Методика.

Изучение элементов теории относительности рекомендуют начинать с повторения того материала об относительности, который знаком учащимся, а именно: некоторые физические величины, характеризующие механическое движение и электромагнитное взаимодействие (координата, скорость, перемещение, импульс тела, кинетическая энергия, работа, индукция магнитного поля и т. д.), относительны, т. е. зависят от выбора системы отсчета, а другие (ускорение, заряд и т. д.) - инвариантны, т. е. не зависят от выбора системы отсчета; все законы механики справедливы относительно инерциальных систем отсчета и никаким механическим опытом, проводимым в данной системе отсчета, нельзя обнаружить, движется эта система равномерно и прямолинейно или покоится (принцип относительности Галилея). При повторении используют видеофильм «Относительность движения» и последнюю часть первого фрагмента видеофильма «Законы Ньютона», где иллюстрируется принцип относительности Галилея. После этого приступают к изучению специальной теории относительности.

Специальная теория относительности доказала, что законы электродинамики, как и законы механики, справедливы относительно любых инерциальных систем отсчета. А одновременно она явилась более глубокой теорией пространства и времени.

СТО построена по методу принципов, т.е. в основу ее кладут два постулата, которые опираются на опытные факты и, как исходные положения этой теории, ею не объясняются.

1) Все инерциальные системы отсчета равноправны; во всех инерциальных системах не только механические, но и все другие явления природы протекают одинаково (обобщенный принцип относительности Эйнштейна).

2) Скорость света с (в вакууме) одинакова во всех инерциальных системах отсчета и равна 3*10⁸ м/с.

В качестве опытного обоснования принципа относительности Эйнштейна следует рассмотреть опыт Майкельсона (его установку, идею, ожидаемый и полученный результат). Отрицательный результат этого опыта доказывает неправильность его исходной посылки о существовании абсолютной системы отсчета - эфира, в котором якобы развертываются все электромагнитные явления. Все инерциальные системы отсчета равноправны, законы природы в них одинаковы.

В качестве опытного обоснования второго постулата целесообразно рассмотреть движение двойных звезд.

Сложение скоростей. Закон сложения скоростей целесообразнее называть законом преобразования скоростей при переходе от одной инерциальной .системы отсчета к другой. Начать ознакомление школьников с этим законом целесообразно с создания проблемной ситуации, обратив их внимание на то, что постулаты СТО, на первый взгляд, противоречат друг другу. Действительно. одним из следствий принципа относительности в механике был закон сложения скоростей и вывод об относительном характере скорости. Между. тем второй постулат теории относительности утверждает: скорость света во всех инерциальных системах отсчета одна и та же, т. е. является величиной абсолютной. А. Эйнштейн доказал, что второй постулат не противоречит принципу относительности, просто закон преобразования (сложения) скоростей выглядит иначе.

В случае малых скоростей v<<c мы получаем закон сложения скоростей в механике.

Пусть система отсчета К' связана с вагоном, который движется относительно системы отсчета К со скоростью v . Предположим, в центре вагона находится источник света и его вспышка производит зашторивание окон, находящихся в противоположных концах вагона. В системе К', связанной с вагоном, окна по световому сигналу зашториваются одновременно, так как они находятся на равном удалении от источника.

Но с точки зрения наблюдателя, находящегося в системе отсчета К, относительно которого этот вагон движется справа налево, передняя стенка вагона удаляется от светового сигнала со скоростью v, поэтому сигнал проходит расстояние l/2+vt (l - длина вагона). Задняя стенка надвигается на него с той же скоростью v, поэтому путь, проходимый сигналом, будет равен l/2-vt.

В результате заднюю штору сигнал откроет скорее, чем переднюю. Пространственно разделенные события, одновременные с точки зрения наблюдателя в системе К', являются неодновременными с точки зрения наблюдателя К, относительно которого вагон движется. Итак, одновременность пространственно разделенных событий относительна.

Замедление времени. Для вывода соответствующей формулы вначале рассматривают движение светового сигнала в собственной системе отсчета и отмечают, что свет прошел путь L за время t₀ . Затем этот же процесс рассматривают с точки зрения наблюдателя, находящегося в системе отсчета К, относительно которой система отсчета К^/ вместе с вагоном движется со скоростью v.

Время 1₀, отсчитываемое в той системе отсчета, где происходит явление, называют собственным временем. Внимание школьников обращают на то, что в любой другой системе отсчета, движущейся относительно системы К, интервал времени больше (t>t₀) т.е. часы идут медленнее. В этом состоит релятивистский эффект замедления времени в движущихся системах отсчета.

