Электромагнитные явления и теория физики в помощь при построении автозвука. Повторение темы "Электромагнитные явления" (Гребенюк Ю.В.) Электромагнитные явления теория

Еще со времен Фарадея изучаются электромагнитные явления. Однако взаимодействие электропроводных жидкостей и электромагнитного поля внимание к себе привлекло лишь в последние годы. Основным толчком к изучению данных явлений стала астрофизика. Уже долгие годы предполагается, что основная часть материи во Вселенной находится в состоянии высокоионизированного газа или плазмы. Главные сведенья в области электромагнитной динамики были получены в результате астрофизических исследований.

Роль электромагнитных явлений в физике

В космической физике главная роль принадлежит электромагнитным явлениям, поскольку в космосе существуют магнитные поля, которые прямым образом воздействуют на движение заряженных частиц. Электромагнитные силы при определенных условиях в разы превосходят гравитационные.

Впервые электромагнитные явления были применены для передачи информации. В XIX столетии создается телеграфия. Ее суть была очень проста: любое сообщение, что состояло из цифр и букв, может передаваться при помощи набора знаков, то есть сообщение кодируется.

Все электромагнитные явления подчинены определенным закономерностям, которые характеризуют электромагнитную форму движения материи, что кардинально отличается от механической. В электронных устройствах электромагнитные явления описаны сложными взаимоотношениями и характеризуются величинами, что зависят от пространственных координат и времени. Но такое описание является слишком обширным при исследовании сложных электронных устройств.

Электромагнитные явления не считались автономными. Благодаря усилию многих ученых данные явления были сведены к механическим. Изучение механики и электромагнитных явлений привело к формированию теории относительности: тут четырехмерное пространство и время были представлены единым многообразием, а его разделение на пространство и время – условным.

Главная особенность электромагнитных явлений в системе определена изменением свойств заготовок, при переходе от одной заготовки к другой. Первичные заготовки были полностью ферримагнитными, а остальные либо частично ферримагнитными, либо вовсе немагнитными.

Изучение электромагнитных явлений требовало длительного непрерывного труда и напряжения воображения. Для того чтобы выработать правильное материалистичное понимание процессов, необходимо постоянно руководствоваться советской литературой по физике. В процессе изучения электромагнитных явлений было определено, что вокруг электрического тока всегда существовало магнитное поле. Поле и электрический ток неотделимы друг от друга.

В развитие теории электромагнитных явлений наибольший вклад внесли Максвелл и Фарадей. Только после того как Максвелл создал теорию электромагнитного поля говорилось о создании электромагнитной мировой картины. Ученый разработал теорию электромагнитного поля на основе электромагнитной индукции, что была открыта Фарадеем. Он, в свою очередь, проводил эксперименты с магнитной стрелкой и пришел к выводу, что вращение стрелки обусловлено особым состоянием окружающей среды, а не электрическими зарядами в проводнике. После этого ученый вводит понятие поля, как множества магнитных линий, что пронизывают пространство и способны выявлять и направлять электрический ток.

Теория электромагнитного поля, что была создана Максвеллом, сводилась к тому, что трансформирующееся магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля не только в окружающих телах, но и вакууме. Эта теория стала новым этапом в развитии физической науки. В соответствии с ней, весь мир – это электродинамическая система, которая состоит из заряженных частиц, что взаимодействуют друг с другом при помощи электромагнитного поля.

Электрические заряды движутся относительно друг друга, вследствие чего возникает дополнительная магнитная сила. Электромагнитная сила – это объединение магнитной и электрической силы. Электрические силы соотносятся с движущимися и покоящимися зарядами, а магнитные – только с движущими. Многообразие зарядов и сил описаны в уравнениях Максвелла, что стали в будущем уравнениями классической электродинамики.

Эти уравнения положили начало закону Кулона, который идентичен закону всемирного тяготения Ньютона. Закон Кулона выглядит следующим образом:

$F_k = k\frac{q_1q_2}{r^{2}}$

Закон всемирного тяготения Ньютона выглядит следующим образом:

$F_H = G\frac{m_1m_2}{R^{2}}$

Также закон Ньютона имеет следующие утверждения:

магнитные силовые линии не имеют начала и конца, а также они абсолютно непрерывны;
магнитных зарядов в природе не существует;
электрическое поле формируется при помощи электрических зарядов и переменного магнитного поля;
магнитное поле может формироваться как при помощи переменного электрического поля, так и с помощью электрического тока.

Электромагнитные явления кардинальным образом изменили представление о материи.

Электромагнитные явления. Основные термины и формулы

Определение 1

Электрический заряд – это величина, которая характеризует свойство тел и частиц вступать в электромагнитное взаимодействие.

Существует два вида электрических зарядов:

положительные заряды, носителями которых являются протоны;
отрицательные заряды, носителями которых являются электроны.

Атом состоит из ядра, который, в свою очередь, состоит из нейтронов, электронов и протонов. Атом превращается в ион, если он получает или отдает несколько электронов.

Определение 2

Электризация – это процесс приобретения заряда при помощи макроскопического тела.

На данный момент существует несколько способов электризации:

при помощи трения;
при помощи влияния.

Определение 3

Электрическое поле – это форма материи, что существует вокруг заряженных частиц и тел, и действует на другие частицы, что имеют заряд.

Основными законами электростатики являются:

Закон Кулона для неподвижных зарядов: $F_k = k\frac{q_1q_2}{r^{2}}$
Закон сохранения заряда (для замкнутой системы): $ q_1 + q_2… + q_n = const $

Определение 4

Электрический ток – это направленное движение частиц, которые имеют электрический заряд.

Есть несколько условий, которые обеспечивают существование электрического тока:

наличие свободных частиц, которые имеют заряд;
наличие электрического поля.

Действие электрического поля может быть:

тепловым;
магнитным;
химическим;
световым.

Электрическое поле формируется при помощи источников тока, в которых осуществляется работа по разделению зарядов. Это происходит за счет преобразования нескольких видов энергии в энергию электрического поля.

К характеристикам участка цепи можно отнести:

Силу тока: $I = \frac {q}{t}=A (ампер)$ - измерение осуществляется при помощи амперметра.
Напряжение: $U = \frac{A}{q}= В (вольт)$ - измеряется при помощи вольтметра.
Сопротивление: $R = p\frac{l}{S} = Ом$ - измеряется при помощи омметра.

Закон Ома для участка цепи выглядит следующим образом:

$I = \frac{U}{R}$

Существует два вида соединения проводников: последовательное и параллельное. Последовательное соединение проводников выглядит следующим образом:

$I = I_1 = I_2 =…= I_n$
$U = U_1 + U_2+…+U_n$
$R = R_1 + R_2 +…+ R_n$

Параллельное соединение проводников выглядит следующим образом:

$ I = I_1+I_2+…+I_n$
$U = U_1 = U_2 =…= U_n$
$ \frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} +…+ \frac{1}{R_n}$

Работа тока: $A = Ult$

Мощность тока выглядит так: $P = IU$

Количество теплоты, что выделяется при прохождении сквозь проводник тока можно выразить следующим образом: $Q = I^2 Rt$

Электрический ток может существовать в различных средах:

В металлах осуществляется направленное движение свободных электронов.
В жидкостях происходит направленное движение свободных ионов, которые образуются в результате электролитической диссоциации. Закон электролиза выглядит следующим образом: $m = qk = klt$
В газах происходит направленное движение электронов и ионов, что образуется в результате ионизации.
В полупроводниках – направленное движение свободных дырок и электронов.

Определение 5

Магнитное поле – это особая форма материи, существующая вокруг заряженных движущихся частиц и тел, и действует на другие заряженные частицы и тела, что движутся в этом же поле.

Линии магнитного поля – это условные линии, вдоль которых устанавливаются оси магнитных стрелок в магнитном поле.

Интересные факты применения электромагнитных явлений

Сохранились записи, которые подтверждают, что в древние времена императора Нерона, что страдал ревматизмом, лечили электрованнами. Суть такого лечения заключалась в следующем: в деревянную кадку с водой были помещены электрически скаты. Находясь в такой ванной, человек подвергался действию электрических полей и зарядов.

В Швейцарии в прошлом столетии была изобретена электрическая няня. Под детские пеленки подкладывались изолированные металлические сети, что разделялись сухой подкладкой. Эти сети соединялись с низковольтным источником тока и с электрическим звонком. Когда подкладка становилась мокрой, цепь замыкалась, и срабатывал звонок. Это позволяло матерям сразу знать, когда нужно заменить пеленку.

В тех регионах, где встречаются сильные морозы, существовала проблема слива нефтепродуктов, поскольку их вязкость при низких температурах была слишком высокая. Тогда ученые разработали технологию электроиндукционного нагрева цистерн, которая позволяла сократить энергозатраты.

При помощи электромагнитных явлений можно было определить отпечатки пальцев человека, что держал в руках гильзы и патроны. Поместив гильзу в электрическое поле в виде электрода, на него в вакууме напылялась металлическая пленка, на которой проявлялись отпечатки пальцев, что легко поддавались идентификации.

Связь магнитного поля с током привела к многочисленным попыткам возбудить ток в контуре с помощью магнитного поля. Если вокруг проводников с токами возникает магнитное поле, то должно существовать и обратное явление – возникновение электрического тока в замкнутом проводнике под действием магнитного поля. Эта задача была блестяще решена в 1831 г. английским физиком Фарадеем, открывшим явление электромагнитной индукции – была доказана связь между электрическими и магнитными явлениями, что послужило толчком для разработки теории электромагнитного поля.

