л ТЕОРИЯ И МЕТОДИКА
В ШКОЛЕ
___ 1 _‘ ' _ ' " ' -—  -- -
ЕЦ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ
АСЛГМ'МА

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ТЕОРИЯ И МЕТОДИКА
ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ
В ШКОЛЕ
ЧАСТНЫЕ ВОПРОСЫ
11од редакцией С. Е. Каменецкого
Рекомендовано
М инистерством образования Российской Федерации
и lai'h < нн.е учебного пособия для студентов высших педагогических
I чч>ны\ заведений, обучающихся по специальности ‘'Физика”
Москва
ACADEMIA
2000
\ IK 53(075.8)
1»1>К 74.262.22
Т 338
blSMOJtKA
<Ш J
к/’'	йп>1 fl
Авторский коллектив:
С Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева. Т. И. Носова, Л. А. Иванова, Н. Е. Парфентьева.
С В Анофрикова. Л А. БорОонская, Л/. / Бобкова, А. В. Перышкин, Л/. Л/. Терентьев
Рецензенiы
кафедра методики физики Московского педагогического университета
(зав. кафедрой доктор педагогических наук, профессор Л. С. Хижнякова);
доктор педагогических наук, профессор, ректор Вятского педагогического
университета В. С Данюшенков
С л ов"ЯНСЬКИй
лЕРЖАВ В И й
ПЕЛ 1КПП>
БIБЯICIE КА
Теория и методика обучения физике в школе: Частные воп-
Т338 росы: Учеб, пособие для студ. пед. вузов / С. Е. Каменецкий,
Н.С.Пурышева, Т.Н.Носова и др.; Под ред. С.Е.Каменецкого.
М : Издательский центр «Академия», 2000. - 384 с.
ISBN 5-7695-0579-6
В книге дан научно-методический анализ структуры и содержания курса
физики в средней общеобразовательной школе России и рассмотрена методика
изучения основных тем этого курса. При этом авторы учитывали процессы гу-
манизации, гуманитаризации, дифференциации происходящие в современной
школе, проблемы формирования научного мировоззрения, пути реализации эко-
логического и политехнического образования.
УДК 53(075.8)
ББК 74.262.22
ISBX 5-7695-0579-6
© Каменецкий С F... Пурышева Н.С,
Носова Т.Н. и др.. 2000
© Издательский центр «Академия». 2000
ПРЕДИСЛОВИЕ
В учебном пособии излагаются частные вопросы теории и ме-
iouikh преподавания школьного курса физики в общеобразова-
тельной средней школе. В пособии дается научно-методический
анализ структуры и содержания каждого раздела школьного кур-
са физики, раскрываются его познавательные и воспитательные,
гадачи
В методике изучения конкретных тем курса авюры не стрем и-
iiicb описать каждый вопрос или урок гемы, а обращали внимание
и.। изучение основного материала. Будущий учитель должен знать
(одержание и структуру школьного курса физики, понимать его
обра зевательные и воспитательные задачи, уметь реализовывать
метлику развивающего обучения при изучении основных вопро-
сов курса, учитывая возможности различных методических реше-
нии. Иначе говоря, в стенах вуза будущему учителю необходимо
i.iгь не одни только конкретные знания по методике преподавания
(коего предмета - необходимо сформировать широкий кругозор в
об laern его профессии, воспитать творческий подход к решению
мп одических задач. Тогда учитель будет способен не только легко
ориентироваться в постоянно обновляющемся содержании школь-
ною курса физики, но и принимать активное участие в дальней-
шей разработке вопросов теории и методики обучения физике.
Мы живем в такое время, когда в России уже нет единообраз-
ной школы с общей программой и стабильным учебником. Шко-
1Ы теперь разные, появились даже так называемые инновацион-
ные средние учебные заведения гимназии, лицеи и колледжи.
( разу же уточним, что пособие написано в соответствии с про-
|раммой массовой общеобразовательной школы, а программы
ipyrux учебных заведений в нем учитываются только частично,
как бы попутно поэтому главное внимание уделено изучению и
преподаванию физики в общеобразовательной школе; учителя,
работающие в других учебных заведениях, смогут использовать
но пособие как основу для дальнейшею расширения и углубле-
ния преподаваемого курса.
II еще надо иметь в виду одно обстоятельство. Сейчас ставится
вопрос о переводе школы на 12 лет обучения, правда, он еще не
3
проработан до копра. В программе по физике остались 1-я ступень
(VII и VIII классы) и 2-я ступень (IX, X и XI классы). Но уже при-
няго решение о создании так называемой основной, или базовой
школы (для курса физики это означает, что в VII, VIII и IX клас-
сах будет изучен школьниками курс по всем разделам, как бы за-
вершенный курс, но на уровне, соответствующем возрасту уча-
щихся). Однако основной (базовый) курс еще не разработан пол-
ностью и основная (базовая) школа фактически пе создана.
Поэтому авторы считают, что целесообразно изучать курс фи-
зики для общеобразовательной школы по его основным разделам.
Если будут происходить изменения в структуре школы, тогда бу-
дут внесены изменения в программу курса физики, соответст-
венно изменятся и границы материала, изучаемого в разных
классах, хотя, по существу, в основе будет лежать практически
тот же курс физики. Самые сложные изменения возможны при
реализации программы курса физики для основной (базовой)
школы, так как материал по электродинамике и квантовой физике
нельзя без серьезной переработки перенести из X и XI класса в IX.
Однако грамотным учителям физики при некоторой методиче-
ской помощи это будет посильно. Подготовить хороших специа-
листов, профессионалов, научить их решать действительно новые
проблемы, а не только справляться с уже хорошо известными
такую задачу ставили перед собой авторы, уходя от рецептурности,
конкретных уроков и уделяя главное внимание понятиям, теориям,
законам и т. и.
11о существу, в пособии дается модель школьного курса, а учи-
тель будет в нее вносить те или иные изменения в зависимости от
целей и содержания того конкретного курса физики, который этот
учитель ведет.
Кроме того, авторы исходят из такой парадигмы образования,
в рамках которой учитель является не источником (особенно,
единственным) знаний, а организатором познавательной деятель-
ности школьников. Это совершенно другая роль, и учителя физи-
ки должны научиться в учебном процессе «разыгрывать» именно
эту роль.
Остановимся еще на одном, на наш взгляд, очень важном момен-
те. В физике всегда видели основу техники. Отсюда и такое внима-
ние к политехническим вопросам. И это правильно, но не совсем.
В науке физике, а следовательно, и в учебном предмете «Физика»
есть два аспекта: технический и общекультурный. Неправильно
видеть физику только в технике, ее закономерности проявляются
вокруг пас в любых ситуациях, в природе и г. и. И будущие учите-
ля должны увидеть не только технический аспект физики, но об-
4
шскультурный. Голько при этом условии будет действительно
осуществима гуманизация и гуманитаризация курса физики.
11е может быть обойден еще один вопрос, разумное решение
которого, с точки зрения авторов, является, пожалуй, главным
при преподавании курса теории и методики обучения физике. Ме-
юдика обучения физике (как и любому другому школьному
предмету) опирается на три основные предмета, как бы стоит на
нн\. как в представлении древних Земля лежала на трех китах.
Какие же «киты» у методики? Эго педагогика, психология и
о.новый предмет (для методики обучения физике - это наука фи-
шка н одноименный предмет). Но одинаково ли значимы эти три
<нновы?
Авторы пособия считают, что эти основы значимы, но не рав-
нозначны, и отдают предпочтение базовому предмету. Учи гель
фишки в первую очередь должен знать физику, базовый предмет, -
1ПКОВО наше кредо, хотя эго не исключает необходимости его пе-
ги огической и психологической подготовки.
Конечно, нельзя в предисловии сказать обо всем, что сейчас
«г । учится» в школу. Отметим еще, чю необходим личностно ори-
ентированный подход в преподавании, учет интересов, склонностей
и способностей учащихся, нужна реализация дифференцирован-
ною подхода в процессе обучения школьников физике.
1(особие написано коллективом преподавателей кафедры тсо-
piiii и методики обучения физике МИГУ, в нем широко использо-
ван многолетний опыт чтения лекций и проведения практических
ынятий по курсу теории и методики обучения физике.
Коллектив авторов и кафедра теории и методики обучения фи-
шке МИГУ благодарят коллектив кафедры методики преподава-
ния физики МПУ, особенно докторов педагогических паук, про-
фессоров Л. С. Хижнякову и Л.П.Свиткова, а также док юра педа-
। отческих наук, профессора В.С.Данюшенкова (ректора Вятско-
ю исдуниверситета) за полезные замечания и рекомендации, сде-
i.imiue при рецензировании рукописи.
Авторы с благодарностью примут замечания и предложения
читателей.

ВВЕДЕНИЕ
1. Задачи обучении физике и место физики
в учебном процессе школы
Перед российской школой стоит задача - обеспечить прочное
знание учащимися основ наук, усвоение основ научного мировоз-
зрения. их трудовую и политехническую подготовку в соответствии
с возрастающим уровнем развития науки и техники, с учетом по-
требностей общества, способностей и желаний учащихся, а также
нравственное, эстетическое и физическое воспитание здорового
подраслающего поколения.
Эта задача школьного образования определяется потребностями
современного этана строительства демократического общества в
нашей стране.
При реформировании общеобразовательной средней школы
России ставились задачи растить, обучать и воспитывать молодое
поколение с максимальным учетом тех общественных условий, в
которых это поколение живет и будет работать. Л это демократи-
ческое общество, без господства какой-то одной идеологии, при
гуманизации образования, гуманитаризации его. а также при
дифференциации системы обучения. Последнее означает учет ин-
тересов. склонностей и способностей учащихся.
