Совершенствование лекционного курса "Электричество и магнетизм" на основе применения компьютерных технологий

Ещё Норбертом Винером было сформулировано положение о том, что технические средства, используемые культурой данного общества, оказывают определённое влияние на преобладающие способы мышления. Информационные технологии не только меняют само существо связанной с ними деятельности, но и оказывают как прямое, так и косвенное воздействие на личность человека, что впоследствии может проявляться также и в тех видах деятельности, которые напрямую никак не связаны с их применением. Всё это объясняется тем, что наше мировосприятие в основном обусловлено и ограничено теми средствами, которые мы используем в разных видах своей деятельности. В ходе обучения на основе ИТО человек с помощью новых средств осваивает новые категории, дающие новые представления о картине мира, что впоследствии, безусловно, будет сказываться в других, не только учебных сферах его деятельности.

Особенности воздействия ИТО на психику обучаемого. Существуют различные ситуации, обусловливающие воздействие ИТО на психику обучаемого. Это, конечно, и непосредственное взаимодействие с той или иной информационной технологией в рамках учебно-познавательной деятельности. Далее, не стоит забывать о широком распространении компьютерных игр и специальных аттракционов, основанных на технологии виртуальной реальности. Даже те, кто никак впрямую не соприкасается с компьютерами, являются их косвенными пользователями, смотря анимационные фильмы, пользуясь кредитными карточками и т.д. Ну и, наконец, сами педагоги и обучаемые, активно взаимодействующие с информационными технологиями, распространяют их влияние все дальше и дальше.

Применяя ИТО в образовательном процессе, педагог должен учитывать следующие основные особенности.

Во-первых, те новообразования, которые возникают под влиянием ИТО, переносятся в условия традиционного общения. Исследования психологов показали, что значительно усиливаются требования к точности формулировок, логичности и последовательности изложения, повышается значение рефлексии, однако при этом же снижается роль эмоциональных средств общения.

Во-вторых, наблюдается и обратный процесс: особенности традиционной деятельности становятся присущи и компьютеризованной.

В работе как со школьниками младших классов, так и со студентами педагогам приходится очень часто наблюдать элементы «очеловечивания» программ и самих компьютеров, когда пользователь (начинающий или высококвалифицированный) восполняет поле своей деятельности отсутствующими, но, по всей видимости, просто необходимыми элементами. Опытному педагогу или психологу иногда достаточно просто посмотреть на то, как оформлен «Рабочий стол» на экране компьютера, чтобы многое понять о человеке.

Подобные противоположно направленные воздействия и формируют сложную и противоречивую структуру различных видов деятельности (в том числе и учебно-познавательный), основанной на применении информационных технологии.

Влияние ИТО на личность обучаемого может быть выражено в большей или меньшей степени: от локального, касающегося ограниченного круга психических явлений (например, использование компьютерного слэнга), до глобальных, свидетельствующих об изменении личности в целом (Internet - зависимость, синдром хакера и т.п.). Необходимо заметить, что психологи, педагоги, специалисты в области информационных технологий уделяли и уделяют много внимания исследованию последствий информатизации для различных видов деятельности - игровой, учебной, профессиональной. Однако вопросы глобальных изменений личности в полной мере еще не изучены, вот почему становится понятной необходимость участия педагогов, психологов в экспертизе разрабатываемых проектов по внедрению НТО. В этом случае появляется возможность выявить и принять меры как для нейтрализации негативного воздействия ИТО на личность обучаемого, так и для создания условий, в которых в наибольшей степени смогут проявить себя преимущества, обеспечивающие применение этих технологий.

Характерным примером служит использование в качестве ИТО Internet-технологий, дающее возможность позитивных преобразований личности на основе качественного изменения коммуникативной и познавательной деятельности, самого стиля обучения, поскольку при работе в Internet повышается активность познающего субъекта, индивидуализируется процесс обучения, преодолеваются стереотипы авторитарного стиля взаимодействия педагога и ученика, появляется доступ к различным, подчас противоречивым, источникам информации. Все это стимулирует развитие личности обучаемого -- самостоятельности его суждений, инициативности, мобильности. Однако существуют и отрицательные последствия: интенсивное интеллектуальное и творческое развитие не гарантирует того, что обучаемый успешно адаптируется к запросам и требованиям социальной среды. Реальна и Internet-зависимость, которой могут подвергнуться обучаемые самых разных возрастов. Психологические последствия этого явления -- социальная изоляция (частичный или полный отказ от общения с другими людьми, замена реальных друзей виртуальными, ослабление эмоциональных реакций, существенное сужение сферы интересов и т.п.). Некоторые избавляются от этого пристрастия самостоятельно, вдоволь «нагулявшись» по глобальной сети, в то время как для кого-то может потребоваться и помощь психолога.

