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

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

Решение основных учебно-воспитательных задач «достигается на уроках сочетанием разнообразных форм и методов обучения» (1, с.27). Большое значение придается самостоятельной работе учащихся: самостоятельному повторению и закреплению основного теоретического материала, выполнению фронтальных лабораторных работ и работ физического практикума, изучению некоторых практических приложений физики, когда теория вопроса уже изучена, применению знаний в процессе решения задач, обобщению и систематизации знаний. Следует уделять больше внимания на уроке работе учащихся с книгой: учебником, справочной литературой, книгой для чтения, хрестоматией и т. п. При работе с учебником необходимо формировать умение выделять в тексте основной материал, видеть и понимать логические связи внутри материала, объяснятьизучаемые явления и процессы.
Изучение электрического поля представляет собой первую ступень на пути изучения электромагнитного поля. На этом пути в дальнейшем в школе рассматривают магнитное поле и вихревое электрическое (29, с.15). Электростатическое поле является самым простым из указанных полей, и на его примере легче всего усваиваются важнейшие характеристики силового поля. На таких понятиях и закономерностях, как заряд, напряжение, напряженность, электроемкость, законы Кулона, сохранения заряда и др., строится преподавание и остальных вопросов электродинамики не только в 10 классе, но и в 11 классе (21, с.54).
Электродинамика – раздел физики посвященный изучении электрических и магнитных явлений, в которых основную роль играет взаимодействия между телами, элементарный заряд. Взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле, связанное с этими телами или частицами. Основное понятие является понятие электрического заряда и электрического поля (23, с.31).
Наличие электрического заряда у тела (частицы) проявляется во взаимодействии с другими заряженными телами (частицами). Электрический заряд – свойство частиц материи или тел, характеризующее их взаимосвязь в собственном электромагнитном поле. Имеется два вида зарядов: положительный и отрицательный. Количественно определяется по силовому взаимодействию тел, обладающих электрическим зарядом.
Авторы Шахмаев и др. На вопрос: Что такое электрический заряд? Отвечают: понятие заряда в какой-то мере сходно с понятием гравитационной массы (22, с.34). Подобно тому, как для характеристики гравитационного взаимодействия тел и частиц было введено понятие массы, так и для характеристики взаимодействия тел (частиц) введено понятие электрического заряда. Введение понятия массы позволило изучить явления, связанные с гравитационным взаимодействием частиц и тел, а введение понятия заряда позволяет изучить электромагнитные взаимодействия. Опытным путем установлено, что электрический заряд обладает следующими свойствами (11, с.13):
1. Электрические заряды могут быть двух видов: положительными и отрицательными;
2. Электрический заряд величина инвариантная, не зависящая от скорости движения зарядов;
3. Электрический заряд аддитивен, то есть заряд системы тел равен сумме зарядов тел, входящих в систему;
4. Все электрические заряды кратны заряду электрона;
5. Суммарный заряд изолированной системы остается постоянным.
Центральное место в разделе электродинамика при изучении электрических явлений занимает закон сохранения электрического заряда, который подтверждается наблюдателями (2, с.19). Для демонстрации закона сохранения заряда используют следующее оборудование: электролиты с шаровыми кондукторами, пластинки для электризации (эбонит и из органического стекла), разрядник на изолированной ручке (24, с.35). Из опыта делается вывод: сумма зарядов замкнутой системы остается постоянной.
2.2. Урок «Электрический заряд, закон сохранения электрического заряда»
Тема урока: Электрический заряд, закон сохранения электрического заряда
Цель урока: уточнить содержание понятия "электрический заряд", рассмотреть каким свойством частиц определяется это понятие, что принято за единицу измерения эл. заряда, как возникают частицы, обладающие эл. зарядом.
Оборудование:стеклянная и эбонитовая палочки, эл. султанчики, гильза, штатив, коромысло, кусочки меха и шелка, сосуд с водой, "Разряд".
Ход урока.
I. Изучение нового материала.
Сегодня на уроке мы начинаем изучение новой темы "Электродинамика". Запишем тему урока. Основываясь на знаниях полученных в 8 классе, расширим свои знания по теме и научимся объяснять явление электризации в свете классической электронной теории. Тема нашего урока: "Электрический заряд, закон сохранения электрического заряда". Урок мы проведем в форме беседы и анализа опытов.
Еще с древних времен было замечено, что при трении некоторых тел друг о друга, тела приобретают способность действовать на другие тела с некоторой силой. Так еще в IV веке до нашей эры было замечено свойство янтаря, притягивать мельчайшие частички после его обработки (15, 16).
Выступление учащегося "История развития представлений о природе электричества" /Физика - юным, стр. 68-71 /
Итак, люди заметили, что тело можно наэлектризовать. Что значит тело наэлектризовано?
Запишем понятие электризация.
Электризация - процесс получения электрически заряженных макроскопических тел из электрически нейтральных (17, с.18).
Проводится ряд опытов, анализ совместно с учащимися.
Электризация трением:
Эбонит. палочка о шерсть; Как заряжена палочка: Что значит, палочка заряжена "отрицательно"? Как проверить, что палочка заряжена?
Стеклянная палочка о шелк; Как заряжена палочка: Что значит, палочка заряжена "положительно"? Как проверить, что палочка заряжена?
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?
1. Понятия, связь между которыми устанавливает данный закон.
2. Формулировки закона.
3. Математические выражения закона.
4. Границы и условия применимости закона.
5. Кем, когда и каким образом был открыт данный закон.
6. Опытные факты, подтверждающие справедливость закона.
7. Примеры проявления закона в природе.
8. 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 = å qi = const,
где Q - полный электрический заряд системы тел или частиц, а qi - электрический заряд i - части системы. Знак å 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
q v S = const
где q - 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?