Стадии вызова, осмысления содержания и рефлексии

• Название: Стадии вызова, осмысления содержания и рефлексии
• Дата: 14.03.2022
• Размер: 361.4 Kb.
• Имя файла: Diplomnaya_rabota Otabek.docx
• Тип: Реферат; #396776
• страница: 3 из 5

Часть энергии, затраченной на взаимное трение нейтральных тел, переходит в энергию движения некоторого числа электронов. Тело, которое менее прочно удерживает входящие в его состав электроны, отдает при трении больше электронов, чем получает, поэтому оно заряжается положительно. Например, шерсть удерживает входящие в ее состав электроны менее прочно (рисунок 3), чем эбонит. Поэтому электроны переходят в большем количестве с шерсти на эбонитовую палочку, а не наоборот.

Рисунок 3
Часто школьники не понимают роль трения при электризации трением. Поясните, что основной причиной является не само трение, а факт тесного соприкосновения тел. В результате тесного соприкосновения двух разных тел часть электронов переходит с одного тела на другое. В результате одно тело всегда приобретает отрицательный заряд, другое - положительный. Под тесным соприкосновением понимается такое сближение тел, когда расстояния между атомами или молекулами, лежащими на поверхности этих тел, становятся такого же порядка, что и расстояния между ними внутри тел (10^-8 м). Реальные тела не бывают идеально гладкими. Поэтому при их соприкосновении такие расстояния достигаются только в отдельных точках и число электронов, переходящих с одного тела на другое, мало. Трение же увеличивает число участков "тесного" соприкосновения, и в результате увеличивается общий заряд, который окажется на каждом из тел при их разъединении.

При изучении закона взаимодействия электрических зарядов нужно рассказать об опытах Кулона и Кавендиша. Обсуждая закон Кулона, следует подчеркнуть, что он установлен для неподвижных электрических зарядов. Экспериментально измерить величину движущегося заряда невозможно, но на основании косвенных соображений можно утверждать, что величина заряда не зависит от скорости движения носителя заряда. То есть величина заряда является инвариантом и не изменяется при переходе от одной системы отсчета к другой. Справедливость закона Кулона неоднократно проверялась впоследствии. С высокой точностью он выполняется и при больших расстояниях, порядка размеров Вселенной, и при малых расстояниях, порядка размеров атома. Можно напомнить о законе всемирного тяготения Ньютона и провести сравнение этих законов. Важно отметить, что оба закона установлены на основе теории дальнодействия. Современная теория считает, что всякое взаимодействие осуществляется через поле. Взаимодействие покоящихся электрических зарядов осуществляется посредством электрического поля: каждый заряд создает электрическое поле, и это поле действует на другой заряд, помещенный в это поле. Поэтому закон Кулона можно формулировать следующим образом: сила, действующая в вакууме на покоящийся точечный заряд со стороны поля, создаваемого другим, также покоящимся и точечным зарядом, прямо пропорциональна величине этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль линии, соединяющей эти заряды.

Поясните, что введение понятия напряженности электрического поля позволит записать силу, действующую на заряд в локальной форме: если закон Кулона связывает величины, относящиеся к разным точкам пространства, то выражение F=qE связывает величины, относящиеся к одной и той же точке пространства [10].

Введите понятие силовых линий или линий напряженности электрического поля. Объясните, почему по густоте расположения силовых линий можно судить о напряженности поля в данной области пространства. Постройте и покажите на опытах картины силовых линий заряженных шариков, двух пластин, двух колец. Поясните, что силовые линии служат только для наглядного изображения распределения поля в пространстве. Никакого физического смысла они не имеют.

Очень важным при вычислении напряженности полей, создаваемых системой точечных зарядов или заряженных тел конечных размеров, является принцип суперпозиции. Поясните, как с помощью принципа суперпозиции можно вычислить напряженность поля заряженной нити или поля диполя. В общем случае для заряженных тел сложной формы расчет напряженности поля в данной точке пространства задача громоздкая, но решаемая, если известно распределение заряда на теле.

Рассмотрев расчет напряженности полей с помощью принципа суперпозиции, можно перейти к теореме Гаусса и применению ее для расчета напряженности электрического поля заряженных тел. Полезно одну и ту же задачу, например, задачу о напряженности поля, создаваемого равномерно заряженной бесконечной нитью, решить обоими методами. Однако поясните, что теорему Гаусса целесообразно применить только тогда, когда электрическое поле обладает какой-либо симметрией. При решении задач обязательно проводите анализ решения, делая акцент на физическом смысле полученного результата.

