• Всеосвіта
  • Бібліотека
  • Фізика
  • Методика вивчення теми «Відносність електричного та магнітного полів» в середніх навчальних закладах науково-природничого профілю

Методика вивчення теми «Відносність електричного та магнітного полів» в середніх навчальних закладах науково-природничого профілю

Опис документу:
Кваліфікаційна робота. Методика вивчення теми «Відносність електричного та магнітного полів» в середніх навчальних закладах науково-природничого профілю. РОЗДІЛ 1. ЯВИЩЕ ВІДНОСНОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОГО ТА МАГНІТНОГО ПОЛІВ. РОЗДІЛ 2. МЕТОДИКА НАВЧАННЯ ТЕМИ «ВІДНОСНІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО ТА МАГНІТНОГО ПОЛІВ» В СЕРЕДНІХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДАХ НАУКОВО-ПРИРОДНИЧОГО ПРОФІЛЮ.

Відображення документу є орієнтовним і призначене для ознайомлення із змістом, та може відрізнятися від вигляду завантаженого документу. Щоб завантажити документ, прогорніть сторінку до кінця

Перегляд
матеріалу
Отримати код Поділитися

Кваліфікаційна робота

Методика вивчення теми «Відносність електричного та магнітного полів» в середніх навчальних закладах науково-природничого профілю

ЗМІСТ

ВСТУП……………………………………………………………………………..3

РОЗДІЛ 1. ЯВИЩЕ ВІДНОСНОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОГО ТА МАГНІТНОГО ПОЛІВ……………………………………………………………………………...6

    1. Формули перетворення компонентів електричного та магнітного

полів…………………………………………………………………………..6

    1. Аналіз електродинамічних задач, в яких проявляється відносність

та магнітного полів…………………………………………………………...8

Висновки до першого розділу…………………………………………………..17

РОЗДІЛ 2. МЕТОДИКА НАВЧАННЯ ТЕМИ «ВІДНОСНІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО ТА МАГНІТНОГО ПОЛІВ» В СЕРЕДНІХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДАХ НАУКОВО-ПРИРОДНИЧОГО ПРОФІЛЮ…………………….19

2.1. Огляд методик навчання теми «Відносність електричного та магнітного

полів»………………………………………………………………………...19

    1. Методика вивчення теми «Відносність електричного та магнітного

полів», що пропонується нами…………………………………………….32

Висновки до другого розділу……………………………………………...........50

ВИСНОВКИ……………………………………………………………………...51

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………………………………….54

ВСТУП

Велику увагу у вирішенні поставлених перед освітою важливих прикладних та світоглядних питань відіграє шкільний курс фізики. Як навчальний предмет фізика посідає одне з провідних місць у вирішенні комплексних завдань навчання, розвитку та виховання підростаючого покоління. Вона створює сприятливі умови для формування у школярів вірних наукових уявлень про навколишній світ та фізичну його картину; формує і розвиває у дітей науковий спосіб мислення; розвиває тісний взаємозв'язок науки з життям; суттєво поліпшує політехнічну спрямованість навчання.

На сучасному етапі розвитку нашого суспільства досить часто можна зіткнутися в науковій літературі з уявленнями, що лише при вивченні явища електромагнітної індукції виявляється зв'язок між електричним і магнітним полями, а в уявленнях значної кількості фахівців, не кажучи вже про пересічного громадянина, залишається величезний знак питання на тому місці, де мали б бути поняття про відносність поділу електромагнітного поля на суто електричне та суто магнітне, та знання обґрунтування формул перетворення компонент електричного та магнітного полів.

Тему кваліфікаційної роботи було обрано саме в цьому руслі. Правильне розуміння відносності поділу електричного та магнітного полів достатньо повно може бути сформоване при вивченні електромагнітного поля зарядженої частинки, яка рухається прямолінійно з довільною за величиною швидкістю. Це дасть змогу поповнити знання про навколишній світ, підкреслити його складність, розширити свій кругозір. Ця проблема повинна досліджуватись починаючи із шкільного курсу фізики.

Підвищення якості навчання фізики щільно пов’язане із збільшенням продуктивності розумової праці школярів, формуванням загальних і спеціальних способів мислення, активізацією пізнавальної діяльності.

Завдяки досвіду вчителів і досліджень, направлених на виявлення шляхів активізації пізнавальної діяльності учнів, посилення їхньої самостійності, формування у них наукового світогляду, які вони проводили, методика навчання фізики зазнала значних змін.

Удосконаленням методики викладання електромагнетизму є введення у шкільний курс фізики сучасних фізичних теорій. Це дасть змогу ефективніше використовувати досвід, набутий вчителями. Завдяки новим ідеям фахівців вдосконалюються методи викладання, а це, в свою чергу, дає змогу більш глибоко вивчати фізичні явища.

Мета дослідження – вдосконалення форм і методів вивчення теми «Відносність електричного і магнітного полів» у середніх навчальних закладах (СНЗ) науково-природничого профілю.

Об’єкт дослідження – відносність електричного та магнітного полів.

Предмет дослідження – методика вивчення відносності електричного і магнітного полів» у СНЗ науково-природничого профілю.

Завдання роботи:

  1. детально розглянути спосіб обґрунтування відносності електричного та магнітного полів;

  2. проаналізувати електродинамічну задачу методом релятивістської електродинаміки;

  3. опрацювати спеціальну літературу стосовно формування поняття відносності електричного та магнітного полів;

  4. запропонувати методику формування в учнів уявлень про відносність електричного та магнітного полів;

  5. запропонувати демонстрації, які можуть використовуватись при вивченні теми «Відносність електричного та магнітного полів».

В роботі висуваються гіпотези:

1) формули перетворення компонентів електричного та магнітного полів (ФПКЕМП) можуть бути використані у навчальному процесі СНЗ науково-природничого профілю;

2) методика вивчення теми «Відносність електричного та магнітного полів» з використанням розглянутих в роботі положень дасть змогу підвищити рівень вивчення відносності електричного та магнітного полів та розуміння учнями цього матеріалу в СНЗ.

Актуальність дослідження: в умовах переходу до особистісно-орієнтованого навчання, а також для підвищення рівня вивчення відносності електричного та магнітного полів, розуміння цієї теми школярами фізико-математичних класів, необхідно розробити методику вивчення зазначеної теми, розробити демонстрації для візуального сприйняття матеріалу учнями.

Ми висловили припущення, що ця робота є спробою поліпшити процес навчання та якість засвоєння знань, здобуття вмінь, навичок учнів в СНЗ при вивченні згаданої теми.

РОЗДІЛ 1

ЯВИЩЕ ВІДНОСНОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОГО ТА МАГНІТНОГО ПОЛІВ

    1. . Формули перетворення компонентів електричного та

магнітного полів

В навчальному посібнику [19] пропонується спосіб ФПКЕМП, що ґрунтується на детальному аналізі властивостей електромагнітного поля (ЕМП) рівномірно та прямолінійно рухомої (υ<с) зарядженої частинки (протона). Цей спосіб випливає з інноваційної методичної концепції вивчення електродинаміки на засадах спеціальної теорії відносності (СТВ).

З самого початку вивчення теми «Магнітне поле», після формування поняття «магнітне поле» й розкриття релятивістської природи магнітного поля можна показати, що електричне та магнітне поля пов’язані ФПКЕМП.

Розглянемо цей спосіб. Нехай у нас є три системи відліку (СВ): СВ K, СВ K´, СВ К0 (див. рис. 1.1).

Рис. 1.1. Рух протона відносно СВ K і СВ K´

Як видно з рис. 1.1, СВ К0 є власною СВ для зарядженої частинки. СВ К0 рухається відносно СВ K´ зі швидкістю , а СВ K´ у свою чергу рухається зі швидкістю відносно лабораторної СВ K.

Тоді й напруженість електричного, й індукції магнітного полів, які виникають у СВ К0 , СВ K, відповідно дорівнюють:

,

, (1.1)

,

, (1.2)

де − швидкість руху протона відносно лабораторної системи відліку, , , − кут між радіусом вектором і віссю OX СВ К0; − кут між радіусом вектором , який проведений із миттєвого положення заряду в системі К´ в дану точку поля, і вектором ; − кут між напрямом руху протона і радіусом вектором , який проведений із миттєвого положення протона в СВ К в дану точку поля Р.

З допомогою перетворень Лоренца може бути показано, що

, (1.3)

, (1.4)

, (1.5)

де , .

І тоді, враховуючи (1.1.1) та (1.1.2), (1.1.3), (1.1.4), (1.1.5), одержуємо

,

; (1.6)

аналогічно можна одержати формулу перетворення для проекції Еz:

. (1.7)

Використовуючи (1.1) та (1.2), (1.3), (1.4), (1.5) для компонентів вектора магнітної індукції в СВ K, одержуємо

,

, (1.8)

.

Таким чином, обговорюючи властивості електричного та магнітного полів рухомого протону, вдається довести формули перетворення компонентів електромагнітного поля.

    1. . Аналіз електродинамічних задач, в яких проявляється

відносність електричного та магнітного полів

Співвідношення між електродинамічними величинами, які вимірюються в різних системах відліку.

Зв'язок між векторами поля,які описують ЕМП з точки зору «нерухомої системи відліку» K та точки зору рухомої СВ K'. Причому ці формули мають місце при будь-якому значенні швидкості поступального руху СВ K'.

Знайдемо вектори поля і зв'язок між ними в однорідних в однорідних та ізотропних тілах, які рухаються зі швидкістю V<<c Відносно лабораторної СВ K.

, (1.9)

, (1.10)

, (1.11)

, (1.12)

ρ' , (1.13)

ρ=ρ'+. (1.14)

Вектор намагнічування й вектор поляризації при переході від СВ K' до СВ K', при умові V<<c, перетворюються згідно з формулами

, (1.15)

. (1.16)

Щоб одержати поля в СВ K' за відомими характеристиками ЕМП в СВ K, в попередніх формулах змінимо штриховані величини на не штриховані та навпаки, а перед поставимо протилежний знак:

, (1.17)

, (1.18)

, (1.19)

, (1.20)

, (1.21)

. (1.22)

Аналогічно, при V<<c знаходимо вектор намагнічування й вектор поляризації в штрихованій системі відліку за відомими величинами в «нерухомій» СВ

, (1.23)

, (1.24)

А зв'язок між величинами, які залежать від властивостей середовища, коли воно нерухоме в СВ K', виражається такими формулами:

ε0ε,

ρ=λ, (1.25)

µ0µ.

Формули (1.21) і (1.22) показують, що при наявності густини заряду ρ' й густини струму в СВ K' в лабораторній СВ густина струму й заряду будуть мати додаткові доданки ρ' та , відповідно. Але при відсутності струму в СВ K':

ρ=ρ'.

Тому об’ємна густина сили, яка діє на заряди, нерухомі в СВ K', дорівнює

.

