Формирование научного мировоззрения на уроках физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ФИЗИКИ КОСМОСА

Выпускная квалификационная работа

по дополнительной квалификации «Преподаватель»

«Формирование научного мировоззрения на уроках физики»

студента 5 курса очной формы обучения С. А. Гусакова

Научные руководители:

к.ф.-м.н., доцент кафедры ТВФ Е.Я. Файн

к.п.н., старший преподаватель И.Ю. Каменева

г. Ростов - на - Дону 2008 г.

Содержание

электродинамика мировоззрение методика физика

Введение

1. Формирование общего мировоззрения

1.1 Формирование научного мировоззрения учащихся в процессе обучения физики

1.2 Понятие как логическая категория, характеристика понятия

1.3 Этапы формирования понятий

2. Формирование мировоззрения на примере изложения школьного курса электродинамики

2.1 Методика формирования понятий: электрический заряд, закон сохранения заряда, закон Кулона. Особенность электродинамики как раздела школьного курса физики

2.2 Разработка анимационной модели по темам: понятие электрического заряда, закон Кулона, электрический ток, действия тока и опыт Эрстеда

Заключение

Литература

Введение

Научное мировоззрение представляет собой органическое единство конкретно-исторического содержательного взгляда на мир, научно обоснованных убеждений относительно законов развития природы и общества, социально-экономического уклада жизни, системы общественно-политических отношений, определяющих активную жизненную позицию человека. Мировоззрение формируется у школьников в результате последовательного овладения научно-философскими знаниями, современными научными достижениями, а также системой общих методов познания действительности.

Научное мировоззрение есть наиболее общая, высшая форма общественного сознания. Она включает систему философских, экономических и социально-политических взглядов. Мировоззренческие идеи пронизывают все другие формы общественного сознания, объединяют их в единую и целостно-ориентационную систему. Совокупность мировоззренческих идей, объясняющих сущность и законы развития природы, общества, мышления, оформляются в сознании школьников в виде взглядов, убеждений, предположений, гипотез, аксиом, ведущих идей и ключевых понятий той или иной науки, создающих научную основу объяснения различных естественных и общественных процессов, явлений.

Научное мировоззрение формируется не только в процессе усвоения знаний, но и в результате преодоления ненаучных штампов, шаблонных, примитивных, обыденных взглядов. Под влиянием обновления общества, развития общественных и естественных наук оно совершенствуется. Новые научные факты, открытия общественных и естественных наук, новый общественный опыт обновления жизни дополняют, уточняют, изменяют сложившиеся взгляды и стереотипы мышления.

Мировоззрение как целостно-психологическое образование имеет сложную и многоаспектную структуру. Его ядром являются взгляды и убеждения, которые органически связаны с развитой способностью теоретического мышления, проявления высоких интеллектуальных чувств, сознательной, целеустремлённой воли. Рассмотрим каждое из этих понятий в системе мировоззрения. Взгляды - это принятые человеком в качестве достоверных идеи, знания, теоретические концепции, предположения. Они объясняют явления природы и общества, служат ориентирами в поведении, деятельности, отношениях. Убеждение - качественно более высокое состояние взглядов. Это такие знания, идеи, концепции, теории, гипотезы, в которые человек верит, как в истину. Он считает их реализацию в жизни необходимым для людей благом и поэтому эмоционально отстаивает их, готов за них пострадать, стремится увлечь ими других людей, предпринимает волевые усилия и практические действия в целях их осуществления. Органическим свойством убеждений являются чувства. Отстаивание, защита, внедрение убеждений в жизнь неразрывно связаны с эмоциональными переживаниями человека. Особенно значительны для него интеллектуальные чувства, такие, как радость познания и вера в непогрешимость истины, эстетическое наслаждение её красотой и преданность ей, социальный оптимизм и целеустремлённость. Непреклонная воля - важный элемент мировоззрения. Убеждения побуждают человека к практическому действию. Научное мировоззрение не ограничивается теоретическим сознанием, а объединяется с практическим сознанием и волевым действием. Теоретическое мышление как элемент мировоззрения представляет собой развитую человеческую способность творческого осмысления знаний, явлений действительности, совершенствования мировоззрения и направления воли на реализацию убеждений.