Психологические механизмы воздействия информатизации. Большой интерес представляет также вопрос о том, каким образом те или иные психологические компоненты, сформированные под воздействием ИТО, переносятся в традиционные, «безкомпьютерные» сферы деятельности, т.е. в чём состоит суть психологических механизмов воздействия информатизации. Ответ на этот вопрос очень важен для педагога, поскольку позволяет использовать не только прямое, но и косвенное воздействие ИТО.

Перенос умений и навыков работы с ИТО на навыки традиционной деятельности может осуществляться с помощью аналогии и уподобления своей деятельности работе технического устройства. Так, педагоги, применяющие ИТО, отмечают, что эти технологии преобразуют учебную деятельность, внося в нее четкость, эффективность, предсказуемость. В то же время важнейшей задачей педагога становится показать обучаемым ограниченность подобного подхода. Нельзя исключать влияние примитивных (механических) способов «мышления» многих компьютерных обучающих программ на развитие способов мышления обучаемых. Необходимо перевернуть ситуацию, показав обучаемым, каким образом сознательно выбрать и применить оптимальные алгоритмы решения задач по аналогии с компьютером, но используя рациональный подход к построению именно оригинального решения, путь к которому подскажет интуиция, догадка, неординарный, иррациональный взгляд на проблему.

Не отрицая того, что ИТО способствуют развитию новых форм учебной деятельности, получению новых знаний, умений и навыков, отметим, что наблюдается и движение в обратном направлении. Используя для этого явления термин реверсия, психологи понимают под ним возрождение ряда ранее весьма значимых, но затем в значительной степени утративших свою роль психических компонентов.

Одним из наиболее характерных примеров является возрождение (правда, в новых, видоизмененных формах) эпистолярного творчества. Электронная почта, чаты, телеконференции потребовали навыков письменного общения, которые во многих развитых странах оказались практически забытыми благодаря широкому распространению телефонной связи. Там, где обучаемым становятся доступны коммуникационные технологии, естественным образом создаются условия для возникновения у них мотивации овладения письменной речью. Мы становимся свидетелями зарождения своеобразной субкультуры, включающей правила знакомства в Internet, этикет электронной деловой и личной переписки (в частности требующий обязательного быстрого ответа на каждое полученное письмо), специфический символьный язык, позволяющий передать в сообщении свое настроение. Internet переводит на новый, общедоступный уровень межэтническое общение, ведет к актуализации общекультурных познаний, создает мотивацию и условия для интенсивного изучения иностранных языков в ходе переписки.

Внедрение любых высоких технологий в различные сферы деятельности очень часто напрямую преследует в качестве основной цели освобождение человека от рутинных операций и, как следствие, создание условий для его развития. Так п внедрение ИТО постепенно делает ненужными не только многие умения и навыки, но даже формы деятельности. Однако отнюдь не всегда подобные потери являются допустимыми. Например, никто не будет отрицать больших возможностей электронных таблиц, позволяющих производить не только обычные вычисления, но и помогающих избавившись от рутинных операций, перейти к анализу данных. В то же время широкое и не всегда оправданное использование микрокалькуляторов даже в начальной школе ведет к утрате навыков устного счета, быстрого счета и т.п. В итоге это приводит к тому, что учащиеся не могут правильно оперировать самим понятием числа, поскольку не прочувствовали основные операции с числами.

Наибольшая опасность здесь кроется в том, что современные ИТО часто обеспечивают легкость получения разнообразной информации. Поэтому задача педагога состоит в том, чтобы направить усилия обучаемых на самостоятельную выработку новых знаний (не информации!), представляющих собой результат познавательного процесса, полученный самим обучаемым. Так, например, разнообразные программные комплексы для статистической обработки, системы символьной математики дают практически готовые и наглядно иллюстрированные решения разнообразных задач, получение которых ни в коем случае не должно быть самоцелью. Здесь мощный потенциал ИТО может вывести на новый уровень «традиционные» навыки обучаемых: поиск и установление взаимосвязей между различными параметрами, уточнение постановки задачи, сопоставление различных методов решения, анализ результатов, обобщение полученных знаний.

Широкому внедрению ИТО обязательно должны сопутствовать специальные меры, направленные на эмоциональное развитие обучаемых. Опасность технократического мышления, развивающегося под прямым и косвенным влиянием информационных технологий, по мнению психологов, состоит в том, что для такого мышления характерны «примат средства над целью, цели над смыслом и общечеловеческими интересами, смысла над бытием и реальностями современного мира, техники (в том числе и психотехники) над человеком и его ценностями».