Электрическое поле, как и гравитационное, является центральным. Поэтому работа сил электростатического поля не зависит от формы траектории. Перемещение данного заряда определяется исключительно положением начальной и конечной точек траектории, это важнейшее свойство электрического поля неподвижных зарядов. Оно позволяет ввести для его характеристики новое понятие потенциала. Нагляднее всего это можно сделать, вычислив работу по перемещению пробного заряда в поле точечного неподвижного заряда. Так как с другой стороны работу консервативных сил можно представить как разность потенциальных энергий, то, сравнивая полученные выражения для работы, легко определить потенциальную энергию взаимодействия точечных электрических зарядов. Обратите внимание учащихся на то, что потенциальная энергия взаимодействия зарядов определяется с точностью до произвольного слагаемого, которое можно задать произвольным образом. Например, значение этой постоянной выбирается таким образом, чтобы при удалении заряда на бесконечность потенциальная энергия обращалась в нуль.

Естественно допустить, что заряды, создающие электрическое поле, расположены в конечной области пространства. При удалении от этой области поле ослабевает и на бесконечности оно вообще отсутствует. Подчеркните, что по какому бы пути заряд не перемещали из одной и той же точки на бесконечность, работа будет одна и та же. Но для другого заряда эта работа уже будет иной. Действительно, если увеличить величину заряда в 2, 3, n раз, то сила, действующая на заряд (F= qE), возрастает во столько же раз, и во столько же раз возрастают работа и потенциальная энергия взаимодействия заряда с источником поля [11]. Поэтому потенциальная энергия не может служить однозначной характеристикой поля. Однако отношение потенциальной энергии к величине пробного заряда уже не зависит от величины заряда, его уже можно использовать для характеристики поля, наряду с напряженностью поля. Это отношение и называют потенциалом электрического поля. Так как при удалении от заряда создаваемое им поле ослабевает, то потенциал бесконечно удаленной точки полагают равным нулю.

Поясните, что введение потенциала важно и потому, что, если известны потенциалы в двух точках поля, то работу по перемещению заряда можно выразить через разность потенциалов в этих точках. Наоборот, вычислив работу по перемещению заряда из одной точки поля в другую, находим однозначно разность потенциалов. Так как потенциал определяется с точностью до произвольной постоянной величины, физический смысл имеет не потенциал, а разность потенциалов.

Таким образом, для характеристики электростатического поля используются две величины: векторная величина - напряженность и скалярная величина - потенциал. Покажите, что введение потенциала позволяет использовать другой способ графического описания электрического поля с помощью эквипотенциальных поверхностей. Важно подчеркнуть, что эти две характеристики связаны друг с другом. Докажите, что линии напряженности перпендикулярны к эквипотенциальным поверхностям.

Обратите внимание учащихся на то, что все рассуждения о свойствах и характеристиках электростатического поля касались поля в вакууме. В реальных условиях электрическое поле существует в веществе: в проводниках, в диэлектриках, в полупроводниках. Начать изучение темы "Электрическое поле в веществе" нужно с проводников. Поясните, что их свойства обусловлены наличием в них свободных электронов, которые в результате теплового движения могут перемещаться по проводнику в любом направлении. При наличии электрического поля на тепловое хаотическое движение накладывается упорядоченное движение электронов, что приводит к перераспределению электрических зарядов в проводнике - электрической индукции. Объясните, почему внутри неразряженного проводника, находящегося в электрическом поле, напряженность поля равна нулю, потенциал постоянен, при этом весь заряд распределен по поверхности проводника.

Часто ученики не могут понять физический смысл понятия "электроемкость", не могут объяснить, почему электроемкость данного проводящего тела зависит от расположенных вблизи него других тел. Возникают трудности при решении задач. Поэтому следует подробно разобрать с учениками эти вопросы.

Полезно пояснить это понятие на опытах, например, с шарами различных радиусов: заряженные одинаковыми количествами электричества, они оказываются под различными потенциалами. Покажите, что если увеличивать заряд шара, то пропорционально растет и потенциал. Отсюда формула q ═ Cφ , где C - коэффициент пропорциональности, называемый электроемкостью проводника. На опыте можно показать, что электроемкость зависит от диэлектрической проницаемости среды [12]. Объяснение этой зависимости можно дать, если уже рассмотрены свойства диэлектриков. Действительно, если мы заряжаем металлический шар, сообщая ему некоторый заряд q, то под действием электрического поля шара происходит поляризация окружающего его диэлектрика. На поверхности диэлектрика, соприкасающейся с поверхностью шара, возникает заряд q' противоположного знака, по величине меньший q. Он также создает вокруг себя поле, в результате чего потенциал поверхности шара уменьшается. Уменьшение потенциала шара при неизменном заряде q говорит об увеличении электроемкости шара.

