1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО Нижегородский государственный педагогический университет

Факультет математики, информатики и физики

Кафедра теории и методики обучения физике

Использование метода научного познания при обучении физике в средней школе (на примере темы «Электромагнитные явления»).

Дипломная работа

студентки V курса

Н. Новгород

2006 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ 4
• ГЛАВА 1. ДИДАКТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ ПРИ ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ 7
• § 1. Основные положения метода научного познания 7
• 1.1 Взаимосвязь методов обучения и методов научного познания 7
• 1.2 Основные положения метода научного познания по Разумовскому 9
• § 2. Психолого-педагогические особенности учащихся старших классов 10
• 2.1 Особенности учебной деятельности старшеклассника 10
• 2.2 Пути развития личностных качеств на уроках физики 13
• Вывод из главы 1 18
• ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕМЫ «ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ» В СТАРШИХ КЛАССАХ 20
• § 1. Теоретические основы темы 20
• 1.1 Магнитное поле и его характеристики 20
• 1.2 Электромагнитная индукция 28
• § 2. Место и анализ темы в курсе физики средней школы 37
• § 3. Методические основы изучения темы по учебнику Г. Я. Мякишева 40
• 3.1 Магнитное поле 40
• 3.2 Электромагнитная индукции 42
• Вывод из главы 2 47
• ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕМЫ «ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ» В СТАРШИХ КЛАССАХ 48
• § 1. Методика изучения темы «Электромагнитные явления» по схеме метода научного познания 48
• 1.1 Цели и задачи курса 48
• 1.2 Построение темы «Электромагнитные явления» по схеме научного познания 50
• § 2. Конспект урока «Явление электромагнитной индукции» 56
• § 3. Педагогический эксперимент 64
• Вывод из главы 3 66
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 69
• Приложение 72

ВВЕДЕНИЕ

Моя работа посвящена изучению метода научного познания и использованию этого метода при обучении физике в средней школе (на примере темы «Электромагнитные явления»).

Проблема повышения качества обучения учащихся всегда была и остается актуальной. В последние годы интерес к решению этой проблемы возрос, поскольку по-новому стал вопрос о целях образования и воспитания. На современном этапе основные цели обучения физике составляют раскрытие общекультурной значимости физики и формирование на этой основе научного мировоззрения и научного мышления.

Как показал анализ литературы, основным условием формирования научного мышления и научного мировоззрения учащихся, при изучении физики является умение структурировать информацию, выделять в ней главные, ключевые моменты. Это особенно важно при изучении физической теории, в которой ученики должны видеть ядро, условия существования, следствия, практическое приложение и т. д. Все это возможно при использовании научного метода познания.

При обучении в школе научный метод познания является для ученика одновременно объектом изучения и средством овладения учебным материалом.

Процесс научного познания в содержании курса основной школы можно представить следующей схемой (за основу мы берем цикл познания, сформулированный В.Г. Разумовским). Согласно ей

- сначала идет накопление фактов, выявленных при исследовании какой-то группы явлений;

- затем выдвижение обоснованного предположения - гипотезы - в виде функциональной зависимости между величинами, либо в виде модели изучаемого объекта или явления;

- далее вывод из гипотезы логически вытекающих следствий, которые позволяют объяснить наблюдаемые явления или предвидеть новые явления;

- и экспериментальная проверка гипотезы и вытекающих из неё следствий - эксперимент.

Коротко: опытные факты> гипотезы>теоретические следствия>эксперимент.

Цель работы: спроектировать уроки физики, на которых ученики знакомятся с методом научного познания и учатся его использовать.

Объект исследования: процесс изучения электромагнетизма в 11 классе средней школы.

Предмет исследования: включение метода научного познания в познавательную деятельность учеников.

Гипотеза: если вопросы электромагнетизма в средней школе изучать с использованием метода научного познания, то знания учеников по физике будут глубже; будут созданы условия для обеспечения высокой познавательной активности учащихся.

В работе использование метода научного познания рассмотрено с учетом психолого-педагогических особенностей старших школьников. Старший школьный возраст - это пора поисков и открытий. Старшеклассники любят исследовать и экспериментировать, творить и создавать новое, оригинальное. У старшеклассника проявляется интерес к теоретическим проблемам, к методам научного познания, к самостоятельной поисковой деятельности по решению сложных задач. Большинство старшеклассников высказываются в пользу активных и самостоятельных форм деятельности: дискуссий, лабораторно-практических работ, изучения первоисточников. Необходимый переход от пассивного метода обучения к активному методу обеспечивается построением процесса познания учебного предмета на основе метода научного познания.

В первой главе обосновывается необходимость использования метода научного познания при обучении физике, рассмотрены взаимосвязь методов обучения и методов научного познания, описаны основные положения метода научного познания.

Во второй главе проведен методический анализ темы «Электромагнитные явления»: рассмотрено содержание и место темы в курсе физики средней школы, проведен сравнительный анализ учебных программ, рассмотрены методические основы изучения темы по учебнику Г.Я. Мякишева.

В третьей главе рассмотрены конкретные примеры использования метода научного познания: разработано 9 уроков для изучения темы «Электромагнитные явления» в 11 классе средней школы.