Якщо виразити через величини, які вимірюються в СВ K (формула (1.17)), то одержимо

. (1.26)

Права частина (1.26) в точності дорівнює густині сили, що діє на заряджену частинку з точки зору СВ K [15, с. 86−88].

Розглянемо задачу 1.1. У СВ K' густина заряду і густина струму відповідно дорівнюють ρ' і . Знайти густину сили Лоренца в СВ K.

Розв’язання: Згідно формулам (1.21) та (1.22) маємо

ρ' ,

ρ=ρ'+.

Тому для густини сили Лоренца в СВ K одержуємо

. (1.27)

Якщо підставити вирази для та , то одержимо

. (1.28)

І якщо припустити далі, що в СВ K' відсутні струми, то , і з (1.28) одержуємо

,

що можна також подати і в очевидній формі (1.26), якщо врахувати формули (1.9) і (1.10).

Вираз (1.26) можна одразу записати, якщо врахувати ту очевидну річ, що відносно в СВ K переміщується розподіл заряду зі швидкістю , тому

, а ρ=ρ'.

.

Як бачимо, густина сили Лоренца СВ K не дорівнює густині сили Лоренца в СВ K' [15, с. 88−89].

В посібнику [15] наведені наступні пояснення. Поділ ЕМП на електричне та магнітне має відносний характер: такий поділ у вирішальному степені залежить від системи відліку, в якій розглядаються явища. При цьому поле, постійне в одній СВ, в загальному випадку виявляється змінним в іншій СВ. Наприклад, заряд рухається в інерційній СВ (ІСВ) K з постійною швидкістю υ. В цій СВ ми будемо спостерігати як електричне, так і магнітне поля даного заряду, причому обидва поля змінні в часі. Якщо ж перейти в ІСВ K´, яка рухається разом із зарядом, то в ній заряд знаходиться в стані спокою і ми будемо спостерігати тільки електричне поле.

Два однакових заряди рухаються в СВ K назустріч один одному з однаковою швидкістю υ. В цій СВ ми будемо спостерігати й електричне, і магнітне поля, обидва змінні. Знайти таку СВ K´, де б спостерігалося тільки одне з полів, в даному випадку неможна.

В СВ K існує постійне неоднорідне магнітне поле (наприклад, поле нерухомого постійного магніту). Тоді в СВ K´, яка рухається відносно СВ K, ми будемо спостерігати змінне магнітне поле, і як побачимо далі, електричне поле [15, с. 188].

Задача 1.2. Заряджена частинка знаходиться в стані спокою між полюсами магніту, нерухомого в СВ K. Перейдемо в СВ K´, яка рухається вправо (рис. 1.2) з нерелятивістською швидкістю υ0 − відносно СВ K. Чи можна стверджувати, що в СВ K´ заряджена частинка рухається в магнітному полі? Знайти силу, яка діє на цю частинку в СВ K´.

Рис. 1.2. Заряджена частинка знаходиться в стані спокою між полюсами

магніту, нерухомого в СВ K

Розв’язок. Так, частинка рухається в магнітному полі. Але в магнітному полі, а не відносно магнітного поля. Має сенс говорити про рух частинки відносно СВ, магніта та інших тіл, але тільки не відносно магнітного поля. Останнє просто не має сенсу. Все це відноситься не тільки до магнітного, а і до електричного поля.

Щоб знайти силу, треба врахувати, що в СВ K´ з’явиться і електричне поле , воно направлене на нас (рис. 1.2). В СВ K´ заряд буде рухатись вліво зі швидкістю –υ0, причому цей рух буде здійснюватись у перехрещених електричному та магнітному полях. Нехай для визначеності заряд частинки q>0, тоді сила Лоренца в СВ K´

, (1.28)

що можна було сказати і відразу виходячи з факту інваріантності сили при нерелятивістських перетвореннях із однієї СВ в іншу.

Задача 1.3. Нерелятивістський точковий заряд q рухається з постійною швидкістю υ. Знайти за допомогою формул перетворення полів магнітне поле B цього заряду в точці, положення якої відносно заряда визначається радіус-вектором .

Розв'язок. Перейдемо в СВ K´, яка пов’язана із зарядом. В цій системі є тільки кулонівське поле напруженістю

, (1.29)

де враховано, що в СВ K´ радіус-вектор (нерелятивістський випадок). Тепер перейдемо назад, із СВ K´ в СВ K, яка рухається відносно СВ K´ зі швидкістю υ. Для цього скористаємося формулою для поля B із наступних виразів

, , (1.30)

в яких роль штрихованих величин гратимуть не штриховані (і навпаки), а швидкість υ0 треба замінити на −υ0 (рис.1.3). В нашому випадку υ0= υ, тому

. (1.31)

Рис. 1.3. СВ K, яка рухається відносно СВ K´ зі швидкістю −υ

Враховуючи, що в СВ K´ B´=0 і що , знаходимо

. (1.31)

Ми отримали формулу магнітного поля рівномірно рухомої частинки (1.31), яка була постульована як результат узагальнення дослідних фактів.

Задача 1.4. Велика пластина із однорідного діелектрика з проникненістю ε рухається з постійною нерелятивістською швидкістю υ в однорідному магнітному полі В (рис. 1.4). Знайти поляризованість P діелектрика і поверхневу густину σ´ зв’язаних зарядів.

Рис. 1.4. Велика пластина із однорідного діелектрика рухається зі

швидкістю υ в однорідному магнітному полі В

Розв'язок. В системі відліку, зв’язаній з пластинкою, буде спостерігатись окрім магнітного поля й електричне, позначимо його . Згідно формул перетворення полів (1.30)

.

Поляризованість діелектрика

=,

де враховано, що всередині діелектрика . Поверхнева густина зв’язаних зарядів

, (1.32)

причому на тій поверхні, яка повернена до нас (рис. 1.4), σ´>0, а на протилежній σ´<0.

Задача 1.5. Маємо незаряджений довгий провід зі струмом I. Знайти заряд на одиницю довжини цього провода в СВ, яка рухається поступально з нерелятивістською швидкістю υ0 вздовж провідника у напрямку струму I.

Розв'язок. У рухомій СВ згідно із формулами перетворення (1.30) з'явиться електричне поле , або

. (1.32)

Тут вираз для B отримане за допомогою теореми про циркуляцію.

З іншої сторони, за теоремою Гаусса (в рухомій СВ)

, (1.33)

де λ´ − заряд на одиницю довжини провода.

З порівняння (1.32) та (1.33) знаходимо

, (1.34)

де . Походження цього заряду пов’язане із різними лоренцевим скороченням, яке відчувають «ланцюжки» позитивних та негативних зарядів, адже їх швидкості різні.

Задача 1.6. Релятивістська заряджена частинка рухається у просторі, де є однорідні взаємно перпендикулярні електричне та магнітне поля Е та В. Знайти Е´ та В´ у СВ, яка переміщується поступально разом із частинкою.

Розв'язок. Із характеру руху частинки слідує, що її швидкість повинна задовольняти умові

. (1.35)

Згідно формул перетворення

,

, (1.36)

отримаємо

,

бо в нашому випадку сила Лоренца, а значить, і величина рівні нулю.

Для магнітного поля згідно тим же формулам перетворення (1.36)

.

Розташування векторів показане на рис. 1.5, звідки видно, що ↑↑ B. Тому з урахуванням того, що згідно (1.35) , можна записати

,

або у векторному вигляді

.

Приведені задачі можуть бути використані в середніх навчальних закладах науково-природничого профілю, так як вони не складні з фізичної точки зору та використовують математичний апарат, який на етапі старшої школи учні вже вивчали. Більш складні задачі можуть використовуватись на факультативах та індивідуальних заняттях.

Розв'язуючи різноманітні задачі електродинаміки учні моделюють реальні процеси, і одержують результати, які є новими в їхньому суб'єктивному досвіді. Такі задачі сприяють посиленню пізнавальної мотивації, підвищуючи у навчанні суб'єктивну значущість дослідницької діяльності і тим самим сприяючи розвитку пізнавальної активності.

Висновки до першого розділу

  1. Таким чином, при викладанні електродинаміки в середній школі вчителі мають слідкувати за повнотою викладки матеріалу й повинні враховувати в розробці своїх уроків таке питання, як відносність електромагнітного поля.

  2. На наш погляд це питання потрібно висвітлювати під час вивчення сили Лоренца, тому що вона може розглядатись як наслідок ФПКЕМП [16, с.7].

  3. Тобто, під час розробки теми «Відносність електричного та магнітного полів» вчитель обов'язково має звертати увагу слухачів на принципово різні підходи обґрунтування: на основі кінематики теорії відносності і закону збереження заряду, або з формул Ейнштейна для перетворення векторів і електромагнітного поля, відомих з теорії відносності. І перший, і другий способи розгляду погано доступні школярам, тому вносять великі додаткові труднощі в розуміння матеріалу.

  4. Виходячи з вище сказаного, учень повинен оволодіти знаннями про те, що електромагнітне поле не можна розглядати як сукупність електричного й магнітного полів, які одночасно самостійно існують в просторі й часі; реальністю є саме електромагнітне поле, яке проявляється у вигляді електричного й магнітного полів залежно від умов спостереження, тобто вибору системи відліку; електромагнітне поле існує незалежно від вибору системи відліку; електричне й магнітне поля слід розглядати як різні сторони того самого явища; залежно від того, в якій системі відліку розглядаються електромагнітні процеси, виявляються ті чи інші сторони цього єдиного цілого. Вище сказане свідчить про те, що електромагнітне поле – це вид матерії, за допомогою його здійснюється електромагнітна взаємодія заряджених тіл або частинок речовини і виявляють його за дією на заряджені тіла або частинки.

5. Основна мета роботи вчителя з розвитку пізнавальної активності учнів – розвиток їх творчих здібностей. Досягнення цієї мети дозволяє вирішити багато задач навчання. Прийоми і методи активізації пізнавальної діяльності учнів у навчанні повинні передбачати поступовий, цілеспрямований і планомірний розвиток мислення і одночасне формування в них мотивів навчання.

6. З іншої сторони, оволодіння в повній мірі учнями цим матеріалом дасть змогу їм в майбутньому не лише краще вивчити різні питання електромагнетизму, а й, можливо, знайти застосування для кожної з причин, якого ми поки що не бачимо. Тож вивчення цих питань – однин з найважливіших моментів сучасної теорії, що має важливе світоглядне і політехнічне значення.

РОЗДІЛ 2

МЕТОДИКА НАВЧАННЯ ТЕМИ «ВІДНОСНІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО

ТА МАГНІТНОГО ПОЛІВ» В СЕРЕДНІХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДАХ

НАУКОВО-ПРИРОДНИЧОГО ПРОФІЛЮ

2.1. Огляд методик навчання теми «Відносність електричного та магнітного полів»

Єдине електромагнітне поле існує у природі, за певних умов воно проявляється або як електричне, або як магнітне. У школі цей складний матеріальний об'єкт вивчається кількома етапами. Спочатку вивчається електростатичне поле та його властивості, потім стаціонарне електричне та магнітне поля. Учням потрібно багато часу на те, щоб засвоїти ці поняття незалежно одне від одного, і тому при потребі усвідомити електромагнітне поле як об'єктивну реальність, що існує незалежно від того, в якій системі відліку ми ставимо дослід, стикаються зі значними труднощами.