На опыте можно также показать, что при приближении к заряженному шару какого-либо проводящего тела потенциал шара также уменьшается. Это говорит об увеличении электроемкости шара. Таким образом, электроемкость проводника зависит от других проводящих тел, окружающих данный проводник. Объясняется это следующим образом. Под электроемкостью мы понимаем физическую величину, измеряемую отношением величины заряда, находящегося на данном проводнике, к величине потенциала этого проводника. Потенциал же проводника зависит не только от заряда на нем самом, но и от зарядов всех окружающих тел. Если даже окружающие проводники не были предварительно заряжены, то при сообщении заряда данному проводнику на окружающих проводниках индуцируются заряды, вследствие чего потенциал данного проводника уменьшается, а электроемкость увеличивается. Это положено в основу устройства конденсаторов. В конденсаторах благодаря специальному расположению и форме проводников электроемкость практически не зависит от наличия окружающих тел. Расскажите, как устроены конденсаторы различных типов (плоские, сферические, цилиндрические). Объясните, что при малой величине зазора между обкладками конденсатора почти все поле сосредоточено между ними, линии напряженности начинаются на одной из обкладок и заканчиваются на другой. Поэтому окружающие тела практически не подвергаются воздействию поля, создаваемого зарядами на обкладках конденсатора, а следовательно, на них и не возникают заряды, могущие изменить потенциал на обкладках конденсатора.

Назначение конденсаторов в различных устройствах различно. Конденсаторы могут использоваться для накопления зарядов большой величины. Включение конденсатора совместно с катушкой индуктивности позволяет создать электрическую колебательную систему. Запасенная в электрическом поле конденсатора энергия переходит в энергию магнитного поля в катушке и наоборот; возникают электромагнитные колебания. Такую систему можно настроить на любую частоту, что используется в приемных и передающих устройствах.

Рассмотрите возможные соединения конденсаторов на примерах.

При изучении электрического поля в диэлектриках возможны два подхода: макроскопический и микроскопический. В первом случае вводится макроскопическая характеристика - диэлектрическая проницаемость среды, которая может быть определена экспериментально. Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз напряженность поля в диэлектриках отличается от напряженности поля в вакууме.

Трудности при микроскопическом описании заключаются в том, что существуют разные виды диэлектриков и различные механизмы их поляризации. Однако во всех случаях на поверхности однородного диэлектрика появляются поляризационные или связанные заряды (в случае неоднородного диэлектрика возникают еще и объемные поляризационные заряды). Связанные заряды не могут свободно перемещаться по диэлектрику, но они, так же как и свободные заряды, создают электрическое поле. Вектор напряженности электрического поля связанных зарядов всегда направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля E₀. Поэтому результирующее поле согласно принципу суперпозиции будет равно E = E₀+E', что и приводит к ослаблению поле в диэлектрике.

Постоянный электрический ток.

Электрический ток - это упорядоченное движение электрических зарядов. В металлах в переносе тока участвуют электроны. Полезно рассказать об экспериментах, которые это доказывают. Как показывает опыт, ученики плохо представляют себе, что такое упорядоченное движение. Часто говорят, что в отсутствие электрического поля свободные электроны участвуют в тепловом хаотическом движении, а при включении поля они начинают двигаться в направлении поля. На самом деле это не так. При включении поля на беспорядочное движение электронов накладывается упорядоченное движение электронного газа. Это похоже на поведение роя мошкары. Внутри роя мошка совершает беспорядочное движение, но при движении ветра рой начинает перемещаться в определенном направлении, при этом характер движения мошек внутри роя сохраняется. Скорость упорядоченного движения много меньше скорости теплового движения. Важно отметить, что скорость распространения тока в проводнике отлична от скорости упорядоченного движения электронов. Скорость распространения тока определяется скоростью распространения электрического поля в проводнике, которая равна 3108 м/с. Скорость упорядоченного движения электрических зарядов зависит от напряженности поля в проводнике. Так при напряженности поля Е = 1 В/см скорость упорядоченного движения электронов составляет 0,5 мм/с. Таким образом, скорость распространения тока определяется скоростью распространения электрического поля вдоль проводника. Можно при объяснении этого провести аналогию с течением жидкости по трубе. На водопроводной станции начинает работать насос, повышающий давление жидкости в данном месте. Это повышенное давление распространяется по жидкости вдоль трубы со скоростью звука (в воде - со скоростью 1 км/с), поэтому через 1 секунду частицы жидкости начинают двигаться на расстоянии 1,5 км от конца трубы, а через 60 секунд - на расстоянии 90 км. Если труба имеет длину 90 км, то через минуту после включения насоса вода начнет вытекать из трубы. При этом частицы жидкости движутся намного медленнее, и потребуется несколько часов для того, чтобы они прошли расстояние 90 км.