Мировоззрение выполняет ряд важных общественных функций. Просветительная функция состоит в том, что научное мировоззрение делает для человека понятным мир природы и общества, формирует просвещённое сознание, избавляет от социальных, политических, религиозных предрассудков и пережитков. Оно вооружает методологией, совокупностью исходных философских принципов и методов познания действительности, обогащает человека системой духовно-ценностных ориентаций. Воспитательная функция мировоззрения реализуется в результате того, что принятые взгляды и убеждения требуют от человека формирования у себя определённых морально-волевых качеств и эстетического отношения к действительности. Верность убеждениям, борьба за их проведение в жизнь предполагает твёрдость характера, идейную стойкость, настойчивость и несгибаемую волю. Эти нравственные качества воспитываются в единстве с чувствами гуманизма, ответственности, долга, эстетическими идеалами общественной и личной жизни. Развивающая функция заключается в том, что внутренняя духовная работа по усвоению содержания мировоззрения включает в активную деятельность мышление. В основе научного мировоззрения лежат принципы диалектического подхода к рассмотрению и освоению действительности, что делает мышление гибким, творческим, изучающим явления в движении, во взаимосвязи. Развивается способность к новым обобщениям, к творческому осмыслению явлений природы и общества. Организационная функция мировоззрения проявляется в том, что оно является исходной позицией в практической деятельности людей.

Научное мировоззрение, позволяющее освоить и принять новое политическое мышление, отказаться от застойных стереотипов, является активным организующим началом в борьбе за мир и разоружение, в эволюционном преобразовании экономики, образа жизни людей. Прогностическая функция научного мировоззрения, основывающегося на знании законов общественного развития, проявляется в научно-теоретическом и практическом осмыслении тенденции, в выдвижении идей по созиданию будущего в настоящем.

Мировоззрение как цельное личностно-психологическое образование воспитывается у школьников в целостном педагогическом процессе, одновременно влияющем на развитие их сознания, чувств, воли и поведения. Цель мировоззренческого воспитания - в формировании устойчивого, надёжного центрального звена структуры детской личности, определяющего понимание и отношение к природе, обществу и мышлению в единстве сознания, чувств, воли и поведения. В его задачи входит формирование научных взглядов и убеждений, объясняющих мир, критического отношения к антинаучным представлениям, обоснованных методологических подходов к познанию и деятельности. Его неотъемлемой частью являются интеллектуальные чувства, диалектическое мышление, умение объективно оценивать явления природы и общества, исходя из научных данных, способность твёрдого проявления воли, решительности при реализации своих убеждений. Эти задачи решаются в учебно-воспитательном процессе с помощью овладения наукой, а также в результате нравственного, культурологического, экономического и экологического воспитания.

1. Формирование общего мировоззрения

1.1 Формирование научного мировоззрения учащихся в процессе обучения физики

При изучении курса физики на уроках раскрываются основные положения диалектического материализма:

? познаваемость мира и диалектический характер процесса познания;

? материальное единство мира;

? неразрывность материи и движения;

? объективность причинно-следственных связей в природе;

? неисчерпаемость свойств материального мира, безграничность процесса познания.

Раскрытие гносеологического аспекта научных знаний опирается в школьном курсе физики на положения диалектического материализма о практике как основе познания, о соотношении абсолютной и относительной истины, о процессе познания как процессе бесконечного приближения к абсолютной истине через истины относительные. Конкретным выражением данного аспекта школьного курса физики является материал, рассказывающий о применимости физических теорий и законов, о приближённом характере мысленных моделей (материальная точка, идеальный газ и т. д.), исторический материал о борьбе в физике между старыми и новыми теориями.

Формирование представлений современной физической картины мира начинается на первой ступени обучения в физике. Здесь даются сведения об атомно-молекулярном строении вещества, элементарных частицах, электрическом и магнитном полях, вводится понятие взаимодействия.

