Основы электродинамики

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Научно - методический анализ раздела «Основы электродинамики»

1. Содержание и научно-методический анализ учебного материала

Место и роль темы в курсе физики

Раздел "Основы электродинамики" занимает важнейшее место в курсе физики, на его изучение отводится 30% от общего времени. Основы закладываются в основной школе в 8 классе. От уровня усвоения тем «Электрические явления» и «Магнитные явления» зависит ее дальнейшее понимание при последующем изучении, в 10 или 11 классе, в зависимости от выбора профиля изучения материала.

Данный раздел является одним из сложнейших, так как большинство понятий абстрактны, их нельзя почувствовать, увидеть, они сложны для понимания. Учителя физики должны решать весьма сложные общеобразовательные, воспитательные задачи и задачи развития учащихся. Этим и определяется в первую очередь значение раздела "Основы электродинамики".

Раздел содержит полезный материал для решения задач политехнического образования: расчеты физических величин, знакомство с различными электроизмерительными приборами, сборка электрических цепей и др. В нем рассматриваются следующие вопросы: электризация тел, электрический заряд, два вида заряда, взаимодействие зарядов, закон сохранения зарядов, электрическое поле, действие электрического поля на электрические заряды, проводники, диэлектрики, полупроводники, конденсатор, энергия электрического поля конденсатора, элементарный электрический заряд, закон сохранения элементарного заряда, сила тока, напряжение, сопротивление, закон Ома, работа и мощность электрического тока, закон Джоуля-Ленца.

Проводятся следующие демонстрации и лабораторные работы: электризация тел, два рода зарядов, устройство и действие электроскопа, проводники и изоляторы, электризация через влияние, устройство конденсатора, энергия заряженного конденсатора.

Наблюдение электрического взаимодействия тел.

Взаимосвязь этих вопросов отражена в блок-схеме.

b. Блок схема.

c. Краткая историческая справка

Еще в глубокой древности люди заметили, что янтарь, потертый о шерсть, приобретает способность притягивать к себе различные тела: соломинки, пушинки, ворсинки меха и т.д. В дальнейшем установили, что этим свойством обладают и другие вещества: стеклянная палочка, потертая о шелк, палочка из органического стекла, потертая о бумагу, эбонит, потертый о сукно или мех.

В 1745г. Голландский ученый Питер Мушенберг разослал из Лейдена сообщение об эксперименте, который вошел в физику под названием «лейденского опыта». Опыт проводился с «лейденской банкой» - первым конденсатором - два проводника, разделенных слоем диэлектрика. В стремлении усилить электрическое действие, Винклер начал соединять лейденские банки в батареи. Ему удалось таким образом получить искры, которые были видны и слышны на расстоянии до двух сот шагов.

В 1750г. Франклин изложил идею молниеотвода для предохранения зданий и кораблей от ударов молнии, а в 1953г. Описал наиболее эффективную модель молниеотвода. Так же он выдвинул теорию о том, что электричество - это особая форма материи; она состоит из частиц, размеры которых меньше размеров частиц “обычного” вещества; между электрическими частицами действуют отталкивающие силы. Он объясняет существование “стеклянного” и ”смоляного” электричества. Так в физике появились понятия положительного и отрицательного заряда.

Со второй половины XVIIIв. появилось понятие количества электрической жидкости.

С 1785 по 1789гг. Кулон проводил опыты по кручению нити, обнаруживающие пропорциональность между моментом закручивающей нити и углом, которые привели его к точным измерениям электрических и магнитных сил. Кулон заключил: “Сила отталкивания двух больших одинаково наэлектризованных шариков, обратно пропорциональна квадрату расстояния центров обоих шариков”.

В 1838г. Фарадей дает первую формулировку закона сохранения электрического заряда.

Открытие постоянного электрического тока и изучение его свойств началось в XIXв.

В сентябре 1786г. Профессор анатомии и медицины Луиджи Гальвани обнаружил факт, который спустя пять лет в “Трактате о силах электричества при мышечном движении” описал в следующих словах: “Если держать лягушку пальцами за одну лапку так, чтобы крючок (медный) проходил через спиной мозг, касался бы какой-нибудь серебряной пластинки, а другая лапка свободно могла касаться той же пластинки то как только эта лапка касается указанной пластинки, мышцы начинают немедленно сокращаться”.

В 1785г. он обобщает свои исследования и формулирует фундаментальный вывод: “Животные организму в данных опытах надо рассматривать как чисто пассивные, как простые электроскопы особого рода и, наоборот, активными являются проводники, приведенные ко взаимному соприкосновению, лишь бы они были различными”. А Вольта предлагает разделить все проводники на “сухие” - металлы, некоторые минералу, уголь, ”влажные”.

В 1800г. английский естествоиспытатель Гемфри Дэви собирает водород и кислород в отдельные сосуды и демонстрирует возможность точного определения их объемных отношений, таким образом, он проводит первый физико-химический анализ. В 1808г. он проводит электролиз щелочей и выделяет новые элементы - натрий и калий, а затем металлы щелочных земель. За ним Иоганн Риттер производит электролиз медного купороса и выделяет медь.

В 1812г. Дэви открыл электрическую дугу.

В 1815г. уже было известно, что металлы имеют различную проводимость.

В 1821г. Дэви установил, что металлы можно разложить в ряд по возрастающей проводимости.

В 1920г. немецкий физик Иоганн Швейгер изобрел первый прибор для измерения силы тока - мультипликатор и Георг Симон Ом начал свои эксперименты. Ом вводит понятие “электроскопической силы”, пользуется понятием силы тока и записывает закон для участка цепи.

В 1832г. Фарадей посвящает специальную серию исследований доказательству тождественности “обыкновенного”, гальванического электричества, термоэлектричества и т.д.

В 1833г. Фарадей проводит исследования электропроводимости.

