Методика вивчення теми “ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ”
Методика вивчення теми “ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ”
1. Науково-методичний аналіз змісту та структури теми
Зміст теми “Електромагнітні хвилі” охоплює широке коло питань: електромагнітні хвилі та їх властивості, питання радіозв’язку, світлові хвилі та електромагнітні випромінювання різних довжин хвиль. Зміст теми (див. таблицю нижче) дозволяє реалізувати поставлені перед вивченням теми завдання, які за програмою [34] визначено так:
- з’ясувати залежність енергії електромагнітної хвилі від частоти; сформувати в учнів поняття поверхнева густина потоку випромінювання;
- показати практичне застосування модуляції й детектування;
- формувати в учнів знання про основні напрямки науково-технічного прогресу, пов’язані із застосуванням електромагнітних хвиль;
- сформувати знання про одне з основних положень хвильової теорії – принцип Гюйгенса; на його основі пояснити закон відбивання та заломлення світла;з’ясувати Зміст теми можна відобразити у вигляді структурно-логічної схеми. У темі можна виділити чотири відносно самостійні та логічно завершені частини: електромагнітні хвилі, передача інформації за допомогою електромагнітних хвиль, властивості електромагнітних хвиль, електромагнітні випромінювання різних діапазонів, умови повного відбивання й використання цього явища;
- формувати знання про поляризацію світла, розкрити її суть з позиції електромагнітної теорії світла, ознайомити із застосуванням поляроїдів;
- сформувати, узагальнити й систематизувати знання про різні види електромагнітного випромінювання, розглянути перехід кількісних змін у якісні, на їх прикладі розвивати мислення учнів;
- ознайомити учнів з історією винайдення радіо і принципами радіотелефонного зв’язку, сприяти усвідомленню соціально-економічної значущості розвитку засобів зв’язку;
- вивчаючи світлові явища, ознайомити учнів з різними методами вимірювання швидкості світла, дати поняття про закони заломлення і відбивання, переконати учнів у пізнаванності світу і безмежності пізнання; формуючи поняття про дисперсію, дифракцію та інтерференцію світла, розвивати вміння спостерігати явища природи і давати їм наукове тлумачення; показати застосування вивчених явищ у різних галузях науки, техніки, народного господарства.
У процесі вивчення електромагнітних хвиль відкривається можливість розкрити прогностичну роль теорії, здатність передбачати явища, невідомі до її створення. Це стосується насамперед узагальнення Максвеллом властивостей змінного електромагнітного поля у вигляді системи рівнянь для векторів електромагнітного поля й теоретичне передбачення існування електромагнітних хвиль з визначеними властивостями.
Зміст теми можна відобразити у вигляді структурно-логічної схеми
У темі можна виділити чотири відносно самостійні та логічно завершені частини: електромагнітні хвилі, передача інформації за допомогою електромагнітних хвиль, властивості електромагнітних хвиль, електромагнітні випромінювання різних діапазонів. Розгляд дослідів Герца дозволяє показати роль експерименту як критерію істинності теорії. На прикладі діяльності О.С. Попова та Г. Марконі й наступного розвитку радіотехніки (радіомовлення, космічний зв’язок, радіолокація, телебачення) з’ясовується роль науки в науково-технічному і соціальному прогресі. Усе це дає можливість з’ясувати питання пізнаванності природи, роль у цьому процесі теорії та експерименту, розкрити роль видатних закордонних і вітчизняних вчених у науково-технічному прогресі.
Велике й політехнічне значення цієї теми, оскільки матеріал, що в ній вивчається є теоретичною основою розвитку радіотехніки, сучасних телекомунікаційних засобів, оптичних приладів.
Використовувати рівняння Максвелла для з’ясування положень електромагнітної теорії через їх складність у середній школі неможливо. Не можна застосувати моделі, як це робилося під час вивчення механічних хвиль. Вихід з цих утруднень може бути знайдений у детальному якісному аналізі основ теорії Максвелла, а також у широкому застосуванні демонстраційного експерименту з метою підтвердження справедливості висновків, отриманих шляхом теоретичного аналізу.
