Методика вивчення теми ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ

4. Методика вивчення основних питань теми

Вивчення електромагнітних хвиль доцільно почати з повторення питань щодо взаємозв’язку електричних і магнітних полів, які вже розглядалися в попередніх класах. Звертають увагу на те, що:

- Заряджені тіла мають електричне поле. Якщо вони нерухомі в даній системі відліку, то їх поле залишається незмінним у часі.

- Рух заряджених частинок у системі відліку, у якій їх середня упорядкована швидкість стала, пов’язаний з магнітним полем.

- Змінне магнітне поле завжди пов’язане з вихровим електричним полем, модуль вектора напруженості якого може бути сталим або змінним у часі в залежності від того як змінюється магнітне поле – рівномірно чи нерівномірно.

- Оскільки у випадку, коли заряджені тіла чи частинки нерухомі (рухаються рівномірно), напруженість електричного й індукція магнітного полів у часі не змінюються, електромагнітна хвиля виникнути не може.

Проведений аналіз дозволяє зробити висновок: поширення електромагнітного поля у просторі можливе за наявності змінних у часі електричних і магнітних полів.

Щоб розглянути процес утворення електромагнітної хвилі на якісному рівні, не звертаючись до рівнянь Максвелла, пригадують явище електромагнітної індукції і з’ясовують, що відповідно до ідей Максвелла у загальному випадку явище електромагнітної індукції зводиться до того, що змінне магнітне поле нерозривно пов’язане з вихровим електричним полем. Потім розповідають про узагальнення, зроблене Максвелом: магнітне поле може породжуватися не тільки рухомими електричними зарядами (струмами провідності), але й змінними в часі електричними полями (струмами зміщення).

Слід зазначити, що до середини XІХ ст. був накопичений великий емпіричний матеріал: досліди й концепція Фарадея, закони Кулона, Ампера. Найбільшою заслугою Максвелла є теоретичне узагальнення цього матеріалу. Теорія Максвелла показує: електричні поля пов’язані або з електричними зарядами, або з магнітними полями, що змінюються в часі. Збурення електромагнітного поля, що виникло, поширюється в просторі від однієї точки до іншої у вигляді електромагнітної хвилі зі скінченною швидкістю, яка дорівнює швидкості світла.

Як матеріальний об’єкт, електромагнітне поле у вакуумі може бути охарактеризовано двома величинами – напруженістю електричного поля й індукцією магнітного поля. Особливий акцент потрібно зробити на матеріальність електромагнітного поля. Підтвердження цього може бути здійснене при вивченні радіозв’язку, телебачення і радіолокації.

Пояснюючи цей матеріал необхідно зупинитися на питанні про принцип відносності в електромагнетизмі: будь-який електричний заряд створює електричний струм у тій системі відліку, відносно якої він рухається чи яка рухається відносно нього. У системі відліку, у якій його швидкість дорівнює нулю, магнітне поле не виявляється. Тому магнітне поле і його характеристики відносні. Крім магнітного поля навколо рухомого заряду існує електричне поле, напруженість якого також залежить від вибору системи відліку. Те ж саме можна сказати про поле постійного магніту чи витка зі струмом. Тільки у випадку, коли носії заряду рухаються з прискоренням, виникає електромагнітна хвиля, яка описується двома векторами поля в усіх системах відліку.

У процесі з’ясування механізму випромінювання електромагнітних хвиль учні засвоюють найважливіше положення: можливість існування змінного електромагнітного поля незалежно від зарядів і струмів за рахунок взаємопов’язаної зміни в часі електричних і магнітних полів.

При розгляді процесу поширення електромагнітних хвиль важливо, щоб учні засвоїли наступні положення:

- навколо джерела електромагнітних хвиль відбувається періодична зміна характеристик електричних і магнітних полів (векторів напруженості й індукції);

- амплітуди коливань енергії електричних і магнітних полів у кожній точці однакові, а коливання векторів і збігаються за фазою;

- напрямки коливань векторів і взаємно перпендикулярні, а також перпендикулярні напрямку поширення хвилі, що дозволяє зробити висновок про поперечність електромагнітних хвиль;

- електромагнітні хвилі можуть поширюватися як у вакуумі, так і в речовині;

- швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі дорівнює 300000 км/с;

З’ясовуючи такі характеристики електромагнітних хвиль як довжина, період, частота варто повернутися до визначення поняття довжини хвилі, яке було введене для механічних хвиль. Визначивши довжину хвилі як відстань між двома найближчими точками, які коливаються в однаковій фазі, підводять учнів до висновку, що відстань між ними відповідає зміні фази хвилі на чи зміні часу коливання на період Т. Звідси випливає, що довжина хвилі може бути визначена так: λ=cT , або λ=c/v .

