Самоиндукция. При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке. Явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока в этой цепи называется самоиндукцией.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Применяя к явлению самоиндукции закон Фарадея, получим ЭДС самоиндукции:

.

Если контур не деформируется и магнитная проницаемость среды не изменяется, то L=const и

,

где знак минус, обусловленный правилом Ленца, показывает, что наличие индуктивности в контуре приводит к замедлению изменения тока в нем.

Если ток со временем возрастает, то и, т. е. ток самоиндукции направлен навстречу току, обусловленному внешним источником, и замедляет его возрастание.

Если ток со временем убывает, то и , индукционный ток имеет такое же направление, как и убывающий ток в контуре, и замедляет его убывание.

Таким образом, контур, обладая определенной индуктивностью, приобретает электрическую инертность, заключающуюся в том, что любое изменение тока тормозится тем сильнее, чем больше индуктивность контура.

Энергия магнитного поля. Проводник, по которому протекает электрический ток, всегда окружен магнитным полем, причем магнитное поле появляется и исчезает вместе с появлением и исчезновением тока. Магнитное поле, подобно электрическому, является носителем энергии.

Естественно предположить, что энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля.

Рассмотрим контур индуктивностью L, по которому течет ток I. С данным контуром сцеплен магнитный поток , причем при изменениях тока на dI магнитный поток изменяется на . Однако для изменения магнитного потока на величину dФ, необходимо совершить работу . Тогда работа по созданию магнитного потока Ф равна:

Следовательно, энергия магнитного поля, связанного с контуром, равна:

.

§ 2. Место и анализ темы в курсе физики средней школы

Тема «Электромагнитные явления» является одной из основных тем школьного курса физики, где изучаются электрические и магнитные явления, в частности связь между электрическими и магнитными полями.

Данная тема относится к теме, которая изучается как на I ступени (7-9 классы), так и на II ступени (10-11 классы). В 8 классе данная тема изучается по учебнику А.В. Перышкина, Н.А. Родиной [18], в 9 классе - по учебнику А.В. Перышкина, Е.М. Гутника [19], а в 10-11 классах - по учебникам Г.Я. Мякишева, Б.Б. Буховцева [13, 14, 15].

Особенностью темы в 8-9 классах является то, что весь материал рассматривается исключительно в качественном виде, не приводится ни одной расчетной формулы. Тем не менее, эта тема дает большие возможности для развития теоретического мышления и практических навыков учащихся, поскольку основной базой методики ее изложения является физический эксперимент во всем его многообразии. Простота опытов позволяет учащимся наблюдать некоторые явления в своей домашней лаборатории, а также конструировать электромагнитные установки и приборы. Содержание темы неразрывно связано со многими применениями магнитного поля и магнитных устройств, благодаря чему учитель может давать творческие задания конструкторского характера для развития изобретательских способностей учащихся. Создать из простейших средств (например, гвоздей, кусков провода, деревянных дощечек и других материалов) действующие электромагнитные устройства может каждый ученик.

Программой предусмотрено изучение в 8 классе двух основных вопросов: магнитного поля тока и действия магнитного поля на проводник с током. Третье фундаментальное явление электромагнетизма - электромагнитная индукция впервые вводится (на качественном уровне) в 9 классе.

На II ступени представления об электромагнитных явлениях углубляются и расширяются, приводятся количественные характеристики явлений. При изучении темы «Электромагнитные явления» в 10-11 классах следует соблюдать преемственность в отношении курса 8-го и 9-го классов. Надо учитывать то, что учащиеся уже знают об электромагнитных явлениях, и на эти знания опираться.

В соответствии с Законом РФ «Об образовании» старшие классы средней школы являются профильными [26]. В настоящее время существует достаточно много различных профилей обучения: физический, математический, физико-математический, физико-технический, исторический, гуманитарный, экономический и другие. В то же время для эффективной организации учебного процесса и обеспечения его учебно-методической литературой целесообразно ограничить число профилей и в качестве основных выделить пять: физико-математический, биолого-химический, технический, гуманитарный и основной. В классах основного профиля обучаются дети, не имеющие ярко выраженных способностей и интереса к изучению определённой группы предметов. В некоторых случаях число профилей ограничивают тремя и выделяют: гуманитарный, основной и физико-математический. Каждый профиль обучения определяется своей программой. Рассмотрим программы для общеобразовательной школы.

Учащиеся классов основного профиля должны усваивать материал на уровне, определенном программой для общеобразовательной средней школы.

По программе 1998 года [21] на изучение физики отводится 4 ч/нед.

Магнитное поле изучается в 10 классе по учебнику [13]. По программе на изучение темы отводится 10 уроков, которые включают 8 обязательных демонстрационных опытов и 1 лабораторную работу.

Содержание темы: Взаимодействие токов. Магнитная индукция. Магнитный поток. Сила Ампера. Принцип действия электроизмерительных приборов. Громкоговоритель. Сила Лоренца. (Магнитные свойства вещества). Ферромагнетики. Магнитная запись и хранение информации.

Электромагнитная индукция изучается в 11 классе по учебнику [14]. По программе отводится 8 часов, которые включают 5 обязательных демонстрационных опытов и 1 лабораторную работу.

Содержание темы: Электромагнитная индукция. Индукционное электрическое поле. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Электродинамический микрофон. Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

По новой программе 2004 года [22] на изучение физики отводится всего 2 ч/нед.

Магнитное поле и электромагнитная индукция изучаются в 11 классе по учебнику [15]. По программе Г. Я. Мякишева (разработка Л. А. Винокурова) [22] на тему «Электромагнитные явления» в общеобразовательных классах отводится 5-6 уроков (по программе [21] - 18 уроков).