В качестве проверки знаний учащихся и проверки эффективности изучения темы по схеме научного познания (проверки гипотезы, поставленной в начале работы) разработано 3 контрольных работы. Такие контрольные работы были проведены в Уренской средней школе №2 в 11 «в» классе.

ГЛАВА 1. ДИДАКТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ ПРИ ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ

§ 1. Основные положения метода научного познания

Методика обучения физике в России и в передовых капиталистических странах развивается по пути вооружения учащихся методами научного исследования в единстве с усвоениями знаний [2]. Только ознакомившись с общей схемой и методами научного познания природы, ученик может понять соотношение абсолютного и относительного в научных знаниях. При этом условии возможна активизация познавательной деятельности ученика на уроках. Поэтому объектами изучения в курсе физики на доступном для учащихся уровне должны быть методы познания, построения моделей (гипотез) и их теоретического анализа [17].

В данном параграфе рассмотрим взаимосвязь методов обучения и методов научного познания и основные положения научного познания.

1.1 Взаимосвязь методов обучения и методов научного познания

Физика-наука пользуется теоретическими и экспериментальными методами исследования. Логика этих методов одинаково важна и для научного, и для учебного познания. Соотношение процесса обучения и научного познания (в том числе соотношения функции научных и учебных методов познания) показывает как общность многих черт, так и принципиальное их отличие. Методы научного познания представляют собой совокупность приемов и операций получения нового знания, а также способы построения системы научного знания.

Учебное познание отличается [26] от научного, прежде всего тем, что новизна результата познания носит субъективный характер. Она значима для познающего субъекта - ученика. Кроме того, движение школьника от незнания к знанию происходит под руководством учителя с помощью различных методов обучения, организующих деятельность учащихся и определяющих методы учебного познания, используемые ими. Выбор учителем соответствующих методов, приемов, средств обучения осуществляется с учетом наиболее короткого пути ученического познания, наиболее рационального сочетания (с точки зрения целей обучения) теоретического знания и эксперимента, индукции и дедукции, логических и интуитивных умозаключений в их диалектическом единстве.

Процесс познания в науке [6,26] осуществляется на двух уровнях: эмпирическом и теоретическом.

Для эмпирического уровня познания характерны следующие методы: наблюдение фактов > выдвижение гипотезы > абстрагирование и идеализация > экспериментальная проверка гипотезы > эмпирическое обобщение.

На теоретическом уровне познания преобладают методы: теоретический анализ готовых результатов научного познания > выдвижение гипотезы > моделирование > мысленный эксперимент > теоретическое обобщение > выводы (следствия).

В процессе обучения [26] - и в содержании, и в системе методов и методических приемов отражаются элементы процесса познания (через методологию знания и методы обучения). Помогает понять логику методов познания и соответствующих методов и приемов обучения, а также установить методологические пути перехода от одного этапа процесса познания к другому гносеологическая формула цикла познания: факты - гипотеза - теоретические следствия - эксперимент [6,26].

При всем различии процессов научного познания ученого-исследователя и школьника у них есть и принципиально общее [25]. И ученый, и школьник должны отдавать себе отчет, к какой категории относится имеющаяся информация, а также полученные на каждом этапе познания новые сведения: есть ли это установленные или проверяемые опытные факты, или это гипотеза, или логические выводы из принятой модели изучаемого явления. Достоверность научной информации: фактов, их интерпретаций, теоретических моделей и выводов - неодинакова. Установленные факты наиболее устойчивы в науке. При появлении новых знаний они изменяются, при этом меняется и вся научная концепция. Содержание и смысл понятий также зависят от объема имеющейся информации и опыта, как исторического, так и индивидуального, а их интерпретация преобразуется как в науке, так и в процессе образования каждого человека. Таким образом, современная теория познания нужна не только исследователю, она нужна всякому, постигающему современные достижения науки. Школьнику тоже необходимо понимание не только различных категорий теории познания, их неразрывной связи и взаимозависимости, но и циклического характера развития процесса познания, его психологических особенностей, роли языка, а также соотношения познаваемого объекта, получаемой информации о нем и собственных суждений. Необходимо не только различать, но и понимать связь категорий познания. Важно также составить суждение о роли интуиции и логических доказательств на различных этапах процесса познания.

В процессах познания исследователя и ученика принципиальное сходство также состоит в том, что познание для всех и всегда индивидуально [24], оно зависит от предшествующего опыта каждого. Все одинаково хором могут заучить стихотворение, закон или правило, но понимание смысла заученного всегда будет индивидуально, поскольку зависит от индивидуального опыта и индивидуальных способностей.