Итак, последствия применения ИТО могут быть как позитивными, так и негативными, к оценке той или иной технологии нельзя подходить односторонне. Проектируя использование ИТО в учебно-воспитательном процессе, педагог должен проанализировать те возможные прямые и косвенные воздействия на личность обучаемого, которые и будут определять его развитие.

§1.3. Применение компьютерных технологий при чтении лекций

§2.1. Общие вопросы методики преподавания темы «Электричество и магнетизм»

Тему "Электростатика" нужно начать с доказательства существования двух типов зарядов. Безусловно, это следует сделать с помощью простейших опытов. Например, если потереть эбонитовую палочку о шерсть (например, о кошачью) и поднести палочку к шарику бузины, подвешенному на шелковой нити, то шарик притянется к заряженной палочке (рис. 1). Однако если шарик коснется палочки, то он тут же оттолкнется. Предложите ученикам подумать, почему это происходит, и потом объясните опыт.

Далее следует перейти к анализу характера взаимодействия зарядов и на опыте показать, что одинаковые электрические заряды отталкиваются, а противоположные - притягиваются. Для этого можно зарядить эбонитовую палочку, потерев ее о шерсть, а затем прикрепить ее на подставке так, чтобы она смогла поворачиваться. Точно так же следует зарядить конец другой такой же палочки и поднести ее к первой. Два заряженных конца отвернутся друг от друга, указывая на то, что заряженные одинаково тела отталкиваются (рис. 2). Повторите эксперимент, потерев две стеклянные палочки о шелк.

Пусть теперь ученики подумают, что произойдет, если одним из заряженных тел будет стеклянная палочка, а другим - эбонитовая. Пусть ученики попробуют сами сделать вывод. Можно показать и другие опыты.

Например, можно взять два совершенно одинаковых электроскопа и один из них зарядить с помощью стеклянной палочки, потертой о шелк. Затем с помощью проводника с изолирующей ручкой шарики электроскопов соединить. Если электроскопы совершенно одинаковы, то после соединения лепестки расходятся на один и тот же угол. Это говорит о том, что полный заряд распределяется между двумя электроскопами поровну. Если потом один электроскоп зарядить с помощью стеклянной палочки, потертой о шелк, а другой - с помощью эбонитовой палочки, потертой о шерсть, до одинакового отклонения лепестков, а потом соединить шарики проводником, то лепестки обоих электроскопов опадут. Это свидетельствует о том, что взятые в равных количествах заряды стеклянной и эбонитовой палочек компенсируют (нейтрализуют) друг друга.

В математике при сложении двух равных величин, имеющих разные знаки, получается нуль. По аналогии условились считать заряды, возникающие на стекле, положительными, а на эбоните - отрицательными. Подчеркните, что так приняли, можно было условиться, наоборот, считать заряды, возникающие на стекле - отрицательными. Важно другое: существование двух видов электрических зарядов. Можно задать вопрос: когда вы расчесываете волосы пластмассовой расческой, какие заряды приобретают волосы - одноименные или разноименные? Одинаковы ли по знаку заряды на расческе и волосах?

Часть энергии, затраченной на взаимное трение нейтральных тел, переходит в энергию движения некоторого числа электронов. Тело, которое менее прочно удерживает входящие в его состав электроны, отдает при трении больше электронов, чем получает, поэтому оно заряжается положительно. Например, шерсть удерживает входящие в ее состав электроны менее прочно, чем эбонит. Поэтому электроны переходят в большем количестве с шерсти на эбонитовую палочку, а не наоборот.

Часто школьники не понимают роль трения при электризации трением. Поясните, что основной причиной является не само трение, а факт тесного соприкосновения тел. В результате тесного соприкосновения двух разных тел часть электронов переходит с одного тела на другое. В результате одно тело всегда приобретает отрицательный заряд, другое - положительный. Под тесным соприкосновением понимается такое сближение тел, когда расстояния между атомами или молекулами, лежащими на поверхности этих тел, становятся такого же порядка, что и расстояния между ними внутри тел (~10-8 м). Реальные тела не бывают идеально гладкими. Поэтому при их соприкосновении такие расстояния достигаются только в отдельных точках и число электронов, переходящих с одного тела на другое, мало. Трение же увеличивает число участков "тесного" соприкосновения, и в результате увеличивается общий заряд, который окажется на каждом из тел при их разъединении.

