Методика формування поняття поля у курсі фізики середньої школи

   МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

   ЧЕРКАСЬКИЙ  НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

   ІМЕНІ БОГДАНА ХМЕЛЬНИЦЬКОГО 
 

Кафедра автоматизації та комп’ютерно-інтегрованих технологій 
 

   Єдемський Микола Вікторович 
 

   Методика  формування поняття поля у курсі фізики середньої школи 

Галузь  знань 0402 фізико – математичних наук

Напрям  підготовки 6.040203 Фізика 
 
 

Курсова робота

студентки 4-го курсу ННІ фізики, математики

та комп’ютерно-інформаційних  систем

денної  форми навчання 
 

Науковий керівник –

старший викладач

Єфіменко  В. І. 
 
 

   Черкаси – 2011

 

      Зміст: 

     Вступ....................................................................................................................3

     Розділ 1. Електричне поле..................................................................................4

        1.1 Види взаємодії.... ......................................................................................4

        1.2 Електризація тіл. .......................................................................................8

1.3 Електричний заряд. Два роди електричних зарядів. Дискретність   електричного заряду......................................................................................11

        1.4 Будова атома. Електрон. Іон. ...............................................................15

1.5 Закон збереження електричного заряду. Електричне поле. Взаємодія заряджених тіл. Закон Кулона. ....................................................................21

     Розділ 2: Магнітне поле....................................................................................29

2.1 Постійні магніти. Магнітне поле Землі. Взаємодія магнітів...............29

2.2 Дослід Ерстеда. .......................................................................................36

2.3 Електромагнітна індукція. .....................................................................38

2.4 Дія магнітного поля на провідник зі струмом......................................41

2.5 Електромагніти........................................................................................42

2.6 Електровимірювальні прилади..............................................................44

     Розділ 3: Лабораторні роботи..........................................................................48

3.1Дослідження явища електромагнітної індукції.....................................48

3.2 Визначення  ЕРС і внутрішнього опору джерела  струму....................49

     Висновок............................................................................................................50

     Список  використаної літертури.......................................................................51

     Додатки..............................................................................................................52

 

Вступ 

     Широкого використання електричні явища набули фактично лише в XIX столітті завдяки дослідженням всесвітньо відомих учених. Це, перш за все, Шарль Кулон, Луїджi Гальвані, Алессандро Вольта, Андре Ампер, Ганс Ерстед, Георг Ом, Майкл Фарадей, Джеймс Максвелл, Генріх Герц, Олександр Попов та багато інших.

     Щоб краще уявити значення електрики  в нашому житті, подумайте, що могло  б статися, якби вона раптом зникла. Відразу замовкли б радіоприймачі  й телефони, зникли б зображення з екранів телевізорів і комп'ютерів, зупинилися б верстати на заводах i фабриках, які приводяться в рух за допомогою електричних двигунів. Навіть звичайний автомобіль не зміг би рухатися, бо не працював би його стартер, за допомогою якого запускається двигун, системи запалювання, освітлення, контролю... Раптове зникнення електрики в сучасному світі чинило б величезну катастрофу.

     У природі є електричні явища, що супроводжують  людину все життя, наприклад блискавки, величезні електричні розряди, які  можуть завдати багато лиха. Тому здавна їх вивчають, щоб знайти надійний захист. Грім, що супроводить блискавку, майже безпечний. Це звук, який виникає від раптового розширення повітря, що нагрівається під час виникнення блискавки. Зайве говорити про те, що сталося б, якби перестала працювати сучасна електронно-обчислювальна техніка, завдяки якій здійснюється керування величезною кількістю виробничих процесів.

     В даній курсовій роботі розглянуто електричне та магнітне поле, а також закони і досліди які описують і дають  змогу наочно дослідити ці явища. Також подано приклади лабораторних робіт які проходять учні середніх шкіл.

