Методика вивчення теми “Електромагнітні коливання” з фізики середньої школи

Вступ

Однією із визначальних аспектів виховання та розвитку підростаючого покоління в процесі навчання інтелектуального розвиток школярів час, об'єм і рівень складності інформації, запропонованої школярам для засвоєння, стає більше, тому процес інтелектуального розвитку учнів вимагає інтенсифікації. Одним із шляхів підвищення інтенсивності навчання використання комп'ютерних технологій вивчення (ІТО). При правильному використанні вони забезпечують низку переваг перед звичайним засобом навчання:

1. індивідуалізація процесу за змістом, обсягу і темпам засвоєння навчального матеріалу;

2. активізація учнів при засвоєнні навчальної інформації;

3. підвищення ефективності використання навчального часу;

4. позитивна мотивація навчання з допомогою комфортних психологічних умов праці учня, об'єктивності оцінки;

5. характер праці викладача (скорочення рутинної праці та посилення творчою складовою його діяльності).

Особливу роль відіграє застосування комп'ютерних технологій під час вивчення фізики у неповній середній й усієї вищій школі. Як свідчить педагогічний досвід, найбільша кількість труднощів виникає щодо тих розділів курсу фізики, пов'язані з електрикою, і магнетизмом. Тим більше, що методика вивчення різних тем, у цих розділах не розроблено належним чином. У зв'язку з цим нами була спроба обґрунтування доцільності використання ІТО щодо зокрема теми “Електромагнітні коливання” і розроблено деякі методичні моменти, які, залежно від прийнятої технології процесу, мети клієнта й завдань, а також комп'ютерної оснащеності школи, можна використовувати викладачами фізики як вивчення всієї теми повністю, так вивчення її окремих питань.

Розробка нестандартного способу викладу теми свідчить про актуальності дослідження та укладає у собі елемент новизни і з практичної значимості.

Мета дослідження – розробити методику вивчення електроколивальних процесів з допомогою комп’ютера.

Об'єктом дослідження є організація процесу на різних етапах уроку фізики.

Предметом є пошук змісту, форм і методів навчання, що забезпечують досягнення поставленої цілі.

В основу роботи була покладена гіпотеза: використання комп'ютерних технологій, зокрема деяких прикладних пакетів, що підвищує ефективність процесу і дозволяє досягнути глибокого розуміння цієї теми учням.

З поставленої цілі й сформульованої гіпотези, випливають завдання:

1. Розробити методику викладу теми “Електромагнітні коливання” з допомогою ЕОМ;

2. з'ясувати, з якими труднощами зіштовхуються учні у процесі вивчення цієї теми і, отже, яким питань, і поняттям слід приділити особливу увагу.

Аби вирішити поставлені завдання, використані такі методи:

1. Вивчення методичної, психологічної та довідкової літератури з цієї теми;

2. ознайомлення з вже наявними розробками у сфері цієї теми.

Розділ 1. Дидактичні принципи вивчення теми “Електромагнітні коливання” в курсі фізики середньої школи

Методика вивчення теми “Електромагнітні коливання” з фізики середньої школи

При визначенні змісту та методів вивчення даного розділу необхідно керуватися такими основними факторами, як науковою значимістю відібраного для вивчення матеріалу і важливістю його практичних додатків. Коливальні процеси – одні з найпоширеніших процесів у природі. Вивчення коливань – це універсальний ключ до багатьох таємниць світу. Коливальні процеси, а саме електромагнітні коливання є основою дії всіх електро- і радіотехнічних пристроїв. У процесі вивчення теми "Електромагнітні коливання" розглядаються вільні електромагнітні коливання і автоколивання в коливальних контурах, а також вимушені коливання в електричних ланцюгах під дією синусоїдальної ЕРС. Всі ці питання мають дуже велике значення, оскільки на їх основі потім вивчаються електромагнітні хвилі з їх науково-практичними додатками [4, c. 41]. При викладі даної теми в курсі фізики середньої школи вчитель повинен спиратися на такі основні положення:

Ø використання аналогій механічних і електромагнітних коливань;

Ø вивчення та пояснення явищ і процесів на основі знань по електричному і магнітному полях і електромагнітної індукції, отриманих в 10 класі;

Ø широке застосування фізичного експерименту.

Зміст матеріалу і послідовність його викладів відображені в нижче в наступному примірному поурочному плануванні [1]:

1-й і 2-й уроки. Повторення матеріалу про електромагнітної індукції. Вільні і вимушені електричні коливання.

3-й урок. Коливальний контур. Перетворення енергії при ЕМК.