Сокращение масштаба (преобразование длины отрезка при переходе от одной инерциальной системы к другой). При выводе относительности длины подчеркивают, что измерить длину отрезка - это указать одновременно координаты его начала и конца. Так как события, одновременные в одной системе отсчета, неодновременны в другой, то следует ожидать, что длина отрезка - понятие относительное. В мысленном эксперименте рассматривают измерение длины отрезка (линейки) с помощью световых сигналов, рассматривая распространение света от одного конца линейки и обратно с точки зрения наблюдателей из двух разных инерциальных систем отсчета: неподвижной системы К и системы отсчета К', связанной с самой линейкой и движущейся вместе с ней со скоростью v относительно системы К.

Анализируют полученную формулу. Из нее следует, что длина стержня относительна, она имеет наибольшее значение в той системе отсчета, где стержень покоится.

Зависимость массы от скорости. Масса является величиной относительной, зависящей от выбора системы отсчета. Если в системе, где тело покоится, его масса т₀ (масса покоя или собственная масса), то в любой инерциальной системе отсчета, движущейся со скоростью v, масса этого тела определяется формулой

Анализируя полученную формулу, указывают, что различие между массами т и т₀ заметно лишь при движениях со скоростями, приближающимися к скорости света.

Эта формула говорит также о том, что тела, имеющие массу покоя, не могут двигаться не только со скоростями v > с, но даже со скоростью v = с, ибо при этом масса становится бесконечно большой, что лишено физического смысла.

6.(20) заряд.Дискр звряда.Измерение удельного заряда элем-х частиц(опыт Томсона) и элем-го заряда(опыт Милликена-иоффе). Охаракт-ть этапы формир-ния и разв-я понятия Эл-й заряд в проц изуч физики в школе.Описать учеб эксперим при введении понятия элем заряда.Раскрыть основные приемы активации процессов памяти при изучении данного явления.Специфика работы учителя на уроках с одаренными детьми.

М илликен (США 1909 г.) – осущ-л серию высокоточ. опытов по измер. вел-ны элем-го заряда, т.е. заряда атома эл-ва.т.е. зар. эл-на.Рассм. падение одной из капель масла с пом. микроск сфокусир. на каплю. В рез-те взаим трения капель при их распыл-и они зар отр. Если цепь разомк то они своб пад под дейст 3 сил:тяж,Архим,трен(F=6πηrv). Когда подкл конден к источ напряж добав еще эл-кая сила(F=qE).Распишем эти силы: ; ;

I этап: напряж нет. Цель: выразить радиус r капли.Запишем II з-н Ньютона: ;

a =0 т.к. движ-е равн-е. Спроец-ем наши силы на ось Х:

; Выразим радиус капли. .

II этап: замык ключ, подаем напряж-е и созд-м внут конд эл. поле. Цель: опред-ть заряд q.

Запишем II з-н Ньютона: ; , a=0 т.к. движ-е равн-е. Спроец-ем наши силы на ось Х:

,т.к. то ,подстав-м r наход –q: или (1) , где E=U/d

III Этап: Опр-е измен-я заряда капли при облуч-ии возд рентг лучами. При этом происх иониз-я возд и иониз-ные молек возд прилип к капле и скачкообразно

меняют заряд капли.Хар-р движ скачкообр измен и для того чтобы капля прод-ла двиг вверх равном с некот друг скор Vi необх подать напряж Ei= Ui/d. И по форм (1) рассч заряд капли. Цель найти измен-е заряда. По ф-ле (1) рассч-т неск разн знач qi при разн услов.А усл измен-ся за счет примык-х к пад-щей капле ионов возд. Знач разность знач-й qi дает заряд тока. . Оказалось что , где n целое число. Отсюда вывод:зар иона кратен некот-й велич e. Эта вел-на предст собой элем заряд (атом электричества, заряд электрона, заряд протона). E=-1,6*10^(-19).

Томсон осущ-л извест опыт по опред удел-го зар элект в катодной схеме. Х1-длина конд, d-расст м/у обкладками. Предпол вначале что действ только эл.поле локализованное м/у обкладками конденсатора.