Кроме того, особенностью общественных условии сейчас яв-
ляются рыночные отношения, которые, требуя высокой квалифи-
кации специалистов, роль образования нс снижаю!, а весьма вы-
соко поднимают.
Физика всегда была основой научно-технического прогресса,
ее достижения составляют базу таких главных направлений про-
гресса, как механизация, энергетика, автоматизация, создание но-
вых материалов.
Выпускник средней школы или среднею профессиональною
училища в своей профессиональной деятельности имеет дело с
орудиями труда и технологическими процессами, в основе кото-
рых лежат оптические законы. Гехническое перевооружение про-
изводства - комплексная механизация и автоматизация, внедре-
ние вычислительной техники - требует от рабочих знания основ
6
физической науки, владения определенными умениями и навыка-
ми политехнического характера, которые могут быть сформиро-
ваны при обучении физике.
Идет процесс информатизации общества, всей пашей жизни,
соответственно происходит информатизация и процесса обуче-
ния. А в понимании, что такое ЭВМ. компьютер, учащимся боль-
ше всего может дать физика. Работать на компьютерах ученики
учатся на занятиях по вычислительной технике и информатике, но
сущность того, что происходит в компьютере, пусть в первом
приближении, ученик школы узнает с помощью тех физических
знаний, которые он приобрел на уроках физики.
Особое место физики среди естественных наук определяется не
только ее значением в ускорении научно-технического прогресса,
но и ее ролью в развитии других наук о природе. Физика 1есно
связана с химией, биологией, астрономией. Ес методы широко
использую! в этих науках (спектральный анализ, электрофорез и
пр.). Развитие физических теорий служит толчком для развития
других наук. Так, становление квантовой механики позволило на
новом уровне изучить химические явления и процессы. Влияние
физики на развитие других наук выразилось в выделении таких
самостоятельных областей науки, как биофизика, физическая хи-
мия и пр. Физика тесно связана с философией, является се естест-
веннонаучной основой. Все это определяет место курса физики в
системе общеобразовательной подготовки учащихся.
Учебный предмет «Физика» входит в общеобразовательную
область «Естествознание». Время на ее изучение определяется на
грех уровнях: федеральном, региональном и школьном.
Гак как теперь нет единообразной школы в России, нет единой
программы и единого (называвшегося раньше стабильным) учебни-
ка. то нельзя указать точное время, отводимое на изучение физики.
Сейчас курс физики изучается в одиннадцатилетней школе в
VII-XI классах и в средних профессионально-технических учи-
лищах па I—II курсах. Кроме того, некоторые физические знания
учащиеся получают в курсах естествознания, физической геогра-
фии, технологии (II-V классы) и астрономии.
Углубленное изучение физики осуществляется на факультатив-
ных занятиях, которые предусмотрены в VIII-XI классах.
Физика как общеобразовательный предмет вносит свой вклад
в решение задач обучения, воспитания и развития учащихся, подго-
товки их к жизни, к производственному труду. Общие задачи, стоя-
щие перед школой, применительно к обучению физике были конкре-
тизированы в программе одиннадцатилетней школы. А в настоящее
время есть целый набор программ [35], из которого учитель может
7
выбрать наиболее ему интересную. Болес того, возможно обучение
учащихся и по авторским программам (составленным самим учите-
лем). но важно, чтобы зги программы отвечали одному документу
стандарту подготовки учащихся по физике в средней школе [5]
Особенно подчеркнем, что сформулированные выше задачи
курса физики - это задачи физического образования, они являют-
ся едиными и не зависят от типа учебного заведения, в котором
учащиеся получают общее среднее образование: одиннадцати лет-
няя школа, среднее профессионально-техническое училище или
среднее специальное учебное заведение. Все они дают учащимся
общее среднее образование и реализуют единство всей системы
обучения, поэтому перед ними стоит задача строгой преемствен-
ности обучения и воспитания и обеспечение так называемого еди-
ного уровня общеобразовательной подготовки.
Под единым уровнем общего среднего образования понимает-
ся минимальный объем общеобразовательных знаний и умений,
обеспечивающих формирование всесторонне развитой личности,
активного строителя демократической России. В настоящее время
этот единый уровень представлен стандартом.
В программах курса физики, как правило, выделяются две части:
ядро курса (инвариантный компонент) и варьируемый компонент.
Этот варьируемый компонент может меняться, он специфичен для
разных учебных заведении, и его содержание различно для разных
типов учебных заведений, для разных групп профессий. Напри-
мер, в сельскоГт школе большее внимание должно быть уделено
применению физики в сельском хозяйстве; в средних профессио-
нальных училищах, готовящих маляров, отделочников. - вопро-
сам цветовой оптики и т. п.
Инвариантный и варьируемый компоненты вместе образуют
так называемую функциональную программу. Программа один-
надцати летней школы представляет собой именно такую функ-
циональную программу.
2. Содержание курса физики средней школы
Общеобразовательный курс физики представляет собой основы
физики - науки. В его содержание входят: факты, понятия, законы,
теории, модели, фундаментальные опыты, методы физики и спе-
цифические правила и приемы мыслительной и практической дея-
тельности, практические применения физики, имеющие народно-
хозяйственное значение, исторические сведения о различных эта-
пах развития физики, жизни и деятельности выдающихся ученых.
8
При отборе содержания общеобразовательного курса физики
учитываются уровень развития физической науки, связь науки с
другими учебными предметами, с жизнью, с развитием техники.
15 частности, успехи и достижения физической науки и использо-
вание этих достижений в практике обусловили необходимость
повышения научного уровня школьного курса физики, приведе-
ния его в соответствие с современным уровнем развития науки.
Эго требование реализуется в нескольких направлениях.
Во-первых, в содержание общеобразовательного курса физики
введены вопросы современной физики. К ним относятся основы
специальной теории относительности, элементы квантовой физи-
ки (квантовые постулаты Бора, корпускулярно-волновой дуализм
свойств материи и г. п.), физика атома, атомного ядра и элемен-
тарных частиц.
Во-вторых, вопросы классической физики в школьном курсе
получают современную трактовку. Например, в механике подчер-
кивается значение второго закона Ньютона, постулирующего су-
ществование инерциальных систем отсчета, в качестве основного
понятия вводи гея понятие взаимодействия, из рассмотрения ко-
торого определяются понятия массы и силы, через весь раздел
проходит идея относительности движения и г. д.
В разделе «Молекулярная физика» для описания свойств мак-
роскопических систем используют статистический и термодина-
мический методы, акцентируют внимание па зависимости свойств
систем от их внутреннего строения; для формирования у учащихся
статистических представлений изучают основное уравнение моле-
кулярно-кинетической теории идеального газа, выражающее связь
макроскопических и среднестатистических параметров, а также
принцип необратимости тепловых процессов.
При изучении электродинамики основное внимание уделяется
формированию понятия электромагнитного поля. Электростати-
ческое, стационарные электрическое и магнитное, вихревые элект-
рическое и магнитное поля рассматриваются последовательно как
частные случаи единого электромагнитного поля, проявление
которого зависит от выбора системы отсчета. Научную трак-
товку получает явление электромагнитной индукции как явление
возникновения вихревого электрического поля при изменении
мат нитного поля.
Таким образом, содержание курса физики создаст предпосыл-
ки для формирования у учащихся статистических, полевых и
квантовых представлений.
Решению задач повышения научного уровня курса физики спо-
собствует указание границ применимости физических понятий.
9
законов и теорий. В этом плане большое значение имеет обоб-
щающее занятие «Современная научная картина мира», позво-
ляющее показать место изученных теорий в современной физике и
взаимосвязь между ними.
Связь физики с другими науками отражается в связи курса фи-
зики с другими учебными предметами. Она носит взаимный ха-
рактер и реализуется путем включения в содержание курса физики
тех вопросов, без знания которых невозможно изучение других
дисциплин, а также путем учета знаний, полученных учащимися по
другим предметам. Например, изучение в курсе математики основ
математического анализа позволяет использовать дифференци-
альное исчисление при рассмотрении электромагнитных колеба-
ний (запись уравнения колебания, вывод формулы Томсона).
Изучение электролиза в курсе химии позволяет рассмотреть в
курсе физики проводимость жидкостей и закон электролиза и нс
рассматривав вопрос об определении заряда одновалентного иона.
Успешное изучение в образовательной области «Общественные
дисциплины» категорий и законов диалектики возможно лишь при
условии, что курс физики создает для этого необходимую базу.
Поэтому в содержании курса физики отражены не только такие
понятия, как материя, ее виды, формы движения материи
(механическая, тепловая и т.н.), но и гносеологические вопросы.
Например, роль опыта в физике как источника знаний и критерия
их истинности, роль моделей в познании, сведения из истории
развития физической науки и т. п.
Па содержание курса физики влияет уровень развития техники.
В частности, если раньше в курсе физики широко изучали электро-
вакуумные приборы, то в настоящее время значительно большее
время уделяется полупроводниковым приборам (транзисторы, гене-
ратор на транзисторе, применение полупроводниковых приборов).
Уровнем развития техники определяется политехнический ма-
териал, который включается в содержание курса физики.
Именно современный уровень развития физической науки и
техники обусловил введение в курс физики таких вопросов поли-
тсхническо! о характера, как движение искусственных спутников,
устройство ракеты, магнитная запись информации, МГД-тенсра-
тор, лазер, ядерныи реактор и др.
Перечень и уровень вопросов, составляющих содержание курса
физики, определяются дидактическими принципами. При этом учет
возрастных особенностей учащихся не должен вступать в проти-
воречие с научностью содержания. Необходимость учета возраст-
ных особенностей учащихся (уровня мышления, познавательных
возможностей, предыдущей подготовки) приводит к тому, что
10
общеобразовательный курс физики состоит теперь из курса основ-
ной школы (базовой школы) и курса старших классов (профес-
сиональной школы). Эти два курса и составляют единый система-
тический курс физики.
