Методика формування поняття поля у курсі фізики середньої школи

   МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

   ЧЕРКАСЬКИЙ  НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

   ІМЕНІ БОГДАНА ХМЕЛЬНИЦЬКОГО 
 

Кафедра автоматизації та комп’ютерно-інтегрованих технологій 
 

   Єдемський Микола Вікторович 
 

   Методика  формування поняття поля у курсі фізики середньої школи 

Галузь  знань 0402 фізико – математичних наук

Напрям  підготовки 6.040203 Фізика 
 
 

Курсова робота

студентки 4-го курсу ННІ фізики, математики

та комп’ютерно-інформаційних  систем

денної  форми навчання 
 

Науковий керівник –

старший викладач

Єфіменко  В. І. 
 
 

   Черкаси – 2011

      Зміст: 

     Вступ....................................................................................................................3

     Розділ 1. Електричне поле..................................................................................4

        1.1 Види взаємодії.... ......................................................................................4

        1.2 Електризація тіл. .......................................................................................8

1.3 Електричний заряд. Два роди електричних зарядів. Дискретність   електричного заряду......................................................................................11

        1.4 Будова атома. Електрон. Іон. ...............................................................15

1.5 Закон збереження електричного заряду. Електричне поле. Взаємодія заряджених тіл. Закон Кулона. ....................................................................21

     Розділ 2: Магнітне поле....................................................................................29

2.1 Постійні магніти. Магнітне поле Землі. Взаємодія магнітів...............29

2.2 Дослід Ерстеда. .......................................................................................36

2.3 Електромагнітна індукція. .....................................................................38

2.4 Дія магнітного поля на провідник зі струмом......................................41

2.5 Електромагніти........................................................................................42

2.6 Електровимірювальні прилади..............................................................44

     Розділ 3: Лабораторні роботи..........................................................................48

3.1Дослідження явища електромагнітної індукції.....................................48

3.2 Визначення  ЕРС і внутрішнього опору джерела  струму....................49

     Висновок............................................................................................................50

     Список  використаної літертури.......................................................................51

     Додатки..............................................................................................................52

Вступ 

     Широкого використання електричні явища набули фактично лише в XIX столітті завдяки дослідженням всесвітньо відомих учених. Це, перш за все, Шарль Кулон, Луїджi Гальвані, Алессандро Вольта, Андре Ампер, Ганс Ерстед, Георг Ом, Майкл Фарадей, Джеймс Максвелл, Генріх Герц, Олександр Попов та багато інших.

     Щоб краще уявити значення електрики  в нашому житті, подумайте, що могло  б статися, якби вона раптом зникла. Відразу замовкли б радіоприймачі  й телефони, зникли б зображення з екранів телевізорів і комп'ютерів, зупинилися б верстати на заводах i фабриках, які приводяться в рух за допомогою електричних двигунів. Навіть звичайний автомобіль не зміг би рухатися, бо не працював би його стартер, за допомогою якого запускається двигун, системи запалювання, освітлення, контролю... Раптове зникнення електрики в сучасному світі чинило б величезну катастрофу.

     У природі є електричні явища, що супроводжують  людину все життя, наприклад блискавки, величезні електричні розряди, які  можуть завдати багато лиха. Тому здавна їх вивчають, щоб знайти надійний захист. Грім, що супроводить блискавку, майже безпечний. Це звук, який виникає від раптового розширення повітря, що нагрівається під час виникнення блискавки. Зайве говорити про те, що сталося б, якби перестала працювати сучасна електронно-обчислювальна техніка, завдяки якій здійснюється керування величезною кількістю виробничих процесів.

     В даній курсовій роботі розглянуто електричне та магнітне поле, а також закони і досліди які описують і дають  змогу наочно дослідити ці явища. Також подано приклади лабораторних робіт які проходять учні середніх шкіл.