Подчеркните, что за направление электрического тока условно принято направление, в котором под действием существующей разности потенциалов двигались бы положительные заряды. Поэтому, если носителями зарядов являются положительные ионы, то направление тока совпадает с направлением движения зарядов, если носителями зарядов являются электроны, то направление тока и направление движения зарядов противоположны.

Введите понятие плотности тока. Подчеркните, что сила тока является скалярной характеристикой тока, а плотность тока - векторной. Направление вектора плотности тока совпадает с направлением скорости упорядоченного движения положительных зарядов.

При достаточной подготовке учеников полезно рассмотреть классическую теорию проводимости металлов и теоретически получить выражение закона Ома. Для этого следует пояснить, что в выражение входит средняя скорость упорядоченного движения электронов на среднем пути свободного пробега между препятствиями, которые электрон встречает при своем движении. (Это могут быть ионы, расположенные в узлах кристаллической решетки, атомы примеси, электроны). Электрон в проводнике движется с ускорением, которое ему сообщает сила, действующая со стороны электрического поля и равная . Двигаясь с ускорением , электрон приобретает на пути дополнительную скорость , направленную вдоль поля в сторону, противоположную , так как заряд электрона отрицателен. Каждое столкновение электронов с препятствием нарушает возникшую в его движении направленность движения, поэтому на пути его скорость изменяется от 0 до , где - время свободного пробега, то есть время между двумя последовательными столкновениями.

Время , где - средняя скорость теплового движения электронов. Так как , следовательно, , где - масса электрона. Среднее ее значение и . Сила тока . С учетом того, что , получим . Величина при данной температуре для данного сорта проводника является величиной постоянной и не зависит от размеров проводника. Ее называют удельным сопротивлением. Вводя обозначение , приходим к равенству выражающему закон Ома.

Сопротивление зависит от температуры. Так как при повышении температуры возрастает скорость теплового хаотического движения, то с повышением температуры удельное сопротивление растет по закону ρ=ρ₀+αt⁰. Здесь - постоянная величина, называемая температурным коэффициентом сопротивления, - удельное сопротивление при нуле градусов Цельсия (иногда принимают 0 за значение при 20 ⁰С, это приводит к ошибкам при решении задач). Уместно в этом разделе поговорить с учениками о явлении сверхпроводимости.

Важно подчеркнуть, что необходимым условием существования тока в цепи является наличие источника тока. Источниками тока называются устройства, в которых энергия какого-либо вида (химическая, механическая, тепловая) преобразуется в энергию движущихся по проводнику электрических зарядов. На сегодняшний день получение электрического тока представляет задачу большой важности, в решении которой занято огромное количество людей во всем мире. Однако следует напомнить, что современным методам получения электрического тока предшествовали простейшие эксперименты Гальвани и Вольта. Объясните, как действует элемент Вольта, как гальванический элемент создает ток, как устроены аккумуляторы.

Очевидно, никакое исследование не может считаться вполне научным до тех пор, пока не проведены измерения всех изучаемых величин. Найти прямые методы измерения электрических величин гораздо труднее, чем, например, методы измерения количества воды, угля и т.д. Для измерения электрического тока используются различные гальванометры и амперметры. Объясните, как включается амперметр в цепь электрического тока, для чего используются шунты. Отметьте, что амперметр должен иметь очень низкое сопротивление, чтобы практически не влиять на ток. Расскажите об измерении разности потенциалов с помощью вольтметра. Вольтметр имеет высокое сопротивление и всегда включается параллельно. Покажите, как включаются амперметр и вольтметр на электрических схемах.

Следует подчеркнуть, что внутри источника действуют силы не электростатического происхождения, которые называются сторонними. Можно это показать на таком простом примере. Пусть два проводящих шара А и В заряжены до потенциалов и . Будем считать, что < . Если эти шары соединить проводником, то электроны с шара А будут переходить на шар В. Потенциал шара В будет понижаться до тех пор, пока потенциалы обоих шаров не сравняются. Однако, если, например, непрерывно переносить электроны с помощью невесомой ленты из изолирующего материала с шара В на шар А так, чтобы разность потенциалов - оставалась постоянной, то в соединительном проводнике будет все время течь постоянный ток. В действительности роль ленты играет любой реальный источник тока. Он совершает работу по перемещению заряда по внутреннему участку цепи и, следовательно, затрачивает некоторое количество энергии. Это может быть энергия любого вида: механическая, тепловая, химическая, световая. Следует подчеркнуть, что она не может быть энергией электростатического поля. Энергия, затрачиваемая источником в процессе перемещения заряда по внутреннему участку цепи, идет на увеличение энергии заряда и на работу по преодолению сопротивления источника тока. Для перемещения данного заряда по замкнутой цепи в различных источниках тока расходуется разное количество энергии и, следовательно, совершается разная работа. Отношение этой работы к величине перемещаемого заряда для каждого источника есть величина постоянная. Это отношение называют электродвижущей силой (ЭДС), .

