Применение технологий развивающего обучения на уроках физики

2. Любые тела взаимодействуют с наэлектризованными телами и сами электризуются.

              Наэлектризуем эбонитовую палочку, например, трением о мех, и поднесём её к уравновешенному на острой опоре деревянному стержню – стержень повернётся и притянется к палочке. После соприкосновения с наэлектризованной палочкой стержень оттолкнётся от неё.

       В стенке пластмассового сосуда закрепим сопло с тонким отверстием и нальём в сосуд воду. Поднесём к вытекающей из сопла струе наэлектризованную  эбонитовую палочку и обнаружим, что струя и капли воды притягиваются к палочке и отталкиваются друг от друга.

       В стеклянный сосуд с трубкой в  днище, насыпем немного медных стружек, зальём их азотной кислотой и закроем  крышку сосуда. Из отверстия будет  выходить бурая струя оксида азота NO2. Поднесём к ней наэлектризованную палочку и обнаружим, что газовая струя притягивается к палочке.

        Эта серия опытов доказывает, что газы, жидкости и твёрдые тела взаимодействуют  с наэлектризованными телами и сами электризуются.

             3. Проводники и изоляторы.

             Наэлектризуем эбонитовую палочку и прикоснёмся ею к одному концу эбонитового стержня, другой конец которого находится возле легкоподвижных тел, например, кусочков бумаги. Обнаруживаем, что притяжение этих тел к эбонитовому стержню отсутствует. Значит, эбонит не передаёт электрический заряд, т.е. не проводит электричество. Подобные вещества называют диэлектриками или изоляторами.  
 
 

        К металлическому стержню прикрепим  эбонитовую ручку, которая не проводит электричество и за которую можно  держать стержень. Приблизим конец металлического стержня к легкоподвижным телам, а к другому концу прикоснёмся наэлектризованной эбонитовой палочкой – лёгкие тела притянутся к концу стержня. Значит, металлы проводят электричество, т.е. являются проводниками.

              4. Электроскоп – прибор, позволяющий обнаружить даже слабую электризацию тел.

              Внутрь прозрачного сосуда из хорошего изолятора введём металлический стержень, на верхнем конце которого закреплён небольшой шарик, а на нижнем – тонкие лёгкие лепестки из проводника. Поднесём к шарику наэлектризованное тело и обнаружим, что лепестки расходятся, свидетельствуя о наличии электричества. Поэтому прибор называют электроскопом. Электроскоп, снабжённый шкалой, позволяет судить о степени электризации тел, поэтому называется электрометром.

               5. Два вида электричества.

               Подготовим три одинаковые эбонитовые палочки. Палочку 1 подвесим на нити так, чтобы она могла легко поворачиваться, и потрём о мех. Палочку 2 потрём также о мех, а палочку 3 – о шёлк. Приближая две другие палочки к первой, обнаружим, что подвешенная палочка 1 отталкивается от палочки 2 и притягивается к палочке 3. Но палочка 2 наэлектризована так же, как палочка 1, а палочка 3 наэлектризована не мехом, а шёлком.  

        Отсюда  следует, что существует электричество  двух видов, причём одноимённо наэлектризованные  тела отталкиваются, а разноимённо  наэлектризованные – притягиваются.

        К висящей на нити наэлектризованной  эбонитовой палочке 1 прикоснёмся палочкой 2, наэлектризованной одноимённо, – отталкивание между палочками не уменьшится. Сколько бы мы ни приводили в соприкосновение одноимённо заряженные палочки, они всё равно будут отталкиваться.

        Если  к висящей наэлектризованной  палочке 1 прикасаться палочкой 3, наэлектризованной разноимённо с ней, то после каждого касания притяжение будет уменьшаться, пока не исчезнет совсем. Из опыта следует, что разноимённые электричества способны нейтрализовать друг друга, поэтому одно из них называют положительным, а другое – отрицательным. Для определённости принято считать, что трением о шёлк эбонитовая палочка электризуется положительно, а трением о мех – отрицательно.

