнения которой в электродинамике играют такую же роль, как законы Ньютона в механике и начала термодинамики в термодинамике. Эти уравнения записаны для электромагнитного поля, которое характеризуется векторами напряженности электрического поля и магнитной индукцией . Свойства среды в теории Максвелла характеризуются тремя величинами: относительной диэлектрической проницаемостью , относительной магнитной проницаемостью и удельной электрической проводимостью .

В общем случае электромагнитное поле в каждой точке описывают шестью величинами: Ех, Еу, Еz, Вх, Ву, Вz, между которыми существует взаимосвязь. Для характеристики электромагнитного поля в веществе используют еще два вектора: - электрическое смещение (электрическая индукция), - напряженность магнитного поля. В последнее время появилась верная тенденция- излагать электродинамику, опираясь только на основные характеристики электромагнитного поля: вектор напряженности и вектор магнитной индукции .

Особенно ярко связь электрического и магнитного полей можно показать учащимся на явлении электромагнитной индукции. Рассматривают явление электромагнитной индукции в системе отсчета, относительно которой проводник движется и относительно которой он покоится. В первом случае возникновение индукционного тока, а следовательно, и электрического поля, объясняют действием на движущиеся заряды силы Лоренца. Во втором случае в системе отсчета К заряды покоятся. В этой системе отсчета на них может действовать только электрическая сила, но это поле порождено магнитным полем (причем речь идет о постоянном магнитном поле).

Связь же переменных электрических и магнитных полей бесспорна, эти поля существуют одновременно, обусловливая друг друга. Электромагнитное поле проявляется по силовому действию на электрический заряд. На движущийся заряд действует сила, обусловленная и электрической и магнитной составляющей поля: силовую характеристику электрической составляющей электромагнитного поля в данной точке. На покоящийся заряд действует только электрическая составляющая. Можно определить силовую характеристику - вектор напряженности электрического поля .

Вектор магнитной индукции - силовая характеристика магнитной составляющей электромагнитного поля. Магнитное поле действует только на движущийся заряд. Но на движущийся заряд действует и электрическая составляющая электромагнитного поля. Чтобы выяснить, как действует именно магнитная составляющая электромагнитного поля, необходимо выбрать такую систему отсчета, в которой электромагнитное поле проявляется лишь в магнитных взаимодействиях, т. е. только как магнитное, а электрическое поле отсутствует ( =0). С этой целью воспользуемся полем покоящегося постоянного магнита или полем проводника с током (проводник нейтрален, электрические поля всех отрицательных и положительных зарядов взаимно компенсируются, электромагнитное поле проводника с током - поле магнитное). И тогда по силе, действующей на фиксированный движущийся заряд, судят о силовой характеристике магнитной составляющей электромагнитного поля:

Модуль вектора магнитной индукции в данной точке равен модулю силы, действующей на единичный положительный заряд, пролетающий через данную точку с единичной скоростью в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции .

Направление вектора магнитной индукции таково, что сила, действующая на заряд, движущийся в данном направлении, равна нулю. В этом принципиальное различие в определении направлений вектора напряженности и вектора магнитной индукции (направление совпадает с направлением силы, действующей в данной точке на положительный заряд).

При наложении полей в обычных условиях (если не учитывать, особые случаи нелинейной оптики, когда нарушается принцип суперпозиции) они не влияют друг на друга, а действуют на заряд независимо друг от друга. Результат действия этих полей рассматривают как действие на заряд результирующего, суммарного поля, напряженность которого в любой точке равна геометрической сумме напряженностей каждого из полей:

Принцип суперпозиции позволяет вычислить напряженность поля любой системы электрических зарядов.

Для магнитных, как и для электрических, полей применим принцип суперпозиции. Если магнитное поле создается несколькими источниками, то вектор магнитной индукции результирующего поля в некоторой точке можно определить как геометрическую сумму векторов индукции полей, созданных отдельными источниками.

Кроме силового действия электромагнитного поля на заряды, по которому определяют его характеристики, электромагнитное поле имеет и ряд других свойств (обладает определенным запасом энергии, имеет инертную и гравитационную массу и т.д.). Справедливость законов сохранения указывает на глубокое внутреннее единство вещественных объектов и полей. Эти два вида материи обладают рядом общих черт:

1) вещество и поле - два вида материи, которые реально существуют независимо от нашего сознания;

2) вещество и поле обладают энергией;

3) им присущи как волновые, так и корпускулярные свойства;

4) все процессы, происходящие в поле, подчиняются основным законам сохранения;

5) вещество и поле проницаемы друг для друга. Поле изменяет свойства вещества (поляризация, намагничивание), а вещество влияет на поле (это влияние характеризуется диэлектрической и магнитной проницаемостью).

