Электродинамика как теория - ЭЛЕКТРОДИНАМИКА КАК ТЕОРИЯ - ОПТИКА

Задачи урока: подвести итоги изучения нескольких разделов курса физики 10 и 11 классов, показать единую природу изученных явлений; систематизировать и обобщить основной материал; раскрыть общечеловеческую значимость открытий и исследований в области электродинамики, показать роль электродинамики в развитии техники и технологий.

План урока

Этапы урока	Время, мин	Приёмы и методы
I. Введение. Постановка задач урока II. Обобщение знаний электродинамики III. Общие выводы. Домашнее задание	3—5 30 5	Сообщение учителя. Беседа
		Коллективная работа. Беседа. Записи на доске и в тетрадях. Работа с учебником
		Выделение главного с помощью вопросов

I. В 10 и 11 классах мы изучали довольно много тем, которые в науке входят в содержание электродинамики. Называют эти темы. В каждой теме обычно изучалось несколько физических явлений. Вспоминают наиболее существенные из них. (Электрическое и магнитное поля, действие полей на заряды, электрический ток, электромагнитная индукция, электромагнитные и световые волны, взаимодействие волн с веществом и др.) Каждое из этих явлений обладает своими особенностями, описывается вводимыми моделями, физическими величинами, законами. Природа всех указанных явлений одна — электромагнитное взаимодействие, которое имеет две стороны: а) заряды как объекты взаимодействия и одновременно источники поля; б) процесс взаимодействия — электромагнитное поле. При решении задач выделяют просто объект изучения — поле, действие поля на заряды (вещество), взаимодействие объектов (зарядов и токов) с помощью полей.

Учебная проблема урока — из всех изученных знаний выделить главные, фундаментальные знания электродинамики.

II. В физике электродинамика представляет собой систему знаний в форме физической теории, т. е. эти знания имеют определённую структуру. Ранее мы уже встречались со структурой теории: основание, ядро, следствия (выводы).

1. В простом варианте на качественном уровне систематизация знаний электродинамики как теории выполнена в таблице 34. Конечно, на самом деле фундаментальные законы электродинамики имеют строгую математическую форму: они представляют собой дифференциальные уравнения, получившие название уравнений Максвелла; но в школе их не изучают.

Следствия из законов электродинамики так обширны, что многие из них представляют собой целые разделы физики или техники. Например, ранее в таблице 29 были перечислены области использования света. Хотя мы редко задумываемся о том, что жизнь современного общества в прямом смысле без света невозможна. (Конкретизируем примерами пункты таблицы 29.)

Таблица 34

Электродинамика как теория
Основание
Объекты изучения	Электромагнитные поля. Электромагнитные волны. Электрические заряды
Экспериментальные факты	Взаимодействие электрических зарядов. Взаимодействие токов. Действие электрического тока на магнитную стрелку и др.
Идеализированные объекты	Точечный заряд. Свободные электроны. Электронный газ. Однородное электрическое поле. Монохроматическая электромагнитная волна (и ряд других)
Фундаментальные понятия	Электрический заряд. Электромагнитное поле. Электромагнитная волна
Физические величины	Напряжённость. Магнитная индукция. Сила тока. Напряжение. Сопротивление проводника. Энергия поля. Скорость, частота и длина волны
Ядро теории
Законы	Сохранение энергии, импульса, заряда замкнутой системы
• Покоящиеся и движущиеся заряды образуют электрическое поле, силовые линии которого начинаются и заканчиваются на зарядах • Движущиеся электрические заряды порождают магнитное поле, силовые линии которого охватывают линии тока • В природе нет магнитных зарядов; магнитные силовые линии замкнуты • Переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, силовые линии которого замкнуты и охватывают линии магнитной индукции • Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, силовые линии индукции которого замкнуты и охватывают линии напряжённости электрического поля
Фундаментальные постоянные	Скорость электромагнитных волн. Заряд и масса электрона. Электрическая постоянная. Магнитная постоянная
Выводы Теоретические следствия	Расчёты излучения электромагнитных волн. Предсказание существования электромагнитных волн. Расчёты электрических цепей. Выяснение природы света (и многое другое)
Технические применения	Радиосвязь. Телевизионная связь. Получение, передача и потребление электроэнергии. Оптические приборы (и многое другое)

2. Итак, основным объектом изучения электродинамики является электромагнитное поле. Это сложный объект. В разных случаях оно проявляется по-разному, в виде разных полей: электростатического (электрического), магнитного, стационарного электрического, вихревого электрического, переменного электрического. В таблице 35 перечислены наиболее типичные физические явления, существование (причина) которых связано с соответствующим полем. В таблице 36 свойства электромагнитного поля сравниваются со свойствами вещества.