В 1834г. Гаррис показал, что проводимость воздуха не изменяется при нагревании.

В конце XIXв. после открытия электрона начала развиваться электронная теория проводимости. Ее начало дал Друде, а продолжил Лоренц.

В 1911г. Гейке Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости.

Явление электролиза открыли в начале XIXв., а в его конце был открыт электрон Томсоном и стало ясно, что “молекула электричества” Максвеллу и “атом электричества” Гельмгольца есть заряд элементарной частицы вещества, называемый теперь элементарным зарядом.

1820г. Био и Савар проводят опыты по магнитному действию на тела. Ампер формулирует правило определения направления магнитного действия тела. В начале этого года Ампер открыл притяжение и отталкивание параллельных токов. А Фарадей пытается превратить “магнетизм в электричество”. Решение чего пришло в 1831г., когда он предположил, что индукция должна возникать при нестационарном процессе - основа открытия явления электромагнитной индукции. Математическое выражение закона электромагнитной индукции дал в 1873г. Максвелл.

2. Возможности учебного материала для развития мировоззрения, мышления, политехнического развития обучения

Научные возможности темы.

Научные возможности темы "Основы электродинамики" огромны. Здесь учащиеся знакомятся с новыми физическими величинами, законами, значение и тех и других очень важно в жизни: учащиеся впервые знакомятся с новыми физическими величинами и единицами их измерений; знакомятся с новыми физическими явлениями (электризация тел, делимость заряда и др.); знакомятся с новыми законами физики - законом Ома и Джоуля - Ленца, законом сохранения; углубляется представление о фундаментальных физических величинах - работе, мощности; знакомятся с новым видом существования материи - электрическим полем; подчеркиваются физические характеристики поля, заряда, вещества - напряжение, сила тока, сопротивление; углубляются знания о строении вещества, а именно тема позволяет "заглянуть" внутрь атома и показать его строение по модели Резерфорда; узнают о том, что существуют два вида зарядов; рассматривают основы электронной теории.

Мировоззренческое значение темы.

Тема позволяет накопить материал для последующих обобщений и создать у учеников представление о материи и ее движении и о взаимосвязи явлений: убеждаем в существовании явления электризации тел в природе; показываем, сложность атома; убеждаем в существовании особого вида материи - электрического поля; подчеркиваем характеристики заряда, поля, проводника; подчеркиваем связь между силой тока, сопротивлением и напряжением; убеждаем в реальной объективности закона Ома для участка цепи при последовательном и параллельном соединениях; убеждаем в существовании закона Джоуля - Ленца; показываем исторический аспект темы, развитие данного раздела физики и техники отечественными и зарубежными учеными; показываем отличие движения заряженных частиц в проводнике и сверхпроводнике; показываем различие между электрическими и гравитационными полями; убеждаем, что всякое взаимодействие передается с конечной скоростью.

Развивающее значение темы.

Данная тема обладает большими возможностями для развития умений наблюдать, анализировать конкретные ситуации, выделять определенные признаки, сравнивать наблюдаемые явления: данная тема вносит большой вклад для развития логического и абстрактного мышления; используются аналогии; широко используется экспериментальный метод; развиваются умение строить и читать графики, строить схемы электрических цепей, читать эти схемы, собирать их; развитие умений видеть в быту, технике электрические явления и объяснять их с помощью изученного материала; развитие умений, навыков работы с приборами: амперметром, вольтметром, реостатом; продолжение развития умений работать с учебником, справочником, умений делать записи в тетрадях и т.п.

Политехническое значение темы.

Значение темы в политехническом аспекте огромно, т.к. учащиеся на каждом шагу сталкиваются с электричеством в повседневной жизни. С изучением данной темы программа предусматривает формирование у учащихся целого ряда практических умений и навыков: сборка простейших электрических цепей; включение измерительных приборов в цепь; измерение силы тока, напряжения, ЭДС; определение сопротивления проводников; измерение силы тока в цепи с помощью реостата; определение работы и мощности тока; расчет полного сопротивления, напряжения, силы тока при различных соединениях элементов цепи.

3. Физический эксперимент

Электризация тел.

Оборудование: 1)маятник электрический на изолирующем штативе, 2)палочка из органического стекла, 3)палочка из эбонита, 4)кусок меха.

Опыта показывает факт электризации тел. Палочку из органического стекла натирают куском меха, а затем осторожно подносят к висящей на шелковой нити станиолевой гильзе электрического маятника. Гильза притягивается к палочке, обнаруживая тем самым, что палочка находится в необычном состоянии: она наэлектризована.

Опыт повторяют, заряжая трением о мех эбонитовую палочку или гребенку из пластмассы, трением о бумагу - стеклянную палочку или сургуч, и получают каждый раз тот же результат: наблюдают притяжение маятника к наэлектризованному телу.

Два рода зарядов.

Оборудование. 1)маятники электрические на изолирующих штативах (пара), 2)палочка из органического стекла, 3)палочка из эбонита, 4)кусок меха.

Заряженную трением о мех палочку из органического стекла подносят к станиолевой гильзе электрического маятника. Гильза сначала притягивается к палочке, но, коснувшись последней, отскакивает и удерживается на некотором расстоянии от нее. Опыт показывает, что во время соприкосновения часть заряда с палочки переходит на гильзу, после чего возникает взаимодействие двух заряженных тел, которое проявляется во взаимном отталкивании.

Тем же способом заряжают второй маятник и показывают их взаимное отталкивание, сдвигая штативы маятников и сближая точки подвеса нитей.

После этого один из маятников заряжают палочкой из органического стекла, а другой - из эбонита. Затем сближают маятники, не давая им соприкасаться, и наблюдают притяжение. Раздвинув маятники, подносят поочередно то к одному, то к другому маятнику заряженную палочку и наблюдают в одном случае притяжение, а в другом - отталкивание.