Содержание темы такого курса следующее: Взаимодействие токов. Магнитное поле. Магнитный поток. Сила Ампера. Сила Лоренца. Электромагнитная индукция. Вихревое электрическое поле. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

Таким образом, сравнивая программы [21] и [22], мы видим, что количество часов на тему «Электромагнитные явления» снизилось в 3 раза, а содержание темы осталось практически таким же - основные понятия остались все те же, но исчезла прикладная физика.

Рассматривая программы [4,17,31 и др.], мы видим, что данные программы предполагают построение учебного материала по методу научного познания.

§ 3. Методические основы изучения темы по учебнику Г. Я. Мякишева

В данном параграфе рассмотрим традиционную методику [10,15,27] изучения темы «Электромагнитные явления».

3.1 Магнитное поле

С магнитным полем учащихся знакомят после того, как их уже ознакомили с электростатическим и электрическим стационарным полями. Поэтому, изучая свойства магнитного поля, целесообразно сравнивать свойства и выяснять особенности этих полей.

Традиционный подход к формированию понятия магнитного поля, принятый в школьных учебниках физики [15], базируется на изучении взаимодействия токов. Учащимся показывают опыт по взаимодействию двух проводников с током; говорят, что это взаимодействие осуществляется посредством магнитного поля. Вводят понятие магнитного поля и его основные свойства: магнитное поле порождается электрическим током и обнаружить его можно по действию на электрический ток (опыт Эрстеда). Сообщают учащимся, что экспериментальным доказательством реальности магнитного поля (как и электрического) является факт существования электромагнитных волн.

Затем магнитное поле качественно изучают с помощью рамки с током (замкнутого контура). С помощью опыта выясняют, что магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие.

Для характеристики магнитного поля вводится векторная величина - магнитная индукция В. Говорят, что В подобна вектору напряженности электрического поля Е. Сначала рассматривают только направление вектора магнитной индукции В. Направление вектора В устанавливают с помощью магнитной стрелки или с помощью правила правого винта. Модуль магнитной индукции вводят при изучении силы Ампера, действующей на проводник с током.

Магнитное поле, по аналогии с электрическим полем, изображают с помощью линий магнитной индукции. Проводят опыты с опилками, намагничивающимися в магнитном поле. Сравнивают линии магнитного поля с линиями электрического поля - линиями напряженности. Приходят к выводу, что магнитное поле - вихревое поле (линии В всегда замкнуты). Следствием этого является то, что магнитное поле не имеет источников (магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет).

Далее переходят к изучению магнитного поля с количественной стороны. Количественное изучение магнитного поля начинается с введения понятия магнитной индукции. В школьных учебниках введение понятия магнитной индукции основывается на изучении действия силы Ампера на линейный проводник (из рассмотрения силового воздействия магнитного поля на ток). Формулируют следующее определение: модулем вектора магнитной индукции В называют отношение силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка:

Из этой формулы устанавливают единицу измерения магнитной индукции В - тесла (Тл):

.

Затем вводят сам закон Ампера: . С помощью правила левой руки определяют направление силы Ампера. Важно подчеркнуть, что сила Ампера никогда не может быть направлена вдоль поля. В этом принципиальное различие направлений вектора напряженности Е и вектора магнитной индукции В (направление Е совпадает с направлением силы, действующей в данной точке на положительный заряд). Правило левой руки подчеркивает нецентральный характер магнитных сил. В этом состоит важнейшее отличие действия магнитного поля на ток.

В качестве применения силы Ампера в старших классах рассматривают принцип действия громкоговорителя.

Сила Лоренца, действующая на заряженную частицу, в школьных учебниках выводится из закона Ампера () и силы тока в проводнике (): . Направление силы Лоренца определяется также правилом левой руки. Важно здесь подчеркнуть, что сила Лоренца перпендикулярна скорости движения заряженной частицы, поэтому она изменяет только направление этой скорости, не изменяя ее модуля. Следовательно, сила Лоренца работы не совершает.

Применение силы Лоренца в школе рассматривают при изучении телевизионных трубок (кинескопов) и при изучении масс-спектрографов.

После изучения темы магнитное поле в школе поверхностно (1 параграф) изучаются магнитные свойства вещества. Здесь рассматриваются: гипотеза Ампера, температура Кюри, ферромагнетики и их применение.

3.2 Электромагнитная индукции

Школьники уже изучили потенциальные электростатическое и стационарное поля, а также вихревое магнитное поле. Теперь их нужно познакомить с вихревым электрическим полем, а также с изменениями во времени электрического и магнитного вихревых полей, со связью этих полей. Все это удается сделать при изучении явления электромагнитной индукции, открытого М. Фарадеем.

Явление электромагнитной индукции в школьном курсе физики [15] вводится с помощью опытов Фарадея. Здесь можно учащимся рассказать о том периоде, который предшествовал открытию явления электромагнитной индукции, об истории самого открытия и опытах Фарадея. С помощью данных опытов устанавливают, что явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока (индукционного тока) в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле.

Для того чтобы дать количественную формулировку закона электромагнитной индукции Фарадея вводят характеристику распределения магнитного поля по поверхности - магнитный поток. Дают определение магнитного потока: . Из этой формулы устанавливают единицу магнитного потока - вебер (Вб): . В школьном курсе физики расчеты проводятся для однородного поля. Магнитный поток изображают с помощью линий индукции: он равен числу линий, пронизывающих поверхность контура.

