Мектеп физика курсында меңгерілетін «электродинамика» бөлімінің негізгі ұғымдарын ғылыми-әдістемелік талау

Мектеп физика курсында меңгерілетін «электродинамика» бөлімінің негізгі ұғымдарын ғылыми-әдістемелік талау

«Электр заряды» ұғымы

Денелерде (бөлшектерде) зарядтың бар екендігі ерекше өзара әсер арқылы білінеді, оны электромагниттік өзара әсерлесу деп атаймыз. Қозғалмайтын зарядталған денелердің өзара әсерлесу сипаты кулондық болады да, ал қозғалыстағы зарядтардың өзара әсерлесуі олардың салыстырмалы жылдамдықтарының модулі мен бағытына тікелей байланысты. Осыған орай электромагниттік өзара әсерлесу электрлік және магниттік өзара әсерлесулерден тұрады. Жеке жағдайларда электромагниттік өзара әсерлесу тек электрлік немесе тек магниттік болып көрінеді. Жылдамдық таңдап алынған санақ жүйесіне байланысты болғандықтан электромагниттік өзара әсерлесудің де сипаты бар. Сондықтан зарядталған екі дененің өзара әсерлесуі жалпы жағдайда электромагниттік болып табылады. Олай болса заряд – денелердің электромагниттік өзара әсерлесуінің сандық және сапалық сипаттамасы.

Зарядты өлшеудің әр түрлі тәсілдері бар, ол үшін электромагниттік өзара әсерлесудің түрлі жағдайы қолданылады. Физика курсын оқу барысында оқушылар олардың біразымен танысады: электростатикалық әдіс (Милликен-Иоффе тәжірибесі); электромагниттік әдіс (Лоренц күші негізінде электронның меншікті зарядын анықтау); ток күші мен уақытты өлшеуге байланысты әдіс, электролиз құбылысына байланысты әдіс және т.б. осы кезге дейінгі жасалған тәжірибелердің бәрі электр зарядының табиғаты дискретті, корпускукалық, атомдық екендігін толық дәлелдеп берді. Табиғаттағы ең аз зарядтың мөлшерін элементар заряд деп атайды. Элементар оң заряд протон зарядына (+е), ал элементар теріс заряд электрон зарядына (-е) тең. Кез келген дененің заряды элементар зарядтың бүтін санына тең (q = ±ne).

Зарядтың дискреттілігін оқыту зат қасиеттерінің дискреттілігі жөніндегі оқушыладың көзқарасын қалыптастыруды жалғастырып, микродүниенің маңызды ерекшелігінің бірін түсінуге негіз болады, оқушылардың атомдық және ядролық физикадағы кванттау идеясын терең түсінуге дайындайды.

Заряд жөніндегі табиғи іргелі екі заң оқылуы тиіс: біріншісі – электр зарядтарының өзара әсерлесуі жөніндегі Кулон заңы, екіншісі – зарядтың сақталу заңы. Кулон заңының орындалатындығы көптеген тәжірибелер көмегімен дәлелденген болса, зарядтың сақталу заңын осы кезге дейін бақыланып жүрген барлық құбылыстар дәлелдеп беріп отыр: денені үйкеу арқылы электрлегенде денелерде бір мезгілде модулдері жағынан өзара тең, таңбалары қарама-қарсы зарядтардың пайда болуы; кез келген электрлеу процесінде (әсер арқылы, химиялық, фотоионизация және т.б.) зарядтардың шама жағынан тең, таңбалары қарама-қарсы болып бөлінуі; электр тізбегі тармақтарындағы токтардың ара қатынасы; ядро өрісінде фотоннан электрон-позитрон жұбының пайда болуы және керісінше – электрон-позитрон жұбының фотонға айналуы.

Оқушылар зарядтың тағы бір қапсиетін білгені орынды, ол – зарядтың абсолюттілігі, немесе заряд шамасының заряд тасушы бөлшектердің жылдамдығына тәуелді болмауы, басқаша айтқанда, санақ жүйесіне байланыссыздығы. Зарядтың бұл қасиетін зарядтың иварианттығы деп атайды, оны көптеген құбылыстар дәлелдейді: иондалмаған атомдар мен молекулалардың бейтараптығы; қызған металдардың зарядталмайтындығы; үдеткіштер көмегімен зарядты бөлшектердің жылдамдығын үлкен мәндерге өсііргенде оның зарядының шамасының өзгермейтіндігі және т.б.

Заряд жөніндегі әңгімелер кезінде, тұрақты түрде, зарядтардың өзара өріс арқылы әсерлесетіндігін ескертіп отыру қажет.

