МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г.Семей
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г.Семей Документ СМК 3 уровня УМКД УМКД Редакция № 1 от УМКД 042-18-38.1.88/012013 Учебно-методические «11 сентября» материалы по дисциплине 2013 г. «Методика преподавания физики» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «Методика преподавания физики» для специальности 5В011000 - «Физика» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Семей 2013 УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от «11сентября»2013 г. Содержание 1. Глоссарий 2. Лекции 3. Практические и лабораторные занятия 4. Самостоятельная работа студента Страница 2 из 93 3 14 75 78 УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от «11сентября»2013 г. Страница 3 из 93 1. ГЛОССАРИЙ Физика – наука о наиболее простых и общих формах движения материи и их взаимных превращениях, она относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений и процессов в окружающем нас мире. фазами этих волн Методика обучения физике - педагогическая наука, являющаяся приложением принципов дидактики к преподаванию учебного предмета физики Предмет методики обучения физике - это теория и практика обучения физике, воспитания и развития учащихся в процессе обучения физике Задача методики обучения физике - это поиск ответов на три вопроса: зачем учить, чему учить и как учить физике Технология обучения - это методы, средства и формы обучения в их взаимосвязи Гуманизация обучения - усиление внимания к личности ребенка, который становится центральным субъектом всего учебно-воспитательного процесса. Гуманитаризация обучения - усиление внимания к гуманитарным аспектам наук, которые изучаются в соответствующих им учебных предметах (мировоззренческим, методологическим, историко-биографическим, экологическим). Дифференциация обучения - такая организация процесса обучения, которая учитывает индивидуальные особенности учащихся, их способности и интересы. Гимназия - среднее общеобразовательное учреждение, работающее в составе V-XI классов (I-IV классы - прогимназия), ориентированное на обучение, воспитание и развитие учащихся, склонных к умственному труду Лицей - профессионально ориентированное общеобразовательное учреждение, работающее в составе VIII-XI или X-XI классов Колледж - профессионально ориентированное образовательное учреждение, которое наряду с общеобразовательной подготовкой осуществляет профессиональную подготовку Базисный учебный план - документ, регламентирующий работу средних общеобразовательных учреждений Экология - наука о взаимоотношениях живых организмов и условий среды Мышление - это высшая ступень человеческого познания, процесса отражения объективной действительности Социальные мотивы - побуждения, связанные с различными взаимодействиями учащихся с другими субъектами как в данный момент, так и в будущем. Познавательные мотивы - побуждения, связанные с содержанием и процессом учебной деятельности Предшествующие связи - это связи курса физики с материалом, изучавшимся в других предметах раньше Сопутствующие связи - это связи между понятиями, законами, теориями, одновременно изучаемыми в разных учебных предметах Перспективные связи - это такие связи, при которых материал курса физики является базой для изучения других предметов УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 4 из 93 «11сентября»2013 г. Урок – это организационная форма обучения, при которой учитель в течение точно установленного времени руководит коллективной познавательной деятельностью постоянной группы учащихся Календарно-тематический план – это распределение по урокам учебного материала каждой темы Словесные методы обучения - методы устного изложения материала (рассказ, объяснение, беседа, лекция), а также работа с книгой (учебником, хрестоматией, справочниками, дидактическими материалами и пр.) Рассказ - последовательное изложение фактического материала, относящегося к изучаемой теме Объяснение - изложение учебного материала, при котором учитель анализирует, обосновывает, доказывает, а не просто излагает новую информацию, как при рассказе. Беседа - «вопросо-ответный» метод обучения Учебный эксперимент - это воспроизведение с помощью специальных приборов физического явления на уроке Демонстрация - это показ учителем физических явлений и связей между ними Фронтальный опыт - какое-либо одно практическое действие (наблюдение, измерение), выполняемое учащимися без письменной инструкции под непосредственным руководством учителя Внеклассные опыты и наблюдения - простые опыты, выполняемые учащимися дома, и наблюдения, проводимые в повседневном окружении, природе, промышленном и сельскохозяйственном производстве без непосредственного контроля учителя за ходом наблюдений Кабинет физики - это учебное подразделение школы, для которого выделены специальные взаимосвязанные помещения, оснащенные учебным оборудованием, наглядными пособиями, техническими средствами обучения и др. Физическая задача - небольшая проблема, которая решается на основе методов физики, с использованием в процессе решения логических умозаключений, физического эксперимента и математических действий Технология решения задачи - совокупность приемов и операций, выполнение которых приводит к ответу на вопрос задачи, к нахождению связи между искомым и заданным в ее условии Технология обучения решению физических задач - система приемов, реализация которых приводит к формированию у учащихся умений решать задачи Граф - это совокупность множества точек (вершин) и множества прямых (ребер), соединяющих эти точки Ориентированный граф - такой, ребра которого имеют определенное направление Зачет - массовая форма проверки знаний и умений учащихся, организуемая на уроке в учебное время Технические средства обучения - совокупность технических устройств и специальных дидактических материалов к ним Звуковые средства (аудиосредства) - такие ТСО, в которых информация передается только по звуковому каналу Аудиовизуальные (экранно-звуковые) средства - это такие ТСО, которые передают информацию одновременно по зрительному и звуковому каналам УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 5 из 93 «11сентября»2013 г. Диафильмы - строгая последовательность кадров, содержащих изображение и связанный с ним текст Индивидуальная работа - работа с отдельными учащимися с целью руководства их внеклассным чтением по физике и технике, подготовкой на этой основе рефератов, докладов и сочинений; руководство детским творческом - конструированием, изготовлением моделей и приборов; работа с учащимися-лаборантами по подготовке демонстрационных и лабораторных опытов и оборудованию школьных кабинетов; помощь в решении задач повышенной сложности; руководство домашним экспериментированием и исследовательской работой учащихся и т. п. Групповая работа - систематическая работа, проводимая с небольшим постоянным коллективом учащихся и направленная на удовлетворение определенных детских интересов, приобретение новых знаний и практических умений. Массовая работа - эпизодическая работа, проводимая с большим детским коллективом, - лекции, вечера и конференции; устные журналы и беседы; недели, декады, месячники физики и техники; олимпиады и конкурсы, выставки, внепрограммные экскурсии и т.п. Новые информационные технологии - технологии обработки, передачи, распространения и представления информации с помощью ЭВМ Компьютерные технологии обучения - это такая система обучения, одним из технических средств которой является компьютер Компьютерная грамотность - это знания и умения, которые позволяют учителю и учащимся использовать ЭВМ в качестве обучающего средства материальная точка – тело, обладающее массой, размерами и формой которого можно пренебречь в условиях данной задачи абсолютно твердое тело – тело (система материальных точек), расстояние между любыми двумя точками которого всегда остается неизменным абсолютно упругое тело – тело, деформации которого пропорциональны вызывающим их силам, т.е. подчиняются закону Гука идеальная жидкость – жидкость, в которой отсутствуют силы внутреннего трения (не учитывается вязкость) физические законы – устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе механика – это часть физики, изучающая механическое движение материальных тел и происходящие при этом взаимодействия между ними кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обусловливают (т.е. движение тел без учета их масс и действующих на них сил) динамика- раздел механики, изучающий движение материальных тел под действием приложенных к ним сил статика изучает условия равновесия материальных тел под действием сил система отсчета – совокупность системы координат и часов, связанных с телом, по отношению к которому изучается движение каких-нибудь других материальных точек траекторией движения материальной точки называется линия, описываемая этой точкой в пространстве перемещение - вектор, проведенный из начального положения движущейся точки в положение ее в данный момент времени УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 6 из 93 «11сентября»2013 г. скорость – это векторная физическая величина, введенная для определения быстроты движения и его направления в данный момент времени неравномерное движение – движение, при котором за произвольные равные промежутки времени точка проходит пути разной длины, численное значение ее скорости с течением времени изменяется среднее ускорение неравномерного движения - векторная величина, равная отношению изменения скорости v к интервалу времени t , за которое это изменение произошло вращательное движение абсолютно твердого тела вокруг неподвижной оси движение, при котором все точки тела движутся в плоскостях, перпендикулярных к неподвижной прямой, называемой осью вращения угловая скорость вращения - вектор, численно равный первой производной угла поворота тела по времени и направленный вдоль оси вращения по правилу правого винта тангенциальная составляющая ускорения характеризует быстроту изменения скорости по величине нормальная составляющая ускорения характеризует быстроту изменения скорости по направлению период вращения - время, за которое точка тела совершает один полный оборот, т.е. поворачивается на угол 2π частота вращения – число полных оборотов, совершаемых телом при равномерном его движении по окружности в единицу времени угловое ускорение – это векторная физическая величина, определяемая первой производной угловой скорости по времени инертность - свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии или взаимном уравновешивании внешних воздействий инерциальная система отсчета - система, относительно которой свободная материальная точка, не подверженная воздействию других тел, движется равномерно и прямолинейно, или по инерции неинерциальная система отсчета -система отсчета, движущаяся по отношению к инерциальной системе отсчета с ускорением, в ней не выполняются ни закон инерции, ни второй закон Ньютона, ни закон сохранения импульса. сила - это векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей внутренние силы - силы взаимодействия между материальными точками механической системы внешние силы - силы, с которыми на материальные точки системы действуют внешние тела замкнутая или изолированная система тел - механическая система тел, на которую не действуют внешние силы (они взаимно уравновешиваются) центр масс или центр инерции системы материальных точек - воображаемая точка положение которой характеризует распределение массы этой системы УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 7 из 93 «11сентября»2013 г. сила консервативная (или потенциальная) -если работа, совершаемая силы при перемещении точки из одного произвольного положения в другое произвольное положение не зависит от траектории перемещения сила неконсервативные (диссипативные) – если работа этих сил зависит от траектории перемещения точки мощность - численно равна работе, совершаемой силой за единицу времени кинетическая энергия - механическая энергия всякого свободно движущегося тела потенциальная энергия –механическая энергия системы тел, определяемая их взаимным расположением и характером сил взаимодействия между ними абсолютно упругий удар - такой, в результате которого не происходит превращения механической энергии системы соударяющихся тел в другие виды энергии. абсолютно неупругий удар - если после удара тела движутся как одно целое, т.е. с одной и той же скоростью Замкнутая (изолированная) система - механическая система, на которую не действуют внешние силы энергия покоя - внутренняя энергия тела, которая складывается из кинетических энергий всех частиц, потенциальной энергии их взаимодействия и суммы энергий покоя всех частиц. смещение колеблющейся точки – это отклонение колеблющейся точки от положения равновесия амплитуд колебания - наибольшее (максимальное) смещение относительно положения равновесия фаза - угол поворота вращающейся точки А относительно начала отсчета эффектом Доплера - изменение частоты колебаний, воспринимаемых приемником, при движении источника этих колебаний и приемника друг относительно друга длина волны – расстояние между двумя ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе. когерентные волны - волны, разность фаз которых остается постоянной во времени Интерференция волн – явление наложения двух или нескольких когерентных волн, в результате которого в разных точках пространства наблюдается устойчивое усиление или ослабление результирующей волны в зависимости от соотношения между фазами этих волн Жидкость - тело, обладающее несжимаемостью, текучестью и подвижностью; способное изменять свою форму под воздействием внешних сил и температурных изменений Агрегатные состояния вещества - состояния одного и того же вещества в различных интервалах температур и давлений. Вода - устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода и кислорода, существующее в жидком, твердом и газообразном состояниях. Термодинамические параметры - температура, плотность, давление, объем, удельное электрическое сопротивление и другие физические величины, однозначно определяющие термодинамическое состояние системы; не учитывающие молекулярное строение тел и описывающие их макроскопическое строение. Абсолютная температура - температура, измеренная по шкале Кельвина и отсчитываемая от абсолютного нуля. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от «11сентября»2013 г. Страница 8 из 93 Термодинамическое равновесие термодинамической системы - состояние термодинамической системы, в котором все макроскопические параметры системы с течением времени не меняются и в системе отсутствуют стационарные потоки теплоты, вещества и др. Вязкость - свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Поверхностные явления - совокупность явлений обусловленных тем, что силы взаимодействия между частицами, составляющими тело, не скомпенсированы на его поверхности. Адсорбция - явление поглощение газов и паров, а также растворенных веществ поверхностным слоем (пористых) тел (адсорбентов). Капилляр - в физике - трубка с узким внутренним каналом Капиллярные явления - явления, вызываемые влиянием сил межмолекулярного взаимодействия на равновесие и движение Капля - небольшой объем жидкости, ограниченный в состоянии равновесия поверхностью вращения. Коэффициент поверхностного натяжения - работа, необходимая для изотермического увеличения площади поверхности жидкости на 1 кв.м. Краевой угол - угол между поверхностью твердого тела и мениском в точках их пересечения. Мениск - часть поверхности жидкости у границы раздела жидкости и твердого тела. Радиометрический эффект - эффект возникновения силы, действующей на пластинку, помещенную в разреженный газ, при освещении одной из ее поверхностей. Сверхтекучесть - явление снижения до нуля вязкости гелия при температуре ниже 2.17 K. Сила поверхностного натяжения - сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности. Смачивание - явление, возникающее при взаимодействии жидкости с поверхностью твердого тела при их контакте, обусловленное силами притяжения и отталкивания молекул жидкости и твердого тела. Число степеней свободы - наименьшее число линейно независимых координат, которые полностью определяют положение тела в пространстве. барометрической формулой – математически выраженная зависимость давления атмосферы от высоты над уровнем моря при постоянной температуре называют внутренняя энергия термодинамической системы - совокупность всех видов энергии, которыми она обладает, за вычетом энергии поступательного движения ее как целой и потенциальной энергии системы во внешнем поле. Электрический заряд – физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q Носители отрицательного и положительного элементарных зарядов - соответственно 27 электрон ( me 9.11 10 кг) и протон ( m p 1.67 10 кг) Точечный заряд – заряженное тело, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми оно взаимодействует 31 УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от «11сентября»2013 г. Страница 9 из 93 Закон сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов замкнутой системы остается неизменной Теория близкодействия – теория, согласно которой силовые взаимодействия между разобщенными телами могут передаваться только при наличии какой-либо среды, окружающей эти тела, последовательно от одной части этой среды к другой, и с конечной скоростью Вектор напряженности электрического поля - силовая характеристика электростатического поля служит в данной точке Принцип суперпозиции электрических полей: напряженность поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из зарядов системы в отдельности Линии напряженности – это линии, касательные к которым в каждой точке направлены так же, как и вектор напряженности E в данной точке поля Поток вектора напряженности E однородного поля через плоскую поверхность S величина, равная N ES cos En S ES , где - угол между вектором E и нормалью n к поверхности S , En - проекция вектора E на нормаль n . Линейная плотность заряда – это заряд, приходящийся на единицу длины тела Поверхностная плотность заряда – это заряд, приходящийся на единицу поверхности тела Объемная плотность заряда – это заряд, приходящийся на единицу объема тела Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме: поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на 0 . Потенциальное электростатическое поле – поле, в котором работа перемещения заряда q 0 из точки 1 в точку 2 не зависит от траектории перемещения, а определяется только положениями начальной 1 и конечной 2 точек Разность потенциалов двух точек электростатического поля – величина, численно равная работе, совершаемой силами поля, при перемещении единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2 поля Эквипотенциальные поверхности - поверхности, во всех точках которых потенциал имеет одно и то же значение Электрический диполь - система двух одинаковых по величине разноименных точечных зарядов + q и - q , расстояние l между которыми значительно меньше расстояния до точек, в которых определяется поле системы Плечом диполя - вектор l , проведенный от отрицательного заряда к положительному Неполярные диэлектрики – вещества, молекулы которых в отсутствии внешнего электрического поля имеют симметричное строение и не обладают дипольным p моментом Полярные диэлектрики – вещества, молекулы которых имеют дипольный момент p уже в отсутствии внешнего электрического поля, т.к. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов молекулы не совпадают (жесткий диполь). УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от «11сентября»2013 г. Страница 10 из 93 Кристаллические диэлектрики с ионной решеткой – вещества, внутренняя структура которых представляет собой пространственную решетку с правильным чередованием ионов разных знаков Поляризацией диэлектрика - процесс ориентации диполей или появления ориентированных по полю диполей, происходящий под воздействием внешнего электрического поля Вектор электрического смещения D - величина, используемая для описания электрического поля в неоднородных диэлектриках (ею удобнее пользоваться вместо напряженности поля E ) Теорема Гаусса для вектора электрического смещения: поток вектора смещения электрического поля в диэлектрике через замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных электрических зарядов Сегнетоэлектрики – диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью, т.е. поляризованностью в отсутствие внешнего электрического поля Точка Кюри - характерная температура, при которой сегнетоэлектрик теряет свои необычные свойства Прямой пьезоэлектрический эффект – процесс поляризации, который может возникнуть и без внешнего электрического поля, если кристалл подвергнуть механическим деформациям Обратный пьезоэффект - явление возникновения поляризации в пьезоэлектриках, сопровождающееся механическими деформациями Электростатическая индукция - явление перераспределения зарядов на проводнике, помещенном во внешнее электростатическое поле Электроемкостью проводника - коэффициент пропорциональности C между потенциалом и зарядом проводника; электроемкость проводника зависит от его размеров и формы Конденсатор - устройств, обладающее способностью при малых размерах и небольших относительно окружающих тел потенциалах накапливать значительные по величине заряды Электрический ток - упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов Сила тока I – физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени Плотность тока - физическая величина, определяемая зарядом, проходящим в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению тока Вольтамперная характеристика проводника - для каждого проводника однозначная зависимость между разностью потенциалов на его концах и силой тока в нем: I f U Сверхпроводимость – явление, когда при очень низких температурах в некоторых веществах наблюдается скачкообразное уменьшение сопротивления до нуля Сторонние силы - силы неэлектростатического происхождения УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от «11сентября»2013 г. Страница 11 из 93 Электродвижущая сила (э.д.с.) источника тока - величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда Напряжение U на данном участке цепи - величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна I i 0 нулю: i Второе правило Кирхгофа: для любого замкнутого контура разветвленной цепи алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме э.д.с. в этом контуре Шунт – это сопротивление Rш , подключаемое параллельно к амперметру с целью измерения силы тока I , превышающей силу тока I а , на которую рассчитан данный амперметр Закон Джоуля-Ленца (в интегральной форме): количество теплоты, выделяемое постоянным электрическим током на участке цепи равно произведению квадрата силы тока на время его прохождения и электрическое сопротивление этого участка цепи Р. Милликен, американский физик - впервые с большой точностью определил заряд электрона Контактная разность потенциалов - разность потенциалов, возникающая при контакте двух разнородных металлов между ними Термопара - замкнутая цепь проводников, создающая ток за счет различия температур контактов между проводниками Термоэлектрический эффект (эффект Зеебека) – явление, обусловленное зависимостью контактной разности потенциалов от температуры Ж. Пельтье, французский физик - в 1834 г. обнаружил явление, обратное термоэлектрическому Собственная проводимость полупроводников - процесс проводимости в чистых полупроводниках, лишенных вовсе химических примесей и других дефектов, при наличии электрического поля в образовании тока принимают участие, как электроны проводимости, так и дырки Примесная электропроводность полупроводников электропроводность полупроводников, наличием примесей. Донорные примеси - примеси, вызывающие появление электронов проводимости (например, мышьяк в кремнии) Акцепторные примеся - называются примеси, вызывающие появление дырок (например, бор в кремнии) Полупроводник n-типа – полупроводник, в котором концентрация электронов значительно больше концентрации дырок, Полупроводник p-типа - полупроводник, в котором значительно преобладают положительные «заряды» - дырки Основные носители тока в полупроводнике - носители тока, представленные в большинстве называются, а представленные в – Неосновные носители тока в полупроводнике - носители тока, представленные в полупроводнике в меньшинстве УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 12 из 93 «11сентября»2013 г. Электронно-дырочный переход (или p-n-переходом) - граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводимость Фотопроводимость полупроводников – увеличение электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения Работа выхода электрона из металла - работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум Электронная эмиссия - явление испускания электронов Закон Богуславского-Ленгмюра (закон трех вторых): зависимость термоэлектронного 3 от анодного напряжения U выражается формулой: I BU 2 , тока Ток насыщения - некоторое максимальное значение термоэлектронного тока I нас , достигаемое при увеличении анодного напряжения Закон Ричардсона-Дешмена – достаточно сильная зависимость плотности тока I A j нас CT 2 exp kT , насыщения от температуры, выражаемая формулой: Энергиея ионизации - определенная энергия, необходимая для того, чтобы выбить из молекулы (атома) один электрон Рекомбинация – процесс, обратный процессу ионизации, всегда идет одновременно с процессом ионизации газа Газовый разряд - прохождение электрического тока через газы Несамостоятельный - разряд, существующий только под действием внешних ионизаторов Самостоятельный газовый разряд - разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора Электролиты - водные растворы многих солей, кислот и щелочей, хорошо проводящие электрический ток Электролитическая диссоциация – процесс, при котором молекула растворенного вещества под действием молекул растворителя распадается на положительные и отрицательные ионы; этот процесс происходит независимо от тока Степень диссоциации – численно равна отношению числа диссоциированных молекул электролита к общему числу его молекул Электролиз – процесс выделения на электродах химических составных частей электролита Х. Эрстед, датский физик – обнаружил (1820г.) ориентирующее действие электрического тока на магнитную стрелку А.М. Ампер, французский физик - открыл и подробно исследовал взаимодействие двух проводников с током Принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым током в отдельности: n B Bi i 1 . Линии магнитной индукции - линии, касательная к которым в каждой точке совпадают УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 13 из 93 «11сентября»2013 г. с направлением вектора индукции B . Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Напряженность магнитного поля H - величина, используемая для описания магнитного поля наряду с магнитной индукцией Теорема о циркуляции вектора H - то же, что и законом полного тока для магнитного поля в вакууме. Сила Лоренца - сила, действующая на электрический заряд q , движущийся в магнитном поле со скоростью v Эффект Холла – явление возникновения в металле с током плотностью j , помещенном B в магнитное поле , электрического поля в направлении, перпендикулярном j и B . Магнитный поток через плоскую поверхность S , расположенную в однородном магнитном поле с индукцией B - скалярная величина, равная Ф BS cos Bn S BS , М. Фарадей, английский физик - открыл (1831г.) явление электромагнитной индукции Закон электромагнитной индукции Фарадея: какова бы ни была причина изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную замкнутым проводящим i dФ dt контуром, возникающая в контуре э.д.с. Правило Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшему этот индукционный ток Экстратоки самоиндукции - дополнительные токи, возникающие при замыкании и размыкании цепи Трансформатор - прибор для преобразования переменного тока Взаимная индукция - явление возникновения э.