Содержание к диссертации
Введение
Глава I. УЧЕБНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ЭЛЕКТРОДИНА МИКЕ И ПУТИ ЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ 18
I. Развитие и современное состояние методики преподавания раздела "Электродинамика" в курсе физики средней школы 18
2. Анализ учебного физического эксперимента по разделу "Электродинамика" 26
3. Анализ учебного оборудования по разделу "Электродинамика" 53
4. Пути совершенствования учебного физического эксперимента по электродинамике 69
Глава II. НОВЫЕ ПРИБОРЫ ПО ЭЛЕКТРОСТАТИКЕ И МЕТОДИКА ИХ ПРИМЕНЕНИЯ 90
1 Электронный зарядометр 92
2 Электронные электрометры 100
3. Демонстрационные опыты с электронными электрометром и зарядометром 108
Глава III. МАГНИТОМЕТР И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ ИЗУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ 134
I, Магнитометр на магнитоуправляемом контакте 135
2. Демонстрации при изучении магнитного поля
электрического тока и магнитных свойств вещества 145
3. Опыты, демонстрирующие связь между магнитным и электрическим полями 168
4. Цели, методы, организация и результаты педагогического эксперимента 172
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 185
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1885
ПРИЛОЖЕНИЕ
- Развитие и современное состояние методики преподавания раздела "Электродинамика" в курсе физики средней школы
- Электронный зарядометр
- Магнитометр на магнитоуправляемом контакте
Введение к работе
Июньский (1983 г.) Пленум ЦК КПСС наметил реформу школы, имеющую целью поднять ее работу на новый качественный уровень, соответствующий условиям и потребностям общества развитого социализма. Основные задачи, выдвигаемые перед советской школой на современном этапе ее развития, сформулированы в "Основных направлениях реформы общеобразовательной и профессиональной школы" Совершенствование содержания образования предполагает:
уточнить перечень и объем материала изучаемых предметов, устранить перегрузку учебных программ и учебников, освободив их от излишне усложненного второстепенного материала;
предельно четко изложить основные понятия и ведущие идеи учебных дисциплин, обеспечить необходимое отражение в них новых достижений науки и практики;
коренным образом улучшить постановку трудового воспитания, обучения и профессиональной ориентации в общеобразовательной школе; усилить политехническую направленность содержания образования; больше уделять внимания практическим и лабораторным занятиям, показу технологического применения законов физики, химии, биологии и других наук, создавая тем самым основу трудового обучения и профессиональной ориентации молодежи;
вооружать учащихся знаниями и навыками использования современной вычислительной техники, обеспечить широкое применение компьютеров в учебном процессе, создавать для этого специальные школьные и межшкольные кабинеты;
по каждому предмету и каждому классу определить оптимальный объем умений и навыков, обязательных для овладения учащимися /2, с.45/.
Таким образом, совершенствование системы народного образования предусматривает дальнейшее повышение научного уровня преподавания, обеспечение развития творческих способностей учащихся, улучшение качества политехнического обучения и более эффективных средств формирования диалектико-материадиетического мировоззрения.
Широкие возможности для реализации этих задач открываются при изучении материала курса физики, в частности, раздела "Электродинамика", на изучение которого выделяется примерно треть всего учебного времени по физике в средней школе. Б этот раздел курса физики включены темы, имеющие большое практическое значение для развития народного хозяйства. При изложении этого раздела имеются большие возможности ознакомления учащихся с научным фундаментом электроэнергетики (закон Ома для участка цепи, разветвленные цепи, закон Ома для полной цепи и т.д.), электрификации, (последовательное и параллельное соединение проводников, закон Джоуля-Ленца, зависимость сопротивления от температуры, работа и мощность тока и т.д.), электроники (двухэлектродная электронная лампа-диод, электронные пучки, электронно-лучевая трубка, термо- и фоторезисторы и т.д.), автоматики (электронная проводимость полупроводников при наличии примесей, полупроводниковый диод, электри-.
ческий контакт полупроводников р- и п-типов) и т.д.
При изучении электрического тока в полупроводниках у учащихся формируются глубокие политехнические знания, на основе которых они лучше уясняют практические приложения теории полупроводников в радиоэлектронике, автоматике, полупроводниковой, вычислительной и контрольно-измерительной технике. Электромагнитные явления составляют основу всей современной электротехники.