Затем с помощью правила Ленца определяют направление индукционного тока. Правило Ленца в школе вводится с помощью двух опытов: взаимодействие алюминиевого кольца и постоянного магнита; взаимодействие кольца и катушки с током. Правило Ленца формулируется на основе закона сохранения энергии. В учебнике дается следующая формулировка правила Ленца: возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. Дается алгоритм применения правила Ленца для нахождения направления индукционного тока.

Введение понятия магнитного потока позволяет взглянуть на все опыты по электромагнитной индукции с количественной стороны. Индукционный ток (а значит и ЭДС индукции) возникает всегда при изменении магнитного потока, пронизывающего поверхность, опирающуюся на контур проводника. С этой точки зрения анализируют все опыты по электромагнитной индукции и записывают формулу:

Устанавливают, что знак «минус» в законе объясняется правилом Ленца или законом сохранения энергии. Здесь необходимо подчеркнуть, почему закон электромагнитной индукции формулируется именно для ЭДС, а не для силы тока (при такой формулировке закон выражает сущность явления, не зависящую от свойств проводников, в которых возникает индукционный ток).

В школьных учебниках рассматривают два случая возникновения ЭДС:

- возникновение ЭДС индукции в неподвижном проводнике, помещенном в изменяющееся во времени поле;

- возникновение ЭДС индукции в проводнике, движущемся в постоянном магнитно поле.

В первом случае с помощью опыта устанавливают, что, изменяясь во времени, магнитное поле порождает индукционное электрическое поле. Говорят, что полученное таким образом электрическое поле является вихревым полем. Особенности вихревого электрического поля выясняют, сравнивая его с другими видами полей: с электрическим, имеющим потенциальный характер, и с магнитным, которое, как индукционное электрическое поле, является вихревым. Оно не связано с зарядами; линии поля замкнуты подобно линиям магнитного поля. Силовое действие индукционного электрического поля на заряды характеризуется вектором напряженности Е. Энергетическая характеристика индукционного поля - ЭДС индукции.

Во втором случае говорят, что возникновение ЭДС индукции в проводниках, движущихся в постоянном магнитном поле, связано с действием силы Лоренца на свободные заряды проводника. Выводят формулу:

.

Самоиндукцию в школьном курсе физики вводят с помощью опыта. Говорят, что самоиндукция - это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока. Проводят аналогию между самоиндукцией и инерцией. Формулу для ЭДС самоиндукции получают, используя закон электромагнитной индукции:

Вводят понятие индуктивности. Указывают, что индуктивность проводника зависит от геометрических факторов: размеров проводника и его формы. Кроме геометрии проводника, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник. Здесь нужно подчеркнуть, что линейный проводник имеет одну индуктивность, а тот же проводник в форме соленоида (катушки) значительно большую. Индуктивность катушки зависит от числа витков, длины, диаметра. Нужно также отметить значительное увеличение индуктивности катушки при наличии в ней железного сердечника. Говорят, что индуктивность подобна электроемкости. Единицу индуктивности выводят из формулы для ЭДС самоиндукции - генри (Гн):

.

При рассмотрении энергии электрического поля пользовались конденсатором, в котором электрическое поле сосредоточено в основном в известном ограниченном объеме. Для магнитного поля аналогичную роль выполняет катушка с током, магнитное поле которого сосредоточенно главным образом внутри нее. Поэтому энергию магнитное поле определяют именно для катушки. В курсе физики средней школы дают выражение для энергии магнитного поля катушки индуктивности через силу тока (т. к. энергию магнитного поля называют энергией электрического тока): . К пониманию этой формулы старшеклассников подводят, сравнивая процесс приобретения некоторым телом определенной скорости. Сила тока I аналогична модулю скорости v, а индуктивность L аналогична массе m (обе величины характеризуют инертные свойства).

Понятие электромагнитного поля можно вводить в различных местах раздела «Электродинамика». Программа общеобразовательной средней школы рекомендует ввести это понятие при изучении явления электромагнитной индукции [27]. Знания учащихся об электрическом и магнитном полях, а также рассмотрение этих полей в различных системах отсчета дают возможность сделать вывод: электрическое и магнитное поле - частные проявления единого электромагнитного поля, зависящие от выбора системы отсчета.

На наш взгляд, наиболее целесообразно вводить понятие электромагнитного поля в начале раздела «Электродинамика». Начать изучение учебного материала целесообразно с развернутого введения в электродинамику, где на основе уже имеющихся у школьников знаний вводят первоначальные представления об электромагнитном поле. Дальнейшее изучение электромагнитных явлений углубляет и расширяет знания об электромагнитном поле.

Вывод из главы 2

Рассматривая программы [21,22], мы видим, что количество часов на изучение физики по сравнению с 1998 годом уменьшилось в 2 раза, а количество часов на изучение темы «Электромагнитные явления» уменьшилось почти в 3 раза, но материал и учебники остались прежними. Т. е. один и тот же объем материала необходимо дать ученикам за более короткие сроки. Следовательно, на современном этапе при обучении учащихся основам физики необходимо использовать более совершенные методики. В данной работе мы предлагаем изучение физики на основе метода научного познания, тем более что некоторые программы [4,17,31 и др.] уже предполагают построение учебного материала по такому методу.

Проведя методический анализ темы «Электромагнитные явления» по учебникам Г. Я. Мякишева [13,14,15], можно сказать, что данная тема является наиболее подходящей для использования метода научного познания, так как учащиеся видят последовательное приближение к истине методом модельных гипотез [3]. Однако традиционная методика недостаточно реализует дидактический потенциал темы: не раскрытой остается эвристическая функция теории, заключающаяся в предвидении новых фактов. Физическая теория должна не только объяснять известные факты, но и предвидеть новые, не известные физические явления. Далее рассмотрим построение темы «Электромагнитные явления» по схеме научного познания.