Усвоение гносеологического аспекта этих знаний складывается из ряда моментов. Во-первых, это усвоение того факта, что представление об атомах и молекулах, их свойствах возникли в науке на основе опытных данных и наблюдений (опыт Резерфорда, Иоффе-Милликена). Во-вторых, это формирование у учащихся обобщённых знаний о роли опыта как источника знаний и как критерия истинности. Этой цели отвечает привлечение исторического материала (опыты: Торричелли, Эрстеда, Фарадея). В-третьих, необходимо, чтобы к осознанию роли опыта в физике учащихся приводила их собственная учебная деятельность.

Важный вклад в понимание гносеологического аспекта курса физики принадлежит формированию у учащихся понятия о физической величине. В начале изучения физики учащимся объясняют, что физические величины выводят как количественную характеристику свойств и явлений. Физические величины выражают свойства при помощи чисел. Эти числа получают в результате измерений или вычислений той или иной физической величины. В исследованиях физических явлений наука стремится к установлению связи между физическими величинами. У учащихся в процессе их познавательной деятельности должно складываться понятие закономерной связи физических величин.

Физическая картина мира выступает в школьном курсе физики как идеальное отражение свойств материального мира. Например, в механике вводится понятие материальной точки, как тела, размерами которого в данных условиях движения можно пренебречь. Откуда же известно, что тело можно представить в виде материальной точки? Учащимся объясняют, что основанием для этого является опытное подтверждение из теории. Понятие силы и массы вводятся в механике на основе опытов. Рассматривая эти вопросы, необходимо разъяснить учащимся, что сила и масса - это теоретические понятия. Определения связывают их с измеряемыми на опыте величинами. Это же относится к понятию температуры в МКТ. Это теоретическое понятие - величина, непосредственно не наблюдаемая. Для того, чтобы связать её с наблюдаемой величиной, устанавливая соотношение между значением температуры в МКТ и градусом шкалы термометра.

Чтобы выяснить, какой вклад дают изученные законы в общее представление о мире, какие требования предъявляют к его картине мира, их нужно интерпретировать с общих философских позиций. Так, анализ законов движения, как и решение основной задачи механики, с точки зрения понятия причинности позволяет ввести первоначальное представление о принципе причинности в физике. Сила в механике представляет причину, вызывающую ускорение тела. Эта причина состоит во взаимодействии тел, описываемом законами для сил упругости, тяготения и т. д. Зная законы сил и состояние тела в начальный момент времени, с помощью уравнения движения можно однозначно определить состояние его в любой последующий момент времени. Таким образом, начальное состояние тела и взаимодействие с другими телами, является причиной, а состояние тела в последующий момент - следствием.

Синтез знаний учащихся в современную физическую картину мира подготавливается в течение всего изучения физики на второй ступени. В электродинамике вводят понятие поля. При этом говорят, что поле «действует» на тело с некоторой силой. В квантовой теории взаимодействие рассматривается по схеме частица - квант поля (передатчик взаимодействия) - частица. Вводя понятие электромагнитного поля, при объяснении его материальности опираются на философское понятие материи. Объясняют учащимся, что взаимодействие, не имеющее материального носителя, «означало бы какое-то необъяснимое чудо». Наука же стремится не оставлять ничего необъяснимого и необъяснённого.

В практике преподавания физики в школе получил применение ряд моментов обучения и организационных форм занятий, направленных на формирование научного мировоззрения.

Так, при введении представлений современной физической картины мира используют в 9 классе рассказ или беседу. В 10 классе характерным является привлечение материала из истории физики. Вводя понятие об электромагнитном поле можно ознакомить учащихся с фактами борьбы теорий близко- и дальнодействия из оригинальной работы Максвелла «О действиях на расстоянии».

Используя хрестоматийный материал, можно в 11 классе ввести понятие о корпускулярно-волновом дуализме.

Ещё один метод - это решение задач мировоззренческого характера, связанных с формированием у учащихся понятий о соотношении теории и практики, о закономерной связи явлений объективного мира и его познаваемости. Например, на лабораторных занятиях даётся задание рассчитать ускорение тележки и проверить результат на опыте.

Важная роль в рассматриваемых методах обучения принадлежит самостоятельной работе учащихся с книгой (по истории физики), подготовке сообщений, рефератов, докладов по вопросам методологического характера.