В процессе использования физического эксперимента у учащихся формируются умения и навыки обращения с электроизмерительной аппаратурой (амперметром, вольтметром, авометром и т.д.), расчета и сборки простейших электрических цепей, выбора необходимых приборов, соответствующих заданному режиму работы цепи и т.д.
Таким образом, изучение раздела "Электродинамика" в курсе физики средней школы способствует созданию у учащихся целостной системы физических знаний, выработке у них научного мировоззрения, развитию определенных умений и навыков.
Важнейшей задачей изучения электродинамики является формирование понятия электромагнитного поля. На примере данного поля учащиеся знакомятся с одним из основных понятий современной физики, с отличным от вещества видом материи, его специфическими свойствами и характеристиками. Формирование этого понятия при изучении курса физики в школе происходит в несколько этапов: а) первоначально в УП классе учащиеся знакомятся с электрическим и магнитным полями и с электромагнитными явлениями; б) в IX классе изучаются электростатическое, стационарные электрическое и магнитное поля и переменные поля на количественном уровне, с введением их характеристик; в) представ- -
ление об электромагнитном поле вводится в X классе при изучении электромагнитных колебаний и волн; г) при изучении оптики, атомной и ядерной физики в X классе происходит: углубление, расширение и обогащение представлений об электромагнитном поле /27; 29; 30; 99; 100/.
Вопросы совершенствования изучения электромагнитного поля в курсе физики средней школы рассматриваются во многих работах /18; 35; 73; 153/и др./. Так, например, Н.М.Тимофеева значительное место отводит изучению свободного электромагнитного поля, предлагая ряд новых форм и методов обучения /162/, Е.Г.Сургуладзе считает, что повышению научного уровня курса электродинамики будет способствовать введение специальных обобщающих уроков, на которых предлагается познакомить учащихся с уравнениями Максвелла Д58/, С.Л.Вольштейн делает попытку решить проблему определения путей и средств изучения в школе электромагнитных явлений в свете учения Максвелла об электромагнитном поле /35/, Л.А.Бордонская предлагает изучение раздела "Электродинамика" в IX классе на основе понятия электромагнитного поля и элементов теории поля, которые вводятся в начале изучения электродинамики /18/, В.В.Зыков описывает методику изучения электрического поля /73/, М.Я.Онеяко рассматривает вопрос об изложении магнитного поля /153/, Н.М.Шахмаевым исследована проблема изучения электромагнитных явлений на экспериментальной основе с последовательным развитием понятия электромагнитного поля /186/, Д.Л.Малобродский /96/ обращает внимание на важность формирования понятия электрического поля, электрического заряда и связи электрического заряда с полем и т.д.
В отличие от всех рассмотренных работ, касающихся част-
- 8 -них вопросов изучения раздела "Электродинамика", в докторской диссертации С.Е.Каменецкого /79/ предлагается целостная теоретическая концепция изучения электродинамики, намечаются коренные изменения в этом разделе, отказ от традиционных структуры, содержания и методики изучения вопросов электродинамики, построение изучения этих вопросов на новых основах, показывается, что повышение научности преподавания раздела может быть достигнуто, если представление об электромагнитном поле станет центральным во всей электродинамике.
Основные мысли профессора С.Е.Каменецкого таковы: а) необходимо рассматривать электродинамику как науку о свойствах и закономерностях особого вида материи - электромагнитного поля, в котором и посредством которого осуществляются электромагнитные взаимодействия; б) основным и сквозным понятием в разделе должно быть понятие электромагнитного поля; в) электростатическое, квазистационарное и индукционное электрические поля, постоянное и изменяющееся магнитные поля должны рассматриваться как проявления единого электромагнитного поля; г)со-ответственно должно быть изменено объяснение всех школьных опытов по электродинамике.
Естественно, что повышение научного уровня изучения раздела "Электродинамика" предусматривает также и совершенствование физического эксперимента по этому разделу.
Учебный физический эксперимент способствует более.глубокому,прочному и сознательному усвоению физических знаний, формированию диалектико-материалистического мировоззрения, позволяет ознакомить учащихся с сущностью экспериментального метода физики и его ролью в научных исследованиях, повышает интерес учащихся к изучаемому предмету, способствует развитию-
_ 9-творческого мышления учащихся, развивает практические умения и навыки.