При изучении закона взаимодействия электрических зарядов нужно рассказать об опытах Кулона и Кавендиша. Обсуждая закон Кулона, следует подчеркнуть, что он установлен для неподвижных электрических зарядов. Экспериментально измерить величину движущегося заряда невозможно, но на основании косвенных соображений можно утверждать, что величина заряда не зависит от скорости движения носителя заряда. То есть величина заряда является инвариантом и не изменяется при переходе от одной системы отсчета к другой. Справедливость закона Кулона неоднократно проверялась впоследствии. С высокой точностью он выполняется и при больших расстояниях, порядка размеров Вселенной, и при малых расстояниях, порядка размеров атома. Можно напомнить о законе всемирного тяготения Ньютона и провести сравнение этих законов. Важно отметить, что оба закона установлены на основе теории дальнодействия. Современная теория считает, что всякое взаимодействие осуществляется через поле. Взаимодействие покоящихся электрических зарядов осуществляется посредством электрического поля: каждый заряд создает электрическое поле, и это поле действует на другой заряд, помещенный в это поле. Поэтому закон Кулона можно формулировать следующим образом: сила, действующая в вакууме на покоящийся точечный заряд со стороны поля, создаваемого другим, также покоящимся и точечным зарядом, прямо пропорциональна величине этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль линии, соединяющей эти заряды.

Поясните, что введение понятия напряженности электрического поля позволит записать силу, действующую на заряд в локальной форме: если закон Кулона связывает величины, относящиеся к разным точкам пространства, то выражение связывает величины, относящиеся к одной и той же точке пространства.

Введите понятие силовых линий или линий напряженности электрического поля. Объясните, почему по густоте расположения силовых линий можно судить о напряженности поля в данной области пространства. Постройте и покажите на опытах картины силовых линий заряженных шариков, двух пластин, двух колец. Поясните, что силовые линии служат только для наглядного изображения распределения поля в пространстве. Никакого физического смысла они не имеют.

Очень важным при вычислении напряженности полей, создаваемых системой точечных зарядов или заряженных тел конечных размеров, является принцип суперпозиции. Поясните, как с помощью принципа суперпозиции можно вычислить напряженность поля заряженной нити или поля диполя. В общем случае для заряженных тел сложной формы расчет напряженности поля в данной точке пространства задача громоздкая, но решаемая, если известно распределение заряда на теле.

Рассмотрев расчет напряженности полей с помощью принципа суперпозиции, можно перейти к теореме Гаусса и применению ее для расчета напряженности электрического поля заряженных тел. Полезно одну и ту же задачу, например, задачу о напряженности поля, создаваемого равномерно заряженной бесконечной нитью, решить обоими методами. Однако поясните, что теорему Гаусса целесообразно применить только тогда, когда электрическое поле обладает какой-либо симметрией. При решении задач обязательно проводите анализ решения, делая акцент на физическом смысле полученного результата.

Электрическое поле, как и гравитационное, является центральным. Поэтому работа сил электростатического поля не зависит от формы траектории. Перемещение данного заряда определяется исключительно положением начальной и конечной точек траектории, это важнейшее свойство электрического поля неподвижных зарядов. Оно позволяет ввести для его характеристики новое понятие потенциала. Нагляднее всего это можно сделать, вычислив работу по перемещению пробного заряда в поле точечного неподвижного заряда. Так как с другой стороны работу консервативных сил можно представить как разность потенциальных энергий, то, сравнивая полученные выражения для работы, легко определить потенциальную энергию взаимодействия точечных электрических зарядов. Обратите внимание учащихся на то, что потенциальная энергия взаимодействия зарядов определяется с точностью до произвольного слагаемого, которое можно задать произвольным образом. Например, значение этой постоянной выбирается таким образом, чтобы при удалении заряда на бесконечность потенциальная энергия обращалась в нуль.

Естественно допустить, что заряды, создающие электрическое поле, расположены в конечной области пространства. При удалении от этой области поле ослабевает и на бесконечности оно вообще отсутствует. Подчеркните, что по какому бы пути заряд не перемещали из одной и той же точки на бесконечность, работа будет одна и та же. Но для другого заряда эта работа уже будет иной. Действительно, если увеличить величину заряда в 2, 3, n раз, то сила, действующая на заряд (), возрастает во столько же раз, и во столько же раз возрастают работа и потенциальная энергия взаимодействия заряда с источником поля. Поэтому потенциальная энергия не может служить однозначной характеристикой поля. Однако отношение потенциальной энергии к величине пробного заряда уже не зависит от величины заряда, его уже можно использовать для характеристики поля, наряду с напряженностью поля. Это отношение и называют потенциалом электрического поля. Так как при удалении от заряда создаваемое им поле ослабевает, то потенциал бесконечно удаленной точки полагают равным нулю.