При разработке программ соответствующих курсов физики
совершенствуется его ступенчатая структура. Это выражается, в
частности, в устранении дублирования, проявляющегося в том,
что некоторые физические явления и понятия изучаются дваж-
ды. В этом случае совершенствование структуры курса заключа-
ется в том, что знания, полученные учащимися в базовом курсе,
затем развиваются, углубляются при установлении новых связей
и их практическом применении. Например, в базовом курсе
учащиеся изучают геометрическую оптику, в старших классах
профильной школы законы геометрической оптики рассматри-
ваются еще раз, но на ином уровне. Во-первых, закон преломле-
ния доводится до точной количественной формулировки, чего
нельзя было сделать в базовом курсе из-за недостаточной мате-
матической подготовки учащихся. Во-вторых, и это главное, при
выводе законов преломления и отражения света применяется
волновой принцип Гюйгенса. Геометрическая он гика рассмат-
ривается как частный случаи волновой, устанавливаются грани-
цы ее применимости.
Аналогично, по спирали развиваются знания учащихся о со-
хранении и превращении энергии. Если в базовом курсе при изу-
чении понятий «работа», «мощность» и «энергия» речь идет лишь
о превращении одного вида механической энергии в другой, то в
этом же курсе далее рассматривается превращение энергии в ме-
ханических и тепловых процессах, изучается закон сохранения
энергии в механических процессах, первый закон термодинамики.
Полученные знания применяют при анализе явлений различной
физической природы: механических колебаний и волн, процессов
в газах и г. д., что способствует углублению знаний.
При рассмофении содержания курса физики средней школы мы
не упоминали конкретные классы, а речь шла только о базовом
курсе и курсе физики средней школы. Связано это с тем, что теперь
нет единой программы, а есть набор про1рамм. во многом отли-
чающихся друг от друга. В частности, некоторые программы можно
найти в программно-методических материалах «Физика. 7-11 клас-
сы» (Москва. Издательский дом «Дрофа», 1998). а именно:
А. Программы базовой школы
1.	Физика и астрономия. 7-8 классы (ав торы Ю. ТЕ Дик,
А. А. Пинский);
11
2	Физика. Химия. 5-6 классы (авторы А.Е.Гуревич, Д. А.Иса-
ев, Л.С.Понтак):
3.	Физика. 7-8 классы (авторы А. Е. Гуревич, Е. К. Страут);
Б. Программы для старшей профильной школы
I. Физика. 8-9 классы (авторы В. А.Орлов. Ю.И.Дик, А. А. Пин-
ский, В. Г. Разумовский. В. А.Коровин).
Итак, есть базовая школа (VI-IX классы) и соответствующие
ей программы, есть старшая профильная школа, также обеспе-
ченная программами. Физика в настоящее время изучается в VII
IX классах базовой школы и в X-XI классах старшей профильной
школы. Но в любой программе курса физики должно быть «ядро»
(инвариантный компонент) и варьируемый компонент (его часто
называют «оболочкой»).
В настоящее время ставится вопрос о переходе средней школы на
12-летнее обучение. Тогда базовая (основная) школа - VI-X классы.
3.	Физические теории в школьном курсе физики.
Структура школьного курса физики
Отобранные для изучения в школе основы физики (факты, по-
нятия, законы, теории) должны быть преподнесены учащимся в
систематизированном виде в соответствии с дидактическим прин-
ципом систематичности и последовательности изложения знании.
Увеличение объема научных знаний и отсутствие возможностей для
увеличения времени изучения материала, задача повышения на-
учного уровня курса, развития мышления учащихся требует тща-
тельной систематизации учебного материала. Проблема эта мо-
жет решаться по-разному. В настоящее время имеет место тенден-
ция объединения, или группировки, учебного материала в курсе
физики вокруг ведущих физических идей или принципов, т. с. его
генерализации. В качестве основных ведущих идей, вокруг кото-
рых осуществленс! группировка (генерализация) учебного мате-
риала в средней школе, выделены физические теории.
Значение физической теории в науке заключается в том, что,
включая в себя ряд положений, понятий, законов, теория исчерпы-
вающе описывает определенный кру1 явлений и в этом смысле яв-
ляется основной и ведущей формой знания [29, с. 22]. При этом
важно, что теория позволяет не только объяснять явления и про-
цессы. но и предсказывать ход явлений, устанавливать новые зако-
номерности. Таким образом, группировка учебною материала во-
12
круг физических теорий позволяет передать учащимся в обобщен-
ном виде определенную сумму знаний и использовать ее для объяс-
нения и предсказания явлений природы. Поэтому объединение
учебного материала вокруг физических теорий позволяет передать
учащимся определенный способ мышления, так называемое теоре-
тическое мышление, соответствующее современному уровню обще-
ственного познания. Формирование этого способа мышления явля-
ется задачей обучения. Эта методическая задача реализуется уже в
курсе физики базовой школы, где в основе изучения материала ле-
жат в основном молекулярно-кинетическая и электронная теории.
Молекулярно-кинетическая теория изучается почти в самом
начале курса физики, а затем используется для объяснения свойств
жидкостей и газов, тепловых явлений, агрегатных превращений
вещества. Элементы электронной теории (строение атома), изу-
ченные в базовой школе, используются при объяснении явлений
электризации и проводимости.
Учебный материал в старшей профессиональной школе сгруппи-
рован вокруг классической механики, молекулярно-кинетической
теории, электродинамики и квантовой теории. При этом материал
расположен в порядке усложнения форм движения материи. В соот-
ветствии с этой группировкой курс физики старших классов состоит
из четырех разделов: «Механика», «Молекулярная физика». «Элект-
родинамика». «Квантовая физика». Раздел «Механика» включает
все явления и процессы, связанные с механической формой движе-
ния материи (кинематику и динамику движения материальной точ-
ки), законы сохранения, механические колебания и волны.
В разделе «Молекулярная физика» изучаются явления и про-
цессы, связанные с тепловой формой движения материн на микро-
и макроуровнях, т. е. основы молекулярно-кинетической теории и
основы тер м од и н а м и ки.
«Электродинамика» включает все явления и процессы, связан-
ные с электромагнитной формой движения материн: сгатическое,
стационарное и вихревые поля, вопросы проводимости, электро-
магнитные колебания, электромагнитные волны радио- и оптиче-
ского диапазонов, элементы специальной теории относительности.
В разделе «Квантовая физика» объединены явления, связанные
с поглощением и излучением энергии. Здесь рассматриваются фо-
тоэффект. строение атома, атомного ядра, физика элементарных
частиц.
В любой физической теории выделяют основание, ядро, выво-
ды [29].
Основание, или эмпирический базис, теории составляют экспе-
риментальные факты, идеализированный объект, физические по-
13
пятня и величины, описывающие этот объект, и правила действия
с ними.
В ядро теории входят законы, постулаты, принципы, фунда-
ментальные постоянные.
К выводам теории относятся применения теории к решению
конкретных задач.
Например, эмпирический базис молекулярно-кинетической
теории идеального таза составляет ряд экспериментальных фак-
тов: диффузия, легкая сжимаемость газа, способность занимать
весь предоставленный ему объем. В основании теории лежит мо-
дель - «идеальный газ» и ве тичины, описывающие поведение этой
идеализированной макросистемы: давление, концентрация, сред-
ний квадрат скорости молекул и др.
Ядро теории составляет основное уравнение молекулярно-
кинетической теории идеального газа. К выводам теории отно-
сятся уравнение состояния, частные тазовые законы, применение
теории к объяснению свойств тазов.
Все эти элементы теории представлены в курсе физики. Но но-
ско тьку степень разработанности теории и уровень их ннтерцрета
цнн различны, они по-разному отражены в школьном курсе фи шкп.
Определенная группировка материала осуществлена и внутри
разделов и гем курса физики. Гак, структура и логика раздела «Ме-
ханика» подчинена идее решения основной задачи механики, по-
этому совместно изучаются прямолинейное и криволинейное дви-
жения, различные виды движении классифицируются по характеру
действующих сил и начальных условий Материал раздела «Моле-
кулярная физика» систематизирован таким образом, что свойства
макроскопических систем объясняются на основе их строения.
В разделе «Электродинамика» материал сгруппирован так, что
последовательно изучаются статическое и стационарные поля,
также последовательно рассматриваются переменные поля; в от-
дельную тему «Электрический ток в различных средах» выделены
вопросы проводимости различных сред.
Световые волны изучаются в геме «Электромагнитные волны»
и рассматриваются как частный случай электромагнитных волн, а
геометрическая оптика изучается как предельный случай волно-
вой оптики.
Можно выделить несколько стержневых идей, которые прони-
зывают курс физики в целом. Это прежде всего идея строения ма-
терии. Формирование у учащихся представлений о строении ма-
терии начинается с самого начала изучения курса физики, а далее
учащиеся знакомятся с полевым видом материи. В старшей про-
фильной школе эти представления углубляются и расширяются:
14
вводится понятие о едином электромагнитном поле, о взаимосвя-
зи поля и вещества.
Весь курс физики пронизан идеен сохранения энергии: пред-
ставления о законе сохранения энергии учащиеся получают уже в
курсе физики базовой школы и закон сохранения используется
при объяснении явлений различной физической природы - меха-
нических, тепловых, электромагнитных, квантовых.
Еще одной сквозной идеей является идея относительности: она
впервые вводится в механике, далее развивается в электродина-
мике при изучении относительности электромагнитного поля и
основ специальной теории относительности.
