Методика вивчення теми ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ
ЕЛЕКТРОДИНАМІКА
Лекція 8.
Методика вивчення теми “ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ”
1. Науково-методичний аналіз змісту і структури теми Вивчення теми „Електричне поле” слід розглядати як важливий етап у формуванні уявлень про електромагнітне поле і як перший крок в ознайомленні з електромагнітною теорією Д. Максвелла. Основне завдання теми – дати учням науково-достовірні знання про електричний заряд, електричне поле і його характеристики.
Первинне знайомство з поняттями електричного поля та електричного заряду здійснюється в основній школі в темі „Електричні явища”. У старшій школі початкові уявлення про електричне поле, які були сформовані на першому ступені навчання на якісному рівні, суттєво розширюються і поглиблюються введенням кількісних його характеристик.
У змісті теми можна виділити чотири основні групи питань: 1. Поняття електричного заряду. Властивості електричного заряду. Закон збереження електричного заряду. Закон Кулона. 2. Електричне поле та його характеристики: а) напруженість поля (лінії напруженості, принцип суперпозиції полів); б) робота поля під час переміщення заряду, потенціал, різниця потенціалів. Речовина в електричному полі. 3. Ектроємність. Ємність плоского конденсатора. 4. Енергія електричного поля.
2. Основні поняття теми та їх науково-методичний аналіз
Основними поняттями теми є електричний заряд та електричне поле. Іншими важливими поняттями є напруженість та лінії напруженості електричного поля, потенціал електричного поля, різниця потенціалів, електроємність.
Поняття електричного заряду є одним із фундаментальних понять електродинаміки, формуванню якого слід приділити особливу увагу. У сучасній фізиці не існує означення електричного заряду, яке б зводилось до простіших понять, тому формувати уявлення про нього слід поступово, разом з уведенням поняття електричного поля.
Електричний заряд означають як джерело електромагнітного поля, пов’язане з матеріальним носієм, та як внутрішню характеристику елементарної частинки, що визначає її електромагнітну взаємодію [33, с. 864].
Перш за все, необхідно досягти розуміння того, що електричний заряд характеризує властивість частинок матерії певним чином взаємодіяти з електромагнітним полем.
Ця взаємодія особлива – її інтенсивність у 1039 разів більша, ніж гравітаційної. Далі на основі демонстраційного експерименту слід розглянути такі властивості електричного заряду, як подільність, дискретність, інваріантність та його збереження у замкнених системах. Також, необхідно на основі досліду Міллікена ввести поняття елементарного заряду.
У ході формування уявлень про електричні заряди та їх взаємодію, значну увагу слід приділити фундаментальним фізичним дослідам – Кулона та Міллікена, оскільки вони відіграють базову роль не лише в науці, а й у навчанні.
Уведення поняття електричного поля базується на понятті близькодії: електричні заряди взаємодіють не безпосередньо, а через „посередника”, яким виступає особливий вид матерії – електричне поле. Оскільки дати компактне і вичерпне означення електричного поля, як й електричного заряду, неможливо внаслідок його первинності, на даному етапі слід обмежитись таким формулюванням: електричне поле – це особливий вид матерії, за допомогою якого здійснюється взаємодія між тілами, що мають електричний заряд.
Необхідно пам’ятати, що введення поняття статичного електричного поля та його характеристик слід здійснювати у контексті формування уявлень про єдине електромагнітне поле, тому слід звернути увагу на ретельне з’ясування його властивостей: матеріальність, дію на електричні заряди, нескінченність, потенціальність, велику швидкість поширення, енергію.
3. Навчальний фізичний експеримент
Демонстрації
Будова і дія електрометра [9, с. 190); закон Кулона [9, с. 197; 24, с. 20); електричне поле заряджених кульок [9, с.199; 24, с. 23); електричне поле двох заряджених пластин [9, с. 199; 24, с.24); провідники в електричному полі [9, с. 192; 24, с. 25); будова і дія конденсаторів постійної і змінної ємності [9, с. 205; 24, с. 28 ); залежність ємності конденсатора від площі пластин, відстані між ними та діелектричної проникності середовища [9, с. 204; 35, с. 145]. Енергія зарядженого конденсатора [9, с. 209; 35, с. 151; 24, с.33).
Демонстраційний експеримент з теми „Електричне поле” в цілому добре розроблений, але організація його має низку специфічних особливостей: 1) обладнання повинно бути заздалегідь підготовленим, вичищеним від пилу і бруду та просушеним (наприклад, за допомогою конвектора); 2) вологість у приміщенні кабінету фізики повинна бути якнайнижчою; 3) демонстрації з цієї теми вимагають дуже ретельної підготовки (особливо це стосується демонстрації закону Кулона): на демонстраційному столі не повинно бути зайвих приладів, металеві корпуси приладів, штативи повинні бути заземленими; 4) під час проведення дослідів з електростатики слід час від часу знімати статичний заряд з тіла демонстратора (шляхом дотикання до провідників заземлення); 5) у випадку неможливості створення в навчальному приміщенні належних умов, демонстрацію закона Кулона варто здійснити за допомогою віртуальної моделі.
Комп’ютерне моделювання є доречним і при ознайомленні з дослідами Йоффе та Міллікена.
Виконання фронтальних лабораторних робіт у ході вивчення теми програмою середньої школи не передбачене. Лабораторні роботи з даної теми можливі під час виконання фізичного практикуму, наприклад з визначення ємності конденсатора, вивчення паралельного та послідовного з’єднання конденсаторів, або залежності енергії конденсатора від його параметрів.