Поясните, что введение потенциала важно и потому, что, если известны потенциалы в двух точках поля, то работу по перемещению заряда можно выразить через разность потенциалов в этих точках. Наоборот, вычислив работу по перемещению заряда из одной точки поля в другую, находим однозначно разность потенциалов. Так как потенциал определяется с точностью до произвольной постоянной величины, физический смысл имеет не потенциал, а разность потенциалов.

Таким образом, для характеристики электростатического поля используются две величины: векторная величина - напряженность и скалярная величина - потенциал. Покажите, что введение потенциала позволяет использовать другой способ графического описания электрического поля с помощью эквипотенциальных поверхностей. Важно подчеркнуть, что эти две характеристики связаны друг с другом. Докажите, что линии напряженности перпендикулярны к эквипотенциальным поверхностям.

Обратите внимание учащихся на то, что все рассуждения о свойствах и характеристиках электростатического поля касались поля в вакууме. В реальных условиях электрическое поле существует в веществе: в проводниках, в диэлектриках, в полупроводниках. Начать изучение темы "Электрическое поле в веществе" нужно с проводников. Поясните, что их свойства обусловлены наличием в них свободных электронов, которые в результате теплового движения могут перемещаться по проводнику в любом направлении. При наличии электрического поля на тепловое хаотическое движение накладывается упорядоченное движение электронов, что приводит к перераспределению электрических зарядов в проводнике - электрической индукции. Объясните, почему внутри неразряженного проводника, находящегося в электрическом поле, напряженность поля равна нулю, потенциал постоянен, при этом весь заряд распределен по поверхности проводника.

Часто ученики не могут понять физический смысл понятия "электроемкость", не могут объяснить, почему электроемкость данного проводящего тела зависит от расположенных вблизи него других тел. Возникают трудности при решении задач. Поэтому следует подробно разобрать с учениками эти вопросы.

Полезно пояснить это понятие на опытах, например, с шарами различных радиусов: заряженные одинаковыми количествами электричества, они оказываются под различными потенциалами. Покажите, что если увеличивать заряд шара, то пропорционально растет и потенциал. Отсюда формула , где C - коэффициент пропорциональности, называемый электроемкостью проводника. На опыте можно показать, что электроемкость зависит от диэлектрической проницаемости среды. Объяснение этой зависимости можно дать, если уже рассмотрены свойства диэлектриков. Действительно, если мы заряжаем металлический шар, сообщая ему некоторый заряд q, то под действием электрического поля шара происходит поляризация окружающего его диэлектрика. На поверхности диэлектрика, соприкасающейся с поверхностью шара, возникает заряд q' противоположного знака, по величине меньший q. Он также создает вокруг себя поле, в результате чего потенциал поверхности шара уменьшается. Уменьшение потенциала шара при неизменном заряде q говорит об увеличении электроемкости шара.

На опыте можно также показать, что при приближении к заряженному шару какого-либо проводящего тела потенциал шара также уменьшается. Это говорит об увеличении электроемкости шара. Таким образом, электроемкость проводника зависит от других проводящих тел, окружающих данный проводник. Объясняется это следующим образом. Под электроемкостью мы понимаем физическую величину, измеряемую отношением величины заряда, находящегося на данном проводнике, к величине потенциала этого проводника. Потенциал же проводника зависит не только от заряда на нем самом, но и от зарядов всех окружающих тел. Если даже окружающие проводники не были предварительно заряжены, то при сообщении заряда данному проводнику на окружающих проводниках индуцируются заряды, вследствие чего потенциал данного проводника уменьшается, а электроемкость увеличивается. Это положено в основу устройства конденсаторов. В конденсаторах благодаря специальному расположению и форме проводников электроемкость практически не зависит от наличия окружающих тел. Расскажите, как устроены конденсаторы различных типов (плоские, сферические, цилиндрические). Объясните, что при малой величине зазора между обкладками конденсатора почти все поле сосредоточено между ними, линии напряженности начинаются на одной из обкладок и заканчиваются на другой. Поэтому окружающие тела практически не подвергаются воздействию поля, создаваемого зарядами на обкладках конденсатора, а следовательно, на них и не возникают заряды, могущие изменить потенциал на обкладках конденсатора.