1. Электромагнитная индукция. Явление электромагнитной индукции состоит в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур проводника, в проводнике возникает электродвижущая сила (э.д.с.) индукции, вызывающая появление электрического тока, кот наз. индукционным. Э.д.с. индукции возникает так же и в незамкнутом проводнике при его движении в магнитном поле, при котором проводник пересекает линии магнитного поля.

Опыт 1 : если в замкнутый на гальванометр соленоид вдвигать или выдвигать постоянный магнит, то в моменты его вдвигания или выдвигания наблюдается отклонение стрелки гальванометра (возникает индукционный ток); направления отклонений стрелки при вдвигании и выдвигании магнита противоположны. Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки.

Опыт 2: силу тока в контуре 1 можно изменять с помощью реостата. Этот ток создает магнитное поле, пронизывающее контур 2, если увеличивать ток , поток магнитной индукции через контур 2 будет расти. Это приведет к появлению в контуре 2 индукционного тока , регистрируемого гальванометром. Электромагнитную индукцию можно вызвать:

1. Уменьшая ток , что обусловит убывание магнитного потока через второй контур и приведет к появлению в нем индукционного тока иного направления, чем в первом случае.

2. Индукционный ток можно вызвать также приближая контур 2 к контуру 1 или удаляя второй контур от первого.

3. Не перемещая контур 2 поступательно, а поворачивая его так, чтобы изменялся угол между нормалью к контуру и направлением поля.

Опытным путем было установлено, что значение индукционного тока (э.д.с) не зависит от способа изменения потока магнитной индукции , а определяется лишь скоростью его изменения. т.е. значением . Этот закон является универсальным. (1821г.)

Профессор петербургского университета Ленц исследовал связь между направлением индукционного тока и хорактером вызвавшего его изменения магнитного потока: правило Ленца:индуцируемая в контуре э.д.с. вызывает ток такого направления, что магнитное поле этого тока препятствует изменению магнитного потока.

Напр., при приближении контура 2 к контуру 1 возникает ток , магнитный момент которого направлен противоположно полю тока (угол между векторами и равен ). Следовательно, на контур 2 будет действовать сила, отталкивающая его от контура 1. При удалении контура 2 от контура 1 возникает ток , момент которогосовпадает по направлению с полем тока , так что сила, действующая на контур 2, направлена к контуру 1.

Ленц получил это правило из опыта, анализируя многочисленные эксперименты. На самом деле, действие этого правила гораздо шире – оно выражает общий принцип, согласно которому любая система стремится сохранить устойчивое состояние равновесия и противодействует всяким изменениям этого состояния.

Формула, объединяющая в себе закон Фарадея и правило Ленца явл. математическим выражением основного закона электромагнитнойц индукции.

Основной закон электромагнитной индукции (закон Фарадея – Максвелла ). Электродвижущая сила индукции, возникающая в замкнутом контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока со временем: , где число витков контура, потокосцепление, если все витки катушки пронизываются одним и тем же потоком, то .

Замечание 1. Знак минус отражаетправило Ленца. В большинстве случаев при числовых расчетах этот знак может быть опущен.

Замечание 2. Для замкнутого контура .

Э.д.с. выражается в вольтах .

Для доказательства закона Фарадея используем закон сохранения энергии. Рассмотрим замкнутый контур, в котором один из проводников может перемещаться. Поместим контур в однородное поле, перпендикулярное плоскости чертежа и направленное за чертеж. Пусть проводник движется со скоростью . Сила, действующая на движущийся проводник. Работа, которая производится на отрезке : . Энергия источника расходуется на тепло и работу: . С другой стороны , получаем . Величина играет роль э.д.с., т.к. она приводит к появлению в замкнутой цепи электрического тока. Следовательно, эта величина и является э.д.с. электромагнитной индукции.

Очевидно, что магнитный поток только в тех случаях, когда проводник пересекает линии магнитной индукции поля, поэтому называют скоростью пересечения проводником линий магнитной индукции.

Например, в случае прямолинейного проводника, кот. движется в однородном магнитном поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, э.д.с. индукции в проводнике , где угол между проводником и направлением его скорости .

Разность потенциалов на концах проводника найдем из обобщенного закона Ома. Т.к. электрического тока в проводнике нет , то .

Замечание. В явлениях электромагнитной индукции магнитный поток сквозь контур может изменяться как при движении контура или отдельных его участков, так и при изменении во времени магнитного поля – пользуются законом Фарадея для определения э.д.с. индукции.

При движении проводников в магнитном поле этот закон применим лишь в тех случаях, когда рассматриваемый контур проходит через одни и те же точки движущегося проводника. В противном случае э.д.с. индукции находят, исследуя силы Лоренца, действующие на свободные заряды в движущемся проводнике, т. е. действующая в цепи э.д.с. измеряется работой сторонних сил при перемещении вдоль замкнутой цепи единичного положительного заряда , где перемещаемый заряд.

Пример. В однородное магнитное поле с индукцией 0,1Т расположена прямоугольная рамка , подвижная сторона которой длиной 0,1 м перемещается со скоростью перпендикулярно линиям индукции поля. Определить э.д.с. индукции, возникающую в контуре.

Решение : решим задачу двумя способами, применив закон Фарадея или рассматривая силы, действующие на свободные электроны в движущейся проволоке (силы Лоренца).

1. при движении проводникаплощадь рамки увеличивается, магнитный поток возрастает, т.е. по закону Фарадея действует э.д.с. индукции. . Знак «-« показывает, что э.д.с. индукции действует в контуре в таком направлении, при котором связанная с ним правилом правого винта нормаль к контуру противоположна вектору В (направлена к наблюдателю). Т.е. э.д.с. индукции и индукционный ток направлены в контуре против часовой стрелки.

При решении задачи в обоих случаях допущена неточность: не принималось в расчет магнитное поле, созданное индукционным током. Оба рассмотренных метода дают правильный ответ при условии достаточно большого сопротивления цепи.

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением : . считается положительной, если магнитный момент соответствующего ей индукционного тока в контуре образует острый угол с линиями магнитной индукции того поля, которое наводит этот ток.

Природа сторонних сил, приводящих к появлению э.д.с. электромагнитной индукции : сила Лоренца, которая действует на заряд, движущийся в магнитном поле.

Можно рассматривать изменение магнитного потока в неподвижном контуре, напр., уменьшать величину магнитной индукции. В этом случае сила Лоренца отсутствует (нет упорядоченного движения электрических зарядов), но э.д.с. возникает и

И в небе и в земле сокрыто больше,

Чем снится вашей мудрости, Горацио.{7}

Мы уже познакомились с примерами того, как математики и физики XVII‑XVIII вв. создавали великолепные математические теории, основываясь на явлениях, доступных восприятию наших органов чувств (вспомним хотя бы о движениях земных и небесных тел). Эти теории расширяли человеческое знание о наблюдаемых явлениях, помогали объяснить некоторые заблуждения, – позволяли понять, какие принципы заложены в устройство природы и ее поведение. Помимо рассмотренных нами теорий были созданы во многом аналогичные математические теории теплоты, гидродинамических процессов (течений жидкости и газа) и упругости. Ко всем этим теориям в равной мере применимо высказывание Аристотеля, утверждавшего, что в человеческом разуме нет ничего такого, чего не было сначала в наших ощущениях. Разумеется, названные математические теории выходили за рамки наблюдений и даже вводили понятия (в частности, понятие тяготения), реальность которых не была очевидной. Тем не менее предсказания, сделанные на основе этих теорий, превосходно согласовывались с опытом. Можно сказать, что опыт служил для этих теорий лишь своего рода укрепляющим средством.

Правда, вопреки укоренившемуся представлению о мире как о гигантском механизме естествоиспытателям никак не удавалось разгадать, как «действует» гравитация и как распространяется свет. Когда речь заходила о свете, обычно ссылались на эфир; считалось, что одно упоминание об этой бестелесной среде должно гасить любые сомнения относительно механизма распространения света, хотя никаких подробностей об эфире не было известно. Что же касается гравитации, то природа ее действия оставалась абсолютно непонятной. Но успехи, достигнутые Ньютоном, Эйлером, Д"Аламбером, Лагранжем и Лапласом в математическом описании и точном предсказании множества самых разнообразных астрономических явлений, были столь впечатляющи, что естествоиспытатели преисполнились гордостью за науку, нередко граничившей с самонадеянностью и высокомерием. Они перестали думать о физическом механизме явлений и сосредоточили все усилия на их математическом описании. Лаплас ни на йоту не сомневался в правильности выбора названия для своего пятитомного сочинения «Небесная механика» (1799‑1825).

