Законы сохранения в электродинамике и методика преподавания этой темы в школьном курсе физики.

Содержание
Введение
Глава 1. Законы сохранения в электродинамике
1.1. Закон сохранения электрического заряда
1.2. Закон сохранения импульса
Глава 2. Закон сохранения электрического заряда (методика преподавания)
2.1. Методика преподавания в школе
2.2. Урок «Электрический заряд, закон сохранения электрического заряда»
Заключение
Литература

Сосуд с водой; Взаимодействие палочки с водой.
Заряженная палочка и гильза.
Заряженная палочка и султанчик.
Почему гильза сначала притягивается, а потом отталкивается? /опыт/
На доске:
Электризация тел
Трение Соприкосновение
Существует два вида эл. зарядов - положительный и отрицательный.
Что принято за положительный заряд?
Что принято за отрицательный заряд?
Как взаимодействуют между собой одноименные заряды? Разноименные заряды?
Опыт: 2 палочки заряжены одноименно, разноименно; 2 эл. султанчика и "Разряд".
Точного определения эл. заряда не существует, поэтому рассмотрим основные понятия.
Под запись (25, с.17):
Электрический заряд - физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия.
Величина заряда является мерой некоторых частиц и эл. Свойств тел, подобно тому, как масса является мерой инертности.
Эл. заряды связаны с эл. полями, посредством которых осуществляется взаимодействие заряженных тел.
Существует наименьшая величина эл.заряда равная заряду электрона или протона. Меньшего по величине заряда в природе не обнаружено. Заряд тел может быть только в целое число раз больше заряда электрона - свойство дискретности.
Эл. заряд -q (7, с.91)
1,6*10-19Кл=q=e - заряд электрона, является естественным эталоном электрических зарядов, называют его элементарным электрическим зарядом.
9,1*10-31кг=me - масса электрона
Опыт с электрометром.
Вспомните! Строение атома. (В центре <+> ядро, вокруг на орбитах электроны - ) При трении и соприкосновении электроны с дальних орбит могу переходить на другое тело.
Пример Эбонитовая палочка, потертая о сукно, получила заряд. Как изменилась ее масса? (Избыток электронов)
Задача (3, с.103) При электризации трением стеклянная палочка получила заряд 8*10-5 Кл. Как изменилась ее масса?
Так как при электризации палочка теряет электроны, то ее масса.
q=8*10-5 Кл
1.Определим число электронов, которые потеряла палочка n=q/q0
q0=1,6*10-19 Кл
2.Определим m m=n*me m=me*q/q0
me=9,1*10-31кг m=(Кл/Кл)кг=кг
m=(8*10-5*9,1*10-31)/1,6*10-19=4,6*10-16 (кг)
Ответ:4,6*10-16 кг.
Куда же исчезли электроны?
Под запись (8, с.134): Закон сохранения эл.заряда:
Что нужно знать о законе?
Понятия, связь между которыми устанавливает данный закон.
Формулировки закона.
Математические выражения закона.
Границы и условия применимости закона.
Кем, когда и каким образом был открыт данный закон.
Опытные факты, подтверждающие справедливость закона.
Примеры проявления закона в природе.
Примеры использования и учета закона на практике.
Закон сохранения электрического заряда также является одним из фундаментальных законов природы, он справедлив во всех явлениях и процессах, протекающих в природе или создаваемых человеком, связанных с перераспределением электрических зарядов. Он также является одним из подтверждений принципа несотворимости и неуничтожимости движущейся материи. Однако в некоторых учебниках по химии порой не учитывается значение этого закона, часто он нигде не упоминается, хотя, поскольку химические реакции сводятся к перераспределению электронов между частицами реагирующих веществ, вся химия является сферой применения этого закона. Заметим, что и в учебнике физики этому закону также уделяется недостаточное внимание. Как следствие, многие часто ставят его в один ряд с различными частными законами, не принимая в расчет его фундаментальный характер.
Напомним, что электрический заряд - одна из основных характеристик материальных объектов, величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц; источник электромагнитного поля. Существуют электрические заряды двух видов, условно называемых положительными и отрицательными. Электрический заряд дискретен. Существует элементарный электрический заряд e. Носителями электрического заряда могут быть, например, электроны (в металлах), ионы (в жидкостях и газах). Единицей измерения электрического заряда СИ является 1 Кулон (1 Кл).
Алгебраическая сумма электрических зарядов любой электрически изолированной системы остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы (4, с.24).