Назначение конденсаторов в различных устройствах различно. Конденсаторы могут использоваться для накопления зарядов большой величины. Включение конденсатора совместно с катушкой индуктивности позволяет создать электрическую колебательную систему. Запасенная в электрическом поле конденсатора энергия переходит в энергию магнитного поля в катушке и наоборот; возникают электромагнитные колебания. Такую систему можно настроить на любую частоту, что используется в приемных и передающих устройствах.

Рассмотрите возможные соединения конденсаторов на примерах.

При изучении электрического поля в диэлектриках возможны два подхода: макроскопический и микроскопический. В первом случае вводится макроскопическая характеристика - диэлектрическая проницаемость среды, которая может быть определена экспериментально. Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз напряженность поля в диэлектриках отличается от напряженности поля в вакууме.

Трудности при микроскопическом описании заключаются в том, что существуют разные виды диэлектриков и различные механизмы их поляризации. Однако во всех случаях на поверхности однородного диэлектрика появляются поляризационные или связанные заряды (в случае неоднородного диэлектрика возникают еще и объемные поляризационные заряды). Связанные заряды не могут свободно перемещаться по диэлектрику, но они, так же как и свободные заряды, создают электрическое поле. Вектор напряженности электрического поля связанных зарядов ' всегда направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля 0. Поэтому результирующее поле согласно принципу суперпозиции будет равно = 0 + ', что и приводит к ослаблению поле в диэлектрике.

Постоянный электрический ток

Электрический ток - это упорядоченное движение электрических зарядов. В металлах в переносе тока участвуют электроны. Полезно рассказать об экспериментах, которые это доказывают. Как показывает опыт, ученики плохо представляют себе, что такое упорядоченное движение. Часто говорят, что в отсутствие электрического поля свободные электроны участвуют в тепловом хаотическом движении, а при включении поля они начинают двигаться в направлении поля. На самом деле это не так. При включении поля на беспорядочное движение электронов накладывается упорядоченное движение электронного газа. Это похоже на поведение роя мошкары. Внутри роя мошка совершает беспорядочное движение, но при движении ветра рой начинает перемещаться в определенном направлении, при этом характер движения мошек внутри роя сохраняется. Скорость упорядоченного движения много меньше скорости теплового движения. Важно отметить, что скорость распространения тока в проводнике отлична от скорости упорядоченного движения электронов. Скорость распространения тока определяется скоростью распространения электрического поля в проводнике, которая равна 3108 м/с. Скорость упорядоченного движения электрических зарядов зависит от напряженности поля в проводнике. Так при напряженности поля Е = 1 В/см скорость упорядоченного движения электронов составляет 0,5 мм/с. Таким образом, скорость распространения тока определяется скоростью распространения электрического поля вдоль проводника. Можно при объяснении этого провести аналогию с течением жидкости по трубе. На водопроводной станции начинает работать насос, повышающий давление жидкости в данном месте. Это повышенное давление распространяется по жидкости вдоль трубы со скоростью звука (в воде - со скоростью 1 км/с), поэтому через 1 секунду частицы жидкости начинают двигаться на расстоянии 1,5 км от конца трубы, а через 60 секунд - на расстоянии 90 км. Если труба имеет длину 90 км, то через минуту после включения насоса вода начнет вытекать из трубы. При этом частицы жидкости движутся намного медленнее, и потребуется несколько часов для того, чтобы они прошли расстояние 90 км.

Подчеркните, что за направление электрического тока условно принято направление, в котором под действием существующей разности потенциалов двигались бы положительные заряды. Поэтому, если носителями зарядов являются положительные ионы, то направление тока совпадает с направлением движения зарядов, если носителями зарядов являются электроны, то направление тока и направление движения зарядов противоположны.

Введите понятие плотности тока. Подчеркните, что сила тока является скалярной характеристикой тока, а плотность тока - векторной. Направление вектора плотности тока совпадает с направлением скорости упорядоченного движения положительных зарядов.

При достаточной подготовке учеников полезно рассмотреть классическую теорию проводимости металлов и теоретически получить выражение закона Ома. Для этого следует пояснить, что в выражение входит средняя скорость упорядоченного движения электронов на среднем пути свободного пробега между препятствиями, которые электрон встречает при своем движении. (Это могут быть ионы, расположенные в узлах кристаллической решетки, атомы примеси, электроны). Электрон в проводнике движется с ускорением, которое ему сообщает сила, действующая со стороны электрического поля и равная . Двигаясь с ускорением , электрон приобретает на пути дополнительную скорость , направленную вдоль поля в сторону, противоположную , так как заряд электрона отрицателен. Каждое столкновение электронов с препятствием нарушает возникшую в его движении направленность движения, поэтому на пути его скорость изменяется от 0 до u0 = a, где - время свободного пробега, то есть время между двумя последовательными столкновениями.