1.2 Понятие как логическая категория, характеристика понятия

Понятие есть знание существенных свойств, сторон предметов и явлений окружающей действительности, существенных связей и отношений между ними. В то же время понятие - это одна из высших форм мышления, форм отражения материальной действительности.

Содержанием школьного курса физики является изучение физических свойств вещества и физических полей, физических форм движения материи и их разнообразных проявлений. Всё это охватывается системой понятий: о явлениях (кипение, испарение); о свойствах вещества (текучесть, упругость, пластичность); о свойствах физических полей (электрического, магнитного, гравитационного) и о физических величинах (скорость, масса, сила и др.).

Овладение понятием связано с активной мыслительной деятельностью учащихся, с выполнением таких умственных операций, как анализ и синтез, сравнение и сопоставление, абстрагирование и обобщение, поэтому формирование понятий имеет важное значение для развития мышления учащихся.

Источником формирования физических понятий служат жизненный опыт школьников, изучение учебного материала курса физики и других учебных дисциплин, чтение научно-популярной литературы и т. д. Все эти источники необходимо учитывать при целенаправленном формировании понятий.

Учащиеся овладевают понятием постепенно, усваивают его содержание, объём, связи и отношения с другими понятиями. Вначале у учащихся формируются отдельные понятия, а затем система понятий.

Одновременно с процессом формирования новых понятий и происходит углубление ранее сформированных, при этом раскрываются всё новые и новые их стороны, связи и отношения, уточняются границы применимости. Этот процесс называют конкретизацией понятий.

1.3 Этапы формирования понятий

Содержанием первого этапа служит движение от чувственно-конкретного восприятия к абстрактному. При этом учащихся учат выделять существенные признаки явлений и объектов, отбрасывать несущественные; показывают, как в науке возникают идеализированные объекты, как происходит абстрагирование. Этот этап обычно завершается словесным определением понятия. Содержание второго этапа - движение от абстрактного к конкретному. При этом происходит обобщение понятий, обогащение его содержания, более полное раскрытие его связей и отношений с другими.

Можно указать для большинства случаев общие этапы работы учителя по формированию физических понятий.

а) Накопление наблюдений и создание «понятийной» базы для введения нового понятия. Наблюдение явления -- источник первичных представлений о нём. Чтобы эти представления возникли, учитель во вступительной беседе перед демонстрацией должен направить учеников на существенные стороны явления, характер его протекания, а затем стимулировать высказывания учащихся о явлении и его интерпретации.

б) Выбор и научный анализ конкретной ситуации, обеспечивающей возникновение в сознании учащихся нового понятия; использование модельных представлений. Чтобы из представлений сложилось понятие, необходимо предоставить ученикам возможность сравнивать, классифицировать, поскольку без логических операций нельзя сформировать никакого понятия вообще.

Например, выбор учебной ситуации для объяснения электризации тел и соответствующего эксперимента обусловлен перечнем основных положений о сущности электризации, которые нужно выяснить на уроке. Исходные положения: наэлектризовать макроскопическое тело -- значит отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного, простейший способ -- соприкосновение тел. В ходе объяснения учителя должны быть экспериментально обоснованы такие положения:

? в электризации всегда участвуют два тела;

? электризация возникает при соприкосновении любых, но разного рода тел;

? при контактной электризации оба тела получают одинаковые заряды.

в) Анализ изучаемого объекта или явления и обнаружение его связи с другими. На первой ступени обучения качественным анализом физического явления (процесса) завершается его изучение; на второй ступени этот этап переходит во второй, когда формулируются вопросы, побуждающие школьников предвидеть ход явлений, строить гипотезы относительно его сути. На этой ступени формирования понятий учитель использует математический метод исследования физических явлений и выражает введённую физическую величину с помощью математических операций через уже известные ученикам величины. Затем он указывает способ измерения данной величины и знакомит учащихся с соответствующим измерительным прибором. Надо иметь ввиду, что в ходе демонстрационных опытов, как правило, не устанавливают точных формул, а только раскрывают пропорциональные зависимости между величинами. Поэтому часто можно ограничиться измерением величин в условных единицах.

г) Формулирование определения. После раскрытия качественных особенностей изучаемого явления и количественных соотношений, характеризующих его свойства, дают словесное определение понятия о данном явлении. Этап словесного определения понятий больше чем другие связан с выделением существенных сторон явлений, с развитием абстрактного мышления; поэтому здесь чаще всего возникают трудности у учащихся.