6) возможно взаимопревращение вещества и поля (рождение пары электрон - позитрон за счет фотона и обратный процесс - электрон и позитрон, объединяясь, образуют два гамма-кванта).

Но электромагнитное поле и вещество обладают и рядом свойств, которые позволяют их различать:

1) вещественные объекты друг с другом непосредственно не взаимодействуют, взаимодействие происходит по схеме: частица - поле - частица. Современная теория показывает, а эксперимент подтверждает, что при больших напряженностях возможны взаимодействия между полями;

2) поля в отличие от вещества не имеют определенной пространственной локализации, точно указать их границы невозможно;

3) один и тот же объем пространства не может быть занят одновременно различными вещественными объектами. В одном и том же объеме могут существовать несколько различных полей;

4) поле обладает значительно меньшей плотностью энергии и массы, чем вещество;

5) вещество имеет массу покоя, у фотона (квантов электромагнитного поля) масса покоя равна нулю;

6) частицы вещества могут двигаться с любой скоростью, не превышающей скорость света в вакууме, для электромагнитного поля в отсутствие сильных гравитационных полей существуют только две скорости: нулевая - для статических полей и скорость света-для свободного поля (электромагнитных волн);

7) поле, в отличие от вещества, не может служить системой отсчета, так как скорость его величина постоянная относительно движущихся и неподвижных объектов.

Электромагнитное поле условно делят на свободное и связанное. Связанное - это поле, которое неразрывно связано с электрическим зарядом, а свободное - поле как бы «отрывающееся» от заряда и распространяющееся в пространстве в виде электромагнитных волн.В завершение научно-методического анализа основных понятий и вопросов раздела «Электродинамика» следует подчеркнуть, что современная электродинамика относится к тем разделам физической науки, которые являются релятивистскими. Обычно релятивистские эффекты проявляются в тех случаях, когда скорость объекта приближается к скорости света (). Но магнетизм как раз является релятивистским эффектом, он проявляется при х«c. Это очень интересно и важно!

МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ

Процесс формирования понятий, как известно, процесс длительный и сложный. Обычно понятие электрического поля вводят при изучении электростатических явлений и связывают с покоящимися зарядами, а понятие магнитного поля вводят при изучении постоянного тока и связывают с током или движущимися зарядами. Понятие электромагнитного поля можно вводить в различных местах раздела «Электродинамика»: в начале раздела «Электродинамика», при изучении магнитного поля движущегося заряда. Чаще всего это делают при изучении электромагнитных колебаний и волн; программа одиннадцатилетней средней школы рекомендует ввести его при изучении явления электромагнитной индукции.

Наиболее целесообразно вводить понятие электромагнитного поля в начале раздела «Электродинамика».

Школьникам напоминают, что в механике они изучали силы тяготения, упругости и трения, которые зависят или от расстояния между взаимодействующими телами, или от их относительных скоростей. Затем предлагают пронаблюдать опыт по взаимодействию параллельных токов. Это типичный пример электромагнитного взаимодействия. Ребята наблюдают взаимодействие проводников, но не могут объяснить причину возникновения силы притяжения или отталкивания, так как расстояние между проводниками и относительная скорость электронов в проводниках не изменяются (если токи одного направления). Значит, возникли силы, которые в механике не рассматривали, это Силы электромагнитного взаимодействия. В этом случае говорят, что вокруг каждого из проводников возникло магнитное поле. Магнитное поле одного проводника действует на другой проводник с током с некоторой силой. Правомерно говорить и наоборот: магнитное поле второго проводника действует на первый. Затем излагают вопрос о передаче взаимодействий. Ньютоновская механика опирается на принцип дальнодействия (взаимодействия передаются мгновенно на сколь угодно большие расстояния). По существу, учащиеся это знают, но данную сторону вопроса теперь следует подчеркнуть и оттенить. Отличительная особенность электродинамики - необходимость трактовки электромагнитных явлений с позиций другой концепции (концепции близкодействия), согласно которой взаимодействия между зарядами (токами, магнитами) передаются с конечной скоростью.