Время , где vT - средняя скорость теплового движения электронов. Так как , следовательно, , где m - масса электрона. Среднее ее значение и . Сила тока I=jS . С учетом того, что , получим . Величина при данной температуре для данного сорта проводника является величиной постоянной и не зависит от размеров проводника. Ее называют удельным сопротивлением. Вводя обозначение , приходим к равенству , выражающему закон Ома.

Сопротивление зависит от температуры. Так как при повышении температуры возрастает скорость теплового хаотического движения, то с повышением температуры удельное сопротивление растет по закону . Здесь - постоянная величина, называемая температурным коэффициентом сопротивления, 0 - удельное сопротивление при нуле градусов Цельсия (иногда принимают 0 за значение при 20o С, это приводит к ошибкам при решении задач). Уместно в этом разделе поговорить с учениками о явлении сверхпроводимости.

Важно подчеркнуть, что необходимым условием существования тока в цепи является наличие источника тока. Источниками тока называются устройства, в которых энергия какого-либо вида (химическая, механическая, тепловая) преобразуется в энергию движущихся по проводнику электрических зарядов. На сегодняшний день получение электрического тока представляет задачу большой важности, в решении которой занято огромное количество людей во всем мире. Однако следует напомнить, что современным методам получения электрического тока предшествовали простейшие эксперименты Гальвани и Вольта (смотрите курс "История физики"). Объясните, как действует элемент Вольта, как гальванический элемент создает ток, как устроены аккумуляторы.

Очевидно, никакое исследование не может считаться вполне научным до тех пор, пока не проведены измерения всех изучаемых величин. Найти прямые методы измерения электрических величин гораздо труднее, чем, например, методы измерения количества воды, угля и т.д. Для измерения электрического тока используются различные гальванометры и амперметры. Объясните, как включается амперметр в цепь электрического тока, для чего используются шунты. Отметьте, что амперметр должен иметь очень низкое сопротивление, чтобы практически не влиять на ток. Расскажите об измерении разности потенциалов с помощью вольтметра. Вольтметр имеет высокое сопротивление и всегда включается параллельно. Покажите, как включаются амперметр и вольтметр на электрических схемах.

Следует подчеркнуть, что внутри источника действуют силы не электростатического происхождения, которые называются сторонними. Можно это показать на таком простом примере. Пусть два проводящих шара А и В заряжены до потенциалов A и B. Будем считать, что A < B. Если эти шары соединить проводником, то электроны с шара А будут переходить на шар В. Потенциал шара В будет понижаться до тех пор, пока потенциалы обоих шаров не сравняются. Однако, если, например, непрерывно переносить электроны с помощью невесомой ленты из изолирующего материала с шара В на шар А так, чтобы разность потенциалов B - A оставалась постоянной, то в соединительном проводнике будет все время течь постоянный ток. В действительности роль ленты играет любой реальный источник тока. Он совершает работу по перемещению заряда по внутреннему участку цепи и, следовательно, затрачивает некоторое количество энергии. Это может быть энергия любого вида: механическая, тепловая, химическая, световая. Следует подчеркнуть, что она не может быть энергией электростатического поля. Энергия, затрачиваемая источником в процессе перемещения заряда по внутреннему участку цепи, идет на увеличение энергии заряда и на работу по преодолению сопротивления источника тока. Для перемещения данного заряда по замкнутой цепи в различных источниках тока расходуется разное количество энергии и, следовательно, совершается разная работа. Отношение этой работы к величине перемещаемого заряда для каждого источника есть величина постоянная. Это отношение называют электродвижущей силой (ЭДС), .

Сформулируйте четко, в чем заключается физический смысл ЭДС. Поясните, что название сложилось исторически, в действительности, ни с какой силой в обычном смысле этого слова понятие ЭДС не связано. В источнике тока обязательно действуют сторонние силы, поэтому источник характеризуется величиной ЭДС и внутренним сопротивлением источника r.

Таким образом, перемещение электрического заряда происходит под действием сил электрического поля и сторонних сил. Полная работа по перемещению заряда q складывается также из работы сил электрического поля и работы источника ЭДС: . Обсудите физический смысл этой формулы, введите понятие напряжения U, поясните, как выглядит выражение U для однородного и неоднородного участка цепи.

Запишите закон Ома для неоднородного участка цепи, для замкнутой цепи. Покажите, что напряжение U на зажимах работающего источника всегда меньше его ЭДС. Закрепите материал с помощью упражнений и решения задач.