Объединение учебного материала вокруг ведущих физических
идеи позволяет укрупнить разделы и темы курса, представить в
единстве классическую и современную физику, отобрать основной
материал, освободить курс от второстепенных вопросов, а учащихся
от необходимости запоминать слишком большое количество фактов.
Как уже указывалось, группировка материала вокруг физиче-
ских теорий позволяет сформировать у учащихся теоретический
способ мышления, что является одной из задач обучения физике.
В основе теоретического способа мышления лежит содержатель-
ное и теоретическое обобщение, процесс формирования которого
представляет собой путь познания в физической науке.
Как известно, этапам научного познания соответствуют этапы
цикла познания в обучении: факты - модель - следствия - экспе-
римент [32. с. 35]. Эксперимент понимается не только как экспе-
риментальная проверка следствии, но и как применение теоре-
тических знании в практике (объяснение явлений и процессов,
решение задач, объяснение конструкции и принципов работы тех-
нических устройств и т. и.).
Формирование теоретического способа мышления предъявляет
новые требования к эксперименту. В выделенном цикле познания
эксперимент играет важную роль па этапе накопления знаний и на
этапе применения и проверки полученных знаний. Поэтому про-
граммы средней школы уделяют большое внимание эксперименту.
В курсе изучается значительное число фундаментальных опытов,
составляющих эмпирический базис соответствующих теорий (опыт
Иоффе-Милликена, опыты Резерфорда, Штерна. Фарадея и др.).
Демонстрационному и самостоятельному эксперименту учащихся
отдана существенная часть учебного времени. При выполнении
эксперимента акцент делается на его роль в процессе познания, что
позволяет внести вклад в формирование мировоззрения учащихся.
Систематизация содержания курса физики вокруг физических
теорий позволяет успешнее решать задачу формирования научно-
15
го мировоззрения учащихся [46]. Это связано с тем, что в итоге
изучения курса физики у учащихся должны формироваться пред-
ставления о физической картине мира, в которую входят изучае-
мые в школьном курсе физические теории.
Организация материала в соответствии с этапами формирова-
ния теоретического обобщения дает возможность успешно решать
и задачу политехнического обучения. Рассмотрение применений
физических законов в практике завершает цикл познания.
Политехнический материал курса физики общеобразователь-
ной школы систематизирован вокруг основных направлений на-
учно-технического прогресса, т. е. основные направления научно-
технического прогресса в курсе физики средней школы соотнесе-
ны с соответствующими разделами курса (механизация и механи-
ка. теплофикация и термодинамика, энергетика и электродинами-
ка и т. д.) При этом прикладной материал 1есно связан с физиче-
скими теориями.
Таким образом, весь физический материал как базовой школы,
так и старших классов профильной школы может быть в про-
граммах расположен в порядке раскрытия основных положений
фундаментальных физических теорий (механики, молекулярной
физики, электродинамики и квантовой физики). В каждой про-
грамме должны быть разделы: «Механика», «Молекулярная фи-
зика». «Электродинамика» и «Квантовая физика». По последова-
тельность изучения тем. входящих в эти разделы, может быть раз-
личной в разных программах, так что. строго говоря, структуру
курса физики описать однозначно нельзя.
Зная основы физической науки, будущий учитель сможет при-
менить свои знания, чтобы сделать преподавание конкретной те-
мы, вопроса курса научным, систематизированным, обоснован-
ным и убедительным, наполненным примерами из жизни, из ис-
тории физики и т. и.
4.	Стандарт по физике для средней школы
Основным документом, определявшим содержание работы учи-
теля физики практически до 90-х юдов XX столетня в России, была
программа курса, в которой указывались:
время на изучение материала;
-	основное содержание материала;
м ежпрсд мстные связ и;
-	фронтальные лабораторные работы;
-работы физического практикума.
16
Кроме того, в объяснительной записке давались методические
указания, как строить учебный процесс по данной программе.
В настоящее время и в дальнейшем в России основным доку-
ментом, определяющим минимум содержания и требования к
уровню подготовки выпускников (вместе с санитарно-гигиениче-
скими нормами учебной нагрузки школьников) будет Стандарт
подготовки учащихся по тому или иному предмету. Сейчас дейст-
вует временный стандарт [5], а после утверждения Государствен-
ной думой Стандарт станет законом, с его учетом будут разраба-
тываться программы, создаваться учебники.
Дадим развернутую характеристику Стандарта на примере
«Стандарта для основного и общего образования».
Стандарт, прежде всего, содержит общую часть (не для курса, а
для образовательной области).
Например, в общую часть любого стандарта из образователь-
ной области «Естествознание» должны быть включены:
1)	элементарные знания о методах естественнонаучного по-
знания:
2)	важнейшие категории научного знания: явления и факты,
понятия, законы, теоретические выводы;
3)	важнейшие методы научного познания: наблюдение, экспери-
мент, построение гипотез и моделей, вывод следствий и их проверка;
4)	планирование, проведение наблюдений и экспериментов;
фиксация полученных данных и их систематизация в виде таблиц,
графиков, диаграмм; интерпретация результатов, полученных в
опыте, формулировка теоретических выводов;
5)	экспериментальные факты как основа для выдвижения и
проверки правильности гипоте: . построение моделей процессов и
объектов природы.
В конкретном стандарте для определенного курса указываются
разделы курса и входящие в них вопросы в обобщенном, струкгу-
ризированном виде.
Например, в Стандарт по физике и астрономии входят разде-
лы: «Механика»; «Молекулярная физика»; «Электродинамика»;
«Квантовая физика»; «Астрономия».
На примере одного из разделов - «Механики» - покажем, как
раскрывается в Стандарте содержание раздела и формулируются
требования к его изучению. В этот раздел Стандарта входят:
явления и фаты: прямолинейное движение, свободное паде-
ние тел, движение тел по окружности с постоянной по модулю
скоростью, механические колебания и волны (в том числе и зву-
ковые), эхо, упругая деформация, трение, передача давления твер-
дыми телами, жидкостями и газами, a	|ение;
ШГШИЙ
ЛЕД I ЯС ИЛУ]	17
Б1Б/П ОТЕКА
понятия и величины: относительность движения, скорость,
масса, ускорение, импульс, сила, потенциальная и кинетическая
энергии, преобразование энергии, полная механическая энергия,
работа, мощность, коэффициент полезного действия, давление, пе-
риод, амплитуда колебаний маятника, частота колебаний, инер-
циальная система отсчета:
- модель: материальная точка:
-законы: Ньютона, всемирного тяготения, Паскаля, сохране-
ния импульса, сохранения энергии:
методика измерений: расстояния, времени, объема, массы,
силы:
-	практически важные вопросы: допустимый уровень шума,
преобразование энергии на гидроэлектростанции: экологическое
в оздей с тв ие г и дроэл сктр ocrai i ци и.
Разделы «Молекулярная физика» и «Электродинамика» вклю-
чаю! явления и факты: понятия и величины; модели; законы; ме-
тодику измерений; практически важные вопросы.
Раздел «Квантовая физика» содержит пять пунктов: явления и
факты; понятия и величины; модели; законы; практически важные
вопросы; в «Астрономии» шесть пунктов: явления и факты; поня-
тия и величины: модели; законы; методы измерений: практически
важные вопросы.
Как видим, структура разделов примерно одинакова.
Далее идут требования к уровню подготовки выпускников. По
итогам освоения обязательного минимума содержания образова-
тельной области «Физика и астрономия» выпускники должны:
-	называть, приводить примеры, измерять;
-	собирать установки;
-	описывать, характеризовать, сравнивать, строи ть;
-	определять, вычислять, решал ь, распознавать;
-	объяснять, обосновывать, представлять.
Что именно ученик должен уметь делать в соответствии с эти-
ми требованиями, подробно перечислено в Стандарте.
По этому или аналогичному Стандарту составляются програм-
мы и создаются учебники. Качество программ, учебников и учеб-
ного процесса проверяется по указанным выше требованиям.
Таким образом. Стандарт - это документ, причем довольно
сложный и запомнить его даже не следует пытаться. Надо знать,
что он определяет минимум знаний понимать, из каких элементов
эти знания складываются и как они будут проверяться.
Учебная программа теперь ие основной документ учителя, но
необходимый документ. Приведем краткие характеристики про-
грамм.
18
Учебная программа определяет объем и содержание курса физи-
ки; она является документом, построенным на основе Стандарта, и
ее выполнение обязательно, так как это обеспечивает соответст-
вующий уровень образования для всех учащихся.
Для учителя программа выполняет ориентирующую функцию.
Создание целевых установок позволяет ему правильно построить
преподавание предмета, осознать отобранное содержание, вы-
брать адекватные целям методы и формы обучения.
Программа является документом, как уже указывалось, на ос-
нове которого разрабатываются учебники физики. Для учащихся
школы учебник - источник знаний, средство их закрепления, фор-
мирования умении и навыков.
Учителю учебник позволяет уточнить уровень и глубину изу-
чения ма терна па, логику его предъявления школьникам, наметить*
методику обучения.
Учебник физики обычно содержит основной про1раммный ма-
териал и материал для дополнительного чтения, иллюстрации,
справочные таблицы, руководства к лабораторным работам, уп-
ражнения, вопросы и задания.
Чтобы учебник выполнял свои функции как источник знаний,
средство развития мышления и познавательных способностей,
ученик должен уметь работать с учебником, а этому его нужно
научить. Умение работать с учебником относится к группе обще-
научных умений и входит в содержание образования.
Основной текст программы, определяя содержание учебного
материала, содержит названия разделов и тем с указанием числа
часов на их изучение и перечень вопросов, подлежащих изуче-
нию. В перечне знаний и умений по каждой теме, по сути дела,
конкретизированы цели обучения ф гзпке: он показывает учите-
лю, к каким конечным результатам необходимо привести уча-
щихся.