4-й урок. Аналогія між механічними і електромагнітними коливаннями.

5-й урок. Рівняння гармонічних коливань в контурі. Вправи.

Перші п'ять уроків відводяться на вивчення процесів в коливальному контурі. Центральними є уроки, на яких розглядається коливальний контур, розкривається сутність, відбувається в ньому і встановлюється, що вільні електромагнітні коливання в ідеальному контурі гармонійні. З коливальним контуром учні знайомляться, спостерігаючи електромагнітні коливання низької частоти, що виникають в ланцюзі, що складається з послідовного з'єднаних конденсатора і котушки індуктивності. Електромагнітні коливання спочатку представляються як періодичні (в ідеалі – гармонійні) зміна фізичних величин (заряду, струму, напруги), що характеризують стан системи провідників. Потім показується, що при цьому відбувається періодична зміна енергій електричного поля конденсатора і магнітного поля котушки зі струмом. Дуже важливо при цьому зазначити, що ці зміни нерозривно пов'язані один з одним, що виражається у збереженні повної енергії в ідеальному коливальному контурі[23, c 13]. Необхідно показати, що коливальний контур – це система, у якої є стан стійкої рівноваги, що характеризується станом з мінімальною потенційною енергією (конденсатор не заряджений), в який система приходить сама по собі (розрядка конденсатора) і через який вона може проходити "по інерції" ( явище самоіндукції). Це слід підкреслити при кількісному вивченні процесів в контурі та отриманні формули Томсона, бо тільки для коливальної системи має сенс поняття «власна частота». Щоб довести, що в ідеальному контурі відбуваються гармонійні коливання, необхідно отримати основне рівняння, що описує процеси в контурі і показати його єдність рівнянню гармонійних механічних коливань. Для отримання основного рівняння, що описує процеси в контурі, краще використовувати закон Ома для ділянки кола, яке містить ЕРС. Це дозволяє зняти можливе запитання про допустимість застосування закону, встановленого для постійного струму, для опису процесів у коливальному контурі, крім того, при цьому відпадає необхідність обумовлювати відсутність гальванічного елемента. У цьому випадку роль різниці потенціалів грає напруга на конденсаторі, рівне . Записавши:

і вважаючи опір R контуру дуже малим, переходять до миттєвих значень, що слід обумовити. У результаті отримують

Для розкриття фізичної сутності електромагнітних коливань використовується метод векторних діаграм. Побудова ведеться по чвертях періоду і супроводжується поясненням того, як змінюється кожна з величин, представлених на діаграмі. Фазові співвідношення визначаються виходячи з того, що сила струму має сенс швидкості зміни заряду, а ЕРС самоіндукції (з урахуванням знака) – швидкості зміни струму. При вивченні механічних коливань було встановлено, що фази таких коливань відрізняються на . Після розгляду явищ в коливальному контурі переходять до вивчення змінного струму як вимушених електромагнітних коливань. Вивчення починається з демонстрації осцилограми напруги, вигляд якої дозволяє вважати змінний струм гармонійними електромагнітними коливаннями. Відзначають, що взагалі змінний струм – це вимушені електромагнітні коливання, форма яких визначається законом зміни прикладеної напруги [24, c. 38]. Потім виводять рівняння гармонійних коливань, ЕРС індукції у витку обмотки генератора і струму в мережі. Детально пристрій генератора не розглядають, мова йде лише про отримання змінної ЕРС шляхом обертання рамки в постійному магнітному полі. Виведення рівнянь спирається на вивчені в 10 класі закону електромагнітної індукції Фарадея і поняття магнітного потоку. Звертають увагу на те, що подібно до того, як при механічних коливаннях можливий зсув фаз між змушуваною силою і швидкістю хитаються точки, так і у випадку електромагнітних коливань може бути зсув по фазі між струмом і напругою. Більш докладний розгляд фазових співвідношень струму і напруги буде зроблено при вивченні реактивних опорів і закону Ома для змінного струму. На закінчення розглядається генератор на транзисторі як приклад електромагнітної автоколивальної системи. У такій системі виробляються високочастотні незгасаючі коливання за рахунок дозованого періодичного надходження енергії від джерела постійної напруги, що входить до складу системи. Доцільно спочатку показати такий генератор в дії, а потім пояснити його принцип роботи, використовуючи установку та її схему. Враховуючи виняткову важливість повторення, узагальнення та систематизації всього курсу фізики в 11 класі, слід особливу увагу приділити завданням на повторення з використанням знову вивченого матеріалу.