д.с. индукции в одном из контуров при изменении силы тока в другом Электромагнитная волна - процесс распространения в пространстве переменного электромагнитного поля с конечной скоростью Свободные колебания - колебания, совершающиеся под действием внутренних сил системы, после того, как система была выведена из состояния равновесия Вынужденные колебания - колебания, происходящие под действием внешних периодически изменяющихся сил Резонанс – явление неограниченного возрастания амплитуды колебаний при условии, если частота вынуждающей силы стремится к частоте собственных колебаний осциллятора Электромагнитное поле - переменные электрическое и магнитное поля, связанные друг с другом УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от «11сентября»2013 г. Страница 14 из 93 ЛЕКЦИИ Первая ступень обучения физике. Методика изучения вопросов: строение вещества; элементы гидро- и аэростатики; работа, энергия. тепловые явления;. строение атома; элементы электростатики; постоянный ток Первоначальные сведения о строении вещества В настоящее время экспериментальные и теоретические доказательства положений молекулярно-кинетической теории настолько многочисленны и убедительны, что существование молекул получило всеобщее признание как установленный факт. Из большого числа научных положений и опытных фактов, относящихся к молекулярно-кинетической теории, оказалось возможным выбрать такие, которые вполне доступны учащимся и достаточно убедительны для них. Свойства тел зависят от их строения, многие физические явления также объясняют с точки зрения молекулярных представлений. Стремление искать причины наблюдаемых явлений и объяснять свойства тел можно развивать у учащихся при изучении физики уже с VII класса. Изучение строения вещества способствует осмысливанию явлений. Появляется возможность группировать изучаемые факты вокруг основных положений теории, рассматривать их с позиций этой теории. Говоря об особенностях физической науки, учитель на первых же уроках должен подчеркнуть роль наблюдения и опыта в физике, сказать, что в задачи физики входит не только наблюдение явлений, но и их объяснение, а также объяснение результатов опыта. В некоторых случаях возможно и научное предвидение протекания того или иного явления, создание веществ с заранее заданными свойствами, но для этого необходимо знать строение физических тел. Перед учащимися ставят вопрос: являются ли тела сплошными или они состоят из частиц, разделенных промежутками? Демонстрируют опыты: сжатие шарика с воздухом, расширение и сжатие воздуха при нагревании и охлаждении, смешивание воды со спиртом. Наблюдаемые явления объясняют тем, что тела состоят из частиц, разделенных промежутками. После этого, естественно, возникают вопросы о размерах этих частиц, о том, почему мы их не видим. Первое представление о размерах частиц, из которых состоят тела, учащиеся получают при демонстрации опыта с растворением крупинки краски в воде. Чтобы у учащихся не создалось впечатления, что представления о молекулярном строении веществ были введены в науку так же просто, как это сделано на уроке, следует очень кратко рассказать, как возникла и развивалась молекулярная теория со времен Демокрита, как много еще узнают они в дальнейшем, изучая основы наук. С другой стороны, следует подчеркнуть, что молекулы и сейчас изучают, и знания эти постоянно пополняются. Исторические сведения можно использовать для ознакомления учащихся с методом научного познания. Это нужно сделать в доступной для них форме, например, сказать, что наблюдения над окружающими явлениями позволили ученым древности сделать предположение о том, что все тела состоят из отдельных очень маленьких частиц. Но не всякое предположение бывает правильным, поэтому его проверяют новыми наблюдениями и опытами. Для простоты представление о модели молекулы вводится только на примерах воды, водорода и кислорода. Это позволяет постепенно подготовить учащихся к пониманию, роли моделей в физике и облегчает изучение таких вопросов, как строение газов, жидкостей и твердых тел, изменение УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от «11сентября»2013 г. Страница 15 из 93 агрегатных состояний и др. Учителю надо иметь в виду, что утверждение «все тела состоят из молекул» неточно. Есть тела, состоящие из атомов. Так, в ионных (например, NaCl) и атомных (например, алмаз) кристаллах нет отдельных молекул, которые могли бы существовать и в газовой фазе. Основой изучения молекулярно-кинетической теории на этом этапе обучения служит явление диффузии. Оно доказывает существование молекул и их движение. К диффузии относят все перемещения частиц, вызванные их тепловым движением: перемещения носителей тока в проводниках и полупроводниках (конечно, не те, которые вызваны действием электрического или магнитного полей), выравнивание концентрации броуновских частиц, выравнивание плотности газа по всему объему, распространение примесей в атмосфере и т. п. В простейшем случае это самопроизвольное выравнивание концентрации веществ. Рассмотрению диффузии нужно уделить возможно больше внимания: тщательно поставить разнообразные опыты, дать определение явления и подробно объяснить его. Для закрепления изученного необходимо привлекать учащихся к самостоятельному объяснению примеров диффузии в природе. Полезно сообщить ученикам, что диффузия происходит и через тонкие перегородки. Поскольку факт движения молекул для учащихся обосновывают демонстрацией явления диффузии, то и связь между скоростью движения молекул и температурой тела целесообразно показать на явлении диффузии, протекающем при разных температурах. Поставить такой опыт на уроке трудно, ибо сложно создать в классе условия, при которых каждый сосуд находился бы при определенной (различной для обоих сосудов) постоянной температуре от начала и до конца опыта, поэтому картина явления будет искажаться конвекционными токами. Приводя, данные о скоростях молекул, полезно указать, что они движутся с разными скоростями, это в дальнейшем поможет объяснить некоторые явления, например испарение. Числовые данные о размерах молекул, о расстояниях между ними, скоростях их движения и т.п. сообщают учащимся не для запоминания (их трудно даже записать). Здесь следует как можно шире использовать сравнения. Интересны для учащихся сравнения размеров молекул с очень малыми, микроскопическими предметами, например с размерами пыльцы, фасетки глаза мухи и т. п. Различие между агрегатными состояниями вещества с точки зрения молекулярнокинетических представлений Изучение этой темы удобно проводить в такой последовательности. Сначала на опытах демонстрируют общие свойства твердых тел, жидкостей и газов. Лучше начать с твердых тел, так как их свойства больше знакомы учащимся, из жизненного опыта. Следует повторить значение терминов «форма» и «объем» и показать, что твердое тело не обладает заметной текучестью. Здесь можно воспользоваться рядом опытов сгибание стальной пластинки, растягивание резиновой ленты с начерченными на ней квадратами и др. Делают вывод о свойстве твердых тел сохранять свою форму. Затем учащиеся приводят примеры, подтверждающие наличие этого свойства и значение его в технике и быту. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 16 из 93 «11сентября»2013 г. Изменение формы жидкости демонстрируют известным опытом по переливанию ее в различные сосуды. В качестве первого и последнего сосудов лучше взять мензурку и мерную колбу, чтобы одновременно показать, что объем жидкости не изменился при переливаниях. Сложнее продемонстрировать малую сжимаемость жидкостей. Можно предложить учащимся проделать опыт (или выполнить его на уроке): наполненный до края водой толстостенный флакон закрыть притертой пробкой и убедиться, что вода частично выльется из флакона. Известны многие простые опыты: сжатие мяча, резиновой перчатки, надутой воздухом и завязанной; заметное расширение газа при нагревании и др. Свойство газа занимать весь предоставленный ему объем можно показать на простом опыте: перевязать посередине детский резиновый шарик. Затем в одну половину его надуть немного воздуха и развязать «перемычку». Воздух займет объем всего шарика. Объяснение свойств газов, жидкостей и твердых тел с точки зрения молекулярно-кинетической теории логически связывают с рассмотренными опытами. Объяснение, наоборот, удобнее начать с газов: поведение их молекул несколько «проще»; кроме того, дальнейшим разъяснениям о расположении, движении и взаимодействии молекул в жидкостях и твердых телах помогает сопоставление с газами. Ученики видели, что газ легко сжать, что при нагревании он заметно расширяется, отсюда делают заключение: промежутки между молекулами газа сравнительно велики (при нормальных условиях они в десятки раз больше размеров самих молекул). Из этого следует также, что молекулы газов почти не притягиваются друг к другу, ведь учащимся уже известно, что притяжение проявляется лишь на очень малых расстояниях. Отсутствием притяжения и непрерывным движением молекул и объясняется рассмотренное ранее свойство газа занимать весь предоставленный ему объем. Таким образом, знания свойств газов и некоторых сведений о молекулах позволяют дать ясную для учащихся картину строения газов. Некоторые ученики отождествляют воздух с вакуумом и говорят: между молекулами находится воздух. Поэтому полезно специально обратить внимание на окружающий нас газ - воздух, сказать несколько слов о его составе и о поведении его молекул, об их скоростях, расстояниях, числе молекул в единице объема (в 1 см3 воздуха содержится при нормальных условиях 2,7∙1019 молекул). Можно написать это число на доске со всеми нулями и обязательно привести сравнение, например, если из 1 см3 воздуха каждую секунду выпускать по 100 млн. молекул, то этот объем опустеет лишь через 9000 лет. Большой интерес у учащихся вызывает обсуждение вопроса о том, что бы мы увидели вокруг себя, если бы молекулы воздуха стали видимыми, и было бы это для нас удобно? Затем переходят к объяснению свойств жидкостей и твердых тел. Жидкости легко меняют форму, но очень мало сжимаемы. Из их первого свойства – текучести следует, что притяжение между молекулами в них слабее, чем в твердых телах; из второго - что расстояния между молекулами невелики (примерно равны размерам самой молекулы). В беседе с учениками выясняют: отсутствует ли притяжение между молекулами в жидкости. Сравнивают их поведение с поведением молекул газов, которые занимают полностью весь предоставленный им объем, и делают вывод, что УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 17 из 93 «11сентября»2013 г. поскольку жидкости не обладают таким свойством, то притяжение между молекулами в них существует. Во время объяснения свойств тел полезно повторить некоторые опыты, это активизирует внимание учащихся и делает объяснения более понятными. Перед рассказом учителя интересно выслушать мнение учеников о связи свойств тел с поведением молекул, например, спросить учащихся, какова, по их мнению, причина большой сжимаемости газов. Выслушав предположения, учитель резюмирует их и дает окончательное объяснение этого свойства газов. Вопрос о различии между агрегатными состояниями следует рассмотреть достаточно глубоко, так как эти знания позволяют в дальнейшем объяснять многие изучаемые явления вплоть до конвекции и теплопроводности. Важно также подчеркивать, что сами молекулы при переходе из одного агрегатного состояния в другое не меняются (хотя и существуют исключения). В теме «Первоначальные сведения о строении вещества» учащимся можно предложить качественные задачи, например, такие: 1. Известно, что молекулы газов при комнатной температуре движутся со скоростью, примерно равной скорости пули. Почему же диффузия в воздухе, например, распространение запаха одеколона, не происходит за доли секунды? 2. Различаются ли между собой молекулы теплой и холодной воды? 3. Вода замерзла и обратилась в лед. Изменились ли при этом сами молекулы воды? Как изменилось их расположение и движение? Сведения о молекулах в теме «Движение и силы» Понятия и явления, рассмотренные в теме «Движение и силы», используют для углубления и расширения сведений о молекулах. На основе изученных в этой теме понятий массы, инерции, силы давления, плотности рассматривают следующие вопросы: масса молекул, характер движения их в промежутках между соударениями, давление газа, выражение плотности вещества через массу молекулы и их число в единице объема, силы взаимодействия между молекулами в твердых телах, жидкостях и газах. Например, после введения понятия массы тела указывают, что она складывается из масс его молекул, и дают представление о порядке величины массы молекулы (для этого опять-таки полезно применять сравнения). При изучении инерции следует обратить внимание учащихся на один из важнейших ее примеров: движение молекул газа от одного соударения до другого происходит по инерции и является, следовательно, прямолинейным и равномерным. Скорость молекулы не может измениться до взаимодействия ее с другой молекулой (или со стенками сосуда), что было также показано при изучении взаимодействия тел. Таким образом, постепенно следует создавать у учащихся убеждение в том, что движение - способ существования материи (это является нелегкой методической задачей, так как в данном случае нельзя опереться на жизненный опыт учащихся). Выражение плотности вещества через массу молекулы и число молекул в единице объема Плотность вещества определяют как массу единицы объема вещества. Выражение - плотность всякого вещества равна произведению массы его молекулы на число молекул в единице объема - не является определением понятия плотности. Его дают для углубления знаний о молекулярном строении вещества. Разъяснение связи макроскопического понятия «плотность» с микровеличиной - массой одной молекулы УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 18 из 93 «11сентября»2013 г. и их числом в единице объема полезно для понимания строения вещества и объяснения многих явлений, таких, как различие в плотностях веществ, находящихся в одном и том же агрегатном состоянии, зависимости давления газа от его объема, изменения атмосферного давления с высотой и т.п. Для разъяснения зависимости плотности вещества от массы молекулы и их числа в единице объема полезно провести сравнение плотности двух жидкостей. Здесь можно заметить, что различие в плотностях зависит главным образом от разницы в массах молекул. При сравнении плотности жидкости и газа наиболее убедителен пример с жидкостью и ее же паром, так как в этом случае масса молекулы одна и та же, а число молекул в единице объема значительно отличается для жидкого и газообразного состояний. Можно воспользоваться следующим примером: плотность воды при 4°С равна 1000 кг/м3, а наибольшая плотность водяного пара при той же температуре - 0,0064 кг/м3. Давление газа При разъяснении механизма давления газа используют понятие инерции и вопрос о взаимодействии тел. Молекулы газа между соударениями и после ударов о стенку движутся по инерции, сохраняя значение и направление той скорости, которую приобретают при соударении. Но учащиеся знакомы лишь с частным случаем взаимодействия, при котором тела до взаимодействия покоятся относительно друг друга и относительно системы отсчета (стола, на котором демонстрируется опыт). Поэтому перед объяснением давления газа полезно показать и другие случаи взаимодействия - соударения шаров, имеющих начальные скорости. Шары подвешивают на нитях и показывают несколько случаев соударения: при движении шаров навстречу друг другу и в одном направлении, когда один шар покоится, и т.д. Это пояснит, почему скорости молекул газа различны: в разных случаях соударений скорости отдельных молекул могут или увеличиваться, или уменьшаться. Этим будет положено начало формированию понятия о средней скорости движения молекул. Объяснение механизма давления газов на основе молекулярно-кинетической теории будет лучше усвоено учащимися, если подкрепить его демонстрацией и объяснением двух явлений. 1. Давление газа меняется при изменении плотности газа за счет изменения числа молекул в единице его объема. Плотность газа можно изменить удалением из его объема части молекул (откачиваемых насосом) или изменением объема данной массы газа. Можно рекомендовать следующий демонстрационный опыт: раздувание завязанного резинового шарика (или мыльной пены, помещенной в стакан) под колоколом воздушного насоса при откачивании окружающего шарик воздуха. Этот опыт можно показать и в более простом варианте. 2. Давление газа меняется при изменении его температуры. Это явление демонстрируют на простых опытах. Объясняют учащимся, что при нагревании газа скорость движения его молекул увеличивается, и удары их о стенки сосуда становятся сильнее и чаще. Изменение давления газа при изменении его объема и температуры следует рассмотреть, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, наблюдение и объяснение этих явлений УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 19 из 93 «11сентября»2013 г. поможет понять механизм давления газов. Во-вторых, эти явления будут в дальнейшем использоваться при объяснении нового материала, например в теме «Атмосферное давление» для объяснения подъема жидкости за поршнем. Учитывая, как важно формирование у учащихся знаний основ молекулярной физики, следует принимать все меры для совершенствования методики преподавания этой темы. Поскольку одной из основных трудностей здесь является абстрактность, невозможность непосредственного наблюдения явлений, то можно рекомендовать применение различных механических моделей. Силы взаимодействия между молекулами в твердых телах, жидкостях и газах При сообщении первоначальных сведений о строении вещества указывалось, что молекулы жидкостей и твердых тел притягиваются друг к другу, рассмотрено и отталкивание молекул. Но на первом этапе невозможно было больше сказать о взаимодействии молекул, так как еще не было изучено понятие силы. После введения этого понятия взаимодействие между молекулами рассматривают более обоснованно. Существованием сил взаимодействия между частицами твердых тел обосновывают прочность тел, а малым радиусом их действия - невозможность восстановить разрушенное твердое тело. Затем на опыте показывают наличие сил притяжения между молекулами жидкости. В заключение целесообразно сделать вывод о различии в силах притяжения частиц твердого тела, жидкости и газа. Здесь же надо обратить внимание учащихся на существование сил отталкивания между молекулами. Если существование сил притяжения обосновывали тем, что тела не распадаются на отдельные молекулы, то наличие сил отталкивания можно обосновать тем, что молекулы тел не приближаются вплотную друг к другу, не «слипаются». Известно, что те и другие силы существуют одновременно, но силы отталкивания растут с уменьшением расстояния между молекулами быстрее, чем силы притяжения. Это также вытекает из простых рассуждений: при увеличении расстояния между молекулами, т.е. при растяжении, тела сопротивляются растяжению, а при уменьшении расстояний, т.е. при сжатии, сопротивляются сжатию. Приведенные рассуждения доступны для учащихся и позволяют уже при изучении элементарных сведений о молекулах дать представление о характере сил их взаимодействия. Следствия существования сил взаимодействия молекул - явления смачивания и капиллярности. Но объяснить явление капиллярности в VII классе невозможно, так как для этого понадобилось бы рассмотреть понятие о поверхностном натяжении, краевом угле и др. Вся система знаний о строении вещества, накопленных учащимися к концу VII класса, позволяет сделать важный в методологическом отношении вывод о неисчерпаемости материи. Напоминают учащимся, что сначала они узнали о молекулах, их движении и взаимодействии, затем о составе молекул, атоме и его составных частях - ядре и электроне, потом о составе ядра, некоторых свойствах электрона, протона и нейтрона. Из этого можно заключить, что и при изучении физики и в развитии самой науки знания о материи углубляются и пополняются, но никогда не станут завершенными, всегда будут увеличиваться, развиваться. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от «11сентября»2013 г. Страница 20 из 93 Движение и силы В теме «Движение и силы» начинается формирование понятий кинематики. В методическом отношении эта тема одна из наиболее трудных и ответственных. Методика работы над понятиями механического движения, равномерного движения, неравномерного движения, траектории должна быть такой, чтобы они получили достаточную эмоциональную окраску, иначе первые уроки по механике покажутся учащимся скучными и неинтересными, что может наложить нежелательный отпечаток на отношение учащихся к предмету. Поэтому не следует торопиться с переходом к решению задач, как это часто делают некоторые учителя. Очень важно обеспечить на уроках и во внеклассной работе возможность наблюдений. Демонстрации по механике, как правило, просты и доступны в условиях любого физического кабинета. Иногда учитель отказывается от них именно из-за простоты, ему кажется, что учащиеся могут представить себе движение по словесному описанию. Это неверно. Прежде чем развить способность «воображать» физические явления, их нужно наблюдать. После опытов на уроке полезно дать задание по наблюдениям во внеклассной обстановке. Важно, чтобы у учащихся выработался вкус к наблюдениям, сопоставлениям и выводам, чтобы они научились находить физику в явлениях окружающей их жизни и практики, чтобы понятия механики опирались на конкретные физические представления. При демонстрации движений не следует торопиться с обобщениями, так как раннее обобщение может повести к формализму в знаниях учащихся. Механическое движение. Траектория и пройденный путь Изучение кинематики начинается с понятия механического движения. Это движение определяется как изменение положения данного тела относительно других тел. Необходимо обратить внимание школьников на то, что любое определение механического движения всегда содержит указание на его относительность. При введении понятия траектории движения целесообразно демонстрировать тела небольших размеров. Сначала показать траектории движения тела на доске, потом траекторию движения, которую мы некоторое время видим, благодаря сохранению зрительного ощущения, например, лампочки для карманного фонаря, соединенной с батарейкой. В заключение полезно провести упражнение, показав криволинейное движение, например, шарика (например, подвешенного на нити), колеблющегося и движущегося по окружности, а также по параболам различной кривизны, при перебрасывании его учителем с одной руки на другую. После демонстрации предложить учащимся по памяти начертить траекторию его движения. Следует обратить внимание на различие между пройденным телом путем, измеренным вдоль траектории, и расстоянием, на которое оно переместилось от начальной точки. Это подведет учащихся к понятию перемещения. Различие между понятиями пройденного пути и перемещением нужно закрепить на нескольких примерах. Предложить учащимся начертить траекторию, двигаясь по которой тело проходит большой путь, но оказываемся на небольшом расстоянии от начальной точки, а также траекторию, при которой пройденный путь и расстояние оказываются равными. В дальнейшем нужно следить за тем, чтобы выражения «пройденный путь» и «перемещение» употреблялись правильно. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от «11сентября»2013 г. Страница 21 из 93 Измерение времени Успешность постановки демонстраций по равномерному и неравномерному движению, скорости, мощности в значительной мере определяется наличием прибора, отмечающего произвольные, равные между собой промежутки времени и отсчитывающего секунды. Наиболее подходящим для этой цели звуковым прибором является метроном, частота сигналов которого определяется положением подвижного грузика. Прямолинейное равномерное и неравномерное движение Определение равномерного движения надо давать, не прибегая к понятию скорости, из более простого соотношения отрезков пути, проходимых в любые равные промежутки времени. Для выяснения характера движения необходимо отмечать положение непрерывно движущегося тела через равные промежутки времени. Следовательно, учащиеся должны представлять себе, что называется промежутком времени и моментом времени, и эти выражения правильно употреблять. Равномерное движение - это частный случай движения, поэтому демонстрацию лучше начать с более общего - с движения, при котором за равные промежутки времени тело проходит различные пути, и только после этого выяснить особенности равномерного движения. Наиболее подходящей начальной демонстрацией является сопоставление движения шарика по наклонному желобу с всплыванием в стеклянной трубке с водой воздушного пузырька (воду хорошо слегка подкрасить). Положение шарика на желобе через равные промежутки времени может фиксировать мелом вызванный к доске ученик в такт ударам метронома. Опыт показывает, что за равные промежутки времени шарик проходит по наклонному желобу различные пути. Положение воздушного пузырька на стекле кисточкой, смоченной тушью, следует отмечать самому учителю, так как ошибки ученика могут исказить важный для вывода результат. Передвигая грузик метронома, можно показать, что при изменении промежутков времени, по истечении которых фиксируется положение пузырька, движение его не перестает быть равномерным. И за другие равные промежутки времени он проходит другие, но равные между собой отрезки пути. Скорость Понятие скорости требует от учащихся способности к абстрактному мышлению. В процессе формирования понятий физики и математики оно играет значительно большую роль, чем это представляется с первого взгляда. Правильное понимание учащимися скорости впоследствии сыграет большую роль в формировании основных понятий математического анализа, а в физике - в понимании быстроты изменения во времени любых физических величин, начиная с мощности и заканчивая изменением электрических и магнитных полей. Несмотря на то, что у учащихся уже имеются первоначальные представления о скорости, которые они получили из житейских наблюдений и из курса математики, при формировании этого понятия обязательно нужны классные демонстрации и внеклассные наблюдения за движениями тел с различными скоростями. Дело в том, что учащиеся, умеющие составлять уравнения на нахождение пройденного пути, далеко не всегда представляют себе числовое значение скорости конкретных движений и УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 22 из 93 «11сентября»2013 г. часто не могут оценить правдоподобность результата, полученного при решении задач. Следующим важным шагом в формировании понятия скорости является установление единицы ее измерения. Выяснив, что скорость может измеряться другими единицами, сообщают, что основной единицей скорости является 1 м/с, и на примерах показывают, что числовое значение одной и той же скорости зависит от выбора единиц. Можно на уроке измерить скорость, с которой ученик проходит вдоль класса. В качестве домашнего задания полезно предложить учащимся определить, с какой скоростью они идут в школу, возвращаются домой или совершают прогулку (Для этого они должны предварительно измерить длину своего шага). Отдельные ученики могут определить скорость движения автомобиля на заранее измеренном отрезке пути и т. п. Эти упражнения способствуют конкретизации представлений о числовом значении скорости. При оценке качества выполнения практического задания нужно учитывать не только результат измерений, но и умение ученика рассказать о проделанной работе. Это развивает устную речь учащихся, над которой должны работать учителя. Учащиеся знакомы с неравномерным движением как с движением, при котором за равные промежутки времени тело проходит неравные отрезки пути. Теперь понятие о неравномерном движении надо связать