д) Конкретизация и развитие понятий. Процесс конкретизации понятий (движение от абстрактного к конкретному) тесно связан с обобщением. Однако конкретизация обеспечивает более высокий уровень обобщения, поскольку её важными элементами являются раскрытие связей и отношений понятий с другими, уточнения границ их применимости. Для глубокого усвоения понятий учениками необходима организация активной познавательной деятельности. Важную роль в конкретизации и развитии физических понятий играют упражнения и лабораторные работы.

2. Формирование мировоззрения на примере изложения школьного курса электродинамики

2.1 Методика формирования понятий: электрический заряд, закон сохранения заряда, закон Кулона. Особенность электродинамики как раздела школьного курса физики

Школьный курс электродинамики отличается абстрактностью и сложностью учебного материала, потому значительное внимание при её преподавании следует уделить наглядности: физический эксперимент, аналогия и модельные представления, экранные пособия и т. д.

Особое внимание уделяют фундаментальным физическим опытам, которые как в науке, так и в обучении являются основополагающими. В первую очередь это следующие опыты:

а) Кулона по установлению зависимости силы взаимодействия двух электрических зарядов от величины этих зарядов и расстояния между ними;

б) Эрстеда по обнаружению действия тока на магнитную стрелку;

в) Ампера по взаимодействию параллельных токов;

г) Ома, вскрывающий характер зависимости между силой тока и направлением;

д) Милликена и Иоффе, подтвердившие атомистическое строение электричества и позволившие измерить элементарный электрический заряд.

Некоторые из перечисленных фундаментальных опытов (опыты Иоффе и Милликена) сейчас в школе не демонстрируют, их лишь разъясняют и иллюстрируют с помощью рисунков. Другие (например, опыты Фарадея), демонстрируют, но в существенно изменённом виде, с использованием современного школьного оборудования. Поэтому, воспроизводя фундаментальные опыты с помощью школьного оборудования, необходимо сообщить о тех трудностях, с которыми сталкивались учёные на самом деле и как их преодолевали.

Принципиально важно то, что механизм процессов, протекающих в опытах по электродинамике нельзя наблюдать непосредственно -- всё происходит как бы не на макро-, а на микроуровне. Физический эксперимент иллюстрирует лишь действия электрических зарядов (токов), а сами заряды (токи), поля непосредственно не наблюдают. В связи с этим большую пользу в усвоении физической сути явлений оказывают модели и аналогии, мысленный эксперимент.

При изучении основ электродинамики применяют следующие модели: свободный электрон, модель электронного газа, модель проводника и диэлектрика. При изучении электродинамики в основном применяют не материальные, а мысленные модели, для восприятия которых необходим определённый уровень развития абстрактного мышления.

Ещё одна особенность раздела - «электродинамика» - насыщенность его мировоззренческими и политехническими материалами. Нужно так организовать преподавание, чтобы учащиеся прочно усвоили этот материал. Целесообразно осветить роль в развитии физики и техники таких учёных, как А. Ампер, М. Фарадей, Д. Максвелл, Ш. Кулон, М. В. Ломоносов, А. Г. Столетов, П. Н. Лебедев, А. С. Попов, Г. Герц, А. Эйнштейн, А. Ф. Иоффе и т. д.

Под электродинамикой понимают науку о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи -- электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрическими заряженными телами. Как известно, в природе существует единое электромагнитное поле, различными проявлениями которого являются электрическое и магнитное поле.

Электрический заряд. На современной ступени развития науки заряд принимают за свойства элементарных частиц. Заряда без частицы не существует. Наличие электрического заряда у тела или частицы проявляется в том, что они взаимодействуют с другими заряженными телами (частицами). В терминологии теоретической электротехники даётся следующее определение: «Электрический заряд -- свойство частиц материи или тел, характеризующие их взаимосвязь с собственным электромагнитным полем, - имеет два вида, известные как положительный заряд (заряд протона и др.) и отрицательный заряд (заряд электрона и др.): количественно определяются по силовому взаимодействию тел, обладающих электрическими зарядами».