,

, Цель: измерить удельный заряд электрона (2). Чему равно v0? На втором этапе включаем маг поле и добиваемся чтобы светлое пятно из т.О1 вернулось в т.О. В этом случае Fл(В)=Fл(Е), eE₁=ev₀Bsin(v₀^B), sin(v₀^B) =90⁰, v₀=E₁/B=U₁/Bd. Подставим в (2):

МПФ: Учебный эксперимент: нужно показать опыт который демонстрирует электризацию тела, в данном случае стеклянной палочки и куска бумаги или шерсти и эбонитовой палочки, металлической гильзы. Показать взаимодействие разно- и одноименных зарядов.

Методика изучения фунд опытов по измерению знач элем заряда6 см. опыт Милликена-Иоффе, опыт Томсона.

Данная тема представляет собой двух логично завершенных и в то же время связанных друг с другом частей. В первой части рассматривают начальные сведения о строении атомов, а во второй – простейшие электрические цепи, вводят ряд понятий: сила тока, напряжение, сопротивление, работа и мощность тока, изучается закон Ома для участка цепи, а также понятия об электрическом и магнитном полях.

При изучении данной темы учащиеся получают ряд практических умений и навыков: собирать простейшие электрические цепи, измерять силу тока и напряжение с помощью амперметра и вольтметра.

Законы электрического тока устанавливаются опытным путем, что позволяет подчеркнуть значение опыта, как источника знания. Здесь же изучаются элементы электронной теории, которые применяются для объяснения природы электрического тока.

Рассмотрим некоторые методические аспекты изучения данной темы:

Электрический заряд – является сложным физическим понятием для учащихся. К этому понятию учащихся подводят на основе опытов по электризации тел. На основе опытов по электризации различных тел (стекла, эбонита, капрона, и т.д.) ищут ответ на следующие вопросы: 1. Только ли эбонит при натирании шерстью электризуется? 2. Обязательно ли натирать тела шерстью? 3. Электризуются оба или одно из натертых тел? 4. Зависит ли род заряда накопленного на поверхности тела, от вещества тела соприкасающегося с данным? И т.д.

На основе этого приводим учащихся к выводу: электрический заряд всегда связан с материальным носителем – телом, частицей и т.д. и с другой стороны характеризует свойства материальных носителей "притягивать" к себе другие тела (то есть способность тел к электромагнитному взаимодействию) – последнюю фразу учитель не произносит, а с другой стороны является количественной мерой этого взаимодействия.

Понятие электрического поля вводят как и понятие заряда без определения, ссылаясь на работы Фарадея и Максвелла учитель утверждает, что в пространстве где находится электрический заряд, существует электрическое поле. Взаимосвязь между зарядами осуществляется электрическим полем. На опыте выясняется, что вблизи заряженных тел действует поле сильнее, а при удалении от них поле слабее.

Электрон. Строение атома. При введении этого понятия поступают так как и при введении понятия "молекула". Для этого показывают, что электрический заряд делим, то есть существует наименьшая заряженная частица. Этот опыт воспроизводится учащимися, но далее детализировать данные опыта нет необходимости. Поэтому далее учитель подчеркивает, что с помощью очень точных экспериментов такая частица была обнаружена и назвали ее электрон.

Напоминают, что тела состоят из атомов и молекул, следовательно электрон должен быть внутри атомов. Эту гипотезу необходимо проверить экспериментально, так как опыт Резерфорда исключен из программы 8 класса, следует в общих чертах рассказать об этом опыте. В результате этого опыта была дана планетарная модель атома, которая напоминает нашу Солнечную систему. Для того, чтобы создать у школьников представление о размерах атомов, целесообразно прибегать к приему сравнения. Если бы атом увеличивался так, чтобы ядро приняло бы размеры 10 копеечной монеты, то расстояние между ядром и электроном стало бы равно 1 км.

Учащиеся должны знать порядковый номер в таблице Менделеева характеризует заряд ядра атома и соответствующее число электронов в атоме. Для моделирования атома необходимо рассказать, что ближайшая к ядру оболочка может содержать не более 2, а следующая не более 8 электронов. Можно предложить учащимся вылепить из цветного пластилина модели атомов Н₂ и Не. С помощью их можно показать появление "+" и "-" ионов.

Учащиеся знают, что тела состоят из молекул, атомов. В металлах часть электронов слабо связана с ядрами атомов и поэтому они становятся свободными. Следовательно в узлах кристаллической решетки расположены ионы, а между ними свободно движутся электроны. Так как в обычных условиях отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решетки, то в обычных условиях металлы электрически нейтральны, но если создать электрическое поле, то электроны начнут двигаться упорядоченно. Все это позволяет дать следующее определение: электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Далее рассматривают источники электрического тока. Подчеркивают, что в любом источнике тока совершается работа по распределению положительных и отрицательных частиц. Данная работа совершается силами не электрической природы.