Далее школьникам сообщают, что конечность скорости передачи взаимодействий приводит к тому, что если заряд из точки А переместится в некоторую точку А', то изменение силы, действующей на заряд в точке В, произойдет не мгновенно, а спустя некоторое время. Поскольку взаимодействие между электрическими зарядами распространяется с конечной скоростью (и в среде, и в пустоте), то имеет место какой-то процесс, распространение которого происходит с конечной скоростью. Тогда должен быть и какой-то материальный объект (материальный агент, материальная среда), с которым этот процесс происходит, так как нельзя представить себе процесса, который бы осуществлялся при отсутствии чего бы то ни было реально существующего. Все это можно объяснить, только введя понятие об электромагнитном поле. Реальность электромагнитного поля подтверждается и иллюстрируется хорошо известными учащимся фактами: распространением электромагнитных волн (радиосвязь, телевидение). Эффектны примеры с радиолокацией Луны, с управлением луноходом.

Знания учащихся об электрическом и магнитном полях, а также рассмотрение этих полей в различных системах отсчета дают возможность сделать вывод: существует единое электромагнитное Поле - электрическое и магнитное. Школьникам сообщают, что задача электродинамики - выяснить свойства и закономерности поведения электромагнитного поля.

СИСТЕМА ОТСЧЕТА ПРИ ИЗУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

Рис. 1

В электродинамике необходимо рассматривать заряды (или магниты) в различных системах отсчета (покоящихся или движущихся).

Допустим, в какой-то системе отсчета имеются два одноименных точечных заряда q1 и q2 (рис 1, а). Случай, изображенный на рисунке а (система K-неподвижные заряды), говорит лишь об электрическом взаимодействии q1 и q2 (здесь имеет место электростатическое отталкивание). Если же рассматривать это взаимодействие в системе отсчета К', движущейся относительно K с некоторой постоянной скоростью (рис. 1, б), то, кроме электрических сил отталкивания, следует учитывать и магнитные силы притяжения.

Из данного мысленного эксперимента можно сделать вывод: а) в системе отсчета, относительно которой заряд покоится, только электрическое поле; б) взаимодействие неподвижных относительно инерциальной системы отсчета зарядов - электрическое взаимодействие; в) магнитные силы проявляются в той системе отсчета, относительно которой заряды движутся; г) с любым движущимся зарядом связано магнитное поле; д) деление полей на электрическое и магнитное относительно; существует единое электромагнитное поле, которое по-разному проявляется в различных системах отсчета.

Поле постоянного магнита по-разному проявляется в различных системах отсчета: только в одной системе отсчета, относительно которой магнит покоится, его поле проявляется как магнитное; в любой другой системе, относительно которой магнит движется, вокруг него существует и электрическое и магнитное поле. Значит, магнит окружен электромагнитным полем, которое по-разному проявляется в различных системах отсчета. Это можно показать только при изучении явления электромагнитной индукции.

Рассматривают явление электромагнитной индукции в системе отсчета, связанной с проводником, и показывают связь электрического и магнитного полей. Разбирают примеры, иллюстрирующие зависимость проявления электромагнитного поля от выбора системы отсчета. Допустим, что в вагоне движущегося поезда имеется заряженный электроскоп. Пассажир, находящийся в вагоне, отмечает существование только электрического поля - в системе отсчета, связанной с вагоном, электроскоп покоится, поэтому здесь существует лишь электрическое поле. Неподвижный наблюдатель, относительно которого вагон движется, отметит наличие у электроскопа и электрического и магнитного полей - в системе отсчета, связанной с наблюдателем, электроскоп движется, поэтому его поле проявляется одновременно и как электрическое и как магнитное.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Введение основных характеристик электромагнитного поля: вектора напряженности электрического поля и вектора магнитной индукции - целесообразно осуществить, рассматривая действие электромагнитного поля на точечный заряд.

Точечным заряд считают тогда, когда размеры тела, на котором он находится, малы по сравнению с расстоянием до источника исследуемого поля. Изложение вопроса о напряженности электрического поля сопровождают физическим экспериментом. Сначала целесообразно установить пропорциональность силы, действующей на заряд со стороны электромагнитного поля, этому заряду, а затем - зависимость действующей силы от поля. Принципиально важно показать, что отношение силы, действующей на заряд, к этому заряду является постоянной величиной F/q = const и не зависит от значения заряда.

Формулируют определение напряженности электрического поля: напряженность электрического поля равна отношению силы, с которой электромагнитное поле действует на точечный заряд, к этому заряду ().