Математически эту формулировку можно выразить, например, следующим образом (8, с.93):
Q = ( qi = const,
где Q - полный электрический заряд системы тел или частиц, а qi - электрический заряд i - части системы. Знак ( означает суммирование по индексу i от 1 до N, если N - число частей системы. Возможны и другие формы записи. В этих обозначениях qi = Z e, где e - элементарный электрический заряд, а Z - целое число (любой заряд кратен элементарному).
Если рассматривать поток заряженных частиц (электрический ток), проходящий со скоростью v через малую площадку S перпендикулярно площадке, то
( v S = const
где ( - объемная плотность электрического заряда.
В электрически изолированных системах закон действует без ограничений. Науке не известно ни одного случая нарушения данного закона. Если же система не является электрически изолированной, то изменение электрического заряда системы равно изменению заряда взаимодействующих с ней тел или частиц.
Строгое экспериментальное обоснование закона сохранения электрического заряда было дано в 1843 году Майклом Фарадеем. Закон был открыт им на основе анализа опытных фактов. Однако среди блестящих научных открытий М.Фарадея в электродинамике его скромные опыты по изучению сохранения электрического заряда оказались незамеченными и не получили широкой известности. Следует отметить здесь еще и тот факт, что Фарадей говорил о сохранении некой «электрической силы», а не о сохранении электрического заряда, т.к. четкого понятия «электрический заряд» (6, с.138) в то время еще не существовало.
Впервые ясное утверждение о том, что электричество нельзя ни создать, ни уничтожить, встречается у Дж.Максвелла (6, с.138). Он также дал современную формулировку и понимание этого закона. Но все же появление в науке этого закона не вызвало того ажиотажа, который вызвали законы сохранения массы и энергии. Дело в том, что электричество в то время рассматривали как особую несжимаемую «жидкость», поэтому сохранение «количества этой жидкости» принималось как само собой разумеющийся факт.
Закон сохранения электрического заряда был экспериментально проверен М. Фарадеем в опытах по изучению явления электростатической индукции, которым он посвятил много сил и времени. Вначале он интересовался исключительно качественной стороной проблемы, но затем перешел к количественным исследованиям.
На основании своих опытов Фарадей сделал вывод о сохранении наблюдаемых им «электрических сил» (6, с.138).
Закон сохранения электрического заряда справедлив во всех явлениях, протекающих в природе и создаваемых человеком: электризация, ионизация, электролитическая диссоциация, электролиз, электростатическая индукция, поляризация диэлектриков, пьезоэлектрический эффект, процессы взаимодействий и взаимопревращений элементарных частиц, биохимические процессы дыхания, брожения, фотосинтеза и т.д.
Этот закон является одним из основополагающих законов физики и химии.
Его применяют для объяснения различных природных явлений, при проектировании различных технологических процессов, при расчетах электрических приборов и установок.
Он является одним из фундаментальных законов электротехники, электроники, с его использованием в явном или неявном виде решаются многие задачи современной науки и техники.
Электрометаллургия, изготовление красителей и лекарств - анализ всех этих процессов приводит к необходимости учета того, сколько электронов отдал или принял каждый участвующий в реакции атом.
В соответствии с законом сохранения электрического заряда записываются все уравнения химических реакций.
II. Закрепление изученного материала (27, с.34).
Пример №1: В кабине бензовоза имеется надпись: "При наливе и сливе топлива включи заземление!". Для чего необходимо соблюдать данное требование?
Пример№2: Почему при работе чесальных машин, применяющихся в текстильной промышленности, к их гребням прилипают нити и часто рвутся? Как с этим бороться?
Пример№3: Бывали случаи, когда очень быстро поднимающийся аэростат возгорался в воздухе. Чем это можно объяснить?
Пример№4: Явление электризации полезно или вредно? Приведите примеры, обоснуйте их.
Выступление учащегося "Полезное и вредное применение явления электризации" /Физика - юным, стр. 71-74/
III. Подготовьте сообщение на тему: "Роль статического электричества в быту и на производстве"
Дома можете провести следующий опыт: Потрите газетой воздушный детский шарик, поднесите его к потолку и отпустите. Шар остается висеть у потолка и может находиться в таком состоянии длительное время? Почему?
Наэлектризуйте один шар о газету, а второй - о кусок шерстяной материи. Подвесьте их на некотором расстоянии друг от друга. Почему они притягиваются? Особенно хорошо видно их взаимодействие, если один из шаров катить по поверхности стола, то за ним катится и другой. Почему?
IV. Итоги урока. Оценка учащихся.
Заключение
Закон - это объективное, необходимое, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями в природе и обществе.
