Жоғары және орта мектептегі физикалық білімнің әдістемелік негіздері пәні бойынша ДӘріс тезистері
Тақырыбы: «Электродинамика» бөлімін ғылыми-әдістемелік талдау және оқыту әдістемесі
жүктеу/скачать 1.59 Mb.
|
| Тақырыбы: «Электродинамика» бөлімін ғылыми-әдістемелік талдау және оқыту әдістемесі
Қарастырылатын сұрақтар (дәріс жоспары): 1. «Электрдинамика» бөлімінің мәні мен құрылымы. 2. «Электрдинамика» бөлімінің ерекшеліктері. 3. «Электрдинамика» бөліміндегі негізгі ұғымдарға ғылыми-әдістемелік талдау жасау. Дәрістің қысқаша мазмұны: 1. «Электродинамика» бөлімінің мәні мен құрылымы. “Электродинамика” бөлімі- мектеп физика курсының қиын бөлімдерінің бірі, мұнда электрлік, магниттік құбылыстар, электромагниттік құбылыстар, электромагниттік толқындар мен тербелістер, толқындық оптика мәселелері және арнайы салыстырмалы теория элементтері қарастырылады.Физика курсында электродинамика (мәселелерін) негіздерін оқыту барысында физика мұғалімдері негізгі әрі қиын білімділік, тәрбиелік міндеттерді және оқушылардың дамуы міндеттерін шешуі керек. Осы көрсетілгендермен мектеп физика курсындағы электродинамика бөлімінің мәні анықталады. “Электродинамика” бөлімін оқыту барысындағы оқушылардың санасында материя ұғымы тереңдей түседі. Бұған дейін олар материяның бір түрін ғана меңгерген (зат). Мұнда олар материяның екінші түрі- электромагниттік өріспен танысады. “Электродинамика” бөлімінің логикалық құрылымын қарастырсақ, онда мыналарды бөлуге болады: электромагниттік өріс және электр заряды ұғымдарын қалыптастыру; өріс пен заттың өзара әсерін зерттеу; заттардың электрлік және магниттік қасиеттері, ток заңдарын және элетр тізбектерін зерттеу; салыстырмалық теория элементтерімен танысу. Физика курсында электр заряды жөнінде іргелі екі заң – электр зарядтарының өзара әсерлесу сипатын мөлшерлік тұрғыда тағайындайтын Кулон заңы және зарядтың сақталу заңы оқылады. Кулон заңының ( ) орындалатындығы көптеген тәжірибелер эксперименттердің негізінде дәлелденген. Ал зарядтың сақталу заңы (q= ) осы кезге дейінгі зерттелген барлық электрлік құбылыстарда орындалады. Мысалы денелер үйкеліс арқылы электрленгенде, оларда бір мезгілде модульдері өзара тең, таңбалары қарама-қарсы зарядтардың пайда болуы; кез-келген электрлену процесінде (әсер арқылы, химиялық электрлену, фотоионизация және т.б.) зарядтардың шама жағынан тең, таңбалары қарама-қарсы болып бөлінуі; ядролық өрісте фотоннан электрон-позитрон жұбының фотонға айналуы. Электр заряды мен олардың арасындағы өзара әсер жөніндегі мәселені бастағанда оқушылардың бұрын 8-класта денелердің электрлену құбылысымен танысқанын, зарядтар таңбасының екі түрлі болатындығына тәжірибеде көз жеткізгенін, атомның құрылысы туралы алғашқы ұғым алғандығын және бір қатар құбылыстардың зарядтардың өзара әсері арқылы түсіндіруге болатынын оқығандарын ескеру қажет. Мұғалім оқушылардың сол алған білімдерін жаңғыртып, жаңа мағлұматтармен толықтырып, дамыта және тереңдете түсуі қажет. Кулон заңы жөніндегі материалды әңгіме ретінде бастаған дұрыс. Алдымен Кулонның тәжірибесі айтылып, иірілмелі таразының құрылысы мен онымен