      Роділ 1: Електричне поле

     1.1 Види взаємодій 

     Поняття «взаємодія» надзвичайно багатозначне. З погляду філософії ця категорія  являє собою одну із загальних  форм взаємозв’язку між явищами. її суть полягає у зворотному впливі одного предмета чи явища на інше. Отож взаємодія відтворює процеси впливу об'єктів один на одного, їх взаємну зумовленість і породження одним об'єктом іншого. Фундамента́льні взаємоді́ї або Фундаментальні сили — різні типи взаємодії, що не зводяться одна до одної, елементарних частинок і складених з них тіл. На сьогодні достовірно відоме існування чотирьох фундаментальних взаємодій: гравітаційної, електромагнітної, сильної і слабкої взаємодій. Ведуться пошуки інших типів взаємодій, як в явищах мікросвіту, так і на космічних масштабах, проте поки існування якого-небудь іншого типу взаємодії не знайдено.

     У фізиці причиною зміни руху тіл є  сила . Досліджуючи оточуючий нас світ, ми можемо помітити безліч найрізноманітніших сил: сила тяжіння, сила натягу нитки, сила стиснення пружини, сила, що виникає при зіткненні тіл, сила тертя, сила опору повітря, сила вибуху і т.д. Проте як тільки була з'ясована атомарна структура речовини, стало зрозуміло, що вся різноманітність цих сил є результатом взаємодії атомів один з одним. Оскільки атоми взаємодіють в основному через електростатичну взаємодію електронних оболонок, то, як виявилося, всі ці сили — лише різні прояви електромагнітної взаємодії. Єдине виключення — сила тяжіння, причиною якої є гравітаційна взаємодія між двома тілами, що володіють масою.

     Отже, до початку 20-го століття з'ясувалося, що всі відомі до того моменту сили зводяться до двох фундаментальних  взаємодій: електромагнітної і гравітаційної.

     В 1930-і роки з'ясувалося, що атоми містять всередині себе ядра, які у свою чергу складаються з нуклонів (протонів та нейтронів). Ясно, що ні електромагнітні, ні гравітаційні взаємодії не можуть пояснити, що утримує нуклони в ядрі. Було постульовано існування нової фундаментальної взаємодії: сильної взаємодії. Проте надалі виявилося, що і воно здатне пояснити не всі явища в мікросвіті, зокрема, не було зрозуміло, що примушує розпадатися вільний нейтрон. Так було постульовано існування слабкої взаємодії, і як виявилося, цього достатньо для опису всіх взаємодій, що дотепер спостерігалися в мікросвіті.

     Електромагні́тна  взаємоді́я — найбільш досліджена з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій. Поширюється у формі електромагнітного поля, що складається з векторних безмасових квантів — фотонів. Завдяки нульовій масі фотонів взаємодія є далекодіючою; прикладом електромагнітної взаємодії на великій відстані є прийом випромінювання галактик і квазарів на відстанях у мільярди світлових років. В електромагнітній взаємодії беруть участь кварки і лептони, що мають електричний заряд.

     Електромагнітною  взаємодією зумовлено більшість  явищ у світі, який оточує людину. Електромагнітна  взаємодія відповідає за притягання електронів до ядер атомів, а тому відповідає за формування атомів та молекул і  за їхні властивості. Проявом електромагнітної взаємодії є також світло - потік фотонів.

     Електромагнітна взаємодія друга за інтенсивністю  з фундаментальних взаємодій  і слабша лише від сильної взаємодії, яка, однак має короткий радіус дії. Вона набагато сильніша за слабку взаємодію та гравітацію. Особливістю електромагнітної взаємодії проте є те, що електричні заряди бувають двох знаків, а тому можуть як притягатися, у випадку різнойменних зарядів, так і відштовхуватися, у випадку однойменних зарядів. Цим електромагнітна взаємодія суттєво відрізняється від гравітаційної, яка завжди має характер притягання. Завдяки існуванню двох типів зарядів більшість тіл у навколишньому світі електрично нейтральні, в той час як великі маси створюють великі сили тяжіння, незважаючи на слабкість гравітаційної взаємодії.

     На  сучасному етапі розвитку фізики існує теорія електро-слабкої взаємодії, яка об'єднує ці два типи взаємодії  в єдине поле.