Рассмотрим методику формирования некоторых понятий данной темы:

Сила тока. Амперметр. Действия электрического тока (тепловое, химическое, магнитное, механическое) могут проявляться в разной степени – сильнее или слабее. Используя различные опыты, можно показать, что степень действия электрического тока зависит от заряда, прошедшего по цепи за 1 секунду и дается определение: электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в единицу времени определяет силу тока в цепи. Таким образом приходим к следующему определению: Сила тока равна отношению электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника ко времени его прохождения.

I=q/t. За единицу силы тока принимают силу тока, при которой отрезки таких параллельных проводников в 1 м взаимодействуют с силой 2*10^-7 Н, эту единицу называют ампер.

После введения понятия сила тока рассматривают амперметр и знакомятся с правилами работы с ним.

Напряжение. Вольтметр. Понятие напряжение с трудом воспринимается учащимися. В методической литературе имеется описание различных методов введения этого понятия. Авторы учебника Физика – 8 используют энергетический подход. Опираясь на знания учащихся о том. Что чем больше сила тока в цепи, тем интенсивнее его действие, тем большую работу он совершает, больше его мощность. Можно предложить следующий опыт: подбирают лампочку на 3,5 В или 6,3 В и включают в цепь, измеряя с помощью силу тока. Затем берут лампочку на 220 В и включают в цепь, опять измеряя силу тока, лампочку надо подобрать таким образом, чтобы сила тока была одинаковой. Лампочка на 220 В дает больше света и тепла, следовательно мощность I (работа I) зависит не только от I, но и от другой физической величины – напряжения U. Напряжение – это физическая величина, характеризующая электрические поле, которое создает ток. Формулу для нахождения напряжения можно записать следующим образом: U=A/q – более научно. U=P/I, 1 В = 1 Дж / Кл. Далее знакомят учащихся с вольтметром и правилами работы с ним.

Сопротивление. Введение этого понятия начинают с постановки опытов, в которых используют источник тока, магазин сопротивлений, амперметр, вольтметр, ключ. В начале показывается, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника. Затем ставят вопрос: Зависит ли сила тока от свойств проводника? Опыт показывает, что сила тока зависит от свойств проводника. Далее утверждают, что зависимость силы тока от свойство проводника объясняется тем, что различные проводники обладают различными сопротивлениями. Следовательно сопротивление проводника не определяют, а вводят описательно. Далее говорят о единицах применения сопротивления.

Закон Ома устанавливают экспериментально. Вначале показывают зависимость силы тока от напряжения при постоянном сопротивлении. Затем выясняется зависимость силы тока от сопротивления, при постоянном напряжении, выводят I = U / R.

На опыте устанавливается от чего зависит сопротивление проводника R=ρl/S

Психологоия: При изучении материала, необ-мо активировать долговременную память учеников: предложить вспомнить им понятия элем заряда, взаимодействие этих зарядов, поведение зарядов «+» и «-» во внешнем Эл поле, для того чтобы охарактеризовать поведение заряда м/у обкладками конденсатора в опытах Милликена. Развивать оперативную память при выведении закономерностей в опыте, использовать плакаты, схемы таблицы, графики и аудио для активации зрительной и слуховой памяти. Заставить учеников запоминать, воспроизводить, сохранять материал изученный ранее и на данном уроке. Развивать произвольное и непроизвольное запоминание у учеников.

Педагогика: при работе с одаренными учениками, учителю необходимо учитывать уровень развития учащихся, задавать дополнительные задания, задания среднего и высокого уровня сложности, уделять особое внимание индивидуальной и групповой работе с учащимися, повышать их интерес, их самооценку, анализировать свои действия(напр. при решении трудной задачи).

7. (19) 19.Экспер основ элдинам, взаим неподв зар, опыты Кулона,взаимодей токов,опыты Ампера,элмаг индук,опыты Фарадея.Сформ образ, развив и воспит знач изуч-мых вопр-в.Раскрыть метод изуч одного из осн элем знания:сила Амп.сила Лорен,модель ферромаг-ка. Опис псих особ-ти формир положит мотивации уч-ся на уроке при изуч данн мат-ла. Требов к соврем уроку.