К настоящему времени имеется целый ряд работ, направленных на усиление экспериментального метода в преподавании электродинамики /32; 37; 49; 55; 60; 65; 82/и др./. Многие исследования более детально рассматривают возможности экспериментального метода обучения, отдельные его стороны, посвящены разработке частных экспериментальных методов.
Методике применения осциллографических методов в школе посвящены исследования Л.И.Вишневского /32/, А.А.Евсюкова /60/, Я.М.Хендре /178/, В.С.Дангошенкова /55/. Возможности повышения эффективности системы учебного физического эксперимента выявлены в исследованиях Г.М.Гайдучка /37/, А.И.Жилы /65/, В.Ю.Клиха /82/, В.А.Плоскова /125/ и др. Улучшению эксплуатационных качеств оборудования с точки зрения восприятия эксперимента учащимися посвящены исследования А.Б.Айнб'индера /6/, А.Н.Богатырева /16/, В.ИЛерняновского А.^81/ и др. Разработка методики применения в учебном эксперименте новейших элементов техники нашло отражение в многочисленных работах, среди которых можно отметить работы М.И.Гринбаума /50/ Б.Ш.Перкальски-са /120/, Г.В.Оглоблина /ИЗ/ и др.
Разработке учебного эксперимента по электродинамике посвящены также работы Н.М.Шахмаева /206; 207/, М.А.Грабовского /89/, Н.Н.Малова /95/, Л.Л.Гольдина /144/» Интересны опыты, раскрывающие сущность процессов, происходящих в электрических цепях, структуру различных полей /145/, опыты с электропроводной бумагой Д95/ и др.
Таким образом, учебный физический эксперимент по электродинамике разработан в многочисленных исследованиях и может
- 10 -возникнуть мнение, что сложившаяся система эксперимента может в полной мере решить стоящие перед ней задачи.
Однако, рассматривая распределение различных видов эксперимента по темам, удается заметить, что в существующей системе учебного физического эксперимента по электродинамике слабо представлен в большинстве тем раздела количественный демонстрационный эксперимент, мало опытов, лабораторных работ и работ физического практикума, раскрывающих сущность полей и формирующих политехнические навыки учащихся, а имеющиеся работы, в основном, раскрывают лишь внешнее действие электрического тока и т.д. Вполне возможно согласиться с мнением Б.С.Зворыкина и В.А.Кубицкого относительно физического практикума и лабораторных работ "...существующий практикум не может в полной мере решить стоящих перед ним задач. Некоторые темы программы не обеспечены лабораторным экспериментом, в практикуме мало работ политехнического характера; учащиеся недостаточно знакомятся с современным техническими приборами и оборудованием" /67,с.19/. Из всего этого можно сделать вывод, что существующая система физического эксперимента по электродинамике еще обладает рядом недостатков и нуждается в совершенствовании.
Мы исходим из того, что совершенствования учебного физического эксперимента по электродинамике следует добиваться как постановкой новых опытов, так и усилением доли опытов, фронтальных лабораторных работ и работ физпрактикума, раскрывающих сущность полей и иллюстрирующих различные проявления электромагнитного поля.
В основу совершенствования системы учебного физического эксперимента по электродинамике мы положили принципы, выдвинутые профессором С.Е.Каменецким:
- II -
Раскрывать в опытах электродинамику как науку о свойствах и закономерностях единого электромагнитного поля» в котором и посредством которого осуществляются электромагнитные взаимодействия, В соответствии с этим при изучении раздела "Электродинамика" важнейшим, основным и сквозным понятием нужно считать понятие электромагнитного поля. Вводить это понятие надо в начале раздела и работать с ним на протяжении всего раздела.
Чтобы предлагаемая система изучения электродинамики вносила максимальный вклад в формирование понятия электромагнитного поля, необходимо этим понятием пользоваться при объяснении большого количества опытов, пусть ранее трактуемых
и иначе.
Кроме этих принципов необходимо учитывать и материальную базу школы и школьных учреждений. Отбор нужных опытов определяется принятой методикой изложения, новые опыты, как правило, появляются в результате развития новых методических идей. Однако экспериментальная база школ,наличие того или иного оборудования также определяют возможности постановки тех или иных опытов.