1.2 Основные положения метода научного познания по Разумовскому

В.Г. Разумовский выделяет следующие основные положения научного познания [25], которые должны быть поняты и усвоены школьниками для самостоятельного овладения научным знанием:

· Научное познание имеет циклический характер и состоит из взаимосвязанных звеньев: наблюдение и анализ фактов, формулировка проблемы, выдвижение гипотезы, теоретический вывод следствий, их экспериментальная проверка, установление эмпирических законов и применение теории на практике;

· Научное знание от верования отличается выверенностью фактов, обоснованностью теоретических положений, логической строгостью выводов и подтверждением на практике;

· Научное познание базируется на прежнем опыте и поэтому модельно; в процессе развития науки при получении новых фактов модели объектов и явлений развиваются, уточняются и меняются, меняется и их интерпретация;

· Совпадение теоретических выводов с результатами опыта подтверждает применимость построенной модели в данной области, но не свидетельствует об окончательном познании объекта или явления;

· В научном познании одинаково важны как интуитивная догадка при выдвижении гипотез и при поиске способов применения теории на практике, так и строгие логические преобразования при выводе теоретических следствий и научных предсказаний.

Все это должно стать естественным результатом обучения в самостоятельной познавательной деятельности.

§ 2. Психолого-педагогические особенности учащихся старших классов

2.1 Особенности учебной деятельности старшеклассника

Обучение детей в старших классах средней школы охватывают возраст от 14-15 до 17 лет.

Учебная деятельность остаётся основным видом деятельности старшего школьника. У старшеклассников, по сравнению с подростками, интерес к учению повышается. Это связано с тем, что складывается новая мотивационная структура учения [1,6].

Ведущее место занимают мотивы, связанные с самоопределением и подготовкой к самостоятельной жизни. Эти мотивы приобретают личностный смысл и становятся действенными.

Высокое место в мотивационной структуре занимают такие широкие социальные мотивы, как стремление стать полноценным членом общества, приносить пользу людям, Родине, убеждённость в практической значимости науки для общества.

Сохраняют свою силу и мотивы, лежащие в самой учебной деятельности, интерес к содержанию и процессу учения [8,30]. Наряду с интересом к фактам, что характерно и для подросткового возраста, у старшего школьника проявляется интерес к теоретическим проблемам, к методам научного исследования, к самостоятельной поисковой деятельности по решению сложных задач.

Такая познавательная мотивация может распространяться на все предметы, на цикл каких-либо предметов или на отдельный предмет. Избирательность познавательных интересов старших школьников очень часто связана с жизненными планами, профессиональными намерениями, которые, в свою очередь, способствуют формированию учебных интересов, изменяют отношение к учебной деятельности.

Итак, для мотивационной сферы старшего школьника характерно сочетание и взаимопроникновение широких социальных мотивов и познавательных мотивов, заключённых в самом учебном процессе. В старшем школьном возрасте на первый план выдвигается произвольная мотивация, т. е. всё чаще учащийся руководствуется сознательно поставленной целью, своими намерениями.

Говоря о познавательной деятельности, Л.И. Божович отмечает [1], что «нет ни одной интеллектуальной операции в познавательной деятельности старшего школьника, которой не было бы у подростка». В самом деле, старший школьник так же, как и подросток, мыслит понятиями, пользуется различными мыслительными операциями, рассуждает, логически запоминает и т. д., хотя и в этом отношении есть сдвиги. Как же изменяется содержательная сторона?

Если подросток хочет знать, что собой представляет то или иное явление, то старшие школьники стремятся разобраться в разных точках зрения этого вопроса и составить собственное мнение. Старшие школьники всегда хотят установить истину. Им становиться скучно, если нет интересных задач «для ума». Дать старшекласснику такие задачи - вот вопрос, который должен волновать учителя.

Старших школьников привлекает сам ход анализа [1], способы доказательства не меньше, чем конкретные сведения. Многим из них нравиться, когда преподаватель заставляет их выбирать между разными точками зрения, требует обоснования тех или иных утверждений; они с готовностью, даже с радостью, вступают в спор и упорно защищают свою позицию.

Старший школьный возраст - это пора поисков и открытий. Старшеклассники любят исследовать и экспериментировать, творить и создавать новое, оригинальное. Они с большим интересом занимаются в различных научных обществах, в школах «юных математиков» и других юношеских объединениях.

Большинство старшеклассников высказываются в пользу активных и самостоятельных форм деятельности: дискуссий, лабораторно-практических работ, изучения первоисточников.

Дискуссия - не только средство познания, но и средство самовыражения, условие формирования убеждений. Самостоятельность мысли, взглядов формируется в процессе аргументации своей точки зрения. Из характеристики познавательной деятельности старших школьников видно, что старшеклассники готовы к тому, чтобы проникать в сущность явлений, вскрывать причины, делать выводы. Это - проявление исследовательского отношения к предмету.

Процесс обучения старшеклассников должен всё время рассматриваться с точки зрения того, насколько он готов к самообразованию. Если в младших классах стояла задача «учить учиться», то в старших классах установка на то, чтобы «учить учиться самостоятельно», т. е. формировать технику самообразования, формировать рациональные приёмы работы с учебным материалом (конспектирование, пользование справочными материалами, работа с книгой, написание рефератов, тезисов). Очень важно учить старших школьников планировать свою работу, выбирать индивидуальный оптимальный режим дня, рационально использовать своё время.

2.2 Пути развития личностных качеств на уроках физики

Важнейшей целью процесса обучения является развитие личности учащегося [26]. Преподавание физики в средней школе открывает огромные возможности для достижения этой цели благодаря особенностям физической науки и ее глубокой связи с современным научно-техническим прогрессом.