Сформулируйте четко, в чем заключается физический смысл ЭДС. Поясните, что название сложилось исторически, в действительности, ни с какой силой в обычном смысле этого слова понятие ЭДС не связано. В источнике тока обязательно действуют сторонние силы, поэтому источник характеризуется величиной ЭДС и внутренним сопротивлением источника r.

Таким образом, перемещение электрического заряда происходит под действием сил электрического поля и сторонних сил. Полная работа по перемещению заряда q складывается также из работы сил электрического поля и работы источника ЭДС: . Обсудите физический смысл этой формулы, введите понятие напряжения U, поясните, как выглядит выражение U для однородного и неоднородного участка цепи.

Запишите закон Ома для неоднородного участка цепи, для замкнутой цепи. Покажите, что напряжение U на зажимах работающего источника всегда меньше его ЭДС. Закрепите материал с помощью упражнений и решения задач.

Рисунок 4а Рисунок 4б
Пример. Два одинаковых элемента с ЭДС и внутренним сопротивлением r соединены так, как показано на рисунках 4а и 4б. Определите показания вольтметра. Сопротивлением проводов пренебречь. Внутреннее сопротивление вольтметра считать бесконечно большим.

Решение: в случае "а" оба элемента посылают ток в одном направлении. Падение напряжения на источнике в каждом элементе. Поэтому напряжение на зажимах каждой батареи . Величина создаваемого тока:
.
Поэтому .

В случае "б" оба источника действуют навстречу друг другу, поэтому . Очень полезно познакомить учеников с правилами Кирхгофа, которые значительно облегчают расчет сложных разветвленных цепей. Обязательно поясните, что первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения электрического заряда. В случае постоянного тока нет стоков и истоков зарядов, то есть в любом узле не может происходить накопления зарядов, сколько зарядов приносится током, столько и уносится. При объяснении второго закона поясните, что он используется только для замкнутых контуров [13]. Его применение связано с заданием направления токов, направления обхода контура и знака ЭДС. Подчеркните, что выбор направления обхода контура условен, но он позволяет задать знаки электрических величин. Для усвоения необходимо решить как можно больше задач.

Если замкнутый участок цепи содержит несколько сопротивлений или источников ЭДС, нужно использовать правила нахождения сопротивления участка цепи при последовательном или параллельном соединении сопротивлений. То же касается источников тока.

Пример. Два элемента соединены параллельно навстречу друг другу. Первый элемент имеет ЭДС = 2 В и внутреннее сопротивление = 0,6 Ом, второй - = 1,5 В и = 0,4 Ом. Определите напряжение на зажимах источников.

Решение: ЭДС действуют навстречу друг другу, поэтому результирующая ЭДС . Общее сопротивление цепи . Ток в цепи . В первом элементе на внутреннем сопротивлении падает напряжение


Как и следовало ожидать, .

При изучении закона Джоуля-Ленца особых затруднений не встречается. Однако следует заметить, что закон в виде удобнее использовать для расчетов при последовательном соединении, так как в этом случае через все участки цепи протекает один и тот же ток.

При параллельном соединении все участки цепи находятся под одинаковым напряжением, поэтому закон Джоуля-Ленца удобнее записать в форме . Однако, в такой форме закон может быть использован не всегда, а только в тех случаях, когда энергия тока на данном участке переходит только в тепловую энергию. Например, в случае электромотора, вращающего какой-либо станок, часть энергии тока превращается в механическую, а часть идет на нагревание проводов обмотки электромотора. Поэтому даже если электромотор подключен параллельно другим электроприборам, для расчета тепла, идущего на нагревание его обмоток, нужно пользоваться законом в виде .

Магнитное поле в вакууме.

Изучение темы "Магнитное поле в вакууме" необходимо начать с демонстрации экспериментов, которые показывают, что движущиеся заряды создают магнитное поле. Это, прежде всего, опыт Эрстеда - действие электрического тока на магнитную стрелку. Сравнивая результат этого опыта с действием постоянного магнита на магнитную стрелку, легко пояснить, почему поле движущихся зарядов названо магнитным. Подчеркните, что неподвижные заряды создают электростатическое поле и не создают магнитного поля. Однако, так как движение относительно, то заряд, движущийся в одной системе отсчета, будет неподвижным в другой. Поэтому деление на электрическое и магнитное поле относительно, и следует говорить о едином электромагнитном поле. Но в том случае, когда исследования проводятся в системе, в которой заряды движутся, можно говорить о магнитном поле. Обнаружить и измерить магнитное поле можно по силе взаимодействия электрических токов.