     Слабка́ взаємоді́я — одна з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій між елементарними частинками поряд із гравітаційною, електромагнітною і сильною. Найбільш відомим її проявом є бета-розпад і пов'язана з ним радіоактивність. Взаємодія названа слабкою, оскільки напруженість відповідного їй поля в 1013 менша, ніж у полів, що утримують разом ядерні частинки (нуклони і кварки) і в 1010 менша за кулонівську на цих масштабах, проте значно сильніша ніж гравітаційна. Взаємодія має короткий радіус дії і проявляється лише на відстанях порядку розміру атомного ядра. Взаємодія проявляється між деякими елементарними частинками. Вважається, що вона є характерна для кварків і лептонів, включно з нейтрино. Частинками-переносниками слабкої взаємодії є W- і Z-бозони - дуже масивні елементарні частинки з масами порядку десятків мас протона.

     Першу теорію слабкої взаємодії запропонував Енріко Фермі у 1930. При розробці теорії він використав гіпотезу Вольфганга Паулі про існування нової на той час елементарної частинки нейтрино.

     Сильна  ядерна взаємодія була вперше описана японським вченим-фізиком Хідекі Юкава в 1935 з використанням обмінних частинок - мезонів. Ця є найпотужніша з взаємодій. Однак, вона проявляється на малих відстанях (10-15 м, відстані співмірні з розміром ядра атома), пов'язує разом кварки для утворення адронів, а також пов'язує протони і нейтрони в ядрі атома. Частинкою-носієм сильної ядерної взаємодії відповідно до сучасних уявлень є глюон, їх всього 8 типів, кожен з яких має нульову масу (маса спокою) і нульовий заряд. На відміну від обмінних частинок інших взаємодій, глюони можуть взаємодіяти один з одним через інший глюон.

     Гравітаційна  взаємодія або гравітація — властивість тіл із масою притягуватись одне до одного. Гравітаційна взаємодія найслабша із фундаментальних взаємодій, однак її характерною особливістю є те, що тіла, які мають масу, завжди притягаються одне до одного. Притягання дуже великих мас в астрономічних масштабах створює значні сили, завдяки яким світ є таким, яким людина його знає. Зокрема, гравітація є причиною земного тяжіння, внаслідок якого предмети падають додолу. Законами гравітації визначається рух Місяця навколо Землі і Землі та інших планет навколо Сонця. Це найменш вивчена на сьогодні взаємодія. 

      1.2 Електризація тіл 

     На  морських узбережжях Греції, Прибалтики інших країнах люди досить часто  знаходили прозорі камінці, які  містили в собі рештки різних комах. Як згодом з’ясувалося, це була скам’яніла смола хвойних порід дерев, що росли там багато тисяч років тому. Сьогодні ми називаємо цю смолу – бурштином (рос. янтарь).  Ці камінці чудово горіли і піддавалися обробці нескладним інструментом. Інколи море настільки багато виносило їх на берег, що їх використовували як паливо. Давньогрецький філософ Фалес Мілетьський свідчить, що в Греції з бурштину виготовляли інструменти для ткацьких верстатів. Працюючи з вовною, ткалі помічали, що при тривалій роботі до бурштинових деталей налипає дуже багато ворсинок із вовни та інструмент доводиться досить часто очищати. Грецькою мовою бурштин – ήλεκτρον «електрон». З повсякденного життя ми добре знаємо, що після розчісування сухого волосся пластмасовим гребінцем останній набуває властивості притягувати до себе ворсинки, клаптики паперу, волосся. Аналогічної властивості набуває ебонітова паличка в результаті тертя об вовну або паличка з оргскла, якщо її потерти об шовк чи папір (рис. 1.1). 

      (рис. 1.1) 

     Явище, коли тіла набувають властивостей діяти на предмети з електричними силами, назвали електризацією.

     Види  електризації.  

       Розглянемо основні види електризації, тобто якими способами можна  сприяти виникненню на поверхні  тіла електричного заряду.

     1) Електризація тертям - це виникнення електричного заряду на поверхні тіла внаслідок взаємного тертя поверхонь двох тіл. Наприклад, при натиранні скляної палички шовком на паличці з’являється позитивний електричний заряд.

     2) Електризація ударом - це виникнення електричного заряду на поверхні тіла внаслідок удару по цій поверхні. Величина цього заряду залежить в основному від роду речовин, які зазнають удару. Наприклад, внаслідок удару молотком по свинцевій пластині, на пластині і молотку виникає електричний заряд.