Силовую характеристику магнитной составляющей электромагнитного поля (вектор магнитной индукции В) дают при рассмотрении магнитного поля тока; ее можно ввести по-разному: а) по действию на движущийся заряд; б) по действию на проводник с током; в) через момент сил, действующих на контур с током; г) из закона электромагнитной индукции. Выбор способа введения данной характеристики электромагнитного поля определяется логикой изложения учебного материала. Необходимо указать на следующее. Так как электрическое и магнитное поля - две стороны единого электромагнитного поля, то, вероятно, целесообразно силовую характеристику магнитного поля вводить по аналогии с силовой характеристикой электрического поля.

В школе рассматривают случай, когда на движущийся заряд действует максимальная сила. Модуль вектора магнитной индукции определяется по формуле ,

Возможны и другие методические пути введения вектора магнитной индукции, а именно:

а) с помощью силы Ампера, действующей в магнитном поле на проводник длинной Дl, сила тока в котором I

б) по действию магнитного поля на контур с током. При этом

в) на основе закона электромагнитной индукции , но Ф=BS, а ДФ=BДS, что даст возможность определить модуль вектора магнитной индукции, если измерена ЭДС индукции, известно изменение площади контура за время Дt.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Понятием «Электрический заряд», так же как и понятием «электромагнитное поле», учащиеся овладевают постепенно по мере изучения материала электродинамики.

Школьникам сообщают, что заряд - количественная мера способности тел к электромагнитным взаимодействиям. При этом следует обратить их внимание на то, что термин «электрический заряд» употребляют в различных случаях: как термин, равнозначный выражениям «заряженная частица», «заряженное тело»; как свойство тел или частиц; как физическая величина.

Учащиеся к 10 классу уже знаю о фундаментальном свойстве - о существований зарядов двух видов, причем заряды одного знака отталкиваются, заряды разных знаков притягиваются друг к другу. Очень важно разъяснить, что электрический заряд не тождествен веществу. Заряд всегда связан с материальным носителем- телом или частицей. Электрический заряд - неотъемлемое свойство некоторых элементарных частиц. Не существует заряда без материального носителя, хотя нейтральные элементарные частицы есть (нейтрон и др.).

При анализе опыта Иоффе - Милликена показывают, что электрический заряд дискретен, он может принимать строго определенные значения. Школьники должны знать: вся современная физика приводит к выводу о существовании атома электричества-элементарного заряда. Есть много доказательств дискретности заряда. Сейчас их знакомят с одним из них, и далее они узнают: законы электролиза, исследования элементарных частиц.

Учащиеся обязательно должны знать округленные: значения элементарного заряда и массы покоя электрона: е=1,6*10-19 Кл, me=9,1*10-31 кг.

Центральное место в разделе «Электродинамика» при изучении электрических зарядов занимает закон сохранения электрического заряда, который подтверждается всеми без исключения наблюдениями, проводившимися до сих пор. Школьникам дают возможное здесь доказательство справедливости закона сохранения заряда: одновременное появление противоположных по знаку, но равных по модулю зарядов при контактной электризации тел. Позднее они узнают о появлении двух противоположно заряженных частиц в процессе рождения электронно-позитронной пары, а также превращение электронно-позитронной пары в фотоны, что также является доказательством этого закона. Можно рассказать еще, что любые процессы электризации тел (через влияние, химическая электризация в гальваническом элементе, фотоионизация и др.) сводятся по существу к разделению равных по модулю зарядов с противоположными знаками. Но не менее важно уяснить еще одно свойство заряда - его инвариантность, т. е. независимость модуля заряда от скорости движения заряженной частицы, а значит, и от системы отсчета.

Основные знания, которые должны приобрести школьники о взаимодействии зарядов, сводятся к следующему. Для неподвижных заряженных тел взаимодействие носит кулоновский характер. В случае движущихся зарядов сила электромагнитного взаимодействия существенно зависит от модуля и направления скорости. Соответственно электромагнитное взаимодействие как бы состоит из двух компонент: электрической и магнитной. Лишь в отдельных случаях (в некоторых системах отсчета) электромагнитное взаимодействие носит только электрический или только магнитный характер. Но поскольку скорость тела зависит от системы отсчета, то взаимодействие, его характер определяется системой отсчета.

Принципиально важно все время подчеркивать школьникам - взаимодействие между заряженными телами (частицами) осуществляется через поле. Заряженные тела (частицы) непосредственно друг с другом не взаимодействуют.

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Различные проявления электромагнитного поля (электростатическое, стационарное и. вихревое электрические поля) в курсе физики одиннадцатилетней школы изучают в нескольких темах.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Самый простой случай электромагнитного взаимодействия проявляется при создании поля покоящимися заряженными телами. В этом случае электромагнитное поле предстает как поле электростатическое. Электростатическое поле изучают в теме «Электрическое поле».