Учнів необхідно познайомити з історією виявлення електромагнітних хвиль в експерименті, розповівши про досліди Г. Герца (1887-1891 рр.) з генерації, прийому й дослідження властивостей електромагнітних хвиль. Повідомлення про роботи Г. Герца можуть зробити учні, які побажають самостійно опрацювати цей матеріал.

З’ясування властивостей електромагнітних хвиль здійснюється на основі демонстраційних дослідів з генератором сантиметрових хвиль. При цьому необхідно врахувати, що за діючою програмою дифракція, інтерференція, поляризація, властиві хвильовому руху, детальніше розглядаються на прикладі електромагнітних хвиль і, зокрема, хвиль оптичного діапазону.

Політехнічна спрямованість теми особливо проявляється під час ознайомлення учнів з принципами радіопередачі і радіоприйому. На уроках фізики повинні бути розглянуті лише фізичні принципи будови і дії радіотехнічних пристроїв, які забезпечують радіомовлення, телебачення і радіолокацію.

Щоб учні краще зрозуміли роботу радіопередавача і радіоприймача, слід проаналізувати їхні блок-схеми, визначити функціональне призначення окремих частин блок-схеми радіомовлення.

Програма не передбачає теоретичного аналізу процесу перетворення сигналів на всіх етапах проходження по радіомовному тракту, – це виходить за рамки можливостей загальноосвітнього курсу. Тому основу викладу складає навчальний експеримент – демонстрації на уроці й вивчення радіоприймача під час проведення лабораторного практикуму.

Як відомо, у радіотехніці застосовується кілька видів модуляції: амплітудна, частотна, фазова й інші.

Найбільш простою для пояснення і демонстрації є амплітудна модуляція. Її і варто розглянути, хоча на практиці все ширше застосовується частотна модуляція. Пояснюють принцип амплітудної модуляції, використовуючи відповідні схеми і малюнки. При зміні амплітуди модулюючого сигналу змінюється глибина модуляції. Паралельно з розповіддю демонструють модуляцію коливань за допомогою осцилографа [25, с.153].

При розгляді схеми найпростішого радіоприймача важливо пояснити, що такий приймач має недолік: при великих радіочастотах (коротких хвилях) не можна одержати значне посилення сигналу. Тому такі приймачі можуть приймати тільки близькі радіостанції, що працюють на довгих та середніх хвилях. На прикладі простого детекторного приймача розглядається і процес демодуляції.

Вивчення питань, пов’язаних з телебаченням, доцільно перенести в тему “Кванти світла. Дії світла”, оскільки принцип телебачення базується на двох ефектах: фотоефект і радіохвилі. Принцип передачі зображення на відстань принципово не відрізняється від передачі інших видів інформації. А перетворення оптичного зображення в електричні сигнали базується на явищі фотоефекту. Тому телебачення можна назвати лише як приклад передачі певного виду інформації.

До вивчення оптичних явищ можливі різні підходи. Відповідно до структури традиційної програми матеріал вивчається в історичній послідовності. Спочатку викладається геометрична оптика, потім основи хвильової теорії світла, далі вводиться поняття про його електромагнітну природу, а потім розглядаються квантові властивості світла.

Сучасна методика передбачає вивчення матеріалу не в історичній послідовності, а відповідно до паралельно-єдиного підходу, коли учнів відразу вводять у коло сучасних уявлень про те, що світло – це електромагнітна хвиля. При такому підході прогнозуються явища, з’ясовуються умови їх спостереження, що і перевіряється засобами навчального експерименту. Такий підхід більш ефективний як з наукової, так і з методичної точки зору, відкриває великі можливості для створення проблемних ситуацій і їхнього розв’язання на основі теоретичних міркувань та подальшої перевірки за допомогою навчального експерименту.

