Особенности электродинамики как раздела школьного курса физики

Школьный курс электродинамики отличается абстрактностью и сложностью учебного материала, поэтому значительное внима­ние в ее преподавании следует уделить наглядности: физический эксперимент, аналогии и модельные представления, включая мо­дели на ЭВМ, экранные пособия, схемы, чертежи, таблицы и т. п.

Ведущая роль в преподавании физики отводится физическому эксперименту. Не исключение и раздел «Электродинамика». Особое внимание здесь уделяют фундаментальным физическим опытам, ко­торые как в науке, так и в обучении считаются основополагающими. В данном разделе фундаментальных опытов очень много. В средней школе есть возможность рассмотреть лишь часть из них — именно те, которые являются основополагающими в различных вопросах электродинамики.

В первую очередь это следующие опыты:

1. опыт Кулона по установлению зависимости силы взаимодействия двух электрических зарядов от модуля этих зарядов и расстояния между ними;
2. опыт Эрстеда по обнаружению действия электрического тока на магнитную стрелку;
3. опыт Ампера по взаимодействию параллельных токов;
4. опыты Ома, вскрывающие характер зави­симости между силой тока и напряжением;
5. опыты Фарадея по электромагнитной индукции;
6. опыт Герца по получению, обна­ружению и выяснению свойств электромагнитных волн;
7. опыт Рикке по выяснению природы носителей тока в металлах;
8. опыты Толмена и Стюарта, Мандельштама и Папалекси, доказывающие электронную проводимость металлов;
9. опыты Милликена и Иоффе, подтвердившие атомистическое строение электричества и позволившие измерить элементарный электрический заряд;
10. опыты Майкельсона и Морли, в которых не были обнаружены преимущества системы отсчета;
11. опыты Ремера, Физо и других ученых по измерению скорости света;
12. опыты Юнга, обнаружив­шие волновые свойства света и т.д. Как видно, число этих фунда­ментальных для электродинамики опытов достаточно велико.

Некоторые из перечисленных фундаментальных опытов (напри­мер, опыты Иоффе и Милликена) в школе не демонстрируют, их лишь разъясняют и иллюстрируют с помощью рисунков. Другие (например, опыты Фарадея по электромагнитной индукции) де­монстрируют, но в существенно измененном виде с использовани­ем современного школьного оборудования. Поэтому у школьни­ков может создаться впечатление простоты и легкости решения соответствующих научных проблем. Отсюда вывод: воспроизводя фундаментальные опыты с помощью школьного оборудования, необходимо сообщить о тех трудностях, с которыми сталкивались ученые на самом деле и как их преодолевали.

Кроме фундаментальных опытов, при изучении электродина­мики следует показать и другие, например опыты, служащие для введения основных физических понятий, опыты, раскрывающие суть электродинамики (относительность деления полей на элек­трическое и магнитное, одновременное существование электриче­ского и магнитного полей движущегося электрического заряда и др.), а также опыты, с помощью которых устанавливают количе­ственные зависимости между величинами. Принципиально важно то, что механизм процессов, происходящих в опытах по электро­динамике, нельзя наблюдать непосредственно — он формируется не на макро-, а на микроуровне. Физический эксперимент иллю­стрирует лишь действия электрических зарядов (токов), а сами заряды (токи) непосредственно не наблюдаются. В связи с этим большую пользу в усвоении физической сути явлений оказывают модели и аналогии, мысленный эксперимент.

При изучении основ электродинамики применяют следующие модели: свободный электрон; модель электронного газа; модель проводника и диэлектрика (на основе представлений о свободных электронах); зонная модель проводника, диэлектрика, полупро­водника. Наиболее простыми для восприятия являются матери­альные модели. Но при изучении электродинамики в основном применяются не материальные модели, а мысленные модели, для восприятия которых необходим определенный уровень абстракт­ного мышления учащихся.

При изучении электромагнитных явлений можно широко при­менять и аналогии: между гравитационным и электростатическим полями; между электрическим током и потоком жидкости; между явлением самоиндукции и инерции; между явлением термоэлект­ронной эмиссии и испарением жидкости и др. В ряде случаев для повышения наглядности обучения можно использовать матери­альные модели-аналогии. В электродинамике это, главным обра­зом, функциональные модели-аналогии:

а) механическая модель для разъяснения про­цессов, происходящих в электрической цепи (рисунок).

В этой модели скатывание шарика вниз под действием силы тяжести аналогично пере­мещению электрических зарядов во внешней цепи под действием сил электрического поля. Работа, совершаемая для подъема шарика по наклонной плоскости, аналогична работе сторонних сил в источнике тока;

б) механическая модель инерционного движения электронов для объяснения опытов Стюарта и Толмена, Мандельштампа и Папалекси, которыми было доказано, что электрический ток в металлах представляет собой движение электронов.

При изучении электромагнитных волн используют модели ра­диоприемника, линии радиотелеграфной и радиотелефонной связи, модель распространения электромагнитных волн и передачи ин­формации на расстояние.

Следует отметить, что аналогии лишь частично отражают сходство данного явления или понятия с изученным материалом, В модели вносят те или иные упрощения в поведение материаль­ных объектов.

В тех случаях, когда реальный эксперимент провести невоз­можно, используют мысленный эксперимент. Например, он имеет место при рассмотрении взаимодействия заряженных тел в различных системах отсчета, при изучении постулатов специальной теории относительности и следствий из нее.

Наряду с физическим и мысленным экспериментом, использо­ванием моделей и аналогий, в учебном процессе целесообразно постоянно обращаться к ЭВМ и к экранным пособиям.

Еще одна особенность раздела «Электродинамика» — его на­сыщенность мировоззренческим и политехническим материалом. Необходимо так организовать работу учащихся, чтобы они глубоко и прочно усвоили материал. Целесообразно осветить роль в развитии физики и техники таких ученых, как А. Ампер, М. Фарадей, Дж. К. Максвелл, Ш. Кулон, М. В. Ломоносов, Э. Ленц, А. Г. Сто­летов, Я.И.Френкель, Л.Д.Ландау, П.Н.Лебедев, А.С.Попов, Г. Герц, А.Эйнштейн, Т. Юнг, А.Ф.Иоффе, Н. Д. Папалекси, Л. И. Мандельштам и др.

• Электродинамика