жұмыс істеу әдісі түсіндіріледі. Заңның формуласын міндетті түрде тақтаға жазып, әрбір шаманы түсіндіру керек. Электростатикалық өзара әсерлесу заңы мен гравитациялық өзара әсерлесу заңының бір-біріне ұқсастығын оқушылар бірден байқайды. Сондықтан гравитациялық күш пен электрлік күштерді өзара салыстырып, электрлік күштің өте басым екендігін түсіндіре кету керек. Келесі тоқталатын нәрсе – электр зарядының бірлігі, онымен оқушылар 8-кластан таныс. SI жүйесінде алдымен ток күшінің бірлігі ампер енгізілетіндігін ескерткен жөн. Содан соң барып ток күші 1А болғанда өткізгіштің көлденең қимасы арқылы 1секундта өтетін заряд мөлшері заряд бірлігі ретінде алынатындығы, оны Кулон (Кл) деп атайтындығы айтылады. Осыған байланысты Кулон заңындағы - коэффициентінің физикалық мағынасы айтылып, оның мәні беріледі: Бірақ SI жүйесінде - коэффициенті мына түрде алынатындығы айтылуы қажет:k= =9*109 Н*м2/Кл2. Мұндағы электр тұрақтысы деп аталады, оның сан мәні мынадай болып шығады:ε0=8,85*10-12Ф/м. Қорытындысында элементар зарядтың сан мәні мен электронның тыныштықтағы массасының сан мәнін берген орынды болған болар еді:q=1,6*10-19 Кл, me=9,11*10-31кг Қазіргі кездегі көзқарас бойынша электромагниттік өріс – материяның бір түрі, екіншісі – зат. Өріс және зат бір-бірімен тығыз байланыста. Олар тек бір-біріне өтіп қана қоймайды, сонымен бірге бірінің қасиетіне екіншісі себепші болады. Бұл көзқарастың қалыптасуына физикадағы екі концепция – алыстан әсер және жақыннан әсер ету – арасындағы күрес айтарлықтай әсерін тигізді. Алыстан әсер ету теориясында негізгі және алғашқы ұғым ретінде заряд ұғымы алынады да, барлық электромагниттік құбылыстар зарядтардың алыстан лездік өзара әсері арқылы түсіндіріледі. Бұл теория XIX-ғасырдың орта шенінде өзінің даму шегіне жетті, бұл кезде статикалық электр мен магнитизмнің толық теориясы жасалды, бірақ алыстан әсер ету теорияларының барлығында да өріс жөнінде ұғым болмады. Сол дәуірдегі жаңадан ашылған құбылыстарды ескі теорияның түсіндіріп бере алмауы жаңа және жетілген теория жасауды қажет етті. Ондай теорияның негізін салушылар М.Фарадей (1791-1867ж.) және Дж. Максвелл (1831-1879ж.) болды. Фарадей- Максвелдің классикалық жақыннан әсер ету теориясында негізгі және алғашқы ұғым өріс болып табылады, ал зарядқа екінші, қосалқы рөл берілген. Жақыннан әсер ету теориясының түсіндіруі бойынша барлық электромагниттік құбылыстар эфирде болатын өріс өзгерістерімен байланысты кеңістікте шекті жылдамдықпен тарайды. Лоренц Максвелл теориясына сүйеніп, екінші жағынан заттардағы бөлшектермен байланысқан элементар зарядттарың (электроееың) болатындығы жөніндегі көзқарасқа сүйеніп, электромагниттік және оптикалық құбылыстардың жалпы теориясын жасады. Кейіннен, электронның бар екендігі тәжірибеде анықталғаннан соң, бұл теория “заттардың электрондық теориясы” деп аталып кетті. Бірақ Максвелл теориясындағы сияқты Лоренц теориясы да эфир ұғымынан құтыла алмады. А.Майкелсонның және т.б. дәлелдеп берді. А.Эйнштейннің (1879-1955ж.) салыстырмалық теориясы шыққаннан кейін (1905 ж.) эфир ұғымы ғылымнан толық аластатылды. 2.