со скоростью. Из житейской практики учащиеся знают, что при трогании с места поезда, автобуса скорости их возрастают, а при торможении уменьшаются. Скатывание шарика по наклонному желобу вниз может быть примером движения с увеличивающейся скоростью, а его движение вверх по желобу - с уменьшающейся скоростью. Большую роль в творческом овладении учащимися понятиями кинематики играет самостоятельное выполнение ими практических работ. Они должны уметь определять скорости, с которыми движутся автомобили, тракторы и другие машины, а также их отдельные части во время работы. Задания могут быть самыми разнообразными в зависимости от оборудования школы и ее окружения. Школьникам, проделавшим работу более интересную, чем другие, можно предложить рассказать о ней на уроке. Это побудит отдельных учащихся ответственно относиться к практическим заданиям, которые им в дальнейшем будут предлагать. Подобные работы полезно практиковать и при изучении других разделов механики, например при определении давления, работы, мощности, при изучении простых механизмов. Масса Понятие массы - одно из наиболее трудных понятий механики, поэтому необходимо обеспечить эти уроки достаточной наглядностью, чтобы у учащихся при первом же знакомстве с массой создавались правильные представления. Для опытов по взаимодействию тел удобны легкоподвижные тележки с магнитами. Демонстрации с тележками наглядны и просты, их можно повторять несколько раз. Наблюдая движение тележек, школьники выясняют, у какой из них больше масса. Если учащиеся будут настаивать на количественных выводах, им следует сказать, что мы не знаем, во сколько раз скорость одной тележки больше, чем УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 23 из 93 «11сентября»2013 г. второй, так как их скорости все время изменялись, а мы пока умеем находить скорости только при равномерном движении. После выполнения опытов переходят непосредственно к понятию массы, обращая внимание учащихся на то, что скорости взаимодействующих тел не всегда изменялись одинаково. Не давая определения массы, которое при любой формулировке оказалось бы для учащихся трудным, сообщают, что масса той тележки больше, скорость которой при взаимодействии изменилась меньше. Так как учащиеся видят, что тела до остановки проходят разные пути, они обращают внимание на них, а не на изменение скоростей при взаимодействии. Плотность вещества С понятием массы тела тесно связано понятие плотности вещества. Несмотря на то, что учащимся впоследствии придется иметь дело, главным образом, с единицами СИ, в которой плотность измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м3), плотность иногда дается также в граммах на кубический сантиметр (г/см3). Дело в том, что решение задач с применением единиц СИ часто оказывается громоздким, а представление о числовом значении плотности недостаточно конкретным. Представить себе кубический метр непросто и решить вопрос о том, велика или мала масса вещества в таком большом объеме, трудно. Оценить плотность по массе одного кубического сантиметра для учащихся значительно проще. Легче представить себе, что 1см3 оргстекла имеет массу 1,2 г, чем то, что масса 1 м3 его равна 1200 кг, так как в своей ежедневной практике ученик чаще имеет дело с кубическими сантиметрами, а не с кубическими метрами. Изучив понятие плотности, ученик должен хорошо себе представлять, что значит, что плотность гранита равна 2,6 г/см3 и 2600 кг/м3 и что числовое значение плотности одного и того же вещества зависит от выбора единиц. Учащиеся должны усвоить, что понятие «масса» относится к телу, а «плотность» - к веществу, из которого изготовлено тело, и употреблять эти выражения правильно. Сила. Первоначальное представление о силе учащиеся получают из повседневного опыта. Они обычно связывают его с мускульным усилием. Формирование же понятия силы как физической величины начинается на уроках, посвященных массе, когда выясняют, что изменение скорости тела возможно только при взаимодействии его с другим телом. Таким образом, рассматривая на протяжении нескольких уроков явление изменения скорости как результат взаимодействия тела с каким-нибудь другим телом, учитель накапливает конкретный материал, который затем обобщает в определении силы. Прежде чем давать определение, следует остановиться еще на нескольких примерах, обращая при этом внимание не на взаимодействие тел, а на то, какое именно тело изменило скорость рассматриваемого тела. Показывают, что сила - физическая величина, числовое значение которой можно измерить, например, при помощи пружины от прибора «ведерко Архимеда» или резинки. На опытах выясняют, что для перемещения тела на него нужно подействовать некоторой силой. Спрашивают, как узнать, в каком случае требуется большее усилие, чтобы сдвинуть тело с места или поднять его. Сила тяготения. Сила тяжести. Вес. Здесь необходимо помнить о том, чтобы представления, которые возникнут у учащихся относительно силы тяжести и веса, УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 24 из 93 «11сентября»2013 г. несмотря на малый объем получаемых сведений, не пришли впоследствии в противоречие с теми объяснениями, которые им будут давать в старших классах. Сила тяжести определяется как сила, с которой тело притягивается к Земле в данном месте, а вес как сила, с которой тело под действием силы тяжести действует на опору или натягивает подвес. Из определений следует, что эти силы действуют на разные тела: сила тяжести на само тело, а вес - на подставку или на подвес. Если тело неподвижно или движется без ускорения и при этом опора горизонтальна, то сила тяжести и вес равны. Равенство этих сил при неподвижной опоре учащимися принимается как очевидное, и в дальнейшем этим можно широко пользоваться. При неравномерном движении эти силы не равны или вес вообще отсутствует. Трудность в соблюдении правильной терминологии заключается еще в том, что с понятием веса учащиеся знакомятся в житейской практике и употребляют его иногда как силу, а иногда как массу, тем более что в быту вес обычно принято измерять в килограммах. Понятие же силы для них является новым. Явление тяготения относится к тем явлениям, которые в условиях класса могут быть продемонстрированы только на частном случае притяжения тел к Земле. Важно обратить внимание на то, что при увеличении расстояния между телами, а значит и между телом и Землей, притяжение между ними уменьшается, несмотря на то, что масса тела не изменяется. Следует иметь в виду, что учащиеся могут сделать вывод о том, что невесомость на кораблях-спутниках возникает из-за значительной их удаленности от Земли. Полезно подчеркнуть, что Луна притягивается Землей, поэтому она движется вокруг Земли, а не улетает от нее. По той же причине не улетают от Земли спутники. Космонавты, находящиеся на космическом корабле, продолжают притягиваться к Земле, но не давят на опору. Этих сведений достаточно, чтобы перейти к понятию силы тяжести. Дальше переходят к рассмотрению веса. Сложение сил. Равнодействующая Следующим этапом в формировании понятия силы является ознакомление с равнодействующей двух сил и ее определением. Учащимся сообщают, что часто на тело одновременно действуют две силы, и ставят вопрос: как найти силу, которая производит на тело такое же действие, как эти две силы? Для этой цели проще всего применить демонстрационный динамометр. Показав действие на динамометр каждого из грузов отдельно, можно продемонстрировать их совокупное действие. Чтобы учащиеся не думали, что модуль равнодействующей может быть равен только сумме или разности модулей составляющих сил, полезно на опыте показать им, что модуль равнодействующей двух сил меньше суммы их модулей, если силы действуют под углом. Затем полезно выделить случай, когда равнодействующая двух сил, действующих на тело, равна нулю. Это подготовит учащихся к пониманию равномерного прямолинейного движения при наличии трения, к измерению силы трения и к пониманию условия плавания тел. Трение. К тому времени, когда начинают изучать трение, учащиеся уже знакомы с явлением инерции, графическим изображением силы, умеют находить УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 25 из 93 «11сентября»2013 г. равнодействующую двух сил, направленных по одной прямой; знают, что, если на тело действуют две силы, равнодействующая которых равна нулю, оно остается в покое или движется равномерно и прямолинейно; что для изменения скорости тела необходимо, чтобы оно взаимодействовало с другим телом. При изучении трения эти сведения полезно вспомнить и закрепить.С трением покоя мы встречаемся не реже, чем с трением при движении, поэтому нужно дать первоначальное представление о трении покоя. Показать учащимся, что сила трения возникает не только во время движения, можно, например, приподняв край доски, на которой стой брусок. Брусок при этом остается в покое. Скольжению бруску препятствует сила, которую называют силой трения покоя. Из-за наличия этой силы не рассыпается куча песка, тогда как из гладких шариков от подшипников такой кучи образовать не удается. Сила трения покоя удерживает гвоздь, вбитый в дерево, не дает развязаться банту ил ленто, вплетенной в косу, удерживает нитку, которой сшиты два куска ткани, и т.п. Благодаря действию силы трения покоя часто осуществляется взаимодействие тел, в результате которого оба тела или одно из них приходят в движение. Так, потянув за бумагу, на которой стоит брусок, можно привести его в движение только из-за возникновения между бумагой и бруском силы трения покоя. При наличии времени полезно разъяснить роль трения при ходьбе. Интересно разобрать с учащимися вопрос о том, какими свойствами обладает лыжная мазь: должна ли она увеличивать или уменьшать трение между лыжами и снегом? Выясняют, что при движении лыжника, особенно когда он, оттолкнувшись, скользит по инерции, сила трения должна быть как можно меньше, а в то время когда лыжник отталкивается, сила трения должна быть большой, иначе он поедет назад. Лыжная мазь обладает именно такими свойствами: она увеличивает силу трения покоя и уменьшает силу трения скольжения. На Севере эту же роль выполняет мех, которым подбивают лыжи: он уменьшает трение при движении вперед и сильно увеличивает трение при попытке двигаться назад, так как при этом его ворс ощетинивается. При рассмотрении трения качения большое впечатление на учащихся производит опыт по перемещению по демонстрационному столу заведомо тяжелого груза (катками могут быть обрезки стеклянной трубки или круглые карандаши). Сила трения скольжения при этом оказывается такой, что для ее измерения не хватает шкалы демонстрационного динамометра, а при качении так мала, что ее не всегда удается измерить. Одним из важнейших примеров на замену трения скольжения трением качения является применение шариковых подшипников. Часто учащиеся недостаточно хорошо понимают, для чего нужны подшипники и что они собой представляют, поэтому их следует показать. При изучении трения скольжения и покоя полезно на ряде конкретных примеров выяснить направление силы трения. Можно, например, указать направление силы трения, когда брусок двигают по столу вперед, назад, влево, вправо, когда брусок соскальзывает с наклонной доски, когда его за шнурок втаскивают вдоль наклонной доски. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 26 из «11сентября»2013 г. Указать направление силы трения покоя во многих случаях сложно, поэтому придется ограничиться простейшими, например, выяснить, куда направлена сила трения при попытке человека сдвинуть с места тяжелый предмет. Методика изучения вопроса о трении заслуживает внимания не только потому, что, рассматривая его, можно закрепить такие важные понятия, как «инерция», «движение тел под действием двух равных и противоположно направленных сил», еще раз обратить внимание на то, что возникновение или изменение движения тела происходит только в результате его взаимодействия с другим телом, но и потому, что он дает возможность развивать наблюдательность учащихся. Давление. При изучении давления важным является вопрос о единицах. В учебнике для измерения давления применяют 1 Н/м2 и 1Н/см2. Единица 1 Н/м2 входит в СИ и называется паскалем, 1Па=1 Н/м2. До решения числовых задач нужно разобрать несколько качественных примеров типа: тонкой или толстой проволокой легче перерезать кусок мыла или масла? Что нужно сделать, если веревки, к которым подвешен переносимый груз, режут руку? Эти примеры можно иллюстрировать, взяв вместо мыла или масла бруски пластилина. Разбор качественных задач не менее полезен, чем количественных, так как требует от учащихся анализа физической сущности явлений. Эти вопросы по всем разделам курса учитель должен систематически накапливать. Не обязательно предлагать учащимся готовые вопросы. Задание можно сформулировать и таким образом: в каких случаях давления следует увеличивать и как это делают? Когда давление следует уменьшать и как в этом случае надо поступить? В задании на дом учащимся можно предложить подобрать примеры на увеличение и уменьшение давления. Давление жидкостей и газов (гидро- и аэростатика) Вопросы гидростатики и аэростатики изучают в школе один раз в VII классе, в старших же классах их только повторяют. Следовательно, основной учебный материал этой темы должен быть усвоен учащимися достаточно глубоко и прочно. Особенность изучения этой темы заключается в том, что некоторые основные вопросы освещены на основе представлений о молекулярной структуре жидкостей и газов. Так, например, учащимся показывают, что основным законом гидро- и аэростатики является закон Паскаля, а этот закон есть прямое следствие свободной подвижности молекул жидкостей и газов. Все остальные теоретические вопросы темы могут быть объяснены на основе закона Паскаля и действия силы тяжести. Текучесть жидкостей и газов. Изучение раздела «Давление жидкостей и газов» можно начать с напоминания учащимся о некоторых свойствах, присущих только жидкостям и газам. Различие в свойствах твердых тел и жидкостей обусловлено особенностями их молекулярного строения и характером движения молекул, на что и следует еще раз обратить внимание учащихся. Особым характером движения молекул жидкостей и газов объясняется такое их свойство, как текучесть. Введя понятие текучести, необходимо показать это свойство на примерах. Так, пролитая из сосуда жидкость быстро растекается, а вода в стакане приходит в движение, если слегка подуть на ее поверхность. Вследствие подвижности жидкость, сохраняя постоянный объем, принимает форму сосуда, в который ее наливают. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 27 из 93 «11сентября»2013 г. Рассказывая о подвижности жидкостей, необходимо обратить внимание на то, что подвижность и текучесть у разных жидкостей различны. О степени текучести жидкостей можно судить по времени вытекания равных объемов жидкостей через узкую трубку. Давление в жидкости и газе. Закон Паскаля. Закон Паскаля, как нетрудно показать учащимся, есть следствие свободной подвижности молекул жидкости и газа. Объяснение лучше начать с газа. Молекулы газа находятся в непрерывном беспорядочном движении. Если бы не было стенок сосуда и силы притяжения к Земле, то все молекулы газа разлетелись бы в разные стороны. Сжимаемый со всех сторон стенками сосуда газ, в свою очередь, сам производит давление на эти стенки и на всякое находящееся в нем тело. Вследствие того, что молекулы газа движутся беспорядочно, а число их в сосуде огромно, давление в газе всюду одинаково, поэтому газ в целом находится в равновесии. Далее переходят к рассмотрению жидкостей. Молекулы жидкости также обладают свободной подвижностью. Вследствие этого в любой точке сжатой жидкости в отсутствие силы тяжести давление, как и в газе, одинаково. Здесь идет речь о распределении давления внутри сжатой жидкости. Сжать жидкость можно, действуя на нее поверхностными силами, например, в закрытом сосуде с помощью поршня. Механизм давления в жидкости, конечно, иной, чем в газах. Действуя на жидкость поверхностными силами, уменьшают ее объем. При этом в жидкости возникают упругие силы (силы отталкивания между молекулами), они и обусловливают давление во всех точках жидкости, а также давление на стенки сосуда. Так как молекулы жидкости свободно подвижны, то это давление одинаково во всех точках объема, занимаемого жидкостью. В этом, как уже указывалось, заключается содержание закона Паскаля. В технике, как известно, жидкости и газы наряду с твердыми телами используются в качестве передатчиков внешних давлений. Примером этого служат все гидравлические и пневматические машины. Поэтому закон Паскаля следует дать учащимся в другой, более распространенной формулировке (она приведена в учебнике) и качественно подтвердить его хорошо известным опытом с шаром Паскаля. Гидравлические машины. Пневматические машины и инструменты. Практическое применение закона Паскаля показывают на устройстве и действии гидравлической машины. Можно изготовить модель гидравлической машины из шприцев разного диаметра. Поршни в этих шприцах хорошо пригнаны к цилиндрам и движутся с небольшим трением. Расчет выигрыша в силе, даваемый гидравлической машиной целесообразно провести сначала на числовом примере, а затем дать общий вывод. Закон Паскаля и его применение в устройстве и работе гидравлической машины учащиеся должны хорошо усвоить, это основной учебный материал. К нему относится и устройство гидравлического пресса. Расчет давления жидкости на дно и стенки сосуда. Необходимо довести до понимания учащихся зависимость давления жидкости на дно и стенки сосуда от высоты столба и плотности жидкости, а также научить их делать простейшие расчеты. Приступая к объяснению расчета давления жидкости на дно и стенки сосуда, следует начать с повторения таких вопросов: какую физическую величину называют УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 28 из 93 «11сентября»2013 г. давлением? Какие величины надо знать для его расчета? Как его рассчитать? Какими единицами измеряют давление? Только после этого можно приступить к решению задачи на расчет давления жидкости на дно сосуда. Сформулировав вывод: давление прямо пропорционально высоте столба жидкости, необходимо проиллюстрировать его на опыте. Зависимость силы давления на дно сосуда от высоты столба налитой жидкости также следует показать на опыте. В заключение формулируют общий вывод, а затем выводят формулу для расчета давления: p gh . При решении задач на давление целесообразно сначала повторять все рассуждения, сделанные при выводе формулы. Давление жидкости на стенки сосуда обычно демонстрируют с помощью цилиндра с отверстиями. Этот опыт лучше предложить учащимся проделать дома. Для опыта можно рекомендовать учащимся использовать жестяную банку из-под консервов. Сообщающиеся сосуды Само явление учащиеся обычно воспринимают быстро, но их затрудняет логика объяснений. Поэтому можно рекомендовать в беседе с учащимися просить их объяснять каждый демонстрируемый опыт, начиная с простого и переходя к более сложным. Полезно продемонстрировать и объяснить опыт с сосудами разного сечения - широким и узким, например, трубкой, соединенной с воронкой, потом установление одинакового уровня при опускании и подъеме одного из сосудов, при его наклоне. Следует также добиться ответа на вопрос: какое отношение имеет закон Паскаля к демонстрируемому явлению? (Давление столбов жидкости в сосудах передается без изменения к жидкости, заполняющей соединение сосудов.) Целесообразно рассмотреть вопрос об уровнях разнородных жидкостей в сообщающихся сосудах. Все эти вопросы помогут понять явление, они полезны и для развития логического мышления учащихся. Атмосферное давление Сравнивая атмосферу с водой в океане или в море, устанавливают существование атмосферного давления. Затем показывают несколько простых опытов: поднятие воды за поршнем в трубке, фонтан в пустоте и др. – и объясняют их фактом существования атмосферного давления. Изучение атмосферного давления можно углубить, используя для этого знания элементов молекулярно-кинетической теории. Молекулярное движение приводит к частичному рассеянию атмосферы Земли. Чем слабее планета притягивает свою атмосферу, тем быстрее происходит это рассеяние. Можно сообщить учащимся, что на Луне и Меркурии сила тяжести соответственно в 6 раз и в 2,5 раза меньше, чем на Земле. Поэтому их атмосфера рассеялась в космическое пространство. . Опыт Торричелли относится к числу основополагающих опытов физики, его необходимо подробно объяснить учащимся, иллюстрируя рассказ рисунком. Опыт Торричелли дает представление об устройстве чашечного ртутного барометра, поэтому в целях экономии времени его устройство специально можно и не рассматривать. Важен вопрос и об изменении давления атмосферы с высотой. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 29 из 93 «11сентября»2013 г. При рассмотрении этого вопроса полезно опять сопоставить атмосферу с водой в каком-нибудь водоеме. Во всякой жидкости давление убывает при переходе от дна к верхним слоям. В жидкости это уменьшение происходит по линейному закону, это надо доступно объяснить. Например, в воде давление убывает на 1Н/см2 при поднятии на 1м. Так как жидкости малосжимаемы, то их плотность на разных глубинах практически одинакова. Иначе обстоит дело в газе, на который действует сила тяжести (газ, находящийся в поле силы тяжести). Плотность воздуха быстро уменьшается с высотой. Над уровнем моря плотность атмосферного воздуха равна 1,3 кг/м3, на высоте 3000 м она 0,9 кг/м3, на высоте 8000 м - 0,5 кг/м3. Интересно, что при высоте атмосферы более, чем 2000 км (примерно 0,3 радиуса Земли) нижний ее слой толщиной всего 16 км содержит 0,9 всей массы атмосферы. Чем выше, тем воздух разреженнее. Полезно рассмотреть рисунок распределения взвешенных в воде мелких частичек вещества (броуновских частичек). Этот рисунок даст наглядное представление о распределении молекул газов в атмосфере Земли. Но, чем меньше плотность воздуха, тем меньше он сжат, тем меньше его давление. Следовательно, атмосферное давление уменьшается с подъемом по двум причинам: при подъеме над поверхностью Земли уменьшается плотность воздуха и высота воздушного столба. Поэтому в отличие от жидкостей атмосферное давление уменьшается не по линейному закону, а значительно быстрее. Наряду с барометром учащиеся должны иметь представление о назначении и устройстве манометра. Архимедова сила. Если вопрос о давлении внутри жидкости усвоен учащимися хорошо, и они научились рассчитывать давление на дно и стенки сосуда, то это облегчит изучение понятия архимедовой силы. При изложении этого вопроса можно применить один из методов изучения: индуктивный (эвристический) или дедуктивный. В обоих случаях надо использовать жизненный опыт. Учащиеся знают, что под водой сравнительно легко можно поднять довольно тяжелые предметы, которые в воздухе поднять трудно или невозможно. Если погрузить под воду кусок дерева и выпустить там его из рук, он всплывает, резиновый шар, наполненный легким газом, если его выпустить из рук, поднимается вверх. Вспомнив с учащимися эти явления, ставят проблему - объяснить их. Следуя эвристическому методу, на опыте показывают, что тело, находящееся в жидкости, выталкивается из нее с некоторой силой. Для опыта можно использовать пружину от прибора «ведерко Архимеда», подвешенную к штативу. К нижнему концу пружины и к штативу надо прикрепить стрелкиуказатели. Подвесив к пружине цилиндр от ведерка Архимеда (или любой другой предмет), наблюдают растяжение пружины и фиксируют его стрелкой-указателем на штативе (рис.а). Затем, погрузив тело в воду, обнаруживают сокращение пружины (рис.6). Убирают воду и показывают, что такое же сокращение пружины можно получить, действуя на это тело с некоторой силой снизу вверх. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 30 из 93 «11сентября»2013 г. Из опыта делают вывод: на тело, погруженное в жидкость, действует снизу вверх сила, выталкивающая тело из жидкости. Прежде чем разъяснить опыт, следует попросить учащихся самим указать причину явлений. Можно сказать им, что для решения этой «проблемы» они располагают достаточными знаниями и могут самостоятельно не только объяснить явление, но и указать способ расчета выталкивающей силы. После того как учитель, выслушает ответы учащихся, полезно при помощи прибора для измерения давления в жидкости еще раз показать учащимся, что действительно на тело действует снизу большее давление, чем сверху. Затем нарисовать на классной доске схему опыта и объяснить, что сила давления на нижнюю поверхность погруженного в жидкость тела всегда больше, чем сила давления на верхнюю его поверхность. Разность этих сил давлений и является той силой, которая выталкивает тело из жидкости. Это индуктивный метод изложения вопроса о силе, выталкивающей тело из жидкости. Его особенно полезно применять тогда, когда учащиеся имеют слабую математическую подготовку и не усвоили строгих логических доказательств. В более подготовленных классах можно использовать дедуктивный метод. Он позволяет сразу же показать, что наличие силы, выталкивающей тело из жидкости, есть следствие распределения давления внутри весомой жидкости. После того как перед учащимися была поставлена проблема, подлежащая изучению, следует рассмотреть силы давления, действующие на тело, погруженное в жидкость. Полученный теоретически вывод надо проверить на описанных выше опытах. В классах со слабой подготовкой теоретический вывод архимедовой силы можно не делать, а расчет значения архимедовой силы дать на основе эксперимента. Усвоению и закреплению понятия архимедовой силы помогает разбор экспериментальных задач, эти задачи лучше ставить после ознакомления с архимедовой силой. Плавание тел. Вопрос об условиях плавания тела в жидкости можно рассмотреть сначала в общем виде. Для этого учащиеся имеют достаточные знания. Установив, что тело в зависимости от соотношения силы тяжести и выталкивающей силы может тонуть, плавать внутри жидкости или всплывать, показывают опыты, иллюстрирующие эти случаи. Можно рекомендовать простой опыт: картофелину (или сырое яйцо) опустить сначала в чистую воду -картофелина тонет, затем в сильно подсоленную - она не тонет. Демонстрировать случай плавания внутри жидкости несколько сложнее, для этого нужно налить в сосуд немного чистой воды, а затем через трубку, опущенную до дна, наливать вниз соленую воду. Опущенная в сосуд картофелина будет плавать внутри жидкости. Случай, когда архимедова сила больше силы тяжести, действующей на тело, нужно рассмотреть подробнее. С момента, когда всплывающее тело достигает поверхности жидкости, при дальнейшем его движении вверх выталкивающая сила будет уменьшаться, так как объем вытесняемой телом жидкости уменьшается. Когда выталкивающая сила станет равной силе тяжести, действующей на тело в воздухе, оно придет в равновесие. Но выталкивающая сила равна весу жидкости в объеме погруженной части тела. Следовательно, вес плавающего тела равен весу жидкости в объеме части тела, погруженной в жидкость. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 31 из 93 «11сентября»2013 г. Этот вывод проверяют на опыте. В отливной сосуд, наполненный водой, погружают тело, вес которого в воздухе известен. Тело вытесняет объем воды, равный объему погруженной части тела. Вес этой воды равен весу тела. Сложной для учащихся является задача о глубине погружения плавающих тел в зависимости от плотностей жидкости и тела. Разбор этого вопроса полезно иллюстрировать опытом. Взять два одинаковых по величине шарика: один парафиновый, другой - пробковый. Прежде чем опустить их в сосуд с водой, спросить учащихся: какой из шариков глубже погрузится в воду? Так как плотности обоих шариков меньше плотности воды, то они оба плавают на воде. Но плотность парафина больше плотности пробки, поэтому парафиновый шарик будет «сидеть» в воде глубже. При решении этой и других задач учащиеся должны научиться использовать Работа, мощность и энергия. Понятия работы и энергии относятся к числу основных понятий физики. Оба эти понятия тесно связаны между собой. В методике преподавания физики предметом дискуссии является вопрос о том, с чего начинать изучение в школе: с понятия работы или с понятия энергии. Какое из них первично и какое вторично? Чтобы ответить на эти вопросы, проведем сначала краткий научнометодический анализ содержания понятий работы и энергии, а затем рассмотрим их с дидактических позиций. Начнем с энергии. Мы знаем, что существуют различные физические формы движения материи. Все эти формы движения превращаются друг в друга в строго определенных количественных отношениях. Отсюда возникла возможность измерять различные формы движения материи некоторой общей мерой. Этой общей и единой мерой различных форм движения материи является энергия. В соответствии с различными формами движения говорят и о различных видах энергии. Основное свойство энергии может быть выражено словами: «Энергия системы есть однозначная функция ее состояния». Состояние системы определяется ее параметрами. Например, потенциальная энергия какого-нибудь тела, поднятого относительно поверхности Земли (Eп = mgh), изменяется с изменением высоты h, Ек mv 2 2 кинетическая энергия тела изменяется с изменением скорости v: Высота и скорость - параметры состояния механической системы «тело – Земля». Другим отличительным признаком энергии является ее неуничтожаемость при всех превращениях из одного вида в другой. Рассмотрим далее, что же представляет собой понятие работы, какое содержание вкладывают в него. С одной стороны, работа есть процесс изменения энергии при переходе системы из одного состояния в другое. С другой стороны, работа есть мера изменения или превращения энергии в процессах, происходящих в макромире. Поскольку работа есть процесс, то всегда надо говорить о совершенной или произведенной работе и нельзя говорить о «полученной» или «затраченной» работе. Из сказанного следует, что из двух связанных между собой понятий - «работа» и «энергия» - первичным (основным) является понятие энергии, понятие же работы УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 32 из 93 «11сентября»2013 г. характеризует процесс изменения энергии. Казалось бы, что надо начинать изучение с основного понятия, т.е. с энергии, а затем переходить к работе. Некоторые методисты и учителя физики так и предлагают поступать. Однако при этом возникают многие дидактические трудности. Понятие энергии - одно из самых широких и сложных понятий в физике. В науку термин «энергия» был введен в 1850г. английским физиком Юнгом. Окончательно же понятие энергии и закон сохранения энергии оформились в конце прошлого столетия. Понятие работы проще и конкретнее. В науку термин «работа» был введен (в 1826г.) французским ученым Понселе, но существо содержания понятия работы использовалось и много раньше («золотое правило механики», принцип возможных перемещений). Понятие работы, ранее введенное в науку, способствовало формированию более сложного понятия энергии. Поэтому на первой ступени обучения физике рациональнее начинать изучение темы с работы и от нее переходить к энергии. Работа и мощность. Методическая задача учителя состоит в том, чтобы показать учащимся, какое содержание вкладывают в науке в понятие работы. В физике изучают прежде всего механическую работу. На основе рассмотрения примеров механической работы необходимо установить ее основные признаки. Учащиеся должны хорошо усвоить, что наличие приложенной силы и перемещения основные признаки механической работы. Нет перемещения - нет и работы, нет приложенной силы - нет и работы. Вместо термина «механическая работа» в дальнейшем следует пользоваться термином «работа». Учащиеся, конечно, интуитивно представляют себе, что работа зависит от приложенной силы и от пройденного пути. Однако лучше постепенно подвести их к этому выводу. На классной доске ход рассуждений полезно иллюстрировать простыми рисунками. После этого дать определение: работу измеряют произведением силы на путь, пройденный по направлению силы: A = Fs. Затем, исходя из определения работы, вывести единицу работы: 1 джоуль. Как только учащиеся убедились, что работа, совершаемая какой-нибудь силой, прямо пропорциональна силе и пройденному пути, вводят единицу работы-1 джоуль как работу силы 1Н на пути 1м по направлению силы. После этого рассматривают какую-нибудь конкретную задачу на расчет работы. На конкретных примерах совершенной работы с учетом времени вводится понятие мощности. Мощность трактуется как «скорость» выполнения работы. К формуле N = Fv учащиеся сами могут прийти, разбирая специально подобранные задачи, решение которых затем можно обобщить. Основное содержание темы «Работа и мощность» можно выразить в виде нескольких положений и определений, которые учащиеся должны хорошо усвоить. - Механическая работа совершается при действии силы на движущееся тело. - Механическая работа равна произведению силы на путь, пройденный по направлению силы. - За единицу работы принимают 1 джоуль (1Дж). Эта работа силы в 1Н на пути1м. - Мощность характеризует скорость совершения работы. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 33 из 93 «11сентября»2013 г. - Мощность численно равна работе, совершенной за 1 с. - Мощность измеряют в ваттах, киловаттах, мегаваттах. - Зная мощность и время, можно рассчитать работу. Работа простых механизмов С простыми механизмами часто имеют дело в производственной и бытовой практике. Изучение простых механизмов начинают с простейшего и наиболее распространенного механизма - рычага. Достаточно установить точку опоры (или ось вращения), точки приложения сил, действующих на рычаг, и плечо силы. Условие равновесия рычага выводят из опыта. Специальное внимание учащихся следует обратить на применение рычага в устройстве рычажных весов. Опытным путем на рычаге и блоке устанавливают равенство работ при использовании простых механизмов, так называемое «золотое правило механики». Это правило затем применяют к выводу условия равновесия на наклонной плоскости в лабораторной работе. Условие равновесия, так же как и равенство работ при использовании простых механизмов, устанавливают без учета трения. О трении говорят при рассмотрении вопроса о коэффициенте полезного действия механизма. По окончании изучения темы учащиеся должны иметь представление о назначении простых механизмов, приводить их примеры, знать несколько подробнее об основном механизме - рычаге (его определение, определение плеча силы). Основным здесь является знание о том, что механизм дает выигрыш в силе (или в пути), но не дает выигрыша в работе. Учащиеся должны понимать, что из-за наличия трения полезная работа всегда меньше полной работы. Понятие об энергии К понятию энергии полезно подвести учащихся через понятие работы, с которым они к этому времени уже достаточно хорошо ознакомились. Урок можно начать с краткого повторения пройденного учебного материала о работе, предложив учащимся ответить на вопросы: что называют механической работой? Назовите два основных признака работы. Как измеряют работу? Как можно выразить ее в виде формулы? Назовите единицу работы. Как она определяется? После этого перейти к введению понятия энергии. Начинать формировать это понятие лучше с опытов. Например, показать сжатую пружину, которая, распрямляясь, двигает шарик, тележку или поднимает груз, совершая при этом работу. Сделать вывод: поднятый на некоторую высоту груз и сжатая пружина обладают возможностью совершать работу (вместо слова «способность» мы пользуемся словом «возможность»). На наклонном желобе установить небольшой деревянный цилиндр; стальной шарик, скатившись сверху, ударяет о цилиндр и передвигает его. Сделать выводы: если тело или несколько взаимодействующих между собой тел обладают возможностью совершить работу, то принято говорить, что они обладают энергией. Поэтому можно сказать, что поднятая гиря, сжатая пружина, движущийся шарик обладают энергией. Энергия есть особая физическая величина, характеризующая возможность тела (или нескольких тел) совершать работу. Тело только тогда может совершать работу, когда оно обладает энергией. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 34 из 93 «11сентября»2013 г. Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает. Поэтому энергию можно рассматривать как своего рода «запас» возможной (еще не совершенной) работы. Очень важно, чтобы учащиеся уяснили, что тело, обладающее энергией, находится в особом состоянии: гиря поднята, пружина сжата или растянута, т. е. деформирована, стальной шарик движется и т.д. В результате совершенной работы тело переходит из одного состояния в другое: гиря опускается, сжатая пружина распрямляется, скорость движущегося шарика уменьшается, при этом энергия этих тел изменяется. Совершенная работа является мерой изменения энергии при переходе тела из одного состояния в другое. Потенциальная и кинетическая энергия Дальнейшим этапом в формировании понятия энергии является рассмотрение двух основных видов механической энергии — потенциальной и кинетической. Можно начать с примеров потенциальной энергии: энергия груза, поднятого относительно поверхности Земли, энергия деформированной пружины, энергия сжатого газа или пара. Выбрав условно нулевой уровень потенциальной энергии, рассчитывают величину энергии поднятого над Землей груза. Если, например, за нулевой уровень потенциальной энергии принять поверхность Земли, то потенциальная энергия тела массой 10 кг на высоте 10 м будет равна работе, которую совершит это тело, падая на Землю. Эта работа равна: A = Fh, где F - сила тяжести, действующая на тело. После введения понятия следует рассмотреть основные примеры использования потенциальной энергии поднятой в плотине воды, деформированной пружины в часах, поднятого копра для забивки свай. Вводя понятие о нулевом уровне энергии, дают учащимся самое первое представление об энергии как о разностной величине. Важно также показать учащимся, что потенциальная энергия может проявиться лишь при определенных условиях: например, поднятая гиря или закрученная пружина только тогда приведут в движение часовой механизм, когда гире будет предоставлена возможность падать, а пружине - раскручиваться. Затем вводят понятие кинетической энергии. Сообщают учащимся, что за нулевой уровень кинетической энергии можно условно принять энергию покоящегося относительно Земли тела, т.е. что кинетическая энергия, так же как и потенциальная, есть величина разностная. В соответствии с определением понятия энергии следует показать учащимся, что движущееся тело обладает возможностью совершить работу. Сделать это надо при помощи опыта. На наклонную плоскость поместить тележку, к которой привязан груз. Скатываясь, тележка поднимает груз, т. е. совершает работу. Работу в этом случае можно вычислить и таким образом определить кинетическую энергию тележки. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 35 из 93 «11сентября»2013 г. Взаимные переходы энергии очень удобно иллюстрировать опытами по падению тела; движению тела, брошенного вертикально; движению тела вверх и вниз по наклонной плоскости. Эти опыты просты, но требуют тщательного логического объяснения. В беседе с учащимися, привлекая их к объяснениям, нужно разобрать ряд вопросов. Например, демонстрируя опыт с телом, скатывающимся с наклонной плоскости, следует спросить учащихся: какой энергией и почему обладает тело, когда оно находится в верхнем положении? На каком основании мы утверждаем затем, что эта энергия уменьшается? Как меняется при скатывании скорость тела и его кинетическая энергия? Все ответы учащиеся должны обосновывать. Это же следует делать при демонстрации других опытов. Такая беседа подведет учащихся к пониманию закона сохранения энергии, который в этом месте курса еще не формулируют. Внутренняя энергия.Тепловое движение. Наиболее важными вопросами этой темы являются: тепловое движение, внутренняя энергия, количество теплоты, удельная теплоемкость, закон сохранения и превращения энергии. Тепловым движением называют беспорядочное движение частиц: молекул, атомов, входящих в состав молекулы, ионов кристаллической решетки. Своим названием тепловое движение обязано тому, что оно связано с температурой тела и определяет тепловые явления. Своеобразие теплового движения заключается в том, что в нем участвует огромное число частиц, что каждая частица имеет малые размеры и что движение каждой частицы хаотично. Хаотично это движение потому, что любые направления движения каждой частицы равновероятны; скорость и направление движения частицы невозможно заранее вычислить или предсказать. Броуновское движение, например, является тепловым, так как для него характерна беспорядочность и увеличение интенсивности при нагревании. Поскольку к началу изучения темы учащимся известны понятия: «механическое движение», «траектория», «скорость», то теперь у них можно создать более отчетливые представления о тепловом движении, показать, что тепловое движение новая форма движения, отличная от механического. В начале объяснения, спроецировав на потолок движение одного шарика из школьного прибора «Броуновское движение», пояснить, что хотя движение шарика сложное (это обосновать), но его все же можно изучить, например, сфотографировать весь процесс, а затем в замедленной проекции наблюдать траекторию и определить скорость движения шарика в разные моменты времени. После этого, поместив в прибор все шарики, показать их общее беспорядочное движение. Затем вместе с учениками вспомнить сведения о размерах молекул, о том, каково примерно число молекул в 1 см3 воздуха, в капле воды, как двигаются молекулы, каково число их соударений между собой и со стенками сосуда (многие из этих сведений учитель должен напомнить сам). После этого можно сделать вывод: в силу того, что в каждом теле содержится огромное число молекул, и все они беспорядочно движутся, общее движение всех молекул уже не будет механическим движением, оно является другим видом движения и называется тепловым. Затем следует дать определение теплового движения и закрепить материал, попросив учащихся дать примеры тепловых явлений, объяснить, УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 36 из 93 «11сентября»2013 г. чем тепловое движение отличается от механического, какова его связь с температурой тела. Внутренняя энергия. Внутренняя энергия тела - это энергия, зависящая только от внутреннего состояния тела. Она представляет собой сумму энергий межмолекулярных и. внутримолекулярных взаимодействий и энергии теплового движения молекул и тех частиц, которые входят в состав молекул. Это значит, что под внутренней энергией тела понимают кинетическую энергию всех частиц, составляющих тело, потенциальную энергию взаимодействия молекул, энергию электромагнитного взаимодействия атомов в молекуле и ядра атома с его электронной оболочкой, энергию связи каждого ядра и, наконец, энергию покоя частиц, входящих в состав атома. На начальном этапе изучения физики рассматривают лишь ту составляющую внутренней энергии, которая складывается из кинетической энергии движения всех молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия; лишь позднее, при изучении теплоты сгорания топлива, затрагивают вопрос об энергии связи атомов в молекуле. Для введения понятия внутренней энергии используют определенный прием: в опыте по неупругому соударению тел учащиеся наблюдают кажущееся исчезновение механической энергии, разбирая явление, приходят к выводу, что механическая энергия превращается в другой вид энергии. Поэтому изучение темы начинают с опытов: сравнивают упругое и неупругое соударения. Сначала демонстрируют падение стального шарика на упругую подставку (стальную или каменную плитку). Затем - падение свинцового или пластилинового шарика на подставку из свинца, дерева, парафина. Наблюдая, как падает, а затем несколько раз подскакивает упругий шарик, вспоминают с учащимися названия и определения двух видов механической энергии; выясняют, какие превращения энергии происходят в данном конкретном опыте. Упругое соударение надо показать специально для повторения и для того, чтобы в сравнении с ним убедительно выглядел второй, основной, опыт по наблюдению неупругого соударения. Подняв неупругий шарик вверх, спрашивают учащихся: каким видом энергии обладает шарик, и какие превращения энергии следует ожидать при его падении? Получив ответы, проделывают опыт, наблюдают явления и объясняют их. Затем вводят понятие внутренней энергии, тщательно обосновывая его определение. Следует учесть, что для учащихся более очевидно наличие у молекул кинетической энергии, нежели потенциальной. Поэтому по вопросу об энергии взаимодействия частиц надо дать несколько больше разъяснений: вспомнить о взаимодействии молекул, о потенциальной энергии взаимодействующих тел (на примере тела, поднятого над Землей). После этого нужно на опыте показать наличие у тел внутренней энергии. Далее необходимо показать, что, не находясь в движении и не будучи поднято над Землей, только за счет энергии молекул тело может совершить работу. Отметить, что если работа совершается за счет внутренней энергии, то должна уменьшиться температура тела. Если при введении понятия механической энергии можно было сразу дать конкретные примеры использования потенциальной и кинетической энергии, то для УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 37 из 93 «11сентября»2013 г. внутренней энергии это сделать труднее, о практическом применении внутренней энергии будет сказано позднее при изучении тепловых двигателей. Однако на этом уроке необходимо подчеркнуть, что внутренняя энергия тел (в частности, топлива) является наряду с энергией падающей воды основным источником энергии, и от умения ее использовать зависит в определенной мере развитие техники. При этом можно сказать, что внутренняя энергия топлива используется в двигателях внутреннего сгорания, которые устанавливают на тракторах, тепловозах, автомобилях, мотоциклах, мопедах, - все эти примеры известны современным подросткам. Эти примеры позволяют также позднее подчеркнуть, что исторически изучение природы теплоты началось после появления тепловых машин. Способы изменения внутренней энергии Известно, что с точки зрения, микропроцессов изменение внутренней энергии складывается из изменений кинетической и потенциальной энергии всех частиц, входящих в состав тела. Три величины - энергия, работа и теплота - измеряются в одинаковых единицах, но не являются равнозначными величинами. Под работой понимают или процесс перемещения тела под действием сил, или меру изменения энергии, передаваемой в форме работы от тела, совершающего работу, к телу, над которым совершается работа (или, точнее, на изменение состояния которого эта работа расходуется). Энергию же мы представляем как запас возможной, но еще не осуществляющейся работы. Теплота, как и работа, связана с процессом передачи энергии, и нельзя под теплотой понимать запас энергии. Как и в случае работы, термин «теплота» используют и для обозначения процесса передачи энергии (теплопередача), и для обозначения меры изменения энергии, т. е. количества энергии, переданной в форме теплоты. Значит, работа и теплота не являются видами энергии, они представляют собой две возможные формы передачи энергии от одного тела к другому, а количество работы и количество теплоты представляют собой меру энергии, переданной в двух различных формах - в форме работы и в форме теплоты. Как видно, при изучении этой темы приходится иметь дело со многими терминами, разница между которыми должна быть осознана учащимися. Для этого учителю следует самому следить за точностью применения этих терминов. Нагреванием называют повышение температуры тела, каким бы способом оно ни было осуществлено, а сообщением теплоты - увеличение внутренней энергии, если оно осуществляется без совершения над телом работы. При ударах молотка по куску свинца, при изгибании проволоки, при трении происходит повышение температуры тел, здесь можно говорить и о нагревании, и об увеличении внутренней энергии, но нельзя говорить о сообщении теплоты, так как внутренняя энергия увеличилась за счет совершения работы. Термины «теплообмен», «сообщение теплоты», «отнятие теплоты» и т.п. применяют только в том случае, когда есть изменение внутренней энергии, причем под «количеством теплоты» понимают меру изменения внутренней энергии, перешедшей от одного тела к другому в процессе теплопередачи. Если же внутренняя энергия тела не меняется, то ни о какой теплоте, «содержащейся в теле», не может быть и речи - тела обладают только внутренней энергией. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 38 из 93 «11сентября»2013 г. Сделав вывод о существовании двух способов изменения внутренней энергии тела, переходят к более подробному их изучению. Возрастание внутренней энергии при нагревании тела и уменьшение при охлаждении можно показать на различных опытах, например, нагретый воздух производит работу по перемещению столбика жидкости в манометре. Закончить объяснение полезно разбором примеров теплопередачи из окружающей жизни: нагревание воды в сосуде при соприкосновении его с горячей плитой или пламенем, ложки, опущенной, в горячий чай, остывание воды в комнате и т. д. Следует заметить, что теплопередача может осуществляться и без непосредственного контакта тел - при лучистом теплообмене. До сих пор речь шла об увеличении внутренней энергии тела при совершении работы. Теперь следует поставить вопрос: как изменится внутренняя энергия тела, если оно совершит работу или передача тепла произойдет от него к другому телу? Здесь уместно снова показать опыт по расширению воздуха, но желательно с использованием электрического термометра, чтобы можно было продемонстрировать и повышение температуры (увеличение энергии) воздуха при совершении над ним работы по сжатию, и понижение температуры (уменьшение внутренней энергии) при расширении воздуха. Понятие о внутренней энергии является довольно абстрактным. Для конкретизации всего рассмотренного материала необходимо привлекать при его изучении жизненный опыт учащихся. Учащиеся могут объяснить причины нагревания обрабатываемых напильником деталей, зависимости увеличения их температуры, от совершенной работы, рассказать о роли смазки станков и транспортных машин, применении шарикоподшипников. На дом можно задать простую самостоятельную работу: ученик должен взять латунную монету (пятак) и, положив ее на картон или деревянную доску, двигать взад и вперед на одно и то же расстояние, пока монета нагреется до определенной степени (например, когда ее уже нельзя держать рукой). Сначала это надо сделать, нажимая на монету слегка, затем при сильном давлении на монету. В том и другом случае подсчитать, какое расстояние пройдет монета. Объяснить опыт. Здесь ученику придется привлечь знания о силе трения, работе, превращениях энергии. Виды теплопередач Рассмотрев вопрос о теплопередаче, переходят к изучению ее видов, т.е. процессов, при которых происходит передача теплоты. Передача теплоты (при отсутствии работы) всегда идет в определенном направлении; внутренняя энергия более нагретого тела уменьшается, а более холодного - увеличивается. Обратный процесс, при котором температура менее нагретого тела становится еще более низкой, возможен только при условии, если внешние силы совершают над этим телом работу; такой процесс, например, осуществляется в холодильных машинах. Теплопроводность Если теплопередача происходит не непосредственно от одного тела к другому, например, от горячей воды к опущенной в нее ложке, а через стенку, то в самой стенке будет иметь место процесс распространения теплоты от более нагретых ее элементов к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. Такой процесс называют УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 39 из 93 «11сентября»2013 г. теплопроводностью. Теплопроводностью также можно объяснить выравнивание температуры во всех частях тела, которому передана теплота (ложки). Отличительной чертой теплопроводности является атомно-молекулярный характер переноса энергии, не связанный с макроскопическими перемещениями в теле. В механизме теплопроводности твердых тел, жидкостей и газов есть различия. В твердых кристаллических диэлектриках усиление колебаний атомов одной части тела вызывает усиление колебаний атомов соседних частей вследствие того, что атомы взаимодействуют. Теплопроводность металлов обусловлена движением и взаимодействием свободных электронов. Металлы имеют относительно большой коэффициент теплопроводности потому, что скорости теплового движения свободных электронов (порядка 106 м/с) много больше скоростей теплового движения атомов и молекул при той же температуре (порядка 102-103м/с). У полупроводников в зависимости от концентрации свободных электронов преобладает тот или другой механизм проводимости. В жидкостях энергия переносится из более нагретой области в менее нагретую при соударениях молекул и частично за счет диффузии - «быстрые» молекулы проникают в менее нагретую область. В жидких металлах, например, ртути, в передаче теплоты участвуют свободные электроны. В газах теплопроводность связана с переносом энергии молекулами газа, явление диффузии играет здесь более заметную роль, чем в жидкостях. Объяснение надо начать с опыта, в котором демонстрируется явление теплопроводности (а не сравнение теплопроводности разных тел). Во время наблюдения опыта вспомнить с учащимися строение твердого тела и объяснить передачу теплоты постепенной передачей кинетической энергии частиц от более нагретого к менее нагретому концу стержня (упоминать о молекулах здесь нельзя, так как перенос энергии осуществляется ионами решетки и свободными электронами). Затем можно показать и объяснить опыты по сравнению теплопроводности разных тел. Затем продемонстрировать в качестве закрепления материала урока опыты, которые должны попытаться объяснить сами учащиеся, и об этом их нужно предупредить. Металлический и деревянный стержни плотно обернуть тонкой писчей бумагой и ввести поочередно в пламя горелки; на металлическом стержне бумага не обугливается. Второй, сходный, опыт: между деревянным цилиндром и листом бумаги поместить кнопки или другие тонкие металлические предметы и, держа цилиндр над пламенем, как показано на рисунке, наблюдать неравномерное обугливание бумаги. Конвекция Конвекция - перенос тепла внутри области, заполненной жидкой, газообразной или сыпучей средой, вследствие перемещения вещества этой среды. Различают естественную, или свободную, конвекцию и вынужденную конвекцию. При естественной конвекции перемешивание вещества происходит исключительно вследствие разницы температур отдельных мест среды и вызванного ею различия плотностей. Скорость, УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 40 из 93 «11сентября»2013 г. интенсивность естественной конвекции зависит от разности температур отдельных мест среды, от ее плотности, теплопроводности, вязкости, от ее коэффициента объемного расширении. Вынужденная конвекция происходит главным образом от внешнего воздействия (при помощи насоса, мешалки и т. п.). В этом случае интенсивность конвекции зависит и от перечисленных выше причин и от скорости вынужденного движения. Изучение этой темы можно начать так: «Мы видели, что теплопроводность воды мала и при нагревании верхнего слоя воды нижний ее слой остается холодным (сослаться на опыт по рисунку 42). Однако воду в чайниках, кастрюлях, котлах довольно быстро доводят до кипения. Как принято нагревать воду? Попробуйте объяснить, каким образом вода прогревается при этом равномерно». Конвекцию в жидкости удобно демонстрировать при помощи демонстрационного прибора, представленного на рисунке. В специальные сетчатые чашечки, помещенные в углы трубки, лежащие на концах одной диагонали, насыпают немного красящего вещества (марганцовки) и подогревают нижний угол