Таблица 35

Поле	Типичные физические явления
Электростатическое (электрическое)	Взаимодействие электрических зарядов. Электризация тел. Заземление
Магнитное (магнитостатическое)	Взаимодействие постоянных магнитов: отталкивание и притяжение. Взаимодействие токов. Действие поля на движущийся заряд
Стационарное электрическое	Постоянный электрический ток. Магнитное поле постоянного тока. Нагревание проводников
Переменное магнитное	Возникновение вихревого электрического поля. Переменный электрический ток в проводнике
Вихревое электрическое	Возникновение переменного магнитного поля. Переменный электрический ток в контуре
Переменное электрическое ( изменяется по гармоническому закону)	Переменный электрический ток. Трансформация переменного электрического тока
Электромагнитное	Электромагнитные волны. Радиоволны. Световые волны

Таблица 36

Свойства поля и вещества

Общие	Различные
Вид материи, реально существуют	Вещество локализовано в пространстве, поля нет
Обладают массой и энергией	Тела между собой взаимодействуют, поля нет
Присущи волновые и корпускулярные свойства	Несколько полей могут быть в одной области пространства, вещества нет
Общие законы — законы сохранения	Поля не могут служить телом отсчёта
Взаимосвязь поля и вещества: взаимодействие тел с помощью полей; источники поля — вещество; на микроуровне поле и вещество едины — микрочастицы	Скорость распространения электромагнитных волн постоянная и максимальная; тела могут иметь скорость в пределах с > v ≥ 0

При познании объектов и явлений учёные строят их модели. Принципиально важно, что один и тот же объект природы может в зависимости от задач познания моделироваться по-разному. Вопрос: какие модели электромагнитного поля мы изучали? (Ответ. Однородное магнитное поле, однородное электрическое поле, силовые линии поля, статические поля, гармоническая волна, световой луч и др.) В моделях фиксируются знания об объекте, но при этом все модели имеют границы применимости.

По мере развития знаний одни модельные представления сменялись другими. Приводят примеры. (Модель, или механизм, взаимодействия “близкодействие” сменила модель “дальнодействие”, корпускулярная модель света сменилась волновой и т. д.)

3. Научные знания используются: а) для объяснения мира, что, в частности, выражается в построении физической картины мира; б) для улучшения жизни людей. Электродинамика внесла огромный вклад в материальную и духовную культуру общества. Расшифруем его. (Используются ранее приведённые таблицы, дополнительно можно использовать таблицу 37.)

Таблица 37

Электромагнитные волны в жизни человека

Быт Радио- и телесвязь Оптические приборы: зеркало, очки и др. Лампочки Дистанционное управление Приборы ночного видения

Физика человека Зрение Тепловое излучение Биологическое действие излучений

Медицина Ультрафиолетовое облучение, загар Рентгенодиагностика Лазерное излучение: скальпель, облучение и др.

III. Общий итог подводится при обсуждении вопросов: какие основные физические объекты изучались в электродинамике? Какие типичные явления мы рассматривали? Какие характеристики электромагнитного поля вы запомнили? Какие законы поведения электромагнитного поля вам известны? Есть ли границы применимости законов электродинамики? Назовите их, например, для кулоновского взаимодействия зарядов.

Домашнее задание: подготовка к зачёту; основная часть заданий теста (на “удовлетворительно”) может быть заранее вывешена в кабинете физики.

Урок 5*. Зачёт (контрольная работа)

Рекомендуем использовать тесты по материалам тем “Колебания и волны”, “Оптика”.