Пример. Два одинаковых элемента с ЭДС и внутренним сопротивлением r соединены так, как показано на рис. 3а и 3б. Определите показания вольтметра. Сопротивлением проводов пренебречь. Внутреннее сопротивление вольтметра считать бесконечно большим.

Решение: в случае "а" оба элемента посылают ток в одном направлении. Падение напряжения на источнике Ur=Ir в каждом элементе. Поэтому напряжение на зажимах каждой батареи . Величина создаваемого тока:

Поэтому U=0.

В случае "б" оба источника действуют навстречу друг другу, поэтому I=0 и U = .

Очень полезно познакомить учеников с правилами Кирхгофа, которые значительно облегчают расчет сложных разветвленных цепей. Обязательно поясните, что первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения электрического заряда. В случае постоянного тока нет стоков и истоков зарядов, то есть в любом узле не может происходить накопления зарядов, сколько зарядов приносится током, столько и уносится. При объяснении второго закона поясните, что он используется только для замкнутых контуров. Его применение связано с заданием направления токов, направления обхода контура и знака ЭДС. Подчеркните, что выбор направления обхода контура условен, но он позволяет задать знаки электрических величин. Для усвоения необходимо решить как можно больше задач.

Если замкнутый участок цепи содержит несколько сопротивлений или источников ЭДС, нужно использовать правила нахождения сопротивления участка цепи при последовательном или параллельном соединении сопротивлений. То же касается источников тока.

Пример. Два элемента соединены параллельно навстречу друг другу. Первый элемент имеет ЭДС 1 = 2 В и внутреннее сопротивление r1 = 0,6 Ом, второй - 2 = 1,5 В и r2 = 0,4 Ом. Определите напряжение на зажимах источников.

Решение: ЭДС действуют навстречу друг другу, поэтому результирующая ЭДС . Общее сопротивление цепи . Ток в цепи . В первом элементе на внутреннем сопротивлении падает напряжение , во втором - , поэтому

Как и следовало ожидать, .

При изучении закона Джоуля-Ленца особых затруднений не встречается. Однако следует заметить, что закон в виде удобнее использовать для расчетов при последовательном соединении, так как в этом случае через все участки цепи протекает один и тот же ток.

При параллельном соединении все участки цепи находятся под одинаковым напряжением, поэтому закон Джоуля-Ленца удобнее записать в форме . Однако, в такой форме закон может быть использован не всегда, а только в тех случаях, когда энергия тока на данном участке переходит только в тепловую энергию. Например, в случае электромотора, вращающего какой-либо станок, часть энергии тока превращается в механическую, а часть идет на нагревание проводов обмотки электромотора. Поэтому даже если электромотор подключен параллельно другим электроприборам, для расчета тепла, идущего на нагревание его обмоток, нужно пользоваться законом в виде .

Магнитное поле в вакууме

Изучение темы "Магнитное поле в вакууме" необходимо начать с демонстрации экспериментов, которые показывают, что движущиеся заряды создают магнитное поле. Это, прежде всего, опыт Эрстеда - действие электрического тока на магнитную стрелку. Сравнивая результат этого опыта с действием постоянного магнита на магнитную стрелку, легко пояснить, почему поле движущихся зарядов названо магнитным. Подчеркните, что неподвижные заряды создают электростатическое поле и не создают магнитного поля. Однако, так как движение относительно, то заряд, движущийся в одной системе отсчета, будет неподвижным в другой. Поэтому деление на электрическое и магнитное поле относительно, и следует говорить о едином электромагнитном поле. Но в том случае, когда исследования проводятся в системе, в которой заряды движутся, можно говорить о магнитном поле. Обнаружить и измерить магнитное поле можно по силе взаимодействия электрических токов.

При взаимодействии параллельных проводников с током один из них может служить пробным устройством для измерения магнитного поля, создаваемого другим током. Покажите на опыте, что величина силы, действующей на пробный ток, зависит от длины проводника, силы тока и их взаимной ориентации, при этом сила максимальна, когда проводники параллельны. Исходя из этого факта, введите характеристику магнитного поля - магнитную индукцию, сравните с характеристикой электрического поля . Введите понятие силовых линий магнитного поля и покажите на опытах с железными опилками характер силовых линий магнитного поля токов различной конфигурации. Сравните картины силовых линий, создаваемых токами и постоянными магнитами различной формы. Более подробно остановитесь на виде силовых линий, создаваемых прямым проводником с током. Покажите, что помещенная рядом с проводом магнитная стрелка устанавливается по касательной к линиям поля. Направление линий поля прямого тока можно определить с помощью векторного произведения или, пока оно не введено, с помощью простого правила правой руки.