Электростатическое поле-поле покоящегося электрического заряда; оно потенциально, безвихревой характер электростатического поля обусловлен его происхождением. Все это должно найти отражение в подходах к изучению учебного материала.

Анализ потенциальности электрического поля точечного заряда очень важен. Например, если ограничиться рассмотрением только однородного электрического поля (как это делают в большинстве учебных пособий), то у ребят может возникнуть нежелательная ассоциация: «однородное поле-потенциальность». Такая ассоциация, будучи применима к магнитному полю, нередко приводит к затруднениям в понимании того, почему магнитное поле, которое тоже может быть однородным, не является потенциальным. В то же время сферически симметричного постоянного магнитного поля с радиально расходящимися линиями магнитной индукции в природе не существует ввиду отсутствия в природе магнитных зарядов. Это объясняет разницу в свойствах электрического и магнитного полей.

При рассмотрении работы, совершаемой полем над зарядом, подводим десятиклассников к пониманию существа тех свойств электрических сил, благодаря которым их работа не зависит от формы траектории (их центральный характер и зависимость только от координат).

Установив потенциальный характер электростатического поля, вводят понятие потенциала. Потенциал можно найти, если известно распределение заряда в пространстве. Физический смысл потенциала определяется физическим содержанием вектора напряженности . Но если напряженность является силовой характеристикой, то потенциал является энергетической характеристикой.

Потенциалом электростатического поля ц называют физическую величину, определяемую отношением потенциальной энергии заряда, находящегося в электрическом поле, к этому заряду. Обычно оперируют разностью потенциала ц1- ц2, которую выражают через работу по перемещению заряда из одной точки поля в другую. Эта работа равна изменению потенциальной энергий заряда, но с противоположным знаком. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы правильно брать направление перемещения электрического заряда.

Где А12 - работа по перемещению заряда из начальной точки в конечную. Подчеркивают, что работа не зависит в электростатическом поле от формы пути, а ее знак зависит от направления (откуда и куда движется заряд). Легко видеть, что

А12=q(ц1- ц2),

где точка 1 - начальная, а 2 - конечная точка перемещения заряда.

Учащимся объясняют лишь связь напряженности электрического поля и разности потенциалов (Е=U/?D), где расстояние ?D взято по направлению вектора напряженности Е.

Резюмируя сказанное, можно наметить такую последовательность рассуждений при введении понятия потенциала: а) устанавливают факт независимости работы поля от пути перемещения заряда в поле из одной точки в другую; б) зафиксировав одну из точек (нулевая точка), характеризуют все остальные точки работой по перемещению единичного заряда из исследуемой точки в нулевую; эта характеристика - потенциал имеет смысл потенциальной энергии единичного положительного пробного заряда, помещенного в данную точку; в) модуль и знак потенциала определяются выбором нулевого уровня; г) при выборе нулевого уровня в бесконечно удаленной точке пространства потенциалы всех остальных точек поля, созданного положительным зарядом, имеют положительный знак, а потенциалы точек в поле отрицательного заряда - отрицательный знак; д) потенциалы поля, созданного совокупностью зарядов, находятся алгебраическим суммированием потенциалов полей отдельных зарядов; е) под действием поля-свободные положительные заряды движутся в сторону уменьшения потенциала, а отрицательные--в сторону увеличения потенциала; ж) вводят понятие эквипотенциальной поверхности и устанавливают, что линии напряженности электростатического поля в точке пересечения перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям и направлены в сторону убывания потенциала; модуль вектора напряженности равен изменению потенциала на единицу длины в направлении действия силы, т. е. вдоль нормали к эквипотенциальной поверхности.

Теперь рассматривают закон Кулона, установленный с помощью фундаментального опыта. Если скорость электромагнитного поля была бы бесконечно большой, то закон Кулона был бы одинаково справедлив как для неподвижных, так и для движущихся зарядов. Но тогда понятие электромагнитного поля оказалось бы излишним, его никак нельзя было бы обнаружить. Поскольку электромагнитные сигналы распространяются с большой, но конечной скоростью, взаимодействие движущихся зарядов нельзя рассмотреть без электромагнитного поля. Подобные рассуждения убеждают десятиклассников в том, что электромагнетизм неразрывно связан с конечностью скорости света или, говоря по-иному, является релятивистским разделом физики.

СТАЦИОНАРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ, НАПРЯЖЕНИЕ, ЭДС

Для длительного существования тока в проводнике в нем должно постоянно существовать электрическое поле. Это поле должно непрерывно поддерживать движение заряженных частиц в проводнике.