При взаимодействии параллельных проводников с током один из них может служить пробным устройством для измерения магнитного поля, создаваемого другим током. Покажите на опыте, что величина силы, действующей на пробный ток, зависит от длины проводника, силы тока и их взаимной ориентации, при этом сила максимальна, когда проводники параллельны. Исходя из этого факта, введите характеристику магнитного поля - магнитную индукцию , сравните с характеристикой электрического поля . Введите понятие силовых линий магнитного поля и покажите на опытах с железными опилками характер силовых линий магнитного поля токов различной конфигурации. Сравните картины силовых линий, создаваемых токами и постоянными магнитами различной формы. Более подробно остановитесь на виде силовых линий, создаваемых прямым проводником с током. Покажите, что помещенная рядом с проводом магнитная стрелка устанавливается по касательной к линиям поля. Направление линий поля прямого тока можно определить с помощью векторного произведения или, пока оно не введено, с помощью простого правила правой руки.

Очень важно обратить внимание на то, что магнитное поле, как и электрическое, удовлетворяет принципу суперпозиции. Поэтому, зная магнитную индукцию поля, создаваемого одним зарядом, можно рассчитать магнитную индукцию поля, создаваемого системой электрических зарядов. Для хорошо подготовленной группы для расчета магнитных полей проводников с током любой формы можно воспользоваться законом Био-Саварра для магнитной индукции поля, создаваемого линейным элементом тока. Поясните, что постоянные токи всегда замкнуты, на опыте нельзя выделить отдельный элемент тока, поэтому закон был установлен экспериментально на основании результатов многочисленных экспериментов с токами различной формы. Для лучшего усвоения материала решите задачи, в которых для расчета магнитных полей используются принцип суперпозиции и закон Био-Саварра.

Покажите, что для расчета магнитных полей можно применять также теорему о циркуляции. Заметьте, что если замкнутый контур не охватывает ток, то циркуляция равна нулю.

На опыте покажите, что магнитные поля действуют с определенными силами на электрические токи. Для этого можно подвесить гибкий проводник в магнитном поле, которое может быть полем постоянного магнита или полем тока, который можно регулировать, и показать, что при прохождении тока в проводнике на него будут действовать силы, стремящиеся вытолкнуть его за пределы магнитного поля (рисунок 5а и 5б).

Рисунок 5а Рисунок 5б
Обратите внимание слушателей на то, что сила вполне ощутима при обычных полях и токах. Именно эти магнитные силы вращают электрические двигатели во всем мире. С помощью экспериментальной установки можно показать:

1. Сила перпендикулярна как к вектору магнитной индукции, так и к направлению тока. Поэтому ее направление легко определить по правилу левой руки.

2. Изменяя индукцию магнитного поля без изменения его направления, можно обнаружить, что сила, действующая на ток, пропорциональна индукции магнитного поля. Изменяя направление поля, можно показать, что сила пропорциональна составляющей магнитного поля , перпендикулярной к току.

3. Сила F пропорциональна току I и длине проводника , где - угол между вектором магнитной индукции и вектором , совпадающим по направлению с направлением тока.

Проведите анализ рассмотренного материала: токи создают магнитные поля, и на токи действуют силы магнитного поля. Токи взаимодействуют друг с другом через посредство магнитного поля. Здесь можно провести аналогию с электрическим полем, являющимся посредником при взаимодействии электрических зарядов [14]. Токи отталкиваются и притягиваются подобно тому, как отталкиваются и притягиваются электрические заряды, с силами, зависящими от величины сил токов и от их взаимного расположения. Взаимодействие токов лежит в основе большинства механических применений электрической энергии (электродвигатели и генераторы любого типа).

Используя выражение для силы Ампера, получите выражение для силы, действующей на отдельные заряды - магнитной составляющей силы Лоренца. Проанализируйте ее зависимость от величины заряда, его скорости, от величины магнитной индукции. Поясните, что формула может быть проверена экспериментально, что и было сделано при наблюдении отклонения заряженных частиц в магнитном поле. Объясните, что поскольку сила Лоренца перпендикулярна к скорости, она не может совершать работу по ускорению заряженных частиц, пролетающих сквозь магнитное поле, поэтому они должны двигаться с постоянной скоростью по окружности радиуса r. Из равенства можно определить радиус этой окружности.