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕМЫ «ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ» В СТАРШИХ КЛАССАХ

§ 1. Методика изучения темы «Электромагнитные явления» по схеме метода научного познания

Как показано в 1 главе, старший школьный возраст - это пора поисков и открытий. У старшего школьника проявляется интерес к теоретическим проблемам, к методам научного исследования, к самостоятельной поисковой деятельности по решению сложных задач. Большинство старшеклассников высказываются в пользу активных и самостоятельных форм деятельности. Необходимый переход от пассивного метода обучения к активному методу обеспечивается построением процесса познания учебного предмета на основе научного метода познания. Кроме того, использование метода научного познания является средством развития познавательных способностей учащихся, средством формирования научного мышления и научного мировоззрения. Поэтому нужно отметить исключительную важность включения в стандарт школьного образования сведений о научном методе познания.

Рассмотрим основы методики научного познания при обучении учащихся в средней школе (на примере темы «Электромагнитные явления»).

1.1 Цели и задачи курса

Цель: Повышение мировоззренческого и гуманитарного уровня школьников, показывающего физику как один из компонентов общечеловеческой культуры, как результат деятельности людей. Формирование научного мировоззрения, активизация познавательной деятельности учащихся через ознакомление учащихся с методами познания, построения моделей (гипотез) и их теоретического анализа. Формирование представления у ребят о современной физической картине мира.

Задачи:

1. Научить учащихся проводить наблюдения и самостоятельные эксперименты, вести исследования.

2. Развивать и вырабатывать на занятиях самостоятельность, инициативу, умение мыслить, выполнять широкий спектр различных операций и действий.

3. Познакомить с общими принципами экспериментального научного подхода к познанию природных явлений и объектов.

4. Показать ученикам сущность теоретического моделирования реальных процессов и объектов и познакомить с теоретическими методами в науке.

5. Научить учащихся применять метод научного познания к конкретной теме при изучении физики.

6. Научить учащихся выделять в тексте учебника важнейшие категории научной информации (описание явления или опыта; постановка проблемы; выдвижение гипотезы; моделирование объектов и процессов; формулировка теоретических выводов и его интерпретация; экспериментальная проверка гипотезы или теоретического предсказания).

Планируемые результаты:

По окончании курса учащиеся должны знать, в чем состоит научный метод изучения природы. Они должны понимать, в чем суть моделей природных процессов и гипотез, как делаются теоретические выводы, как экспериментально проверять модели и гипотезы, как проводить научные исследования.

1.2 Построение темы «Электромагнитные явления» по схеме научного познания

Кратко в конспективной форме изложим содержание и методику изучения темы «Электромагнитные явления» с использованием метода научного познания.

Существует большое количество учебных программ [4,17,21,22,23] и, следовательно, тематических планов. В разных программах на изучение темы «Электромагнитные явления» отводится разное количество часов. Мы предлагаем свое распределение материала по урокам (таблица 1).

Таблица 1.

Тематическое планирование темы «Электромагнитные явления»

№ урока	Тема урока	§	Демонстрации
1	Контрольная работа № 1 (см. приложение). Взаимодействие токов. Магнитная индукция.	1, 2, 7	1) Взаимодействие двух параллельных токов. 2) Действие магнитного поля на рамку с током. 3) Вихревой характер магнитного поля.
2	Сила Ампера и ее применение. Л/р «Наблюдение действия магнитного поля на ток».	3- 5	4) Действие магнитного поля на проводник с током. 5) Устройство и принцип действия амперметра и вольтметра. 6) Устройство и принцип действия громкоговорителя.
3	Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца и ее применение.	6	7) Отклонение электронного пучка магнитным полем.
4	Контрольная работа № 2 (см. приложение). Решение задач.	1-7
5	Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции Л/р «Изучение явления эл/маг индукции».	8-14	8) Электромагнитная индукция (опыты Фарадея). 9) Зависимость ЭДС индукции от скорости изменения магнитного потока.
6	Самоиндукция. Индуктивность.	15	10) Самоиндукция 11)Зависимость ЭДС самоиндукции от скорости изменения силы тока в цепи и от индуктивности проводника.
7	Энергия магнитного поля. Электромагнитное поле.	16,17
8	Контрольная работа № 3 (см. приложение). Повторительно-обобщающий урок по теме «Электромагнитные явления».	1-17
9	Итоговая контрольная работа по теме «Электромагнитные явления».

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

Посмотрим, как данную методику можно применить к теме «Электромагнитные явления»

Урок 1. Взаимодействие токов. Магнитная индукция

Факты: Изучение магнитного поля начинаем с напоминания опыта Эрстеда (8класс), который доказывает существование магнитного поля вокруг проводника с током.

Затем показываем опыт по взаимодействию двух параллельных проводников с током. Говорим, что данное взаимодействие обусловлено существованием магнитного поля вокруг проводника с током.

Гипотеза:На основе этих опытов можно предположить, что магнитное поле имеет вихревой характер.

Вводим вектор индукции магнитного поля В., вводим линии поля. Вводим правила определения направления магнитной индукции: правило буравчика (правило правого винта), правило обхвата правой рукой, мнемоническое правило.

Следствия: Магнитные свойства вещества, доменная структура, точка Кюри, электроизмерительные приборы.

Эксперимент: Подтверждением вихревого характера магнитного поля является опыт с железными опилками. Опыт - действие магнитного поля на рамку с током доказывает принцип действия электроизмерительных приборов.

Урок 2. Сила Ампера и ее применение

Факты: На прошлом занятии учащиеся наблюдали действие магнитного поля на рамку с током.