За програмою шкільного курсу фізики цей матеріал розглядається під час вивчення теми «Електромагнітне поле». Потрібно узагальнити здобуті учнями знання як з фізичного, так і з методологічного погляду задовго до ознайомлення їх з основами теорії відносності, а це в сою чергу ускладнює процес навчання.

В школі велике значення надається методикам навчання окремих дисциплін. При умові застосування ефективних методів викладання, якість навчання може успішно зростати. Наукова розробка окремих питань методики викладання фізики фактично розпочалась в нашій країні в останній чверті XIX ст. [28] і продовжується дотепер. У цьому процесі багатьох змін у змісті навчального матеріалу, порядку та формі його викладання зазнав кожний розділ шкільного курсу фізики. Та чи не найбільше дискусій стосувалося методики викладання електромагнітних явищ. Обговорення поліпшення викладання цього матеріалу ведеться і до тепер.

Проблема удосконалення методики викладення електромагнітних явищ у школі приділяли увагу М.С. Білий, Г.А. Бугаєнко, Л.Ю. Благодаренко, А.А. Ванєєв, С.Л. Вольштейн, А.Т. Глазунов, С.У. Гончаренко, М.М. Дідович, С.Є. Каменецький, Є.Д. Корж, Г.Я. Мякішев, В.П.Орєхов, А.А. Пінський, І.Г. Пустильник, О.В. Пьоришкін, М.Й. Розенберг, Л.В. Тарасов та інші вчені.

Беручи до уваги принципово важливе значення зв'язку між електричним і магнітним полями для формування наукового, діалектико-матеріалістичного світогляду учнів у методичній літературі цьому питанню приділяється належна увага. В одних випадках автори дають обґрунтування на основі кінематики теорії відносності і закону збереження заряду [11], а в інших вони виходять з формул Ейнштейна для перетворення векторів і електромагнітного поля, відомих з теорії відносності [18]. І перший, і другий способи розгляду погано доступні школярам, тому вносять великі додаткові труднощі в розуміння матеріалу.

На наш погляд особливої уваги заслуговує точка зору на модернізацію курсу фізики, викладена Л.В. Тарасовим, яку ми поділяємо. «Модернізація курсу фізики передбачає не тільки включення в нього питань сучасної фізики, але й викладення питань класичної фізики (в значній частині навіть традиційних) по-новому, із застосуванням нових методів дослідження і прийомів мислення, а також вимагає посилення класифікації, систематизації та узагальнення знань під кутом зору загальних ідей... Його науковий рівень має відповідати сучасному рівню розвитку науки, і разом з тим цей курс повинен бути доступним за обсягом і глибиною викладу».

Вивчення електродинаміки має велике пізнавальне значення, тому що школярі дізнаються про найбільш загальну залежність і взаємозв'язок між електричними й магнітними явищами. У ході вивчення теми учні вперше знайомляться з властивостями нового для них виду матерії – поля. Особливо багатий цей розділ на матеріал, що сприяє формуванню в учнів наукового світогляду, дає можливість показати реальне існування електромагнітного поля як виду матерій.

Формування поняття поля відіграє важливу роль у розвитку діалектико-матеріалістичного світогляду учнів. Вдале викладення понять електричного, магнітного та електромагнітного полів є базою для успішного оволодіння школярами одним з фундаментальних розділів сучасної фізики, який багато в чому визначає науково-технічний прогрес.

Близько семи десятиліть електромагнітні явища вивчаються на двох ступенях вивчення фізики. Варто докладніше зупинитися на змінах, які вносилися до змісту навчального матеріалу протягом останніх десятиліть.

Особливими рисами викладання даної теми на першому ступені курсу фізики було і є те, що весь матеріал розглядається виключно на якісному рівні, не наводиться жодної (за одним виключенням) розрахункової формули. Але якісне вивчення дає значні можливості для розвитку теоретичного мислення та практичних навичок школярів, оскільки основною базою методики її викладання є фізичний експеримент. Простота дослідів дозволяє учням спостерігати деякі явища у своїй домашній лабораторії, а також конструювати електромагнітні установки та прилади. Зміст теми нерозривно пов'язаний з багатьма застосуваннями магнітного поля та магнітних пристроїв, завдяки чому вчитель може давати творчі завдання конструкторського характеру для розвитку винахідницьких здібностей дітей.

Згідно [1], нова на той час програма передбачала вивчення таких питань: магнітне поле прямого струму, колового струму, соленоїда, електромагніти та їх застосування, постійний магніт, магнітне поле Землі. Після цього вивчались: сила, що діє на провідник із струмом у магнітному полі, електродвигун постійного струму, явище електромагнітної індукції, генератор електричного струму. Така послідовність містить деякі зміни порівняно з викладом у більш ранньому підручнику, де, зокрема, розглядається будова і дія трансформатора та наводиться (єдина!) формула визначення коефіцієнту трансформації.

В роботі [1] вказано на таке протиріччя: спочатку, за програмою, вивчається магнітне поле струму, а потім властивості постійних магнітів. Про те, для вивчення магнітного поля доводиться користуватися магнітною стрілкою (дослід Ерстеда). На думку автора [1], для усунення цього недоліку до пояснення нового матеріалу повторити означення магнітних полюсів, взаємодію магнітних полюсів, слід з'ясувати, що діти знають про властивості магнітів, пригадати причину орієнтування магнітної стрілки. При цьому учнів слід попередити, що властивості магнітів пізніше вивчатимуться глибше.

Перелік основних питань, що передбачені програмою в наш час наступний: магнітного поля струму та дії магнітного поля на провідник із струмом. Третє фундаментальне явище електромагнетизму – електромагнітна індукція цілком вивчається на другому ступені. Спосіб розв'язання згаданої вище проблеми розроблений в [5], де пропонується спочатку вивчати магнітне поле постійних магнітів, так як магнітна взаємодія у свідомості учнів асоціюється спочатку саме через взаємодію постійних магнітів. Потім на основі досліду Ерстеда вивчають більш складне для розуміння магнітне поле провідників зі струмом. Дослід Роуланда-Ейхенвальда дозволяє підкріпити основний висновок, що магнітне поле виникає саме навколо рухомих електричних зарядів. Гіпотеза Ампера розглядається як логічне продовження детального вивчення картини ліній магнітного поля, особливо кільця зі струмом і соленоїда. Така послідовність вивчення навчального матеріалу дозволяє успішно узагальнити здобуті знання, побачити спільну природу різних джерел магнітного поля і усвідомити поняття магнітного поля.

За новою програмою 1973 року на II ступені курсу фізики передбачалось вивчення двох основних підрозділів даної теми: магнітного поля струмів та явища електромагнітної індукції. Весь матеріал першого підрозділу можна поділити на дві частини. Перша – вивчення магнітного поля рухомих зарядів (струму) і його силової характеристики – вектора індукції магнітного поля. Друга – вивчення сил, що діють на рухомі заряди струм) у заданому магнітному полі (закон Ампера, сила Лоренца). При вивченні цього і наступного матеріалу про електромагнітну індукцію слід спиратися на перше і четверте рівняння Максвелла.

Пізніше звертається увага, що у курсі фізики середньої школи постійні електричне і магнітне поля вивчаються в IX класі незалежно одне від одного. У X класі знання учнів доповнюються новими відомостями про існування зв'язку між постійними електричним і магнітним полями. Школярі знайомляться із сучасними уявленнями про електричне й магнітне поля, як прояви єдиного електромагнітного поля, вивчають його властивості, що виявляються по-різному, залежно від того, в якій системі відліку розглядаються електромагнітні процеси.

Надбані дітьми знання узагальнюються як з фізичного, так і з методологічного погляду задовго до ознайомлення їх з основами теорії відносності, а це, в свою чергу, ускладнює процес навчання. У цьому розділі вивчаються електромагнітні явища. Вони досить складні для розуміння, що створює в учнів значні труднощі під час їх вивчення. Структура електромагнітного поля є найскладнішим питанням. Правильно пояснити це питання можна тільки на основі теорії Максвелла, яка є основою вчення про електродинаміку. Але в середній школі передчасно ставити питання про систематичне вивчення теорії Максвелла, хоча б і в найелементарнішій формі. Проте ознайомити учнів з найважливішими положеннями цієї теорії про зв'язок електричного й магнітного полів і скористатися цими положеннями для пояснення ряду питань цього розділу, очевидно, необхідно [14]. Фізичну суть рівнянь Максвелла можна пояснити, зіставляючи їх з основними положеннями електромагнітної теорії поля і не використовуючи при цьому складні математичні вирази. Наведемо такі пояснення:

Перше рівняння Максвелла відбиває закон про виникнення магнітного поля. З нього випливає, що вихрове магнітне поле створюється не тільки під час руху електричних зарядів, а й при зміні електричного поля в часі.

Друге рівняння Максвелла виражає закон електромагнітної індукції Фарадея: змінне в часі магнітне поле породжує вихрове електричне поле.

Третє рівняння Максвелла показує зв'язок електричного поля з електричними зарядами, тобто узагальнює закон Кулона. З нього випливає розімкненість силових ліній електричного поля. Це вважалося основним недоліком теорії Максвелла. На той час ця суто математична теорія не мала експериментального підтвердження. Фізики розуміли математичні рівняння Максвелла, але чітко усвідомити, що вони описують, були не в змозі. Вивчаючи об'єктивну реальність, наука досягла такого рівня, що вже не може описувати її за допомогою наочних образів. Основні властивості явищ, які узагальнює теорія Максвелла, настільки якісно відрізняються від властивостей макроскопічних тіл, які ми безпосередньо сприймаємо, що вони можуть бути описані лише абстрактною мовою математики. Електромагнітне поле – це реальність, природа якої може бути описана лише рівняннями, але об’єктивне існування електромагнітного поля безперечне.

Четверте рівняння Максвелла показує, що в природі не існує вільних магнітних зарядів, тобто лінії магнітного поля замкнені. Іншими словами, у природі не існує інших джерел магнітного поля, крім електричних струмів.

Введення поняття про струм зміщення відіграло важливу роль у побудові теорії Максвелла. Воно розкрило зв'язок електричного й магнітного полів, що існують без електричних зарядів і струмів. Проте, вивчаючи матеріал цього розділу, мабуть, не варто вводити поняття про струми зміщення, оскільки пояснити школярам задовільно це поняття важко, а поверхове ознайомлення з ним може викликати непорозуміння . Досить, коли вчитель, узагальнюючи явище електромагнітної індукції, розповість учням, що подібно до того, як при будь-якій зміні магнітного поля виникає вихрове електричне поле, при всякій зміні електричного поля утворюється вихрове магнітне поле. При цьому слід мати на увазі одну важливу обставину. Часто твердять, що змінне електричне поле породжує змінне магнітне, яке в свою чергу зумовлює появу змінного електричного і т. д. Насправді цей процес відбувається одночасно. Не можна сказати, що було електричне поле й його зміна викликала через якийсь час появу магнітного поля. Питання про те ,яке з них виникає перше не має сенсу, і це треба завжди пам'ятати.