     3) Електризація полем – це виникнення заряду на поверхні тіла при внесення його в електричне поле, джерелом якого є інше заряджене тіло. Наприклад, якщо піднести натерту хутром ебонітову паличку до легкої незарядженої гільзи, то гільза почне притягуватись до палички. Це означає, що на поверхні гільзи виник заряд, який протилежний за знаком заряду ебонітової палички. Цей заряд на гільзі виник внаслідок внесення її у електричне поле ебонітової палички.

     4) Електризація дотиком - це передача електричного заряду від одного зарядженого тіла до іншого при безпосередньому контакті. Наприклад, якщо доторкнутись зарядженим тілом до стержня електроскопа, то лиски електроскопа почнуть відхилятись від вертикального положення. Це означає, що частина електричного заряду при дотикові перейшла від зарядженого тіла на стержень електроскопа.

     5) Фотоелектризація – це виникнення на поверхні тіла електричного заряду (найчастіше позитивного) внаслідок його опромінення світлом. Наприклад, якщо опромінювати негативно заряджену металеву кулю, яка прикріплена на стержні електроскопа, ультрафіолетовим світлом, то її заряд почне дуже швидко зменшуватись, про що свідчитиме зменшення показів електроскопа. І навпаки, якщо нейтральну металеву кулю опромінювати ультрафіолетом, то вона почне заряджатись позитивно. Отже, опромінення провідника світлом певної частоти зменшує негативний заряд (якщо тіло заряджене негативно) і збільшує позитивний (якщо тіло заряджене позитивно).  

       Звичайно можуть існувати і  змішані способи електризації  тіл. Однак результатом завжди  є зміна заряду тіла, яке зазнає  впливу. Звідси можна дати ще й таке тлумачення електризації:

     Електризація  – це явище виникнення на поверхні провідника електричного заряду.

      1.3 Електричний заряд. Два роди електричних зарядів. Дискретність 

     Досліджуючи явище електризації  тіл тa властивості електричного заряду, вчені задались питанням про те, чи існує найменший, неподільний електричний заряд. Тобто необхідно було вияснити, якою є будова електричного заряду: електричний заряд подібний до суцільної рідини, яку можна ділити будь-якими порціями, чи він має зернисту структуру, і тілу можна надати чи забрати у нього лише певну кількість таких «зерен».

     Американський фізик Роберт Міллікен першим поставив дослід для розв’язання цієї проблеми. Основна ідея експерименту базується  на властивості подільності електричного заряду.

     Р. Міллікен розмістив у вертикальні площині дві горизонтальні металеві пластини, які мали електричний заряд. Нижня пластина була заряджена негативно, а верхня - позитивно. Далі, вчений отримав дуже маленькі краплинки рідини (води), які розпилював між цими двома пластинами. При цьому ці маленькі краплинки заряджались негативно внаслідок тертя об стінки трубки пульверизатора (розпилювача). Вчений розглядав одну краплину, на яку діяли сила земного тяжіння  , напрямлена вертикально вниз, і електрична сила  . Оскільки краплина заряджена негативно, то вона відштовхувалась від нижньої пластини і притягувалась до верхньої, а тому електрична  сила   була напрямлена вертикально вгору. Змінюючи заряд пластин, можна було домогтися того, що краплина знаходилась в рівновазі, тобто   .

     Роберт  Міллікен спостерігав за поведінкою такої краплини у мікроскоп. Краплина була такою маленькою, що навіть її контури побачити не вдавалось, на темному  фоні видно було лише зірочку розсіяного краплиною світла. Деякі краплини, в результаті випаровування поступово втрачали масу і починали рухатись під дією електричної сили вгору, оскільки при цьому сила тяжіння теж зменшувалась. Якщо горизонтальні пластини розряджали, то всі краплини починали падати вниз, оскільки на них не діяла електрична сила. Вимірюючи швидкість падіння однієї краплини, Р. Міллікен обраховував її силу тяжіння.

     Електрична  сила  , що діє на краплину, залежить від заряду пластин (який був відомим) і від заряду самої краплини. Тому, якщо краплина знаходилась у рівновазі, то знаючи   , можна знайти її заряд -   .