Итак, наличие у тела (частицы) электрического заряда означает, что оно способно к электромагнитным взаимодействиям. Понятие электрического заряда можно формировать только совместно с понятием электромагнитного поля.

Электрический заряд, в отличии от поля, абсолютен (инвариантен) -- он не зависит от выбора системы отсчёта. В настоящее время экспериментально доказано существование этого факта. Известна электрическая нейтральность атомов и молекул. Заряды электронной оболочки атомов и ядра точно равны друг другу, но характер движения электронов и ядер совершенно различен, и если бы заряд хоть в малой степени зависел от скорости движения частиц, то при химических реакциях могли бы появиться не скомпенсированные электрические заряды, а это можно было бы обнаружить.

При введении понятия об электроне показывают делимость и дискретность электрического заряда. Делимость заряда выходит из простейших опытов перетекания заряда с одного заряженного тела на другое, не заряженное. Эти опыты можно осуществить с помощью электрометров и эбонитовой или стеклянной палочки.

Дискретность заряда была доказана опытами, которые в школе не осуществимы. Это опыты Иоффе-Милликена. В науке такого опыта не было, а известны отдельно опыт Милликена и опыт Иоффе. В школе в простейшем и доступном виде разъясняют опыт, содержащий элементы этих двух опытов. Результат этих опытов таков: электрический заряд может принимать только определённые дискретные значения, кратные некоторой величине. Таким электрическим зарядом обладает элементарная частица - электрон.

В школьном курсе физики понятием «электрический заряд» учащиеся овладевают постепенно, по мере изучения материала 10 класса.

Учащимся дают такое определение заряда, как заряд - количественная мера способности тел к электромагнитным взаимодействиям. При этом обращают внимание на то, что термин «электрический заряд» употребляют в различных случаях по-разному: как термин, равнозначный выражениям «заряженная частица», «заряженное тело»; как свойство тел или частиц; как физическая величина.

В 8 классе учащиеся узнали о фундаментальном свойстве - о существовании зарядов двух видов, причём одноимённые заряды отталкиваются, заряды разных знаков притягиваются друг к другу. В 10 классе надо разъяснить, что электрический заряд не тождественен веществу. Заряд всегда связан с материальным носителем - телом или частицей. Не существует заряда без материального носителя, хотя нейтральные элементарные частицы есть (нейтрон и др.).

Отметим, какими знаниями должны овладеть учащиеся в результате изучения «электродинамики».

Заряд и электромагнитное взаимодействие. Для неподвижных заряженных тел взаимодействие носит кулоновский характер. В случае движущихся зарядов сила электромагнитного взаимодействия зависит от модуля и направления относительной скорости. Соответственно, это электромагнитное взаимодействие включает в себе электрическое и магнитное взаимодействия. Поскольку скорость тела зависит от системы отсчёта, то и взаимодействие носит относительный характер, определяется системой отсчёта. Поэтому в общем случае взаимодействие заряженных тел является электромагнитным.

Измерение заряда. Существуют разные методы измерения заряда, в которых применяются различные случаи электромагнитного взаимодействия. Например, опыт Иоффе-Милликена, определение удельного заряда электрона на основе измерения силы Лоренца, явлением электролиза и др.

Дискретность заряда. Вся современная физика приводит к выводу о существовании атома электричества - элементарного заряда. Являющегося неотъемлемым свойством ряда элементарных частиц - электрон, протон и др. Дискретность заряда (как и массы покоя) элементарных частиц обусловлена одной из особенностей микромира. Учащиеся должны знать округлённое значение элементарного заряда и массы покоя электрона: ; .

Инвариантность заряда. Это свойство заряда - его абсолютность, т. е. независимость от скорости движения заряженной частицы, а значит от системы отсчёта.

Учащимся сообщают некоторые сведения, подтверждающие инвариантность заряда. Заряды электронной оболочки атома и ядра в точности равны друг другу, хотя характер движения электронов и ядер атомов совершенно различен. При химических превращениях движение электронов в оболочках атомов применяется, что приводит к изменению характера оптических спектров. Если бы заряд хоть в малой степени зависел от скорости движения частиц, то в химических реакциях могли бы появиться не скомпенсированные электрические заряды, но это не подтверждается экспериментом.