В ряде программ после каждого класса содержится раздел
«Межпредметные связи», где указаны не только предшествующие
и сопутствующие связи, но и перспективные. В частности, указа-
но. что изучение основ молекулярной физики осуществляется с
использованием знаний по химии (моль, молярная масса и т. д.),
изучение термодинамики строится с учетом знаний, полученных в
курсе трудового обучения (ДВС, виды ДВС и др.). С другой сто-
роны, знание основ молекулярно-кинетической теории использу-
ется в астрономии при изучении природы тел Солнечной системы,
а также Солнца и звезд.
Поставленные цели обучения могут быть достигнуты при ис-
пользовании определенных методов и форм обучения.
19
В программе могут быть приведены рекомендации к методике
преподавания. Введение такого раздела в программу чаще всего
связано с тем, что изменение целей обучения физике, в частности
повышение внимания к формированию у учащихся научных зна-
ний и научного мировоззрения, к развитию мышления учащихся,
требует совершенствования методов и форм обучения, усиления
роли активных методов обучения, самостоятельного добывания и
закрепления знаний. Так, в рекомендациях к методике преподава-
ния указано, что главное внимание должно быть обращено па
изучение основных фактов, понятий, законов, теорий и методов
физики, на обучение учащихся самостоя!ельно применять знания
для объяснения физических явлений, результатов эксперимента,
действия установок и приборов.
Программы рекомендуют применять в учебном процессе раз-
ные формы и методы обучения, в том числе семинары обобщаю-
щего характера, шире практиковать самостоятельную работу
учащихся на всех этапах учебной деятельности, обучать учащихся
работе с книгой.
Решающее значение в достижении целей обучения физике име-
ет урок - основная форма учебно-воспитательной работы школы.
В программе подчеркивается, что основной учебный материал
должен быть усвоен учащимися на уроке. Это возможно лишь при
условии совершенствования структуры урока, методики ею орга-
низации.
Важную роль в обучении физике играет учебный эксперимент.
Это получило соответствующее отражение в про1раммс, где ука-
заны фронтальные лабораторные работы и демонстрации, число
которых составляет обязательный минимум. Учителю дастся пра-
во заменять отдельные работы или демонстрации равноценными,
он может расширить число лабораторных работ за счет введения
кратковременных.
В старших профильных классах предусмотрено проведение ла-
бораторного практикума, перечень работ которого охватывает
основные вопросы, изученные в школьном курсе физики.
Целый ряд физических явлений, а также применений физиче-
ских законов не может быть продемонстрирован на урокс с по-
мощью имеющихся в распоряжении учителя приборов. В этом слу-
чае на помощь приходя! различного рода видеопособия. В про-
грамме имеется список видеофильмов и видеофрагментов для ка-
ждого класса. Помимо этого в распоряжении учителя имеются
диафильмы и наборы диапозитивов, компьютер.
Цели обучения считаются достигнутыми, если знания учащихся
соответствуют запланированному уровню усвоения. Степень соот-
20
ветствия обычно выражается оценкой. Для повышения объективно-
сти этой оценки в программе приводятся примерные нормы оценок
знаний и умении учащихся по физике при устном ответе, при вы-
полнении лабораторных работ и выделено, что должен знать уча-
щийся о физическом явлении, физическом опыте, понятии, законе и
теории, о приборах, механизмах и машинах, какими общими уме-
ниями он должен овладеть при выполнении лабораторных работ.
Программа обычно завершается списком литературы по об-
щим вопросам и по вопросам методики преподавания физики.
5. Частные вопросы в курсе
«Теория и методика обучения физике в школе»
В настоящее время имеется шесть типов государственных и му-
ниципальных образовательных учреждении. Те из них, которые
имеют прямое отношение к преподаванию физики, опишем под-
робно, а другие только назовем:
I тип - дошкольное общеобразовательное учреждение.
II	тип - общеобразовательное учреждение.
Виды общеобразовательных учреждений:
-	начальная общеобразовательная школа;
основная общеобразовательная школа;
-	средняя общеобразовательная школа;
средняя общеобразовательная школа с углубленным изу-
чением отдельных предметов;
лицей;
-	гимназия;
вечерняя (сменная) общеобразовательная школа:
-	центр образования;
открытая (сменная) общеобразовательная школа.
III	тип - образовательная школа-интернат.
IV	тип - общеобразовательное учреждение для детей-сирот и
детей, оставшихся без попечения родителей.
V	тип - специальное учебно-воспитательное учреждение для
детей и подростков с девиантным поведением.
VI	тип образовательное учреждение начального профессио-
нального образования.
Виды образовательных учреждений начального профессиональ-
ного образования:
-	профессиональное училище;
-	профессиональный лицей;
-	учебно-курсовой комбинат (пункт).
21
Во многих из этих учебных заведений курс физики изучается,
но, конечно, с учетом специфики этих учебных заведений.
В пособии основное содержание учебного материала по физике
и мегодика его изучения будут рассмотрены по разделам учебной
программы для средней общеобразовательной школы. Наш выбор
определяется тем. что это наиболее массовое учреждение.
В то же время нельзя оставить без внимания основную обще-
образовательную школу, в ко юрой предлагаемый для изучения
материал по физике может входить в программу средней общеоб-
разовательной школы, но изучаться на более низком уровне, чем в
старших классах, или вовсе отсутствовать в программе для стар-
ших профильных классов.
Поэтому мы должны рассмотреть основную характеристику
курса физики и особенности его изучения в основной общеобра-
зовательной школе и средней профессиональной школе. Кроме
того, для каждого раздела курса физики мы должны показать, как
изучается некоторый материал этого раздела в основной школе.
Что же касается профильной школы, лицеев, гимназий, школ с
углубленным изучением физики, то по конкретным особенностям
изучения того или иного учебного материала в пособии будут да-
ны только некоторые советы.
Выбрав школу, выберем программу, на которую будем ориенти-
роваться. Мы уже сказали, что в настоящее время существует много
вариантов программ. Так, издательство «Просвещение» издаст
сборник программ [35]. В 1994 году в таком сборнике было поме-
щено 10 вариантов программ для базовой школы. (Заметим здесь,
что термины «базовая» и «основная» школа применяются, по суще-
ству. как синонимы). Для старшей профильной школы приведено 7
программ, а также 3 экспериментальные программы. Если взять
сборник 1996 года, то в нем 6 программ для базовой школы, 4 про-
граммы для старшей школы и 7 авторских программ.
Из всего многообразия программ мы выбираем программу
«Физика и астрономия», составленную авторским коллективом
Института общеобразовательной школы Российской академии
образования (подред Ю. И. Дика).
При использовании этой программы астрономических вопросов
мы практически касаться не будем, так как они у учителя, изучавшего
курс астрономии в вузе, нс должны вызывать затруднения. Кратко
остановимся на специфике курса физики для базовой школы.
До недавнего времени курс физики в VII—VIII классах (I сту-
пень) играл роль некоторой базы для систематического курса фи-
зики (IX XI). Но теперь ситуация изменилась коренным образом,
так как введен базовый курс физики в VII IX классах и он являет-
22
ся для всех школьников обязательным. В отношении этого курса
необходимо отметить следугцее:
-	этот курс (по возможности) должен быт ь завершенным и по-
этому охватывает основной материал всех основных разделов
школьного курса физики;
-	так как часть учащихся может нс изучать курс астрономии, в
этот курс желательно органически ввести основные и доступные
учащимся этого возраста вопросы астрономии;
при изучении базового курса следует соблюдать принцип пре-
емственности с пропедевтическим курсом естествознания, уста-
навливать межпредметные связи с математикой, биологией, гео-
графией и химией;
при изучении этого курса следует рассматривать возникшие
экологичсскис проблемы;
в процессе изучения курса должны реализовываться требова-
ния уровневой дифференциации, г. е. необходим учет интересов,
способностей и склонностей учащихся.
В старших классах, которые теперь называются профильными,
должна проводиться профессиональная дифференциация [36]. Кро-
ме того, могут быть в них курсы повышенного уровня, углублен-
ное изучение физики, курсы с элементами прикладного характера.
В программах для этих классов возрастает роль физических тео-
рии. фундаментальной физической теории, роль математики,
включая элементы высшей математики. Учитель имеет многооб-
разие таких программ, а многие опытные учителя будут состав-
лять свои (авторские) программы.
В заключение кратко сформулируем основные задачи курса
«Теория и методика обучения физике»; покажем, что может сту-
дент -будущий учитель физики приобрести при его изучении.
Авторы пособия стоят на позициях новой парадигмы среднего
образования в России - учитель не является основным источником
новых знаний, он в первую очередь организатор познавательной
деятельности учащихся. Учитель «строит» учебно-воспитательный
процесс, исходя из поставленной цели, содержания учебного мате-
риала (определяемого программой курса), учебника (дающего
основной учебный материал), заданий для учащихся (для организа-
ции их самостоятельной работы), средств обучения, необходимых
для этого курса, находя наиболее эффективные формы организации
обучения. Сформулируем более кратко: учитель не работает по ре-
цептам, он сам гворит учебно-воспитательный процесс.
Изучая курс «Теория и методика обучения физике», будущий
учитель знакомится с тем уровнем знаний и умений учащихся по
физике, которого они должны достигнуть по окончании средней
общеобразовательной школы по выбранной нами программе. Зада-
ча курса - обосновать, какие теории, методы, формы и средства
обучения должен использовать учитель физики, чтобы добиться до-
стижения поставленной цели. Никаких рецептов, конкретных уро-
ков курс не дает. Технологию и приемы обучения студент познает
на семинарах, лабораторных занятиях и на педагогической практи-
ке. В завершение курса дается модель школьного уровня изучения
физики, причем для общеобразовательной средней школы. Крите-
рием достижения поставленной цели является Стандарт обучения
учащихся по физике в данном виде среднего учебного заведения.