     Потім Міллікен змінював заряд краплини, опромінюючи її рентгенівськими  променями. При цьому заряд краплини зменшувався. Після цього Міллікен знов визначав заряд краплини  . Внаслідок втрати електричного заряду електрична сила зменшувалась і краплина починала падати. Щоб відновити рівновагу краплини, Міллікен збільшував заряд пластин. Науковець помітив, що краплина, втрачаючи електричний заряд, опускалась не плавно, а стрибком. Це свідчило про те, що вона втрачала електричний заряд не неперервно, а певними порціями. Звідси науковець зробив висновок про існування найменшого неподільного електричного заряду. Частинку, усталеною властивістю якої є такий заряд, назвали електроном. Тобто внаслідок опромінення краплина втрачала певну цілу кількість таких електронів. Знаючи заряди краплини до і після опромінення можна обрахувати, який заряд втрачала краплина:  .

     Таку  операцію науковець повторював багато разів. Дослід тривав декілька годин.

     Навіть  після того, як заряди краплини і  їх зміна були обраховані, нелегко  було визначити заряд електрона. Один з сучасників Р. Міллікена коментував складність цієї задачі такою аналогією:

       «…потрібно визначити масу одного яйця, якщо відома маса великого числа пакетів з яйцями, в кожному з яких знаходиться своя, до того ж невідома кількість яєць…»

     З дослідів Р. Міллікен зробив висновок, що всі електричні заряди на краплині або точно дорівнювали заряду електрона, або були невеликими цілими кратними цьому заряду. Міллікен виконав перші наближені обчислення заряду електрона у 1909 році.

     У 1913 році Р. Міллікен виконав нові вимірювання і розрахунки. Він вдосконалив експеримент, замінивши краплини води краплинами олії, які майже не випаровувались, і домігся того, щоб температура у приладі змінювалась не більше, ніж на 0,02 0С,  врахував систематичні похибки.

     Особливо  важливі поліпшення методики експерименту були зроблені в тому ж 1913 році російським фізиком Абрамом Федоровичем  Йоффе. У процесі експерименту він заряджав не краплини олії, а пилинки цинку. Це давало дві важливі переваги:

• цинк не випаровувався як олія, а тому маса пилинки була незмінною впродовж всього довготривалого експерименту;
• цинк легше, ніж олія, втрачає негативний електричний заряд під впливом опромінення ультрафіолетовими чи рентгенівськими променями.

     Вимірювання  А.Ф. Йоффе підтвердили висновок Міллікена про те, що будова електричного заряду є зернистою, тобто існує частинка, носій найменшого неподільного електричного заряду – електрон. А.Ф. Йоффе у своїй праці писав:

     «Можна  було зняти 1, 2, 3, 4 … до 50 зарядів, але це завжди було ціле число електронів. Виявилось, що яку б речовину ми не взяли, будь то цинк, олія, ртуть, буде це під дією світла чи нагрівання, чи інша дія, кожного разу, як тіло втрачає заряд, воно завжди втрачає по цілому електрону. А отже, можна зробити висновок, що в природі існують лише цілі електрони».

     Результати  експерименту: Електричний заряд має зернисту структуру і складається з цілого числа неподільних найменших зарядів - електронів. Якщо тіло має негативний заряд, то це означає, що нейтральному тілу передали деяку надлишкову кількість електронів, якщо ж тіло має позитивний заряд, то це означає, що у нього забрали певне ціле число електронів. Електричний заряд електрона неподільний.

     В подальшому експерименти А.Ф. Йоффе і Р. Міллікена вдосконалювались шляхом зменшення випадкових і систематичних похибок та використання вимірювальних приладів з більшим класом точності. Заряд електрона позначають    або просто       і він дорівнює:       

     Сама  частинка, електрон, була відкрита Дж. Дж. Томсоном у 1897 році. Назва запропонована Дж. Стоні у 1981 році. Маса цієї частинки дорівнює   .

     Цікаво, що частинка, яка має позитивний заряд, по модулю рівний заряду електрона, і  масу, що дорівнює масі електрона, називається позитроном. 

      1.4 Будова атома. Електрон. Іон.  