Достижения физики XIX–XX вв., о которых мы расскажем дальше, со всей остротой подняли фундаментальные вопросы, касающиеся природы и сущности окружающего нас реального мира. Первое из этих достижений, открытие электромагнетизма, обогатило наше представление о Вселенной. Подобно планете Нептун, это явление вряд ли могло быть открыто без помощи математики. Но в отличие от планеты Нептун вновь открытый «объект» был бесплотен: невесом, невидим, неосязаем, не имел ни вкуса, ни запаха. Никто из нас не может ощущать его физически. И все же в отличие от планеты Нептун – именно вновь открытая призрачная субстанция оказала заметное и даже революционное воздействие на жизнь современного человека. Явление электромагнетизма позволяет в мгновение ока устанавливать связь с любой точкой планеты, расширяет границы человеческого сообщества от ближайших соседей за углом до всемирных масштабов, ускоряет темп жизни, способствует распространению просвещения, создает новые виды искусства и отрасли промышленности, производит подлинный переворот в военном деле. Вряд ли найдется такая сторона человеческой жизни, на которой не отразилась бы теория электромагнитных явлений.

Наше знание электричества и магнетизма, как, впрочем, и астрономии, акустики и оптики, берет начало в Древней Греции. Фалес Милетский (ок. 640‑546 до н.э.) знал, что железная руда, которую добывали близ города Магнесии (ныне Маниса) в Малой Азии, притягивает железо. В эпоху Средневековья европейцы узнали от китайцев, что свободно подвешенная стрелка из намагниченного железа указывает довольно точно направление север – юг и поэтому может служить компасом. Легенда приписывает Фалесу Милетскому открытие еще одного явления: янтарь, натертый куском ткани, притягивает легкие предметы, например соломинки. Это наблюдение стало началом науки об электричестве (само слово «электричество» греческого происхождения и означает «янтарь»).

Первое серьезное исследование по магнетизму было выполнено придворным медиком английской королевы Елизаветы Уильямом Гильбертом (1544‑1603). В его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» приводилось и поныне легко читаемое описание простых опытов, которые, в частности, показали, что сама Земля представляет собой гигантский магнит. Гильберт установил, что магниты имеют два полюса – один указывает на север, другой – на юг; они названы соответственно северный и южный или положительный и отрицательный. Два положительных или два отрицательных магнитных полюса взаимно отталкиваются, тогда как противоположные магнитные полюса притягиваются. Эти два типа полюсов обнаруживаются, например, на противоположных концах любого магнитного стержня. Кроме того, магниты наделены свойством притягивать ненамагниченное железо или сталь. Чем сильнее магнит, тем более тяжелый кусок железа он может притягивать.

Гильберт исследовал и второе явление, которое в свое время наблюдал Фалес Милетский, – электризацию янтаря, натертого куском ткани. Он обнаружил, что сургуч, натертый мехом, или стекло, натертое шелком, обретают способность притягивать легкие частицы. Эти опыты наводили на мысль о существовании двух родов электричества. Как и магнетиты, любые два тела, обладающие электричеством одного рода, отталкиваются, а обладающие электричеством разного рода, притягиваются. Но в понимании физической природы магнетизма и электричества Гильберт мало преуспел.

Он сознавал, что между магнитными и электрическими зарядами существует глубокое различие. Натирая стекло шелком, мы сообщаем стеклу положительный электрический заряд, а шелку – отрицательный. Затем, удалив стекло от шелка, мы можем получить положительный заряд на стекле, совершенно независимый от отрицательного заряда на шелке. Что же касается магнетизма двух родов, положительного и отрицательного, то, хотя, подобно разноименным электрическим зарядам, различные магнитные полюса притягиваются, а одинаковые отталкиваются, отделить положительный магнетизм от отрицательного в физических объектах не представляется возможным.

Однако, как показала длинная серия последующих экспериментов, детальное описание которых не входит в наши намерения, представление о наличии электрических зарядов двух типов неверно. В XX в. физики убедились, что существует электричество только одного рода{8} и носителями его являются крохотные частицы вещества (самые малые материальные тела из известных нам в природе), которые были названы электронами. Мы не можем видеть электроны, как не видим и более крупные частицы материи, называемые атомами, в состав которых входят электроны; однако косвенные данные, подтверждающие существование электронов, вполне убедительны. Отрицательно заряженное тело (т.е. тело, обладающее свойствами шелка, потертого о стеклянную палочку) содержит избыток электронов. Что же касается тел, которые мы ранее называли положительно заряженными (например, стекло, натертое шелком), то у них электронов не хватает. По‑видимому, при натирании стекла шелком какое‑то количество электронов уходит из стекла, притягиваясь к атомам шелка. В результате стекло, в котором недостает электронов, становится положительно заряженным, а шелк – отрицательно заряженным. О теле, содержащем нормальное количество электронов, говорят, что оно электрически нейтрально.

Располагая подходящими приспособлениями, мы можем изучать поведение заряженных тел. Например, если подвесить на нитях на небольшом расстоянии друг от друга два положительно заряженных стеклянных шарика, то они отталкиваются, так как оба заряжены положительно. Мы видим, что заряженные тела (равно как и магнитные полюса) взаимодействуют друг с другом. Ясно поэтому, что в электрических и магнитных явлениях мы имеем дело с силами, которые можно попытаться использовать на практике. Исследуем сначала различные явления, связанные с электричеством.

Естествоиспытатели конца XVIII в., поглощенные изучением взаимодействия заряженных тел, хорошо усвоив уроки своих предшественников, Галилея и Ньютона, занялись поиском количественных законов. Первое же открытие повергло их в изумление. Поскольку сила, с которой одно заряженное тело действует на другое, зависит от количества электричества (точнее величины электрического заряда) в каждом из тел, прежде всего необходимо было установить меру электричества. Определенное количество электричества надлежало принять за эталон (подобно тому как некоторое количество вещества было выбрано за единицу массы), чтобы сравнивать с этим эталоном количество электричества в исследуемых телах. Одной из общепринятых единиц измерения электрического заряда является кулон (Кл), названный так в честь французского физика Шарля Огюстена Кулона (1736‑1806), открывшего тот самый закон взаимодействия электрических зарядов, к рассмотрению которого мы и перейдем. Два заряда, q 1 и q 2 , притягиваются или отталкиваются в зависимости от того, разноименны они (т.е. один положительный, а другой отрицательный) или одноименны (оба положительны или оба отрицательны). Кулон установил, что сила притяжения (или отталкивания) F , действующая между зарядами, определяется по формуле

F = kq 1 q 2 /r 2 ,

где r – расстояние между двумя наборами зарядов, q 1 и q 2 , k – постоянная. Значение k зависит от единиц, в которых измеряются заряд, расстояние и сила.

Выведенная Кулоном формула обладает одной замечательной особенностью: по виду она идентична закону всемирного тяготения Ньютона. Заряды q 1 и q 2 выполняют здесь роль массы, а сила взаимодействия также обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами, как и сила гравитационного притяжения, действующая между двумя массами. Разумеется, в законе Кулона сила электрического взаимодействия может быть как силой притяжения, так и силой отталкивания, в то время как сила тяготения всегда является силой притяжения.

В конце XVIII в. итальянский естествоиспытатель Луиджи Гальвани (1737‑1798) взял два соединенных последовательно проводника из различных металлов и замкнул их концы на нерв препарированной лапки лягушки. Лягушачья лапка дернулась. Гальвани, занимавшийся изучением «животного электричества», объяснил сокращение мышцы возникновением в ней электрического тока. Однако значение этого открытия Гальвани по достоинству оценил другой итальянец, профессор физики университета в Падуе Алессандро Вольта (1745‑1827). Вольта понял, что при контакте проводников из различных металлов между их свободными концами начинает действовать сила (получившая ныне название электродвижущей), и нашел более эффективную в этом отношении комбинацию металлов. Так был создан первый электрохимический элемент, или электрическая батарея. Заменив лягушачий нерв проводником и присоединив концы проводника к полюсам батареи, Вольта показал, что электродвижущая сила способна заставить крохотные частицы вещества перемещаться по проводнику. Такое направленное движение заряженных частиц (каковыми, как выяснилось много позже, являются электроны) по проводнику и есть электрический ток. Построенная Вольтой батарея заставляла электроны именно двигаться, а не скапливаться в каком‑то материале, как, например, в янтаре, натертом мехом. Заметим попутно, что батарея Вольты в принципе не отличается от батарей и батареек, используемых ныне в автомобилях и карманных фонариках. Напряжение, создаваемое батареей, измеряется ныне в вольтах (В), единицах, названных в честь Вольты, а ток – в амперах (А), получивших название в честь ученого, с которым нам вскоре предстоит познакомиться; 1 А = 1 Кл/с или 6×10 8 электрон/с.

Долгое время считалось, что электричество и магнетизм – явления различные и между собой не связанные. Однако в XIX в. представления в корне изменились, и взаимосвязь, установленная между электричеством и магнетизмом, подводит нас к самой сути нашего повествования. Впервые связь электрических и магнитных явлений обнаружил в 1820 г. датский физик, профессор Копенгагенского университета Ханс Кристиан Эрстед (1777‑1851). Пропуская через проводник ток от батареи Вольты, Эрстед заметил, что подвешенная над проводником магнитная стрелка отклоняется. При изменении направления тока на обратное стрелка отклонялась на такой же угол, но в другую сторону. Это наблюдение Эрстеда можно объяснить тем, что электрический ток создает вокруг проводника магнитное поле, которое притягивает или отталкивает другие намагниченные тела так же, как природные магниты из железной руды, о которых писал в свое время Фалес Милетский.