трубки. Прибор позволяет наблюдать перемещение воды одновременно во всех сечениях трубки, на что и следует обратить внимание учащихся. Явление конвекции часто встречается в окружающей нас среде, играет большую роль во многих жизненных процессах, используется в технике. Такие примеры следует разобрать с учащимися. Попросить их, например, объяснить причину «дрожания» воздуха над нагретой плитой или горячим песком (объяснение явления пока дается еще не полное, так как его нельзя связать с преломлением света в воздухе), устройство водяного отопления. Прогревание воздуха в комнате также происходит путем конвекции. В качестве домашнего задания можно предложить подготовить небольшие сообщения о конвекции и ее значении в жизни человека, в природе и технике, а также выполнить практическую работу, связанную с наблюдением конвекции в жилом помещении, по следующему плану. В комнате, где действует отопление, измерить комнатным термометром температуру воздуха около пола и потолка (желательно для каждого случая в двух удаленных друг от друга точках), около стены над батареей отопления и около противоположной стены. Нарисовав схематически разрез комнаты, написать на рисунке полученные числа и проанализировать их. Затем по отклонению пламени небольшой свечи заметить направление движения воздуха вблизи пола у батареи отопления и по возможности ближе к потолку. Нарисовать по схеме стрелки, показывающие эти направления. Открыть дверь из комнаты в более холодное помещение (коридор) и, поместив свечу сначала в нижнюю, а потом в верхнюю часть проема двери, определить направление движения воздуха в этих местах и изобразить его стрелками на рисунке, Излучение Лучистый теплообмен - третий вид теплопередачи. По определению лучистый теплообмен - передача теплоты между телами, обусловленная процессами испускания, переноса и поглощения лучистой энергии. Характерной особенностью этого вида теплопередачи является то, что она осуществляется не частицами вещества, а УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 41 из 93 «11сентября»2013 г. электромагнитными волнами. Кроме того, при лучистом теплообмене оба тела (или несколько тел) независимо друг от друга испускают и поглощают энергию, но перенос энергии осуществляется все же от более нагретого тела к менее нагретому, так как последнее поглощает больше энергии, чем излучает. Методически целесообразно начать изучение этого вида теплопередачи с вопроса о том, передается ли энергия от Солнца к Земле каким-либо из уже изученных видов теплопередачи - теплопроводностью или конвекцией. Беседу полезно проводить в сочетании с опросом: вспомнить, какое значение имеет для нас получение энергии от Солнца, как осуществляется перенос энергии при теплопроводности и конвекции. Обязательно подчеркнуть, что в обоих случаях в переносе энергии участвует вещество, и подвести учащихся к выводу о том, что энергия от Солнца к Земле передается каким-то иным путем. Здесь надо вспомнить, что солнечное излучение особенно сильно нагревает те места нашего тела, которые закрыты темной одеждой. Значит, излучение неодинаково проникает в тела, неодинаково нагревает их. Термин «поглощение» ученики воспринимают правильно, но все же следует объяснить, что поглощением названо превращение энергии излучения во внутреннюю энергию тела. После этого на опытах следует выяснить, какие тела лучше, а какие хуже поглощают излучения. Поглощение излучения черной матовой и белой блестящей поверхностями сравнивают на опыте, используя теплоприемник. Примеры учета и применения теплопередачи в жизни и технике многочисленны. После окончании изучения темы можно уже говорить об использовании всех трех видов ее. Рассмотрение устройства термоса полезно начать с опыта, показывающего, что в сосуде Дьюара вода остывает медленнее, чем в обычном. Для этого одинаковое количество воды, имеющей одну и ту же температуру (это показывают с помощью демонстрационного термометра), наливают в сосуд Дьюара и в колбу или стакан, Через некоторое время (минут 10-15) снова измеряют температуру воды в сосудах и убеждаются, что она различна. Затем разбирают термос и показывают его устройство. Известно, что современные самолеты летают со скоростями от 100 до 2500 км/ч, а опытные образцы и с еще большими скоростями. Искусственные спутники Земли двигаются со скоростями около 28 000 км/ч, а космические ракеты - свыше 40000 км/ч. При таких скоростях обшивка летательного аппарата испытывает сильное трение о воздух, особенно если полет происходит в нижних слоях атмосферы, где платность воздуха сравнительно велика. От трения обшивка сильно нагревается. Другой причиной нагревания обшивки за счет механической работы (его называют аэродинамическим нагревом) является значительное сжатие воздуха в пространстве перед летящим телом; вследствие сжатия воздух нагревается и нагревает летательный аппарат, обтекая его. При скоростях около 2000 км/ч температура сжатого воздуха достигает нескольких тысяч градусов. С увеличением высоты полета уменьшается роль аэродинамического нагрева и увеличивается нагревание за счет излучения Солнца, так как разреженный воздух слабее поглощает излучение. На высоте 40 км поверхность летательного аппарата получает в 3,5 раза больше энергии за счет излучения Солнца, чем у поверхности Земли. А выше 50 км атмосфера почти не задерживает солнечное излучение. Учитывая, что современные самолеты достигают высоты 40 км, искусственные спутники - более 2000 км, а космические ракеты уда УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 42 из 93 «11сентября»2013 г. ляются от Земли на несколько миллионов километров, можно понять, какую роль играет лучистый теплообмен в этих полетах. Разрабатывают специальные меры защиты летательных аппаратов от перегрева, так как он опасен для экипажа и для самого аппарата, например, у самолетов могут расплавиться отдельные части. У высокоскоростных самолетов обшивку изготовляют из сплавов титана или стали. Кабину экипажа, топливные баки и отсек с аппаратурой предохраняют от теплопередачи при помощи обшивки достаточной толщины и слоя специального материала с плохой теплопроводностью - керамики, стеклоткани и т.п. Внутреннюю обшивку самолета охлаждают также потоками воды или воздуха. Для искусственных спутников и космических кораблей, перегрев которых происходит в основном за счет лучистого теплообмена, характерна резкая смена температуры обшивки - во время прохождения в тени Земли температура опускается до -100°С, а при выходе из тени возрастает до +120°С. Чтобы поддерживать в кабине космонавтов постоянную температуру, принимают специальные меры: двойную оболочку спутника заполняют газом, например азотом, и с помощью вентилятора, т.е. путем принудительной конвекции, газ заставляют двигаться так, чтобы он переносил тепло от тепловыделяющих приборов к оболочке. Для защиты от солнечного излучения оболочку покрывают беглой краской или блестящим металлом. Учитель не допустит ошибки, если сообщит ученикам, что примером «чистой» конвекции в атмосфере является лишь образование ветра с больших водоемов к суше, или наоборот. В других движениях воздуха конвекция — лишь одна из причин образования ветра. Можно обратить внимание учащихся на то, что явления теплопередачи происходят в природе в масштабах, которые характеризуются такими, например, числами: ветер может достичь скорости 280 км/ч, самый сильный ветер – торнадо, способный скручивать металлические столбы, поднять и перенести на другое место автомашину, достигает скорости 300 м/с. Измерение температуры и количества теплоты Измерение температуры При формировании понятия «количество теплоты», а также при изучении процессов плавления, испарения и кипения большую роль играет демонстрационный классный эксперимент. Единицы количества теплоты Понятие количества теплоты является основным понятием раздела о тепловых явлениях. Содержание его достаточно сложно; поэтому, чтобы учащиеся освоились с ним и не путали с понятием температуры, полезно еще до введения единиц измерения количества теплоты поставить несколько экспериментальных задач-вопросов. Формируя это понятие, надо исходить из представлений, имеющихся у учащихся из повседневной жизни. Для них очевидно, что для доведения до кипения воды, наполняющей большой сосуд, требуется большее количество теплоты, чем для нагревания воды в меньшем сосуде. После выяснения физической природы количества теплоты, а также наблюдения опытов с демонстрационным термометром у учащихся создается представление о том, что количество теплоты может иметь большее или меньшее значение и, следовательно, является физической величиной, которая может быть измерена. Поэтому УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 43 из 93 «11сентября»2013 г. встает вопрос о единицах измерения. Целесообразно рассмотреть калорию и джоуль. Учащиеся должны хорошо знать соотношение между единицами. Для закрепления полезно иногда при решении задач после получения, например, ответа в джоулях, спросить, какому числу калорий будет соответствовать данное количество теплоты. После введения понятия калории следует, не прибегая к формулам, решить путем рассуждений несколько примеров на подсчет количества теплоты, получаемого водой при нагревании. Следует конкретизировать представление о джоуле как о единице измерения количества теплоты. Так как калория больше джоуля в 4,2 раза, джоуль - небольшая единица количества теплоты. Если 1кал нагревает 1 г воды на 1°С, то джоуль нагревает эту массу воды всего на четверть градуса. Чтобы закрепить у учащихся представление о количестве теплоты как об изменении внутренней энергии тела, можно напомнить им, что, когда 1 г воды нагревается на 10С, общая кинетическая и потенциальная энергия его молекул возрастает приблизительно на 4 Дж, 4 Дж -это кинетическая энергия, которую приобретает, например, гиря массой 100 г, падая с высоты 4м. Удельная теплоемкость вещества Из учебника учащиеся узнали, что количество теплоты, переданное телу при нагревании, т.е. значение изменения внутренней энергии путем теплопередачи, зависит от рода вещества, из которого изготовлено тело, от массы этого тела и от изменения температуры, и что для нагревания одинаковые масс воды и чугуна на одно и то же число градусов требуется различное количество теплоты: для воды оно больше, для чугуна меньше. Опираясь на эти сведения, можно сформулировать определение удельной теплоемкости вещества как количества теплоты, необходимого для нагревания единицы массы вещества на один градус (или выделяющегося при ее охлаждении). После введения определения, еще до знакомства с таблицей удельных теплоемкостей, можно поставить перед учащимися BОпрос: у какого из двух конкретных веществ больше удельная теплоемкость, т.е. для какого из них при нагревании единицы массы на 1°С потребуется большее количество теплоты? Для этой цели лучше взять две жидкости, например воду и масло, так как температуру жидкости измерить проще, чем температуру твердых тел. Во время беседы надо подвести учащихся к мысли о том, что для ответа на поставленный вопрос необходимо произвести опыт, к обсуждению которого и перейти. Прежде всего, следует, выяснить, что не обязательно брать 1г или 1кг вещества. Можно, нагревать равные массы воды и масла. Обсуждая план опыта, важно привлечь внимание учащихся к тому, как обеспечить равенство количеств теплоты, получаемых водой и маслом. Удобно воспользоваться двумя плитками для лабораторных работ. Хороший результат получается, если сжечь два одинаковых кусочка сухого спирта. Следует на глазах у учащихся отвесить равные массы воды и масла. За изменением температуры воды и масла можно следить по показаниям демонстрационного термометра. Так как температура масла по окончании опыта оказывается значительно выше температуры воды, можно сделать вывод о том, что для нагревания воды до такой же температуры, какую имеет масло, нужно передать воде еще некоторое количество УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 44 из 93 «11сентября»2013 г. теплоты. Следовательно, удельная теплоемкость воды больше, чем удельная теплоемкость масла. Сообщив о том, что удельные теплоемкости всех интересующих нас веществ установлены опытным путем и занесены в таблицы, надо ознакомить учащихся с таблицей удельных теплоемкостей. Называя вещество, полезно спрашивать, какая у него удельная теплоемкость и что это значит. Учащиеся должны уметь ответить на вопрос: у какого из двух тел, имеющих одинаковые массы, будет выше температура после получения одинаковых количеств теплоты? В качестве одного из примеров полезно взять воду и песок. Это поможет ответить впоследствии на ряд вопросов: температура воды или суши днем выше? В каком направлении дует ночью ветер, с суши на море или с моря на сушу? В каком направлении дует ветер днем? При изучении этой темы важно установить также, что тела равной массы, изготовленные из веществ с различными удельными теплоемкостями, выделяют при охлаждении на один градус различные количества теплоты. Для этого полезно показать опыт с прибором Тиндаля, который имеется в большинстве, школ. Учащиеся уже знают из таблиц, что удельные теплоемкости стали, латуни и алюминия различны, поэтому можно утверждать, что эти тела при погружении в кипяток получают различные количества теплоты. После этого опыта учащимся будет понятно утверждение о том, что тело, остывая от температуры 100°С до комнатной, отдает такое же количество теплоты, какое оно получило при нагревании в этих же температурных пределах. Эти сведения необходимы для того, чтобы представления учащихся об удельной теплоемкости были более полными. Кроме того, они являются хорошей пропедевтикой к изучению закона сохранения и превращения энергии. Подсчет количества теплоты, нужного для нагревания тела, следует проводить, пользуясь таблицей и постепенно усложняя условие. Сначала решают устные примеры на определение количества теплоты, необходимого для нагревания некоторой массы вещества на один градус, потом на несколько градусов. В первых задачах дают разность температур, потом сообщают начальную и конечную температуры. Общее правило учащиеся должны заучить в словесной формулировке, и только тогда, когда оно будет хорошо усвоено и осмыслено, его можно заменить буквенным выражением. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 45из 93 «11сентября»2013 г. Полезны задачи качественного характера, например: в каком из двух стаканов, содержащих одинаковое количество кипятка, будет ниже температура после того, как в один из них опустили алюминиевую, а в другой серебряную ложки одинаковой массы? Где используется в быту большая удельная теплоемкость воды? Для конкретизации представлений об изучаемых в этой теме понятиях полезно решить несколько экспериментальных задач. Агрегатные состояния вещества Большинство опытов по этой теме не требует специального оборудования и осуществляется на приборах, уже применявшихся ранее. На этих опытах следует показать учащимся, что, хотя они наблюдали изучаемые явления не один раз, многое не сумели увидеть. Они, например, не обращали внимание, где при кипении образуются пузырьки, заполненные воздухом и паром; не знали, что температура жидкости в открытом сосуде после начала кипения перестает повышаться, что при испарении температура жидкости понижается. Изучение темы дает возможность учителю продолжать развивать у учащихся интерес к наблюдениям и учить их находить все новые и новые свойства в явлениях, которые им кажутся известными. Особенно следует обратить внимание на то, что «в твердых телах молекулы расположены упорядоченно. Чтобы перевести их из упорядоченного расположения в беспорядочное, нужно совершить работу по преодолению сил молекулярного притяжения. При этом изменяется внутренняя энергия тела». На это положение приходится опираться впоследствии при объяснении постоянства температуры при плавлении и отвердевании кристаллических тел, а также при выяснении физического смысла удельной теплоты плавления и испарения, поэтому его нужно разъяснить учащимся. Они должны хорошо себе представить, что, когда над телом совершается работа, его энергия увеличивается. О том, что при изменении агрегатных состояний не изменяется кинетическая энергия теплового движения молекул, на этом же уроке возможно говорить преждевременно. Плавление. Сведения о кристаллическом строении вещества, полученные учащимися ранее, достаточны для того, чтобы, опираясь на них, перейти к изучению темы «Плавление». Из житейских наблюдений учащиеся знают, что тела при нагревании плавятся, а при охлаждении отвердевают. Но большинство из них наблюдало только изменение агрегатного состояния воды, поэтому опыты в классе по плавлению и отвердеванию, например, нафталина оказываются дли них далеко не лишними. Учащиеся с большим интересом смотрят, как нафталин при нагревании пробирки в пламени спиртовки становится жидким и прозрачным, как вода. Еще большее впечатление производит на них отвердевание нафталина, вылитого в холодную воду. С этого опыта можно начать изучение темы о плавлении и отвердевании. Сообщив, что кристаллические вещества плавятся при определенной для каждого из них температуре, следует задержаться на температурах плавления некоторых веществ, приведенных в таблицах физических постоянных. Обязательными задачами при изучении темы следует считать лишь прямые задачи на нахождение количества теплоты, требуемой для нагревания и плавления тела данной массы. Их решают для закрепления и конкретизации представлений о процессе плавления. Чтобы деятельность учащихся не ограничивалась формальным УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 46 из 93 «11сентября»2013 г. нахождением некоторого количества теплоты, полезно после получения числового ответа задать им дополнительный вопрос, который помог бы конкретизировать ответ. Например, выяснив, какое количество теплоты требуется для плавления льда и нагревания полученной воды до комнатной температуры, можно спросить, достаточно ли для этой цели энергии, которая выделяется при сгорании определенной массы топлива. Чтобы не усложнять вопрос, нужно подобрать такое количество топлива, которое дало бы возможность сделать вычисления в уме. Если учащиеся обратят внимание на то, что не вся энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, будет получена льдом, можно в зависимости от обстановки, складывающейся на уроке, устно выяснить, как повлияет на ответ учет коэффициента полезного действия нагревателя, или, задавшись значением коэффициента полезного действия нагревателя, получить числовой ответ. Испарение. В начале урока полезно вспомнить о связи температуры со средней скоростью движения молекул. Необходимо остановиться на понятии «средняя скорость». Учащиеся должны хорошо себе представлять, что не все молекулы тела движутся с одинаковыми скоростями. Это позволит объяснить, почему испарение происходит постепенно и почему при испарении понижается температура. Несмотря на то, что в житейской практике учащиеся часто встречаются с испарением, следует дать им возможность наблюдать основные явления во время классных опытов. Опыты просты, доступны в условиях физического кабинета любой школы, интересны и легко запоминаются. Без опытов изложение вопроса об испарении займет на уроке мало времени, и задержать на нем внимание учащихся не удастся. Изучение же явления испарения играет значительную роль в расширении кругозора учащихся, поэтому важно, чтобы к нему было привлечено внимание в течение большей части урока. Выяснив, что испарение должно происходить при всякой температуре, так как в жидкости всегда есть более быстрые молекулы, которые могут преодолеть притяжение окружающих молекул и вылететь за пределы жидкости, можно показать, что быстрота испарения у различных жидкостей различна. Затем нужно нанести одинаковые пятна воды или спирта на два стекла, подержав предварительно одно из них над нагревателем. Учащиеся наблюдают, что с нагретого стекла пятно исчезает значительно быстрее, чем с холодного. На основании этого делают вывод о зависимости быстроты испарения от температуры. Если нанести на два стекла одинаковые пятна одной и той же жидкости и одно из них обмахивать картонным веером, а другое отставить в сторону, чтобы на него не попадал ветер, можно наглядно показать учащимся, как влияет на быстроту испарения движение воздуха. Объясняя это явление, следует сказать о том, что часть молекул возвращается обратно в жидкость. Если над поверхностью, с которой происходит испарение, создать движение воздуха, он будет уносить часть молекул, поэтому число возвращающихся молекул уменьшится, и испарение будет происходить быстрее. После этого можно объяснить, почему во влажном воздухе, содержащем большое количество ранее вылетевших молекул воды, испарение идет медленнее, чем в сухом. Говоря о равновесии между, испаряющейся жидкостью и ее парами, нужно показать закрытый сосуд с жидкостью или закрытый прибор, содержащий жидкость, и УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 47 из 93 «11сентября»2013 г. сказать, что уровень жидкости в нем в течение нескольких лет не уменьшается. Это производит впечатление более сильное, чем простое сообщение о том, что количество жидкости в закрытом сосуде не изменяется. Из житейской практики учащиеся знают, что быстрота испарения зависит от величины поверхности, но показать опыты, подтверждающие эту зависимость, все же следует. Для этого на полочку ставят пробирку и блюдечко, в которые наливают одинаковое количество воды, и в течение нескольких уроков следят за уровнем воды в них. Эти наблюдения можно предложить учащимся провести в домашних условиях. Зависимость быстроты испарения от величины поверхности объясняют тем, что при испарении покидают жидкость молекулы, находящиеся вблизи поверхностного слоя. При объяснении понижения температуры при испарении лучше исходить не из энергетических представлений, а из молекулярно-кинетических, так как для учащихся понятие о скорости молекул более конкретно, чем понятие об их кинетической энергии. Когда будет выяснено, что при испарении с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы и что средняя скорость оставшихся молекул уменьшается, можно сказать, что в связи с этим уменьшается и их средняя кинетическая энергия, а, следовательно, и температура. Следует обратить внимание на то, чтобы учащиеся говорили об уменьшении средней скорости движения молекул или средней кинетической энергии, а не об уменьшении внутренней энергии всей оставшейся жидкости. Ведь если из полного стакана вылить половину воды, внутренняя энергия оставшейся жидкости уменьшится, но температура при этом не изменится, так как средняя кинетическая энергия оставшихся молекул не уменьшилась. Когда, выяснено, что при испарении жидкости ее температура понижается, ставят вопрос о том, почему она не понижается беспредельно. Почему, например, вода в открытом сосуде к концу дня не замерзает? Учащиеся догадываются, что вода постоянно получает энергию от окружающего воздуха. Это происходит по той причине, что температура воздуха немного выше, чем у испаряющейся воды. Поэтому температура воды, оставаясь несколько ниже, чем у воздуха, больше не понижается. Отсюда легко перейти к понятию о теплоте испарения, а также к понятию об удельной теплоте испарения. Для конкретизации представления об удельной теплоте испарения следует ознакомить учащихся с ее значением для различных жидкостей. Необходимо постоянно приучать школьников к тому, чтобы они на все вопросы давали полные, развернутые ответы. Чтобы спросить на уроке как можно больше учеников и привлечь к ответам внимание всех учащихся, нужно задавать вопрос всему классу. Когда значительная часть учащихся будет готова к ответу, следует сначала вызвать ученика, который заведомо может дать лишь частичный ответ на вопрос; потом предложить классу дополнить или уточнить ответ; закончить разбор вопроса нужно вызовом более сильного ученика, которого будет полезно послушать всему классу. Разумеется, если ученик может изложить основной материал по учебнику, но не в состоянии сразу ответить на дополнительный вопрос, оценивать его знания как неудовлетворительные не следует. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 48 из 93 «11сентября»2013 г. Можно также предложить учащимся подумать над ответами на некоторые вопросы дома. В этом случае они имеют возможность обдумать не только содержание ответа, но и его форму, что весьма полезно для развития устной речи. Примеры, подготовленные учащимися, могут оказаться очень интересными и неожиданными не только для класса, но и для учителя. Такая активная работа над изучаемым материалом очень полезна. Не все могут придумать оригинальные примеры. Если в некоторых ответах будут использованы примеры, предлагавшиеся ранее учителем или имеющиеся в учебнике, не следует относиться к ним с пренебрежением. Рассматривая явления конденсации пара и выделения энергии при конденсации, можно воспользоваться опытом по адиабатному расширению воздуха, который был показан в связи с вопросом об уменьшении внутренней энергии воздуха при совершении им работы. Но опыт надо продемонстрировать в другом варианте, чтобы выяснить роль центров конденсации в образовании тумана. Ополоснув бутыль, чтобы стенки ее были влажными, накачивают в нее воздух до тех пор, пока не вылетит пробка (или считают вслух число качаний, если учитель, сам вытаскивает пробку). В бутыли появляется слабый туман. После этого в нее бросают предварительно зажженную и погашенную дымящуюся спичку (или две) и повторяют опыт. Бутыль наполняется густым туманом, так как появились добавочные центры конденсации в виде твердых частиц угля, из которых состоит дым. Это явление объясняет, почему в некоторых промышленных городах, например в Лондоне, бывают очень густые туманы. Опыт можно повторить, показав, что, когда накачивают воздух, совершая при этом работу, его внутренняя энергия возрастает, он нагревается - и туман исчезает. Когда вытаскивают пробку, давая возможность воздуху расшириться, туман появляется опять. Так как учащиеся знают, что при конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты, им можно объяснить, почему образование тумана задерживает понижение температуры воздуха. Объяснить выделение энергии при конденсации можно, опираясь на закон сохранения и превращения энергии, не рассматривая механизма явления. . Кипение. Несмотря на то, что в повседневной жизни учащиеся постоянно наблюдают процесс кипения, от классного опыта отказываться не следует, так как в быту кипение обычно наблюдают сверху и видят только то, что происходит на поверхности. Если показывать опыт с жидкостью, которая перед уроком в течение нескольких минут кипела и поэтому из нее удалена значительная часть воздуха, можно наблюдать образование крупных редких пузырей с воздухом и паром, которые доходят до поверхности и лопаются, выбрасывая пар в атмосферу. Учащиеся, видевшие этот опыт, понимают, что кипение - это образование пара внутри жидкости в отличие от обычного испарения с поверхности. Выяснив, что, у разных жидкостей температура кипения различная, следует ознакомить учащихся с таблицей температур кипения и задержать на ней их внимание, задав ряд вопросов, например: чем можно обжечься сильнее: кипящим маслом или кипящей водой? Можно ли в запаянной посуде варить суп, поджаривать пищу и т. п.? В связи с вопросом о конденсации пара полезно показать учащимся, что пары воды бесцветны, а белое облако, которое они обычно наблюдают около носика УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 49 из 93 «11сентября»2013 г. чайника, в котором кипит вода, состоит из маленьких капелек воды, образовавшейся при конденсации пара. Вопрос о зависимости температуры кипения от внешнего давления следует упомянуть, возможно, без подробного объяснения. Для демонстрации кипения воды при пониженном давлении проще всего воспользоваться насосом Шинца. Чтобы учащиеся без термометра убедились в том, что температура воды во время опыта ниже 100°C, нужно снять колбу с кипящей при атмосферном давлении водой и на некоторое время задержаться с началом опыта; учащиеся увидят, что колба перестала получать энергию от нагревателя, и вода в ней, следовательно, остывает. Кипение воды в колбе, присоединенной к насосу, происходит только во время подъема поршня. Вместо насоса можно воспользоваться резиновой грушей. После того как вода перестанет получать энергию от источника теплоты, нужно сжать грушу, выдавив из нее воздух, потом надеть на конец трубки, идущей от колбы, и отпустить. При расширении груши объем воздуха в ней увеличится, и давление над водой понизится, что должно вызвать кипение воды. Тепловые двигатели В теме «Тепловые двигатели» рассматривают практические применения явления преобразования энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую энергию. Обычно изложение этого вопроса начинается с рассмотрения общего принципа работы тепловых двигателей. Важно, чтобы учащиеся поняли, что для совершения рабочим телом (газом, который образуется при сгорании топлива, или паром) работы ему нужно сообщить энергию, т.