     Наприкінці  ХІХ ст. науковці вважали, що неподільний  атом складається зі сфери, що рівномірно заряджена «позитивною електрикою». В цю сферу вкраплені електрони, а в цілому атом нейтральний. «Щось на зразок пудингу з родзинками», як одного разу описав модель атома англійський фізик Дж. Дж. Томсон, який запропонував у 1898 році таку модель атома. Модель Томсона отримала назву «кексової», через порівняння науковцем атома з пудингом, а електронів з родзинками. 

     Джозеф  Джон Томпсон   Модель атома Дж. Дж. Томпсона 

     Після моделі Томсона існувало ще декілька цікавих і по своєму революційних моделей, які базувались на математичних розрахунках і деяких фізичних експериментах.. Зокрема Х. Нагаоком була запропонованасатурнова модель атома. Згідно цієї моделі в центрі атома знаходиться масивне ядро, а навколо ядра на незмінній кільцевій орбіті знаходяться електрони. Ядро має позитивний заряд, який рівний по модулю сумарному заряду електронів, які знаходяться на кільці біля нього. При цьому відстань між ядром і електронами досить незначна. Розташування електронів навколо ядра нагадує пояс астероїдів навколо планети Сатурн. Звідси й назва моделі.

     Хантра  Нагаока    Модель атома Х. Нагаока  

     Найближче до теоретичного розв’язання проблеми побудови атома підійшов Б. Чичерін. Модель Б. Чичеріна базувалась на математичних розрахунках і полягала в наступному. В центрі атома знаходиться масивне позитивно заряджене ядро, навколо якого розташовані електрони. Однак, на відміну від попередніх моделей, електрон мав форму не кульки, а кільця, у центрі якого знаходилось ядро. Скільки електронів має атом, стільки кілець знаходиться навколо ядра. При чому всі ці кільця можуть бути розміщені у різних площинах, але мають спільний центр, у якому і знаходиться ядро. Загальний заряд всіх електронів за модулем дорівнює заряду ядра.

     Борис Чичерін    Модель атома Б.Чичеріна  

     Велика  кількість теоретичних розрахунків  і моделей атома сприяла тому, що в кінці ХІХ ст. дуже гостро постала проблема виділити якусь одну найвдалішу модель. Для цього необхідно було поставити відповідний експеримент.Експеримент, метою якого було перевірити існуючі моделі атома, був проведений у 1897-1898 роках Ернстом Резерфордом. 

     Ернст Резерфорд   Планетарна модель атома за Резерфордом 

     На  той час досить добре були досліджені основні параметри (заряд і маса) альфа-частинки. Зокрема, було відомо, що альфа-частинка володіє великою  масою і електричним зарядом, величина якого теж була відома. Золота фольга теж була взята невипадково. Золото - один з найважчих металів (густина золота -     19300 кг/м3), тому атоми золота дуже щільно розташовані один біля одного. Крім того кожен атом має 79 електронів, 79 протонів і 118 нейтронів.     

       Отже, якщо правильною є модель  атома Дж.Дж.Томсона, Нагайка або Чичеріна, то більшість альфа-частинок має відбитись від фольги, як м’ячики від стіни, а тим, які зможуть протиснутись через гущавину атомів, доведеться зазнати числену кількість зіткнень, сотні тисяч разів змінювати свій напрямок. Робилось припущення про те, що альфа-частинки будуть розсіюватись, тобто вилітати із золотого листка у найрізноманітніших напрямках.   

       Знаючи це, Е. Резерфорд розмістив золоту фольгу між джерелом альфа-частинок і екраном і почав опромінювати золоту фольгу альфа–частинками. У ході експерименту науковець побачив, що більшість альфа-частинок пролітає крізь фольгу,  не змінюючи свого напрямку. Мала кількість альфа-частинок відхилялась від свого початкового напрямку руху на значні кути. І зовсім поодинокі альфа-частинки відбивались від фольги і летіли в зворотному напрямку. Звідси Е. Резерфорд зробив висновок, що жодна з вище зазначених теорій не є правильною. Е.Резерфорд, на основі експерименту, стверджує, що атом всередині порожній, саме тому більшість альфа-частинок вільно пролітає крізь фольгу, не зазнаючи ніякого відхилення. Альфа-частинки, які відхилились від початкового напрямку на значні кути, найбільш ймовірно, пролітали недалеко від ядра атома золота і зазнали дії електричної сили відштовхування збоку ядра золота.