Приступая к работе, учитель физики сам выбирает программу
курса, учебник физики и. опираясь на них. строит учебно-воспита-
тельный процесс. Модель курса несколько изменится, но в основ-
ном сохранится. Учитель может работать по своей авторской
программе, но критерием достижения поставленной цели все рав-
но будет соответствующий Ст андарт.
Если учитель работает в школе или в классах с углубленным
изучением физики, то он выбирает соответствующие программу и
учебник. Модель школьного курса, естественно, изменится, об-
растет новыми, дополнительными деталями, ученики получат бо-
лее широкие знания по физике, и глубина познания ими материа-
ла увеличится. Но «ядро» «модели» сохранится, изменится и весь-
ма сущее венно только се «оболочка».
Если учитель работает в старших классах профилы ой школы,
то он должен расширить материал по физике, относящийся к дан-
ному профилю среднего учебно! о заведения, а «модель» среднего
образования ио физике практически сохранится, изменится се
«оболочка», и только в одном из направлений (в соответствии с
профилем подготовки учащихся).
Не все учащиеся после основной школы (окончания IX класса)
пойдут в старшие классы. Опп могут учиться и в таких средних
учебных заведениях, где физика не изучается. 1 огда их подготов-
ка по физике будет определяться теми знаниями и умениями, ко-
торые они получают по физике в основной школе, т. е. в так назы-
ваемом базовом курсе. Здесь критерием достижения поставленной
цели также является соответствующий Стандарт.
О базовом курсе физики мы уже говорили: он завершенный,
г. е. охватывает все разделы курса физики, но более узкий и менее
глубокий, чем курс физики средней школы. Решая вопрос о его
месте в пособии, авторы сочли целесообразным сначала дать курс
физики средней школы, его модель, а потом показать, что изуча-
ется в основной школе, ибо там есть все разделы курса физики и
как бы модель курса сокращена, сжата, из нее изъяты не все цен-
24
тральные. а в основном внешние элементы: изучаются не все тео-
рии. даегся ио каждому разделу только основной материал. По-
этому содержание и методика изучения базового курса рассмат-
риваются нами в конце пособия, когда модель школьного курса
физики уже достроена. Нам представляется, что так будет легче и
естественнее понять, что такое базовый курс, где его границы.
Гак строится учебное пособие «Теория и мегодика обучения
физике. Частные вопросы».
Часть 1
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИКИ
В ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ
1.1. ЗНАЧЕНИЕ МЕХА1 ИКИ В ОБЩЕМ ФИЗИЧЕСКОМ
ОБРАЗОВАНИИ ШКОЛЬНИКОВ
При обучении механике в общеобразовательной средней шко-
ле решаются определенные образовательные, воспитательные за-
дачи и задачи развития учащихся.
Образовательные задачи определяются прежде всего
тем, что в механике вводят основные понятия (масса, сила, им-
пульс тела, энергия и т. д.), являющиеся «инструментом» познания
в науке - физике. В этом смысле механику справедливо считают
фундаментом физики. В механике учащиеся знакомятся с физиче-
ской теорией - классической механикой Ньютона и такими обоб-
щениями, как закон всемирного тяготения, законы сохранения
импульса и энергии, общие условия равновесия механических сис-
тем и др.
Воспитательные задачи (формирование научного миро-
воззрения) решаются путем формирования диалектико-материали-
стического взгляда на природу и се познание, формирования поли-
технических знаний и умений (знание научных основ современной
механизации промышленности, транспорта и сельского хозяйст-
ва), раскрытия на уроках физики основных направлений развития
и ускорения в современном производстве, воспитания интерна-
ционализма и патриотизма (показ интернационального характера
науки, вклада русских ученых в развитие механики и использова-
ние се достижений на практике), трудового воспитания1.
1 В настоящее время нет единого подхода к трактовке явлений. как эго было до
60-х годов XX столетня. Имеет гражданство плюрализм мнений и толкований, и мы
в курсе физики не навязываем одну идеологию. Но в силу того, что большинство ис-
следователей в области физики стоят на материалистических позициях и применяют
диалектический метод, эти подходы принимаются нами как основные 1*4-6].
26
Основа трудового воспитания на уроках физики при изучении
механики - политехническое обучение, в процессе которого школь-
ников знакомят с одним из основных направлений современного
производства - механизацией. Учащиеся узнают о простых меха-
низмах, различных видах передачи движения, законах движения и
др. При проведении лабораторных работ они осваивают некоторые
практические умения в обращении с измерительными инструмен-
тами. Трудолюбие воспитывают и на примерах работы ученых и
изобретателей, показывая, какую огромную роль в их научных
открытиях играл труд. И. Ньютон говорил: «Поверьте мне, если
мои исследования и принесли несколько полезных результатов, то
они обязаны груду и терпению».
Но при изучении механики надо показать и ее общекультурное
значение, показать механические явления в окружающей нас жиз-
ни, а не только в технике. Учитель это обстоятельство должен
подчеркнуть и привести различные примеры.
При изучении реактивного движения целесообразно специально
остановиться на развитии отечественной космонавтики, на роли
К. Э. Циолковского, впервые создавшего теорию ракет на жидком
топливе, показать, что начало практическому развитию реактивной
техники положено группой отечественных ученых под руковод-
ством Ф. А.Цандера, создавшего прототипы первых ракет на жид-
ком топливе и реактивных двигателей. Особо следует отметить
вклад в отечественное ракетостроение академика С. П. Королева,
под руководством которого в нашей стране были созданы первые
управляемые ракеты дальнего действия, многоступенчатые меж-
континентальные ракеты, с помощью которых были выведены на
орбиту первые искусственные спутники Земли, осветить послед-
ние достижения нашей космонавтики. Эта работа будет способст-
вовать воспитанию как интернационализма, так и патриотизма.
Решение задач развивающего обучения при изучении ме-
ханики направлено на развитие логического, теоретического, на-
учно-технического. диалектического мышления учащихся и, сле-
довательно. па развитие их интеллекта и творческих способно-
стей. Действительно, стройная логика механики, широкая опора в
механической теории на такие общие методы познания, как ана-
лиз и синтез, индукция и дедукция, способствуют развитию логи-
ческого мышления школьников. Наличие научных обобщений в
механике способствует формированию теоретического мышления,
особенность которого состоит в умении выделять главное, отра-
жаемое в абстракциях, и извлекать из последних конкретные выво-
ды, переходя от общего к частному. В механике школьники встре-
чаются с большим числом абстрактных понятий - материальная
27
точка, система отсчета, равномерное и равноускоренное движение
и др. 11ри рассмотрении этих понятий учащихся учат выделять
существенные признаки явлении и объектов, отбрасывать несуще-
ственные, показываю!, как возникает идеализация в науке, как
происходит абстрагирование.
Ознакомление школьников с законами механики, с их практи-
ческим приложением, с анализом механических явлений в технике
и в быту, а также выполнение ими творческих экспериментальных
заданий способствует развитию научно-технического мышления
учащихся.
Обращение к физической теории (классической механике Нью-
тона) способствует формированию у школьников представлений о
физической картине мира - одной из наиболее общих форм отра-
жения природы физической наукой и одного из компонентов науч-
ного мировоззрения, показывает диалектику развития взглядов на
физическую картину мира и место механической теории в этой кар-
тине. При изучении основных обобщений (закон всемирного тяго-
тения, законы сохранения импульса и энергии, общие условия рав-
новесия и др.) разъясняют учащимся, что объективность научных
обобщений подтверждается применением последних в практиче-
ской деятельности людей (механика космических полетов, движе-
ние машин и их частей, реализация условий равновесия в техниче-
ских сооружениях и конструкциях и т. д.) Изучение причин изме-
нения скорости движения и деформации способствует раскрытию
причинно-следственных свягеи Определение границ применимо-
сти классической механики помогает проиллюстрировать позна-
ваемость природы и безграничность процесса познания. Все это
способст вует формированию диалектического мышления.
1.2. ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИКИ
КАК РАЗДЕЛА КУРСА ФИЗИКИ
Первая особенность этого раздела заключается в том. что имен-
но с механики обычно начинают изучение курса физики в средней
школе. Это объясняется гем, что механические процессы являются
формой движения, наиболее доступной для наблюдения. К тому же
моделирование физических систем в классической физике связано
с созданием механических образов. Это определяет место механи-
ки в общеобразовательном курсе физики и требует от учителя
внимания к прочному усвоению учащимися материала
Вторая особенность состоит в том. что в механике достаточно
полно представлена физическая теория. (Ни в одном другом раз-
28
деле школьного курса физики этого нет.) Поэтому учителю пре-
доставляется возможность на примере механики проиллюстриро-
вать структуру физической теории.
В любой физической теории можно условно выделить основа-
ние, ядро и выводы. Основанием механической теории являются
идеализированный объект - материальная точка, определенное чис-
то экспериментальных фактов (опыты Галилея, Кавендиша и др.),
основные физические величины - перемещение, скорость, ускоре-
ние, масса материальной точки.
Ядро механической теории содержит систему абстракций
(постулаты об однородности и изотропности пространства, об
однородности времени, о мгновенном воздействии одного тела на
другое без материальных посредников), законы Ньютона, прин-
цип независимости действия сил. формулировку основной задачи
механики. Выводы этой теории включают возможность определе-
ния положения материальной точки в пространстве в любой мо-
мент времени по заданной силе (или равнодействующей силе) и
начальным условиям.