Следующий вклад в выявление фундаментальной взаимосвязи между электричеством и магнетизмом сделал французский физик, профессор Политехнической школы Андре Мари Ампер (1775‑1836), знавший о работе Эрстеда. В 1821 г. Ампер заметил, что два параллельных проводника с током ведут себя, как два магнита: если токи текут в них в одном направлении, то проводники притягиваются, а если в противоположных – отталкиваются.

Установить еще одну существенную связь между электричеством и магнетизмом выпало на долю самоучке, бывшему переплетчику Майклу Фарадею (1791‑1867) и преподавателю Академии в Олбани (шт. Нью‑Йорк) Джозефу Генри (1797‑1878); их открытия проложили путь для появления великого Максвелла. Фарадея и Генри заинтересовал следующий вопрос. Если проводник, по которому течет ток, создает магнитное поле, то не справедливо ли обратное, т.е. не вызывает ли магнитное поле ток в проводнике? Как показали в 1831 г. Фарадей и Генри, на поставленный вопрос следует ответить утвердительно, правда, при условии, что проводник находится в переменном магнитном поле. Это явление получило название электромагнитной индукции.

Рассмотрим более подробно суть открытия Фарадея и Генри. Предположим, что прямоугольная проволочная рамка (рис. 28), жестко укрепленная на стержне R , помещена в магнитное поле. Если заставить стержень вращаться, например, соединив его с приводом от водяного колеса или парового двигателя, то рамка также придет во вращение. Предположим, что стержень (отдельно от рамки) вращается с некой постоянной скоростью против часовой стрелки и что сторона рамки BC начинает вращаться из самого нижнего своего положения (считается, что изначально рамка располагается вертикально). Когда эта сторона, поднимается вверх, описав дугу в 90° (т.е. рамка перейдет из вертикального положения в горизонтальное), электрический ток течет в рамке от C к B и достигает максимума, когда рамка занимает горизонтальное положение При дальнейшем подъеме стороны BC ток в рамке убывает и становится равным нулю (полностью прекращается), когда сторона BC занимает самое верхнее положение. При дальнейшем вращении рамки в ней снова возникает ток, который теперь течет в направлении от B к C . Ток опять постепенно нарастает, достигая максимума, когда рамка снова оказывается в горизонтальном положении. При дальнейшем движении стороны BC в самое нижнее положение ток постепенно убывает и, наконец, полностью прекращается. Этот цикл повторяется с каждым новым полным поворотом стержня. Возникновение и протекание тока в проводнике, движущемся в магнитном поле, дают нам новые примеры явления электромагнитной индукции.

Ток в проводнике представляет собой направленное движение миллиардов крохотных невидимых частиц вещества, называемых электронами. Величина тока, вызванного э.д.c. (этот ток называется индукционным), изменяется со временем, и, поскольку все эти величины измеримы, можно найти функциональную зависимость между ними. Соотношение между силой индукционного тока и временем заведомо носит периодический характер, т.е. последовательные изменения тока повторяются с каждым полным поворотом рамки. Было бы опрометчиво утверждать априори, что периодическая зависимость силы тока от времени непременно должна описываться синусоидой. Однако природа не перестает «подстраиваться» под придуманную человеком математику: соотношение между силой тока I и временем t действительно имеет вид

I = a ∙sin bt ,

где амплитуда a зависит, в частности, от величины магнитного поля (точнее магнитной индукции), а частота b – от скорости вращения рамки. Если рамка совершает 60 оборотов за 1 с, то пройденный ею угол b = 60×360° = 21 600°/с. (Функция y = sin x проходит один полный цикл, когда x изменяется в пределах от 0 до 360°. Следовательно, ток с частотой 60 циклов/с успевает пройти те же изменения, которые претерпевает функция y = sin x , когда x изменяется от 0° да 21 600°/с. Если ток течет t секунд, то x изменяется соответственно от 0° до 21 600°/с.) Электрический ток, которым в США пользуются в быту, как правило, совершает 60 полных синусоидальных циклов за 1 с; его называют переменным током с частотой 60 герц (Гц; 1 Гц = 1 цикл/с).

Итак, электрический ток может быть описан математической формулой. Но как электромагнитная индукция порождает ток? Это явление весьма загадочно. Каким‑то образом движение проводника в магнитном поле создает в проводнике электродвижущую силу (э.д.с.), которая и вызывает электрический ток.

Нет нужды рассказывать современному читателю о том, сколь широко применение электричества в нашей жизни и какое огромное влияние оказала электрическая энергия на развитие человеческого общества. Однако следует заметить, что принципы получения электрической энергии с помощью механических устройств и превращения ее в механическую энергию были исследованы задолго до того, как люди стали помышлять о практическом использовании электричества. Рассказывают, что однажды кто‑то из посетителей лаборатории спросил у Фарадея, какую пользу можно извлечь из индуцирования электрического тока в проводниках, на что ученый ответил: «Какая польза может быть от новорожденного младенца? Он вырастет и станет взрослым человеком». Позднее в лаборатории Фарадея побывал Гладстон, бывший тогда министром финансов Великобритании, и задал тот же вопрос, на который Фарадей ответил: «Вскоре, сэр, вы будете облагать это налогом».

Фарадей провел еще один важный эксперимент, который расширил наши представления об электромагнитных явлениях. Он поместил два витка проводника поблизости друг от друга (рис. 29). Замысел Фарадея состоял в следующем. Если по левому витку CD пропустить ток, то он должен создать магнитное поле (его направление показано на рисунке овальными линиями), которое пронижет второй виток EF. Но Фарадею нужно было переменное магнитное поле, поэтому концы A и B первого витка он присоединил к источнику переменного тока. Как показал в свое время Эрстед, переменный ток, проходя по витку CD должен создавать вокруг него переменное магнитное поле. Чем больше сила тока, тем больше величина магнитного поля вокруг витка CD. Чем меньше сила тока, тем слабее создаваемое им магнитное поле. Так как виток EF расположен рядом с витком CD , магнитное поле, порождаемое током в витке CD , захватывает и виток EF.

Так Фарадей получил переменное магнитное поле, пронизывающее проводник – виток EF . Но если переменное магнитное поле проходит через проводник, то оно наводит в нем э.д.с.; поэтому и в витке EF переменное магнитное поле должно наводить э.д.с. и (если виток замкнут) генерировать электрический ток. Кроме того, поскольку в опыте Фарадея магнитное поле не только проходит через виток EF , но и меняется по величине, то возрастая, то убывая, сила индукционного тока в витке EF также то возрастает, то убывает. Следовательно, ток в витке EF должен быть переменным. Фарадей предполагал, что индукционный ток будет протекать в витке EF до тех пор, пока в первом витке (CD) течет переменный ток, и надеялся таким путем детально исследовать индукционный ток.

Фарадей обнаружил, что в витке EF действительно возникает переменный ток. Более того, как он и ожидал, частота индукционного тока в точности совпала с частотой напряжения, приложенного к концам А и В первого витка. Очевидно было и практическое применение открытия Фарадея: передача электрического тока с одного витка на другой, хотя второй не соединен с первым. Именно на таком принципе основана работа современных трансформаторов. Однако не будем вдаваться в технические подробности, ибо это увело бы нас слишком далеко от предмета нашего повествования.

После открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции, которое послужило новым подтверждением неразрывной связи между электричеством и магнетизмом, наука об электромагнетизме (так стали называть взаимосвязь электричества и магнетизма) достигла значительных успехов. Но по мере усложнения картины электромагнитных явлений Фарадей испытывал все большие трудности в их толковании. Пока дело касалось простых электрических и магнитных полей, не составляло особого труда построить наглядную физическую картину и получить с помощью измерений либо путем несложных рассуждений соответствующие математические зависимости. Но уже при изучении электромагнитной индукции определение э.д.с. и тока во втором витке (если известен ток в первом) оказалось весьма сложной задачей. Прежде всего требовалось вычислить величину магнитного поля, создаваемого током в первом витке, а затем напряжение и ток, индуцируемые во втором витке. Кроме того, хорошо понимая, что открытый им физический процесс сулит немалую практическую выгоду, Фарадей хотел бы знать, каким образом можно повысить его эффективность. Как увеличить силу тока во втором витке: повышая силу тока в первом витке, удлиняя первый виток или делая его более широким? Как наилучшим образом расположить витки относительно друг друга?

Фарадей пришел к выводу, что магнитное действие электричества передается частицами среды, прилегающими к наэлектризованному телу, и назвал эту среду диэлектриком. Магнитное воздействие в такой среде, по мнению Фарадея, осуществляется через магнитные силовые линии, которые невидимы, хотя Фарадей был убежден в их реальности.

Фарадей допускал, что рассуждения о магнитных силовых линиях в чем‑то ошибочны и нуждаются в уточнениях, но наглядность этого понятия делала его полезным и для экспериментатора, и для математика. Фарадей считал, что такие рассуждения приближают к физической истине и упорно стремился найти физическое объяснение явления электромагнитной индукции. Именно Фарадей высказал предположение, что магнитные силовые линии расходятся во все стороны от проводника с током или полюса магнита и привел экспериментальные факты, подтверждающие существование магнитных силовых линий: например, если вокруг магнита насыпать железные опилки, то они самопроизвольно выстраиваются вдоль силовых линий.