1 9. З-н взаим-твия точ-х зарядов был уст-лен в 1785 г. Кулоном. , к=1/4πε = 9*10⁹м/Ф, ε₀=8,85*10 ^-12 Ф/м

З-н Кулона применим только к точеч зарядам. В случ протяж-х тел з-н не действует.Для расчета взаим-ствия необх кажд из зар тел разбить на элем участки, опред-ть элем-ные воздейст-я одного элем участка на другой и проинтег-ть эти воздействия по объемам этих тел.Но эта з-ча громоздкая,есть неск случ когда з-н кулона оказ-ся справедл и для протяж тел. Теорема Остроградского: поле равномерно зар-го шара эквивалентно полю точ заряда той же величины расположенного в центре этого шара. Единицей в СИ является 1 Кл

В 1931 г. М.Фарадей (англ)открыл явление эл маг индукции: если маг поле изменяется то возникает эл ток. В 1865 г. Максвелл разработал Эл маг теорию которая базировалась на идеях Фарадея. В основе теории было предположение: 1) Измен эл поле эквивал-но току и формир-ет вокруг себя вихревое маг поле. 2) ) Измен маг поле формир-ет вокруг себя вихревое эл поле и если в области расположен проводник то в нем возникает Эл ток который м-но назвать индукционным. На основе этих и ряда других предположений Максвелл пришел к выводу что свет представляет собой эл маг волну, любая эл маг волна распр-ся в вакууме со скор-ю С=3*10⁸ м/с.Вторая половина XIX столетия сопровожд быстрым разв-ем эл.техники.Были разработаны различные эл машины:электро-генераторы,двигатели,трансформаторы… В 1820 г. Л.Ампер сформ-л важный з-н эл-динамики опред-щий силу действ-ю на элемент тока во внешнем маг поле. Вокруг элем-та с током форм-ся свое маг поле,взаим-ие этого «своего» маг поля с внешним маг полем и обуславливает появление силы.кот-ю назыв-т силой Ампера. Количест-но з-н Ампера выр-ся ф-лой: . Эта ф-ла определяет элем силу дейст-ю на элем-т тока в чужом поле.В векторной форме закон выглядит так: .Возьмем пров-к и поместим его в маг поле,силовые линии внешнаго маг поля будут выглядеть так:

Правило левойруки:распол левую ладонь так чтобы силов линии вход-и в ладонь,а 4 пальца напр-ть по напр-нию тока,тогда отогнутый на 90 град большой палец покажет силу ампера.

B12-индукция в области второго, созд первым током. Если токи сонаправлены. то они притягиваются, если противоположно направлены то отталкиваются. Выразим силу ампера: возьмем участок провода .

Запишем а также для В в итоге

Рас-м дей-ие маг поля на отдел-й элем движ-ся заряд.

В ыразим число эл-в кот-е нах в пред объеме. N=n₀ΔV= n₀lS, I=e n₀<V_H>S, F_A=BIΔlsin(Δl^B)= BIΔl,

Практ интерес предст сила действ на элем заряд кот-й двиг в пучке частиц в вакууме, т.е. <V_H>→<V_i>; e→q₁, Δl сопоставлен вектору V, отсюда F₁=q₁ v Bsin(v^B), или в общем виде F₁=q₁ [v B]=F_Л. Маг сост F_Л т.е. сила действ на элем зар движ со скор V в поле с маг инд В. Напр маг сост-щей силы Лор для полож-х зар опред ф-лой F_Л= + e[ v B], и опред правилом левой руки, а для отрицат составл в соотв с этими же ф-ми F_Л= - e[ v B] прав-м прав руки. Если наряду с маг полем на движ элем част действ еще и элект, то результ-я сила равна соответ-но F_Л= F_Л(Е)+ F_Л(В) = q₁E+ q₁[ v B], для электронов F_Л= F_Л(Е)+ F_Л(В) = (-q₁ )E + (-q₁)[ v B].

МПФ: Цель обр: уч д-ны усв-ть след-е сужд-я: силу действ-ю на элемент тока во внешнем маг поле наз-ют силой Ампера.2) Правило левойруки:распол левую ладонь так чтобы силов линии вход-и в ладонь,а 4 пальца напр-ть по напр-нию тока,тогда отогнутый на 90 град больш палец покажет силу ампера. Цель восп-я: уч-ся д-ны усв-ть след дейст-я: уметь находить силу Ампера по ф-лам, а так же уметь применять правило левой руки. Цель разв-я: учащиеся д-ны усв-ть что полученные знания широко прим-ся в технике и быту.