Після вивчення основних ідей теорії Максвелла й ознайомлення з методами випромінювання і прийому радіохвиль учнів знайомлять з дослідами з визначення швидкості світла. Співставлення результатів дослідів з визначення швидкості світла та висновків з теорії Максвелла дозволяють говорити про те, що світло є теж електромагнітною хвилею. Далі розглядаються властивості електромагнітних хвиль і світлові явища, які можна пояснити хвильовою природою світла: відбивання і заломлення електромагнітних хвиль (у тому числі світлових) на межі поділу двох різних середовищ, їх інтерференція, дифракція, дисперсія, поляризація.

Вивчення явищ відбивання і заломлення електромагнітних хвиль може бути організоване на основі дедуктивного підходу.

1. Спираючись на досліди Г. Герца та принцип Гюйгенса теоретично з’ясовують особливості поведінки хвиль на межі поділу двох середовищ. Звертають увагу учнів на те, що взаємодіючи з речовиною електромагнітна хвиля спричинює коливання заряджених частинок, які входять до складу кожної речовини. Ці частинки стають джерелами нових сферичних хвиль.

2. Використавши принцип Гюйгенса, розглядають явища поширення хвилі після відбивання та заломлення.

Враховуючи, що швидкість поширення падаючої та відбитої хвилі в одному й тому ж середовищі однакові, скориставшись геометричною побудовою [18, с. 138], показують, що в разі відбивання електромагнітної хвилі на межі двох середовищ кут її відбивання дорівнює куту падіння.

З’ясовуючи причини заломлення електромагнітних хвиль, звертають увагу на те, що швидкість хвилі в різних середовищах може бути різною. Аналізуючи за допомогою геометричної побудови поширення хвилі після падіння на межу двох різних середовищ приходять до висновку, що на межі двох середовищ відбувається її заломлення і показують, що

На основі цього співвідношення вводять поняття відносного і абсолютного показників заломлення та формулюють закон заломлення електромагнітних хвиль.

3. За допомогою демонстраційного експерименту проводять перевірку встановлених законів для випадку світлових хвиль та хвиль радіодіапазону.

4. Розглядають прояви й застосування в техніці відбивання (дзеркала, радіолокація) та заломлення електромагнітних хвиль (плоско-паралельна пластинка, призма, лінзи).

5. Застосовуючи закон заломлення світла до випадку поширення світла на межі двох середовищ з оптично більш густого у менш густе, з’ясовують явище повного внутріш¬нього відбивання та його застосування в оптоволоконнійтехніці.

Геометрична оптика розглядається як граничний випадок хвильової оптики і використовується при з’ясуванні принципів дії найпростіших оптичних приладів: плоско-паралельної пластинки, призми, лінз на основі поняття світлового променя та відповідних законів відбивання та заломлення світла.

Паралельно-єдиний підхід застосовується й під час вивчення явищ інтерференції дифракції, дисперсії та поляризації електромагнітних хвиль.

Розглядаючи інтерференцію електромагнітних хвиль спочатку з’ясовують, щодо електромагнітних хвиль, які є змінним електромагнітним полем, може застосовуватися принцип суперпозиції. Поширюючись у просторі, електромагнітні хвилі, наприклад світлові, не впливають одна на одну. Про це свідчать результати спостереження перетину двох світлових пучків. Проте, за певних умов, у результаті накладання хвиль може виникати стійка в часі картина посилення й послаблення результуючих світлових коливань у різних точках простору. У цьому можна переконати учнів, проаналізувавши дію біпризми Френеля та провівши відповідні досліди [10, с.188]. Після цього вводять поняття когерентних хвиль та з’ясовують умови максимумів і мінімумів: та . Далі розглядають прояви цього явища в природі та його застосування.

Одним з вагомих доказів хвильової природи світла є явище дифракції – заходження світла в геометричну тінь. Причину дифракції пояснюють на основі принципу Гюйгенса. Важлива роль у вивченні явища дифракції належить демонстраційному експерименту. Використання лазера дозволяє одержати чіткі картини явища дифракції на щілині, тонкій нитці, спостерігати пляму Пуассона.