 

      Роділ 1: Електричне поле

     1.1 Види взаємодій 

     Поняття «взаємодія» надзвичайно багатозначне. З погляду філософії ця категорія  являє собою одну із загальних  форм взаємозв’язку між явищами. її суть полягає у зворотному впливі одного предмета чи явища на інше. Отож взаємодія відтворює процеси впливу об'єктів один на одного, їх взаємну зумовленість і породження одним об'єктом іншого. Фундамента́льні взаємоді́ї або Фундаментальні сили — різні типи взаємодії, що не зводяться одна до одної, елементарних частинок і складених з них тіл. На сьогодні достовірно відоме існування чотирьох фундаментальних взаємодій: гравітаційної, електромагнітної, сильної і слабкої взаємодій. Ведуться пошуки інших типів взаємодій, як в явищах мікросвіту, так і на космічних масштабах, проте поки існування якого-небудь іншого типу взаємодії не знайдено.

     У фізиці причиною зміни руху тіл є  сила . Досліджуючи оточуючий нас світ, ми можемо помітити безліч найрізноманітніших сил: сила тяжіння, сила натягу нитки, сила стиснення пружини, сила, що виникає при зіткненні тіл, сила тертя, сила опору повітря, сила вибуху і т.д. Проте як тільки була з'ясована атомарна структура речовини, стало зрозуміло, що вся різноманітність цих сил є результатом взаємодії атомів один з одним. Оскільки атоми взаємодіють в основному через електростатичну взаємодію електронних оболонок, то, як виявилося, всі ці сили — лише різні прояви електромагнітної взаємодії. Єдине виключення — сила тяжіння, причиною якої є гравітаційна взаємодія між двома тілами, що володіють масою.

     Отже, до початку 20-го століття з'ясувалося, що всі відомі до того моменту сили зводяться до двох фундаментальних  взаємодій: електромагнітної і гравітаційної.

     В 1930-і роки з'ясувалося, що атоми містять всередині себе ядра, які у свою чергу складаються з нуклонів (протонів та нейтронів). Ясно, що ні електромагнітні, ні гравітаційні взаємодії не можуть пояснити, що утримує нуклони в ядрі. Було постульовано існування нової фундаментальної взаємодії: сильної взаємодії. Проте надалі виявилося, що і воно здатне пояснити не всі явища в мікросвіті, зокрема, не було зрозуміло, що примушує розпадатися вільний нейтрон. Так було постульовано існування слабкої взаємодії, і як виявилося, цього достатньо для опису всіх взаємодій, що дотепер спостерігалися в мікросвіті.

     Електромагні́тна  взаємоді́я — найбільш досліджена з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій. Поширюється у формі електромагнітного поля, що складається з векторних безмасових квантів — фотонів. Завдяки нульовій масі фотонів взаємодія є далекодіючою; прикладом електромагнітної взаємодії на великій відстані є прийом випромінювання галактик і квазарів на відстанях у мільярди світлових років. В електромагнітній взаємодії беруть участь кварки і лептони, що мають електричний заряд.

     Електромагнітною  взаємодією зумовлено більшість  явищ у світі, який оточує людину. Електромагнітна  взаємодія відповідає за притягання електронів до ядер атомів, а тому відповідає за формування атомів та молекул і  за їхні властивості. Проявом електромагнітної взаємодії є також світло - потік фотонів.

     Електромагнітна взаємодія друга за інтенсивністю  з фундаментальних взаємодій  і слабша лише від сильної взаємодії, яка, однак має короткий радіус дії. Вона набагато сильніша за слабку взаємодію та гравітацію. Особливістю електромагнітної взаємодії проте є те, що електричні заряди бувають двох знаків, а тому можуть як притягатися, у випадку різнойменних зарядів, так і відштовхуватися, у випадку однойменних зарядів. Цим електромагнітна взаємодія суттєво відрізняється від гравітаційної, яка завжди має характер притягання. Завдяки існуванню двох типів зарядів більшість тіл у навколишньому світі електрично нейтральні, в той час як великі маси створюють великі сили тяжіння, незважаючи на слабкість гравітаційної взаємодії.