Совершенствование учебного физического эксперимента по электродинамике нужно рассматривать вместе с совершенствованием учебного оборудования (модернизацией имеющегося и созданием новых приборов).Надо иметь в виду, что выпускаемые промышленностью учебные приборы для постановки учебного физического эксперимента по данному разделу не составляет единого, внутренне согласованного и полного комплекта. По некоторым темам раздела совершенно отсутствуют приборы, дающие количественный отсчет измеряемых величин, за последнее время значительно со-
- 12 -кратилось количество демонстрационных приборов, используемых при изучении электростатики, часть имеющихся приборов устарела, не отвечает требованиям, предъявляемым современным уровнем развития науки и техники.
Использование же достижений науки и техники, в частности, радиоэлектроники, в учебном приборостроении открывает новые перспективы в деле совершенствования школьной демонстрационной электроизмерительной техники* Необходимость внедрения в учебный физический эксперимент по электродинамике электронных измерительных приборов диктуется также назревшими потребностями эксперимента, дающего количественные результаты.
В итоге можно заключить, что в настоящее время совершенствование учебного физического эксперимента по электродинамике стало весьма актуальной проблемой методики преподавания этого раздела курса физики.
Учитывая значение учебного физического эксперимента в изучении электромагнитного поля, а также недостаточную разработанность многих методических вопросов в связи с концепцией единого подхода к изучению этих процессов, мы определили основную задачу своего исследования как совершенствование учебного физического эксперимента по разделу "Электродинамика".
Целями нашего исследования являются: разработка недостающего эксперимента и комплекта приборов для изучения свойств электромагнитного поля, а также разработка методики и техники применения этого комплекта.
Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие конкретные задачи:
I. Проанализировать, насколько существующий учебный физический эксперимент соответствует современному содержанию раз-
- ІЗ -
дела "Электродинамика".
Определить роль физического эксперимента при изучении раздела "Электродинамика" в условиях единого подхода к изучению электромагнитного поля.
Определить принципы, лежащие в основе совершенствования учебного физического эксперимента по данному разделу;
Выявить целесообразный вариант конструкции приборов, с помощью которых можно поставить опыты, дополняющие систему эксперимента по разделу "Электродинамика".
Разработать методику и технику проведения опытов с применением созданного комплекта приборов.
Определить педагогическую эффективность применения созданного комплекта приборов и разработанного учебного физического эксперимента.
Решение поставленных в исследовании задач проводилось нами поэтапно с применением следующих методов и видов деятельности:
Изучение и анализ педагогической, научно-методической литературы по учебному физическому эксперименту;
Проверка работы существующих приборов физического кабинета по данному разделу, наблюдение за проведением физического эксперимента на уроках физики;
Изучение и обобщение передового опыта учителей и методистов по созданию и применению учебного оборудования по разделу "Электродинамика", а также учет личного опыта работы в качестве учителя физики;
Разработка и конструирование комплекта приборов с учетом новой концепции преподавания электродинамики, достижений науки и техники, а также с учетом отечественного и зару-
- 14 -бежного опыта по созданию учебного оборудования;
Показ новых приборов и демонстрация опытов с ними с целью их обсуждения на методических и научных семинарах;
Проверка предложенного комплекта приборов и методика его применения в учебном процессе;
Определение педагогической эффективности применения комплекта приборов и разработанного учебного физического эксперимента путем экспериментального преподавания в школах.
Новизна исследования состоит:
а) в определении и разработке недостающего учебного фи
зического эксперимента по разделу "Электродинамика" при изу
чении его по новой (полевой) концепции;
б) в разработке комплекта приборов, предназначенного для
количественного изучения характеристик электромагнитного поля.
Теоретическая значимость работы определяется выделением принципов отбора необходимых опытов, определением общих требований, предъявляемых к учебному оборудованию по электродинамике, использованных при разработке комплекта приборов для изучения свойств электромагнитного поля. Практическая ценность исследования состоит в разработке недостающего эксперимента для изучения свойств электромагнитного поля, в создании комплекта приборов, а также методики и техники его применения. Использование комплекта новых приборов позволяет обновить учебный физический эксперимент по электродинамике, поднять его на более высокий научный уровень, получать количественные результаты в демонстрациях. Это, в свою очередь, дает возможность активизировать учебный процесс, проводить его в более интенсивной и действенной форме* Предложенная нами методика
- 15 -демонстраций позволяет знакомить учащихся с методами научных экспериментальных исследований, что способствует укреплению связи школы с жизнью, позволяет повысить качество знаний учащихся по основным вопросам изучаемых тем.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на кафедре методики преподавания физики в МГПІ им.В.И.Ленина во время выступлений диссертанта на методических семинарах (1983, 1984 годы), на Герценовских чтениях в ЛГПИ им.А.И.Герцена (1983 г.), на координационном совещании по проблеме "Профессионально-педагогическая направленность обучения при подготовке учителя физики средней школы11 преподавателей педагогических вузов Поволжья и Северного Кавказа в г.Махачкала (1983г.), на Ленинских чтениях в МГПИ им.В.И.Ленина (1984 г.).