Результаты наблюдений позволяют сделать вывод о существовании электрических зарядов двоякого рода, а также о том, что однородные (одноименные) заряды взаимно отталкиваются, разнородные (разноименные) - притягиваются.

Далее заряжают электрические маятники разноименно и медленно сближают их до тех пор, пока они, притягиваясь, не коснутся друг друга. После соприкосновения гильзы опадают и практически оказываются почти незаряженными.

Устройство и действие электроскопа, электрометра.

Оборудование: 1)электроскоп или электрометр, 2)палочка из органического стекла, 3)кусок меха.

Электроскоп - прибор чувствительный и удобный, служит для обнаружения заряда. Главной части электроскопа является металлический стержень с двумя подвешенными к нему станиолевыми полосами - лепестками. Все остальное (стеклянная банка, пробка) служит только для установки главной части и защиты ее от повреждения.

Для демонстрации действия электроскопа электризуют палочку, а затем заряжают ею электроскоп. В результате отталкивания одноименных зарядов станиолевые лепестки у заряженного электроскопа разойдутся на больший или меньший угол в зависимости от величины сообщенного заряда.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Проводники и изоляторы.

Оборудование: 1)электроскопы (пара), 2)разрядник прямой на изолирующей ручке, 3)линейка деревянная ученическая, 4)палочка стеклянная, 5)палочка из органического стекла, 6)кусок меха.

Устанавливают рядом два электроскопа и, зарядив один из них с помощью палочки из органического стекла, соединяют шарики электроскопов проволочным разрядником, держа его за изолирующую ручку. Лепестки заряженного электроскопа резко опадают, а незаряженного - расходятся так, что углы между лепестками в обоих электроскопах оказываются одинаковыми. Это значит, что электрический заряд распределился поровну между двумя электроскопами.

Повторяют опыт, но шарики электроскопов соединяют деревянной линейкой, держа ее на планке из органического стекла. При этом наблюдается медленное опадание лепестков одного электроскопа, в то же время лепестки другого электроскопа так же медленно расходятся.

Соединяют заряженный электроскоп с незаряженным, прикасаясь к шарикам стеклянной палочкой, и демонстрируют отсутствие каких-либо изменений в показаниях приборов. Прикоснувшись к заряженному электроскопу проволокой, присоединенной к водопроводному крану, или специально сделанному заземлению, показывают, что заряд таким способом может быть отведен в землю. Прикосновение руки дает тот же эффект, следовательно, человеческое тело - проводник.

Этих опытов достаточно для выводов о существовании проводников и изоляторов и для показа их применения в демонстрируемых приборах (изолирующие ручки, подставки и т. п.).

Электрометр - электроскоп, вместо лепестков на металлическом стержне укреплена стрелочка. Она заряжаясь от стержня отталкивается на некоторый угол.

Электризация через влияние.

Оборудование: 1)электроскопы (пара), 2)палочки из схимнического стекла, 3)палочка эбонитовая, 4)металлическая трубка на изолирующей ручке, 5)кусок мехи, 6) кусок листовой резины.

Опыт состоит из трех отдельных демонстраций, которыми решают следующие задачи: 1)выясняют явление электростатической индукции, 2)показывают применение этого явления для определения знака неизвестного заряда, 3)показывают способ получения электрических зарядов через влияние.

1. К шарику незаряженного электроскопа медленно приближают палочку из органического стекла, заряженную трением о мех. Лепестки электроскопа расходятся тем больше, чем ближе к шарику расположена палочка. При удалении палочки лепестки вновь опадают.

Из проведенного опыта пока нельзя сделать никаких определенных заключений о знаке полученного на лепестках заряда.

2. Палочкой из органического стекла, потертой о мех, сообщают электроскопу положительный заряд, так чтобы угол отклонения лепестков был не слишком большим. Возобновив на палочке положительный заряд, приближают ее к стержню заряженного положительно электроскопа. Угол отклонения лепестков увеличивается.

Поднося к тому же электроскопу эбонитовую палочку, заряженную отрицательно трением о мех, замечают, что лепестки электроскопа опадают. Опыт повторяют, поменяв знак заряда электроскопа.

3. Два незаряженных электроскопа соединяют разрядником и к шарику одного из них подносят хорошо заряженную палочку. Лепестки электроскопов расходятся. Взявшись за изолирующую ручку, снимают разрядник, после чего удаляют палочку. Оба электроскопа остаются заряженными.

К шарику незаряженного электроскопа подносят заряженную палочку. Лепестки электроскопа расходятся. Прикасаются к шарику пальцем. Лепестки спадают. Отнимают от шарика палец и после этого удаляют палочку. Лепестки электроскопа расходятся, указывая на присутствие заряда.

Устройство конденсатора.

Оборудование: 1)конденсаторы постоянной емкости разные, 2)конденсатор бумажный препарированный, 3)конденсатор переменной емкости.

Для демонстрации устройства конденсатора постоянной емкости удобно воспользоваться следующими препарированными конденсаторами: бумажным конденсатором большой емкости, электролитическим конденсатором и слюдяным. Сначала показывают общий вид различных конденсаторов, а затем отдельные детали устройства: обкладки, диэлектрик, корпус, проходные изоляторы.

Энергия заряженного конденсатора.

Оборудование: 1)батарея конденсаторов демонстрационная, 2)выпрямитель ВУП-1, 3)вольтметр демонстрационный с дополнительным сопротивлением 33 ком, 4)панель с четырьмя лампами накаливания, 5)переключатель однополостной демонстрационный, 6)провода соединительные.

Собирают установку. От выпрямителя подают напряжение 60 в,

Включают половину емкости конденсаторов и заряжают ее, замыкают на короткое время цепь зарядки переключателем. Затем переключают батарею на разрядку через одну лампу и наблюдают, как при этом лампа не очень ярко вспыхивает.