Хотя Фарадей был хорошо осведомлен о возможностях математики, его стихией оставались экспериментирование и физическое осмысление наблюдаемого. Но физическое мышление не позволяло проникнуть в суть сложных электромагнитных явлений. Легко представить себе полет пушечного ядра, угол прицеливания и дальность стрельбы. Но электрические и магнитные поля невидимы, поэтому выяснить их конфигурацию не так‑то просто. Хотя в прошлом наглядные физические образы не раз приводили Фарадея к успеху, теперь он осознавал, что именно ограниченность физического мышления мешает ему продвинуться дальше. Фарадей в своих исследованиях достиг той стадии, когда физика становится слишком трудной и требуется помощь математики.

К счастью, выдающийся физик‑теоретик XIX в. Джеймс Клерк Максвелл (1831‑1879) усердно готовил себя к вступлению на поприще математической физики. Еще в юности Максвелл подавал большие надежды. Написанная им в возрасте 15 лет работа о построении некоторых кривых с помощью механических устройств была опубликована в журнале Proceedings of the Royal Society of Edinburgh . В годы учения в Эдинбургском и Кембриджском университетах его блестящие способности и оригинальность мышления были замечены как профессорами, так и сокурсниками. В 1856 г. Максвелл стал профессором физики Маришальского колледжа в Абердине. Через несколько лет он перешел в Королевский колледж в Лондоне, а в 1871 г. – в Кембриджский университет.

Как всех истинных ученых, Максвелла привлекали наиболее трудные задачи, стоявшие перед наукой его времени. Он предложил один из способов получения цветной фотографии; его имя значится также среди создателей кинетической теории газов. Однако наибольшую известность он приобрел как автор теории электромагнитного поля, и именно эти его работы представляют для нас интерес. Максвелл задался целью охватить в рамках единой теории все известные электрические и магнитные явления. К работе в области теории электромагнитного поля он приступил, ознакомившись с «Экспериментальными исследованиями» Фарадея. В 1855 г., в возрасте двадцати трех лет. Максвелл опубликовал свою первую статью по теории электромагнитного поля, которая называлась «О силовых линиях Фарадея». И в этой, и в последующих работах Максвелл ставил перед собой цель перевести физические исследования Фарадея на язык математических формул.

В начале 50‑х годов XIX в. Максвелл испытал на себе весьма сильное влияние работ Уильяма Томсона (лорда Кельвина; 1824‑1907), Томсон отдавал предпочтение механическому объяснению электрических и магнитных явлений и имел обыкновение сводить их к течениям жидкости, потокам тепла и упругости. Механические аналогии Томсон распространял и на эфир, рассматривая его как среду, в которой происходит взаимодействие соприкасающихся частиц (такую интерпретацию эфира несколько раньше предложили математики Коши, Пуассон и Навье), т.е. имеют место близкодействующие, а не дальнодействующие силы. Максвелл также попытался дать механическое объяснение действию эфира, однако, как и Томсон, не преуспел в этом. Тем не менее Томсон в противоположность дальнодействию ввел понятие, которое теперь принято называть полем, и Максвелл воспринял новую идею, Томсон предпринял также первые шаги к созданию математической теории распространения волн, и Максвелл воспользовался некоторыми из полученных им результатов.

Используя представление об эфире как об упругой среде, Максвелл в 1861 г. по‑новому взглянул на нерешенную проблему электромагнитной индукции. Из работы Фарадея по передаче электрического тока с одного витка проводника на другой было ясно, что магнитное поле может распространяться на некоторое расстояние. Максвелл пришел к выводу, что переменный электрический ток также способен проникать в пространство, окружающее виток с током. Такой ток, который Максвелл назвал током смещения, позволял объяснить некоторые эффекты, наблюдаемые на большом расстоянии от «реальных» физических токов, текущих по проводнику. В своей работе Максвелл впервые упомянул о токе смещения, но ни ясности, ни полноты картины еще не было.

Чтобы обосновать свою интерпретацию токов смещения и придать ей определенную законченность, Максвелл проанализировал поведение конденсатора в электрической цепи. Простейший конденсатор состоит из двух параллельных пластин, разделенных слоем изолятора, например воздуха или даже вакуума. Переменный ток проходит через конденсатор. Максвелл полагал, что эфир передает ток смещения с одной пластины конденсатора на другую.

В 1865 г. Максвелл опубликовал свою основополагающую работу «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой отказался от физических моделей и привел правильные математические уравнения. Уравнения Максвелла включали новый член, физически соответствовавший току смещения. Математическая формулировка нового понятия убедила Максвелла в том, что токи смещения могут распространяться на большие расстояния.

Природа токов смещения требует некоторых дополнительных пояснений. Следуя Фарадею, Максвелл считал, что электрические и магнитные поля существуют в пространстве вокруг магнитов и проводников с током. Закон Ампера относится к току, текущему по проводнику. Но если ток переменный (например, изменяется со временем пропорционально sin t ), то электроны в проводнике быстро смещаются то в одну, то в другую сторону. Возбуждаемое ими электрическое поле также колеблется «туда‑обратно», – и в любой точке пространства вне проводника напряженность поля будет изменяться во времени. Следовательно, можно считать, что переменный ток в проводнике как бы сопровождается переменным электрическим полем в окружающем проводник пространстве. Максвелл считал реальным такое переменное электрическое поле и заметил, что оно по своим математическим свойствам аналогично току, хотя (если не считать проводника, создающего поле) оно не сводится к движению электронов. Тем самым Максвелл обосновал разумность предложенного им названия такого переменного электрического поля – ток смещения, ибо эффект состоит в смещении, или колебании, электрического поля. Этот вывод Максвелл сформулировал в «Трактате по электричеству и магнетизму» (1873) следующим образом:

Одна из главных особенностей этого трактата состоит в принятии концепции, согласно которой истинный электрический ток – тот, от которого зависят электромагнитные явления, нельзя отождествить с током проводимости (текущим в проводнике), но что должно быть принято во внимание при исчислении общего движения электричества изменение во времени электрического смещения.

Максвелл принялся методично «извлекать» математические следствия из существования тока смещения. Согласно Эрстеду, ток в проводнике создает магнитное поле. Но, так как к току проводимости теперь добавился ток смещения, Максвелл заключил, что ток смещения также порождает магнитное поле и оно составляет часть того поля, которое раньше приписывали только току проводимости. Иначе говоря, окружающее проводник магнитное поле обусловлено и током проводимости, и током смещения.

Резюмируя, можно сказать, что первый смелый шаг Максвелла состоял во введении тока смещения и утверждении, что этот ток, существующий в пространстве, а не в проводнике, также порождает магнитное поле. Максвелл пересмотрел закон Ампера, пытаясь установить зависимость между полным током (складывающимся из тока проводимости и тока смещения) и создаваемым вокруг проводника магнитным полем. Следовательно, наиболее существенный вывод Максвелла заключается в следующем: любое переменное электрическое поле, создаваемое либо током проводимости, либо током смещения, порождает магнитное поле. Если вспомнить теперь закон индукции Фарадея, который в формулировке Максвелла гласит, что переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, то станет ясно, что Максвелл придал закону Фарадея двойное звучание.

Теперь нам уже нетрудно понять, к какому заключению пришел Максвелл чисто математическим путем. Волны синусоидального тока в витке CD (см. рис. 29), порождают в окружающем пространстве переменное электрическое поле, которое создает переменное магнитное поле. Но, как мы знаем, переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, а то в свою очередь порождает переменное магнитное поле и т.д. Как ведут себя эти поля под постоянным «давлением» со стороны тока, текущего в проводнике CD ? Ответ почти очевиден. Они распространяются в пространстве, достигая точек, весьма удаленных от витка CD. Эти поля в состоянии достичь и витка EF , расположенного далеко от витка CD. Переменное электрическое поле вызывает в витке EF ток, который, как и всякий ток, можно использовать для любых целей. Таким образом, Максвелл установил, что электромагнитное поле, т.е. комбинация переменного электрического и переменного магнитного полей, распространяется в пространстве. Видимо, нечто подобное подозревал Фарадей, когда пытался выяснить, что произойдет, если виток EF несколько отодвинуть от витка CD. Но то, о чем Фарадей лишь догадывался на основе физической интуиции, не понимая механизма явления и не признавая существования токов смещения, Максвелл установил на прочной математической основе.

Любая волна характеризуется длиной волны и частотой (числом циклов в секунду). Длина волны электромагнитного излучения определяется (хотя это, возможно, непосредственно не видно) размером витка (колебательного контура). Чтобы виток (или любой другой проводник, используемый для передачи электромагнитных волн в пространстве) имел разумные размеры, длина волны должна быть достаточно малой.

Познакомимся теперь поближе с основными характеристиками волн – длиной волны и частотой. Рассмотрим синусоидальную волну, изображенную на рис. 30. Полному циклу соответствует отрезок синусоиды от 0 до A . Этот цикл многократно повторяется в течение секунды, и число таких циклов за одну секунду называется частотой. Длиной волны λ (ламбда) называется расстояние от P до Q . Расстояние, проходимое волной за одну секунду, равно произведению длины волны на частоту:

λf = c .

где c – скорость распространения волны.