Психология: разв-ть активность уч-ся при изуч-и материала, развивать мышление, м-но провести урок в форме игры, развивать в ученике стремление понять тему, развить его собственное «я», развивать ученика как личность, развивать его внимание как произвольное так и непроизвольное, а для этого необходимо правильно и четко организовать учебный процесс, а также необх-мо уделять должное внимание контролю над учениками, внимание учеников д-но быть устойчивым, распределенным. Развивать у уч-ся словесно-логическую,образную, произв-ую, оператив-ю память…

Педагогика:Поставить цель урока,определить тип урока. Следует уделить внимание на оформление урока, методически правильно поставить урок учитывая психологические и возрастные особенности уч-ся, систематически подходить к уроку, использовать аудио-визуальные наглядности, всевозможные приборы в зависимости от типа урока. Работать как индивидуально, так и с группами учеников.Использовать принципы наглядности, доступности,последовательности.Что такое урок? Ответ на этот вопрос весьма затруднителен на сегодняшний день. До настоящего времени в педагогической науке преобладающим является мнение, согласно которому урок — это систематически применяемая для решения задач обучения, воспитания и развития учащихся форма организации деятельности постоянного состава учителей и учащихся в определенный отрезок времени.

Требования к овременному уроку.

Урок — это форма организации обучения с группой учащихся одного возраста, постоянного состава, занятие по твердому расписанию и с единой для всех программой обучения. В этой форме представлены все компоненты учебно-воспитательного процесса: цель, содержание, средства, методы, деятельность по организации и управлению и все его дидактические элементы. Сущность и назначение урока в процессе обучения как целостной динамической системы сводится таким образом к коллективно-индивидуальному взаимодействию учителя и учащихся, в результате которого происходит усвоение учащимися знаний, умений и навыков, развитие их способностей, опыта деятельности, общения и отношений, а также совершенствование педагогического мастерства учителя. Тем самым урок, с одной стороны, выступает как форма движения обучения в целом, с другой, — как форма организации обучения, предопределяемая основными требованиями к организационному построению урока учителем, вытекающими из закономерностей и принципов обучения.

Рождение любого урока начинается с осознания и правильного, четкого определения его конечной цели — чего учитель хочет добиться; затем установления средства - что поможет учителю в достижении цели, а уж затем определения способа — как учитель будет действовать, чтобы цель была достигнута.

Что же такое цель и когда, какие цели урока ставит учитель? Общепринято в науке, что цель - это предполагаемый, заранее планируемый (мысленно или вербально) результат деятельности по преобразованию какого-либо объекта. В педагогической деятельности объектом преобразования является деятельность обучающегося, а результатом — в уровень обученности, развитости и воспитанности учащегося.

Цель урока в современной школе должна отличаться конкретностью, с указанием средств ее достижения и ее переводом в конкретные дидактические задачи.

Дидактические задачи урока реализуются в реальной педагогической действительности через учебные задачи (задачи для учащихся). Это решение учащимися арифметических задач, выполнение всевозможных упражнений, разбор предложений, составление плана пересказа и т.п. Эти задачи отражают учебную деятельность учащихся в конкретных учебных ситуациях.

8. (18).1)Охарактеризовать систему знании об электрических зарядах и их взаимодействии. Понятием «электрический заряд», так же как и понятием электромагнитное поле», учащиеся овладевают постепенно по мере изучения электродинамики.

Школьникам сообщают, что заряд - количественная мера способности тел к электромагнитным взаимодействиям. При этом следует обратить их внимание на то, что термин «электрический заряд» употребляют в различных смыслах: как термин, равнозначный выражениям «заряженная частица», «заряженное тело», для обозначения физической величины.

Еще в базовом курсе физики учащиеся узнали о фундаментальном свойстве - о существовании зарядов двух видов, причем заря-1ы одного знака отталкиваются, заряды разных знаков притягиваются друг к другу. Очень важно разъяснить, что электрический заряд не тождествен веществу. Заряд всегда связан с материальным носителем - телом или частицей. Электрический заряд - неотъемлемое свойство некоторых элементарных частиц. Не существует заряда без материального носителя, хотя нейтральные элементарные частицы есть (нейтрон и др.).

При анализе опыта Иоффе-Милликена показывают, что электрический заряд дискретен, он может принимать строго определенные значения. Школьники должны знать: вся современная физика приводит к выводу о существовании атома электричества - элементарного заряда. Есть много доказательств дискретности заряда. Сейчас их ознакомят с одним из них, в дальнейшем они узнают о других. Необходимо подчеркнуть также, что дискретность заряда элементарных частиц - проявление одной из существенных особенностей микромира. Далее школьники узнают, что в микромире дискретность присуща и ряду характеристик движения, например энергии. Это создает некоторую основу для восприятия в дальнейшем идеи квантования в атомной и ядерной физике.

