Методика вивчення теми “ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ”
Методика вивчення теми “ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ”
1. Науково-методичний аналіз структури та змісту теми
Тема “Електромагнітні коливання” – одна з найскладніших для сприйняття учнями, оскільки вимагає комплексного застосування всіх раніше здобутих знань, досить високого рівня розвитку абстрактного мислення учнів, належної математичної підготовки. Але це й одна з найцікавіших тем курсу. Тема дозволяє узагальнити вивчений раніше матеріал про коливання, надає широкі можливості для творчості вчителя, його самореалізації й залучення до творчості учнів.
Особливості методики вивчення теми “Електромагнітні коливання” обумовлені: - значенням вчення про електромагнітні коливання для сучасної фізики і техніки; - світоглядною роллю теми як важливої ланки у формуванні природничо-наукової картини світу; - місцем теми в системі курсу фізики та тими завданнями, які мають бути розв’язані в процесі її вивчення.
У змісті теми реалізовано єдиний підхід до вивчення коливань і хвиль різної природи.
У його основу покладено те, що механічні і електромагнітні коливання різної природи мають однакові закономірності і описуються однаковими диференціальними рівняннями.
Такий підхід, дає змогу полегшити сприйняття й засвоєння учнями навчального матеріалу, дозволяє використати сучасний фізичний експеримент і, разом з тим, з’ясувати відмінності в природі механічних і електромагнітних коливань.
У темі можна виділити такі взаємопов’язані і логічно завершені частини: вільні коливання, автоколивання, вимушені коливання, виробництво, передавання і використання електроенергії (див. структурно-логічну схему).
Основні завдання, що стоять перед учителем під час вивчення теми.
- З’ясувати механізм виникнення вільних електромагнітних коливань та енергетичні перетворення в коливальному контурі.
- Сформувати уявлення про гармонічні коливання, їх ос¬новні характеристики та з’ясувати залежність частоти коливань у контурі від його параметрів.
- Познайомити учнів з автоколиваннями та автоколивальними системами, домогтися усвідомлення учнями принципу дії генератора незатухаючих коливань (на транзисторі) як автоколивальної системи.
- Сформувати уявлення про змінний струмом – один із найпоширеніших видів вимушених електромагнітних коливань.
- Дати поняття про резонанс в електричному колі та умови його виникнення, використання резонансу і запобігання йому.
- Ознайомити з промисловими способами виробництва, передавання та використання електроенергії. Сформувати знання про будову, принцип дії та призначення транс¬форматора. Ознайомити учнів із соціально-економічним значенням розвитку енергетики України. Розкрити екологічні та енергозберігаючі проблеми, що постають із розвитком енергетики, способи їх розв’язання. [34, с. 22]
Структурно-логічна схема теми
Серед особливостей теми можна виділити наступні
У залежності від рівня вивчення матеріалу та профілю класу переважаючими в організації навчальної діяльності учнів можуть бути обрані емпіричні чи теоретичні методи і, відповідно, індуктивний або дедуктивний підходи до з’ясування тих чи інших питань. Індуктивний підхід частіше використовується під час вивчення фізики у класах гуманітарного та універсального профілів, дедуктивний – ширше застосовується в класах з поглибленим вивченням фізики.
Незалежно від обраного підходу передбачається широке використання фізичного експерименту, який виступає не лише як джерело знань та критерій правильності одержаних теоретично висновків, а й знайомить з сучасними методами і засобами експериментальних досліджень (зокрема осцилоскопічним).
Використання аналогій між механічними та електромагнітними коливаннями. Учні на прикладі механічних коливань вже познайомилися з поняттями вільних і вимушених коливань та величинами, які їх характеризують. Це розширює можливості застосування аналогій, моделей, співставлень у процесі вивчення електромагнітних коливань. Учні зустрічаються з новими фізичними моделями – ідеальний коливальний контур, гармонічні електромагнітні коливання.
Широке використання міжпредметних зв’язків, зокрема з курсом математики (тригонометричні функції та їх графіки, похідні, гармонічні коливання, диференціальні рівняння та ін.).