Өзін өзі бақылау сұрақтары:

1. Мектеп курсындағы «электродинамика» бөлімін оқыту әдістемесі

2. «Электродинамика» бөлімін ғылыми-әдістемеслік талдау

1. 
   «Электромагниттік өріс» ұғымын қалыптастыру
   
2. 
   «Электромагниттік тербелістер» ұғымын қалыптастыру
   
3. 
   «Электромагнитік толқындар» ұғымдарын меңгерту әдістемесі
   Тақырыптың қысқаша мазмұны:
   

«Электромагниттік өріс» ұғымы

Өөріс және зат бір-бірімен тығыз байланыста. Олар тек бірі 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. Концепциялар ньютондық және картезиандық (17-18 ғ. философия мен жаратылыстанудағы ағым) көзқарастар негізінде пайда болды.

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 ХІХ ғ. орта шенінде өзінің даму шегіне жетті, бұл кезде статикалық электр мен магнетизмнің толық теориясы жасалды, бірақ алыстан әсер ету теорияларының барлығында да өріс жөніндегі 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 (1791-1867 ж.) және Дж.Максвелл (1831-1879 ж.) болды. Фарадей-Максвеллдің классикалық жақыннан әсер ету теориясында негізгі және алғашқы ұғым өріс болып табылады, ал зарядқа екінші, қосалқы роль берілген. Жақыннан әсер ету теориясының түсіндіруі бойынша барлық электромагниттік құбылыстар эфирде болатын өріс өзгерістерімен байланысты және ол өзгерістер кеңістікте шекті жылдамдықпен тарайды.

Тек статикалық өрісті зерттеу алыстан әсер ету және жақыннан әсер ету концепцияларының арасындағы таласты шешіп беруі мүмкін емес еді, өйткені екі теория да тәжірибелермен сәйкес келетін қорытындылар береді. Тек өте жылдам өзгеретін электромагниттік өріске өткенде ғана алыстан әсер ету теориясының негізсіз екендігі бірден белгілі болды.

Дегенмен Максвелл теориясы, басқа физиклық теориялар тәріздес, шектеулі еді, ең бстысы – ол зат құрылымын ескермейді. өткен ғасырдың соңғы жылдарында Г.Лоренц (1853-1928ж.) бір жағынан заттардағы бөлшектермен байланысқан элементар зарядтардың (электронның) 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 териясындағы сияқты Лоренц теориясы да эфир ұғымынан құтыла алмады. А.Майкельсонның (1879-1931 ж.) және т.б. ғалымдардың жүргізген тәжірибелері эфирдің жоқ екендігін дәлелдеп берді. А. Эйнштейннің (1879-1955 ж.) салыстырмалық теориясы шыққаннан кейін (1905 ж) эфир ұғымы ғылымнан толық аластатылды.

ХХ ғ. физиканың дамуы электромагниттік өрістің материяның бір түрі болғандығын көрсетіп беріп отыр. Электромагниттік өрістің қатысуымен жүретін барлық процестер мына негізгі табиғи заңдарға бағынады: массаның сақталу заңына, электр зарядының сақталу заңына, импульстің сақталу заңына, импульс моментінің сақталу заңына, энергияның айналу және сақталу заңына, масса мен энергияның өзара байланысы заңына. өріс үшін ақталу заңдарының орындалуы материяның зат түрі мен өріс түрі арасында терең ішкі бірлік бар екендігін көрсетеді. ның бір түрі болғандығыи көрсстіп беріп отыр. Электромапшттік өрістің қатысуымен жүретіп барльщ процестер мына негізгі табиғи завдарға багынады: массаның сақталу заңьша, импульстің сақталу заңына, импульс моментінің сақталу заңына, электр зарядының сақталу заңына, энергияның айналу жэне-' сақталу заңына, масса мен энергияның өзара байланысы заңына. Өріс үшін сақталу завдарының орындалуы материяның зат түрі меи epic тұрі арасында терең ішкі бірлік бар екендігін көрсетеді.

Материяның бұл екі түрінің ортақ белгілері бар:

1. Зат және өріс - біздің санамыздан тыс және оған байланыссыз емір сүретін материяның екі түрі.

2. Затта да және өрісте де энергия бар.

3. Екеуінің де толқындық және корпускулалық қасиеттері

бар.

5. Зат пен өpic бірі біріне өтіп кете береді. Өріс зат қасиетін өзгертеді (поляризация, магниттелу), зат өріске әсер жасайды (диэлектрлік және магнитгік өтімділік).

6. Зат пен өрістің бірі біріне айналуы да мүмкін (фотоннан электрон-позитрон жұбының пайда болуы және керісінше -электрон мен позитронның бірігіп екі гамма-квантқа айналуы). Дегенмен, материяиың бұл екі түрінің әркайсысына тән өз ерекшеліктері де бар.