На основе анализа свойств электростатического поля, с которым школьники уже знакомы, следует показать, что данный вид электрического поля не может поддерживать движение заряженных частиц в проводнике. Действительно, без восполнения энергии статическое поле не может постоянно двигать заряды, совершая при этом работу. Известно также, что разность потенциалов на любом участке цепи при постоянном токе остается неизменной.

Факт существования электромагнитного поля как внутри, так и вне проводников при протекании в них тока можно продемонстрировать экспериментально.

Электромагнитное поле постоянного тока имеет как электрическую, так и магнитную составляющую (компоненты). Но оказывается, что эти компоненты не связаны между собой и их можно изучать отдельно.

В-третьих, надо сообщить, что стационарное электрическое поле-поле потенциальное, как и электростатическое. Источниками его являются как бы неподвижные заряды.

Энергетической характеристикой стационарного электрического поля является напряжение.

Принято, что знак ЭДС зависит от направления тока и направления обхода цепи. Итак, напряжение U характеризует стационарное электрическое поле. Разность потенциалов (ц1- ц2) - энергетическая характеристика кулоновского (электростатического) поля.

В программе одиннадцатилетней школы понятие о напряжении включено в тему «Электрическое поле», т. е. его связывают с электростатическим полем и с разностью потенциалов. При этом закон Ома для участка цепи записывают в виде U=IR, где под U понимают падение напряжения. Закон Ома для полной цепи , из которого следует , т.е. электродвижущая сила источника тока равна сумме падений напряжения на внешнем и внутреннем участке цепи. При таком подходе напряжение (как разность потенциалов) является характеристикой кулоновского поля.

Различная трактовка понятия напряжения играет существенную роль лишь в случае участка цепи, содержащего ЭДС, если же на участке цепи нет источника ЭДС (именно этот случай и рассматривают в школьном курсе физики), то и при первой трактовке U=( ц1- ц2)+е напряжение тождественно разности потенциалов.

Рис. 2

Для изучения законов постоянного тока применяют различные источники питания, например ВС 4-12 (см. рис.). Напряжение питающей электросети -127 или 220 В. Частота тока - 50 Гц. Ступени выпрямленного напряжения - 4,6,8,10,12 В. Максимальный выпрямленный ток - 3 А. Максимальная потребляемая мощность в первичной цепи (при параметрах во вторичной цепи 12 В ,3 А) - 75 Вт.

Рис. 3

Наибольшее распространение получил источник ВС-24 или ВС-24 М (см. рис). При номинальном напряжении питающей сети и при нагрузке вторичной цепи 10 А прибор обеспечивает получение выпрямленного регулируемого напряжения от 0 до 24 В+10% и регулируемого переменного напряжения от 0 до 30 В+10%. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока 127 или 220 В Частотой 50 Гц.

Потребляемая мощность выпрямителя при максимальной нагрузке вторичной цепи 450 Вт.

Для измерения напряжения и силы тока в цепи используют демонстрационные вольтметры и амперметры (см. рис). Амперметр и вольтметр демонстрационные (учебные) являются измерительными приборами для постоянного и переменного тока.

Прилагаемые к амперметру сменные шунты позволяют пользоваться прибором в качестве амперметра постоянного и переменного тока с пределами измерений 0-3А и 0-10А.

Кроме этого, прибор может быть использован в качестве гальванометра постоянного тока с «0» посередине шкалы, чувствительного к малым токам.

Сменные добавочные резисторы, прилагаемые к вольтметру, дают возможность пользоваться им как вольтметром постоянного тока с пределами измерений 0-5В и 0-15В и переменного тока с пределами измерений 0-15В и 0-250В.

Прибор в качестве гальванометра постоянного тока с «0» посередине шкалы чувствителен к малому напряжению.

Как амперметр переменного тока прибор имеет два предела измерений: 3 А и 10 А.

Соответственно в приборе имеются две рабочие шкалы переменного тока, нанесенные на двух сторонах подшкальника, на пластмассовой планке которого обозначен знак «~» (переменный ток).

Шкала на 3 А имеет три оцифрованных деления: 1,2,3 А. Расстояния между делениями 1-2 и 2-3 разделены еще на 5 делений, цена каждого деления - 0,2 А.

Между 0 и 1 имеются два добавочных деления, отмечающие 0,4 А и 0,6 А. Шкала на 10 А имеет основные деления ценой 1 А. Эти деления разделены пополам (более короткой чертой); следовательно, цена мелких делений - 0,5 А. На шкале отсутствует деление для 1 А, первое деление - 2 А, второе деление - 3 А. Эти деления на шкалах отмечены точкой.