Рисунок 6
Продолжая изучение действия магнитного поля на ток, следует рассмотреть вопрос о поведении замкнутого контура с током в однородном магнитном поле. Проще всего это сделать для случая, когда контур имеет прямоугольную форму (рисунок 6). Когда линии магнитной индукции лежат в плоскости контура, на токи в верхней и нижней его сторонах никакие силы не действуют, поскольку эти токи параллельны или антипараллельны линиям магнитного поля. Действующие на левый и правый провод силы Ампера образуют пару сил, в результате чего создается вращающий момент сил: . При повороте рамки отличные от нуля силы Ампера будут действовать на ее верхний и нижний провода. Эти силы направлены в противоположные стороны и стремятся деформировать, а не повернуть рамку. Вращающий момент зависит от угла между направлением вектора и нормалью к рамке и равен нулю, когда этот угол равен нулю. Поэтому в магнитном поле контур с током поворачивается и в конце концов устанавливается так, что его плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции. Введите понятие магнитного момента . Это позволит сравнить поведение контура с током в магнитном поле с поведением электрического диполя в электрическом поле. При движении проводника или рамки с током в магнитном поле совершается работа и изменяется потенциальная энергия. Потенциальная энергия замкнутого тока в магнитном поле, заметим, что для электрического диполя . Когда угол между направлением вектора положительной нормали к плоскости витка с током и равен нулю, потенциальная энергия отрицательна. Отрицательное значение потенциальной энергии означает, что для того, чтобы вывести рамку с током из этого положения, нужно совершить работу.

Вычисление работы при перемещении проводника с током в магнитном поле не может вызвать затруднений, так как производится по формулам, хорошо известным из механики. Новым является понятие потока вектора. Подчеркните, что формула для потока вектора магнитной индукции годится для вычисления потока любого вектора (напряженности электрического поля , напряженности гравитационного поля , скорости и т.д.). Обратите внимание на то, что поток вектора является скалярной величиной, ее знак зависит от угла между направлением вектора поля и нормалью к поверхности, через которую определяется поток.

Магнитное поле в веществе

При изучении магнитного поля нельзя обойти вопрос о роли вещества. Можно на простых опытах показать, что некоторые вещества, например железо, могут сильно намагничиваться в магнитном поле. В то же время существуют вещества, которые слабо намагничиваются.


Рисунок 7
Очень хорошо, если есть возможность продемонстрировать поведение различных веществ, помещенных в неоднородное магнитное поле между полюсами электромагнита (рисунок 7). В таком магнитном поле кусок железа, подвешенный на нити, сильно отклонится в направлении более сильного поля. Такой эффект характерен для класса ферромагнетиков. Другие вещества, такие как хром, марганец, палладий, тоже втягиваются в область сильного поля, но гораздо слабее - это парамагнетики. А такие вещества как ртуть, мышьяк, серебро движутся в область более слабого поля - это диамагнетики.

Объяснить намагничивание различных материалов в школьном курсе физики весьма затруднительно. Однако, качественно это можно сделать на основе гипотезы Ампера о молекулярных токах и модели строения атома, предложенной Бором,. Поясните, что магнитные явления в веществах вызываются магнитными моментами электронов. Труднее всего объяснить намагничивание ферромагнетиков, так как для этого необходимо ввести понятие собственных магнитных моментов, между которыми действуют обменные силы, имеющие квантовую природу.

Если объяснение намагничивания Вам кажется затруднительным даже на качественном уровне, можно ограничиться рассказом о свойствах и особенностях магнетиков разных типов.

Электромагнитная индукция

При изучении явления электромагнитной индукции важно обратить внимание учащихся на то, что индукционный ток в замкнутом контуре возникает только в случае, когда магнитный поток через контур изменяется. Индукционный ток может быть вызван переменным электрическим током, движением катушки с током, движением постоянного магнита. Обязательно остановитесь на глубокой связи электрических и магнитных явлений. Напомните, что возникновение электрического тока (направленного движения электрических зарядов) происходит под действием электрического поля. Это позволило Максвеллу на основании опытов Фарадея сделать вывод о том, что переменное магнитное поле порождает электрическое поле. Линии этого поля замкнуты. Такое поле называется вихревым.

Применяя для определения направления индукционного тока правило Ленца, покажите, что это правило является следствием закона сохранения энергии.

Для лучшего усвоения материала необходимо воспользоваться демонстрацией опытов, которые когда-то были осуществлены Фарадеем. Это позволит изучить явление более глубоко. Обсудите применение явления электромагнитной индукции в технике.

Переменный ток

Изучение этой темы следует начать с анализа способа получения переменного тока, основанного на законе Фарадея для электромагнитной индукции. Поясните, что наиболее простой закон изменения тока - периодический - имеет место, если в цепи действует периодически изменяющаяся ЭДС, которая возникает при равномерном вращении рамки в магнитном поле. Несмотря на то, что гармонически изменяющаяся ЭДС является идеализацией, изучение синусоидальных токов важно по ряду причин:

1) теория синусоидальных токов проста, и, следовательно, можно легко выяснить основные закономерности;

2) любой ток, изменяющийся по более сложному закону, можно представить как сумму синусоидальных токов;

3) все технические генераторы переменного тока имеют ЭДС, изменяющуюся по закону, близкому к синусоидальному.