Развитие личности учащихся, прежде всего, предполагает развитие его мышления и мировоззрения [26].

Вообще, развитие мышления школьников всегда было одной из задач обучения, решая которую учитель пытался на конкретном учебном материале научить школьников сравнивать, анализировать, классифицировать, обобщать и т. п. Все названные умения - это функции формальной логики, поэтому традиционно в школе учителя занимались формированием формально-логического мышления учащихся. В основе этого типа мышления лежит эмпирическое обобщение, фиксирующее внешние признаки, внешние зависимости вещей; сущность же вещи (объекта, явления) может быть раскрыта только при рассмотрении процесса ее развития и взаимодействия с другими вещами. Иначе говоря, сущность явления может вскрыть только диалектическое, т. е. научное мышление, основанное на теоретическом обобщении.

Поэтому, учитывая специфику содержания физического образования, на материале которого в рамках средней школы в наибольшей степени возможно развитие научного, теоретического мышления, будем говорить в дальнейшем о развитии именно научного мышления и мировоззрения школьников.

При правильном преподавании физика больше других предметов учит научному методу познания [25]. Благодаря тому, что физика изучает наиболее простые формы движения материи, на учебных занятиях есть возможность показать весь процесс познания сути явления от возникновения проблемы до ее решения и его проверки. Учебный процесс овладения основами физики как науки обладает уникальными потенциальными возможностями для знакомства учащихся с методом научного познания и на его основе развития способностей к познавательной и творческой деятельности. Поэтому нужно отметить исключительную важность включения в стандарт школьного образования сведений о научном методе познания. При обучении в школе научный метод познания является для ученика одновременно объектом изучения и средством овладения учебным материалом.

К сожалению учебно-воспитательные возможности обучения физике реализуются далеко не полностью. Физика, как и другие предметы, преподаются репродуктивными методами [25]: путем заучивания теории и решения тренировочных задач по формулам. Демонстрационными опытами и лабораторными работами не уделяется должного внимания. Это ведет к снижению интереса школьников к предмету и к ухудшению качества результатов обучения.

Постоянный поиск истинности знаний (понятий, законов и выводов) достигается в науке исключительно благодаря их неразрывной связи со всей суммой экспериментальных данных. В школе это достигается демонстрационными опытами и самостоятельными исследованиями учащихся в форме лабораторных работ и практикума. Не случайно во всем мире формальное преподавание "книжной физики" без эксперимента презрительно называется "меловой физикой". Еще в 1900 году в докладе подкомиссии по реформе школы О. Д. Хвольсон подчеркивал [24]: "Преподавание физики, в котором эксперимент не составляет основы и краеугольного камня всего изложения, должно быть признано бесполезным и даже вредным". К сожалению, вследствие ряда причин в последние годы в нашей стране во многих школах преподавание физики ведется именно этим "методом". «Меловой метод» обучения прямо сказывается на качестве подготовки школьников. Самый низкий процент успеваемости оказывается как раз по тем разделам курса физики, которые усвоить без наблюдения явлений и эксперимента невозможно.

Отмечаются также и следующие недостатки в подготовке учащихся [25]:

- заучивание материала подряд и не понимание различия степени достоверности различных категорий научной информации: фактов, гипотез, законов и принципов, моделей, теоретических выводов и результатов эксперимента;

- отсутствие представления о модельном отражении действительности в научном познании;

- отсутствие навыков мыслить моделями: теоретически объяснять, предвидеть, предсказывать;

- неспособность отличить научное знание от непроверенной информации;

- непонимание соотношения между знанием и истиной.

Ознакомление школьников с методом научного познания и его применение в обучении не только решает указанные проблемы, но и открывает широкие возможности для реализации важнейшего направления современной так называемой личностной педагогики [25]. В обучении эта реализация состоит в максимально возможном предоставлении учащимся инициативы, независимости и свободы в процессе познания и, что особенно важно, ощущения радости творчества. Владея методом познания, ученик ощущает себя равным в правах с учителем на научные суждения. Это способствует раскованности и развитию познавательной инициативы ученика, без которой не может идти речи о полноценном процессе формирования личности.

При обучении школьников в классе учитель организует учебный процесс для всех учащихся, но процесс познания и творчества индивидуален [24]. Для каждого ученика в отдельности этот процесс настолько успешен, насколько этот отдельный ученик владеет методом познания. Овладение учащимися методом научного познания делает для них процесс обучения осмысленным и поэтому комфортным, делает ученика уверенным в своих силах.

Личностно ориентированный учебный процесс на основе научного метода познания важен не только потому, что раскрывает мыслительный процесс, ведущий от незнания к знанию, связывающий исходные факты из опытов, гипотезу, логические выводы из нее и результаты экспериментальной проверки этих выводов, но и как психологический анализ умственной деятельности. Соответственно его концепции логические выводы возможны лишь в теории. Переход от опыта к теории и от теории к опыту возможен лишь благодаря интуиции! При условии, что при таком переходе создается полезная абстрактная модель или установка для эксперимента, каждый такой переход следует считать актом творчества. Здесь уместно вспомнить ставшее афоризмом высказывание А. Пуанкаре [25] о различии функций мыслительной деятельности человека: логика доказывает, а интуиция творит. Учет этого обстоятельства применительно к преподаванию позволяет значительно повысить его эффективность.