е. нагреть до высокой температуры; при расширении оно совершит работу, его внутренняя энергия уменьшится, и температура понизится. О том, что любой двигатель может превратить в механическую энергию только часть энергии, выделяющейся при сгорании топлива, можно сообщить во вводной части, а с числовыми значениями КПД ознакомить учащихся при рассмотрении конкретных тепловых машин. Эта тема важна для расширения политехнического кругозора учащихся не только благодаря тем конкретным сведениям, которые получают при ее изучении, но и благодаря возможности начать ознакомление с вопросами энергетики на примерах отдельных двигателей, их КПД и области применения. В этой теме изучают принцип действия двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин. На двигателях внутреннего сгорания останавливаются более подробно, так как они широко применяются в технике. При ознакомлении с работой турбин ограничиваются принципом действия и указанием на области применения. Учащиеся должны знать, какие двигатели применяются в автомобиле, автобусе, тракторе, мотоцикле, лодочном и велосипедном моторах, вертолете. Несмотря на то, что они не знакомы с электричеством и не знают принципа работы генератора электрической энергии, им можно сообщить о роли водяной или паровой турбины, которая вращает на электростанции устройство, вырабатывающее электрическую энергию. Сведения об электростанциях, полученные даже в такой форме, расширят кругозор учащихся в области применения тепловых двигателей. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 50 из 93 «11сентября»2013 г. Двигатели внутреннего сгорания. Прежде всего, учитель должен сообщить учащимся, что при быстром сжигании бензина в малом объеме образуются горячие газы, производящие на стенки сосуда большое давление. Если сгорание произойдет в цилиндре, закрытом с одного конца подвижным поршнем, газы приведут его в движение, которое при помощи кривошипно-шатунного механизма может быть передано валу. Показывая кривошипно-шатунный механизм, нужно приводить его в движение, действуя рукой на поршень, а не на маховик, как это часто делают, так как речь идет о передаче движения от поршня к валу, а не наоборот. Далее выясняют, что для осуществления непрерывной работы поршневого двигателя, использующего энергию газов, необходимо подать в цилиндр топливо, воспламенить его и, после того как газы произведут работу, удалить их, чтобы освободить, место для следующей порции горючего. Топливо надо подавать в цилиндр в таком виде, чтобы оно могло быстро сгореть. Прежде всего, необходимо объяснить, как в цилиндр подается горючее и почему первый такт называется всасыванием. Дальше встает вопрос о, том, как эту жидкость воспламенить. Если учащиеся не видели прибора, дающего электрическую искру, им можно показать электрофорную машину или индукционную катушку и сообщить, что, если в сосуде, заполненном горючей смесью, проскочит искра, произойдет воспламенение сразу по всему объему. Такое воспламенение в отличие от постепенного сгорания называется взрывом. Для получения искры в цилиндр вводят два провода, между которыми оставляют промежуток в несколько миллиметров, и соединяют с соответствующим приспособлением. Следует ознакомить учащихся со значением КПД двигателей внутреннего сгорания и областью их применения. У автомобильных карбюраторных двигателей он равен 25%, у более совершенных двигателей на тракторе (дизельных) 28-32%, у авиационных бензиновых двигателей 28-30%. Учащихся обычно интересует вопрос о КПД турбореактивных двигателей, установленных на самолетах. Он равен только 1520%. Его применение обусловливается главным образом необходимостью получения больших скоростей. Паровая турбина. Если при изучении двигателя внутреннего сгорания сообщают учащимся краткие сведения о его устройстве, то при рассмотрении паровой турбины рассказывают, главным образом, об области ее применения и ограничиваются лишь принципом ее действия. Строение атома. Электрический заряд С введения понятия «электрический заряд» начинается изучение темы «Строение атома». Электрический заряд в науке определяется как связанный с материальным носителем источник электромагнитного поля и является одним из основных понятий учения об электричестве. Все электрические явления обусловлены существованием, движением и взаимодействием электрических зарядов. Известно, что есть заряды двух видов, условно называемые положительным и отрицательным зарядом, установлен и закон их взаимодействия. Электрический заряд дискретен, т.е. не делится до бесконечности; существует минимальный элементарный электрический заряд, которому кратны все электрические заряды тел. Носителем наименьшего отрицательного электрического заряда является элементарная частица - электрон (и, УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 51 из 93 «11сентября»2013 г. например, отрицательный мю-мезон), элементарного положительного заряда - протон (положительный мю-мезон, позитрон). Электрический заряд макроскопического тела равен алгебраической сумме положительных и отрицательных зарядов элементарных частиц, составляющих это тело, обычно протонов и электронов. Существует закон сохранения электрического заряда - один из фундаментальных законов природы: сумма электрических зарядов любой системы остается неизменной, если эта система электрически изолирована. Так, например, закон сохранения электрического заряда выполняется при ядерных реакциях, превращениях элементарных частиц. История изучения электричества интересна и поучительна. Некоторые, наиболее существенные исторические примеры можно использовать на уроках для повышения интереса к теме, не требуя от учащихся их знания. Понятие об электроне. Введение понятия об электроне является одной из важнейших задач преподавания раздела электричества. На этом понятии строится объяснение основных явлений, изучаемых в разделе. Знания об электроне нужны при изучении строения атома, электризации, образования ионов, электрического тока. С введением этого понятия начинается формирование знаний об элементарных частицах. В качестве начального понятия о них удачно рассмотреть именно электрон стабильную элементарную частицу, заряд которой принят за единицу отрицательного количества электричества, и понятие о котором закрепляется при изучении раздела электричества. При введении понятия электрона возникает ряд методических трудностей. Опыты по определению его заряда и массы сложны, и объяснение их не обеспечено подготовкой учащихся. Поэтому данный вопрос лучше рассмотреть так: сначала показать опыты по делимости электрического заряда, а затем в очень упрощенной форме изложить схему опытов Иоффе и Милликена. Опыт Резерфорда рассматривается в курсе физики в ознакомительном плане. После описания опыта рассказывают о его результатах и их истолковании и рассматривают ядерную модель атома на примере атомов водорода, гелия и лития. Представление о размерах атома дает такое сравнение: поперек ногтя мизинца (1 см) могло бы уместиться примерно 100 000000 атомов. Чтобы подчеркнуть особенности строения атома - чрезвычайно малый объем ядра, в котором сосредоточена почти вся масса (а именно около 99,98% массы атома), необходимы сравнения, например, если атом водорода увеличить так, что ядро достигнет размеров футбольного мяча, то электрон окажется на расстоянии в 23 км от ядра. О плотности ядерного вещества дают представления такие сравнения: если бы объем человека массой 80 кг уменьшился за счет промежутков между ядром и электронами, т.е. если бы электроны расположились «вплотную» к ядрам, то новый объем стал бы равен примерно 10-6 мм3 (миллионная часть кубического миллиметра или примерно миллионная часть булавочной головки). При тех же условиях масса железа, ежегодно добываемого на всем земном шаре (180 000 000 т), приняла бы объем в 2 см3. После того как будет изучено строение атома, нужно, чтобы ученики имели представление о ядерной модели атома, могли нарисовать и объяснить модели УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 52 из 93 «11сентября»2013 г. строения простейших атомов, знали, как образуются отрицательные и положительные ионы. При повторении этого материала допустимы лишь вопросы принципиальные, например: как было показано, что между ядром атома и его электронами имеются сравнительно большие промежутки? Почему в опыте Резерфорда некоторая часть альфа-частиц отбрасывалась от пластинки, стоящей на их пути, назад? Почему таких случаев рассеяния частиц было мало? Сведения об электроне и строении атома применяют затем для объяснения электризации тел. Здесь можно рекомендовать повторить некоторые опыты по электризации или показать другие (это всегда усиливает интерес и внимание учащихся к уроку). Необходимо еще раз показать, что при соприкосновении электризуются оба тела, обратить внимание учащихся на то, что заряды тел противоположны по знаку и равны по абсолютному значению. На основании знаний об электроне и строении атомов объясняют еще одно явление - переход части электрического заряда к ненаэлектризованному телу при соприкосновении его с наэлектризованным телом. Здесь нужно подчеркнуть, что при передаче как отрицательного, так и положительного зарядов перемещаются с одного тела на другое только электроны. Используя демонстрационные опыты, целесообразно показать, что электрические силы действуют только на наэлектризованные тела и что все тела, которые притягиваются к заряженным телам, электризуются, а поэтому на них действуют электрические силы. Затем в качестве иллюстрации, подтверждающей, что в проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перемещение электронов, следует показать известный опыт с электроскопом, который заряжают, поднося к нему заряженное тело (без соприкосновения). Таким образом, учащиеся на основании знаний об электроне и строении атома должны уметь объяснить электризацию тел при соприкосновении, переход части заряда с заряженного тела на незаряженное при их соприкосновении, существование проводников и изоляторов и притяжение предварительно ненаэлектризованных проводников к заряженным телам. Объем знаний о строении вещества, которые учащиеся получили к концу изучения темы «Строение атома», позволяет провести с ними беседу о познаваемости природы. Проследить развитие знаний о молекуле и атоме можно в историческом плане, напомнив основные этапы развития, или в плане развития их знаний. Молекулы, их движение и взаимодействие, состав молекул, атомы, которые сначала считали неделимыми, а потом обнаружили, что они состоят из ядер и электронов, состав ядра (протоны и нейтроны). Сила тока, напряжение, сопротивление. Учебный материал темы посвящен изучению простейших электрических цепей, формированию у учащихся основных электродинамических понятий и величин: «сила тока», «напряжение», «сопротивление», а также установлению функциональной зависимости между этими тремя величинами, т.е. установлению закона Ома для участка цепи. Изучение всего учебного материала темы полезно проводить на широкой экспериментальной основе - демонстрационной и лабораторной. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 53 из 93 «11сентября»2013 г. Электрический ток. Целесообразно остановиться на методике изложения вопроса об условии возникновения тока, о роли, которую в цепи играет источник тока, об устройстве и практическом применении некоторых из них. Что же нужно для того, чтобы электрический ток возник в проводнике и существовал в нем некоторое время? Для ответа на этот вопрос обращаются к опытам. Проводя опыты, следует выделить два существенных момента. Во-первых, причиной электрического тока, т.е. движения электрических зарядов, является электрическое поле; во-вторых, в результате электрического тока электрическое поле между пластинами ослабляется и может совсем исчезнуть, при этом прекратится движение электрических зарядов. Обобщая результаты опытов, надо привести учащихся к выводу: чтобы электрический ток существовал длительное время, необходимо все это время поддерживать в проводнике электрическое поле. На практике электрическое поле в проводниках создается и поддерживается особыми устройствами, которые называют источниками электрического тока. Источники тока. Роль источника тока сводится к созданию и поддержанию в проводниках электрического поля, под действием которого происходит перемещение заряженных частиц, т. е. электрический ток. Вполне возможно и даже необходимо дать учащимся в самом общем виде представление о процессах, происходящих в источнике тока, тогда роль его будет яснее. В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частичек, между которыми действуют силы притяжения. Эта работа совершается силами не электрической природы, а так называемыми сторонними силами (термин этот не нужно вводить). Между полюсами источника тока возникает электрическое поле. Когда же полюсы соединяют между собой металлическим проводником, то электрическое поле возникает и в проводнике. Под действием этого поля свободные заряженные частицы - электроны, имеющиеся в проводнике, станут двигаться в направлении от отрицательного полюса источника к положительному, в проводнике возникает электрический ток. Далее переходят к изучению различных источников тока. Более подробно рассматривают химические источники энергии. Для демонстрации гальванического элемента удобнее применять цинковую пластинку и угольную палочку, опущенные в раствор, например, поваренной соли в воде. Лампочка на напряжение 1В от такого элемента достаточно ярко горит. На учащихся производит впечатление, что может быть использована обыкновенная поваренная соль, а не только специальные реактивы. Показывая опыт, нужно обязательно подчеркнуть, что в гальваническом элементе имеются электроды с разным химическим составом, из которых один реагирует с раствором. Далее переходят к изучению аккумулятора. Рассказывают, что, когда аккумулятор создает в цепи ток, состав пластин восстанавливается и аккумулятор перестает быть источником тока, его снова надо заряжать. Говорят, что есть аккумуляторы, у которых химический состав другой, но принцип их действия такой же, и демонстрируют учащимся кислотный и щелочной аккумуляторы. Учащиеся должны четко представлять себе, что источник тока создает в проводниках электрическое поле, под действием которого свободные заряженные УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 54 из 93 «11сентября»2013 г. частицы, имеющиеся в проводниках (например, электроны в металлах), приходят в движение. Источники тока бывают разные, в каждом из них происходит превращение какого-нибудь вида энергии в электрическую энергию. Электрическая цепь и ее составные части. Знакомство с электрической цепью можно начать с фронтального опыта. Составляют цепь из батареи сухих гальванических элементов или аккумуляторов (источник тока), низковольтной лампы (приемник или потребитель электрического тока), подводящих ток проводов и ключа (прибор управления цепью). На классной доске чертят схему цепи, которую учащиеся перерисовывают в тетради. Далее можно дать представление о двух способах включения в цепь приемников тока. Указывают, что в одной и той же цепи часто бывает по нескольку приемников, и разбирают вопрос о том, как они могут быть соединены. Например, цепь должна содержать две лампочки. Их можно включить так, что одна непосредственно будет следовать за другой, такое включение называют последовательным. Но эти две лампочки могут быть включены в цепь и иначе: для этого надо сделать от какой-либо точки цепи ответвление, состоящее из двух ветвей, и в каждую ветвь включить по лампочке, такое включение называют параллельным. Умение составлять схемы электрических цепей и знание названий отдельных элементов цепи придет к учащимся постепенно, в процессе дальнейших занятий по электричеству. Электрический ток в металлах. Если позволит время, можно коротко рассказать об идее опыта Толмена и Стюарта с получением инерционного движения электронов при остановке быстровращающейся проволочной катушки. Остается выяснить еще вопрос о скорости распространения электрического сигнала по проводникам. Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике, как известно, зависит от напряженности поля. При напряженности поля, например, 1В/см, эта скорость составляет около 0,5 мм/с. Для учащихся этот пример нужно адаптировать: если батарейку (3,5В) замкнуть проволокой длиной 1м, то скорость упорядоченного движения электронов в этой проволоке будет составлять тысячные доли миллиметра в секунду. Скорость же распространения электрического поля внутри проводника огромна, она равна скорости света в вакууме (300 000 км/с). Одновременно с распространением по проводнику электрического поля по всей длине проводника приходят в движение свободные электроны. Электрический ток в электролитах. Иную природу имеет электрический ток в жидких проводниках - в электролитах: растворах солей, кислот, щелочей и др. Это утверждение нужно иллюстрировать опытами. Соединив угольные электроды с полюсами источника постоянного тока (батарея сухих гальванических элементов или аккумуляторов, выпрямитель), замыкают цепь. Через некоторое время обнаруживают, что на электроде, соединенном с отрицательным полюсом источника тока (катоде), выделилась из раствора чистая медь. Результаты этого опыта дают основание заключить, что электрический ток в растворе медного купороса представляет собой поток заряженных частиц вещества - ионов. Рассказывают учащимся, что ионы возникают в растворе вследствие взаимодействия молекул растворяемого вещества с молекулами растворителя (воды). УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 55 из 93 «11сентября»2013 г. Ионы в электролитах, как и свободные электроны в металлах, движутся беспорядочно. Но когда электроды присоединяют к полюсам источника тока, в растворе возникает электрическое поле. Под действием этого поля ионы, сохраняя хаотическое движение, одновременно начинают двигаться в определенном направлении. Положительные ионы направляются к электроду, соединенному с отрицательным полюсом источника (катоду), а отрицательные ионы - к электроду, соединенному с положительным полюсом (аноду). Дойдя до соответствующих электродов, ионы отдают им свои заряды и, став обычными атомами или молекулами, выделяются на электродах или вступают в химические реакции. В опыте с медным купоросом атомы меди откладывались на катоде. Затем сообщают результаты проведенных опытов: электрический ток в электролитах представляет собой упорядоченное движение положительных и отрицательных ионов. Действия электрического тока. Действиями электрического тока называют те явления, которые наблюдают, при наличии электрического тока в цепи. По этим действиям судят об электрическом токе в цепи, так как нельзя непосредственно наблюдать за движением заряженных частичек в проводнике. С некоторыми действиями электрического тока учащиеся знакомы уже из повседневной жизни. С химическими действиями тока учащиеся уже знакомились при рассмотрении механизма тока в электролитах. Магнитное действие тока можно показать, используя катушку и сердечник от школьного разборного трансформатора. Подключив катушку к источнику тока (выпрямитель, батарея аккумуляторов), демонстрируют притяжение железным сердечником различных железных предметов. Еще проще намотать на железный гвоздь десяток витков медного провода и присоединить концы его к полюсам батареи через ключ. При замыкании цепи гвоздь намагничивается и притягивает опилки и небольшие железные предметы. Надо также показать взаимодействие между проводником с током и магнитом. От этого опыта легко перейти к знакомству с измерительным прибором школьным демонстрационным гальванометром, рассмотрев в общих чертах его устройство. Надо обратить внимание учащихся на то, что из всех действий тока магнитное действие тока имеет место всегда, какой бы проводник тока ни был - твердый, жидкий или газообразный. Направление электрического тока. Так как электрический ток представляет собой упорядоченное движение свободных заряженных частиц в проводнике (электронов в металлах и ионов в электролитах), то можно говорить о направлении электрического тока. От направления тока зависят и некоторые его действия, например химическое. Так как чаще всего приходится иметь дело с металлическими проводниками, ток в которых обусловлен движением электронов, то за направление тока естественнее было бы принять направление движения электронов, т. е. от отрицательного полюса источника к его положительному полюсу. К такому выводу, вероятно, и придут многие учащиеся. Однако вопрос о направлении тока возник тогда, когда природа тока в разных проводниках не была еще УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 56 из 93 «11сентября»2013 г. известна. Но условились за направление тока принимать направление движения в цепи положительных зарядов. К этому так привыкли, что сейчас этот вопрос не пересматривают. Сила тока и количество электричества. Для дальнейшего рассмотрения вопросов необходимо ввести величины, характеризующие ток в проводниках. Одними из первых таких величин являются количество электричества и сила тока. В электростатике речь шла о значении электрического заряда и о возможном минимальном заряде - заряде электрона. Наряду с термином «заряд» иногда пользуются равноценным термином «количество электричества». Понятие о количестве электричества (электрическом заряде) вводят, основываясь на опыте с электролизом медного купороса. Переходя к понятию «сила тока», необходимо на примерах показать учащимся, что суммарный заряд, проходящий в секунду через поперечное сечение проводника, играет в физике большую роль. Оно получило специальное название - «сила тока». Единицы силы тока и количества электричества. Из двух величин - количество электричества и сила тока - исторически введено сначала количество электричества, а затем сила тока. Стремясь придерживаться СИ, уже на первой ступени обучения, в установлении единиц количества электричества и силы тока, поступают наоборот: сначала вводят единицу силы тока - ампер, а затем единицу количества электричества - кулон. Сила тока есть физическая величина. Чтобы измерять эту величину, нужно, прежде всего, установить единицу измерения силы тока. Как это можно сделать? Учащиеся уже знакомы с различными действиями тока. Они знают, что интенсивность этих действий зависит от силы тока в цепи. Для установления единицы силы тока можно использовать любое действие тока. Так, в 1948г. на девятой Международной конференции по мерам и весам было решено использовать явление взаимодействия двух проводников с током. Ниже на рисунке изображена установка для демонстрации взаимодействия проводников с током: 1) когда токи в обоих проводниках, одинаково направлены, проводники притягиваются (рис.а); 2) когда токи направлены в противоположные стороны, проводники отталкиваются (рис.б). В качестве источника тока можно применять щелочной аккумулятор или выпрямитель; демонстрация хорошо получается и на переменном токе, но в этом случае надо использовать автотрансформатор или реостат. Силу взаимодействия проводников с током можно рассчитать и измерить. Данное в учебнике определение ампера учащимся заучивать не следует; они должны только иметь представление о том, что единица силы тока - ампер -устанавливается на основе взаимодействия проводников с током. Полезно, хотя и не обязательно, ввести единицы силы, тока, производные от ампера. По единице силы тока «ампер» устанавливают единицу количества электричества «кулон». Напряжение. Как показывает опыт и отзывы учителей, каким бы методическим приемом учитель ни пользовался при введении понятия напряжения, большинство УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 57 из 93 «11сентября»2013 г. учащихся это понятие не сразу воспринимает, они постепенно к нему привыкают. Как в ряде других аналогичных случаев, поступают следующим образом: сначала искомую величину вводят как объект изучения, устанавливают единицу ее измерения, описывают устройство прибора, с помощью которого измеряют эту величину, затем используют ее в расчетных задачах и в рассуждениях при рассмотрении явлений, в которых встречается эта величина. Постепенно для учащихся выявляется физическое содержание, вкладываемое в это понятие. Лампа, включенная в осветительную сеть, горит при более высоком напряжении, чем лампочка от карманного фонаря. Отсюда следует, что напряжение - это такая физическая величина, которая характеризует работу, совершаемую в цепи электрическим током. Работа, совершаемая в цепи с высоким напряжением при прохождении по ней каждого кулона электричества, больше работы, совершаемой в цепи с низким напряжением, когда по ней проходит 1 Кл электричества? Напряжением на концах участка цепи называют особую величину, равную работе, которая совершается или может быть совершена при прохождении по участку цепи 1 Кл электричества. Для конкретизации этого понятия полезно использовать аналогию. Например, сравнить электрический ток в цепи с течением воды с более высокого уровня на более низкий. Электрическому напряжению на концах участка цепи аналогична работа, совершаемая при падении 1 кг воды с верхнего уровня на нижний. На уроке учащиеся должны узнать, что напряжение - на различных участках цепи создается источником тока. Нет напряжения на участках цепи - нет и электрического тока в цепи. Когда цепь разомкнута, напряжение существует на полюсах источника тока. Единица напряжения. Напряжение было введено как величина, равная работе, совершаемой в цепи при прохождении по ней заряда 1 Кулон. Вполне естественно за единицу напряжения принять такое напряжение, при котором на участке цепи совершается работа в 1Дж, если по нему проходит 1 Кл электричества. Эту единицу называют вольтом, по имени итальянского ученого Вольта. Надо сказать учащимся, что в отличие от тока напряжение не называют сильным или слабым, а называют высоким или низким. Высокое напряжение опасно для жизни. Учителю надо иметь в виду, что уже напряжение 60 В считается опасным, опасным для жизни может быть и более низкое напряжение, поэтому при работе с электрическими цепями (особенно с осветительными) учащиеся должны соблюдать крайнюю осторожность. Сопротивление проводников. Формирование понятия сопротивления проводника начинают с опыта. Если источником тока служит выпрямитель, то необходимое напряжение на концах проводника устанавливают с помощью реостата (или потенциометра). Результаты демонстрационного опыта записывают на классной доске. По ним видно, что для каждого проводника отношение напряжения к силе тока (или частное от деления напряжения на силу тока) есть величина постоянная. Но для разных проводников она различна. Опираясь на результаты опытов, вводят понятие сопротивления проводника. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 58 из 93 «11сентября»2013 г. Для всякого проводника отношение напряжения на его концах к силе тока есть величина постоянная, не зависящая ни от напряжения, ни от силы тока. Но она различна у разных проводников. Следовательно, эта величина характеризует какое-то свойство проводника, от которого зависит сила тока. Это свойство называют сопротивлением проводника. На основании опыта и всех рассуждений формулируют правило для определения сопротивления проводника и, введя буквенные обозначения физических величин, записывают формулу: R U I На этом же уроке, устанавливают единицу сопротивления - Ом. Естественно за единицу сопротивления принять сопротивление такого проводника, у которого при напряжении на концах в 1В сила тока в цепи 1А. Закон Ома для участка цепи. Связь между силой тока и напряжением была установлена на опыте. Ее надо повторить, обратив внимание учащихся на то, что в опытах, которые были выполнены для установления рассматриваемой зависимости, сопротивление участка цепи не менялось, менялось только напряжение на концах этого участка. Отсюда следует, что сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению, если сопротивление участка цепи при этом не меняется. Зная, что представляет собой сопротивление проводника, учащиеся могут заранее сказать, что сила тока зависит также и от сопротивления проводника. Как зависит сила тока от сопротивления? Ответ на поставленный вопрос можно получить из опыта. Составляют цепь, взяв в качестве источника тока аккумулятор и по очереди включая проводники, обладающие сопротивлением 1, 2 и 4 Ом. Обращают внимание учащихся, что вольтметр, подключаемый к концам этих проводников, показывает одинаковое напряжение (внутреннее сопротивление аккумулятора очень малое). При другом источнике тока постоянное напряжение следует поддерживать при помощи потенциометра, реостата или выпрямителя с автотрансформатором, каждый раз привлекая внимание учащихся к тому, что измерения всегда проводят при одном и том же напряжении. Силу тока измеряют амперметром. Результаты измерений записывают в виде таблицы на классной доске и в тетрадях учащихся. Анализируя эти результаты, делают вывод: при одинаковом напряжении на концах проводника сила тока обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Установив зависимость силы тока от напряжения и сопротивления проводника, переходят к закону Ома. После этого можно дать формулировку закона Ома для участка цепи. Расчет сопротивления проводников. Удельное сопротивление. Реостаты. Можно провести предварительно опыт, позволяющий установить зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и материала. Выводы из опыта делают на основе результатов измерений, содержащихся в трех таблицах. Анализируя такие таблицы, которые записывают на доске, учащиеся сами приходят к выводам: сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади поперечного сечения его и зависит от материала. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 59 из 93 «11сентября»2013 г. Затем вводят понятие удельного сопротивления как сопротивления проводника, изготовленного из данного материала, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1мм2. Взяв за основу определение удельного сопротивления, выводят формулу R l S сопротивления: Затем демонстрируют ползунковый и рычажный реостаты. Обращают внимание учащихся на то, что для изготовления реостатов используют проволоку из материала с большим удельным сопротивлением, что позволяет делать компактные по размеру приборы нужного сопротивления. Учащимся надо рассказать, для чего применяют реостаты, и показать это на опыте. Последовательное и параллельное соединения проводников. Для проведения демонстраций по последовательному и параллельному соединениям проводников полезно собрать на панелях две схемы (а,б): Рис. а Рис. б К ним нужно подобрать рассчитанные на напряжение сети четыре маломощные лампы (10 или 15 Вт) одинаковой мощности и несколько ламп с различными мощностями. Этими схемами придется часто пользоваться, поэтому лучше приготовить постоянные приборы. Кроме того, собранные панели можно показывать в вертикальной плоскости, что более наглядно, чем на горизонтальной поверхности стола. Использование же ламп на 220 В делает опыты более выразительными, чем с маловольтными лампочками. Применение таких ламп позволяет также варьировать сопротивление в широких пределах. Этими панелями можно будет воспользоваться и при изучении теплового действия тока. Чтобы учащиеся хорошо представляли, что такое последовательное и параллельное соединения, нужно на первом же уроке по этой теме показать сразу обе схемы и установить бросающиеся в глаза различия между ними. Когда учащиеся впоследствии более подробно ознакомятся с параллельным соединением, сравнение можно будет произвести более подробно. В первом опыте все лампы должны быть одинаковой мощности, т.е. иметь одинаковые сопротивления. Различия между способами соединения проще всего показать, вывернув по одной лампе на каждой из панелей. Установив виды соединения, перейти к более детальному изучению последовательного соединения. После выполнения лабораторной работы учащиеся обычно хорошо усваивают, что по всем последовательно соединенным проводникам идет одинаковый ток и общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков. О том, что общее напряжение на двух проводниках равно сумме напряжений на каждом из них и что при одинаковой силе тока напряжение на отдельных проводниках УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 60 из 93 «11сентября»2013 г. пропорционально их сопротивлению, ученики понимают не всегда сразу. На этих положениях надо остановиться и наглядно проиллюстрировать. Взять две лампы разной мощности и соединить их последовательно. Если номинальная мощность одной из ламп велика (сопротивление мало), она вообще не будет накаливаться, а маломощная лампа будет ярко гореть. Предложить учащимся высказать мнения о причинах этого явления. Разбор ответов надо начать с менее удачных, например: большая лампа перегорела или плохо ввернута. Обсуждение этого вопроса даст возможность задержать на некоторое время внимание учащихся на особенностях соединения. Обсудив первое предложение, приходят к выводу, что ток идет по обеим лампам; чтобы подтвердить это заключение, надо поочередно вывернуть обе лампы. Затем демонстрационным вольтметром нужно измерить напряжение и убедиться, что оно на лампах разное. При таком подходе учащиеся уже сами смогут сделать правильный вывод, основываясь на законе Ома: так как сила тока в лампах одинакова, а напряжение на первой лампе меньше, чем на второй, то и сопротивление первой лампы меньше. Для закрепления вывода следует ввернуть вместо первой лампы другую, номинальная мощность которой меньше мощности оставшейся лампы, предварительно обсудив результат опыта. Учащиеся наблюдают, что новая лампа горит ярче, чем оставшаяся, и что яркость оставшейся лампы уменьшилась по сравнению с первым опытом. При помощи вольтметра убеждаются в том, что общее напряжение во всех случаях остается одинаковым, происходит только перераспределение напряжений между лампами. Далее полезно обсудить с классом вопрос: почему елочные лампочки (рассчитанные на небольшое напряжение) включают в сеть последовательно и можно ли заменить перегоревшую лампочку другой с иным сопротивлением? Проводя беседу, выяснить, что произойдет, если ее заменить толстой проволокой, лампой с большим или меньшим сопротивлением, чем у перегоревшей. Излагать материал о параллельном соединении можно рассмотреть, опираясь на демонстрационные опыты, либо провести лабораторную работу и сделать из нее выводы. Возвращаясь к демонстрации ламп на панелях, привлекают внимание к тому, что параллельное соединение дает возможность осуществлять независимые включения потребителей при любом соотношении их сопротивлений и что напряжение на всех приборах одинаково. Показывают учащимся, что включение второй лампы почти не изменяет накал первой. Вопрос о токе можно исследовать как на демонстрационном столе, так и во время фронтальных работ. Прежде всего, необходимо начертить на доске три схемы, в которых изменяется только положение амперметра (вольтметр пока не включается), поскольку сложные цепи учащиеся собирают впервые. Затем по ним последовательно составить три цепи и записать значения токов I 1 , I 2 , I . Предложить учащимся на основании опытов сделать вывод: I 1 , I 2 I . Ставят вопрос: что имеет большее сопротивление - одна спираль или две, включенные, параллельно? Обращают внимание учащихся на то, что включение второй спирали увеличивает общую площадь поперечного сечения, т.е. что сопротивление должно уменьшиться, а сила тока увеличиться. Утверждение проверяют на опыте. Сначала собирают цепь с одной спиралью, имеющей большее УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 61 из 93 «11сентября»2013 г. сопротивление, например, 4 Ом. Добавляя параллельно спираль в 2 Ом, видят, что сила тока заметно возрастает. После этого выводят на доске формулу: 1 1 1 R R1 R 2 Если есть время, можно, подсчитав общее сопротивление по формуле, проверить ее, подключив к собранной схеме вольтметр. Вывод можно иллюстрировать рассуждениями об изменении площади поперечного сечения. Этот прием помогает даже слабым ученикам понять, что включение новых потребителей уменьшает сопротивление, т.е. увеличивает силу тока (нагрузку), что при включении одинаковых проводников сопротивление уменьшается в соответствующее число раз, что общее сопротивление меньше наименьшего, что включение большого сопротивления (проводника с малой площадью поперечного сечения) почти не изменяет общего сопротивления. На конкретном числовом примере следует рассчитать сопротивление участка, состоящего из двух параллельно соединенных проводников, и показать учащимся, что оно меньше самого малого из них. В заключение .надо сказать, что параллельное соединение - это основной способ включения потребителей тока в сеть. Работа и мощность тока Работа электрического тока Ознакомление учащихся с вопросом о работе электрического тока можно начать с рассмотрения энергетических превращений, происходящих в электрических установках. В электрической цепи мерой превращения электрической энергии в другие виды энергии является работа электрического тока. Так как электрический ток, например в металлах, представляет собой упорядоченное движение электронов под действием сил электрического поля, следовательно, то, что называют работой электрического тока в цепи, есть работа сил электрического поля по перемещению электронов в проводнике. Напряжение на концах какого-нибудь участка цепи равно работе, совершаемой в этом участке при прохождении по нему одного кулона электричества. От напряжения переходят к расчету величины работы: А = Uq, где А - работа, U - напряжение, q - количество электричества. Итак, вводят сначала формулу A=Uq, потому что фактически через нее ранее вводили напряжение U. От этой формулы, которой дальше практически не пользуются, переходят к формуле: A UIt . Единица работы джоуль известна учащимся. Формула A UIt позволяет выразить ее через вольт, ампер, секунду. Учителю полезно знать, что беседа об энергетических процессах, происходящих в цепи тока, проводится с целью развития мышления учащихся. Мощность электрического тока. В механике уже была определена мощность. Так как речь идет о мощности электрического тока, то величину мощности надо выразить через известные электрические величины: P=UI. Основываясь на этой формуле, выражают единицу мощности ватт через вольт и ампер. Заметим, что вместо того чтобы всякий раз говорить «лампа рассчитана на ток УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 62 из 93 «11сентября»2013 г. мощностью 200 Вт», принято говорить «лампа мощностью 200 Вт». Последнее выражение, строго говоря, неправильно, так как сама лампа не обладает мощностью. Но при горении лампы можно считать, что и ее мощность равна мощности тока в ней. Точно так же надо понимать выражение: «мощность электрической плитки, пылесоса, полотера» и т. д. Знания, полученные в этой теме, имеют практическое применение в быту. Учащиеся должны уметь снимать показания счетчика и подсчитывать стоимость израсходованной энергии. Полезно изготовить макет счетчика, в окошко которого вставляется полоска бумаги с начальными и конечными «показаниями», и производить по ним вычисления. Нагревание проводников электрическим током. Нагревание проводника электрическим током хорошо известно учащимся из жизненного опыта. Поэтому на уроке надо сначала рассказать о тех микропроцессах, происходящих в проводнике, в результате которых проводник нагревается. Это явление нужно связать с механизмом тока в металлах и электролитах. Свободные электроны в металлах и ионы в электролитах, двигаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с молекулами и атомами вещества проводника и передают им часть той энергии, которую они приобрели в результате действия на них электрического поля. Так как средняя кинетическая энергия молекул при этом увеличивается, то увеличивается и внутренняя энергия проводника, что выражается в его нагревании. Закон Джоуля-Ленца» позволяет связать учебный материал по молекулярной физике.Формула для подсчета работы тока пригодна и для расчета количества теплоты, выделяемого в проводнике током: Q IUt . Количество теплоты, как и работу, измеряют джоулями. Можно применить и закон Ома - основной закон 2 электродинамики, поэтому дают еще формулу: Q I Rt . Чтобы учащиеся умели сознательно объяснять явления, происходящие в электрической цепи, при включении нагревательных приборов, они должны хорошо представлять себе, что при последовательном соединении отдельных участков цепи большее количество теплоты выделяется на участках, имеющих большее сопротивление, а при параллельном - на проводниках с меньшим сопротивлением. Для выяснения этих вопросов следует выбрать формулы, в которых одна из величин одинакова для обоих сопротивлений, т. е. Q I 2 Rt Q U2 t R - для последовательного соединения, - для параллельного соединения Короткое замыкание. Предохранители. Вопрос о коротком замыкании, о плавких предохранителях имеет большое практическое значение, и на нем следует остановиться подробнее, так как учащиеся должны понимать, почему в быту нельзя пользоваться самодельными предохранителями. На конкретных примерах нужно показать, результатом каких действий может быть короткое замыкание. Чтобы учащиеся хорошо себе представляли, как предохранители автоматически размыкают цепь, следует продемонстрировать их действие. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 63 из 93 «11сентября»2013 г. При изучении магнитного действия тока учитель сможет показать модель автоматических пробок. Наконец, весьма полезно определять, какие приборы можно одновременно включать в сеть, зная, что в квартире стоят 6- или 10-амперные предохранители. Методика изучения вопросов: электромагнитные, световые явления; механические колебания и волны; электромагнитное поле; атом, строение атомного ядра Тема «Электромагнитные явления» имеет большое образовательное значение. Изучая ее, учащиеся узнают о связи между электрическими и магнитными явлениями и делают следующий шаг в изучении проявлений закона сохранения и превращения энергии: знакомятся с преобразованием электрической энергии в механическую и механической в электрическую. В этой теме рассматривают устройство и применение электромагнитов (звонка, телеграфа, телефона, электромагнитного реле), принцип действия электрического двигателя и получения индукционного тока. Опираясь на сведения, которые учащиеся приобретают при ее изучении, учитель может развернуть работу по изготовлению несложных автоматических устройств, имеющую большое значение в развитии технического творчества учащихся. При изучении магнитных полей тока связь между направлением тока и направлением магнитных линий магнитного поля можно устанавливать сначала с помощью магнитных стрелок, а зачем ввести правило буравчика. В методическом отношении правило буравчика ценно тем, что оно наглядно показывает неразрывную связь между электрическим током и его магнитным полем. Линия тока связана с магнитной линией. Зная направление линии индукции, можно определить направление тока. Вполне достаточно показать применение правила при демонстрации магнитных полей прямого тока и катушки с током. Понятие о магнитном поле. Магнитное поле прямого тока. Магнитные линии. Основные опыты этого урока - опыт Эрстеда и демонстрация магнитного поля прямого тока с помощью железных опилок. Приступая к изложению вопроса о магнитном поле тока, следует учитывать, что учащиеся уже знакомы с магнитной стрелкой, а также с магнитным действием тока. Показывая опыт Эрстеда как исторический опыт, привлекают внимание учащихся к тому, что вокруг проводника с током всегда есть магнитное поле, и связывают его с движением зарядов. Дальше сообщают учащимся, что более подробно изучать магнитное поле можно при помощи железных опилок, которые, как и все железные предметы в магнитном поле, становятся маленькими магнитиками. Далее вводят понятие магнитной линии. Учащиеся на опыте видят, что железные опилки располагаются вокруг проводника не беспорядочно, а по окружности. После этого следует дать определение магнитной линии магнитного поля в той формулировке, какая дана в учебнике. Направление тока и направление магнитных линий его магнитного поля. Правило буравчика Связь между направлением тока и направлением магнитных линий устанавливают на опыте. С этой целью используют прибор для получения магнитного УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 64 из 93 «11сентября»2013 г. поля прямого тока. На дощечку около проводника с током устанавливают несколько магнитных стрелок (3-4) на подставках. Обращают внимание на то, что северные концы магнитных стрелок поворачиваются и устанавливаются определенным образом. Затем изменяют направление тока в проводнике, при этом все стрелки поворачиваются на 180°. Опыт надо проделать дважды, чтобы учащиеся лучше могли его видеть. Так как оси стрелок располагаются в магнитном поле вдоль магнитных линий, то из проделанного опыта следует, что направление магнитных линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике. Направление магнитных линий может быть определено с помощью магнитной стрелки. В магнитном поле ось магнитной стрелки располагается вдоль магнитной линии и северный конец стрелки указывает направление этой линии. Можно ввести и правило буравчика. Магнитное поле катушки с током. Пользуясь соленоидом (или прибором для демонстрации кругового тока, который можно рассматривать как широкую плоскую катушку), при помощи железных опилок убеждаются в том, что вокруг катушки с током есть магнитное поле, и наблюдают картину его магнитных линий. На ней достаточно хорошо видно, что магнитные линии внутри катушки можно считать параллельными друг другу. Направление магнитных линий, как и в случае прямого тока, определяется правилом буравчика. Поднеся к прибору магнитную стрелку, убеждаются, в том, что один торец катушки действует на стрелку как северный полюс магнита, другой - как южный. При изменении направления тока расположение полюсов изменяется. Отсюда делают вывод, что катушка с током действует на магнитную стрелку как магнит, расположение полюсов которого зависит от направления тока. Дальше показывают некоторые опыты, убеждающие в том, что катушка с током действительно является магнитом. Если в кабинете имеется катушка с достаточно большим числом витков, можно показать, как она без железного сердечника удерживает грозди мелких гвоздей. На этом уроке также можно показать усиление магнитного поля катушки железным сердечником. Сообщают учащимся, что это явление используют в электромагнитах, которые будут изучены на следующем уроке. Электромагниты. Закрепляя сведения о магнитном поле катушки с током и об усилении его железным сердечником, ставят вопрос о практическом применении этого явления. Сообщив, что такую катушку можно назвать электромагнитом, выясняют, является ли прямолинейная форма достаточно целесообразной для использования его при переноске железных и чугунных изделий. Учащиеся приходят к заключению, что для этой цели лучше использовать магнитное поле подковообразных или круглых электромагнитов, так как железо в этих случаях притягивается к обоим его полюсам. Далее демонстрируют переноску гвоздей от одного конца стола к другому. После этого выясняют, что для переноса предмета, не обладающего магнитными свойствами (показывают этот предмет), необходим железный якорь. Демонстрируют переноску немагнитных деталей при помощи якоря. Одним из применений электромагнитов является звонок. Учащимся по приведенному чертежу предлагают разобрать схему и объяснить действие звонка. Упражнение может УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 65 из 93 «11сентября»2013 г. быть предложено и в виде домашнего задания. При ответе ученик может воспользоваться схемой звонка, проецируя ее на экран. Кроме того, звонок полезнее показать в действии. Постоянные Магниты. Взаимодействие магнитов. Магнитное поле постоянных магнитов Ученики приходят в VIII класс с некоторыми сведениями о свойствах постоянных магнитов, которые они приобрели в начальной школе и из повседневных наблюдений. Поэтому, приведя в систему имеющиеся сведения, можно значительную часть урока посвятить самостоятельному наблюдению магнитных спектров. Учащиеся уже знают, как взаимодействуют между собой одноименные и разноименные полюсы, так как этим они уже пользовались при исследовании магнитного поля катушки с током, поэтому полезнее обратить внимание на объяснение причины взаимодействия полюсов. Для этого нужное показать действие друг на друга магнитов, находящихся на некотором расстоянии. Магнитное поле Земли. Урок можно провести таким образом. На демонстрационный стол ставят глобус, на котором в точках, соответствующих магнитным полюсам Земли, укрепляют бумажные флажки - синий на северном магнитном полюсе и красный - на южном. Учащимся предлагают прочитать часть параграфа о магнитных полюсах Земли и ответить на первые три вопроса для самоконтроля. Когда чтение закончено и учащиеся приготовили ответы на вопросы, учитель выслушивает их, показывает глобус с флажками и задерживает внимание класса на вопросе о том, почему магнитный полюс Земли, находящийся в северном полушарии, называют Южным. Дальше ученики знакомятся с материалом о магнитных бурях и магнитных аномалиях. В последующей беседе в классе можно выяснить, почему потоки заряженных частиц вызывают изменение магнитного поля Земли, т. е. магнитные бури. Силы, действующие на проводник с током в магнитном поле. Вращение рамки с током в магнитном поле Рассмотрение вопроса о силе, действующей на проводник с током в магнитном поле, расширяет представление учащихся о магнитном поле. Они узнают, что о наличии поля можно судить не только по его действию на магнитную стрелку, но и на проводник с током. Прежде всего, надо показать опыт по взаимодействию прямолинейного, проводника с током и магнитного поля подковообразного магнита. Гибкими проводниками, на которых укрепляют прямолинейный отрезок проводника, помещенный в магнитное поле подковообразного магнита, могут быть тонкие медные проводники, полоски елочного «дождя» или лента станиоля. В цепь следует также включить реостат, так как сопротивление этого участка мало и можно вывести из строя источник тока. Начиная демонстрацию, предложить учащимся внимательно проследить, как ведет себя проводник с током, помещенный в магнитное поле подковообразного магнита, и подумать о причинах явления. Замыкают цепь и наблюдают, что проводник приходит в движение. Изменяя направление тока и расположение магнитных полюсов, приходят к выводу, что направление силы, действующей на проводник, зависит от направления тока и расположения магнитных полюсов. Выясняют, какие преобразования энергии при этом происходят, и делают вывод, что электрическую энергию можно преобразовать в механическую. В каких УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 66 из 93 «11сентября»2013 г. устройствах происходит такое преобразование энергии? Большинство учащихся знает, что переход электрической энергии в механическую происходит в электрических двигателях. Показывают катушку и напоминают, что при пропускании тока на одной стороне образуется северный магнитный полюс, а на другой южный. Расположение полюсов зависит от направления тока. Для того чтобы оно стало другим, нужно изменить направление тока. Поместив катушку между полюсами магнита, как показано на рисунке, и не включая ток, задают вопрос: останется ли катушка, в покое, если замкнуть цепь? Проверяют высказанные учащимися предположения о том, что она повернется на 90° так, чтобы против северного полюса магнита оказался северный полюс катушки. Если катушка подвешена на резинке, она, после прекращения тока вернется в первоначальное положение. Выясняют, что происходит при изменении направления тока, и показывают, как в этом случае располагается катушка. Как же заставить ее повернуться еще раз в ту же сторону? Для этого нужно изменить направление тока. Правда, это надо сделать тогда, когда она по инерции повернется немного, дальше положения равновесия, иначе оба полюса катушки будут одинаково отталкиваться от полюсов магнита и она, не будет поворачиваться. Это учитель должен иметь в виду. Немного повернув катушку от положения равновесия, показывают, что происходит с ней при изменении направления тока. Ставят вопрос: можно ли придумать устройство, позволяющее вовремя автоматически изменять направление тока? Для объяснения действия коллектора удобно воспользоваться демонстрационным макетом, изображенным на рисунке. Чтобы удобнее было говорить о щетках и полукольцах, нужно около щеток поставить коробки (можно спичечные), помеченные знаком «+» и «—», и условно присоединить их к соответствующим полюсам источника тока, а на полукольца или на одно из них укрепить пластилином кусочек бумаги. Электродвигатель постоянного тока. Пользуясь представлением о рамке с током, вращающейся в магнитном поле, постепенно вместе с учащимися надо «сконструировать» двигатель. Дальше рассматривают роль пластинчатого коллектора, позволяющего получить равномерное вращение якоря. Затем переходят к получению магнитного поля при помощи электромагнита и демонстрируют в действии какой-нибудь мотор, например, универсальный двигатель, имеющийся в физических кабинетах. Его можно включить с реостатом, показав, как регулируют число его оборотов. В зависимости от обстановки, окружающей школу, учащиеся назовут известные им примеры использования электродвигателей, начиная с бытовых приборов (электробритвы, пылесосы, швейные машины, вентиляторы). Электромагнитная индукция. Рассказав о задаче, поставленной Фарадеем, показывают известные опыты, демонстрирующие явление. При демонстрации опыта с внесением магнита в катушку полезно нарисовать на доске магнит с магнитными УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 67 из 93 «11сентября»2013 г. линиями, тогда учащимся будет легче представить, что витки катушки пересекают силовые линии магнитного поля как при движении магнита, так и при движении катушки. Выясняют, что в этих опытах наблюдается переход механической энергии в электрическую. Этот переход используют для промышленного получения индукционного тока. Учащимся известно, что сейчас электрическую энергию применяют для освещения, на транспорте, для приведения в движение станков на заводах. Электрический ток необходим и для работы телевизоров, стиральных машин, холодильников и многих других устройств. Сообщают, что в подавляющем большинстве случаев этот ток является индукционным. Он вырабатывается на электрических станциях и передается, по проводам часто на большие расстояния к месту потребления. Учитель может сообщить, какие именно электростанции снабжают энергией тот населенный пункт, в котором находится школа. Генератор переменного