Гипотеза: Учащиеся высказывают гипотезу о том, от чего зависит сила Ампера (от В, I, l, от направления В); закон Ампера (); Для определения направления силы Ампера вводим правило левой руки.

Следствия: Следствием введения силы Ампера является объяснение действия магнитного поля на движущийся заряд, сила Лоренца.

Эксперимент: Правильность гипотезы проверяется (качественно) с помощью установки, описанной в учебнике [15 - стр.11]. Проводник подвешиваем на гибких проводах и помещаем в поле постоянного подковообразного магнита. При пропускании по проводнику тока, в магнитном поле он отклоняется от своего положении равновесия.

На основе понятия силы Ампера объясняется устройство и принцип действия электродвигателя (8 класс), и громкоговорителя.

Урок 3. Сила Лоренца и ее применение

Факты: Вспоминаем прошлое занятие - на проводник с током в магнитном поле действует сила - сила Ампера.

Затем вспоминаем определение электрического тока. Электрический ток - это направленное движение заряженных частиц.

Гипотеза: На основе этих фактов можно построить следующую гипотезу: на движущиеся в магнитном поле заряженные частицы действует сила. Говорим, что эта сила называется силой Лоренца. Вводим модуль силы Лоренца (). Для определения направления этой силы вводим правило левой руки.

Следствия: Следствием действия силы Лоренца является отклонение электронного пучка в магнитном поле. За счет действия силы Лоренца в проводниках, движущихся в магнитном поле, возникает ЭДС индукции.

Эксперимент: Подтверждением существования силы Лоренца может служить простой опыт - опыт с электронно-лучевой трубкой и полосовым магнитом.

На основе понятия силы Лоренца объясняется устройство и принцип действия телевизионных трубок и масс-спектрографов.

Урок 4. Электромагнитная индукция.

Факты: Ставим серию опытов по электромагнитной индукции [см. учебник 15 - стр.25 или глава 3 - § 2].

Гипотеза: Учащиеся предполагают, что в замкнутом контуре индуцируется ток во всех случаях, когда происходит изменение потока магнитной индукции сквозь площадь, ограниченную контуром.

Следствия: На основе понятия электромагнитной индукции можно предполагать существование единого электромагнитного поля, существование электромагнитных волн.

Эксперимент: 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

Явление 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.

Урок 5. Самоиндукция

Факты: Сначала напоминаем учащимся, что сущность явления электромагнитной индукции заключается в возникновении вихревого электрического поля.

Затем рассуждаем так: изменяющееся магнитное поле можно получить, увеличивая или уменьшая силу тока в катушке. Значит катушка, в которой изменяется сила тока, будет находиться в вихревом электрическом поле, порожденном собственным магнитным полем. Перед классом ставим вопрос: Будет ли оказывать какое-либо влияние на электрический ток в катушке вихревое электрическое поле? Если будет, то в чем это будет проявляться?

Гипотеза: Вихревое электрическое поле должно действовать на электроны проводимости, причем электрические силы этого поля будут выступать в данном случае как сторонние силы. А значит, в катушке должна возникать ЭДС индукции, которая согласно правилу Ленца, будет препятствовать причине ее вызывающей. Значит, ЭДС индукции должна препятствовать уменьшению или увеличению силы тока в катушке.

Следствия: Следствием самоиндукции является существование единого электромагнитного поля, существование электромагнитных волн.

Эксперимент: В качестве подтверждения явления самоиндукции проводим опыт с двумя лампочками [15 - стр.39]. Одну лампочку подключаем последовательно катушке, а другую такую же лампочку - непосредственно к источнику. При замыкании цепи лампочка, соединенная последовательно с катушкой, вспыхнет с некоторым запаздыванием по сравнению с лампочкой, подключенной к источнику.

Урок 7. Электромагнитное поле

Факты: Сущность явления электромагнитной индукции состоит в том, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле.

Гипотеза: Максвелл предположил, что аналогичным образом переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле.

Следствия: Существование единого электромагнитного поля.

Эксперимент: Опыт с системами отсчета.

Кратко данную методику можно изобразить в виде таблицы (таблица 2).

Таблица 2

	факты	гипотезы	следствия	эксперимент
1. Взаимо-действие токов. Магнитная индукция.	-опыт Эрстеда-явление взаимодействия токов, магнитов;	- маг. поле имеет вихревой характер. - вводят вектор индукции маг. поля, линии маг. поля, правило правого винта (пр. буравчика);	-сила Лоренца; -маг.свойства вещества, доменная структура, точка Кюри; -электроизмери-тельные приборы.	опыты: -действие маг. поля на рамку с током; -вихревой характер маг. поля.
2. Сила Ампера и ее применение.	-действие магнитного поля на рамку с током.	-зависимость силы Ампера от В, I, l, от направления В; - правило левой руки;- закон Ампера;	-действие магнитного поля на движущийся заряд, сила Лоренца	-опыты по нахождению модуля силы Ампера;- л/р «Наблюдение действия маг. поля на ток»;-применение: электродвигатель, громкоговоритель.
3. Сила Лоренца и ее применение.	-на проводник с током действует сила Ампера;- эл. ток- это направленное движение частиц.	- на движущиеся в маг. поле заряженные частицы действует сила Лоренца.	-отклонение электронного пучка в маг. поле;-движение проводника с током в маг. поле.	-опыт с электронно-лучевой трубкой;-применение: телевизион. трубки, масс-спектрографы.
4. Электро-магнитная индукция.	- опыты по э/м индукции;	- в замкнутом контуре индуцируется ток, когда происходит изменение потока маг.индукции. - вводят понятие маг. потока;правило Ленца. - ЭДС индукции зависит от скорости изменения маг. потока (закон э/м индукции).	- самоиндукция;-существование единого э/м поля;-существование э/м волн.	- л/р «Изучение явления э/м индукции»;- зависимость ЭДС индукции от скорости изменения маг. потока.-применение: электродинамический микрофон.
5. Самоиндукция	- явление э/м индукции;- закон э/м индукции.	- ЭДС индукции препятствует уменьшению или увеличению силы тока в катушке;-ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в цепи и от индуктивности проводника.	-существование единого э/м поля;-существование э/м волн.	-опыт с двумя лампочками;-зависимость ЭДС самоиндукции от скорости изменения силы тока в цепи и от индуктивности проводника.