Постійна опора на знання матеріалу вивчених раніше тем курсу фізики (внутрішньо предметні зв’язки), зокрема з темами “Електричне поле”, “Магнітне поле”, “Електромагнітна індукція”, “Механічні коливання”.
Використання енергетичного підходу та застосування закону збереження і перетворення енергії для пояснення процесів, що відбуваються в коливальних системах.
2. Основні поняття теми та їх науково-методичний аналіз
Серед найважливіших понять, які мають бути засвоєні під час вивчення теми вивчаються в темі можна виділити такі: електромагнітні коливання, вільні електромагнітні коливання, коливальний контур, автоколивання, вимушені електромагнітні коливання, період, частота, фаза електромагнітних коливань, змінний струм, діючі значення сили струму та напруги, активний, індуктивний та ємнісний опори, електричний резонанс
Електромагнітні коливання – періодичні або майже періодичні зміни заряду, сили струму, напруги.
Електричне коло, що складається з котушки і конденсатора називається коливальним контуром. Основними фізичними величинами, що характеризують коливальний контур (параметри контура), є його індуктивність, ємність та активний опір. Якби в контурах були відсутні втрати енергії, то коливання в них відбувалися б нескінченно довго. Такі коливання називають власними, а контури ідеальними. В коливальному контурі можуть відбуватися вільні електромагнітні коливання, які завжди є затухаючими внаслідок втрат енергії на нагрівання провідників, осердь, випромінювання в простір.
Поняття періоду, частоти, фази електромагнітних коливань уводять за аналогією з відповідними характеристиками механічних коливань.
Вимушені електромагнітні коливання – коливання сили струму, заряду та напруги в електричних колах; вони відбуваються під дією змінної ЕРС зовнішнього джерела струму.
Автоколивання – незатухаючі коливання, що підтримуються в коливальній системі за рахунок енергії джерела, надходження якої регулюється самою системою. Характер цих коливань визначається властивостями системи – генератора незатухаючих коливань.
Змінний струм – електричний струм, що змінюється з часом. У техніці під змінним струмом розуміють змінний струм, середнє за період значення сили струму і напруги якого дорівнює нулю. У середній школі на уроках фізики розглядають змінний струм, який протікає у колі внаслідок дії прикладеної до нього ЕРС, яка змінюється за гармонічним законом синуса або косинуса.
Навантаження, в якому вся енергія електричного струму перетворюється на інший вид енергії, називають активним навантаженням, а опір цього навантаження називають активним опором. Такі навантаження, в яких енергія не перетворюється на інші види, називають реактивними. Опори таких навантажень називають реактивними опорами. У колах змінного струму розрізняють індуктивні і ємнісні реактивні навантаження, а їх опори називають відповідно індуктивними чи ємнісними.
3. Навчальний фізичний експеримент
Програмами для профільних класів [34] при вивченні теми передбачено постановку, зокрема, таких демонстрацій:
Вільні електромагнітні коливання низької частоти в коливальному контурі [10, с.38; 25, с.59]. Залежність частоти вільних електромагнітних коливань від електроємності та індуктивності контуру [10, с.40; 25, с. 62]. Осцилограми змінного струму [10, с.43; 25, с. 67]. Незатухаючі електромагнітні коливання в генераторі на транзисторі [25, с. 87]. Електричний резонанс [10, с. 57; 25, с. 84; 36, с. 22]. Виникнення змінного струму під час обертання рамки в магнітному полі [10, с. 63; 25, с. 88]. Будова і принцип дії генератора змінного струму (на моделі) [10, с. 63 ; 25, с.89; 13, с.31]. Випрямлення змінного струму колектором та за допомогою діодів [10, с.66]. Будова і принцип дії трансформатора [10, с.67 ; 25, с.90]. Передача електроенергії на відстань за допомогою підвищувального та знижувального трансформаторів. [10, с.70; 25, с. 94].
Залежно від наявного у кабінеті фізики обладнання учитель може обирати різні варіанти постановки демонстрацій, розширити їх перелік.
Фронтальні лабораторні роботи передбачені лише в програмах з фізики для класів фізико-математичного профілю. Їх дві: “Вимірювання опору конденсатора в колі змінного струму” та “Вимірювання опору котушки у колі змінного струму”.