Электрдинамика бөлімінің ерекшеліктері. Электрдинамикада ұғымдар абстрактілі және қиын болғандықтан, оларды оқып үйренуде көптеген көрнекіліктерді, сұлбалар мен кестелерді, демонстрациялық экспериментті, әртүрлі үлгілерді, суреттерді қолданады. Оқушы көптеген электр және магнит құбылыстарын жақсы түсінеді, егерде осы құбылыстарды түсіндіретін теорияны білетін болса. Мұндай теория Максвеллдің математикалық дифференциал теңдеулермен берілген, электрмагнитгік өріс теориясы. Орта мектепте оқушылардың математикадан дайындығы бұл теңдеулерді шешуге жарамайды. Сондықтан да орта мектепте Максвелл теориясы сапалық деңгейде электрдинамиканың барлық тақырыптарын қамтиды. Яғни электрмагниттік өріс, оның материялылығы, өрістің энергиясы, әсер ету жылдамдығының шектілігі және т.б. Электрдинамиканы оқып үйренуде оқушылардың көңілін іргелі тәжірибелерге аудару керек. Іргелі тәжірибелер оқытуда, ғылымда негізгі болып табылады және олардың рөлі зор. Электрдинамикада іргелі тәжірибелерден басқа физикалык ұғымдарды енгізуге арналған тәжірибелер де бар. Оларға электр және магнит өрістерін жекелей көрсетуге, қозғалыстағы зарядтардың айналасында бір мезгілде болатын өрісті көрсететін және т.б. тәжірибелер жатады. Сондай-ақ шамалардың арасындағы сандық қатынастарды көрсететін тәжірибелер бар. Электрдинамикада көрсетілетін тәжірибелердің өту механизмін біз тікелей бақылай алмаймыз. Сондықтан да физикалық құбылысты түсіндіруге үлгі, аналогиялық (салыстыру) ойша эксперимент әдістері электрдинамикада кең қолданылады. Электрдинамика негізін оқып үйренуде келесі үлгілер: еркін электрон (идеал үлгі); электрондық газ үлгісі (идеал үлгі); өткізгіш және жартылай өткізгіштер үлгісі (материалды үлгі); өткізгіштің, диэлектриктің, жартылай өткізгіштің зондық үлгісі (идеал үлгі) жатады. Электрдинамиканы оқып үйренгенде аналогиялық (салыстыру) әдіс кеңінен қолданылады. Мысалы, гравитациялық және электрстатикалық, магнит өрістерін; электр тоғы мен сұйық ағынын; өздік индукция және инерция құбылыстарын; термоэлектрондық эмиссия және сұйықтың кебу құбылысын және т.б. салыстыруға болады. Мұнда өтілген материалдарды қайталау кезінде, 5-кестені пайдалануға болады. 3.Электрдинамика бөліміндегі негізгі ұғымдарға ғылыми-әдістемелік талдау жасау Электрдинамика бұл электрлік зарядталған денелердің немесе бөлшектердің арасында өзара әсер туғызатын материяның ерекше бір түрінің, электрмагнитті көрістің сырын ашатын заңдылықтар мен қасиеттері туралы ғылым. Табиғатта бір ғана электрмагнитті көріс бар, оның әртүрлі білінуі электр және магнит өрістері. Электрдинамиканы оқып үйрену электрмагниттік өрістің осы екі байқалуына негізделіп оқытылады. Электр заряды ұғымы.