При составлении данной методики использована литература [3,5,7,8,11,15,29,30,31].

§ 2. Конспект урока «Явление электромагнитной индукции»

Цель урока: Познакомить учащихся с явлением электромагнитной индукции, используя метод научного познания.

План урока:

1. Организационный момент.

2. Проверка знаний и их актуализация.

3. Объяснение нового материала (мотивация, организация восприятия).

4. Закрепление (осознание).

5. Подведение итогов урока и домашнее задание.

II. Проверка домашнего задания, повторение

В начале урока проводим контрольную работу №2 (см. приложение.)

III. Объяснение нового материала

Перед объяснением нового материала учитель напоминает учащимся сущность метода научного познания; рисует таблицу, которую учащиеся заполняют в течение объяснения нового материала.

1) Мотивация

В 1821 г. Майкл Фарадей записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество».

Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлении. Именно эта идея (взаимосвязь электрических и магнитных явлении) и лежала в основе опытов Фарадея. Если вокруг проводников с током возникает магнитное поле, то должно существовать и обратное явление - возникновение электрического тока в замкнутом проводнике под действием магнитного поля (гипотеза Фарадея). Эта задача была успешно им решена лишь через 10 лет.

2) Организация восприятия.

Ток, возбуждаемый магнитным полем в замкнутом контуре, называется индукционным, а само явление возбуждения тока посредством магнитного поля - электромагнитной индукцией.

Электродвижущая сила, обуславливающая индукционный ток, называется электродвижущей силой индукции.

Рассмотрим несколько опытов, с помощью которых Фарадей изучал явление электромагнитной индукции (наблюдение - факты).

1. К замкнутому контуру (плоскость которого перпендикулярна плоскости рис.) приближается северный полюс магнита (рис. а). При этом в контуре индуцируется ток I_i , вызывающий отклонение стрелки гальванометра Г. Магнитное поле магнита и индукционного тока изображены линиями индукции B и B_i. Если движение магнита прекращается, то индукционный ток исчезает.

2. Северный полюс магнита удаляется от контура (рис. б). Тогда в контуре индуцируется ток, противоположный току, индуцированному в предыдущем случае.

3. К контуру приближается южный полюс магнита (рис. в). В этом случае индуцированный ток имеет такое же направление, как в случае удаления северного полюса магнита.

4. Южный полюс магнита удаляется от контура (рис. г). Тогда индуцированный ток направлен так же, как в случае приближения северного полюса магнита.

5. В контуре включаем ток I или же в этом контуре увеличивается сила имеющего уже тока. Тогда в соседнем контуре индуцируется ток I_i, направленный противоположно току I. Если изменение силы тока прекращается, то индукционный ток исчезает (рис. д).

6. В контуре выключаем ток I или же в этом контуре уменьшается сила имеющего уже тока. Тогда в соседнем контуре индуцируется ток I_i, направленный одинаково с током I. Если изменение силы тока прекращается, то индукционный ток исчезает (рис. е).



На основе опытов 1-4 можно предположить (гипотеза), что при любом движении магнита в замкнутом контуре будет возникать индукционный ток.

Для проверки гипотезы проведем такой опыт (экспериментальная проверка гипотезы): в опытах 1-4 магнит вводить в контур и выводить из него не будем. Будем просто крутить магнит в контуре.

Из этого опыта видно, что при таком движении магнита в замкнутом контуре индукционный ток не возникает. С чем это связано?

Характерная особенность рассматриваемых опытов (1-6) состоит в том, что в каждом из них имеет место изменение потока магнитной индукции сквозь площадь, ограниченную контуром. Действительно, в случаях а, б, д этот поток увеличивается со временем, а в случаях в, г, е - уменьшается со временем.

Введем характеристику распределения магнитного поля по поверхности - магнитный поток.

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:

. (1)

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.

Введем правило Ленца (1833 г.) - правило для определения направления индукционного тока.

Индукционный ток имеет такое направление, что его собственное магнитное поле компенсирует изменение потока магнитной индукции, вызывающее этот поток (правило Ленца).

Иными словами, индукционный ток направлен так, что его собственное магнитное поле препятствует изменению потока магнитной индукции, вызвавшему этот ток.

Нетрудно убедиться, что во всех рассматриваемых случаях (опытах 1-6) направление индукционного тока соответствует правилу Ленца.

Обобщая результаты своих многочисленных опытов по электромагнитной индукции, Фарадей пришел к следующим выводам (следствие - условия):

- В замкнутом контуре индуцируется ток во всех случаях, когда происходит изменение потока магнитной индукции сквозь площадь, ограниченную контуром;

- ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения потока магнитной индукции (закон Фарадея): , где Ф - поток магнитной индукции, t - время.

С учетом правила Ленца, закон электромагнитной индукции имеет вид:

. (2)

Выражение (2), называемое законом Фарадея, является универсальным: оно справедливо для всех возможных случаев электромагнитной индукции.