Второй пример: при изменении температуры металлов в них не скомпенсированный заряд не появляется, несмотря на то, что характер движения электронов и ионов кристаллической решётки различен и при нагревании изменяются по-разному.

Центральное место в разделе «Электродинамика», при изучении электрических зарядов, занимает закон сохранения электрического заряда, который подтверждается всеми без исключения наблюдениями.

В 10 классе возможна формулировка этого закона, учитывающая атомистическое представление в строении электричества: в изолированной системе полный электрический заряд остаётся постоянным, электрические заряды могут возникать вновь, но всегда возникают (исчезают) два элементарных заряда противоположных знаков.

Наряду с этой формулировкой можно дать и другую, макроскопическую, основанную на идее возможности измерения заряда: алгебраическая сумма зарядов в замкнутой системе тел остаётся неизменной во времени.

Учащимся сообщают следующие доказательства закона:

а) одновременное появление противоположных по знаку, но равных по модулю, зарядов при контактной электризации тел;

б) появление двух противоположно заряженных частиц в процессе рождения электронно-позитронной пары в фотон;

в) сведение любых процессов электризации тел (через влияние, фотоионизацию и др.) к разделению равных по значению зарядов противоположных знаков;

г) соотношение между токами в разветвлениях цепи.

Учащимся стоит объяснить, что закон сохранения электрического заряда связан с инвариантностью заряда. Если бы заряд зависел от его скорости, то приведя в движение заряды какого-нибудь одного знака, изменился бы суммарный заряд изолированной системы.

Закон Кулона. Самый простой случай электромагнитного взаимодействия имеет место, когда заряженные тела покоятся в рассматриваемой системе отсчёта. Закон Кулона выражает основное свойство электростатического поля.

В самой формулировке закона Кулона указывается на неподвижность взаимодействующих заряженных тел. Учащимся необходимо разъяснить смысл этого условия. Сущность в том, что взаимодействие зарядов осуществляется посредством электромагнитного поля, которое может рассматриваться в пространстве с конечной скоростью. Время в закон не входит, а входит только расстояние. Всякое смещение одного из зарядов окажется на другом не сразу, а через некоторое время, необходимое электромагнитному сигналу для того, чтобы «пройти» расстояние, разделяющее заряды. В силу этого взаимодействие между зарядами не может определяться лишь расстоянием между ними в данное мгновение. Если бы скорость электромагнитного поля была бесконечно большой, то закон Кулона был одинаково справедлив как для неподвижных, так и для движущихся зарядов. Но в этом случае понятие электромагнитного поля оказалось бы изменённым. Поскольку электромагнитные сигналы распространяются с конечной скоростью, то движущиеся заряды взаимодействуют не так, как неподвижные, и описать это взаимодействие нельзя без рассмотрения электромагнитного поля.

Внимание учащихся следует обратить на то, что в формулировке закона Кулона имеется указание на точечность зарядов. Уместно провести аналогию с законом всемирного тяготения, в котором идёт речь о точечности тяготеющих тел. Полезно указать, что поле заряженной плоскости не подчиняется закону обратных квадратов: оно однородно и его действие от расстояния вообще не зависит.

Хотя закон Кулона справедлив только для точечных зарядов, это не означает, что нет способов его применения тогда, когда заряды нельзя считать точечными. В таких случаях можно поступить так: мысленно заряженное тело разделяют на отдельные элементы и каждый из них рассматривают как точечный. Затем находят действие каждого из этих точечных элементов на интересующий заряд и суммируют все элементарные силы. Полученная векторная сумма и является искомой величиной.

Возможность суммирования действия отдельных зарядов на какой-либо данный заряд - принцип суперпозиции - является опытным фактом. Учащиеся должны не только понимать и знать физические законы и принципы, но и понимать, что является опытным фактом, а что - просто логическим следствием. В этой связи следует сказать, что принцип суперпозиции, как и закон Кулона, является именно опытным фактом. Для иллюстрации этого желательно показать учащимся опыт. Можно наблюдать за действием заряженного шара на электростатический маятник. Затем поднести ещё один заряженный шар, который также окажет своё воздействие на маятник. Подобные опыты убеждают в том, что действие разных зарядов на данный заряд не зависимы.