У чащиеся обязательно должны запомнить округленные значения элементарного заряда и массы покоя электрона: е= 1,6-10-19 Кл, me=9,1*10-31кг.

Полезно обсудить в процессе изучения электродинамики разные методы измерения заряда, например с помощью опыта Милликена или силы Лоренца; путем измерения силы тока и времени его протекания; на основе электролиза и др.

Школьникам разъясняют, что электрический заряд макроскопического тела равен сумме положительных и отрицательных зарядов частиц, входящих в состав данного тела. В обычном состоянии большинство тел электрически нейтральны, то есть число электронов в них, равно числу протонов. Нейтрален и атом любого вещества. Таким образом, положительно и отрицательно заряженные частицы в веществе связаны и образуют нейтральные системы. Чтобы получить заряженные макроскопические тела, необходимо нейтральные тела наэлектризовать, т. е. отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Рассматривают способы электризации. Макроскопическое тело можно зарядить двумя способами: электризацией трением (вернее сказать, соприкосновением) или электризацией через влияние.

Центральное место в разделе «Электродинамика» при изучении электрических зарядов занимает закон сохранения электрического заряда, который подтверждается всеми без исключения наблюдениями, проводившимися до сих пор. В старших классах возможна формулировка этого закона, которая учитывала бы атомистическое представление о строении электричества: в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается постоянной, заряженные частицы могут возникать вновь, но всегда рождаются парами: с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами. Исчезают заряженные частицы тоже парами, превращаясь в нейтральные. Наряду с данной формулировкой можно дать и другую - макроскопическую, основанную на идее возможности измерения заряда: алгебраическая сумма зарядов в замкнутой системе остается неизменной во времени.

Школьникам дают возможное здесь доказательство справедливости закона сохранения заряда: одновременное появление противоположных по знаку, но равных по модулю зарядов при контактной электризации тел. Позднее они узнают о появлении двух противоположно заряженных частиц в процессе рождения электронно-позитронной пары, а также о превращении электронно-позитронной пары в фотоны, что также является доказательством этого закона. Можно рассказать еще, что любые процессы электризации тел (через влияние, химическая электризация в гальваническом элементе, фотоионизация и др.) сводятся по существу к разделению равных по модулю зарядов с противоположными знаками. Но не менее важно уяснить еще одно свойство заряда - его инвариантность, т.е. независимость модуля заряда от скорости движения заряженной частицы, а значит, и от системы отсчета. Школьникам объясняют, что закон сохранения электрического заряда тесно связан с инвариантностью заряда. Если бы величина заряда зависела от его скорости, то, приведя в движение заряды какого-нибудь одного знака, мы изменили бы суммарный заряд изолированной системы.

Таким образом, заряд не только сохраняется, но и не зависит от системы отсчета, он инвариантен. В этой связи надо заметить, что школьники часто отождествляют понятия «сохранение величины» и «инвариантность величины». Полезно обратить их внимание на то, что это не одно и то же: величина может сохраняться и, тем не менее, не быть инвариантной. Например, для таких величин, как энергия, масса, импульс, справедливы законы сохранения, и в то же время они изменяются при переходе от одной системы отсчета к другой, т. е. они не инвариантны. Все электромагнитные явления протекают так, как должно быть при абсолютности зарядов. Это является подтверждением принципа абсолютности (инвариантности)заряда.

Основные знания, которые должны приобрести школьники о взаимодействии зарядов, сводятся к следующему. Для неподвижных заряженных тел сила взаимодействия определяется законом Кулона. В случае движущихся зарядов сила электромагнитного взаимодействия существенно зависит от модуля и направления скорости. Соответственно электромагнитное взаимодействие как бы состоит из двух компонент: электрической и магнитной. Лишь в отдельных случаях (в некоторых системах отсчета) электромагнитное взаимодействие носит только электрический или только магнитный характер. Но поскольку скорость тела зависит от системы отсчета, то взаимодействие, его характер определяется системой отсчета.

Принципиально важно все время подчеркивать: взаимодействие между заряженными телами (частицами) осуществляется через поле. Заряженные тела (частицы) непосредственно друг с другом не взаимодействуют.