Увеличивают емкость батареи в 3 раза и при прежнем напряжении снова заряжают конденсатор. Теперь при разрядке лампа вспыхивает ярче, чем в первом случае. Подключив две лампы, повторяют опыт. По наблюдениям можно сказать, что теперь накал нитей ламп приблизительно такой же, как и в первом случае, т. е. энергия конденсатора увеличилась в 2 раза.

Далее показывают, что энергия заряженного конденсатора зависит и от разности потенциалов на его пластинах. С этой целью при напряжении 50-60 в повторяют опыт с половиной емкости батареи конденсаторов и наблюдают свечение одной лампы. Затем увеличивают напряжение в 2 раза и, подключив сразу 2 лампы, наблюдают довольно яркое их вспыхивание. Это подтверждает увеличение энергии заряженного конденсатора, во всяком случае, более чем в 2 раза. После этого подключают 4 лампы, которые вспыхивают, как и в первом случае.

Таким образом, опыт показывает зависимость энергии заряженного конденсатора от его емкости и разности потенциалов и подводит к пониманию формулы:

электродинамика электризация электроскоп конденсатор

Проводники и диэлектрики.

Оборудование: 1)изолирующие штативы (два), 2)шаровые конденсаторы, 3)диэлектрическая стрелка на подставке, 4)кусок проволоки, 5)капроновая (или шелковая) нить, 6)неоновая лампочка.

В изолирующие штативы вставляют шары из комплекта, прилагаемого к электрометрам, и устанавливают штативы по концам демонстрационного стола, напротив одного из них ставят алюминиевую стрелку. Соединив шары проволокой электризуют шар около которого нет стрелки. Затем соединяют электрометры ниткой, вместо проволоки, и повторяют опыт. Делают вывод, что проволока проводит ток, а нить нет.

Можно так же посреди проволоки включить неоновую лампочку.

4.Межпредметные и внутрипредметные связи, способы их реализации

В данной теме межпредметные связи реализуются на уроках физики по ряду вопросов.

Первые сведения по электростатике учащиеся получают на уроках природоведения. В учебнике довольно подробно в увлекательно форме описаны сведения об опытах Ломоносова по наблюдению за атмосферным электричеством и описана трагическая смерть Рихмана. В учебнике физики сведений о молниеотводе, его назначении и устройстве, а так же о том, как надо вести себя во время грозы на улице и дома, нет.

Данная тема тесно взаимодействует с курсом химии (неорганической), где рассматривают процесс образования молекул из атомов, сообщают о простых и сложных веществах дают определение атомов как химически неделимой частицы вещества. Определение атома как неделимой частицы носит условный характер. Атом неделим посредством химических реакций, однако он не "сплошной шарик", а имеет сложное строение.

На занятиях по природоведению учащимся сообщали сведения описательного характера о гальванических источниках электрического тока.

Значительные сведения и практические умения учащиеся получают по материалу этой темы на занятиях по трудовому обучению. Так на уроках трудового обучения уже во втором классе учащиеся получают представление о простейших проводниках и изоляционных материалах. В шестом классе им дают понятие об электрической цепи и её элементах, условные обозначения некоторых электрических приборов, они собирают неразветвленную электрическую цепь. В шестом классе предусматривают умение читать электрические схемы, а в седьмом классе дают сведения о параллельном соединении и проводят практическую работу по сборке разветвленных цепей.

В пятом классе учащиеся на уроках природоведения на опытах убеждались, а том, что медная, алюминиевая и железная проволоки хорошо проводят электрический ток, а стекло, дерево, резина, фосфор - не проводят, узнают, для чего изолируют провода. В программе трудового обучения предусмотрены работы по сращиванию, ответвлению и зачистке проводов, по монтажу учебных схем проводки и изучению схемы квартирной осветительной цепи.

Эти сведения помогут на уроках физики в восьмом классе изучить проводники и непроводники электричества, объяснить электрические свойства проводников и изоляторов.

На основе электронных представлений объясняют явление притяжения наэлектризованных тел. Это позволяет расширить и уточнить ранее изучение знания об электрическом токе и цепях, дать им научное объяснение.

Главное в этой теме - формирование понятий силы тока, электрического напряжения, сопротивления проводника, потенциала, ЭДС, единиц их измерения, законы Ома, закон Джоуля-Ленца, закон Фарадея. Выражается функциональная связь между этими величинами. Опираясь на знания по математике, дают графическое изображение зависимости , при и при .

На уроках трудового обучения в шестом классе по этому курсу изучали устройство бытовых ламп накаливания, электрических патронов и выключателей, а в седьмом классе - назначение и устройство плавких предохранителей, явление короткого замыкания и способы его предотвращения. Это должно быть учтено в курсе физики восьмого класса, чтобы избежать ненужного дублирования учебного материла.

При изучении данного раздела учащиеся должны узнать о работах русских и зарубежных ученных и изобретателях, их работах, открытиях, благодаря которым век пара сменился веком электричества.

Однако важно не только использовать знания учащихся по другим предметам на уроках физики, но и нацелить школьников на серьезное и глубокое осознание актуализации полученных ими знаний по физике.

Особенности методики изучения темы трудности и способы их устранения.

В связи с тем, что тема логически построена правильно и содержит материал с которым учащиеся сталкиваются в жизни, она не вызывает большой сложности.

Особенности методов преподавания данной темы определяется задачами обучения, учетом возрастных, психических и физиологических способностей учащихся, их общим развитием и общеобразовательной подготовкой.

Все явления данной темы должны раскрываться на эмпирическом уровне. При ее изучении учебный физический эксперимент должен быть основным средством обучения. Опыт должен характеризоваться глубоким содержанием, логической завершенностью, красотой исполнения.