Как уже было указано выше, прилагаемые к прибору шунты служат и для измерений на постоянном токе. Обмотка рамки прибора непосредственно подключается к нижним зажимам с надписью «Гальванометр». Если подключать внешнюю электрическую цепь к этим зажимам, то прибор будет работать в качестве гальванометра, чувствительного к току.

Цена деления гальванометра - не более 5.10-5 А. Так как шкала гальванометра имеет по 5 делений в каждую сторону от нуля, то это обозначает, что для отклонения стрелки от нуля до конца шкалы (5 делений) необходим ток силой не более 0,25 мА.

Рис. 4

Вольтметр постоянного тока имеет два предела измерений: 5 В и 15 В. Соответственно в приборе имеется две рабочие шкалы, нанесенные на двух сторонах подшкальника, на пластмассовой планке которого обозначен знак «-» (постоянный ток). Шкала на 5 В имеет пять оцифрованных деления. Цена одного деления - 1 В. Основные деления разделены пополам (более короткой чертой); следовательно, цена этих делений - 0,5 В.

Шкала на 15 В имеет 15 делений, из них оцифрованы деления 5,10,15.

Цена одного деления на этой шкале - 1 В. К прибору приложены для этих пределов измерений напряжений постоянного тока две добавочные катушки. Как вольтметр переменного тока прибор имеет два предела измерений: 15 В и 250 В. соответственно в приборе имеются две рабочие шкалы, нанесенные на подшкальнике, на пластмассовой планке которого обозначен знак «~» (переменный ток). Шкала на 15 В имеет 15 делений, из них оцифрованы деления 5,10 и 15. Цена одного деления - 1 В. Шкала на 250 В имеет деления по 50 В. Основные деления разделены пополам (более короткой чертой): следовательно, эти деления имеют цену 25 В.

К прибору приложены для этих пределов измерений напряжений переменного тока две добавочные катушки. Устройство катушек аналогично устройству катушек к вольтметру переменного тока. На каждой катушке указаны род измеряемого напряжения (знак «~) и верхний предел измерений (15 В и 250 В).

Величина сопротивления каждой катушки подгоняется индивидуально к прибору. На каркасах наносится номер прибора.

Для работы с прибором в качестве вольтметра переменного тока необходимо:

В передний паз в крышке прибора опустить шкалу переменного тока необходимого предела измерений;

Вращая головку корректора, установить стрелку на нуль шкалы;

Под зажим прибора, помеченный знаком «~» (крайний левый зажим), поджать угольник катушки добавочного резистора необходимого предела измерений;

Присоединить проводники от источника измеряемого напряжения к среднему зажиму прибора (общему для переменного и постоянного тока) и к зажиму на каркасе катушки добавочного резистора.

Вольтметр может использоваться как гальванометр. Обмотка рамки прибора непосредственно подключается к нижним зажимам с надписью «Гальванометр». Если подключить внешнюю цепь к этим зажимам, то прибор будет работать в качестве гальванометра, чувствительного к напряжению.

Цена деления гальванометра не больше 2.10-3 В., так как шкала гальванометра имеет по 5 делений в каждую сторону от нуля до конца шкалы (5 делений) необходимо напряжение не больше 10мВ. Действительная цена деления данного экземпляра гальванометра указывается на его шкале.

Шкала гальванометра нанесена на подшкальнике с пластмассовой планкой, помеченной буквой «Г».

После опускания в передний паз крышки прибора шкалы гальванометра нужно головкой корректора установить стрелку на нуль шкалы. При работе с гальванометром необходимо помнить о его высокой чувствительности и не подключать его к источнику большого напряжения во избежание сгорания обмотки рамки или поломки стрелки.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЕГО ОСОБЕННОСТИ

Понятие магнитного поля - основное понятие темы «Магнитное поле». С магнитным полем учащихся знакомят после того, как их уже ознакомили с электростатическим и электрическим стационарным полями. Поэтому, изучая свойства магнитного поля, целесообразно сравнивать свойства и особенности этих полей.