Интуитивный процесс творческого поиска и озарения сопровождается эмоцией, которая в соответствии с теорией П.В. Симонова [24] в зависимости от предчувствия близости решения или дальности его имеет положительную или отрицательную окраску радости или разочарования. Творческий процесс овладения научным знанием в процессе исследования, в процессе постановки и решения проблем методом модельных гипотез и проектов с их экспериментальной проверкой имеет радостную победную окраску, если есть достаточно сильная мотивация при постановке проблемы и достаточные базовые знания, умения и навыки для решения проблемы. Напротив, в случае повторяющихся неудач отрицательные эмоции настолько сильны, что способны подавить познавательный интерес. Это учитывает каждый опытный учитель, обеспечивая успех в творческом поиске ученика. Учить радостно - значит учить победно! Это чувство устойчиво сопровождает человека, если его творческие усилия чаще всего бывают не напрасны. Научный метод познания - это не только ключ к успеху в обучении, но и источник устойчивого интереса к предмету. Интерес - это форма проявления познавательной потребности. Он часто бывает у школьников мотивом учебной деятельности. Метод познания, который обеспечивает раскрытие сущности явления по его внешнему проявлению и, наоборот, получение нужного явления на основе его сущности, выраженной моделью, формулой или графиком, всегда вызывает глубокий интерес учащихся.

Творческие задачи способствуют реализации практической направленности образования, поскольку их решение всегда становится мостом, соединяющим либо опыт с теорией, либо теорию с опытом.

Практическая направленность образования способствует глубокому овладению научными знаниями, поскольку, как показано А.Н. Леонтьевым [24], "осознается то, что является предметом осуществляющего действия". Именно поэтому передовые учителя физики издавна организовывали кружки и факультативные занятия по выбору, в которых учащиеся занимались техническим творчеством.

Практическая направленность образования реализуется на основе фундаментальной науки как компетентность в области ее приложений. При изучении физики школьники знакомятся в теории и на практике с важнейшими направлениями научно-технического прогресса: механизация и автоматизация производства, электротехника, радиотехника, гидро-, теплоэнергетика, а также ядерная энергетика и др.

Научный метод познания - ключ к организации сознательной познавательной деятельности учащихся. Развитие познавательной инициативы учащихся на основе метода научного познания является главным принципом предлагаемой методики обучения.

Построение процесса познания учебного предмета учеником на основе научного метода познания обеспечивает необходимый переход от пассивного метода обучения к активному методу, от репродуктивного метода к творческому методу.

В то время как информационный репродуктивный метод обучения заведомо лишает учащихся творческой инициативы, обучение на основе научного метода позволяет преодолеть этот недостаток.

Вывод из главы 1

Таким образом, из выше сказанного следует, что:

В основе методики организации процесса научного познания при обучении лежит сформулированный В. Г. Разумовским [24,25] принцип цикличности: факты > модель (гипотеза) > следствия и условия> эксперимент.

В процессе обучения необходимо учитывать возможности старших школьников, их запросы, стремления, уровень умственного развития. У старшего школьника проявляется интерес к теоретическим проблемам, к методам научного исследования, к самостоятельной поисковой деятельности по решению сложных задач [1]. Построение процесса познания учебного предмета на основе научного метода познания обеспечивает необходимый переход от пассивного метода обучения к активному методу, от репродуктивного к творческому.

Развитие личности учащихся, прежде всего, предполагает развитие его мышления и мировоззрения [26], в частности, научного мышления и научного мировоззрения.

Условием формирования научного мышления и научного мировоззрения учащихся при изучении физики является умение структурировать информацию, выделять в ней главные, ключевые моменты. Это особенно важно при изучении физической теории, в которой ученики должны видеть ядро, условия существования, следствия, практическое приложение и т. д. Все это возможно при использовании метода научного познания.

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕМЫ «ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ» В СТАРШИХ КЛАССАХ

§ 1. Теоретические основы темы

Рассмотрим основные понятия и законы темы «Электромагнитные явления» [9, 28].

1.1 Магнитное поле и его характеристики

Подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, так и в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты. Название «магнитное поле» связывают с ориентацией магнитной стрелки под действием поля, создаваемого током. Это явление впервые обнаружено датским физиком Хансом Эрстедом (1777-1851).

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.

Явление взаимного притяжения разноименных и отталкивания одноименных электрических зарядов во многом сходны с явлениями притяжения разноименных и отталкивания одноименных полюсов магнита.

В 1820 г. французский физик Андре Ампер (1775-1836) установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение при пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления. Явление взаимодействия электрических токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием.

На основании своих опытов Ампер пришел к выводу, что взаимодействие тока с магнитом и магнитов между собой можно объяснить, если предположить, что внутри магнита существуют незатухающие молекулярные круговые токи. Тогда все магнитные явления объясняются взаимодействием движущихся электрических зарядов, никаких особых магнитных зарядов в природе нет.