Для большей эффективности учебного процесса рекомендуется учитывать степень важности отдельных вопросов темы при распределении времени на закрепление, объяснение и контроль знаний учащихся, т.е. осуществлять дифференцированный подход к изучению материала. Если вопрос относится к основным, то на нем следует остановиться более детально, а закрепление, повторение и опрос проводится в течение года. Вопросы вспомогательные требуют меньше внимания, знание этих вопросов через некоторое время после изучения можно уже не контролировать.

В процессе формирования изучаемых понятий, явлений и величин, их характеризующих, необходим учет жизненного опыта.

Отсутствие у человека непосредственного чувственного восприятия электрических явлений затрудняет их первоначального изучения, поэтому нужно создавать конкретные образы этих явлений и вскрывать их физическую сущность. Создание же таких образов возможно при применении различных аналогий и сравнений.

В данной теме много абстрактных понятий, а так как у учащихся восьмого класса еще не сформировалось абстрактное мышление, в отличии от учащихся одиннадцатого класса, то изучение этого вопроса усложняется. Происходит формальное усвоение знаний. Для избежания данной проблемы необходимо задавать вопросы по содержанию всех физических величин.

При выборе форм и методов проведения учебных занятий в восьмом классе следует иметь в виду, что учащиеся этого возраста подвижны, любят принимать участия в соревнованиях, не стесняются высказывать свои мысли вслух. Поэтому основным методом ведения урока должна стать поисковая беседа. В одиннадцатом классе эффективней проводить занятия с использованием диалогового общения. При обучении решению задач целесообразно использовать групповую форму работы; чаще практиковать уроки-соревнования, конференции, уроки с игровыми ситуациями; больше решать экспериментальные и качественные задачи, задачи с рисунками. Следует разнообразить и формы контроля знаний и умений учащихся.

Методика формирований понятий и законов.

Рассмотрим кратко методику преподавания основных вопросов темы.

Электрический заряд - одно из самых сложных для учащихся физических понятий. К нему подводят учащихся на основе опытов по электризации тел. В настоящее время имеется много материалов, с которыми опыты по электризации получаются очень хорошо: стекло, эбонит, плексиглас, капрон, шелк и т.д. В литературе описано много занимательных опытов по электризации тел. Это позволяет дать учащимся домашнее задание экспериментального характера, которые они обычно с удовольствием выполняют.

Изучение электризации тел можно начать с рассказа о том, что еще в глубокой древности было открыто свойство янтаря притягивать мелкие предметы после натирания его шерстью. Далее учитель ставит и последовательно ищет с помощью эксперимента ответы на следующие вопросы:

1) Только ли янтарь при натирании шерстью электризуется?

Обязательно ли тела тереть друг о друга?

Обязательно ли натирать тела шерстью?

Электризуется оба или одно из соприкасающихся тел?

Отличаются ли друг от друга заряды, полученные на телах, сделанных из разных веществ?

Зависит ли род заряда, полученного на данном теле, от вещества, из которого состоит тело, соприкасающееся с данным?

Как взаимодействуют тела, имеющие заряды одинакового (противоположенного) знака.

Изучение явления электризации должно привести к формированию у школьников твердых убеждений в том, что электрический заряд всегда связан с материальным носителем - телом, частицей и, с одной стороны, характеризует свойство материальных носителей "притягивать к себе другие тела", а с другой стороны - является качественной мерой этого взаимодействия.

Электрическое поле. Современные представления о взаимодействии наэлектризованных тел опирается, как известно, на представления о неразрывной связи заряженной частицы с электромагнитным полем. Поэтому программой предусмотрено вслед за введением понятия "электрический заряд" ввести понятие "электрическое поле".

Понятие электрического поля вводят, как и понятие заряда, без определения. Ссылаясь на работу Фарадея и Максвелла, учитель утверждает, что в пространстве, где находится электрический заряд, существует электрическое поле. Взаимодействие между заряженными телами осуществляется посредством электрического поля, которое с помощью наших органов чувств непосредственно не воспринимается, о его существовании судят по измерению положения или скорости движения внесенного в него другого заряженного тела. Чтобы учащиеся привыкли "видеть" вокруг каждого заряженного тела электрическое поле, необходимо ставить перед ними вопросы такого типа: "Какие измерения произойдут с телом и в окружающем его пространстве, если металлический шар, потереть мехом? Если прикоснуться к металлическому шару заряженной палочкой?" и т.п. Важно научить ребят определять заряжено данное тело или нет по наличию (или отсутствию) вблизи него электрического поля. Учащиеся должны знать, что для ответа на этот вопрос нужно располагать вблизи исследуемого тела другое заряженное тело, способное легко изменить свое положение под действием малой электрической силы (например, металлическую гильзу, подвешенную на шелковой нити). Если это тело изменило свое положение, значит, на него подействовало электрическое поле и, следовательно, исследуемое тело имеет электрический заряд.

Электрон. Строение атома. Чтобы рассмотреть строение атомов, необходимо ввести понятие об электроне. Сделать это непросто, ведь электрон не воспринимается органами чувств. Авторы учебника А.В. Перышкин и Н. А. Родина вводят понятие электрона не догматически, предлагают действовать по аналогии с введением понятия молекулы. Для этого восьмиклассникам показывают, что электрический заряд делим. Можно получить 1/29, 1/49, 1/89 и т.д. Очевидно, существует предел делимости электрического заряда - заряженная частица, имеющая наименьший в природе электрический заряд. Подобно тому, как существование наименьшей частицы данного вещества в этой логике рассуждений кажется школьникам вполне существенным, так и существование электрона - частицы с наименьшим электрическим зарядом - воспринимаются ими как факт, не требующий специальных доказательств. Поэтому дальше можно сказать: действительно с помощью очень тонких экспериментов, позволивших измерить малые изменения электрического заряда, такая частица была обнаружена. Эту частицу назвали электроном.