Знак минус показывает, что ЭДС индукции направлена так, что вектор индукции магнитного поля индукционного тока препятствует изменению потока магнитной индукции ?Ф: если поток увеличивается (>0), то и поле индукционного тока направлено навстречу потоку;

Если же поток уменьшается (<0), то и направление потока и поля индукционного тока совпадают. Короче говоря, знак минус в формуле (2) есть математическое выражение правила Ленца.

Рассмотрим вопрос о природе ЭДС.

Существует два случая возникновения ЭДС индукции: возникновение ЭДС индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле; возникновение ЭДС индукции в неподвижном проводнике, помещенном в изменяющееся со временем магнитное поле.

1. В случаях движения контура в магнитном поле ЭДС индукции обусловлена действием лоренцевой силы на заряды, находящиеся в контуре. Выражение этой ЭДС получим из закона Фарадея, используя определение магнитного потока ():

,

?Ф - магнитный поток сквозь площадь ?S, описываемую участком l при перемещении ?x за время ?t, В - индукция магнитного поля. Но , следовательно

> .



В случае неподвижного контура, находящегося в переменном магнитном поле, возникновение ЭДС индукции нельзя объяснить лоренцевой силой, т. к. она не действует на неподвижные заряды. Для объяснения электродвижущей силы индукции в этом случае необходимо предположить, как это сделал Максвелл, что Переменное магнитное поле создает в пространстве переменное электрическое поле и линии напряженности магнитного поля концентрически охвачены линиями напряженности электрического поля. Такое электрическое поле - с замкнутыми силовыми линиями - называют вихревым.

Открытие Фарадеем электромагнитной индукции послужило основой для объединения электрического и магнитного полей - для создания единого электромагнитного поля. Это явление лежит в основе работы генераторов всех электростанций мира.

Итак, сделаем вывод по данному материалу:

1. Индукционный ток - это ток, возбуждаемый магнитным полем в замкнутом контуре.

2. Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется.

3. Поток магнитной индукции характеризует распределение магнитного поля по поверхности, ограниченной замкнутым контуром.

4. Электродвижущая сила, обуславливающая индукционный ток, называется электродвижущей силой индукции. По закону Фарадея (закон электромагнитной индукции) ЭДС:

.

Вернемся к таблице, которую учащиеся заполняли в течение урока. Учащиеся зачитывают то, что у них получилось. Учитель проговаривает правильный вариант.

IV. Закрепление материала (Осознание).

1. В чем заключается сущность электромагнитной индукции?

2. Опишите эксперименты, в которых обнаруживается явление электромагнитной индукции.

3. Какие условия необходимы для существования явления электромагнитной индукции?

4. В чем важность открытия явления электромагнитной индукции?

5. Какую гипотезу хотел доказать Фарадей, проводя серию опытов по электромагнитной индукции?

V. Подведение итогов урока и домашнее задание.

На данном этапе необходимо подвести итог урока - поощрить учащихся, которые активно участвовали на уроке, хорошими оценками.

Д/з: ещё раз проработать метод научного познания (поработать с текстом), выучить основные понятия и законы (§ 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14).

Оформление доски



Дата Явление электромагнитной индукции. Д/з § 8-14
Опыты: а) б) в) г)	Магнитный поток: . (1) Закон Фарадея: . (2)	Метод научного познания: Факты - опыты по электромагнитной индукции Гипотеза - при любом движении магнита в замкнутом контуре будет возникать индукционный ток. Следствия-условия - ток индуцируется в тех случаях, когда происходит изменение потока магнитной индукции Эксперимент - в опытах 1-4 магнит вводить в контур и выводить из него не будем. Будем просто крутить магнит в контуре.

§ 3. Педагогический эксперимент

Эффективность изучения темы по схеме научного познания можно проверить с помощью текущих контрольных работ. Мы предлагаем провести три контрольные работы. Первая работа проводится в начале изучения темы «Электромагнитные явления» (проверяются остаточные знания по 8-9 классам). Вторая - после изучения темы «Магнитное поле тока». Третья - после изучения темы «Электромагнитная индукция» (см. таблицу 1).

Такие контрольные работы были проведены учителем физики Уренской средней школы №2 в 10 «в» классе. Результаты контрольных (средний балл по классу) занесены в таблицу 3.

Таблица 3.

	К/р. №1	К/р. №2	К/р. №3
Средний балл по классу	3,6	3,8	4,2

Как показывают результаты экспериментальной проверки (см. график) изложенной методики обучения, включение учащихся в самостоятельные экспериментальные исследования повышает качество их обучения, в частности, способствует преодолению таких часто встречающихся недостатков как:

- непонимание 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.

В конечном итоге учащиеся более глубоко усваивают физические знания и расширяют представления о методах познания природы.

Вывод из главы 3

Итак, в данной главе мы изложили методику изучения темы «Электромагнитные явления» с использованием метода научного познания и спроектировали уроки физики по данной теме с использованием метода научного познания.

Эффективность изучения темы по схеме научного познания проверена на практике. Как показали результаты экспериментальной проверки, построение процесса познания учебного предмета на основе научного метода познания обеспечивает высокую активность учащихся в обучении, их самостоятельность в учебном познании и является средством развития познавательных способностей учащихся.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в данной работе мы ознакомились с методом научного познания, рассмотрели основные положения метода научного познания и показали, как можно использовать данный метод при обучении физике в средней школе. В качестве примера, иллюстрирующего метод научного познания, мы взяли тему школьного курса физики «Электромагнитные явления».