Під час вивчення електростатичних явищ, учні ознайомилися з електростатичним полем, яке зв'язане з нерухомими відносно спостерігача зарядами і проявляється в дії на нерухомі заряди. Вони знають, що між проводами, по яких проходить постійний струм, існує стаціонарне (постійне в часі) електричне поле, зв'язане із стаціонарним магнітним полем, що ці поля існують одночасно як дві сторони того самого стаціонарного електромагнітного поля. Перед встановленням зв'язків між електричним і магнітним полями доцільно розглянути властивості електростатичного, стаціонарного електричного, стаціонарного магнітного полів і на основі явища електромагнітної індукції спинитися на окремих властивостях змінного електромагнітного поля.

1. Зв'язок поля з електричними зарядами потрібно висвітлити після введення поняття електричного заряду, визначення якого було прийняте в 1957 році міжнародною електротехнічною конференцією: електричний заряд – це властивість частинок матерії або тіл, яка характеризує їх взаємозв’язок із власним електромагнітним полем та їх взаємодію із зовнішнім електромагнітним полем; має два види, відомі як позитивний заряд (заряд протона, позитрона та ін.) і негативний заряд (заряд електрона та ін.); кількісно визначається за силовою взаємодією електричне заряджених тіл. Аналізуючи це означення, слід підкреслити зв'язок зарядів із власним електромагнітним полем. Якщо заряд відносно деякої системи координат перебуває в стані спокою (рис.2.1, а), то за допомогою приладів, які в цій системі перебувають у стані спокою, можна виявити лише напруженість та потенціал електростатичного поля, а індукції магнітного поля не виявимо. Якщо заряд відносно деякої системи відліку перебуває в рівномірному прямолінійному русі (рис. 2.1, б), то прилади, що перебувають у стані спокою відносно системи, виявляють змінне електричне і магнітне поля. Якщо по провіднику проходить струм, то і в провіднику і поза провідником виявляється стаціонарне електричне поле і стаціонарне магнітне поле. Якщо ж заряд відносно даної системи відліку рухається з прискоренням (прямолінійно чи по колу) (рис. 2.1, в), то прилади виявлять змінне взаємопов'язане електромагнітне поле, що поширюється в просторі –електромагнітну хвилю. Останнє твердження обґрунтовуємо на основі явища електромагнітної індукції. Детальніше його розглядають під час вивчення електромагнітних коливань і хвиль.

2. Характер поля. Електростатичне і стаціонарне електричне поля – потенціальні. Про це свідчить такий факт: робота переміщення заряду по замкнутому контуру в цих полях дорівнює нулю і лінії напруженості починаються або закінчуються на зарядах.

Рис. 2.1. Зв'язок заряду з власним електромагнітним полем.

Стаціонарне магнітне поле вихрове, лінії індукції цього поля замкнуті. Замкнутість ліній індукції свідчить про те, що магнітних зарядів не існує, а поле пов'язане з рухом електричних зарядів. Магнітне поле роботи з переміщень заряду не виконує. Сила Лоренца перпендикулярна до швидкості руху заряду, а отже, і до переміщення, тому робота цієї сили дорівнює нулю. Зі змінним магнітним полем пов'язане вихрове електричне поле, лінії напруженості якого замкнуті, вони не починаються і не закінчуються на електричних зарядах. Вихрове електричне поле роботу виконує.

З. Дія поля на електричні заряди. Електростатичне поле діє на нерухомі й рухомі електричні заряди. Силу взаємодії між нерухомими зарядами визначають за законом Кулона. Стаціонарне електричне і вихрове електричне поля діють на нерухомі й рухомі заряди, але тут сила взаємодії між зарядженими частинками, які рухаються відносно деякої системи відліку, не визначається законом Кулона. Стаціонарне магнітне поле діє лише на рухомі заряди. Змінне магнітне поле безпосередньо на нерухомі заряди не діє, але зі змінним магнітним полем пов'язане змінне вихрове електричне поле, яке діє як на нерухомі, так і на рухомі заряди.

Якщо відносно деякої системи відліку заряди рухаються (рис.2.2, а, б), то між цими зарядами, крім електричної взаємодії () виникає і магнітна взаємодія (), так що ,

де швидкість руху зарядів відносно даної системи відліку, швидкість світла у вакуумі.

4. Характеристики поля. Електростатичне і стаціонарне електричне поля потенціальні, тому характеризуються напруженістю і потенціалом (різницею потенціалів). Стаціонарне і змінне магнітні поля вихрові і характеризуються вектором індукції поля. Вихрове електричне поле характеризується вектором напруженості поля.

Рис. 2.2. Дія поля на електричні заряди.

5. Взаємодія поля з речовиною. За взаємодією з електричними полями всі речовини поділяють на провідники, напівпровідники та діелектрики, які різняться концентрацією носіїв струму: в металах вона порядку 1028 – 1029м-3, у напівпровідниках – 1025- 1012м-3, менше 1010м-3 – в діелектриках.

Частини провідника, внесеного в електростатичне поле, заряджаються за індукцією так, що напруженість поля всередині провідника дорівнює нулю, а потенціал в середині і на поверхні провідника однаковий і не дорівнює нулю.

Діелектрик, внесений в електростатичне поле, поляризується і зменшує напруженість і потенціал поля в діелектрику в раз ( діелектрична проникність речовини).

Стаціонарне електричне поле провідника зі струмом відрізняється від електростатичного поля зарядженого провідника. Заряди на провіднику розміщуються на поверхні, потенціал провідника однаковий по всьому об’єму, поверхня провідника еквіпотенціальна, напруженість поля всередині провідника стала. Лінії напруженості поля перпендикулярні до поверхні провідника. У провіднику зі струмом заряди переміщуються по сьому об’єму провідника, напруженість стаціонарного електричного поля всередині провідника не дорівнює нулю, поверхня провідника не еквіпотенціальна, лінії напруженості не перпендикулярні до поверхні провідника, в різних точках у напрямі проходження струму в провіднику потенціали різні.

У речовині, внесеній в магнітне поле, змінюється індукція поля в раз порівняно з індукцією цього поля у вакуумі () - магнітна проникність речовини). За магнітною проникністю речовини поділяються на: а) діамагнетики – ; б) парамагнетики – ; в) феромагнетики – . Індукція магнітного поля в діамагнетику менша, ніж у вакуумі, а в парамагнетику і феромагнетику – більша. Густина ліній індукції в діамагнетику менша, ніж у вакуумі, а в парамагнетику і феромагнетику – більша.

Провідник і система ізольованих провідників характеризуються електроємністю, яка залежить від розмірів, форми провідників і діелектричної проникності середовища, в якому вони знаходяться. Провідник і котушка характеризуються індуктивністю, яка залежить від форми, розмірів провідників і магнітної проникності середовища, в якому вони знаходяться.

6. Енергія поля. Густину енергії електростатичного, стаціонарного і вихрового електричних полів можна визначити за формулою: де напруженість відповідно електростатичного, стаціонарного, чи вихрового електричного поля.

Густину енергії стаціонарного магнітного чи змінного магнітного поля можна визначити за формулою , де індукція відповідного магнітного поля.

Дія електростатичного, електричного і магнітного стаціонарного і змінного електромагнітного полів на електричні заряди свідчить про те, що поля існують об'єктивно, вони матеріальні.

Під час вивчення явища електромагнітної індукції було встановлено взаємозв'язок електричного і магнітного полів, взаємне перетворення їх енергії. Було також встановлено, що при будь-якій зміні магнітного поля зникає змінне електричне поле, е. р. с. якого прямо пропорційна швидкості зміни магнітного потоку. Слід також пригадати, що виникнення вихрового електричного поля не залежить від наявності витка чи іншого провідника в даному місці. Логічно припустити, що коли змінне магнітне поле породжує електричне, то, очевидно, слід чекати й зворотного явища – виникнення магнітного поля при будь-якій зміні електричного. Саме таке припущення й висловив Дж. Максвелл; згодом воно було підтверджене експериментально. Таким чином, змінні електричне й магнітне поля взаємозв'язані, вони утворюють єдине електромагнітне поле.

У навчальних посібниках [25, 28] електромагнітне поле трактується як вид матерії; властивості його проявляються по-різному залежно від вибору системи відліку. Наприклад, заряджене нерухоме тіло утворює тільки електричне поле, а рухоме – і електричне, і магнітне. Так само нерухомий магніт чи соленоїд утворює лише магнітне поле, а рухомий – і магнітне, й електричне. Але спокій і рух – поняття відносні, вони залежать від вибраної нами системи відліку. Звідси випливає, що наявність чи відсутність магнітного чи електричного поля залежить від системи відліку. При переході від однієї системи відліку до іншої електричне й магнітне поля змінюються.

Для ілюстрації положення про відносність електричного і магнітного полів доцільно, крім наведених у навчальному посібнику прикладів, розглянути ще й такий. З прискорювача вилітає вузький пучок заряджених частинок, які рухаються з однаковою швидкістю. Нерухомий відносно прискорювача спостерігач своїми приладами встановлює наявність і електричного, і магнітного полів, створюваних рухомими зарядами. В свою чергу він може впливати на пучок частинок, встановивши на його шляху соленоїд чи магніт. Коли пучок потрапляє в соленоїд, в якому є тільки магнітне поле, то частинки відхиляються від попереднього шляху. Тепер уявимо собі другого спостерігача, який летить разом з частинками. В його системі відліку пучок – це нерухома заряджена нитка, яка утворює тільки електричне поле. Якщо в розпорядженні другого спостерігача є соленоїд, то він нічого з пучком зробити не зможе (адже соленоїд і пучок нерухомі один відносно одного).

Проте слід урахувати, що при розгляді цього й наведених у посібнику прикладів в учнів може створитися помилкова думка, що ці приклади заперечують реальність існування електромагнітного поля. Справді, з цих прикладів випливає, що електричне (магнітне) поле в одній системі відліку існує, а в іншій – ні, тобто за допомогою вибору системи відліку можна «створювати» й «знищувати» електричні й магнітні поля. Чи не суперечить це уявленню про реальність поля, оскільки існування реального об'єкта не може залежати від системи відліку? Це важливе методологічне питання треба пояснити школярам. Електромагнітне поле не можна розглядати як сукупність електричного й магнітного полів, які одночасно самостійно існують в просторі й часі. Реальністю є саме електромагнітне поле, яке проявляється у вигляді електричного й магнітного полів залежно від умов спостереження, тобто вибору системи відліку. Електромагнітне поле існує незалежно від вибору системи відліку. В різних системах відліку дії електричного й магнітного полів (напруженість електричного й індукція магнітного поля) окремо можуть бути різними, але й їх спільна дія (сила ) залишається тією самою. Електричне й магнітне поля слід розглядати як різні сторони того самого явища. Залежно від того, в якій системі відліку розглядаються електромагнітні процеси, виявляються ті чи інші сторони цього єдиного цілого.