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения (всего 216 страниц машинописного текста). Список цитируемых научных работ и других использованных источников содержит 206 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели, задачи и методы исследования, выражена теоретическая и практическая ценность работы, определены положения, которые выносятся на защиту.
В первой главе рассматривается состояние изучения вопросов электродинамики в курсе физики средней школы, дается анализ учебного физического эксперимента и учебного оборудования по данному разделу, намечаются пути совершенствования учебного физического эксперимента по электродинамике, выявляются и формулируются принципы совершенствования учебного физического эксперимента, выявляется необходимость дополнительных опытов, отражающих современные представления об электромагнитном поле.-
Во второй главе дается краткое описание устройства и принципа работы, принципиальные схемы электронных зарядометра и электрометра, методика и техника проведения демонстрационных опытов с использованием разработанных приборов.
Использование этих приборов дало возможность поставить ряд новых количественных демонстраций по определению напряженности и потенциала электрического поля, установлению связи между напряженностью электрического поля и разностью потенциалов, определение эквипотенциальных поверхностей заряженной сферы и однородного поля и т.д.; позволило по-новому подойти к постановке многих существующих демонстраций, проведение которых по традиционной методике часто приводило к неудачам.
В третьей главе раскрывается необходимость создания прибора для изучения индукции магнитного поля, дается описание устройства и принципа работы магнитометра на магнитоуправляе-мом контакте, методика его применения и опыты с ним при изучении магнитного поля, магнитных свойств вещества, а также при демонстрации связи и взаимной обусловленности электрического и магнитного полей. Здесь же представлены и результаты экспериментального преподавания.
Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:
Методические рекомендации по экспериментальному изучению электростатического поля в курсе физики средней школы. -М.: МГПИ им.В.И.Ленина, 1984. - 49 с.
Методические рекомендации по экспериментальному изучению магнитного поля в курсе физики средней школы. - М.: МШИ им.В.И.Ленина, 1984. - 37 с.
Некоторые опыты по электромагнетизму. - В сб.: Совершенст-
- 17 -вование подготовки учителя физики в педвузе. Межвузовский сборник научных трудов. - М.: МИШ им.В.й.Ленина, 1983, с.72-78. 4. Некоторые опыты с магнитометром на герконе. - В сб.: Методика преподавания физики в средней школе: Методические рекомендации. - М.: МШИ им.В.И.Ленина, 1983, с.43-54. На защиту выносятся:
Обоснование необходимости совершенствования учебного физического эксперимента и оборудования по электродинамике.
Идеи создания, конкретное конструктивное и схемное решение новых приборов для изучения характеристик электромагнитного поля (электрометра, зарядометра, магнитометра).
Недостающий учебный физический эксперимент по электродинамике при условии его изучения по новой (полевой) концепции.
Методика и техника постановки физического эксперимента с новыми приборами при изучении свойств электромагнитного поля.
Развитие и современное состояние методики преподавания раздела "Электродинамика" в курсе физики средней школы
Электродинамика является наукой о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами и токами /78; 93; 196/.
Представления об электромагнитном взаимодействии, о поле как особом виде материи, о принципе близкодействия, получаемые учащимися при изучении электродинамики, имеют важное значение для формирования их диалектико-материалистического мировоззрения» Изучение раздела "Электродинамика" имеет также большое политехническое значение, т.к. здесь учащиеся знакомятся с рядом фундаментальных научных идей, являющихся теоретическим фундаментом радиоэлектроники, электротехники и т.д. Знания и навыки, получаемые учащимися при изучении данного раздела, необходимы для сознательного и творческого участия их в производственном труде в различных отраслях народного хозяйства.