              6. Модели физической теории электричества. В чём физическая сущность явления электризации тел? Чем объясняется это явление? Почему при трении двух разных тел друг о друга происходит электризация?

              Ответ на этот вопрос можно получить только в рамках теоретической модели. На заре изучения электричества одна из таких моделей была предложена американским учёным Б.Франклином. Он полагал, что электричество представляет собой особую жидкость. Пользуясь этой моделью, удалось объяснить целый ряд явлений, но ещё больше явлений не укладывались в её рамки.

       В настоящее время физики придерживаются совершенно другой модели. В основе её надёжно установленный экспериментально факт: вещество состоит из нейтральных атомов, сами атомы состоят из заряженных частиц, все существующие электрические заряды кратны наименьшему, или элементарному, заряду. Положительный элементарный заряд несёт элементарная частица протон – ядро атома водорода. Равным ему по модулю отрицательным зарядом обладает другая элементарная частица – электрон.

       В состав атома входят элементарные частицы  трёх сортов: нейтральные нейтроны, положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Заряды электронов и протонов по модулю равны, но противоположны по знаку. Масса нейтрона и масса протона почти одинаковы и примерно в 1836 раз больше массы электрона. Протоны и нейтроны образуют ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Ядро атома стабильно благодаря полю ядерных сил, которое действует между его частицами и удерживает одноимённо заряженные протоны от разлёта. В целом атом пуст, т.к. радиус ядра примерно в 10 000 раз меньше радиуса атома. Но в объёме движутся отрицательно заряженные электроны. Их ровно столько, сколько протонов в ядре, поэтому суммарный отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд ядра, и атом в целом нейтрален.

        На  рисунке в качестве примера схематически изображены стакан с жизненно важным для нас веществом – водой; молекула воды H2O; атомы водорода Н и кислорода О, из которых состоит молекула воды; электроны e и ядра, из которых состоят атомы; протоны p и нейтроны n, из которых состоят ядра.

        Чтобы построить и обосновать эту модель, многим поколениям учёных потребовалось  почти триста лет напряжённой  работы. Учащиеся должны не только понять и запомнить добытое ими знание, но, главным образом, усвоить метод, каким оно получено. Поэтому основной задачей учителя является теоретическое и экспериментальное обоснование справедливости кратко представленной здесь модели. Иными словами, вы должны уметь доказать каждое её положение или следствие. Например, положение, что в состав атома действительно входят электроны или что электроны несут на себе элементарный заряд, меньше которого не существует, и т.д.

        Конечно, можно было бы начать с модели Франклина  и повторить весь путь, пройденный физической наукой. Но это долгий и  нелёгкий путь, который ведёт в никуда. Школьникам нужно двигаться вперёд, чтобы как можно быстрее оказаться на уровне современной физики. Вот почему необходимо сразу начать с современной теоретической модели. Её нельзя просто выучить, т.к. школьник не сможет понять, каким образом она была получена, а значит, не будет способен строить новые модели, в которых нуждаются вновь открытые явления. Именно поэтому основная цель изучения электрических явлений – обоснование этой теоретической модели. Такое обоснование в физике может быть только экспериментальным. Выполняя эксперименты, необходимо понимать и описывать их результаты, а для этого, конечно, нужен особый физический язык. Но его может дать только теоретическая модель. Если отказаться от современной теоретической модели при изучении явлений электродинамики, то результаты экспериментов придётся описывать на языках устаревших моделей. Это нас никоим образом не устраивает, значит, без современной теоретической модели строения вещества нам никак не обойтись.

        Итак, единство теории и эксперимента – вот залог успеха в овладении физическим знанием и в усвоении метода, которым оно было получено. 

7. Электризация  соприкосновением.

           В рамках изложенной модели электризация трением или соприкосновением может быть объяснена следующим образом. Все вещества состоят из атомов и молекул. Отрицательные заряды электронов в точности компенсируют положительные заряды ядер атомов. Поэтому в целом вещество нейтрально, т.е. имеет суммарный электрический заряд, равный нулю.