Характер воздействия магнитного поля на ток различен в зависимости от формы проводника, по которому течет ток; от расположения проводника и от направления тока. Следовательно, чтобы охарактеризовать магнитное поле, надо рассматривать его действие на ток.

Подобно тому, как при исследовании электростатического поля использовались точечные заряды, при исследовании магнитного поля используется замкнутый плоский контур с током (рамка с током), линейные размеры которого малы по сравнению с расстоянием до токов, образующих магнитное поле.

Ориентация контура в пространстве определяется направлением нормали к контуру. Направление нормали определяется правилом правого винта: за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке.

Магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, поворачивая ее определенным образом. Этот результат используется для выбора направления магнитного поля. За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к рамке.

За направление магнитного поля может быть также принято направление, совпадающее с направлением силы, которая действует на северный полюс магнитной стрелки, помещенной в данную точку. Так как оба полюса магнитной стрелки лежат в близких точках поля, то силы, действующие на оба полюса, равны друг другу. Следовательно, на магнитную стрелку действует пара сил, которая поворачивает стрелку так, чтобы ее ось, соединяющая южный полюс с северным, совпадала с направлением поля.

Для характеристики способности магнитного поля оказывать силовое действие вводится векторная величина - магнитная индукция В (подобно вектору напряженности электрического поля Е).

Силовое действие магнитного поля может обнаруживаться по вращающему действию на замкнутый контур, по действию силы Ампера на прямолинейный проводник с током, по действию силы Лоренца на движущиеся заряженные частицы.

1) При исследовании магнитного поля с помощью контура с током за направление вектора В в том месте, где расположена рамка с током, принимают направление перпендикуляра к плоскости, в которой устанавливается свободно вращающаяся рамка с током. Вектор индукции В направлен в ту сторону, куда перемещался бы буравчик при вращении по направлению тока в рамке.

Модуль вектора магнитной индукции В равен отношению максимального момента сил M_m, действующего на рамку с током со стороны магнитного поля, к произведению силы тока I в рамке на ее площадь S:

.

2) При исследовании магнитного поля с помощью прямолинейного проводника с током магнитная индукция определяется следующим образом: модуль магнитной индукции равен отношению максимального значения модуля силы Ампера F_m, действующей на проводник с током, к силе тока I в проводнике и его длине l:



Для определения направления вектора В индукции нужно расположить прямолинейный проводник в магнитном поле так, чтобы сила Ампера имела максимальное значение.

3) При исследовании магнитного поля с помощью движущейся заряженной частицы магнитную индукцию можно определить следующим образом: модуль магнитной индукции В равен отношению максимального значения модуля силы Лоренца F, действующей на заряженную частицу, к модулю заряда частицы q и его скоростиv:

.

Единица индукции - Тесла (Тл) в честь выдающегося югославского электротехника Николы Тесла (1856-1943).

Так как магнитное поле является силовым, то его (по аналогии с электрическим полем) изображают с помощью линий магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора В. Их направление задается правилом правого винта: головка винта, ввинчиваемого по направлению тока, вращается в направлении линий магнитной индукции.

Линии магнитной индукции можно «проявить» с помощью железных опилок, намагничивающихся в исследуемом магнитном поле и ведущих себя подобно маленьким магнитным стрелкам.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Этим они отличаются от линий напряженности электростатического поля, которые являются разомкнутыми (начинаются на положительных зарядах и кончаются на отрицательных). Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет.

Магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие. Следовательно, вращающий момент, испытываемый рамкой, есть результат действия сил на отдельные ее элементы. Обобщая результаты исследования действия магнитного поля на различные проводники с током, Ампер установил, что сила dF, с которой магнитное поле действует на элемент проводника dl с током, находящегося в магнитном поле, равна

,

где dL - вектор, по модулю равный dl и совпадающий по направлению с током; В - вектор магнитной индукции.

Направление вектора dF может быть найдено по общим правилам векторного произведения, откуда следует правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор В, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый на 90^о большой палец покажет направление силы, действующей на ток.

Модуль силы Ампера вычисляется по формуле

,

где б - угол между векторами dL и В.

Ориентирующее действие магнитного поля на контур с током используется в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы - амперметрах и вольтметрах.

Закон Ампера используют для расчета сил, действующих на проводники с током, во многих технических устройствах, например, в электродвигателях, громкоговорителях.

Магнитное поле действует не только на проводник с током, но и на отдельные заряды, движущиеся в магнитном поле. Сила, действующая на электрический заряд q, движущийся в магнитном поле со скоростью v, называется силой Лоренца и выражается формулой

,

где В - индукция магнитного поля, в котором движется заряд.

Направление силы Лоренца определяется с помощью правила левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор В, а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора v (для q>0 направления I и v совпадают, для q<0 - противоположны), то отогнутый на 90^о большой палец покажет направление силы, действующей на положительный заряд. На отрицательный заряд сила действует в противоположном направлении.

Модуль силы Лоренца равен

,

где б - угол между векторами v и В.

Вывод силы Лоренца: Сила тока I в проводнике связана с концентрацией n свободных заряженных частиц, скоростью v их упорядоченного движения и площадью S поперечного сечения проводника следующим выражением

, (1)

где q - заряд отдельной частицы.