Слід показати, що коли періодично в якійсь точці змінювати електромагнітне поле, то воно періодично змінюватиметься і в усіх інших точках простору, але з деяким запізненням, оскільки в кожній наступній точці зміни виникнуть пізніше, ніж у попередній. Із законів Кулона та Біо-Савара-Лапласа випливає, що електромагнітне поле простягається в нескінченність, отже, можна зробити висновок, що зв'язані з коливаннями заряду зміни електромагнітного поля поширюються в навколишньому просторі. Поширення в середовищі електромагнітних коливань, що спочатку виникли в якійсь точці простору, називається електромагнітною хвилею.

Вищесказане свідчить про те, що електромагнітне поле – це вид матерії, за допомогою його здійснюється електромагнітна взаємодія заряджених тіл або частинок речовини і виявляють його за дією на заряджені тіла або частинки.

При вивченні електродинаміки до недавнього часу майже не зверталася увага на релятивістські ефекти, хоча методисти і педагоги не раз наголошували на значній дидактичній та методологічній цінності цих ефектів. Поясненню релятивістської природи магнітного поля та відносності електричного і магнітного полів в шкільних підручниках присвячені епізоди, в яких сказано лише, що у системі відліку, зв'язаній з зарядом, магнітне поле відсутнє, а в інших системах відліку магнітне поле не дорівнює нулю. Спроби органічно включити спеціальну теорію відносності (СТВ) в процес вивчення електродинаміки, успіху не мали, можливо, по наступним причинам:

1. Навчальними програмами не передбачалось детальне вивчення СТВ, ця теорія при викладанні фізики вважалась такою, яка в повсякденній реальності та техніці ніде суттєво не проявляється, хіба що при виконанні досліджень в області високих енергій;

2. Ставлення до СТВ як до абстрактної і не фундаментальної, далекої від тих фізичних явищ, що безпосередньо спостерігаються, приводило до недостатнього та формального її вивчення.

Проте дослідження показали визначну роль СТВ при адекватному поясненні основних положень електромагнетизму. Аналіз відомих учням середніх загальноосвітніх навчальних закладів експериментальних фактів на основі принципів СТВ, обґрунтування та застосування формул перетворення компонент електромагнітного поля при переході від однієї системи відліку до іншої, на погляд О.А. Коновала, дає можливість найбільш повно та адекватно формувати поняття про взаємозв'язок електричного та магнітного полів. Для навчальних закладів з поглибленим вивченням фізики в системі загальної середньої освіти автор [21] пропонує методику висвітлення поняття магнітного поля, яка описує не тільки релятивістську природу магнітного поля, але і дає можливість на основі послідовного релятивістського підходу обґрунтувати і пояснити закони і формули відповідної теми.

    1. 2.1 Методика вивчення теми «Відносність електричного та магнітного

полів», що пропонується нами

Урок №1.

Тема уроку: «Значення теорії Максвелла. Електромагнітне поле в рухомих тілах»

Мета уроку:

навчальнаповторення поняття електричного і магнітного полів, розкриття значення теорій Максвелла та поняття виникнення електромагнітного поля в рухомих тілах;

розвивальна – розвиток логічного мислення, уваги, пам'яті, вміння абстрагувати та узагальнювати отримані знання;

виховна – виховання наполегливості, уважності, відповідальності, формування наукового світогляду та інтересу до предмету фізики.

Тип уроку: урок набуття нових знань.

План уроку.

І. Організаційний момент.

II. Актуалізація опорних знань.

III. Викладення основного матеріалу.

ІV. Підсумки уроку. Домашнє завдання.

Хід уроку.

І. Організаційний момент

II. Актуалізація опорних знань

  1. Що називається електричним полем?

  2. Як можна виявити електричне поле?

  1. Які причини появи електричного поля?

  2. Що називають магнітним полем?

  3. Які ви знаєте релятивістські перетворення?

III. Викладення основного матеріалу

Значення теорії Максвелла

Теорія Максвелла зіграла визначну роль у розвитку наших знань про електрику. Для того щоб краще зрозуміти значення цієї теорії, необхідно згадати історичну послідовність основних відкриттів в області електрики до робіт Максвелла.

Кількісне вивчення електричної електричних явищ почалося з робіт Кулона (1785р.), який встановив спочатку закон взаємодії електричних зарядів і розповсюдив його пізніше на взаємодію «магнітних зарядів». Однак аж до 1820р. електричні та магнітні явища розглядали як різні явища, не пов'язані між собою.

Відкриття Ерстедом у 1820р. магнітної дії струму показало, що між магнітними й електричними явищами існує зв'язок і що магнітні дії можна отримати за допомогою електричних струмів. Магнітна дія струмів була детально вивчена Ампером, який прийшов до висновку, що всі магнітні явища в природі, в тому числі й пов'язані з постійними магнітами, викликані електричними струмами (теорія молекулярних струмів Ампера).

Подальшими важливими результатами того періоду ми зобов'язані Фарадею. З них особливе значення мало відкриття електромагнітної індукції. Фарадей виходив з основної ідеї про взаємний зв'язок явищ природи. Він вважав, що якщо струм здатний викликати магнітні явища, то і за допомогою магнітів або інших струмів можна отримати електричні струми. У результаті наполегливих і численних спроб Фарадей дійсно відкрив у 1831р. це явище, яке ще більше зміцнило уявлення про зв'язок між електрикою і магнетизмом.

Другою найважливішою ідеєю в роботах Фарадея було визнання основної, визначальної ролі проміжного середовища в електричних явищах. Фарадей не допускав дії на відстані, яке, як ми зараз добре знаємо, фізично беззмістовно, і вважав, що електричні і магнітні взаємодії передаються проміжним середовищем і що саме в цьому середовищі розігруються основні електричні і магнітні процеси.

У роботах Максвелла ідеї Фарадея зазнали подальшого поглиблення та розвитку і були перетворені на сувору математичну теорію. У теорії Максвелла думку про тісний зв'язок електричних і магнітних явищ отримала остаточне оформлення у вигляді двох основних положень теорії, і була в суворій формі виражена у вигляді рівнянь Максвелла. Тому теорія Максвелла стала завершенням важливого етапу у розвитку вчення про електрику і призвела до класичного уявлення про електромагнітне поле, що містить в загальному випадку і електричне, і магнітне поля, пов'язані між собою і здатні взаємно перетворюватися один в одного.

Рівняння Максвелла містять в собі всі основні закони електричного і магнітного полів, включаючи електромагнітну індукцію, і тому є загальними рівняннями електромагнітного поля в середовищах, які знаходяться у стані спокою.

Теорія Максвелла не тільки пояснила вже відомі факти, але і передбачила нові і важливі явища. Абсолютно новим у цій теорії стало припущення Максвелла про магнітне поле струмів зміщення. На основі цього припущення Максвелл теоретично передбачив існування електромагнітних хвиль, тобто змінного електромагнітного поля, що поширюється в просторі з кінцевою швидкістю. Теоретичне дослідження властивостей електромагнітних хвиль привело потім Максвелла до створення електромагнітної теорії світла, згідно з якою світло являє собою також електромагнітні хвилі. Надалі електромагнітні хвилі справді були отримані на досліді, а ще пізніше електромагнітна теорія світла, а з нею і вся теорія Максвелла, отримали повне і блискуче підтвердження.

Електромагнітне поле в рухомих тілах

До цих пір в цьому розділі ми розглядали взаємні перетворення електричних і магнітних полів, викликані зміною полів у часі. Аналогічні явища мають місце і при русі електромагнітного поля щодо спостерігача.

Розглянемо заряд, рухомий в магнітному полі в вакуумі. З точки зору спостерігача, нерухомого щодо магнітного поля, на заряд діє сила

. (2.1)

Тут q − заряд, B=μ0H – індукція магнітного поля, a υ - швидкість руху заряду відносно магнітного поля. Напрямок цієї сили перпендикулярно до υ і В і підпорядковується правилу правого свердлика (співпадає з напрямком векторного добутку ).

Уявімо собі тепер другого спостерігача, що рухається разом із зарядом. Для цього спостерігача заряд буде нерухомим, а тим часом на заряд буде діяти сила F. Але якщо на нерухомий заряд діє сила, пропорційна заряду, то це означає, що є електричне поле. Його напруженість дорівнює:

(2.2)

а напрямок поля збігається з напрямом сили F, тобто перпендикулярно до υ і В (рис. 2.1).

Таким чином, електромагнітне поле залежить від системи відліку. Якщо в будь-якій системі відліку існує одне магнітне поле, то в інших системах, що рухаються відносно щодо першої, ми маємо і магнітне поле, і електричне.

Рис. 2.1. При русі зарядженої частинки відносно магнітного поля

з'являється електричне поле

Рис. 2.2. Якщо в системі відліку К1 є тільки магнітне поле, то в системі

K, що рухається відносно щодо K1, з'являється ще й

електричне поле

Отримані результати можна представити в іншому вигляді. Нехай є дві системи відліку K і К1, причому K рухається щодо К1 з постійною швидкістю υ паралельно осі Х1 (рис. 2.2). Нехай, далі, в К1 існує магнітне поле, яке у довільній точці а має складові Н1x, Н1y і H1z. Тоді в тій же точці, але в системі K з'явиться внаслідок руху електричне поле Еx, Еy, Ez. Застосовуючи до окремих складових поля формулу (2.2), отримуємо:

, .

Якщо в системі К1 є ще й електричне поле, то повне електричне поле в системі К має складові:

, , . (2.3)

Відзначимо ще раз, що υ є швидкість системи К щодо системи К1.

Цілком аналогічно при русі щодо електричного поля з'являється магнітне поле. Щоб визначити це поле, розглянемо заряд +q, який рухається відносно спостерігача зі швидкістю υ. Такий заряд створює магнітне поле

, (2.4)

де q – радіус-вектор, проведений з заряду в дану точку. Але у виразі (2.4) q/(4πr2) є електричне зміщення D=ε0Е, створюване зарядом у розглянутій точці а. Тому, враховуючи ще, що D направлено вздовж r, можна написати

. (2.5)

Поле Н перпендикулярно до υ і D (збігається з напрямком векторного добутку ).

Для спостерігача, що рухається разом із зарядом, існувало б тільки електричне поле. Якщо ж це електричне поле рухається відносно спостерігача, то з'являється ще й магнітне поле, яке виражається формулою (2.5) (рис. 2.3).