Сложившиеся к настоящему времени структура и содержание разделов "Электричество" (УЇЇ класс) и "Электродинамика" (IX класс), где сначала на качественном уровне даются первоначальные сведения об электрическом и магнитном полях, а затем происходит углубленное знакомство с этими полями, их свойствами и характеристиками на количественном уровне и вводится понятие электромагнитного поля, явились результатом длительного развития школьного курса физики. Это развитие обусловлено как изменением основных методов преподавания, так и развитием научных представлений об электромагнитных явлениях /ІЗ; 98; 99; 122; 123; 196/.
Первоначальные сведения об электрическом и магнитном полях учащиеся получают на I ступени обучения при изучении раздела "Электричество" в УП классе. На этой ступени обучения с 1969 года в связи с реформой школьного образования и введением новых программ обучение ведется по учебнику "Физика-6-7" /122/.
При изложении раздела "Электричество" в "изике-б-7" вводятся такие основные понятия, как электрический заряд, электрическое поле, электрический ток, сила тока, напряжение, сопротивление, магнитное поле и т.д. Электрическое поле рассматривается как вид материи, отличающийся от вещества, и связывается с покоящимися зарядами.
В этом учебнике по сравнению с предшествующими учебниками повысился научный уровень изложения материала. Этому способствовало введение понятия электрона, рассмотрение строения атома, использование понятия иона. Эти понятия вводятся на основании рассмотрения простейших схем фундаментальных опытов Иоффе и Милликена и опыта Резерфорда. Все это способствует формированию электронных и полевых представлений.
Магнитное поле связывается с движущимися электрическими зарядами, т.е. с током. Указывается, что магнитное поле действует с некоторой силой на всякий проводник с током, находящийся в этом поле, проводники с токами взаимодействуют между собой посредством магнитного поля и т.д.
Более углубленное знакомство учащихся с электрическим и магнитным полями, с их свойствами и характеристиками происходит при изучении электродинамики в IX классе средней школы,где обучение с 1971 года ведется по учебнику "физика-9" /27/. В этом учебнике, по сравнению с предшествующими аналогичными учебниками /121; 155/ улучшилась структурность в изложении учебного материала, вводятся понятия о близкодействии и о стационарном поле, закон сохранения заряда, сила Лоренца, вихревое электрическое поле и т.д. Были исключены такие вопросы, как напряженность магнитного поля, следствия из закона Био-Са-вара-Лапласа, формула силы взаимодействия параллельных токов, магнитная постоянная. Благодаря введению понятия вихревого электрического поля удалось раскрыть сущность явления электромагнитной индукции, показать связь электрического и магнитного полей.
Первые издания учебника "Физика-9" имели существенные недостатки. Они были сложны для учащихся, многие вопросы в них излагались схематично и бездоказательно, недостаточно использовался при формировании основных понятий физический эксперимент и т.п. /147,с.47/. Поэтому эти издания были подвергнуты суровой критике.
Электронный зарядометр
Таким же образом градуируют прибор для измерения величины заряда другого знака.
При проведении демонстраций с использованием зарядометра необходимо ознакомить учащихся с ним. Это ознакомление целесообразнее провести в два этапа. На первом этапе необходимо ознакомить учащихся с назначением и методикой использования прибора. Учащиеся должны знать, что измеряет прибор и как проводятся измерения. Желательно ознакомить учащихся с двумя способами определения величины заряда: а) касанием заряженного тела к входному штеккеру зарядометра; б) индукционным способом.
При первом способе определения величины заряда входной штекер зарядометра присоединяют к сферическому кондуктору на изолирующем штативе, а к зарядометру присоединяют проградуиро-ванный гальванометр от демонстрационного амперметра. Ручкой балансировки нуля стрелку гальванометра устанавливают в середине шкалы. Несколько раз натирают пластины из эбонита и плексигласа друг о друга и затем касаются одной из них сферического кондуктора. При этом стрелка гальванометра отклоняется в сторону. Отмечают показания прибора и нажатием кнопки "сброс" возвращают стрелку в исходное положение. Затем касаются кондуктора второй пластиной и обращают внимание учащихся на то, что стрелка отклоняется в противоположную сторону. Объясняют учащимся, что пластины при трении электризовались, и зарядометр позволяет определить не только величину заряда, но и его знак. Здесь же сообщают учащимся, что при таком способе измерения заряда практически весь заряд с заряженного тела переходит во входную емкость зарядометра. Поэтому в том случае, когда заряд, величина которого должна быть измерена, необходимо сохранить на теле, т.к. он не может быть повторно восстановлен в таком же количестве, польлуются индукционным способом измерения заряда.