Электростатикалық өрісті оқыту кезінде біз тек электромагниттік өрістің материалдығы жөніндегі көзқарасты ғана қалыптастыруды бастаймыз. Электродинамиканың кейінгі бөлімдерінде тұрақты ток тізбегінде энергияның түрленуіндегі электр өрісінің рөлі және магнит өрісінің энергиясы жөніндегі мәселелер қарастырылады. ^иЭлектромагниітік толқыңдар" тақырыбында электромагниттік өрістің материалдығы туралы шешуші фактор - оның жылдамдығының шектеулі екендігі дәлелденеді. Электромагниттік өрістің материалдығын қалыптастыру онымен бітпейді. Жарықгың қысымын, фотонның энергиясы мен массасын, электрон-позитрон жұбының фотонға және фотонның электрон-позитрон жұбына айналуын оқыту бұл процестің жалғасы болып табылады.

Бұл айгылғандардан "Электр өрісі" тақырыбын оқыту нәтижесінде өрістің материалдығын қалыптастыру мүмкіндігі аз екендігін көріп отырмыз. Сонда да болса кейінгі тақырыптарда ұғымды қалыптастыруды жалғастыру үшін бұл материалдың қолайлылығын барынша пайдалану кажет.

Электр өрісінің негізгі сипаттамалары. Электр өрісін сол өрістін кез келген нүктесіне орналасқан зарядқа әсер жасаушы күш арқылы немесе өpic нүктесіндегі энергия арқылы сипаттуға болады.

Күш тұрғысынан сипаттаушы шаманы электр өрісінің кернеулігі (Е) деп атайды, ол өpic нүктесіндегі зарядқа әсер етуші күштің (Ғ) заряд шамасына (q) қатынасымен анықталады:

Кернеулік - векторлық шама, оның бағыты нүктеге орналаскан оң зарядқа әсер ететін күш бағытымен сәйкес болады.

Егер электр өрісін бірнеше заряд жасайтын болса, онда нүктедегі кернеулік жеке зарядтардың сол нүктедегі кернеуліктерінің векторлық қосындысына тең болатыңдығын тәжірибелер дәлелеп беріп отыр. Тәжірибелерден алынған бүл қорытынды суперпозиция принципінің мазмұны болып табылады.

Өрісті энергетикалық тұрғыдан сипаттау үшін өpic потенциалы, өpic потенциалының айырмасы және кернеу үғымдары ендіріледі. Әдістемелік әдебиеттер мен оку әдебиеттерінде осы ұғымдардың бәрінің кажеттілігі, қайсысының негізгі ұғым екендігі, қандай реттілікпен оқыту керек екендігі жөнінде әр түрлі пікірлер айтылады және қолданылады. Мектеп бағдарламасында негізінен "потенциал - өpic потенциалы -кернеу" реттілігі қолданылып жүр.

Өрісті энергетикалық тұрғыдан сипаттау үшін нүктедегі өріс потенциалы ұғымы ендіріледі. Өріс потенциалы (φ) ретінде өрістің біз қарастырып отырған нүктесінен зарядты тандап алынған нүктеге (нөлдік нүкте) дейін алып барғанда өрістің жасайтын жұмысының (W) сол заряд шамасына (q) катынасы алынады:

φ = W/q. Нөлдік нүкте ретінде кез келген нүктені алуға болады, бірақ физикада ондай нүкте ретінде әдетте шексізде орналасқан нүкте алынады да, ал практикалық есептеулерде Жер бетіндегі нүкте алынады.

Өрістің кез келген екі нүктесі арасындагы потенциалдар айырмасы нөлдік нүктені тандауға байланыссыз, сондықтан оның белгілі физикалық мағынасы бар. ол - өріс зарядты бір нүктеден екінші нүктеге козғағанда жасалатын жүмыстың (А) сол заряд шамасына катынасымен анықталады, немесе .

Өріс потенциалы және потенциалдар айырмасы үғымдарын ендіру үшін электростатикалық өрістің потенциалдық сипатына айрықша тоқталу кажет болады.

Өрістің энергетикалық сипаттамаларьшың ішіндегі ең маңыздысы - кернеу ұғымы (U), өйткені 10- және 11-сыныптарда өтілетін тақырыптарда негізінен осы ұғым қолданылады. Дәлірек айтсақ, кернеу үғымы - потенциалдар айырмасы ұғымына қарағанда кеңірек ұғым. Ол қарастырылып отырған екі нүктенің арасындағы бірлік оң зарядка әсер етуші барлық күштердің жасайтын жүмысымен анықталады. Мысалы, зерттелетін электр өрісі ғана емес бөгде күш те әсер етуі мүмкін. Ондай жағдайда учаскенің үштарындағы кернеу потенциалдар айырмасы мен сол учаскедегі электр қозғаушы күш (е) қосындысымен аныкталады:

.

Егер тізбек учаскесінде ондай бөгде күш болмаса (ε =0), онда кернеу және потенциалдар айырмасы ұғымдары бір нәрсе болып калады.