     На  сучасному етапі розвитку фізики існує теорія електро-слабкої взаємодії, яка об'єднує ці два типи взаємодії  в єдине поле.

     Слабка́ взаємоді́я — одна з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій між елементарними частинками поряд із гравітаційною, електромагнітною і сильною. Найбільш відомим її проявом є бета-розпад і пов'язана з ним радіоактивність. Взаємодія названа слабкою, оскільки напруженість відповідного їй поля в 1013 менша, ніж у полів, що утримують разом ядерні частинки (нуклони і кварки) і в 1010 менша за кулонівську на цих масштабах, проте значно сильніша ніж гравітаційна. Взаємодія має короткий радіус дії і проявляється лише на відстанях порядку розміру атомного ядра. Взаємодія проявляється між деякими елементарними частинками. Вважається, що вона є характерна для кварків і лептонів, включно з нейтрино. Частинками-переносниками слабкої взаємодії є W- і Z-бозони - дуже масивні елементарні частинки з масами порядку десятків мас протона.

     Першу теорію слабкої взаємодії запропонував Енріко Фермі у 1930. При розробці теорії він використав гіпотезу Вольфганга Паулі про існування нової на той час елементарної частинки нейтрино.

     Сильна  ядерна взаємодія була вперше описана японським вченим-фізиком Хідекі Юкава в 1935 з використанням обмінних частинок - мезонів. Ця є найпотужніша з взаємодій. Однак, вона проявляється на малих відстанях (10-15 м, відстані співмірні з розміром ядра атома), пов'язує разом кварки для утворення адронів, а також пов'язує протони і нейтрони в ядрі атома. Частинкою-носієм сильної ядерної взаємодії відповідно до сучасних уявлень є глюон, їх всього 8 типів, кожен з яких має нульову масу (маса спокою) і нульовий заряд. На відміну від обмінних частинок інших взаємодій, глюони можуть взаємодіяти один з одним через інший глюон.

     Гравітаційна  взаємодія або гравітація — властивість тіл із масою притягуватись одне до одного. Гравітаційна взаємодія найслабша із фундаментальних взаємодій, однак її характерною особливістю є те, що тіла, які мають масу, завжди притягаються одне до одного. Притягання дуже великих мас в астрономічних масштабах створює значні сили, завдяки яким світ є таким, яким людина його знає. Зокрема, гравітація є причиною земного тяжіння, внаслідок якого предмети падають додолу. Законами гравітації визначається рух Місяця навколо Землі і Землі та інших планет навколо Сонця. Це найменш вивчена на сьогодні взаємодія. 

 

      1.2 Електризація тіл 

     На  морських узбережжях Греції, Прибалтики інших країнах люди досить часто  знаходили прозорі камінці, які  містили в собі рештки різних комах. Як згодом з’ясувалося, це була скам’яніла смола хвойних порід дерев, що росли там багато тисяч років тому. Сьогодні ми називаємо цю смолу – бурштином (рос. янтарь).  Ці камінці чудово горіли і піддавалися обробці нескладним інструментом. Інколи море настільки багато виносило їх на берег, що їх використовували як паливо. Давньогрецький філософ Фалес Мілетьський свідчить, що в Греції з бурштину виготовляли інструменти для ткацьких верстатів. Працюючи з вовною, ткалі помічали, що при тривалій роботі до бурштинових деталей налипає дуже багато ворсинок із вовни та інструмент доводиться досить часто очищати. Грецькою мовою бурштин – ήλεκτρον «електрон». З повсякденного життя ми добре знаємо, що після розчісування сухого волосся пластмасовим гребінцем останній набуває властивості притягувати до себе ворсинки, клаптики паперу, волосся. Аналогічної властивості набуває ебонітова паличка в результаті тертя об вовну або паличка з оргскла, якщо її потерти об шовк чи папір (рис. 1.1).