Электромагнитные волны несколько сложнее. Распространяется, изменяясь по синусоидальному закону, не только электрическое, но и магнитное поле. Кроме того, векторы электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны и оба перпендикулярны направлению распространения волны. На рис. 31 показано, что векторы напряженности электрического E и магнитного H полей совершают колебания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Таким образом, первое и величайшее открытие Максвелла заключалось в том, что электромагнитные волны могут распространяться на тысячи километров от источника и, располагай мы соответствующим прибором, их можно было бы обнаружить и достаточно далеко от источника. Максвеллу принадлежит и второе сенсационное открытие, касающееся света. Свет, как явление, интересовал еще древних греков, к многочисленные эксперименты, проводимые на протяжении веков, привели в конце концов к двум «конкурирующим» теориям о природе света. Одна из них утверждала, что свет состоит из крохотных невидимых частиц, движущихся вдоль прямолинейных лучей. Согласно другой теории, свет представляет собой волны. Выдвигались различные предположения относительно того, как эти волны формируются и распространяются. Обе теории более или менее удовлетворительно, объясняли эффекты отражения и преломления света, т.е. изменения направления распространения света при переходе из одной среды в другую, например из воздуха в воду. Но если говорить о дифракции света (огибании светом препятствий, скажем непрозрачного диска), то здесь более разумное объяснение давала волновая теория. Согласно этой теории, свет ведет себя подобно волнам на воде, которые огибают корпус судна и сходятся за его кормой. В начале XIX в. убедительные аргументы в пользу волновой теории света представили Томас Юнг (1773‑1829) и Огюстен Френель (1788‑1827). Однако ни тот ни другой ничего не говорили о среде, в которой распространяется свет.

Организация исследовательской деятельности учащихся при изучении темы: «Электромагнитные явления» по физике в восьмом классе основной школы в свете требований ФГОС к результатам освоения ООП

Быстрое накопление знаний, приобретаемых

при слишком малом самостоятельном участии, не очень плодотворны.

Ученость также может родить лишь листья, не давая плодов.

Лихтенберг

ФГОС основного общего образования утвержден приказом Министерства образования и науки РФ от 17 декабря 2010 г. №1897.

Принципиальное отличие ФГОС второго поколения - ориентация на результат, который предполагает развитие личности на основе освоения универсальных способов деятельности.

Требования к результатам освоения основной образовательной программы (ООП)

(личностные, метапредметные, предметные)

Личностные – воспитание гражданской идентичности, готовности к самообразованию, формирование целостного мировоззрения, коммуникативной компетентности, толерантности, освоение социальных норм, правил безопасного поведения и т.д.

Метапредметные – определять цели обучения, планировать пути их достижения, оценивать правильность выполнения учебной задачи, владеть основами самоконтроля, смысловое чтение, ИКТ-компетенции и т.д.
Предметные - цели-результаты по предметным областям и предметам (опыт деятельности специфической для данной предметной области, система основополагающих элементов научного знания )

Хотя обязательное введение ФГОС для основной школы еще не наступило, необходимо уже сегодня перестраивать свою работу таким образом, чтобы создавать условия для формирования у учащихся:

Универсальных учебных действий
ИКТ-компетентности
Основы учебно-исследовательской и проектной деятельности
Основы смыслового чтения и работы с текстом

Универсальные учебные действия представляют собой систему действий обучающегося, обеспечивающую способность к самостоятельному усвоению новых знаний и умений, включая организацию учебной деятельности.

Компетентностный подход ФГОС делает акцент на деятельностном содержании образования. В этом случае основным содержанием обучения являются действия, операции , соотносящиеся не столько с объектом приложения усилий, сколько с проблемой, которую нужно разрешить. В учебных программах деятельностное содержание образования отражается в акценте на способах деятельности, умениях и навыках , которые необходимо сформировать, на опыте деятельности , который должен быть накоплен и осмыслен учащимися, и на учебных достижениях , которые учащиеся должны продемонстрировать.

Реализация компетентностного подхода невозможна без получения глубоких знаний, так как важнейшим признаком компетентностного подхода является способность обучающегося к самообучению в дальнейшем. Компетентностный подход не отрицает, но изменяет роль знаний. Знания полностью подчиняются умениям. В содержание обучения включаются только те знания, которые необходимы для формирования умений. Все остальные знания рассматриваются как справочные, они хранятся в справочниках, энциклопедиях, Интернете и др., а не в головах учащихся. В то же время, учащийся должен при необходимости уметь быстро и безошибочно воспользоваться всеми этими источниками информации для разрешения тех или иных проблем.

Таким образом, компетентностный стандарт – это стандарт результатов образования.

Компетенция – готовность человека к мобилизации знаний, умений и внешних ресурсов для эффективной деятельности в конкретной жизненной ситуации.

Предлагаю в качестве конкретного примера попытки осуществления компетентностного подхода в обучении, т.е. освоение обучающимися основ учебно-исследовательской деятельности на основе реального предметного эксперимента, организацию учебно-исследовательской деятельности при изучении темы: «Электромагнитные явления» по физике в восьмом классе основной школы. В основе организации данной учебно-исследовательской деятельности учащихся предполагалось учитывать следующие принципы:

Создание внутренней мотивации к процессу учения на основе возбуждения интереса к изучаемому предмету
Деятельностный подход на основе активизации индивидуальной познавательной самостоятельности
Проблемное обучение
Принцип успешности обучения
Возможность определения объёма содержания и уровня сложности предметного материала самим обучающимся

На изучение данной темы в восьмом классе основной школы отводится семь часов. Предусмотрено проведение демонстрационных и фронтальных экспериментов; выполнение одной лабораторной работы: «Сборка электромагнита и испытание его действия».

Материал темы «Электромагнитные явления», на мой взгляд, дает возможность не просто проводить различные опыты, а организовать исследовательскую деятельность учащихся на основе использования экспериментальных заданий на всех уроках по данной теме.

Организация такой деятельности является достаточно трудоемким процессом, но далеко не напрасным. Ведь известно, что умелое проведение эксперимента является вершиной изучения физических явлений, так как требует глубоких теоретических знаний, навыков правильного обращения с приборами, умения построения графиков и грамотного расчета, умения оценивать погрешность опыта, умения анализировать и делать выводы.

Научиться всему этому можно только тогда, когда принимаешь непосредственное участие в практической деятельности. Поэтому, чем чаще учащиеся будут обращаться к экспериментальным заданиям, тем выше будет качество их знаний, так как приобщение к исследовательской деятельности, возможность что-то сделать своими руками развивает к тому же интерес к предмету и помогает лучше его усвоить. Таким образом, на уроках физики создается реальная возможность формирования универсальных умений и навыков, которые учащиеся могут применить и на других предметах, и во внеучебных, жизненных ситуациях.

Экспериментальные задания, предлагаемые при изучении данной темы в базовом восьмом классе, не являются сложными. Они не основаны на установлении количественных закономерностей и требуют лишь качественного объяснения. Но это ничуть не умаляет их достоинств. Выполнение таких заданий в большей степени требует от учащихся проявлять самостоятельность, развивает умение анализировать свою работу и делать выводы, что пока для восьмиклассников представляет определенную трудность. И, конечно, выполнение таких заданий развивает навык работы с приборами и поддерживает интерес учащихся к изучению электромагнитных явлений. Предлагаемые экспериментальные задания не являются чем-то новым, они общеизвестны. Но при этом некую новизну им придает характер их использования. Так же от учащихся требуется помимо выполнения непосредственного экспериментального задания, самостоятельное теоретическое объяснение его на основе изучения текста учебника. Предлагается рассмотреть и представить по желанию дополнительный материал по данной теме из других источников. На каждом уроке учащиеся имеют возможность афишировать приобретенные знания. Развитию коммуникативных способностей способствует работа учащихся в паре и группе. Конечно, успешное изучение данной темы посредством учебно-исследовательской деятельности, должно предваряться систематическим обращением к выполнению различных классных и домашних экспериментальных заданий.

Поурочное распределение материала темы «Электромагнитные явления»

1. Постоянный магнит и проводник с током.

2. Магнитное поле на бумаге.

3. Сравнение магнитного поля соленоида и постоянного магнита.

4. Вездесущие электромагниты.

5. Проводник с током в магнитном поле.

6. Катушка с током в магнитном поле.

7. Электромагнитный мир.

Экспериментальная и методическая поддержка темы.

1. Лабораторное оборудование: постоянные магниты, компас, мелкие металлические тела, источник тока, реостат, амперметр, соединительные провода, ключ, компас, железные опилки, плотный лист бумаги, проволочный виток, соленоид, металлические сердечник и скрепка, динамометр, модель электродвигателя.

2. Раздаточный материал (ход экспериментальных исследований)

3. Компьютерная поддержка уроков. Используются готовые продукты: «Образовательный комплекс «Подготовка К ЕГЭ 10-11 класс», «Физика в картинках».

УМК учащихся

А.В. Перышкин. Физика 8. Дрофа. М. 2002
Г.Н. Степанова, А.П. Степанов. Сборник вопросов и задач по физике. Основная школа. «Валери СПД» СПб. 2001

Содержание уроков

Урок №1

Постоянный магнит и проводник с током.

Цель урока.

Ввести понятие магнитного поля.

Задачи урока:

убедиться в том, что магнитное поле образуется вокруг постоянного магнита и проводника с током;
выяснить, можно ли обнаружить магнитное поле с помощью органов чувств;
имеет ли магнитное поле направление, и можно ли усилить или ослабить его действие.

Ход урока.

Постановка цели урока.