У темі можна виділити чотири відносно самостійні та логічно завершені частини: електромагнітні хвилі, передача інформації за допомогою електромагнітних хвиль, властивості електромагнітних хвиль, електромагнітні випромінювання різних діапазонів.
2. Основні поняття теми та їх науково-методичний аналіз
До початку вивчення електромагнітних хвиль учні вже мають уявлення про механічні хвилі, як поширення коливань у пружному середовищі. Знайомі вони і з основними поняттями, що характеризують механічні хвилі: амплітуда, довжина хвилі і її зв’язок із швидкістю поширення хвилі й періодом (частотою). Ці поняття, сформовані під час вивчення механічних хвиль, можуть служити основою для з’ясування аналогічних понять, які характеризують електромагнітні хвилі.
Електромагнітна хвиля – це змінне електромагнітне поле, яке поширюється в просторі. Електромагнітна хвиля поширюється зі швидкістю світла. Електромагнітну хвилю як поширення одночасних взаємозумовлених змінних електричного і магнітного полів – складових електромагнітного поля – можна аналітично описати двома рівняннями, що описують коливання векторів напруженості електричного та індукції магнітного полів:
Оскільки вектори 
і 
змінюються синфазно, то енергія електромагнітної хвилі
Для учнів старшої школи цілком доступне з’ясування поняття енергії електромагнітної хвилі та її залежності від частоти [6, с. 126-130].
Потік випромінювання являє собою середню потужність випромінювання за час, значно більший від періоду коливань хвилі. Він характеризує повну енергію, перенесену електромагнітною хвилею через яку-небудь поверхню за одиницю часу.
Поверхнева густина потоку випромінювання дорівнює середньому значенню енергії, перенесеної електромагнітною хвилею через одиницю площі за одиницю часу.
Швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі не залежить від швидкості руху джерела чи приймача, тобто інваріантна щодо системи відліку.
Разом із тим швидкість поширення електромагнітних хвиль у речовині теж залежить від властивостей речовини. Залежність показника заломлення від довжини хвилі називають дисперсією. Наслідком дисперсії є розкладання білого світла в спектр.
Модуляція – зміна параметрів електромагнітної хвилі за певним законом, у якому закодована інформація.
Демодуляція (детектування) – виділення низькочастотного модулюючого коливання з модульованого високочастотного коливання модуляція коливань, Повільна порівняно з періодом коливань зміна амплітуди, частоти чи фази коливань за певним законом. [33, с. 428]
3. Навчальний фізичний експеримент
Демонстрації
Випромінювання й приймання електромагнітних хвиль [10,с.131 ; 25, с.145]. Відбивання електромагнітних хвиль [10, с.143]. Заломлення електромагнітних хвиль [25, с.151]. Інтерференція й дифракція електромагнітних хвиль. [25, с.151]. Поляризація електромагнітних хвиль [36, с. 75]. Модуляція і детектування високочастотних електромагнітних коливань [10,с.143 ; 25, с.151 ; 36, с.75]. Поширення хвиль на межі двох середовищ: відбивання та заломлення світла, повне відбивання; світловод [10, с.158 ; 36, с.86]. Утворення інтерференційних смуг [10, с.188 ; 36, с.103]. Дифракція світла від тонкої нитки та дифракція світла від вузької щілини [10, с.198 ; 36, с.119]. Розкладання світла в спектр за допомогою дифракційних решіток та призм [10, с.185 ; 36, с.122]. Поляризація світла поляроїдами та застосування поляроїдів для вивчення механічних напруг у деталях конструкцій [10, с.207 ; 35, с.126]. Властивості інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювання [10, с.224].
Фронтальні лабораторні роботи
"Визначення показника заломлення скла", "Спостереження інтерференції та дифракції світла", "Вимірювання довжини світлової хвилі за допомогою дифрак¬ційної гратки".
У класах з поглибленим вивченням фізики пропонується додатково виконати лабораторні роботи: "Визначення головної фокусної відстані та оптичної сили збиральної лінзи" та "Визначення роздільної здатності ока".