Қазіргі кездегі көзқарасқа сәйкес заряд элементар бөлшектердің қасиеті болып табылады. Егерде денеде (немесе бөлшекте) заряд шамасы бар болса, онда олар зарядталған басқа денелермен (немесе бөлшектермен) әсерлесе алады, яғни олар электрмагниттік өріс арқылы әсерлеседі. Электр заряды және электрмагниттік өріс бір-біріне өзара байланысты ұғымдар. Демек, электр заряды ұғымын тек электрмагниттік өріс ұғымымен бірге қалыптастыруға болады. Егерде электр зарядын және онымен байланысқан өрісті әртүрлі санақ жүйесінде қарастырсақ, онда заряд бірқалыпты қозғалатын инерциялы санақ жүйесін тауып, тек қана электр өрісі немесе тек қана магнит өрісін анықтауға болады. Ал заряд бірқалыпсыз қозғалса, онда ылғи да электрмагниттік өріс болады, яғни бір мезгідце электр және магнит өрістері бар және әсер етеді. Сондықтан да санақ жүйесін таңдауға байланысты электрмагнитгік құбылыстарды сипаттаймыз. Электр заряды өзгермейді, абсолютті бар және санақ жүйесін таңдауға байланысты емес. Қазіргі кезде бұл экспериментте дәделденген. Атомдар мен молекулалардың электрлік бейтарап екендігі бізге мәлім. Атом қабықшасындағы электронның және ядродағы заряд шамалары бір-біріне тең, таңбалары қарама-қарсы, ал электрондар мен ядроның қозғалыстары мүлдем басқаша. Химиялық реакция кезінде атом қабықшаларындағы электрондардьщ қозғалысы өзгереді. Егерде заряд бөлшектің қозғалыс жылдамдығына байланысты болса, онда химиялық реакция кезінде артық заряд шамасы пайда болып табылар еді. Электр заряды ұғымын талдағанда, электрон туралы қарастырылып, оның теріс зарядты, әрі одан ары бөлінбейтін ең кіші бөлігі ретінде алынады. Зарядтың бөлінгіштігі мен дискреттілігін көрсеткенде электрон ұғымы енгізіледі. Зарядтың бөлінгіштігін негізгі мектептің 8 сыныбыңца оқушылар зарядталған денеден зарядталмаған екінші денеге бөлініп зарядталуынан біледі. Бұл тәжірибелер қарапайым әрі оны оқушылар жақсы түсінеді. Электр зарядының дискреттілігі Иоффе және Милликен тәжірибелерінде дәлелденеді, бірақта бұл тәжірибені мектепте көрсетуге мүмкіндік жоқ. Ғылымда Иоффе және Милликен тәжірибесі жоқ. Зарядтың дискреттілігін Иоффе металл тозаңын, ал Милликен май тамшысын алып зарядталған конденсатор астарларындағы электр өрісінде қозғалысын микроскоп арқылы зерттеп, зарядтың бөліну шегі бар екенін, зарядтың дискреттілігін анықтайды. Иоффе тәжірибесінде зарядтың секірмелі түрде өзгеретінін, яғни дискреттілігін дәлелдейді. Жалпы алғанда әр нүктедегі электрмагниттік өріс алты шамамен сипатталады ( векторларының координат остеріне проекциялары): , , , , , бұлардың араларында өзара байланыс бар. Заттағы электрмагнитгік өріс үшін тағы да екі вектор: - электрлік ығысу (электрлік индукция), - магнит өрісінің кернеулілігі қолданылады. Жоғары сынып оқушыларына Максвеллдің идеясын қазіргі кезге сәйкес түсінуге оңай түрде жеткізу қажет. Электрмагниттік өріс – дегеніміз зарядталған бөлшектердің өзара әсерлесуінен болатын материяның ерекше бір формасы. Оқушыларға негізгі мектеп бөлімінен белгілі, электр және магнит өрістері, осы электрмагниттік өрістің жеке жағдайлардағы білінуі болып табылатынын жеткізу керек. Электр және магнит өрістерінің бір-бірімен байланысын оқушыларға электрмагниттік индукция құбылысын мысалға алып түсіндіруге болады. Электрмагниттік өрісті электр зарядына әсері арқылы анықтауға болады. Қозғалыстағы зарядқа электр және магнит өрісі тарапынан күш әсер етеді (бұл күш Лоренц күші деп аталады). Тыныштықтағы зарядқа электрмагниттік өрістің тек электрлік құраушы күші ғана әсер етеді. Бұл жағдайда . Демек