Теперь можно обратить внимание школьников на то, что имеющиеся у них знания об электрических явлениях, позволяют получить новые сведения о строении вещества. Действительно, они знают, что тела, состоящие из разных веществ, могут быть наэлектризованы, т.е. могут приобрести электрический заряд - заряд электрона. Следовательно, заряд любого тела связан с зарядом электрона, а, следовательно, электроны должны быть в любом теле. Но все тела состоят из атомов и молекул. Значит, электроны должны быть внутри атомов. Целесообразно продолжить рассуждения об атоме: если электроны находятся внутри атома, то внутри атома должны находится и положительно заряженные частицы, суммарный заряд которых равен суммарному заряду электронов, т.к. атом в обычных условиях нейтрален. Следовательно, опыт должен иметь цель - определить, как расположены внутри атома положительные и отрицательные заряды. Сделать это можно единственным образом - обстреливая атомы заряженными частицами и наблюдая за изменением направления их движения вследствие взаимодействия этих частиц с заряженными частицами атома. Далее следует сказать, что такой опыт был проделан Э. Резерфордом. Опыт ученного показал, что положительный заряд атома сосредоточен в очень малом объеме, а электроны расположены на большом расстоянии от положительного заряда атома. По результатам опыта Э. Резерфорд построил модель атома, в котором атом по своему строению напоминает нашу Солнечную систему. Подобно тому, как планеты, притягиваясь к Солнцу, движутся вокруг него, так и электроны в атоме движутся вокруг положительно заряженного ядра, удерживаемые силами притяжения к нему.

При рассмотрении ядерной модели атома важно создать у учащихся правильное представление о соотношении размеров ядра, электронов и атома в целом. Для этого целесообразно прибегнуть к приему сравнения, подобно тому, как это было сделано при оценке размеров молекул: если бы весь атом увеличился так, что ядро приняло размеры десятикопеечной монеты, то расстояние между ядром и электроном стало бы равно километру.

Для формирования представлений о строении атомов весьма важную роль играет самостоятельная работа учащихся по изготовлению пластилиновых моделей атомов различных химических элементов. Учащиеся должны привыкнуть к тому, что порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева характеризует заряд ядра атома и соответственно число электронов в этом атоме. Они должны научится быстро отвечать на вопросы типа: сколько электронов содержит атом водорода, кислорода, урана и т.д.? Для моделирования строения атомов необходимо рассказать, что ближайшая к ядру электронная оболочка может содержать не больше восьми, а затем предложить школьникам вылепить из цветного пластилина модели атомов водорода, гелия, лития, бериллия, бора с учетом правил заполнения электронных оболочек и строения ядра. На этих моделях легко показать, как образуется положительные и отрицательные ионы. Вслед за изготовлением пластилиновых моделей следует потренироваться в графическом изображении моделей строения атомов и ядер различных химических элементов.

Понятия "электрический заряд", "электрон", "ион", "электрическое поле" продолжают формироваться и дальше, при объяснении электризации тел, электрического тока в металлах, принципа действия источника тока, причины сопротивления проводников, теплового действия тока.

Электрический ток. Электрическая цепь. Приступая к изучению данного вопроса, восьмиклассники уже знают, что в каждом теле имеются электроны, обладающие отрицательным электрическим зарядом. В металлах часть электронов слабо связана с ядрами атомов. Электрическим зарядом обладают и другие части вещества - ионы. Все это позволяет дать определение электрического тока как упорядоченного движения частиц.

После этого ставят вопрос: что нужно для того, чтобы электрический ток возник в проводнике и существовал в нем длительное время? Для ответа на этот вопрос обращаются к опытам. Интересен опыт, в котором легкий шарик, подвешенный на шелковой нити между двумя заряженными пластинами, колеблются. Одна из пластин соединена с электроном. По мере того как шарик движется, прикасаясь поочередно к пластинам с разноименными зарядами, электрическое поле между пластинами убывает, что отмечается электрометром. Если электрического поля между пластинами не будет, прекратится движение шарика. Этот опыт поучителен, его можно рассматривать как модель электрического тока. Обобщая результаты опыта, приходят к выводу: чтобы в проводнике длительное время существовал ток, необходимо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Таким путем учащихся подводят к пониманию необходимости источников тока. Далее указывается, что в любом источнике тока совершается работа по распределению положительно и отрицательно заряженных частиц, между которыми действуют силы притяжения. Эта работа совершается силами не электрической" природы. В процессе такой работы на одном полюсе источника тока накапливаются положительно заряженные частицы, а на другом - отрицательные. Между полюсами возникает электрическое поле. Когда полюса соединяют между собой металлическим проводником, то электрическое поле возникает и в проводнике. Под действием этого поля свободные заряженные частицы, имеющиеся в проводнике, станут двигаться в направлении от отрицательного полюса источника к положительному, в проводнике возникает электрический ток.

Для уяснения того, что в источнике тока происходят превращения не электрических видов энергии в электрическую, учащимся показывают работу электрофорной машины, термоэлемента и фотоэлемента и предлагают ответить на вопрос: "Какие превращения энергии происходят в данном источнике тока?"

Более подробно (но без анализа химических реакций) рассматривают гальванические элементы и аккумуляторы. Для опытов надо использовать набор по электролизу.

С электрической цепью учащихся надо ознакомить в процессе лабораторной работы. Умение составлять схемы электрических цепей и знание названий отдельных элементов цепи придут к школьникам постепенно, в процессе дальнейших занятий по электричеству.