Рис. 2.3. При русі відносно електричного поля з'являється магнітне

поле Н

Рис. 2.4. Якщо в системі відліку К1 є тільки електричне поле, то в

системі К, що рухається відносно щодо К1, з'являється ще й

магнітне поле

Введемо, дві системи відліку, одна з яких К рухається відносно іншої К1 у напрямку Х1 (рис. 2.4), і покладемо, що заряд покоїться в системі К1. Отже, електричне поле цього заряду буде рухатися відносно К зі швидкістю . Тоді, застосовуючи формулу (2.5) до окремих складових поля і змінюючи в ній знак у швидкості υ, отримаємо:

, , .

Якщо в системі К1 є ще й магнітне поле (H1x, H1y, H1z), то повне магнітне поле в системі К має складові:

, , . (2.6)

Тут, як і раніше, υ є швидкість руху системи К (в якій спостерігається поле Нx, Hv, Hz) щодо системи K1.

Нагадаємо на закінчення, що формули (2.1) і (2.4), з яких ми виходили в наших міркуваннях, були отримані в кінцевому рахунку з дослідів з магнітним взаємодією проводів із струмом. Але в проводах ми маємо завжди лише повільні рухи зарядів. Тому й написані вище формули перетворення полів можна вважати обґрунтованими тільки для повільних рухів (у порівнянні зі швидкістю світла). Для швидких рухів ці формули повинні бути замінені на більш загальні.

IV. Підсумки уроку. Домашнє завдання.

Згідно з теорією Максвелла електромагнітне поле є об'єктивною реальністю. Залежно від того, в якій системі відліку вивчають електромагнітні явища, виявляються ті чи інші властивості єдиного електромагнітного поля. Електричне і магнітне поля є складовими електромагнітного поля, його окремими випадками в певних умовах. Електромагнітне поле не можна розділити на дрібніші складові, воно належить до фундаментальних понять фізики.

Домашнє завдання: повторити записи в конспекті уроку; означення системи відліку; електричного та магнітного полів; законів, пов’язаних з електромагнітним полем, закон Кулона, силу Лоренца.

Урок №2

Тема уроку: «Фізична суть рівнянь Максвелла»

Мета уроку:

навчальна: повторення поняття електричного та магнітного полів, пояснення фізичної суті рівнянь Максвелла;

розвивальна: розвиток логічного мислення, уваги, пам'яті, вміння абстрагувати та узагальнювати отримані знання;

виховна: виховання наполегливості, уважності, відповідальності, формування наукового світогляду.

Тип уроку: урок узагальнення і систематизації знань.

План уроку.

  1. Організаційний момент.

  2. Актуалізація знань.

III. Викладення основного матеріалу.

IV. Підсумки уроку. Домашнє завдання.

Хід уроку.

І. Організаційний момент

II. Актуалізація знань.

Вітаємося з учнями, заспокоюємо їх, налаштовуємо на плідну роботу. Оголошуємо тему уроку та завдання уроку (згідно мети уроку). На етапі актуалізації знань проводимо фронтальне опитування. Запитання до учнів:

1. Що називається електричним полем?

2. Як можна виявити електричне поле?

3. Що називають магнітним полем?

4. Як можна виявити магнітне поле?

5. Сформулюйте закон Кулона.

6. Прокоментуйте вираз для сили Лоренца.

III. Викладення основного матеріалу

До середини XIX ст. у фізиці накопичилося досить багато відомостей про електричні і магнітні явища. Ці відомості вимагали систематизації та зведення в єдину теорію. Така теорія була створена видатним англійським фізиком Джеймсом Максвеллом. Її основні положення були опубліковані в 1864 р. в роботі «Динамічна теорія електромагнітного поля». Саме в цій роботі вперше з'явився термін «електромагнітне поле».

Відповідно до теорії Максвелла, змінні електричні і магнітні поля не можуть існувати окремо: магнітне поле,що змінюється, породжує електричне поле, а електричне поле,що змінюється породжує магнітне поле. А раз ці поля завжди існують разом, то, значить, вони утворюють єдине ціле – електромагнітне поле.

Встановивши це, Максвелл передбачив існування електромагнітних хвиль. Електромагнітними хвилями називають збудження (або коливання) електромагнітного поля, яке поширюється.

Максвелл не дожив до відкриття електромагнітних хвиль. Довести їхнє існування вдалося лише в 1888 р. німецькому фізику Генріху Герцу.

Причини виникнення електромагнітних хвиль можна зрозуміти з наступного прикладу. Уявімо собі провідник, по якому йде електричний струм. Якщо цей струм постійний, то існуюче навколо провідника магнітне поле також буде постійним. При зміні сили струму магнітне поле зміниться: при збільшенні струму це поле стане сильніше, при зменшенні слабкіше. Виникне, як прийнято говорити, збудження електромагнітного поля. Що буде далі? Змінне магнітне поле створить змінне електричне поле. Це електричне поле породить змінне магнітне. Те, у свою чергу, знову електричне і т. д. Збудження електромагнітного поля почне поширюватися від свого джерела (провідника зі змінним струмом), захоплюючи все більші і більші області простору. Це й означає, що в просторі навколо провідника з'являться електромагнітні хвилі.

Підтримуючи в провіднику змінний струм, який періодично змінюється по величині і напрямку, можна безперервно випромінювати електромагнітні хвилі. Останні в цьому випадку будуть представляти собою коливання електромагнітного поля, які поширюються (зміни поля, при яких воно стає то сильніше, то слабше, періодично змінюючи свій напрямок).

Провідник зі змінним струмом, що випромінює електромагнітні хвилі, називається антеною. Якщо на деякій відстані від випромінюючої антени помістити інший провідник, то його можна використовувати в якості прийомної антени. Дійшовши до прийомної антени, електромагнітна хвиля приведе в рух вільні електрони, які знаходяться в ній, і в ній виникне змінний струм, що змінюється з тією ж частотою, що і струм в випромінюючої антени. На цій властивості заснований радіозв'язок – передавання і приймання інформації за допомогою електромагнітних хвиль.

На відміну від пружних хвиль електромагнітні хвилі здатні розповсюджуватися не тільки в різних середовищах, а й у вакуумі. Швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі прийнято позначати латинською літерою с:

с=299 792 км/с~300 000 км/с.

Швидкість електромагнітних хвиль υ в речовині завжди менше, ніж у вакуумі:

υ<с.

У повітрі швидкість електромагнітних хвиль можна вважати рівною с, так як різниця між ними дуже мала. У воді електромагнітні хвилі поширюються приблизно в 1,3 рази повільніше, ніж у вакуумі, у склі - в 1,5 рази повільніше.

Як і для будь-яких інших хвиль, для електромагнітних хвиль справедливо співвідношення, що зв'язує їх швидкість υ з довжиною хвилі λ і її частотою ν:

(2.7)

Під частотою електромагнітної хвилі розуміють частоту коливань електромагнітного поля в ній; вона обернено пропорційна періоду Т коливань:

(2.8)

При переході електромагнітної хвилі з одного середовища в інше її період і частота залишаються незмінними; змінюється лише швидкість і довжина хвилі. [Матеріал, який викладений вище, може бути запропонований учню як доповідь.]

Тепер розглянемо фізичну суть рівнянь Максвелла, зіставляючи їх з основними положеннями електромагнітної теорії поля і не використовуючи при цьому складні математичні вирази.

Перше рівняння Максвелла відбиває закон про виникнення магнітного поля. З нього випливає, що вихрове магнітне поле створюється не тільки під час руху електричних зарядів, а й при зміні електричного поля в часі.

Друге рівняння Максвелла виражає закон електромагнітної індукції Фарадея: змінне в часі магнітне поле породжує вихрове електричне поле.

Третє рівняння Максвелла показує зв'язок електричного поля з електричними зарядами, тобто узагальнює закон Кулона. З нього випливає розімкненість, силових ліній електричного поля.

Це вважалося основним недоліком теорії Максвелла. На той час ця суто математична теорія не мала експериментального підтвердження. Фізики розуміли математичні рівняння Максвелла, але чітко усвідомити, що вони описують, були не в змозі.

Історії відомий знаменитий афоризм Генріха Герца: «Теорія Максвелла – це рівняння Максвелла». Зміст цього афоризму полягає у ствердженні того факту, що наука, вивчаючи об'єктивну реальність, досягла такого рівня, що вже не може описувати її за допомогою наочних образів.

Основні властивості явищ, які узагальнює теорія Максвелла, настільки якісно відрізняються від властивостей макроскопічних тіл, які ми безпосередньо сприймаємо, що вони можуть бути описані лише абстрактною мовою математики.

Електромагнітне поле – це реальність, природа якої може бути описана лише рівняннями, але об’єктивне існування електромагнітного поля безперечне.

Четверте рівняння Максвелла показує, що в природі не існує вільних магнітних зарядів, тобто лінії магнітного поля замкнені. Іншими словами, у природі не існує інших джерел магнітного поля, крім електричних струмів.

При цьому слід мати на увазі одну важливу обставину. Часто твердять, що змінне електричне поле породжує змінне магнітне, яке в свою чергу зумовлює появу змінного електричного і т. д. Насправді цей процес відбувається одночасно. Не можна сказати, що було електричне поле й його зміна викликала через якийсь час появу магнітного поля. Питання про «першість» не має смислу, і це треба завжди пам'ятати.

  1. Підсумки уроку. Домашнє завдання.

Згідно з теорією Максвелла електромагнітне поле є об'єктивною реальністю. Залежно від того, в якій системі відліку вивчають електромагнітні явища, виявляються ті чи інші властивості єдиного електромагнітного поля. Електричне і магнітне поля є складовими електромагнітного поля, його окремими випадками в певних умовах. Електромагнітне поле не можна розділити на дрібніші складові, воно належить до фундаментальних понять фізики.

Електромагнітне поле – це реальність, природа якої може бути описана лише рівняннями, але об’єктивне існування електромагнітного поля безперечне.

Реальністю є саме електромагнітне поле, яке проявляється у вигляді електричного й магнітного полів залежно від умов спостереження, тобто вибору системи відліку.

Електромагнітне поле існує незалежно від вибору системи відліку.

Домашнє завдання: повторити записи в конспекті уроку; вивчити означення та основні поняття; повторити силу Лоренца.

Урок №3

Тема уроку: «Відносний характер електричного і магнітного полів. Електричне і магнітне поля в різних системах відліку. Інваріанти електромагнітного поля»

Мета уроку:

навчальна: повторення поняття електричного та магнітного полів; фізичної суті рівнянь Максвелла; пояснення формул перетворення компонентів електричного та магнітного полів (ФПКЕМП);

розвивальна: розвиток логічного мислення, уваги, пам'яті, вміння абстрагувати та узагальнювати отримані знання;

виховна: виховання наполегливості, уважності, відповідальності, формування наукового світогляду.

Тип уроку: урок узагальнення і систематизації знань.

План уроку.

I. Організаційний момент.

II.Актуалізація знань.

III. Викладення основного матеріалу.

IV. Підсумки уроку. Домашнє завдання.

Хід уроку.