Электрические явления уже достаточно подробно рассмотрены. Приступаем к изучению явлений магнитных и постараемся убедиться в том, что эти явления взаимосвязаны и что новая тема не случайно носит название «Электромагнитные явления». По мере изучения этой темы будем вести исследовательский дневник. Разделим его пополам. В одной половине будут представлены результаты опытов, в другой - их теоретические объяснения. На последнем уроке проведем конкурс дневников.

Вы уже не раз собирали электрические цепи и знакомились с особенностями протекания в них электрического тока, и не раз в своей жизни пользовались постоянными магнитами. Давайте выясним, есть ли что-то общее у постоянного магнита и проводника с током?

Что вы знаете из своего жизненного опыта о свойствах постоянных магнитов? Уточним ваши знания с помощью опыта.

Экспериментальное исследование №1

Постоянный магнит

Цель исследования : определить, какими свойствами обладает постоянный магнит.

Оборудование: постоянный магнит, компас, мелкие металлические тела.

Ход исследования .

1. Поднесите постоянный магнит по очереди к карандашу, резинке и к разным металлическим телам.

Понаблюдайте, что будет происходить.

2. Добейтесь максимально возможного притяжения тел магнитом.

Обратите внимание на то, к каким частям магнита притянулись эти тела.

3. Поднесите магнитную стрелку с разных сторон к магниту.

Понаблюдайте за поведением стрелки компаса.

4. По результатам ваших наблюдений сформулируйте основные свойства постоянного магнита.

Проводник с током

Цель исследования : выяснить, что объединяет постоянный магнит и проводник с током.

Ход исследования .

1. С помощью органов чувств исследуйте пространство вокруг постоянного магнита и вокруг какого-нибудь тела (линейки, карандаша).

2. С помощью компаса исследуйте пространство вокруг постоянного магнита и вокруг какого-нибудь тела (линейки, карандаша).

Сделайте вывод о результатах вашего опыта.

3. Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника тока, реостата, амперметра, ключа и соединительных проводов, соединив все элементы последовательно:

Расположите любой соединительный провод над стрелкой компаса параллельно его стрелке на небольшом расстоянии, не замыкая цепи (компас лежит на столе). Отклоняется ли при этом стрелка компаса?
Замкните цепь, пронаблюдайте, что произойдет со стрелкой компаса.
Уберите компас, разомкните цепь. Попробуйте определить с помощью органов чувств, меняется ли что-либо при замыкании цепи.

4.Сделайте вывод по результатам исследования.

(Постоянный магнит и проводник с током взаимодействуют с магнитной стрелкой)

Работа с учебником . (компьютерная модель опыта Эрстеда)

Кто и когда впервые произвел опыт с проводником с током и магнитной стрелкой?
Что же действовало в нашем исследовании на магнитную стрелку, отклоняя ее?
Как теперь можно ответить на вопрос: что объединяет постоянный магнит и проводник с током?

Можно ли обнаружить магнитное поле с помощью органов чувств?

А как его можно обнаружить?

Итог урока.

Обнаружен объект невидимка. Какой? Где? С помощью чего? Что о нем стало известно?

Домашнее задание

Используя материал 56 и 59 параграфов учебника, дайте теоретическое объяснение результатам ваших опытов.

Урок №2

Магнитное поле на бумаге.

Цель урока .

Познакомить с графическим способом изображения магнитных полей.

Задачи урока.

Выяснить, имеет ли магнитное поле направление и можно ли усилить или ослабить его действие.
Ввести понятие магнитных линий.
Выяснить, какую роль играют железные опилки
Рассмотреть картину магнитных линий постоянного магнита и проводника с током.

Ход урока

Постановка цели урока.

Узнали о существовании магнитного поля. Оказывается, физики давно научились изображать на бумаге объект невидимку, пользуясь определенными правилами. Давайте выясним, что послужило основой для создания этих правил и как можно изображать магнитные поля на бумаге. Для этого опять проведем экспериментальные исследования, но сначала вспомним, что уже знаем о магнитном поле, и определим, что еще предстоит узнать.

Афиширование дневников. Сравнение и уточнение выводов. Внесение дополнений. Обсуждение гипотезы Ампера. Главный вывод: магнитное поле образуется вокруг движущихся электрических зарядов.

Итак, можно ли обнаружить магнитное поле с помощью органов чувств? Какой еще объект нельзя обнаружить с помощью органов чувств? Что является его источником?

Вернемся к полю магнитному. Как же его можно обнаружить? Достаточно ли этих знаний для того, чтобы изображать магнитное поле на бумаге? Что о нем нужно знать еще?

Можно ли ослабить или усилить его действие?

Имеет ли оно направление?

Для ответа на эти вопросы проведем следующее исследование.

Экспериментальное исследование №3

Магнитное поле

Цель исследования : выяснить, имеет ли магнитное поле направление и можно ли усилить или ослабить его действие.

Оборудование: постоянный магнит, источник тока, реостат, амперметр, соединительные провода, ключ, компас.

Ход исследования

1.Поднесите компас с разных сторон к постоянному магниту.

Одинаково ли ведет себя стрелка компаса?

2.Установите стрелку компаса вблизи краев магнита и посередине его. Понаблюдайте за поведением стрелки в каждом случае.

3.Подберите расстояние, на котором постоянный магнит не действует на стрелку. Добавьте к нему еще один магнит. Понаблюдайте, что произойдет.

4.Проделайте несколько раз опыт Эрстеда, меняя направление и силу тока в проводнике. Понаблюдайте за поведением стрелки компаса в каждом случае.

5. Запишите выводы по результатам исследования.

Итак, магнитное поле может действовать сильнее или слабее, и в разных направлениях. Следовательно, оно может быть слабым или сильным и имеет направление. И все это нужно учесть при изображении его на бумаге.

Так как магнитная стрелка в магнитном поле ориентируется определенным образом, то логично было бы связать направление магнитного поля с определенным направлением магнитной стрелки.

Физики так и поступили, и за направление магнитного поля приняли направление, совпадающее с направлением, которое указывает северный полюс магнитной стрелки. Так же они договорились изображать магнитное поле с помощью линий, вдоль которых располагаются оси маленьких магнитных стрелок. Назовем их магнитными линиями. Направление магнитных линий в каждой точке поля совпадает с направлением, которое указывает северный полюс магнитной стрелки. Определить характер расположения магнитных линий помогли обыкновенные железные опилки. Почему? Давайте выясним!

Экспериментальное исследование №4

Железные опилки

Цель исследования: выяснить, какую роль играют железные опилки при изучении магнитного поля.

Оборудование: постоянный магнит, железные опилки, плотный лист бумаги.

Ход исследования

Положите лист бумаги на карандаш. Насыпьте на бумагу железные опилки. Аккуратно постучите по листу бумаги. Понаблюдайте, что будет происходить.
Повторите свои действия, взяв вместо карандаша постоянный магнит.
Аккуратно переверните магнит под листом бумаги, не трогая опилки.
Сравните густоту расположения железных опилок.
Сделайте вывод о поведении железных опилок в магнитном поле.
Работа с учебником.
Что общего в расположении магнитных линий постоянного магнита и проводника с током?
Как можно изменить направление магнитных линий проводника с током и постоянных магнитов?
Демонстрация и обсуждение видеосюжета: магнитные линии прямого проводника с током.
Продолжение исследования №4.
Получите картину магнитных линий между одноименными полюсами магнитов.
Направьте магниты разноименными полюсами друг к другу.
Понаблюдайте, что при этом произойдет.
Объясните свои наблюдения.

Итог урока.

С помощью чего изображают графически магнитные поля? Правила, по которым получают картины различных магнитных полей, условны или основаны на опыте (демонстрация компьютерных моделей)?

Домашнее задание

Используя материал 56 и 57 параграфов учебника, внесите нужные на ваш взгляд дополнения в дневники по содержанию урока.
Из сборника задач выполните №1849 и № 1880.

Урок №3

Сравнение магнитного поля соленоида и постоянного магнита.

Цель урока:

исследовать и сравнить магнитное поле катушки с током

с магнитным полем постоянного магнита.

Задачи урока:

выяснить, при каких условиях вокруг проволочной катушки образуется магнитное поле;

от чего зависит картина магнитного поля соленоида.

Ход урока.

Магнитные поля можно изображать графически. Как?

Попробуем теперь по известной картине магнитного поля предсказать его свойства. Свои выводы проверим опытным путем. Для этого сравним картину магнитного поля катушки с током (соленоида) с картиной магнитного поля полосового магнита.

Демонстрация компьютерной модели (диск: «Физика в картинках»):

изображение магнитных полей постоянного магнита и соленоида.

Анализ модели.

Сравнивая густоту магнитных линий у обоих тел можно выделить …(полюса)

И у постоянного магнита, и у соленоида есть еще область, где магнитное поле …(однородно)

Итак, в данном случае, картины магнитных полей полосового магнита и катушки с током …(одинаковы). Будут ли их свойства одинаковы?

Всегда ли картины этих полей будут аналогичны?

Проведем экспериментальное исследование.

Экспериментальное исследование №5

Соленоид

Цель исследования:

проверить, будут ли одинаковыми свойства магнитных полей полосового магнита и соленоида;
выяснить, как можно изменить свойства магнитного поля соленоида.

Оборудование: источник тока, проволочный виток, соленоид, реостат, амперметр, соединительные провода, ключ, компас, металлический сердечник.