Модуль силы, действующей со стороны магнитного поля на выбранный элемент тока, равен

. (2)

Подставляя (1) в (2), получим

,

где - число заряженных частиц в рассматриваемом объеме.

Следовательно, на каждый движущийся заряд со стороны магнитного поля действует сила Лоренца, равная

.

Сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движения заряженной частицы, поэтому она изменяет только направление этой скорости, не изменяя ее модуля. Следовательно, сила Лоренца работы не совершает. Иными словами, постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем заряженной частицы и кинетическая энергия этой частицы при движении в магнитном поле не изменяется.

Если на движущийся электрический заряд помимо магнитного поля с индукцией В действует и электрическое поле с напряженностью Е, то результатирующая сила F, приложенная к заряду, равна векторной сумме сил - силы, действующей со стороны электрического поля и силы Лоренца:

.

Это выражение называется формулой Лоренца. Скорость v в этой формуле есть скорость заряда относительно магнитного поля.

В однородном магнитном поле на заряженную частицу, движущуюся со скоростью v перпендикулярном линиям индукции магнитного поля, действует сила Лоренца, постоянная по модулю и направлена перпендикулярно вектору скорости v. В вакууме под действием силы Лоренца частица приобретает центростремительное ускорение и движется по окружности. Радиус R окружности, по которому движется заряженная частица, определяется из условия:

,

.

Период Т обращения частицы в однородном магнитном поле, т. е. время, за которое она совершает полный оборот, равен

.

Это выражение показывает, что период обращения частицы при постоянной массе не зависит от скорости v и радиуса R траектории ее движения.

Действие магнитного поля на движущийся заряд широко используют в современной технике (телевизионные трубки); в приборах, позволяющих разделять заряженные частицы по их удельным зарядам (масс-спектрографы).

1.2 Электромагнитная индукция

Связь магнитного поля с током привела к многочисленным попыткам возбудить ток в контуре с помощью магнитного поля. Эта фундаментальная задача была блестяще решена в 1831 г. английским физиком Майклом Фарадеем (1791-1867), открывшим явление электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного.

Рассмотрим классические опыты Фарадея, с помощью которых было обнаружено явление электромагнитной индукции

1) Если в замкнутый на гальванометр соленоид вдвигать или выдвигать постоянный магнит, то в моменты его вдвигания или выдвигания наблюдается отклонение стрелки гальванометра (возникает индукционный ток); направления отклонений стрелки при вдвигании и выдвигании магнита противоположны. Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки. При изменении полюсов магнита направления отклонения стрелки изменится. Для получения индукционного тока магнит можно оставлять неподвижным, тогда нужно относительно магнита передвигать соленоид.

2) Концы одной из катушек, вставленных одна в другую, присоединяются к гальванометру, а через другую катушку пропускается ток. Отклонение стрелки гальванометра наблюдается в моменты включения или выключения тока, в моменты его увеличения или уменьшения или при перемещении катушек друг относительно друга. Направления отклонений стрелки гальванометра также противоположны при включении или выключении тока, его увеличении или уменьшении, сближении или удалении катушек.

Обобщая результаты своих многочисленных опытов, Фарадей пришел к выводу, что индукционный ток возникает всегда, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции. Например, при повороте в однородном магнитном поле замкнутого проводящего контура в нем также возникает индукционный ток. В данном случае индукция магнитного поля вблизи проводника остается постоянной, а меняется только поток магнитной индукции сквозь контур.

Опытным путем было также установлено, что значение индукционного тока совершенно не зависит от способа изменения потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения. В опытах Фарадея также доказывается, что отклонение стрелки гальванометра (сила тока) тем больше, чем больше скорость движения магнита, или скорость изменения силы тока, или скорость движения катушек.

Открытие явление электромагнитной индукции имело большое значение, так как была доказана возможность получения электрического тока с помощью магнитного поля. Этим была установлена взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями, что послужило в дальнейшем толчком для разработки теории электромагнитного поля.

Появление электрического тока в замкнутом контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатической природы или о возникновении ЭДС индукции. Количественное описание явления электромагнитной индукции дается на основе установления связи между ЭДС индукции и физической величиной, называемой магнитным потоком.

Для плоского контура,. расположенного в однородном магнитном поле, магнитным потоком Ф через поверхность площадью S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь S и на косинус угла б между вектором В и нормалью к поверхности:

.

Единицей магнитного потока является вебер (Вб). Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м² , расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:

Направление индукционного тока в контуре зависит от того, возрастает или убывает магнитный поток, пронизывающий контур, а также от направления вектора индукции магнитного поля относительно контура. Общее правило, позволяющее определить направление индукционного тока в контуре, было установлено в 1833 г. Э. Х. Ленцем.

Правило Ленца можно наглядно показать с помощью легкого алюминиевого кольца. Опыт показывает, что при внесении постоянного магнита кольцо отталкивается от него, а при удалении притягивается к магниту. Результат опытов не зависит от полярности магнита.