І. Організаційний момент

II. Актуалізація знань.

Вітаємося з учнями, заспокоюємо їх, налаштовуємо на плідну роботу. На етапі актуалізації знань проводимо фронтальне опитування. Запитання до учнів:

1. Що називається електричним полем?

2. Як можна виявити електричне поле?

3. Що називають магнітним полем?

4. Як можна виявити магнітне поле?

5. Сформулюйте закон Кулона.

6. Прокоментуйте вираз для сили Лоренца.

7. Поясніть фізичну суть Першого рівняння Максвелла.

8. Поясніть фізичну суть Другого рівняння Максвелла.

9. Поясніть фізичну суть Третього рівняння Максвелла.

10. Поясніть фізичну суть Четвертого рівняння Максвелла.

11. Як проявляється електромагнітне поле?

III. Викладення основного матеріалу

Відносний характер електричного і магнітного полів.

Перейдемо в систему відліку, пов'язану з рухомої рамкою. У ній заряди нерухомі і, отже, з боку магнітного поля сила на них не діє. Строго кажучи, при наявності струму заряди рухаються вздовж провідника зі швидкістю дрейфу і в магнітному полі на них діє сила Лоренца. Однак вона спрямована поперек провідника і не може пояснити виникнення ЕРС.

Як же пояснити виникнення ЕРС індукції в цій системі відліку? Єдине, що залишається припустити, це наявність у цій системі електричного поля, спрямованого перпендикулярно магнітному вздовж сторони ab рамки, якого не було у вихідній системі відліку. Дійсно, в будь-якій інерційній системі відліку в одиницях СІ діє на заряд сила визначається формулою

(2.9)

Оскільки в системі відліку, пов'язаної з рамкою, υ = 0, сила F може бути обумовлена електричним полем Е', яке існує у цій системі.

Електричне і магнітне поля в різних системах відліку.

Отже, ми приходимо до висновку про відносний характер електричного і магнітного полів. Згідно з принципом відносності всі інерційні системи відліку рівноправні. Це справедливо не тільки для механічних явищ, але і для явищ будь-якої природи, в тому числі електромагнітних. В обговорюваному тут досліді величиною, яку спостерігаємо є ЕРС індукції в рамці, і вона існує незалежно від того, в якій інерційній системі цей дослід розглядається.

Рис. 2.5. До пояснення виникнення ЕРС індукції в різних системах

відліку

Як ми бачимо, в одній системі відліку, де електричне поле відсутнє, існування ЕРС пояснюється силою Лоренца (рис. 2.5,а), в той час як в іншій, де рамка нерухома, - тільки наявністю електричного поля (рис. 2.5,6). При малих швидкостях (<<с), коли можна знехтувати зміною сили F при переході від однієї системи відліку до іншої, з формули (2.9) випливає, що напруженість електричного поля Е' в системі, де рамка нерухома, повинна дорівнювати

(2.10)

Отже, рухомий магніт крім магнітного створює і електричне поле. Звернемо увагу на те, що відносний характер електричного і магнітного полів ми могли помітити й раніше. Дійсно, нерухомий заряд створює тільки електричне поле. Проте заряд, нерухомий в якій-небудь одній системі відліку, відносно інших систем відліку рухається. Такий рухомий заряд подібний електричному струму і тому створює магнітне поле. Таким чином, якщо в будь-якій системі відліку є тільки електричне поле, то в будь-який інший системі буде магнітне.

Отримаємо формулу для індукції магнітного поля в цьому випадку, аналогічну формулі (2.10). Розглянемо систему відліку, що рухається зі швидкістю υ щодо заряду q. У цій системі відліку заряд рухається зі швидкістю -υ. Створюване їм магнітне поле, у відповідності з формулою

,

дається виразом

. (2.11)

Але в цій же точці заряд q створює електричне поле Е, рівне

. (2.12)

Порівнюючи формули (2.11) і (2.12), бачимо, що магнітне поле, створюване рухомим зі швидкістю -υ зарядом, пов'язане з електричним полем Е, створюваним цим же зарядом в тій системі відліку, де він нерухомий, співвідношенням

(2.13)

Ця формула, отримана для точкового заряду, справедлива і для поля, створюваного будь-яким розподілом зарядів. Таким чином, якщо в деякій системі відліку існує тільки електричне поле Е, то в іншій системі відліку, що рухається зі швидкістю υ відносно початкової, існує ще й магнітне поле В, яке обчислюється за формулою (2.13).

Інваріанти електромагнітного поля.

Формули (2.10) і (2.13) являють собою окремі випадки перетворення полів при переході від однієї інерційної системи відліку до іншої. Вони справедливі при малій відносній швидкості систем відліку (υ<<с). У загальному випадку, коли у вихідній системі відліку є і електричне, і магнітне поле, нерелятивістські формули перетворення в СІ мають вигляд

(2.14)

Надалі ми побачимо, що ε0 μ0= 1/с2, де с − швидкість світла у вакуумі.

Формули перетворення електричного і магнітного полів при відносній швидкості систем відліку, порівнянної зі швидкістю світла, більш громіздкі, ніж (2.14). Однак завжди при переході від однієї інерційної системи відліку до іншої існують інваріантні, тобто не змінюють свого значення, комбінації з векторів і . Незалежних комбінацій тільки дві − це скалярний добуток цих векторів і їх різниця квадратів:

(2.15)

(2.16)

Формули (2.15) і (2.16) дозволяють зробити ряд важливих висновків про властивості електромагнітного поля. Якщо в якій-небудь інерційній системі відліку електричне і магнітне поля взаємно перпендикулярні, то, як видно з (2.15), вони будуть взаємно перпендикулярні і у всякій іншій системі. Для таких взаємно ортогональних полів можна знайти таку систему відліку, у якій або В = 0, або Е = 0, залежно від того, позитивний чи негативний інваріант (2.16).

З відносного характеру електричного і магнітного полів природно випливає, що при вивченні електричних і магнітних явищ має сенс розглядати ці поля спільно, як єдине електромагнітне поле. При переході від однієї системи відліку до іншої електричне поле в одній системі, як ми бачили, виражається і через електричне поле, і через магнітне поле в іншій системі, і навпаки. Тому природно очікувати, що між електричним електричними і магнітними явищами існує певна симетрія. Зміна магнітного поля породжує вихрове електричне поле. Виявляється, що справедливо і зворотне: електричне поле, що змінюється в часі, породжує магнітне поле.

IV.Підсумки уроку. Домашнє завдання.

Згідно з теорією Максвелла електромагнітне поле є об'єктивною реальністю. Залежно від того, в якій системі відліку вивчають електромагнітні явища, виявляються ті чи інші властивості єдиного електромагнітного поля. Електричне і магнітне поля є складовими електромагнітного поля, його окремими випадками в певних умовах. Електромагнітне поле не можна розділити на дрібніші складові, воно належить до фундаментальних понять фізики.

Електромагнітне поле – це реальність, природа якої може бути описана лише рівняннями, але об’єктивне існування електромагнітного поля безперечне.

Реальністю є саме електромагнітне поле, яке проявляється у вигляді електричного й магнітного полів залежно від умов спостереження, тобто вибору системи відліку.

Електромагнітне поле існує незалежно від вибору системи відліку. На уроці ми впевнися в справедливості цього твердження завдяки формулам перетворення компонентів електричного та магнітного полів.

З відносного характеру електричного і магнітного полів природно випливає, що при вивченні електричних і магнітних явищ має сенс розглядати ці поля спільно, як єдине електромагнітне поле. При переході від однієї системи відліку до іншої електричне поле в одній системі, як ми бачили, виражається і через електричне поле, і через магнітне поле в іншій системі, і навпаки. Тому природно очікувати, що між електричним електричними і магнітними явищами існує певна симетрія. Зміна магнітного поля породжує вихрове електричне поле. Виявляється, що справедливо і зворотне: електричне поле, що змінюється в часі, породжує магнітне поле.

Домашнє завдання: повторити записи в конспекті уроку; означення системи відліку, електричного та магнітного полів, ЕРС індукції; законів, пов’язаних з електромагнітним полем, закон Кулона, силу Лоренца; вивчити фізичну суть всіх рівнянь Максвелла.

Висновки до другого розділу

  1. Велике пізнавальне значення при вивченні електродинаміки має поняття про електромагнітне поле як про особливу форму матерії, та відносність електричного та магнітного полів. При формуванні поняття про електромагнітне поле необхідно враховувати його релятивістську природу, оскільки це положення має значну дидактичну та методологічну цінність.

  2. Зв'язок між електричним та магнітним полями має принципово важливе значення для формування наукового, діалектико-матеріалістичного світогляду учнів. Формування адекватних реальності уявлень про відносність і взаємозв'язок електричного і магнітного полів є ефективним засобом розвитку творчих здібностей школярів, оскільки воно здатне стимулювати їхню пізнавальну активність.

  3. Теоретичний аналіз розкриття питань теми «Відносність електричного та магнітного полів» у курсі викладання фізики в середніх навчальних закладах дає змогу впевнено зазначити, що ця тема розкрита неповно, неточно та хаотично. І це дійсно так, адже в жодному зі шкільних підручників фізики ми не знайдемо чіткого та адекватного дійсності пояснення відносності електричного та магнітного полів, а це питання має бути одним із ключових питань цієї теми.

  4. Формування навичок розв'язування задач на виникнення електромагнітної взаємодії з використанням елементів СТВ сприяє розв'язанню задачі, що має самостійну загальноосвітню цінність – розвиткові системного і логічного мислення школярів.

Висновки

  1. Велике пізнавальне значення при вивченні електродинаміки має поняття про електромагнітне поле як про особливу форму матерії, та відносність електричного та магнітного полів. При формуванні поняття про електромагнітне поле необхідно враховувати його релятивістську природу, оскільки це положення має значну дидактичну та методологічну цінність.

  2. Таким чином, при викладанні електродинаміки в середній школі вчителі мають слідкувати за повнотою викладки матеріалу й повинні враховувати в розробці своїх уроків таке питання, як відносність електромагнітного поля.

  3. На наш погляд це питання потрібно висвітлювати під час вивчення сили Лоренца, тому що вона може розглядатись як наслідок ФПКЕМП [16, с.7].

  4. Тобто, під час розробки теми «Відносність електричного та магнітного полів» вчитель обов'язково має звертати увагу слухачів на принципово різні підходи обґрунтування: на основі кінематики теорії відносності і закону збереження заряду, або з формул Ейнштейна для перетворення векторів і електромагнітного поля, відомих з теорії відносності. І перший, і другий способи розгляду погано доступні школярам, тому вносять великі додаткові труднощі в розуміння матеріалу.