электрмагниттік өрісте орналасқан нүктелік зарядқа әсер ететін векторы - арқылы анықталады. Электрмагниттік өрістің магниттік құраушысының күштіксипаттамасы магнит индукциясының векторы - болып табылады. Магнит өрісі тек қозғалыстағы зарядқа әсер етеді. Қозғалыстағы зарядқа электрмагниттік өрістің электрлік құраушысы да әсер етеді. Электрмагниттік өрістің зарядқа әсер ететін күштік сипатгамасынан басқа да қасиеттері бар (белгілі энергия қоры бар, инерттік және гравитациялық массасы және т.б.). Кейбір қасиеттері затқа ұқсаса, басқа өрістерден айыруға болатан айырмашылығы да бар. Электрмагниттік өрістің қатысуымен өтетін барлық процестерде келесі негізгі заңдылықтар: импульстың сақталу заңы және импульс моментінің сақталу заңы; электр зарядының сақталу заңы (электрмагниттік өріске ғана тән заң); масса және энергияның өзара байланыс заңы орындалады. Зат және өріске қатысты сақталу заңдарының орындалуы олардың ішкі бірлігін көрсетеді. Материяның бұл екі түрінің ортақ белгілері бар: 1) зат және өріс материяның екі түрі біздің санамызға байланыссыз өмір сүреді; 2) заттың және өрістің энергиясы бар; 3) оларға толқындық және корпускулалық қасиет тән; 4) өрісте өтетін барлық процестер негізгі сақталу заңдарына бағынады; 5) зат және өріс бір-біріне әсер ете алады. Мысалы, өріс заттың қасиетін өзгертеді (поляризация, магниттелу), ал зат өріске әсер етеді (диэлектрлік және магниттік өтімділіктер); 6) затпен өрістің бір-біріне айналуы (фотонның есесінен электрон-позитрон жұбының пайда болуы және керісінше процесте электрон-позитрон бірігіп екі гамма кванты түзіледі). Бірақта электрмагнитгік өріс пен затты ажырататын да қасиеттер бар: 1) заттан тұратын нысаналар бір-бірімен тікелей әсерлесе ашайды, әсерлесу бөлшек-өріс-бөлшек сұлбасы арқылы жүреді. Кернеулік үлкен болғанда, өрістің өзара әсерлесетінін қазіргі кездегі теория түсіндіріп, эксперимент дәлелдеп отыр; 2) затқа қарағанда өрістің белгілі бір тарау аймағын көрсету мүмкін емес; 3) белгілі аймақта бір мезгілде екі зат болды мүмкін емес, ал белгілі бір аймақта бірнеше өрістер бола алады; 4) затпен салыстырғанда өрістің энергиясының, тығыздығының, массасының шамасы өте аз; 5) заттың тыныштық массасы бар, ал фотонның (электрмагнитгік өрістің кванты) тыныштық массасы нольге тең; 6) зат бөлшектері вакуумдағы жарық жылдамдығынан аз, кез-келген жылдамдықпен қозғала алады, ал электрмагниттік өріс үшін күшті гравитациялық өріс жоқ болса екі жыддамдық: стационар өріс үшін нольге тең де, еркін өріс (электрмагниттік өріс) үшін жарық жылдамдығына тең болады; 7) өріс затпен салыстырғанда санақ жүйесі бола алмайды, себебі оның тарау жылдамдығы қозғалыстағы және тыныныштықтағы нысана үшін тұрақты шама болып табылады. Электрмагниттік өрісті шартты түрде еркін және байланысқан деп бөледі. Байланысқан өріс бұл электр зарядынан бөліп алуға болмайтын өріс, ал еркін өріс зарядтан бөлініп кеңістікте электрмагниттік толқын ретінде тарайтын өріс. Осы дәріске ағымдық, аралық, қорытынды бақылау бойынша тест тапсырмалары және сұрақтар жүктеу/скачать 1.59 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|