Основные выводы, к которым приводит теория механики и ко-
торые должны быть усвоены учащимися, следующие.
I.	Состояние изолированной системы материальных точек для
некоторого момента времени вполне определяется их координа-
тами и импульсом.
2.	Материальные точки действуют друг на друга с силами, из-
меняющими их импульсы.
3.	Состояние механической системы во все последующее время
однозначно вытекает из ее начального состояния и определяется
уравнениями Ньютона.
4.	Взаимодействие осуществляется на расстоянии (минуя мате-
риальные носители) и передается мгновенно (принцип дальнодей-
ствия). Механика Ньютона не рассматривает природу сил.
Третья особенность раздела - использование эксперимента в
преподавании механики. Эксперимент является источником по-
знания и критерием истинности любой теории, поэтому он должен
лежать в основе изучения механики. В механике большое значение
приобретают классические опыты, явившиеся поворотным пунк-
том в развитии науки. Они составляют особую группу опытов.
Это опыты по изучению движения падающих чел и опыты с маят-
никами, опыты Галилея и Ньютона по экспериментальному дока-
зательству равенства инертной и гравитационной масс, опыты
Кавендиша, Жолли, Рихарца по обнаружению тяготения и изме-
рению гравитационной постоянной и др. Их не всегда можно вос-
произвести в школе. В этом случае их можно проиллюстрировать
29
с помощью различных средств наглядности - учебных видеофиль-
мов, моделей, таблиц, с помощью ЭВМ.
Другую группу опытов в механике составляют опыты иллюст-
ративного характера, имеющие дидактическое, обучающее значе-
ние. Для этих опытов промышленность выпускает специальные
приборы по механике для демонстрации и лабораторных работ.
1.3.	СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА РАЗДЕЛА
В программе общеобразовательной средней шкоты механика
представлена четырьмя подразделами: основы кинематики, основы
динамики, законы сохранения, механические колебания и волны.
В кинематике изучают равномерное и равноускоренное прямо-
линейные движения, криволинейное движение и их характеристики.
Вводят понятие материальной точки, траектории, перемещения и
пути, пройденного телом вдоль траектории, системы отсчета, ско-
рости и ускорения. При формировании понятий перемещения, ско-
рости, ускорения большое внимание уделяют векторному характеру
этих величин. В рамках прямолинейного движения усвоение век-
торною характера скорости и ускорения затруднено (все векторы
направлены вдоль одной прямой, п действия над ними можно про-
водить алгебраически) Завершается раскрытие векторного харак-
тера этих величин при рассмотрении криволинейного движения.
Программа общеобразовательной средней школы ориентирует
на введение основных характеристик скорости и ускорения как
общих характеристик, с помощью которых можно распознавать
характер движения, предварительно oiоворив систему отсчета:
скорость и ускорение равны нулю (v= 0, а = 0) - состояние покоя;
скорость постоянна ( v = const) и ускорение равно нулю (а = 0)
равномерное прямолинейное движение; ускорение постоянно
(я = const) и скорость v увеличивается на одно и то же значение'
за единицу времени - равноускоренное прямолинейное движение
с возрастающей скоростью; ускорение постоянно (tf=const) и
скорост ь v уменьшается на одно и то же значение за единицу вре-
мени - равноускоренное движение с убывающей скорое 1 ью и т. д.
В динамике сначала рассматривают первый закон Ньютона,
вводят основные динамические характеристики движения массу
и силу, а затем второй закон Ньютона, в котором представлена
связь между силой, ускорением и массой. Чтобы записать закон
Ньютона для случая действия на тело нескольких сил, рассматри-
вают сложение сил, после этого вводят третий закон Нью юна.
Законы Ньютона являются фундаментальными в механике, обоб-
30
тающими, подтвержденными практикой и экспериментом, по-
этому их вначале формулируют, а затем иллюстрируют с помо-
щью эксперимента.
В ходе изучения видов сил в механике (гравитационных, упру-
гости, трения) выявляют зависимость их от взаимного располо-
жения тел и от скорости движения одного тела относительно дру-
гого. После введения гравитационных сил изучают закон всемир-
ного тяготения, дают понятие о силе тяжести и рассматривают
движения, в которых изменение скорости происходит в результате
действия силы тяжести. Подчеркивают роль начальных условий,
приводят расчет первой космической скорости. Далее рассматри-
вают силы упругости и закон Гука. Понятие веса тела вводят как
пример силы упругости. Завершают рассмотрение видов сил в ме-
ханике изучением силы трения, коэффициента трения и изменения
скорости движущегося тела в результате действия силы трения.
Показывают, что гравитационные силы и силы упругости явля-
ются функцией расстояния между взаимодействующими телами, а
силы трения - функцией относительной скорости.
При изучении видов механических сил большое внимание уде-
ляют практическим работам учащихся. По этим вопросам целесо-
образны четыре фронтальные лабораторные работы: «Измерение
жесткости пружины», «Измерение коэффициента трения сколь-
жения», «Изучение движения тела, брошенного горизонтально»,
«Изучение движения тела по окружности при действии сил упру-
гости и тяжести».
Раздел «Статика», традиционно входивший в школьный курс
механики, в программе общеобразовательной средней школы,
которую мы используем, отсутствует. Однако элементы статики,
рассмотренные еще в основной школе, и понятия сложения сил,
центра тяжести, включенные в программу старших классов, по-
зволяют сформулировать общие условия равновесия.
Группировка материала вокруг законов сохранения импульса
и энергии вызвана определяющим значением законов сохранения
в современном естествознании. Эти законы связаны со свойства-
ми пространства и времени (закон сохранения энергии - с одно-
родностью времени, закон сохранения импульса - с однородностью
пространства). Эти связи учитель должен особо подчеркнуть. За-
коны сохранения импульса и энергии справедливы в электроди-
намике и в квантовой механике.
Идея относительности проходит красной питью через весь курс
механики: относительность механического движения и покоя,
траектории, координаты, перемещения, скорости, импульса тела,
работы и кинетической энергии и инвариантность времени, рас-
31
стояния между взаимодействующими телами, ускорения, массы,
силы и др.
При изучении механики показывают, что се законы справедливы
для инерциальных систем отсчета. что равномерное прямолинейное
движение системы отсчета нс влияет на механические процессы,
т.е., по-существу, раскрывают принцип относительности 1 а лился.
Школьников знакомят с механическими колебаниями и волнами
(особым видом передачи энергии без переноса самого вещества)
еще с одним видом механического движения, расширяют пред-
ставления о периодических процессах. Например, при изучении
движения материальной точки ио окружности вводят понятия пе-
риода и частоты. При рассмотрении колебании уточняют эти ха-
рактеристики и выявляют общее и отличительное для движения
материальной точки но окружности и механического колебания
При изучении свободных и вынужденных колебаний выделяют
основные признаки этого движения (прямая пропорциональность
силы смещению и противоположность направления смещения и
действующей силы). При рассмотрении уравнения гармоническо-
го колебания понятия фазы не вводят. Программа общеобразова-
тельной средней школы предполагает введение понятия фазы в
электродинамике. Завершают изучение механики рассмотрением
механической волны, ее основных характеристик и примером ме-
ханической волны (звук и его характеристики). Так как математи-
ческая подготовка учащихся на этом этапе обучения нс позво inei
использовать производную и дифференциальные уравнения, то
механические колебания и волны нужно рассматривать, широко
привлекая эксперимент. Предполагается, что при изучении элек-
тромагнитных колебаний в последнем классе общеобразователь-
ной срсднеп школы буду! повторены механические колебания и
сопоставлены эти виды колебаний. Автоколебания рассматрива-
ют нс в механике, а при изучении электромагнитных колебании.
1.4.	АНАЛИЗ И ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ
ПОНЯТИЙ КИНЕМАТИКИ
1.4.1.	Анализ способов описания движения в механике
Для описания механического движения применяются различ-
ные способы. Один из них - описание движения с помощью пути
(как функции времени), пройденного материальной точкой вдоль
траектории (л = л (/)), друт ой - описание движения с помощью ради-
32
ус-вектора (г = F(Z)) и его изменения со временем (перемещение).
В средней общеобразовательной школе определяют положение ма-
шинальной точки в пространстве посредством координат (проек-
ций конца радиус-вектора на координатные оси): л = т (/); = г (/);
z = z (/), если выбирают прямоугольную систему координат. Из-
менение положения материальной точки в пространстве опреде-
ляют перемещением.
Выбрав один из способов, можно логично и непротиворечиво
описать движение и соответственно изучать кинематику в школе.
Однако описать движение посредством пройденного пути как
функции времени не всегда возможно, так как траектория движе-
ния может быть и неизвестной. К тому же, при описании движе-
ния с помощью пути как функции времени (s = s(/)) основные ки-
нематические характеристики (скорость и ускорение) приходится
вводить в два этапа: сначала как скалярные величины (производ-
ные соответственно первого и второго порядка пути по времени),
а затем как векторные величины (либо им приписывают направ-
ление, либо вводят единичный вектор, при умножении которого
на скаляр получаются векторные величины).
При описании движения с помощью радиус-вектора как функ-
ции времени (г =/•(/)) или с помощью координат основные кине-
матические характеристики вводят сразу как векторные величины.
Такой подход безусловно помогает вскрыть векторный характер
величин, к тому же этот способ описания движения более компактен.
Какой же подход следует избрать при изложении механики в
общеобразовательной средней школе?
В основной школе, из соображений доступности, выбирают
первый методический подход - скорость равномерного и прямо-
линейною движения вводят в два этапа: сначала как скалярную
величину, а затем этой величине приписывают направление.