Отталкивание и притяжение сплошного кольца объясняется возникновением индукционного тока в кольце при изменениях магнитного потока через кольцо и действием на индукционный ток магнитного поля. Очевидно, что при вдвигании магнита в кольцо индукционный ток в нем имеет такое направление, что созданное этим током магнитное поле противодействует внешнему магнитному полю, а при выдвигании магнита индукционный ток в нем имеет такое направление, что вектор индукции его магнитного поля совпадает по направлению с вектором индукции внешнего поля.

Общая формулировка правила Ленца: возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение магнитного потока, которым вызывается данный ток.

Применять правило Ленца для нахождения направления индукционного тока I_i в контуре надо так:

1) Установить направление линий магнитной индукции В внешнего магнитного поля.

2) Выяснить, увеличивается ли поток магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (?Ф>0), или уменьшается (?Ф<0).

3) Установить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока I_i . Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям В при ?Ф>0 и иметь одинаково с ними направление при ?Ф<0.

4) Зная направление линий магнитной индукции , найти направление индукционного тока I_i, пользуясь правилом буравчика.

Экспериментальное исследование зависимости ЭДС индукции от изменения магнитного потока привело к установлению закона электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром

.

Знак магнитного потока зависит от выбора положительной нормали к контуру. В свою очередь, положительное направление нормали определяется правилом правого винта. Следовательно, выбирая положительную направление нормали, мы определяем как знак потока магнитной индукции, так и направление тока и ЭДС в контуре. Пользуясь этими представлениями и выводами, можно соответственно прийти к формулировке закона электромагнитной индукции Фарадея: какова бы ни была причина изменения потока магнитной индукции, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре ЭДС численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную контуром:

.

Знак минус показывает, что увеличение потока (>0) вызывает ЭДС , т. е. поле индукционного тока направлено навстречу потоку; уменьшение потока (<0) вызывает ЭДС , т. е. направление потока и поля индукционного тока совпадают.

Знак минус определяется правилом Ленца - общим правилом для нахождения направления индукционного тока.

ЭДС электромагнитной индукции выражается в вольтах (В).

ЭДС индукции в катушке. Если в последовательно соединенных контурах происходят одинаковые изменения магнитного потока, то ЭДС индукции в них равна сумме ЭДС индукции в каждом из контуров. Поэтому при изменении магнитного потока в катушке, состоящей из n одинаковых витков провода, общая ЭДС индукции в одиночном контуре:

.

Вихревое электрическое поле. Закон электромагнитной индукции по известной скорости изменения магнитного потока позволяет найти значение ЭДС индукции в контуре и при известном значении электрического сопротивления контура вычислить силу тока в контуре. Однако при этом остается нераскрытым физический смысл явления электромагнитной индукции. Рассмотрим это явление подробнее.

Возникновение электрического тока в замкнутом контуре свидетельствует о том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, на свободные электрические заряды в контуре действуют силы. Провод контура неподвижен, неподвижными можно считать свободные электрические заряды в нем. На неподвижные электрические заряды может действовать только электрическое поле. Следовательно, при любом изменении магнитного поля в окружающем пространстве возникает электрическое поле. Это электрическое поле и приводит в движение свободные электрические заряды в контуре, создавая индукционный электрический ток. Электрическое поле, возникающее при изменениях магнитного поля, называют вихревым электрическим полем.

Работа сил вихревого электрического поля по перемещению электрических зарядов и является работой сторонних сил, источником ЭДС индукции.

Вихревое электрическое поле отличается от электростатического поля тем, что оно не связано с электрическими зарядами, его линии напряженности представляют собой замкнутые линии. Работа сил вихревого электрического поля при движении электрического заряда по замкнутой линии может быть отлична от нуля.

ЭДС индукции в движущихся проводниках. Явление электромагнитной индукции наблюдается и в тех случаях, когда магнитное поле не изменяется во времени, но магнитный поток через контур изменяется из-за движения проводников контура в магнитном поле. В этом случае причиной возникновения ЭДС индукции является не вихревое электрическое поле, а сила Лоренца.

Рассмотрим прямоугольный контур в однородном магнитном поле, вектор индукции В которого перпендикулярен плоскости контура. Если проводник скользит с постоянной скоростью v по двум проводникам контура, то за время ?t площадь контура изменяется на величину , а магнитный поток через контур - на . Поэтому ЭДС индукции в контуре будет равна

.

В проводнике, движущемся в магнитном поле, на электрический заряд q действует сила Лоренца

.

Вычислим работу силы Лоренца, действующей на электрический заряд q во время полного обхода контура. На пути длиной l работа силы Лоренца равна

.

В неподвижных частях контура сила Лоренца равна нулю.

Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородное магнитное поле.

На электромагнитной индукции основано действие электродинамического микрофона.

Индуктивность. Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток Ф через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции В магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля в свою очередь пропорциональна силе тока в проводнике. Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:

.

Коэффициент пропорциональности L между силой тока I в контуре и магнитным потоком Ф, создаваемым этим током, называется индуктивностью. Индуктивность зависит от размеров и формы проводника; от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единица индуктивности генри (Гн). 1Гн - индуктивность такого контура, магнитный поток которого при силе тока 1А равен 1Вб.