Научно-методический анализ и методика изучения магнитного поля и электромагнитной индукции в курсе физики 10 класса

Известно что между неподвижными электрическими зарядами действуют силы, определяемые законом Кулона. Однако, между электрическими зарядами могут существовать и силы иной природы. Обратимся к опыту: ленты из фольги с наконечниками – 2шт, штатив, источник тока ВС-21М, рассчитанный на 10А. Если пропустить ток через фольгу в одну и ту же сторону, то наблюдается притяжение фольги друг к другу, если пропустить ток разного направления, то они отталкиваются. Взаимодействие между проводниками с током, т.е. взаимодействие между движущимися зарядами называются магнитными. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга называются магнитными силами. В учебнике физики 10 (мяк, Бух) авторы используют аналогию между электрическими и магнитными полями, отмечая, что подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды возникает электрическое поле, вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Магнитное поле представляет собой особую форму материи посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами. Затем рассматривают свойства магнитного поля: 1. магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами). (опыт Эрстеда, Иоффе, Эйхенвальда) 2. магнитное поле обнаруживается по действию на ток (движущиеся заряды). 3. Магнитное поле существует реально и не зависит от нашего сознания. Действие магнитного поля может быть больше или меньше, имеет определенную направленность, следовательно должно характеризоваться некоторой величиной называемой магнитной индукцией В. При определении модуля В можно использовать следующие методические подходы: а) силовой характеристикой электрического поля является напряженность Е, силовую характеристику магнитного поля можно определить. Следует учесть что сила с которой действует магнитное поле на пробный ток зависит не только от силы тока, но и от длины активной части, в которой этот ток существует, следовательно в качестве силовой характеристики магнитного поля надо взять отношение силы F, с которой магнитное поле действует на пробный ток, к силе тока I и длины проводника l. В – векторная величина, однако следует отметить, что ее направление не совпадает с направлением силы, с которой магнитное поле действует на ток. Т.о. магнитная индукция – векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля. [B]=Тл, 1Тл= Н / А м б) В начале изучают закон Ампера. Экспериментально установлено, что сила, действующая на проводник с током FА, находящийся в магнитном поле, прямо пропорциональна длине проводника и силе тока в нем, а так же зависит от угла альфа между направлением тока и линии магнитной индукции в том месте, где находится проводник. Эта сила также зависит от магнитного поля. Эту зависимость выражают через В: Направление Fa, определяется правилом левой руки: Если расположить левую руку вдоль проводника, чтобы 4 вытянутых пальца указывали направление тока в нем, а линии магнитной индукции входили в ладонь, то отогнутый большой палец будет указывать направление силы Ампера. После этого обращают внимание, что сила Ампера максимальна когда синус альфа равен 1, то есть альфа равен 90⁰ в) магнитное поле оказывает ориентирующее действие на рамку с током, помещенного в нем. Это означает, что магнитное поле характеризуется величиной В. Опытом показывают, что максимальный момент сил действующих на рамку с током пропорционален Мmax ~ I S, S – площадь, ограниченная витком и не зависит от формы контура. Именно поэтому отношение Мmax к I S не зависит от параметров контура и характеризует магнитное поле в данном месте: . Направление В, определяют с помощью правила буравчика (правый винт). Сила Лоренца. Согласно закону Ампера сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током определяется следующим образом . Сила с которой магнитное поле действует на движущийся заряд называется силой Лоренца Fл. Если на участок проводника длинной l, по которому течет ток I, магнитное поле с В действует с силой FA, то Fл=FA/N, N – число свободных электронов в рассматриваемом участке проводника. N=nV, n – концентрация, N = n S l , I = n l <v> S, <v> - средняя скорость упорядоченных электронов. I = q / l, q=ne Направл силы Лоренца опред по правилу левой руки, указательн вдоль вектора скорости движ + заряженной частицы или против вектора скорости, если частица - заряжена. Граф магнитное поле изобр линиями индукции. Линиями магн индукции наз линии, касательн к которым направл так же как в вектор магнитной индукции в данной точке. Важная особен, линии магнитной индукции замкнуты. Поля с замкнут силов линиями называют вихревыми. Замкнут линий магн индукции предст собой фундамент свойство магнитного поля – магнитное поле не имеет источников, магнитных зарядов подобных электрическим нет. Линии магнитной индукции магнитного поля реально не существуют. 15. Научно-методический анализ и методика изучения механических колебаний и волн в систематическом курсе физики

Колебательное движение. Гармонические колебания. Амплитуда, период, частота колебаний. Уравнение гармонических колебаний. Пружинный и математический маятники. Превращения энергии при гармонических колебаниях. Свободные и вынужденные колебания. Резонанс. Распространение механических колебаний в упругой среде. Волны. Частота, длина волны, скорость распространения волны и связь между ними. Звук. Эта тема включена в раздел Механика, как завершающая. По мнению методистов, так как при первоначальном изучении колебаний и волн различной природы, их целесообразно не объединять вместе, а изучать в соответствующих разделах механические колебания и волны при изучении механики, а электромагнитные волны при изучении электродинамики. Основываемся главным образом на экспериментальное изучение колебаний начинается с введения понятия о колебательном движении. Учащимся уже известны периодические процессы, то есть процессы повторяющиеся через равные промежутки времени. Колебаниями называются такое движение, при котором тело поочередно отклоняется то в одну, то в другую сторону. В учебниках можно встретить и другое определение: Процессы, при которых состояние системы с определенной степенью точности периодически повторяются называются колебаниями. Из этого определения следует, что главная особенность этого движения состоит в том, что оно периодическое. В зависимости от природы повторяющихся процессов в различных колебаниях: механические, эл. магн. автоколебания и т.д. На основе опытов (пружинный маятник, груз на нити и т.д.) подчеркивают, что колебательным системам присущ ряд общих свойств: 1. У каждой колебательной системы есть состояние устойчивого равновесия; 2. После того, как колебательная система выведена из положения устойчивого равновесия, появляется сила, возвращающая систему в устойчивое положение; 3. Возвратившись в устойчивое состояние система колеблющегося тела не может сразу остановиться, ему мешает его инертность. Колебания которые происходят без внешних воздействий, после того как тело выведено из состояния равновесия, называется свободными. Система тел, которая способна совершать свободные колебания, называется колебательной системой. Далее рассматриваются гармонические колебания. Механические колебания которые происходят под действием силы пропорциональной смещению и направленные противоположно ему, называют гармоническими колебаниями. Максимальное смещение тела от положения равновесия называется амплитудой колебания. Продолжительность одного полного колебания называется периодом колебаний. Частота колебаний – это число колебаний в единицу времени. v=1/T Движение, при котором ускорение прямо пропорционально отклонению точки от положения равновесия и всегда наплавлена в сторону равновесия называется гармоническими колебаниями. Математическим маятником называется материальная точка, подвешенная на длинной, нерастяжимой и невесомой нити. При отклонении маятника из положения равновесия, равнодействующая силы упругости и силы тяжести заставляет маятник совершать колебания. Период колебания маятника зависит от длинны нити и не зависит от массы тела, не зависит также от амплитуды колебаний, поэтому маятник используется для регулировки хода часов. Рассмотрим собственные и вынужденные колебания, резонанс. Резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при равенстве частот колебаний вынуждающей силы и собственных колебаний системы называется резонансом. Рассматривая волны необходимо обратить внимание на следующие моменты: процесс распространения колебаний в среде называется волной; длинной волны называется расстояние, на которое распространяется волна за время равное периоду колебаний частиц; скорость волны определяется из формулы: ; существуют продольные и поперечные – колебания частиц происходят перпендикулярно распространению волны.