тока. На этом уроке выясняют принцип работы генератора переменного тока и показывают, что ток, которым пользуются в быту, переменный. Обращают внимание учащихся на то, что для получения индукционного тока приводили в поступательное движение магнит или катушку. Для того чтобы ток был непрерывным, необходимо возвратно-поступательное движение. Но такой способ получения электрической энергии практически неудобен. Все известные нам тепловые и водяные двигатели вырабатывают механическую энергию в виде энергии вращения вала. Это движение и используют для промышленного получения индукционного тока. Полезно показать один или два опыта, которые убедят учащихся в том, что в школьной сети по проводам идет переменный ток. Выбор опытов зависит от имеющихся в кабинете приборов. Можно, например, показать, что при прохождении тока через раствор медного купороса медь не выделяется, несмотря на то, что маломощная лампочка, включенная в цепь последовательно с электролитической ванной, нагревается. На вопрос о том, почему лампа не мигает, следует, присоединив к магнитоэлектрической машине лампочку от карманного фонаря, показать, что при малой частоте тока она «мигает», а по мере увеличения частоты мигание перестает быть заметным. Сообщают, что у нас в сети частота переменного тока (т. е. число его полных изменений в секунду) равно 50, поэтому нить лампочки не успевает остывать. Опыт с пропусканием тока через раствор медного купороса полезен для расширения политехнического кругозора учащихся, так как из него можно сделать вывод, что переменный ток не пригоден также и для зарядки аккумуляторов, с которыми иногда приходится иметь дело в быту. На вопрос о том, можно ли для этой цели использовать осветительную сеть следует разъяснить, что можно получить ток одного направления, применяя специальные устройства, называемые выпрямителями. Распространение света. Следует показать, а если в воздухе класса взвешено много пылинок, то рассказать, что пучки света в чистом воздухе не видны, что мы видим лишь те предметы, которые освещены этим светом. Для демонстрации светового пучка можно, например, встряхнуть перед фонарем меловую тряпку. Образование тени и полутени следует показать как явление, которое объясняется прямолинейностью распространения света. Полезно также показать, что при одном и том же источнике света увеличение расстояния УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 68 из 93 «11сентября»2013 г. уменьшает область полутени. Это дает возможность начать формирование представлений об относительности понятия точечного источника света и подводит к понятию материальной точки. В связи с получением тени и полутени рассматривают солнечные и лунные затмения. Можно не делать чертеж и ограничиться демонстрацией. Параллельный пучок лучей от фонаря посылают на большой глобус, изображающий Землю. Между «Солнцем» (фонарем) и «Землей» учитель помещает шарик, подвешенный на нити, «Луну». Положение «Луны» надо выбрать так, чтобы на глобусе можно было рассмотреть полную тень и полутени. В тех местах Земли, на которые падает полная тень, Солнца совсем не видно. В области полутени видна только та часть Солнца, от которой в данную точку доходит свет. При движении шарика вокруг глобуса видно, как перемещаются области, в которых наблюдается как полное, так и частное затмения. На естественный вопрос учащихся, почему затмения не наблюдаются ежемесячно, надо на модели показать, что Луна и Земля вращаются не в одной плоскости, т. е. что шарик может оказаться выше или ниже глобуса, так, что тень от него на «Землю» не упадет. Помещая шарик в тень глобуса, можно объяснить явление лунного затмения. Полезно обратить внимание учащихся на то, что поскольку Солнце - источник света, то и во время затмения в тех точках Земли, на которые не попала тень, его видно, как обычно. Луна же не является самостоятельным источником света, и ее можно видеть только тогда, когда она освещена Солнцем, поэтому если она попала в тень Земли, то Солнцем не освещается и ее не видно на всей Земле. Интересен вопрос о получении изображения с помощью малых отверстий. Он дает возможность наиболее доступным образом объяснить образование светового рисунка, что впоследствии позволит учащимся лучше понять получение изображений от линз и зеркал. Поместив источник света в непрозрачную камеру с маленьким отверстием (пластинка с отверстиями должна быть съемной или передвижной, чтобы можно было исследовать зависимость изображения от формы и величины отверстия), ставят перед учащимися вопрос: какие участки экрана будут освещены? Перед демонстрацией привлекают их внимание к расположению нити. Источником света может быть лампа накаливания, но желательно подобрать нить такой формы, чтобы сразу было заметно, что изображение получилось обратным. Если лампа очень яркая, ее нить можно показать через фильтр или на это время уменьшить напряжение, восстановив его к началу демонстрации действия камеры. Выясняют (см. приведенный ниже рисунок), какие участки экрана будут освещены, учитывая, что свет распространяется прямолинейно и попадает на него только через отверстие. Каждая точка источника света освещает светлое пятнышко, имеющее форму отверстия, поэтому на экране из этих пятнышек возникает световой рисунок, перевернутый по отношению к предмету. Закончив рассуждения, проверяют их на опыте. Отражение света. В этой теме можно поставить несколько практических работ с изображениями в плоских зеркалах. Для них следует приготовить по одному прозрачному зеркалу (кусочку оконного стекла), по два непрозрачных зеркала размером примерно 5x8 см. Чтобы учащиеся не порезались об острые края стекол, их торцы следует прокрасить масляной краской. Кроме того, нужны источники света по УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 69 из 93 «11сентября»2013 г. два на каждую работу: лампочки от карманного фонаря на подставке или свечки. Полезно ознакомить учащихся с равенством углов отражения и падения, а также с принципом построения изображения в плоском зеркале. Изучение темы можно начать с традиционного опыта по отражению одиночного светового пучка от плоского зеркала. Обратив внимание учащихся на равенство углов отражения и падения, подчеркнуть, что для изменения направления луча на 90° нужно расположить зеркало под углом 45° к падающему лучу. Вопрос о направлении, в котором мы видим изображение, и о его месте труден для понимания, поэтому имеет смысл спросить учащихся: как при помощи зеркал увидеть то, что находится за непрозрачным предметом? После этого можно провести практическую работу по составлению перископа из двух зеркал, сообщив, что такой прибор позволяет подводникам, находящимся на погруженной подводной лодке, вести наблюдения на поверхности. Желающим можно предложить изготовить дома самодельный перископ. Можно проделать упражнения с зеркалами, построив изображение наклонного предмета в вертикальном зеркале и вертикально стоящего предмета в наклонном зеркале: Эти упражнения имеет смысл выполнить, чтобы учащиеся закрепили изученные правила и, самое главное, опытным путем проверили результаты, которые они предполагали получить из теоретических соображений Большой интерес вызывает получение многократных изображений от двух зеркал, расположенных под различными углами друг к другу. Число изображений, которые должны увидеть учащиеся, учитель может проверить, пользуясь такой формулой: n 360 где п - число изображении, α — угол между зеркалами. Таким образом, при угле 90° учащиеся видят 3 изображения, при угле60°-5, 45°-7,36°-9,30°-11. Сначала, не раздавая зеркал, спрашивают учащихся, что они увидят, если источник света будет отражаться от двух зеркал, поставленных под углом друг к другу. Обсудив высказанные мнения, предлагают проверить их на опыте. Имея зеркала, транспортиры и источники света, учащиеся получают конкретные задания: подсчитать число изображений при углах 90; 60; 45; 36 и 30°. После опытов с отражением света от зеркальных поверхностей следует сравнить зеркальное отражение с рассеянным. Направив несколько параллельных пучков света на плоское зеркало, укрепленное на оптической шайбе, выясняют, что они остаются параллельными и после отражения. Взяв плоскую хорошо отполированную металлическую линейку и направив на нее пучок параллельных лучей, показывают на УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 70 из 93 «11сентября»2013 г. оптической шайбе, что лучи после отражения остаются параллельными. Изогнув линейку, демонстрируют, что она становится собирающим или рассеивающим зеркалом и, что положение точки, в которой лучи пересекаются после отражения (фокус), зависит от того, как изогнуто зеркало, получается ли при этом часть шара с большим или меньшим радиусом. При ознакомлении с вогнутым зеркалом можно рассказать об использовании его в прожекторе. Показывают, что маленькой лампочкой, например, от карманного фонаря, не удается с демонстрационного стола осветить портрет на противоположной стене класса, так как свет распространяется по всем направлениям и на портрет падает только небольшая доля всей энергии, излучаемой лампочкой. Портрет будет хорошо освещен, если источник света поместить в фокус вогнутого зеркала. Тогда свет пойдет только в одном направлении (стены класса освещаться не будут) и его энергии хватит, чтобы осветить портрет. Взаимное расположение лампочки и зеркала подбирают опытным путем во время демонстрации. Полезно обратить внимание учащихся на следующий пример: водители автобусов и автомобилей с помощью выпуклого зеркала, обращенного назад, видят догоняющие их автомашины и могут не опасаться неожиданного обгона. Выпуклые зеркала устанавливают также на некоторых перекрестках улиц. Преломление света. Показать явление изменения направления распространения света на границе двух сред можно при помощи оптической шайбы. На основе этих наблюдений делают вывод о том, что луч света при переходе из воздуха в стекло или в воду приближается к перпендикуляру, а при переходе в воздух удаляется от него, и рассматривают несколько примеров. Рассказ о линзах можно начать с демонстрации на оптической шайбе действия линзы на пучок параллельных лучей. Так как приходится знакомить учащихся с применением очков, следует показать как собирающую, так и рассеивающую линзы. Колба с водой (графин) является довольно сильной собирающей линзой, которая может даже зажечь бумагу. Именно этим свойством водяных шаров и объясняются ожоги листьев растений под каплями воды, о чем следует сообщить учащимся. Для построения изображения достаточно знать, как идут после преломления лучи, падающие параллельно главной оптической оси и проходящие через фокус. После этого следует рассмотреть вопрос о практическом использовании действительных изображений в фотоаппарате и проекционном фонаре. Глаз и зрение. Цвета тел. Вопрос о глазе и зрении надо использовать для знакомства учащихся с некоторыми вопросами гигиены зрения и с назначением очков. Чтобы учащиеся получили представление о строении глаза, можно воспользоваться таблицей и моделью глаза, которые имеются обычно в биологических кабинетах. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 71 из 93 «11сентября»2013 г. Необходимо остановиться на роли в процессе зрения сетчатки- светочувствительного слоя, на котором получается действительное изображение, зрачка, хрусталика и его свойстве изменять кривизну. Кроме того, можно заинтересовать учащихся сведениями о бинокулярном зрении и весьма эффектными опытами, основанными на сохранении зрительного ощущения. Обычно учащиеся бывают крайне удивлены, узнав, что на сетчатке получается обратное изображение. Некоторым из них иногда, приходит в голову мысль, что глаза дают нам превратное представление о мире. Следует рассказать, что в результате процессов, происходящих в мозгу, мы все окружающее нас воспринимаем в прямом виде. В книге И. Д. Артамонова «Иллюзии зрения» есть весьма интересные сведения, с которыми полезно ознакомиться учителю: «Еще в начале 20-х годов американец А. Стрэтон и в 1961г. профессор Калифорнийского института, доктор Ирвин Муд поставили на себе интересный эксперимент. В частности, И. Муд надел плотно прилегающие к лицу специальные очки, через которые видел все так, как на матовом стекле фотоаппарата. Несколько дней он, проходя десятки шагов, ощущал симптомы морской болезни, путал левую сторону с правой, верх и низ. А потом, хотя очки попрежнему были перед глазами, снова увидел все таким, каким видят все люди. Ученый снова, обрел свободу движений и способность к быстрой ориентировке. В своих очках он проехал на мотоцикле по самым оживленным улицам Лос-Анджелеса, водил автомобиль, пилотировал самолет. А затем Муд снял очки - и мир вокруг него опять перевернулся. Пришлось ждать еще несколько дней, пока все вошло в норму. Эксперимент еще раз подтвердил, что воспринимаемые зрением образы попадают в мозг не такими, какими их передает на сетчатку оптическая система глаза. Зрение - это сложный психологический процесс, зрительные впечатления согласуются с сигналами, получаемыми другими органами чувств. Требуется время, прежде чем вся эта сложная система настроится и начнет функционировать нормально». Далее следует остановиться на роли зрачка, который сужается при ярком свете и расширяется при уменьшении освещенности. Чтобы побудить учащихся к наблюдениям за окружающим их миром, полезно предложить им проследить за изменением размеров и формы зрачка у домашних животных и выяснить, какую роль эта особенность зрачка играет в жизни животных, которые могут охотиться в темноте. Наиболее доступным объектом наблюдения является кошка, зрачок которой изменяется в широких пределах. Кроме изменения размеров зрачка, в глазу при изменении освещенности происходят и другие процессы, поэтому, чтобы глаз приспособился к темноте или к яркому свету, требуется некоторое время. Учащиеся знают, что когда они входят в затемненный зал кинотеатра, то первое время почти ничего не видят, тогда как билетеры свободно ориентируются в этом зале. Быстрое изменение освещенности вредно для зрения, и учащиеся должны об этом знать. Действительное изображение на сетчатке получается в результате совместного действия всех преломляющих сред глаза, в том числе и хрусталика, поэтому следует избегать выражения «хрусталик дает изображение...» Хрусталик, изменяя кривизну (т.е. оптическую силу), дает лишь возможность получать отчетливое изображение на сетчатке как удаленных предметов, так и близких. Чтобы ознакомить учащихся с аккомодацией, можно им предложить посмотреть в окно на какой-нибудь удаленный объект. Если он отчетливо виден, описать детали оконного переплета они не могут. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 72 из 93 «11сентября»2013 г. Если предложить рассмотреть какую-нибудь деталь оконной рамы, изображение пейзажа за окном получится размытым. Учащимся будет интересно узнать, что у рыб хрусталик шарообразный. Но шарообразный хрусталик не может аккомодировать путем изменения его кривизны, в связи с этим аккомодация у рыб осуществляется приближением и удалением хрусталика от сетчатки, т.е. так, как производится установка на «фокус» в фотоаппаратах. Действие лупы можно объяснить, не прибегая к мнимому изображению. В этом случае просто сообщают, что для рассматривания мелких деталей предмета нужно увеличить его изображение на сетчатке. Если учитель считает нужным рассказать, что размеры изображения на сетчатке связаны с углом зрения, то полезно сообщить учащимся, что предметы, которые мы видим под одинаковыми углами зрения, кажутся нам одинаковыми по величине. Так, например, мы видим под одинаковыми углами зрения Солнце, Луну и десятикопеечную монету на вытянутой руке. Желающие могут в этом убедиться, закрыв монетой диск Луны. Что же касается видимых размеров Солнца, то убедиться в том, что они меньше, чем нам кажется, можно, посмотрев на него в сильно закопченное стекло. Дело в том, что яркие предметы нам кажутся больше, чем на самом деле, из-за явления иррадиации, когда сильное раздражение окончаний зрительного нерва, на которых оказалось яркое изображение, передается соседним участкам сетчатки. Можно также сообщить, что звезды нам кажутся яркими точками потому, что из-за больших расстояний мы их видим под очень малыми углами зрения. Если учащихся познакомили с углом зрения, то им можно сообщить, что для увеличения размеров изображения на сетчатке нужно увеличить угол зрения, а для этого уменьшают расстояние от глаза до рассматриваемого предмета. Если это не сделано, то надо просто сказать, что чем ближе находится рассматриваемый предмет, тем больше его изображение в глазу. Это утверждение кажется учащимся вполне убедительным. Выяснению сущности близорукости и дальнозоркости и роли очков помогает демонстрация модели глаза. Учащиеся должны знать, что близорукость и дальнозоркость могут быть не только врожденными, но и приобретенными. Особенно это относится к близорукости, так как она часто развивается в юношеском возрасте, когда из-за недостаточной освещенности или вследствие плохой привычки при чтении подносят книгу близко к глазам. Поэтому вредно читать при недостаточном освещении. Следует также знать, что вредно смотреть на яркие источники света - на Солнце, пламя от электросварки, мощные лампы, что нужно применять рассеивающие абажуры и плафоны. Полезно рассказать и о том, что с возрастом способность глаза изменять кривизну хрусталика уменьшается, поэтому развивается дальнозоркость. Переходя к вопросу о составе белого света, нужно, кроме оптической скамьи и призмы, подготовить собирающую линзу, цветные обрезки лент или другой материи, красочные картинки, светофильтры. Чтобы привлечь внимание учащихся, показывают им набор цветных предметов и спрашивают: почему так разнообразна окраска тел, несмотря на то, что они освещаются одним и тем же светом? Спроецировав на экран четкое изображение щели, ставят на пути светового пучка призму (лучше прямого зрения). Основываясь на опыте, делают вывод: белый свет - сложный. Пучки, входящие в его состав, в воздухе шли по одному пути, а в призме они преломились, т.е. изменили направление, причем больше всех отклонился фиолетовый, меньше красный, а остальные расположились между ними. Поставив между призмой и эк УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 73 из 93 «11сентября»2013 г. раном собирающую линзу и подобрав соответствующим образом ее положение, получают на экране опять полоску белого света. Хороший результат дает применение лупы с фокусным расстоянием примерно 13,5 см. Помещая в разные части спектра цветные ленты, приходят к выводу, что белая поверхность отражает все падающие на нее пучки, черная - все поглощает, красная - отражает красные, зеленая - зеленые и т. д. Не занимаясь подробно вопросом о цветовом зрении, все-таки следует знать, что существует дальтонизм, так как с этим явлением они могут столкнуться на практике. При дальтонизме нервные окончания сетчатки не реагируют на красный, или зеленый, или голубой цвета. Чаще всего встречается слепота на красный свет. Такие люди не различают дорожные сигналы и не могут работать на транспорте. Очень важно, чтобы учащиеся узнали, что за границей видимого спектра есть невидимый свет, который может быть обнаружен по его действию на тела. Инфракрасное излучение обнаруживается по тепловому действию на электрический термометр, ультрафиолетовое- по действию на люминесцирующий экран или на фотобумагу. С инфракрасным излучением учащиеся знакомы из повседневного опыта: это то излучение, которое дают нагретые тела - горячая печь, утюг и т.п. Можно привести пример о том, что лампы накаливания, которые служат для освещения, излучают не столько видимый свет, сколько инфракрасный. Из-за этого у ламп накаливания ничтожно малый коэффициент полезного действия (до 4%). Ультрафиолетовое излучение производит сильное физиологическое действие: вызывает «загар», убивает бактерии (поэтому солнечные помещения «здоровее», чем затемненные), оказывает вредное действие на сетчатку глаза, поэтому нельзя смотреть без темных очков на Солнце и электрическую дугу. В небольшом количестве оно полезно для человека. Мы получаем ультрафиолетовое излучение от Солнца. Рассказывая об инфракрасном излучении, надо остановиться и на его практическом применении, например на фотографировании предметов в темноте и в тумане. Большой интерес учащихся вызывают сведения о зрении двумя глазами и о сохранении зрительного ощущения. При зрении двумя глазами на сетчатке правого и левого глаза получаются два различных изображения. Чем больше различие между изображениями, тем рельефней нам кажется наблюдаемый пейзаж. Поскольку это различие уменьшается при увеличении расстояния, то удаленные пейзажи нам представляются плоскими. Если смотреть на лес, который находится далеко от нас, а перед лесом расположена деревня, то обычно кажется, что деревня стоит на опушке леса. При приближении к деревне лес отодвигается и становится ясно, что до него еще далеко. По той же причине мы видим все звезды одинаково удаленными от Земли. Расстояние между глазами мало, поэтому при рассматривании пейзажа, отстоящего от наблюдателя больше чем на 500м, пропадает ощущение рельефности, так как изображения в обоих глазах становятся одинаковыми. Если воспользоваться системой зеркал, то объект, до которого больше 500м, наблюдатель воспринимает как более рельефный. Эффект получается таким, как если бы расстояние между глазами стало не АВ, как на самом деле, а А1 В1. Подобные приспособления применяются в военной технике, например в полевых биноклях. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 74 из 93 «11сентября»2013 г. Инерционность зрения иллюстрируется простыми, но весьма эффектными опытами. Здесь описано несколько опытов, из которых учитель может отобрать наиболее подходящие в условиях данной школы. При обычной освещенности зрительные ощущения, получаемые глазом, сохраняются приблизительно в течение 0,1 с, т.е. мы продолжаем видеть предмет еще в течение 0,1с после того, как свет от него перестает попадать в глаз. Чаще всего это свойство глаза демонстрируют при помощи простого опыта. Берут лист картона и рисуют на одной его стороне, например, птичку, а ни другой - клетку. К верхнему и нижнему концам картона прикрепляют веревки. Если взять веревки за концы, закрутить их в одну сторону и натянуть, то они будут раскручиваться и вращать картон. При этом кажется, что птица находится в клетке. Можно придумать различные варианты этого опыта и демонстрировать их с помощью центробежной машины. Вторая группа опытов демонстрирует возникновение иллюзии движения при последовательном показе неподвижных рисунков: кажется, что глаза мальчика перемещаются, волосы встают дыбом, брови то поднимаются, то опускаются и т. п. Это явление лежит в основе кинематографа. Киносъемочный аппарат делает с движущихся объектов 24 снимка в секунду так, что между последовательными снимками разница невелика. При демонстрации кинокартины каждую секунду показывают 24 неподвижных кадра, потом перекрывают окно проектора особым экраном (обтюратором) и меняют кадр. Мы в это время сидим в темноте и продолжаем видеть только что продемонстрированный кадр до тех пор, пока на экране появится следующий. Благодаря инерционности зрения мы видим непрерывное движение. В начале развития кинематографа делали только 16 снимков в секунду. Когда показывают старые документальные фильмы, иллюзии плавного движения не получается. Фигуры на экране «дергаются». На учащихся производят сильное впечатление иллюзии при освещении прерывистым светом диска, изображенного на рисунке. Для получения прерывистого света можно использовать кинопроектор или электронный стробоскоп. Проще всего воспользоваться кругом с вырезанным сектором, установив его на моторе (число оборотов которого можно регулировать реостатом) или на центробежной машине. Подбирая число оборотов диска или число перерывов света в секунду, можно добиться эффекта, при котором одно кольцо кажется остановившимся, второе вращающимся по часовой стрелке, третье - против часовой стрелки. При изменении числа оборотов неподвижным будет казаться другое кольцо и направление вращения колец изменяется. Хорошие результаты получаются при следующих размерах: R1=4 CM; R2=8 CM; R3=12 см. Для объяснения этого явления можно воспользоваться диском, разделенным на секторы. Расположив один из них вертикально, следует спросить учащихся, что они будут наблюдать, если за промежуток времени между двумя последовательными вспышками место этого сектора займет следующий сектор. Ученики говорят, что диск будет казаться неподвижным. Таким же образом нужно разобрать с ними, какое положение должен занять следующий сектор к моменту очередной вспышки, чтобы казалось, что диск вращается по часовой стрелке или в противоположном направлении. УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от «11сентября»2013 г. Страница 75 из 93 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ Тема: «Методика проведения фронтальных лабораторных работ в школе. Подготовка и проведение экскурсии, наблюдения по физике» Ознакомиться с технологией проведения фронтальных лабораторных работ, подготовить описание комплектов к ним. Разработать план, цели, задачи экскурсии по физике. Тема: «Применение компьютерных технологий, моделей в школьном физическом эксперименте» Выполнение и оформление виртуальных лабораторных работ, разработка фрагмента урока с использованием компьютерных технологий. Тема: «Методика выполнения лабораторных работ по механике» Выполнение и оформление лабораторных работ: «Определение цены деления цилиндра (мензурки). Измерение объема тела», «Определение массы и плотности твердого тела», «Измерение малых тел», «Изучение упругой деформации», «Проверка условий плавания тел в жидкости», «Проверка закона Архимеда», «Определение условия равновесия рычага», «Определение работы, совершаемой при равномерном поднятии тела» «Определение КПД наклонной плоскости», «Определение ускорения свободного падения с помощью математического маятника», «Исследование зависимости дальности полета тела от угла бросания», «Определение скорости распространения волны на воде», «Сравнение работы силы упругости с изменением кинетической энергии тела» Тема: «Методика выполнения лабораторных работ по молекулярной физике» Выполнение и оформление лабораторных работ: «Сравнение количества теплоты при смешивании воды разной температуры», «Определение удельной теплоты плавления льда», «Сравнение молярных теплоемкостей металлов», «Измерение поверхностного натяжения воды методами отрыва капель и поднятия жидкости в капилляре» Тема: «Методика выполнения лабораторных работ по электродинамике» Выполнение и оформление лабораторных работ: «Изучение смешанного соединения проводников», «Проверка закона Ома для участка цепи», «Изучение последовательного и параллельного соединения проводников», «Изучение закона Ома для участка цепи», «Сборка электрической цепи и измерение силы тока и напряжения на различных ее участках» Тема: «Методика выполнения лабораторных работ по электричеству и магнетизму» Выполнение и оформление лабораторных работ: «Измерение работы и мощности электрического тока», «Определение ЭДС источника тока и его внутреннего сопротивления», «Изучение свойств постоянного магнита и получение изображений магнитных полей», «Изучение явления электромагнитной индукции», «Сборка электромагнита и проверка его в действии» Тема: «Методика выполнения лабораторных работ по оптике» Выполнение и оформление лабораторных работ: «Определение фокусного расстояния и оптической силы собирающей линзы», «Определение показателя преломления воды», «Определение показателя преломления стекла с помощью плоскопараллельных пластин», «Наблюдение интерференции и дифракции света», «Определение длины УМКД 042-18-38.1.88/01-2013 Редакция № 1 от Страница 76 из 93 «11сентября»2013 г. световой волны с помощью дифракционной решетки», «Изучение треков заряженных частиц».