Использование метода научного познания рассмотрели с учетом психолого-педагогических особенностей старших школьников и с учетом развития личности учащихся (глава 1). Построение процесса познания учебного предмета на основе научного метода познания обеспечивает переход от пассивного метода обучения к активному методу (а большинство старшеклассников высказываются именно в пользу активных и самостоятельных форм деятельности). Кроме того, использование метода научного познания является средством развития познавательных способностей учащихся, средством формирования научного мышления и научного мировоззрения.

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

Во второй главе провели методический анализ темы «Электромагнитные явления» и показали, что данная тема является подходящей для использования метода научного познания, так как учащиеся видят последовательное приближение к истине методом модельных гипотез [3]. Однако традиционная методика недостаточно реализует дидактический потенциал темы: не раскрытой остается эвристическая функция теории, заключающаяся в предвидении новых фактов. Физическая теория должна не только объяснять известные факты, но и предвидеть новые, не известные физические явления.

В 3 главе показали, как можно использовать метод научного познания при изучении темы «Электромагнитные явления», спроектировали уроки физики по данной теме с использованием метода научного познания.

Как показали результаты экспериментальной проверки, построение процесса познания учебного предмета на основе научного метода познания обеспечивает высокую активность учащихся в обучении, их самостоятельность в учебном познании и является средством развития познавательных способностей учащихся. В конечном итоге учащиеся более глубоко усваивают физические знания и расширяют представления о методах познания природы, т. е. гипотеза, сформулированная в работе, подтвердилась.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Возрастная и педагогическая психология: Учебное пособие для студентов пед. ин-тов по спец. №2121 «Педагогика и методика нач. обучения»/ М. В. Матюхина, Т. С. Михальчик, Н. Ф. Прокина и др.; Под ред. М. В. Гамезо и др.- М.: Просвещение, 1984.

2. Гладышева Н. К., Нурминский И. И. Методика преподавания физики в 8-9 классах общеобразовательных учреждений / Н. К. Гладышева, И. И. Нурминский. - 2-е изд. - М.: Просвещение,2001.

3. Голин Г. М., Красавин Г. В. Использование метода гипотезы в обучении физике. // Физика в школе, №6, 1991- стр.28.

4. Данюшенков В. С., Коршунова О. В. и др. Программы общеобразовательных учреждений. Физика. 10-11 классы. / Под ред. Н. В. Шароновой. - М.: Просвещение, 2005.

5. Зверева Н. М. Активизация мышления учащихся на уроках физики: Из опыта работы. Пособие для учителей. - М.: Просвещение, 1980.

6. Зверева Н. М., Маскаева Т. Е. Дидактика для учителя: Учебное пособие. - Н. Новгород: Нижегородский гуманитарный центр, 1996.

7. Знаменский П. А. Методика преподавания физики в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 2-е, перераб. - Ленинград, 1954.

8. Иванова Л. А. Активизация познавательной деятельности учащихся при изучении физики: Пособие для учителей. - М.: просвещение, 1983.

9. Кабардин О. Ф. Физика: Справочные материалы: Учебное пособие для учащихся. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Просвещение, 1988.

10. Каменецкий С. Е., Пустильник И. Г. Электродинамика в курсе физики средней школы. Пособие для учителей. - М.: Просвещение, 1978.

11. Лещинский Л. А., Пунский В. О. Обучение старшеклассников применять общенаучные принципы познания. // Физика в школе, №3, 1982 - стр. 27.

12. Майер В. В., Вараксина Е. И. Взаимодействие учебной теории и учебного эксперимента в цикле научного познания. // Учебная физика, № 4, 2004 - стр. 52.

13. Мякишев Г. Я, Буховцев Б. Б. Физика: Учебник для 10 кл. сред. шк. - М.: Просвещение, 1990.

14. Мякишев Г. Я, Буховцев Б. Б. Физика: Учебник для 11 кл. сред. шк. - М.: Просвещение, 1991.

15. Мякишев Г. Я. Физика: Учебник для 11 кл. общеобразовательных учреждений. / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев. - 10-е изд., перераб. - М.: Просвещение, 2002.

16. Научные основы школьного курса физики / Под ред. С. Я. Шамаша, Э. Е. Эвенчик. - М.: Педагогика, 1985.

17. Оценка качества подготовки выпускников средней (полной) школы по физике / сост. В. А. Коровин, В. А. Орлов. - М.: Дрофа, 2001.

18. Пёрышкин А. В., Родина Н. А. Физика: учеб. для 8 кл. сред. шк. - 10-е изд., перераб. и доп. - М.: Просвещение, 1989.

19. Пёрышкин А. В. Физика: 9 кл.: Учебник для общеобразовательных учреждений. / А. В. Пёрышкин, Е. Н. Гутник. - 5-е изд. испр. - М.: Дрофа, 2002.

20. Петрушенко Н. И. Сборник диктантов по физике: 6-10 кл. - Мн.: Нар. Асвета, 1982.

21. Программы ср. общеобразовательной школы. Физика. Астрономия. / сост. Ю. И. Дик, А. А. Пинский. - М.: Просвещение, 1998.

22. Программно - методические материалы по физике для профильных школ Нижегородской области. - Н. Новгород: Нижегородский гуманитарный центр, 2004.

23. Программно-методические материалы. Физика. 7-11 классы. / сост. В. А. Коровин. - М.: Дрофа, 2001.

24. Разумовский В. Г. Научный метод познания и эксперимент в обучении физике // Учебная физика, № 5, 2004 - стр.7.

25. Разумовский В. Г. Физика в школе. Научный метод познания и обучения / В. Г. Разумовский, В. В. Майер. - М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2004.