Суттєва увага при дифракції світла приділяється будові й дії дифракційної ґратки. Розглянувши хід променів у дифракційній ґратці та врахувавши умови інтерференційних максимумів, одержують формулу дифракційної гратки:

Дисперсія світла є наслідком того, що швидкість поширення електромагнітної хвилі в середовищі залежить не тільки від властивостей цього середовища, а й від довжини самої хвилі. Відповідно, абсолютний показник заломлення, наприклад, для світлових хвиль різної довжини – різний. Вивчення явища дисперсії можна здійснювати по різному: на основі історичного підходу, або поклавши в основу ознайомлення з явищем дисперсії демонстраційний експеримент. За наслідками експерименту можна зробити висновок про залежність показника заломлення від довжини світлової хвилі.

Розглядаючи поляризацію електромагнітних хвиль, звертають увагу на те, що поляризацію хвилі можна виявити за допомогою радіоприймача з антеною. Світло – електромагнітна хвиля, проте, у звичайному природному світлі вектори і хоч і коливаються перпендикулярно напрямку поширення хвилі у взаємно перпендикулярних площинах, положення цих площин увесь час змінюється. Далі учнів знайомлять із джерелами і методами одержання поляризованого випромінювання та його виявлення за допомогою оптично анізотропних кристалів. Легко можна продемонструвати і поляризованість лазерного променя. за допомогою поляроїда. Розмістивши його упоперек променю та п овертаючи його в цій площині, спостерігають на екрані зменшення та збільшення інтенсивності світлового пучка.

5. Типові задачі

Закріплення вивченого матеріалу та формування вмінь застосовувати одержані в темі знання здійснюють шляхом розв’язування якісних та кількісних задач таких типів:

На поширення електромагнітних хвиль, визначення їх характеристик

На якій відстані від антени радіолокатора перебуває об’єкт, якщо відбитий від нього радіосигнал повернувся назад через 200 мкс?

На поширення хвиль світлового діапазону на межі поділу середовищ

Під яким кутом повинен падати промінь на скло, щоб заломлений промінь був перпендикулярний до відбитого?

На використання закономірностей, які визначають хвильові властивості світла

Щоб визначити період дифракційної ґратки, на неї спрямували світловий пучок крізь червоний світлофільтр, який пропускає промені з довжиною хвилі 0,76 мкм. Який період має гратка, якщо на екрані, віддаленому від неї на 1 м, відстань між спектрами першого порядку дорівнює 15,2 см?

6. Організація контролю та обліку знань учнів

Тема включає значний обсяг матеріалу, який має бути засвоєний на рівні розуміння явищ і особливостей процесів їх особливостей. Це – виникнення і поширення електромагнітних хвиль; одержання хвиль радіодіапазону, їх випромінювання та прийом; хвильові процеси поширення світла (інтерференція, дифракція, дисперсія, поляризація. Рівень засвоєння цього матеріалу доцільно проконтролювати шляхом усного опитування учнів.

Рівень сформованості практичних вмінь і навичок використання одержаних знань для розв’язування задач можна перевірити, самостійні роботи на розв’язування задач після вивчення законів відбивання та заломлення світла, хвильових властивостей світла. Протягом вивчення теми доцільно також провести дві контрольні роботи: 1) після вивчення електромагнітних хвиль радіодіапазону, явищ відбивання і заломлення хвиль та їх законів; 2) після вивчення явищ інтерференції, дифракції, поляризації світлових хвиль.

Питання для самоконтролю

1. Які основні завдання стоять перед вивченням теми «Електромагнітні хвилі»?
2. На які особливості, обумовлені змістом навчального матеріалу теми, повинен звертати увагу вчитель, організовуючи вивчення цієї теми?
3. Які основні структурні частини теми «Електромагнітні хвилі» та послідовність їх вивчення?
4. Який зміст демонстраційного та лабораторного експерименту під час вивчення теми, його роль у формуванні понять?
5. На які основні питання необхідно звернути увагу учнів під час формування поняття електромагнітної хвилі?
6. Які властивості електромагнітних хвиль вивчаються в темі?
7. Які методичні підходи можуть бути використані при вивченні хвильових явищ оптичного діапазону?
8. Які вміння мають бути сформовані при вивченні теми?
9. Які види контролю і оцінювання навчальних досягнень учнів можуть бути застосовані в процесі вивчення теми?

Попередня сторінка На початок сторінки Наступна сторінка


































© 2003-2019 Методика навчання фізики в середній школі | Хостинг: RCHosting