Один из важных путей ознакомления школьников с современными идеями науки состоит в выяснении границ применяемости изучаемых законов. О законе Кулона можно сказать, что косвенные данные позволяют считать закон обратных квадратов верным, по меньшей мере, до расстояний в несколько километров. Однако прямых экспериментальных доказательств этого пока не существует. С другой стороны опыты по рассеянию заряженных частиц на ядрах (опыты Резерфорда) дают основание считать закон Кулона справедливым вплоть до расстояний порядка м. Следовательно, на электрон в атоме (размер атома порядка м) действует кулоновское притяжение положительно заряженного ядра.

Закон Кулона можно проиллюстрировать на модели крутильных весов (качественно). В начале закон записывают в виде:

или

Значение k (коэффициента) зависит от выбора системы единиц. Так в «СИ» , где - электрическая постоянная, , но для учащихся наименование . Значение устанавливается опытным путём.

Учащиеся должны знать, что в «СИ» единица заряда Кулон (Кл) является производной единицей и определяется как произведение 1 А на 1 с

2.2 Разработка анимационной модели по темам: понятие электрического заряда, закон Кулона, электрический ток, действия тока и опыт Эрстеда

На первой экранной странице изображено «Главное меню» (Рис.1). Оно содержит 5 разделов: понятие электрического заряда, закон Кулона, электрический ток, действия тока и опыт Эрстеда (теория и анимация). Рядом с каждым названием находится кнопка, нажав на каждую из них, можно посмотреть соответствующий видеоролик.

Рис. 1 Меню

В данной анимации используются кнопки:

- вернуться в меню (или вернуться к тексту из глоссария);

- следующая страница (кадр);

-предыдущая страница (кадр);

-проиграть;

-стоп.

- повтор.

Первые четыре ссылки в меню- это теория (рис. 2-3).

Рис. 2 Теория (понятие электрического заряда)

Рис. 3 Теория (действия поля)

Рис. 4 Опыт Эрстеда. Нажав на гиперссылку «анимация», вы можете просмотреть этот опыт (рис.5.)



Рис. 5 Анимация. При нажатии на ключ цепь замыкается, мы наблюдаем отклонение стрелки (рис.6)



Рис. 6 На этой экранной странице показано отклонение стрелки

Заключение

В ходе этой работы я изложил основные аспекты формирования у школьников важнейших понятий электродинамики, таких как электрический заряд, закон сохранения заряда, закон Кулона.

При этом было показано, что в процессе формирования понятий важное значение имеет их определение, ведь в определении указываются существенные отличительные признаки предметов и явлений, которые отражают данное понятие. В науке широко используются определения понятий через указание ближайшего рода и видового отличия. Например: «Равномерное движение -- есть движение с постоянной скоростью». Здесь понятие -- движение, видовой признак -- постоянная скорость.

Но, несмотря на важность определения понятий, учителю нужно помнить, что не все понятия можно определить, особенно на первой ступени изучения физики, когда круг знаний учащихся недостаточно широк для осмысления определений. Например, понятие массы (7 класс). Уровень знаний учащихся недостаточен для того, чтобы понять смысл общего определения данного понятия. В таких случаях вместо определения надо пояснять или описывать некоторые признаки понятия, или допускать неполные определения.

Литература

1. М. Гурвиц, Л. Мак-Кейб «Использование Macromedia Flash MX». - Вильяме, 2003. с. 29-30, 137-138, 174-175.

2. Щуркова Н. Е. «Воспитание детей в школе. Новые подходы и новые технологии», 1998.

3. Энциклопедия www.wikipedia.ru.

4. Научно-методический журнал «Физика в школе» №10, 2006г.с.56-62.

5. Журнал «Искусство в школе», №3,2005. с.53-56.

6. Педагогика: учебное пособие для студентов факультета педегогики. под ред. С. П. Баранова и др. М.: Просвещение, 1976. с. 352-355.

7. Объединённая редакция ежеквартального педагогического журнала «Демократическая школа» №4(15), 2003. с. 113-115.

Размещено на Allbest.ru