Ход исследования

1.Опыты с проволочным витком:

С помощью имеющегося оборудования создайте у проволочного витка магнитное поле (используйте все приборы, которые можно включить в электрическую цепь).
Убедитесь, что оно есть. Определите его направление.
Определите, есть ли полюса у витка с током.
Сделайте вывод о характере магнитного поля витка с током.
Поменяйте направление тока в витке.
Выясните, изменилось ли его магнитное поле?

2.Опыты с соленоидом:

Повторите опыты, взяв вместо витка катушку (соленоид).

Изменился ли характер магнитного поля?
Используя реостат, усильте магнитное поле соленоида.
Убедитесь в том, что оно стало сильнее.
Вставьте металлический сердечник в соленоид.
Определите, как при этом изменился характер магнитного поля соленоида.

3.Сделайте вывод по результатам исследования в соответствие с его целью.

Итог урока.

Возвращение к компьютерной модели.

Так всегда ли картины магнитных полей постоянного магнита и соленоида будут одинаковы?

Объяснение меняющихся на слайде картин магнитных линий соленоида.

Можем ли мы так же легко менять картину магнитных линий полосового магнита?

Постоянные магниты можно ли также назвать естественными магнитами. А соленоид? (искусственный магнит). Создан такой магнит с помощью электрического тока. Поэтому такие магниты называются еще электромагнитами.

Домашнее задание:

Узнайте, кто и когда изобрел первый электромагнит, где сегодня применяются электромагниты, найдя информацию в учебнике или других источниках (параграф № 58).
Так же предложите свои способы использования электромагнитов.
Из сборника задач выполните № 1895.

Урок №4

Вездесущие электромагниты.

Цель урока : рассмотреть применение электромагнитов.

Задачи урока:

выяснить, как можно управлять электромагнитами
разобрать конкретные случаи применения электромагнитов
определить преимущества электромагнитов перед постоянными магнитами

Ход урока

1.Постановка цели урока.

Выполняя домашнее задание, наверняка убедились, что электромагниты нашли очень широкое применение. Давайте выясним, почему это стало возможным, и на конкретных примерах определим преимущества электромагнитов.

Начнем с разбора домашней задачи. Что предлагалось исследовать в этой задаче? Какие вы можете предложить способы исследования. Давайте теперь проведем аналогичное исследование.

Экспериментальное исследование №6

Электромагниты

Цель исследования : выяснить, как зависит сила взаимодействия электромагнита с металлической скрепкой от силы тока в его обмотке.

Оборудование: источник тока, соленоид, реостат, амперметр, соединительные провода, ключ, металлические сердечник и скрепка, динамометр.

Ход исследования

1.Составьте план исследования.

2.Проведите его.

3.Сделайте вывод по результатам вашего исследования в соответствие с его целью (предполагается анализ графического представления результатов исследования).

Работа в группах.

Сообщите о результатах ваших исследований.
Приведите известные вам примеры применения электромагнитов.
Приведите свои примеры применения электромагнитов.
Объясните действия электромагнитов, рассмотренных в задании №9 учебника. (Сопровождаются демонстрацией или видеосюжетом.)
Дайте объяснение возможности широкого применения электромагнитов.

Итог урока.

Урок назывался: «Вездесущие электромагниты». Оправдал ли он свое название? Аргументируйте свой ответ. Запишите кратко свои аргументы.

Домашнее задание.

Убедитесь, что в вашем дневнике все в порядке.
Выполните упражнение № 28 учебника.
Из сборника задач выполните № 1905 и № 1907.

Урок №5

Проводник с током в магнитном поле.

Цель урока : рассмотреть действие магнитного поля на проводник с током.

Задачи урока:

Выяснить, что будет происходить с проводником с током, если его внести в магнитное поле.
Определить от чего зависит модуль и направление силы Ампера.
Выяснить, как можно заставить поворачиваться виток с током в магнитном поле.

Ход урока

Разбор и корректировка домашнего задания.

Афиширование дневников и выполненных заданий.

Постановка цели урока.

Использование магнитного поля не ограничивается только работой электромагнитов. Все вы знаете об использовании электрических двигателей. Настала пора разобраться, как они работают. Для этого необходимо выяснить, как ведет себя проводник с током в магнитном поле.

Проведем опыты.

Экспериментальное исследование №7

Проводник с током в магнитном поле

Цель исследования : выяснить, что происходит с проводником с током в магнитном поле.

Оборудование: источник тока, проволочный виток, реостат, амперметр, соединительные провода, ключ, постоянный дугообразный магнит.

Ход исследования

1. Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника тока, реостата, амперметра, проволочного витка, ключа и соединительных проводов, соединив все элементы последовательно.

Соберите электрическую цепь по этой схеме.
Наденьте виток на постоянный магнит.
Замкните цепь. Пронаблюдайте, что при этом будет происходить с витком.
Повторите опыты, изменив положение магнита.
Повторите опыты, используя два магнита, сложенные вместе одноименными полюсами.
Пронаблюдайте, какие изменения произойдут.
Повторите опыты, меняя по очереди направление и силу тока в витке.
Сделайте вывод о том, что и как происходит с витком с током в магнитном поле.
Попробуйте заставить виток с током поворачиваться в магнитном поле.
Объясните, как вы этого добились.
Расскажите о своих наблюдениях и выводах (показ демонстраций с прямым проводником с током в магнитном поле).

Итог урока.

Итак магнитное поле можно обнаружить не только по его действию на магнитную стрелку, но и по действию на ….? Модуль и направление силы, действующая на проводник с током в магнитном поле зависит от…? Действие магнитного поля на помещенный в него проводник с током используется в электрических двигателях. На следующем уроке познакомимся подробнее с их устройством.

Домашнее задание.

Используя материал 61 параграфа, объясните ход опытов, изображенных на рисунках 113 и 114 учебника;
приведите примеры применения электрических двигателей;
узнайте, кто и когда изобрел первый электрический двигатель, пригодный для практического применения.
Не забывайте о своих дневниках!

Урок №6

Катушка с током в магнитном поле

Цель урока: Рассмотреть устройство и принцип работы электрических двигателей и электроизмерительных приборов.

Задачи урока:

Выяснить, как практически можно осуществить вращение проводника с током в магнитном поле.
Рассмотреть устройство технического электродвигателя.
Определить преимущества электрических двигателей перед тепловыми.
Рассмотреть устройство электроизмерительных приборов.

Ход урока

Разбор, корректировка домашнего задания и постановка цели урока.

Выяснили, что магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током. И как уже убедились, может даже его поворачивать!

Приведите примеры применения электрических двигателей. Вспомните, к чему приводит их действие. Как вы думаете, какой характер движения проводника с током используется в электрических двигателях?

Давайте выясним, как же можно заставить вращаться проводник с током в магнитном поле? И познакомимся, наконец, с устройством технических электродвигателей и других приборов, в которых используется вращение

проводника с током в магнитном поле.

Вспомним, почему виток с током поворачивался в магнитном поле. Что нужно предпринять, чтобы он не просто поворачивался, а еще и вращался?

Экспериментальное исследование №8

Цель исследования : выяснить, как технически осуществляется вращение рамки с током в магнитном поле.

Оборудование: модель электрического двигателя.

1. Сформулируйте условия, при которых рамка с током будет вращаться в магнитном поле.

2. Рассмотрите модель электродвигателя (демонстрация видеосюжета).

3. Назовите устройства позволяющие рамке с током вращаться в магнитном поле и объясните, как они действуют.

Работа с учебником.

1.Заполнить таблицу.

Основные части электродвигателя

Назначение

Устройство

2. Определите преимущества электрических двигателей перед тепловыми.

3. Выполните задание №11 учебника.

Итог урока.

Афиширование заполненных таблиц. Разбор предложенных заданий. Убедились, что вращение проводника с током в магнитном поле достаточно широко используется.

Определите, что общего и в чем различие в работе электрических двигателей и электроизмерительных приборов.

Домашнее задание.

Из сборника задач выполните №1920 и №1928.

Подготовьте исследовательские дневники к проверке.
Произведите итоговый сбор аргументов, выступающих в качестве доказательств того, что изученная тема не случайно носит название: «Электромагнитные явления».
С помощью учебника (параграф №60) и дополнительных источников соберите сведения о магнитном поле Земли.

Урок №7

Электромагнитный мир.

Цель урока : обобщить и систематизировать материал темы: «Электромагнитные явления»

Задачи урока:

Организовать аналитическую деятельность учащихся.
Проверить степень усвоения учащимися материала темы.

Ход урока

Урок проводится в форме соревнования между учащимися, разбитыми на три большие группы, каждая из которых делится в свою очередь на экспериментаторов, теоретиков и экспертов.

·Выполнение заданий.

1.Экспериментаторы готовят с помощью предложенного оборудования демонстрацию электромагнитных явлений.

2.Теоретики готовятся к высказыванию аргументов по материалу домашнего задания.

3.Эксперты оценивают исследовательские дневники членов команды и выбирают лучшие из них.

·Афиширование выполненных заданий.

1.Команды по очереди представляют свои аргументы, в том числе демонстрируют и опытные доказательства.

2.Организуется выставка лучших дневников.

·Проверочные задания.

1.Разыгрывается «пирамида».

2.Проводится тестирование.

«Пирамида»

Необходимо отгадать слова,объясняя их значение, используя только материал темы:«Электромагнитные явления».