  5. Виходячи з вище сказаного, учень повинен оволодіти знаннями про те, що електромагнітне поле не можна розглядати як сукупність електричного й магнітного полів, які одночасно самостійно існують в просторі й часі; реальністю є саме електромагнітне поле, яке проявляється у вигляді електричного й магнітного полів залежно від умов спостереження, тобто вибору системи відліку; електромагнітне поле існує незалежно від вибору системи відліку; електричне й магнітне поля слід розглядати як різні сторони того самого явища; залежно від того, в якій системі відліку розглядаються електромагнітні процеси, виявляються ті чи інші сторони цього єдиного цілого. Вище сказане свідчить про те, що електромагнітне поле – це вид матерії, за допомогою його здійснюється електромагнітна взаємодія заряджених тіл або частинок речовини і виявляють його за дією на заряджені тіла або частинки.

6. Зв'язок між електричним та магнітним полями має принципово важливе значення для формування наукового, діалектико-матеріалістичного світогляду учнів. Формування адекватних реальності уявлень про відносність і взаємозв'язок електричного і магнітного полів є ефективним засобом розвитку творчих здібностей школярів, оскільки воно здатне стимулювати їхню пізнавальну активність.

7. Основна мета роботи вчителя з розвитку пізнавальної активності учнів – розвиток їх творчих здібностей. Досягнення цієї мети дозволяє вирішити багато задач навчання. Прийоми і методи активізації пізнавальної діяльності учнів у навчанні повинні передбачати поступовий, цілеспрямований і планомірний розвиток мислення і одночасне формування в них мотивів навчання.

8. Вивчення в школі теми «Відносності електричного та магнітного полів» є доцільним і доступним для старшокласників, дає можливість розширити змістову частину шкільної фізики.

9. Необхідним фактором успішного формування адекватних реальності уявлень про електромагнітне поле є забезпечення кожному учневі свободи вибору способів розв'язування задач.

10. Систематичне і цілеспрямоване включення в курс електродинаміки елементів спеціальної теорії відносності створює сприятливі передумови для цілісного сприйняття змісту навчального матеріалу, розвитку пізнавальної активності і творчого мислення учнів.

11.Теоретичний аналіз розкриття питань теми «Відносність електричного та магнітного полів» у курсі викладання фізики в середніх навчальних закладах дає змогу впевнено зазначити, що ця тема розкрита неповно, неточно та хаотично. І це дійсно так, адже в жодному зі шкільних підручників фізики ми не знайдемо чіткого та адекватного дійсності пояснення відносності електричного та магнітного полів, а це питання має бути одним із ключових питань цієї теми.

Матеріали дослідження мають самостійне значення і можуть бути використані для пояснення релятивістської природи електричного і магнітного полів при вивченні електродинаміки в закладах середньої освіти.

Разом із цим дана робота охоплює лише деякі аспекти, пов'язані з проблемою удосконалення методики формування поняття «електромагнітне поле». Тому видається доцільним подальше дослідження в цьому напрямку.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

  1. Білий М.С. Методика викладання фізики в VI і VII класах. / М.С. Білий − К. : Радянська школа, 1971. – 204 с.

  2. Благодаренко Л.Ю. Формування поняття «електромагнітне поле» при вивченні теми «Електромагнітні хвилі» в 11 класі / Л.Ю. Благодаренко // Фізика та астрономія в школі. − 2002. − № 6. − С. 8 − 12.

  3. Бугаев А.И. Методика преподавания физики в средней школе. Теоретические основы / А.И. Бугаев // Учебное пособие для студентов педагогических институтов по физико-математических специальностях. − М. : «Просвещение», 1981. − 288с.

  4. Бугаєнко Г.О. Про електричне і магнітне поля як форми прояву єдиного електромагнітного поля / Г.О. Бугаєнко // Удосконалення форм і методів вивчення фізики : [збірник статей] ; за ред. Є.В. Коршака. − К. : Радянська школа, 1982. − С. 79 − 82.

  5. Бурак В.І. Порівняння різних варіантів вивчення магнітних явищ у восьмих класах фізико-математичного профілю. Теорія та методика навчання математики, фізики, інформатики : [збірник наукових праць] / В.І. Бурак. − Кривий Ріг. − Видавничий відділ НМетАУ. − 2002. − С. 46 − 51.

  6. Бутиков Е.И. Физика : [учеб. пособие в 3 кн.] / Е.И. Бутиков, А.С. Кондратьев. − М. : ФИЗМАТЛИТ., 2004 – Кн.2. Электродинамика. Оптика. − 336 с.

  7. Бушок Г.Ф. Курс фізики. Ч.1 / Г.Ф. Бушок, Г.Ф. Півень. − К. : Вища школа, 1981. − 408 с.

  8. Бушок Г.Ф. Вивчення магнітного поля в X класі // Методика викладання фізики : Республіканський науково-методичний збірник / Г.Ф Бушок, М.Ю. Чухрій. − К. : Радянська школа, 1971. − С.40 − 42.

  9. Волкова Н.П. Педагогіка : Посібник для студентів вищих навчальних закладів. − К. : видавничий центр "Академія", 2002. − С. 313 − 317.

  10. Гайдучок Г.М. Узагальнюючі уроки на тему «Електромагнітне поле» в IX і X класах / Г.М. Гайдучок // Викладання фізики в школі : 36 статей ; [під ред. Є.В. Коршака] ; упор. В.Г. Нижник. − К. : Рад.школа, 1980. − С. 34 − 37.

  11. Глазунов А.Г. Методика преподавания физики в средней школе. Электродинамика нестационарных явлений. Квантовая физика : пос. для учителя / Глазунов А., Нурминский И., Пинский А. − М. : Просвещение, 1989. − С. 137 − 143.

  12. Гончаренко С.У. Фізика : [проб. навч. пос. для 11 кл. гімназій та ліцеїв] / С.У. Гончаренко. − К. : Освіта, 1998. – 235 с.

  13. Гончаренко С. У. Фізика, 10 кл. : [пробн. навч. посіб. для ліцеїв та кл. природн.-наук. профілю] / С. У. Гончаренко. – К. : Освіта, 1998. – 445 с.

  14. Гончаренко С.У. Методика навчання фізики в середній школі. Коливання і хвилі. Оптика. Теорія відносності. Фізика атомного ядра / С.У. Гончаренко, М.Й. Розенберг. − К. : Рад. школа, 1974. − 230 с.

  15. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма : [учеб. пособие для студентов вузов] / И.Е. Иродов. − [2-е, стереотип.] − М. : Высш. шк., 1991. − 289 с.

  16. Иродов И. Е. Электромагнетизм. Основные законы / И. Е. Иродов. – [4-е изд., испр.]. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. – 320 с.

  17. Каменецкий С.Е. Электродинамика в курсе физики средней школы : пособие для учителей / С.Е. Каменецкий, И.Г. Пустыльник. − М. : Просвещение, 1978. − 127 с.

  18. Кирик Л.А. Уроки физики, 10 класс : Календарно тематическое планирование, поурочные разработки, методические рекомендации, тематические контрольные работы / Л.А. Кирик, Л.З. Генденштейн. − Харьков: Ранок-НТ, 2003. − 336 с.

  19. Коновал О. А. Відносність електричного і магнітного полів : монографічний навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів / О. А. Коновал ; Міністерство освіти і науки України ; Криворізький державний педагогічний університет. – Кривий Ріг : Видавничий дім, 2008. – 248 с. : іл.

  20. Коновал О.А. Особливості методики формування поняття «магнітне поле» / О.А. Коновал // Фізика та астрономія в школі. − 2002. − № 3. − С.24 − 26.

  21. Коновал О.А. Теоретичні та методичні основи вивчення електродинаміки на засадах теорії відносності: монографія / О.А. Коновал. – Кривий Ріг : «Видавничий дім», 2009. – 346 с.

  22. Коршак Є.В. Фізика, 11 кл.: [підручник для серед, загальноосвіт, шк.] / Є.В. Коршак, О.І. Савченко, В.Ф. Кравченко. − Київ ; Ірпінь : ВТФ «Перун», 2004. − С. 100 − 112.

  23. Методика преподавания физики в 7−8 классах средней школы ; [пособие для учителей ] / [А.В. Усова, В.А. Орехов, СЕ. Каменецкий и др.] ; под ред. А.В. Усовой. − М : Просвещение, 1990. − 237 с.

  24. Мякишев Г. Я. Физика : [учеб. для 11 кл. ср. шк.] / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев. – М. : Просвещение, 1991. – С. 149 − 162.

  25. Парселл Э. Электричество и магнетизм : учебное руководство : пер. с англ. / Э. Парселл ; под ред. А. И. Шальникова и А. О. Вайсенберга. – [3-е изд., испр.] – М. : Наука, 1983. – 416 с. – (Берклиевский курс физики).

  26. Пеннер Д.И. Электродинамика и специальная теория относительности : учеб. пособие для студентов физ. − мат. фак. пед. ин-тов / Д.И. Паннер, В.А. Угаров. М. : Просвещение, 1980. − С. 200 − 251.

  27. Пьоришкін О.В. Фізика : підручник для VIII класу / [О.В. Пьоришкін] ; за ред. Є.Я. Мінченкова і О.В. Пьоришкіна. − К. : Радянська школа, 1966. − С. 97 − 160.

  28. Розенберг М.Й. Методика навчання фізики в середній школі. Молекулярна фізика. Основи електродинаміки / М.Й. Розенберг. − К. : Радянська школа, 1973. − 238 с.

  29. Розенберг М.Й. Розвиток методики навчання фізики в УРСР / М.Й. Розенберг // Методика викладання фізики. Республіканський науково-методичний збірник. − К. : Радянська школа, 1967. − С. 3 − 18.

  30. Сивухин Д.В. Общий курс физики : в 4 т. / Д.В. Сивухин. − М. : Наука, 1977 − Т.3 : Электричество. ‒ 688 с.

  31. Тамм И.Е. Основы теории электричества / И.Е. Тамм. − М. : Наука, 1966. − 624 с.

  32. Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике / Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс : Т.5. – М. : Мир, 1966. − 295 с.

  33. Физика : Школьный курс. – М. : АСТ ПРЕСС, 2000. – 688 с. : ил. – («Универсальное учебное пособие»).

  34. Чолпан П.П. Фізика / П.П. Чолпан. − К. : Вища школа, 2003. − 567 с.

  35. Яворский Б.М. Основы физики : учебн. в 2 т / Б.М. Яворский, А.А. Пинский ; под ред. Ю.И. Дика. – [ 5-е изд., стереот.]. – М. : ФИЗМАТЛИТ, 2003 : Т.1 : Механика. Молекулярная физика. Электродинамика – 576 с.

Зверніть увагу, свідоцтва знаходяться в Вашому особистому кабінеті в розділі «Досягнення»

Курс:«Активізація творчого потенціалу вчителів шляхом використання ігрових форм організації учнів на уроці»
Черниш Олена Степанівна
36 годин
590 грн
590 грн

Всеосвіта є суб’єктом підвищення кваліфікації.

Всі сертифікати за наші курси та вебінари можуть бути зараховані у підвищення кваліфікації.

Співпраця із закладами освіти.

Дізнатись більше про сертифікати.