Законы носят объективный характер, существуют независимо от сознания людей. Познание законов составляет задачу науки, выступает основой для преобразования людьми природы и общества. Закон, оперируя научными фактами, выражает связь между понятиями.
Однако не все законы обладают одинаковой объясняющей, обобщающей и систематизирующей способностью. В физике к основополагающим относятся, прежде всего, законы сохранения, проходящие через все ее разделы (механика, электродинамика, термодинамика и т.д.) - массы, энергии, электрического заряда, импульса; периодический закон, принцип минимума потенциальной энергии; статистические закономерности и др.
Законы сохранения выражают основные положения современной науки о фундаментальном единстве мира, несотворимости и неуничтожимости материи и движения, взаимопревращаемости различных форм движения и видов материи.
Законы сохранения - фундаментальные законы природы, согласно которым в различных процессах и явлениях численные значения определенных комбинаций величин не изменяются со временем.
Многие особенности протекания физико-механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических, химических, биохимических и других явлений могут быть исследованы на основе идеи сохранения таких величин, как масса, энергия, электрический заряд, импульс, момент импульса и т.д.
В основе многообразия сложнейших изменяющихся явлений лежат единые устойчивые структуры, понять которые мы можем, изучая законы сохранения.
Все законы сохранения формулируются, используя понятие изолированной (замкнутой) системы тел, частиц и полей.
Литература
Абоймова А.И. Опорное структурно-логические схемы по курсу физики 10-11 классов. Хабаровск, 1992.
Браверман Э.М. Вечера по физике в средней школе. М.: Просвещение, 1969.
Батыгин В.П., Топтыгин И.Н. Сборник задач по электродинамике. М. Наука, 1962.
Гомонова А. И., Драбович К. Н., Макаров В. А., Никитин С. Ю., Полякова М. С., Чесноков С. С., под редакцией Драбовича К. Н., Макарова В. А., Чеснокова С. С., Подготовка к вступительным экзаменам в МГУ. Физика. - М.: МАКС Пресс, 2003.
Драбович К. Н., Макаров В. А., Чесноков С. С., Подготовка к вступительным экзаменам в МГУ. Физика. дополнительные разделы теории и задачи. - М.: факультет ВМиК МГУ, 2004.
Дягилев Ф.М. “Из истории физики и жизни ее творцов” - М. Просвещение, 1986г., 255с.
Денисов В.И. Введение в электродинамику материальных сред. М., МГУ, 1989.
Джексон Дж. Классическая электродинамика. М.,Мир, 1965.
Долгов В.А. Программа изучения физики в X и XI классах, 2004
Дик Ю.И., Турышев И.К. Межпредметные связи курса физики в средней школе. М.: Просвящение, 1987.
Изучение программного материала по физике крупными блоками (методические рекомендации). Хабаровск, 1990.
Кулигин В.А., Кулигина Г.А., Корнева М.В. Новое объяснение релятивистских явлений. НиТ, 2003.
Карцев В. Приключения великих уравнений. М., Знание, 1986, 288 с.
Кулигин В.А. Кулигин В.А. Причинность и взаимодействие в физике // Детерминизм и современнаяфизика. Воронеж, ВГУ, 1986.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М., Наука, 1988.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.,Наука, 1982.
Левич В.Г. Курс теоретической физики, т. 1. М., Наука, 1969
Мякишев Г. Я. Физика: Электродинамика. 10-11 классы. учебник для углублённого изучения физики. - М.: Дрофа,1996-2002.
Мякишев Г. Я. Физика. Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. - М.: Просвещение,1997-1999.
Мякишев Г. Я. Буховцев Б.Б “Физика для 10 классов средней школы” – М. Просвещение, 1990г. 223с
Орехов В.П, Корж Э.Д. Преподавание физики. Пособие для учителя. М.: Просвещение, 1986.
Орехова В.П., Усова А.В. Методика преподавания физики в 9-11 классах средней школы. Часть 2, М.: Просвещение, 1980.
Перышкин А.В., Фабрикант В.А., и др. Основы преподавания физики в средней школе. М.: Просвящение, 1984.
Покровский А.А. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. Часть 1, М.: Просвещение, 1978.
Пановский В., Филлипс М. Классическая электродинамика. М., Физматгиз, 1963.
Спасский Б.И. “Физика в её развитие”, пособие для учащихся. - М. Просвещение, 1979г. 208с.
Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.-Л., 1966.
Шамаш С.Я. Методика преподавания физики в средней школе, М.:Просвящение, 1987.
Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц. - М.: Аванта+, 2001.
27