Сначала рассмотрим магнитное поле, которое связано с равномерно движущимся зарядом или постоянным током. В отличие от электростатического и стационарного полей, магнитное поле не потенциально, а имеет вихревой характер. У десятиклассников возникают особые трудности при выяснении вопроса: почему магнитное поле не является потенциальным? Дело в том, что обычно потенциальный характер электростатического поля утверждается из равенства нулю работы по перемещению заряда по замкнутому контуру в данном поле. Если же работа по перемещению заряда вдоль замкнутого контура в некотором поле отлична от нуля, то поле будет вихревым. Далее рассуждают аналогично: раз магнитное поле вихревое, то работа сил магнитного поля по замкнутому пути не равна нулю. Но при изучении действия магнитного поля на заряды (сила Лоренца) школьников убеждают в том, что магнитное поле вообще не совершает работы при перемещении зарядов.

Вихревое поле нельзя описать с помощью скалярной величины, подобно потенциалу электростатического поля ц.

Изучение свойств электрического и магнитного полей целесообразно проводить в одной и той же последовательности, так как это позволит лучше выявить различие этих видов полей. Сначала показывают, что магнитное поле действует только на движущиеся электрические заряды (на покоящиеся оно не действует).

Если в магнитное поле вводят проводник с током, и он при этом перемещается, то в этом магнитном поле работа совершается. Она связана с действием силы Ампера

Магнитные силы не центральны, следовательно, магнитное поле не может быть центральным.

Работа магнитных сил равна нулю. Магнитное поле не совершает работы над зарядами. Магнитное поле, как и электростатическое, обладает некоторым запасом энергии. Надо помнить, что говорить о количественном выражении энергии магнитного поля можно только после ознакомления школьников с явлением электромагнитной индукции.

Выясняя свойства магнитного поля, необходимо не только указать на вихревой характер данного поля, но и показать спектры различных полей: прямолинейного проводника с током, контура, соленоида. Следует научить учащихся практически определять направление силы, действующей на заряд и проводник с током в магнитном поле, а также направление линий вектора магнитной индукции.

Кроме того, подчеркивают и экспериментально подтверждают, что магнитное поле связано с любым движущимся зарядом.

ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Школьники уже изучили потенциальные электростатическое и стационарное поля, а также вихревое магнитное поле. Теперь их нужно познакомить с вихревым электрическим полем, а также с изменениями во времени электрического и магнитного вихревых полей, со связью этих полей. Все это удается сделать при изучении явления электромагнитной индукции, открытого М. Фарадеем. Им же был сформулирован и закон электромагнитной индукции; во всех случаях ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную контуром, взятую с обратным знаком. Этот закон записывают в дифференциальном виде, но в школьном курсе вместо дифференциалов берут конечные приращения, или изменения. ЭДС электромагнитной индукции

Знак «минус» в законе объясняется правилом Ленца или законом сохранения энергии.

Явление электромагнитной индукции демонстрируют различными способами: при движении проводника в поле неподвижного магнита; при движении магнита относительно проводника; в моменты включения и выключения тока в катушке электромагнита; при увеличении и уменьшении тока в индукционной катушке. Таким образом, рассматривают все возможные случаи изменения магнитного потока, пронизывающего данный контур, случай относительного движения проводника и магнита.

На существование вихревого электрического поля было указано Дж. Кл. Максвеллом. Ученый детально проанализировал явление электромагнитной индукции и сделал вывод: причина появления ЭДС индукции заключается в возникновении вихревого электрического поля.

Индукционное электрическое поле имеет ряд особенностей (отличается от поля покоящегося заряда, поля постоянного тока), так как оно не вызвано каким-то определенным распределением зарядов, а определяется изменением магнитного поля.

Особенности вихревого электрического поля целесообразнее выяснить, сравнивая его с другими видами полей, а именно: электрическим, имеющим потенциальный характер, и магнитным полем, которое, как и индукционное электрическое поле, является вихревым.

Индукционное электрическое поле, в отличие от электростатического, не потенциально, оно является полем вихревым: линии напряженности вихревого электрического поля замкнутые (они представляют собой окружности, охватывающие изменяющийся магнитный поток), подобно линиям индукции магнитного поля прямолинейного проводника с током.

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА В РАЗДЕЛЕ «ЭЛЕКТРОДИНАМИКА». КЛАССИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ

ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

В 1900 г. П. Друде разработал теорию электропроводности металлов, которую затем усовершенствовал Г.А. Лоренц. Электронная теория Лоренца дала электронную картину электромагнитных явлений. Объяснение различных свойств вещества существованием и движением в нем электронов составляет содержание электронной теории. Классическая электронная теория предполагает:

1) Движение электронов подчиняется законам классической механики.

2) Электроны друг с другом не взаимодействуют.

3) Электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решетки, взаимодействие это сводится только к соударениям,

...