Электрический ток в металлах. При изучении темы "Тепловые явления" учащиеся ознакомились с кристаллическим строением твердых тел. Здесь вводят понятие кристаллической решетки и рассказывают о том, что в узлах кристаллической решетки расположены ионы, обладающие положительным зарядом. В пространстве между этими ионами находятся свободные электроны. В отсутствии электрического поля, движение свободных электронов хаотично, а скорости их зависят от температуры. Но если в металлах создать электрический ток, то свободные электроны начнут двигаться в направлении действия электрических сил, при этом их хаотическое движение, называемое тепловым, сохраняется. По проводнику пойдет электрический ток.

Действия электрического тока. С некоторыми действиями электрического тока восьмиклассники уже встречались в быту, поэтому нужно выявить эти знания, а затем обратиться к эксперименту.

Тепловое действие тока следует продемонстрировать следующим образом. Между двумя штативами натягивают никелевую или хромовую проволоку и подключают ее к источнику тока. Увеличивая напряжение, нагревают проволоку до свечения, при этом она прогибается, на что обращают внимание учащихся.

Для демонстрации химического действия тока берут раствор любого электролита, опускают в него два чистых угольных электрода и подсоединяют к источнику тока. Через несколько минут, вынув электроды из раствора электролита, обнаруживают, что один из них покрыт слоем вещества.

Магнитное действие тока обнаруживается по притягиванию к железному сердечнику, вставленного в катушку от школьного разборного трансформатора, стальных скрепок, если катушку подсоединить к источнику постоянного тока.

При введении понятий о проводниках электрического заряда можно воспользоваться простым демонстрационным опытом, для которого не требуется электроскоп.

Металлический стержень располагают на изолирующей подставке горизонтально. Около одного края стержня подвешивают легкий шарик или гильзу так, чтобы шарик и стержень соприкасались. Если прикоснуться к другому концу стержня заряженным телом, то заряд по стержню перейдет к шарику и шарик оттолкнется от стержня. Заменив, металлический стержень стеклянным (или из другого изолятора), убеждаются, что заряд не переходит к другому его концу. Этот опыт легко проделать и в домашних условиях

Сила тока. Амперметр. Представление о сильном или слабом электрическом токе можно дать на основе опытов, воспроизводящих различные его действия. Опыты показывают, что интенсивность электрического тока зависит от заряда, проходящего по цепи в течение одной секунды. Учащиеся должны понять, что чем больше частиц перемещается от одного конца участка цепи к другому, тем больше общий заряд, перенесенный частицами. Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в одну секунду, определяет силу тока в цепи. Надо рассказать учащимся, что в 1948 году на IX Международной конференции по мерам и весам было решено в основу определения единицы силы тока положить явление магнитного взаимодействия двух проводников с током.

Для ознакомления школьников с этим явлением на опыте удобно использовать станиолевые ленты, они мягкие и подвижные. После этого вводят определение силы тока.

С амперметром и правилами включения его в цепь надо ознакомить учащихся на лабораторной работе "Сборка электрической цепи и измерение силы тока на различных участках цепи". Особое внимание следует обратить на то, что сила тока во всех последовательно соединенных участках цепи одинакова.

Напряжение. Вольтметр. Напряжение относится к таким понятиям, которые с трудом воспринимают учащиеся на первой ступени. Как показывает опыт использования различных методических приемов, большинство учащихся не воспринимает сразу это понятие, они постепенно к нему "привыкают". Это факт, с которым приходится считаться. В настоящее время при введении понятия "напряжения" используют энергетический подход. Опираясь на знания учащихся о том, что чем больше сила тока в цепи, тем интенсивнее его действие, тем большую работу совершает ток и, следовательно, больше его мощность. Просят обратить внимание школьников на то, что при одной и той же силе тока в цепи лампа, включенная в городскую цепь, дает больше света, чем лампа от карманного фонаря.

Следовательно, накал электрической лампы зависит не только от силы тока, но и от другой физической величины - электрического напряжения. Электрическим напряжением называют величину, характеризующую электрическое поле и равную отношению работы поля по перемещению заряда к величине этого заряда. Единица напряжения "Вольт" вводится через единицу работы и заряда:

Урок на тему "Напряжение" очень трудный, здесь надо действовать больше убеждениями, чем доказательством. Полезно поработать с таблицей, предложенной в учебнике, где представлены напряжения различных источников Очень важно провести беседу по технике безопасности при работе с источниками напряжения

Измерение напряжения вольтметром демонстрируют в классе, но навыки работы с вольтметром учащиеся должны приобрести на лабораторной работе "Измерение напряжения на различных участках цепи" Школьники должны хорошо усвоить, что вольтметр включают параллельно тому участку цепи, на котором измеряют напряжение

Сопротивление. Закон Ома для участка цепи. Сначала устанавливают на опыте зависимость силы тока от напряжения. Для этого собирают цепь, состоящую из последовательно включенных источника тока, амперметра, спирали из никелевой проволоки, ключа и параллельно подсоединенного к спирали вольтметра

Замыкают цепь и записывают показания приборов. Затем с помощью реостата меняют напряжение на концах проводника (на реостате не следует фиксировать внимание учащихся) Результаты опыта заносят в таблицу. Анализ результатов опыта показывает, что силы тока прямо пропорциональна напряжению на концах проводника

Далее учащимся задают вопрос "Зависит ли сила тока от свойств проводника?" Демонстрируют опыт с двумя проводниками Для этого опыта можно использовать эталоны сопротивления, но нагляднее опыт получится с двумя линейными проводниками - никелиновым и железным Хорошо подобрать такие проводники, чтобы сопротивление одного было больше или меньше другого в два или три раза Напряжение на проводниках при этом поддерживают одинаково. Опыт показывает, что сила тока в цепи зависит не только от напряжения, но и от свойств проводника, содержащегося в цепи. Зависимость силы тока от свойств проводника объясняют тем, что различные проводники обладают различным сопротивлением - R. Таким образом, сопротивление проводника не определяют, а вводят описательно для дальнейшего изучения.