Дайте определение квазистационарных токов, запишите условие, при котором токи являются квазистационарными. В случае квазистационарных токов применим закон Ома. Обратите внимание на то, что электромагнитные возмущения распространяются с конечной скоростью. Далее следует перейти к рассмотрению частных случаев и анализу роли различных элементов цепей: сопротивления, индуктивности, емкости. Проще всего такой анализ осуществить с помощью векторных диаграмм. Объясните в каждом случае физическую причину возникновения разности фаз между током и напряжением. Использование векторных диаграмм позволит легко определить амплитуду и фазу тока в электрической цепи, содержащей источник переменной ЭДС, емкость, индуктивность и сопротивление.

Покажите необходимость введения понятий эффективных значений тока и напряжения из сравнения выражений для мощности постоянного и переменного токов, выделяемой на сопротивлении. Обязательно подчеркните, что все электрические приборы, используемые в электротехнике, проградуированы по эффективным значениям, что необходимо учитывать при их использовании.

Введите понятие коэффициента мощности, определив также из векторной диаграммы. Обратите внимание, что для увеличения коэффициента мощности выгодно уменьшать реактивное сопротивление <sub>.

Полученные с помощью векторной диаграммы выражения для амплитуды тока и разности фаз используйте для графического анализа зависимости этих характеристик от частоты переменной ЭДС. Зависимость имеет резонансный характер. Обратите внимание на то, что максимальное значение амплитуды тока определяется только активным сопротивлением. Поясните с помощью векторной диаграммы, что при резонансе падение напряжения на емкости и индуктивности взаимно компенсируются, поэтому резонанс такого типа называют резонансом напряжений. Обратите внимание на то, что острота резонансного максимума на кривой</sub> определяется коэффициентом затухания
Такой школьный предмет как физика общество давно отнесло к категории самых сложных. Перед педагогом ставиться задача – пробудить интерес, не отпугнуть ребят сложностью предмета, особенно на первоначальном этапе изучения курса физики.

Сейчас необходимо не только овладеть информацией, но и критически ее оценить, осмыслить, применить. Встречаясь с новой информацией, учащиеся должны уметь рассматривать новые идеи вдумчиво, критически, с различных точек зрения, делая выводы относительно точности и ценности данной информации. Учить детей так, чтобы у них развивалось критическое мышление, труднее, чем просто сообщать им отдельные факты и закономерности. Например, для развития умения обосновывать свои выводы и решения, учителя должны заинтересовать учеников необычными задачами и материалами. Физика обладает огромными возможностями для умственного развития учеников, благодаря всей своей системе, исключительной ясности и точности своих понятий, выводов и формулировок.

Технология “Критическое мышление” учит самостоятельному поиску новых знаний, использует ученический диалог, создаёт психологически комфортную среду, так как на уроке разрешается ошибаться, заблуждаться, а затем есть возможность исправить свои ошибки. Технология предлагает множество форм работы с учебным материалом. Особенностью этих приёмов является самостоятельная поисковая деятельность учащихся. Это позволяет использовать данную технологию на различных этапах урока.
3.2 Тема урока «Электрический заряд»
На стадии вызова по­пробуем вспомнить, что мы знаем об этом. Электрический заряд — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.

Единица измерения заряда в Международной системе единиц (СИ) —кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника с током 1 А за время 1 с. Бывают положительные и отрицательные заряды, так же дискретные и элементарные заряды. Вспомним еще дополнительные информации и попробуем записать име­ющиеся знания, используя приём «Кластеры». Мы можем предло­жить выполнить это задание ученикам, но первый раз сделаем это вместе.

Запишем наши предположения.



Рисунок 1 - Кластер «предположений» к теме «Электрический заряд»

Эти записи появились на доске после проведения парной и груп­повой мозговой атаки. Чем больше соберёте верных (а возможно, и нет) сведений, тем богаче будет ваш резервный фонд для изуче­ния нового. Чем больше идей выскажут учащиеся, тем выше будет интерес к изучаемой теме. Вам не нужно будет убеждать их в том, что эту тему нужно обязательно изучить. Мотивация может про­явиться в самых разных формах: от поиска ответов на свои вопро­сы до расширения знаний по теме в целом.

Стадия вызова завершена — теперь необходимо проверить свои предположения. Для этого обратимся к тексту.

На стадии осмысления содержания, для того чтобы разрешить противоречия и расширить знания по изучаемому вопросу, учащим­ся предлагается текст. Используем технологический приём «ИНСЕРТ» для сохранения интереса к теме.