При этом способе определения величины заряда заряженное тело; помещают в середину сферы, состоящей из двух половинок (можно использовать разрезанный на две части сферический кондуктор от электрометра Брауна) (рис.12). Сферу соединяют с зарядо-метром. На ней индуцируется заряд, противоположный по знаку и равный по величине заряду на теле. А на входной емкости зарядо-метра окажется такой же заряд, как и на теле.
Ознакомление учащихся с принципом работы зарядометра может быть проведено после изучения ими полупроводников.
Практика применения зарядометра в школе при проведении опытов показала, что школьный вариант этого прибора целесообразно конструировать с одним диапазоном измеряемой величины. При этом упрощается работа с прибором, облегчается считывание показаний прибора, а также его градуировка.
Магнитометр на магнитоуправляемом контакте
Успешное формирование правильных представлений о магнитном поле и величинах, его характеризующих, возможно лишь при его экспериментальном изучении. Основные свойства магнитного поля необходимо исследовать экспериментально, а для этого необходим прибор для измерения индукции магнитного поля.
При анализе учебного оборудования было показано, что в качестве индикатора магнитного поля в школе по-прежнему применяется магнитная стрелка,и совершенствование учебного эксперимента по теме "Магнитное поле" связано с разработкой чувствительного магнитометра, дающего отсчет в системных единицах, При конструировании такого прибора можно в качестве датчика использовать магнитодиод или магнитоуправляемый контакт (Мк).
В настоящее время отечественная электронная промышленность выпускает магнитодиоды типа КД 301 (кремниевые сплавные диоды), предназначенные для работы в качестве датчиков магнитного поля в различных радиотехнических устройствах.
Действие магнитодиодов основано на изменении электрического сопротивления полупроводника под действием магнитного поля. Влияние магнитного поля на диод связано с тем, что на движущийся заряд в магнитном поле действует сила Лоренца, которая . изменяет направление его скорости. В результате искривления траектории движения носителей тока (электронов и дырок) вблизи р-п- перехода создается зона, обедненная свободными зарядами. Это и приводит к увеличению сопротивления диода под воздействием магнитного поля.
Использование магнитодиода при исследовании свойств магнитного поля показало его низкую чувствительность к магнитным воздействиям и при разработке магнитометра нами был использован магнитоуправляемый контакт (МК). Это дало возможность сконструировать высокочувствительный магнитометр. Этот магнитометр позволяет определить магнитную индукцию в демонстрациях при изучении магнитного поля, применение его в физическом эксперименте значительно упрощает демонстрации, облегчает усвоение учащимися изучаемого материала. Демонстрация опытов с помощью этого прибора позволяет установить качественные и количественные зависимости между величинами, характеризующими магнитное поле и расширяют представления учащихся о свойствах магнитного поля.
Принципиальная схема магнитометра приведена на рис.21. Конструктивно магнитометр состоит из двух частей: датчика и блока питания (рис.22). В качестве датчика магнитного поля в этом приборе служит магнитоуправляемый контакт (МК) с катушкой. Магнитоуправляемый контакт (МК) (рис.23) представляет собой два частично расплющенных отрезка пермалоевой проволоки, у которых часть контактирующих поверхностей покрыта слоем благородного металла, например, золотом, палладием или сплавами на основе золота. Две проволоки-пружины завариваются в стеклянную трубку-баллон так, чтобы между их контактирующими поверхностями образовался небольшой зазор. При изготовлении МК в баллон вводят какой-либо газ, например, азот, аргон, водород, азотно-водородную смесь.
Существуют три основные группы МК: нормально разомкнутые, нормально замкнутые и переключающие, имеющие саше разнообразные конструкции.
Магниюуправляемые контакты применяются при конструировании реле, логических элементов, датчиков неэлектрических величин, коммутаторов в различных промышленных устройствах, в телефонной аппаратуре, вычислительных машинах и т.д. /157/.
Похожие диссертации на Совершенствование учебного физического эксперимента по разделу ""Электродинамика""