Наличие сопротивления у проводника следует объяснить на основе электронной теории. Затем вводят единицу сопротивления 1 Ом.

Далее переходят к рассмотрению закона Ома. Связь между напряжением и силой тока была уже установлена на опыте. Учащиеся узнают, что сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению на концах участка цепи (проводника). Обращают внимание ребят на это еще раз и подчеркивают, что сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению, если сопротивление участка цепи не меняется.

Затем на опыте демонстрируют зависимость силы тока от сопротивления участка цепи при постоянном напряжении на его концах.

Результаты опыта заносят в таблицу и по ним строят график. Затем делают вывод: при одинаковом напряжении на концах проводника сила тока обратно пропорциональна его сопротивлению. Установив зависимость силы тока от напряжения и сопротивления формулируют закон Ома.

На применение закона Ома в классе необходимо разобрать несколько примеров, решить простые задачи на определение силы тока, сопротивления, напряжения.

Далее ставят перед учащимися вопрос: "От чего и как зависит сопротивление проводника?" Основываясь на знании природы электрического сопротивления, школьники высказывают свои предложения. На основе анализа этих высказываний выдвигают гипотез, что сопротивление проводника должно зависеть от размеров и рода вещества, из которого он изготовлен. Эти предположения проверяют экспериментально.

Выводы делают на основе результатов измерений, занесенных в таблицу. Вводят понятие удельного сопротивления. Здесь рекомендуют отступить от единиц СИ, в которой удельное сопротивление - сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1м2. На практике обычно имеют дело с тонкими проводниками, поэтому за удельное сопротивление принимают сопротивление проводника длинной 1м и сечением 1мм2. Формулу вводят в процессе обобщения результатов опыта.

Целесообразно тщательно рассмотреть таблицы удельных сопротивлений некоторых веществ и решить совместно с учащимися несколько примеров на расчет сопротивлений проводников.

Реостат - очень важный прибор, поэтому его устройство и включение в цепь нужно очень тщательно рассмотреть на уроке.

Внимание учащихся обращают на то, что для изготовления реостатов используют проволоку из материала с большим удельным сопротивлением. Восьмиклассники должны хорошо усвоить, что в паспорте реостата указано наибольшее его сопротивление и наибольшая сила тока. Превышение последней приводит к порче реостата. Подробнее ознакомление с работой реостата происходит на лабораторной работе "Регулирование силы тока реостатом" В классе необходимо разобрать пример решения задач на совместное применение формул и , а затем организовать самостоятельную работу учащихся по решению задач.

Соединение проводников в цепи. С последовательным и параллельным соединением проводников школьники уже встречались при ознакомлении с амперметром и вольтметром Целесообразно выяснить, помнят ли они правила включения этих приборов в цепь. Для этого предлагают им нарисовать схему электрической цепи, состоящей из источника тока, лампы, ключа, амперметра, вольтметра, измеряющего напряжение на лампе.

Последовательное и параллельное соединение проводников очень наглядно можно показать учащимся на сетевых электрических лампах. Для опытов необходимо иметь несколько ламп: четыре лампы с одинаковой мощностью 15-25 Вт и одну - две лампы мощностью 40-60 Вт. В начале опыта две одинаковые лампы включаются последовательно, а две "такие же" - параллельно. В цепи с последовательным соединением ламп выкручивают одну их них, цепь при этом размыкается и другая - гаснет. При выключении одной лампы в случает параллельного соединения другая лампа будет светить.

Мощность и работа электрического тока. При рассмотрении этого вопроса упор делают не на работу тока, а на его мощность. Это вызвано тем, что в паспорте электрических приборов, электродвигателей и генераторов в качестве одной из основных характеристик указана всегда мощность.

Учащимся известно, что мощность - физическая величина, численное значение которой равно работе, совершаемой за 1с. Для введения формулы мощности электрического тока вспоминают определение напряжения , и, записывая эту формулу в получают , учитывая, что получаем.

По мощности легко определить работу электрического тока за любой промежуток времени. Для этого учащимся напоминают определение мощности, записывают её математическое выражение , откуда получают формулу для расчета работы электрического тока:.

Единица работы тока - Джоуль: 1Дж = 1Вт1с = 1В1А1с. На практике используют и другие единицы работы: 1Втч=3600Дж; 1гВтч=360000Дж и др.

Для измерения работы тока нужны три прибора: амперметр, вольтметр и часы. Эти приборы можно заменить одним - счетчиком электроэнергии. Изучение счетчиков не входит в программу, но учениками полезно дать домашнее задание по подсчету расходуемой энергии. На работу и мощность тока полезно решить в классе несколько практических задач, а некоторые примеры задать учащимся на дом.

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля - Ленца. Нагревание проводников электрическим током хорошо известно школьникам из их жизненного опыта, с этим явлением они уже встречались при изучении действия электрического тока В этом месте курса целесообразно рассказать о тех микропроцессах, в результате которых они нагреваются.

В СИ количество теплоты и работу измеряют в Джоулях, а для расчета количества теплоты, выделенную в проводнике, используют формулу: Q=IUt. Кроме этой формулы следует дать учащимся формулу , которая представляет собой математическое выражение закона Джоуля - Ленца.

С устройством нагревательных приборов и ламп накаливания учащиеся могут ознакомиться самостоятельно. При опросе необходимо показать им элементы нагревательных приборов и виды ламп накаливания, полезно при этом использовать и имеющиеся в кабинете наглядные таблицы. Целесообразно поручить отдельным учащимся подготовить доклад об истории развития электрического освещения.

Явление короткого замыкания целесообразно рассмотреть в классе на опыте и показать назначение предохранителей. Надо предупредить школьников, что пользоваться самодельными предохранителями нельзя, так как это может привести к нагреву проводов и к пожару.

Размещено на Allbest.ru

...