             Однако степень связи электронов в атомах разных веществ различна. При соприкосновении тел часть электронов, слабо связанных с атомами вещества одного тела, переходит к атомам другого. При этом первое тело приобретает избыточный положительный, а второе – избыточный отрицательный заряд. Трение при электризации просто увеличивает число соприкасающихся участков различных тел. 

        9. Наличие в проводнике  сводных носителей  заряда.

              Шары одинаковых электрометров соединим металлическим стержнем, снабжённым ручкой из диэлектрика. К одному из шаров, например, левому, поднесём заряженную эбонитовую палочку. При этом стрелки электрометров отклонятся. Шары разомкнём и затем уберём заряженное тело. Стрелки обоих электрометров останутся отклонёнными на равные углы. Если эбонитовой палочкой коснуться левого электрометра, его показания уменьшатся, следовательно, он заряжен положительно. Если той же палочкой коснуться правого электрометра, его показания увеличатся, значит, он заряжен отрицательно.

       Таким образом, под действием внешнего электрического заряда в нейтральном проводнике произошло разделение зарядов. Отсюда следует, что в проводнике имеются свободные носители заряда. Так как после отделения проводника обе части оказались заряженными противоположно, то, видимо, в проводнике произошло перераспределение свободных заряженных частиц. 

                  10. Электризация давлением.

                 Кроме рассмотренных способов электризации существует ещё один доступный способ получения электричества – электризация давлением, или пьезоэлектрический эффект (от гр.  – давлю). Суть этого явления заключается в том, что при деформации некоторых кристаллов на их противоположных гранях появляются электрические заряды противоположных знаков. Если деформация прекращается, заряды на гранях исчезают.

       На  рисунке схематически изображена ячейка кристалла кварца SiO2: положительно заряженные ионы кремния вместе с  отрицательно заряженными ионами кислорода  образуют симметричный шестигранник.

       В силу симметрии расположения одинаковых по модулю зарядов ячейка в целом электрически нейтральна. Кристалл находится между параллельными проводящими пластинами (электродами) – проводниками, соединёнными с проводящими шариками (полюсами источника). В настоящее время вместо кварца используют более доступные и эффективные пьезоэлектрические материалы. В частности, в пьезоэлектрических зажигалках применяется пьезокерамика, полученная спеканием мелких пьезокристаллов, выращенных искусственно.

        На  рисунке показано, как модернизированная  пьезоэлектрическая зажигалка может быть использована в качестве источника электричества в демонстрационных опытах.

        В школьных опытах по электростатике для  получения небольшого отрицательного заряда эбонитовую палочку натирают мехом, а для получения положительного заряда стеклянную палочку натирают шёлком.

        Все проводимые нами занятия по школьному  курсу электростатики в 10 классе были направлены на совершенствование имеющихся  знаний и умений и получение новых. Следует отметить что разработанный  нами комплекс занятий с применением  дидактической системы Л.В.Занкова, в целом был направлен на повышение уровня усвояемости изучаемого материала. Результаты проведенного нами формирующего эксперимента  наиболее полно отразит контрольный эксперимент, который следует далее.

        2.3.Результаты  контрольного этапа эксперимента.

        Педагогический  эксперимент по проверке эффективности  предлагаемой методики, проводился в . В ходе эксперимента нужно было показать, что разработанная нами комплексная работа с опорным конспектом и тетрадью домашних заданий способствует лучшему усвоению знаний. 

       Для эксперимента были выбраны следующие  классы:  

       10д  - химико-биологический (22 человека) - экспериментальный класс. 

       е - экономико-юридический (23 человека) - контрольный класс. 

       Успеваемость  экспериментального класса была не выше, чем контрольного. Выбор классов осуществлялся по результатам предшествующего обучения. Занятия в экспериментальном классе проходили по разработанной методике, а в контрольном - по традиционной методике.