2 ) Электрическое поле в вакууме. По современным представлениям атомы и молекулы, состоящие из атомов, состоят из электрически заряженных частиц. Атом = ядро + электронная оболочка; ядро:z протонов + (A-z) нейтронов; протон: элементарный положительный заряд; q_p=+e=1,6*10^-19 Кл, где z порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Единицей электрического заряда в системе СИ является 1 Кл(большая величина статического заряда). Основной силовой характеристикой электрического поля окружающий электрически заряд является напряженность. – вектор напряженности электростатического поля. Пространство окружающее электрический заряд находится в особом состоянии. Это состояние проявляется в том, что на помещенный в данную точку поля пробный электрический заряд действует сила. Пробный заряд должен быть малой величины, чтобы введение такого заряда не исказило электрическое свойство среды. По определению напряженность электрического поля равна силе, действующей в данной точке поля на единичный положительный пробный заряд.

;

;

Обычно ЭП изображают посредством силовых линии или линии напряженности, при условии, что густота линии напряженности пропорциональна напряженности в данной точке поля.

Наряду с напряженностью поля, которая является важнейшей силовой характеристикой ЭП, вводят понятие потенциал ЭП. Обозначается φ. Она является энергетической характеристикой ЭП. или , где А-работа при перемещении заряда из данной точки. Связь между напряженностью ЭП и потенциалом: , –скалярная величина, а gradφ– векторная.

Принцип суперпозиции. Если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают ЭП, напряженности которых и т.д., то результирующая напряженность в данной точке равна – принцип суперпозиции.

3) Теорема Остроградского-Гауса. Рассмотрим поле точечного заряда. Проведем сферическую поверхность с центром где расположен заряд.

Сферическая пов.

, , , = , [Ф]=В*м

Возьмем площадку dS(см. рис.) , , = , т.к. , , . Рассмотрим вопрос о величине потока Ф_Е через произвольную замкнутую поверхность.

проведем элементарный телесный угол , = между сечениями. . . Определим поток вектора электрической напряженности пронизывающи произвольную замкнутую поверхность при условии, что внутри этой поверхности находится не один точечный заряд, а несколько зарядов. Заряды могут иметь разные знаки. , .

Здесь нужно знать определение: выходящая из поверхности линия учитывается со знаком «+», входящая со знаком «-». Общее число пересечении всегда нечетное и алгебраическая сумма пересечении равна 1. Из приведенного рассмотрения следует важный вывод, который представляет собой суть теоремы Ост.-Г.: поток линии вектора электрической напряженности, создаваемый точечными зарядами, через произвольную замкнутую поверхность равен: ,находящийся внутри данной замкнутой поверхности.

Р ассмотрим случай, когда мы имеем заряженное облако: . Введем понятие объемной плотности эл. заряда– . – если заряд расположен равномерно, – не очень равномерно, – сильно не равномерно. , . . Теорема Остроградского_Гаусса . По определению . Ряд важных задач электростатики легко решаются с помощью теоремы Остроградского_Гаусса. В частности задачи по определению напряженности в данной точке ЭП. Особенно просто решаются задачи в случае центральной, осевой или плоскостной симметрии. Например: пусть у нас имеется бесконечная плоскость равномерно заряженная. Пусть положительным зарядом с постоянной поверхностной плотностью электрического заряда . . Задача. Определим напряженность в т.О. Алгоритм:

1. Выбери произвольную замкнутую поверхность проходящую через искомую точку и имеющую хорошую форму. 2. Запиши теорему Ост.-Г. 3. Запиши определение потока Ф_Е.

_{=[ ]=} . , , , .

4) Электроемкость. Опыт п оказывает, что при увеличении заряда на проводнике возрастает и его потенциал пропорционально заряду, причем зависимость между φ и q проводника оказываются прямопропорциональная. или , где С- коэффициент пропорциональности–электроемкость или кратко- емкость, т.е. = (фарада). В случае шара радиуса R и заряда q:

. На поверхности шара( проводника): , , –емкость шара радиуса R. Емкость проводника не зависит от заряда проводника и его потенциала, она определяется размерами и формой проводника, а также наличием вблизи проводника других проводников.

5) Конденсаторы. Он представляет собой систему из двух проводников, которая имеет большую электроемкость. Существуют различные виды конденсаторов. а). плоский конденсатор. , , , .

Если пространство между пластинками заполнена диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ξ, то емкость соответственно возрастает в ξ раз, и формула для расчета емкости принимает вид: . При наличии диэлектрика во всех выражениях электростатики вместо ξ₀ входит ξξ₀.

б) сферически конденсатор.

. Также можно написать и для φ1 и φ2. –емкость сферического конденсатора. В реальности очень мало, поэтому , т.к. .

в) цилиндрический конденсатор.

,