При формировании понятий перемещения, скорости и ускоре-
ния в старших классах очень важно, чтобы векторный характер
этих величин был усвоен достаточно хорошо до изучения дина-
мики, где знание векторного характера этих величин необходимо
для понимания основных законов движения. Векторная запись
уравнений движения в сочетании с соответствующими рисунками
(схематическим изображением механических процессов) помогает
раскрыть физическую сущность вопросов динамики. Выражения
законов механики в векторной форме являются самыми общими и
не зависят от выбора системы отсчета. Поэтому в старших клас-
сах больше внимания уделяют работе с векторными величинами,
избирают координатный метод описания движения, г. е. исполь-
зуют второй методический подход.
2-2784	33
Координатный метод тесно связан с понятием системы отсчета.
Пользуясь координатным методом, можно векторные величины
(перемещение, скорость, ускорение, силу, импульс тела и др.) спрое-
цировать на координатные оси и описать движение с помощью
уравнений. Координатный метод вырабатывает общий поход к
описанию явлений и способствует связи физики с математикой.
Таким образом, изучение механики в старших классах с при-
менением координатного метода позволяет приблизить трактовку
основных понятии и законов к той, которая принята в науке, уси-
лить общий подход к изучению законов движения и повысить
уровень обобщения знаний.
1.4.2.	Виды движения и уравнения движения
Виды движения рассматривают на основе координатного ме-
тода. Для этого вводят понятия: система отсчета и координаты
точки. К введению этих понятий учащиеся в определенной степени
подготовлены на уроках математики: знакомы с понятием системы
координат и умеют определять координаты точки на плоскости.
Опираясь на эти знания, переходят к рассмотрению механическо-
го движения материальной точки на плоскости. В этом случае
достаточно знать две координаты. Анализируя конкретные случаи
движения, раскрывают перед учащимися понятие координаты, век-
тора перемещения и пути, пройденного телом вдоль траектории.
Например, начертив на доске плоскостную систему координат
и расположив в любом месте доски мел, отмечают первоначаль-
ные координаты мела (.Х|, J’,) (рис. 1), а затем, переместив мел по
произвольной кривой, фиксируют другое положение мела, т. е.
ei о новые координаты (х2, J’2). Показывают на чертеже вектор пе-
ремещения, путь, пройденный вдоль траектории, и уточняют, что
для определения нового положения движущегося по доске мела
Рис. I
достаточно знать вектор перемещения,
конец которого указывает новое положе-
ние мела (координаты х2, }2). Затем вводят
понятие проекции вектора перемещения
на координатные оси и выясняют, что
вектор перемещения s можег быть одно-
значно определен через его проекции на
координатные оси.
Доступнее всего для старшеклассников
определение проекции вектора перемеще-
ния на ось через разность соответствую-
34
Рис. 3
А
!
-*---1-------------------1--->
О -V|	Л'2	X
Рис. 2
щих координат (например, - а2 - л ,) Если координата х2 проек-
ции конца вектора перемещения s (рис. 2) больше координаты л,
проекции начала этого вектора, го проекция .s\ вектора положи-
тельна: а:э - Л | > 0. Если же .v2 < V| (рис. 3), то проекция лл. вектора
.< отрицательна: а2 _ A'i < 0. Связав систему координат с телом
отсчета, переходят к введению понятия системы отсчета.
После введения понятии координаты, вектора перемещения,
его проекции и системы отсчета механическое движение можно
анализировать на основе координатного метода. Например, при
рассмотрении равномерного прямолинейного движения обраща-
ют внимание на то, что координаты при движении точки могут
возрастать или убывать в зависимости от того, как направлен
вектор перемещения относительно выбранной оси (см. рис. 2, 3).
Если направление вектора перемещения совпадает с положитель-
ным направлением оси (проекция вектора скорости на ось поло-
жительна), то координата будет возрастать, если вектор переме-
щения противоположен положительному направлению оси - ко-
ордината убывает.
При рассмотрении равноускоренного прямолинейного движе-
ния показывают, что движение это может быть как с возрастаю-
щей, так и с убывающей скоростью. Это зависит от направления
векторов скорости и ускорения друг относи 1ельно друга (от того,
каковы знаки проекций этих векторов на ось: знаки одинаковы -
движение происходит с возрастающей скоростью (рис. 4), знаки
противоположны - с убывающей (рис. 5)).
V
------------------►
а	X
◄----------
v
◄----------------
Рис 4
а
<-
v
>
v
<-
Рис. 5
35
При равномерном движении материальной точки по окружно-
сти вектор скорости, направленный по касательной к траектории,
перпендикулярен вектору цен1ростремителыюго ускорения, направ-
ленному но радиусу окружности. Модуль скорости нс меняется.
Вопрос о видах движения тесно связан с уравнениями движе-
ния. Учащиеся должны уяснить, что уравнения движения в кине-
матике позволяют решить основную задачу механики: определить
положение материальной точки в пространстве в любой момент
времени, если известны начальные условия и ускорение.
Впервые к уравнениям движения школьники обращаются при
рассмотрении равномерного прямолинейного движения. Записы-
вают уравнение перемещения для этого движения в векторной
форме (s =vt) и через проекции векторов на ось: 5Х = vxt. Позже,
при изучении равноускоренного прямолинейного движения, зна-
комя!' их с уравнением перемещения для этого движения в век-
-. 7
~ аг .
торной форме (.y = v0Z4--) и записывают его через проекции
axt2
векторов на ось:	=гол7 + ——
Следует довести до сознания учащихся, что достаточно знать
уравнение перемещения и уравнение скорости (при этом учиты-
вают знак проекций), чтобы решить любую кинематическую за-
дачу. Могут быть и другие уравнения движения, которыми в кон-
кретных случаях пользоваться удобнее. Например, уравнением
sY= —----— пользоваться удобнее, если в условии задачи неиз-
2яЛ-
вестно время. Следует показать учащимся, что такое уравнение
_ _ at2
легко получить из основного s — vQtA-, спроецировав векторы
на ось (5Л - vQxl + -у-).
От уравнения перемещения, записанного через проекции век-
торов на ось. переходят к уравнению координаты: х =
(для равномерного движения) и л = х0 +	4- —— (для равноус-
коренного движения).
Можно использовать и другой подход. Для прямолинейного
движения достаточно сказать о векторе перемещения и о модуле
перемещения, т. е. не вводить понятия проекции вектора переме-
36
щения па ось. Ось направляют по направлению движения (по на-
правлению вектора скорости), тогда уравнения движения в вск-
_ _ at2 .
торном виде записывают так: s = v0/ + —- (равноускоренное пря-
молинейное движение), а через модули (перемещения, скорости,
at2
ускорения) так: 5 = vrf + — .
Для решения уравнений в этом случае вводят «правило зна-
ков»: знак перед ускорением (и скоростью) определяется направ-
лением вектора ускорения (и скорости) относительно выбранной
оси (по направлению оси - плюс, против - минус). Так как модуль
перемещения равен разности координат, соответствующих конеч-
ному и начальному положению материальной точки на прямой,
вдоль которой перемещается эта материальная точка (перемеще-
ние совпадает по направлению с осью), то уравнение координаты
можно записать так: х = а0 + vt (для равномер юго прямолинейно-
го2
го движения) и л* = л'о + + —— (для равноускоренного прямоли-
нейного движения). Знак «плюс» перед начальной координатой
определяется положением материальной точки на числовой оси в
области положительных значений, а знак «минус» - в области от-
рицательных значений.
1.4.3. Методика введения основных
характеристик движения
Введение понятий координат и перемещения материальной
точки определяет и способ введения понятий скорости и ускорения.
Рассматривать эти характеристики как производные перемещения
первого и второго порядка по времени в общеобразовательной
средней школе, даже в старших классах, не представляется возмож-
ным, так как у школьников в это время нет необходимой математи-
ческой подготовки. При повторении курса основной школы в стар-
ших классах можно показать, что понятие мгновенной скорости
имеет смысл для любого движения, в том числе и равномерного.
Этот методический прием исключает возможность образования у
школьников неправильного представления о том. что существует
несколько понятий скорости.
Скорость. В старших классах это понятие вводят как вектор-
ную величину для прямолинейного и криволинейного движений.
37
Векторный характер скорости непосредственно вытекает из вве-
дения перемещения как векторной величины.
Сначала при повторении равномерного прямолинейного движе-
ния выделяют основной его признак: материальная точка в любые
равные промежутки времени совершает одинаковые (равные) пере-
мещения. Так как равномерные движения разных тел отличаются
друг от друта. необходимо ввести характеристику движения - ско-
рость - величину, которую определяют отношением век юра пере-
мещения ко времени, в течение которого это перемещение про-
изошло. Введение скорости обязательно должно сопровождаться
экспериментом. В целях преемственности курсов физики основ-
ной школы и старших классов профильной школы целесообразно
вспомни 1ь, как вводили скорое!ь в курсе физики основной школы.
После повторения понятия скорости равномерного прямолиней-
ного движения вводят понятие средней скорости неравномерного
движения и подчеркивают, что для определения средней скорости
необходимо найти отношение пути, пройденного материальной
точкой, ко времени ее движения. Учащиеся нередко пытаются опре-
делить среднюю скорость как среднеарифметическое начальной и
конечной скоростей. Это справедливо только в случае линейной
зависимости скорости от времени, т. с. в равноускоренном движе-
нии. Следует иметь в виду, что о средней скорости как о векторе
говорят тогда, когда определяют ее через отношение вектора пере-
мещения к промежутку времени, за который это перемещение со-
вершено. Этот методический подход используют, например, при
определении мгновенной скорости. В окружающей нас жизни о
средней скорости говорят как о величине, равной отношению пути,
пройденного телом при движении, к промежутку времени, за кото-
рый этот путь пройден. Именно это следует отрабатывать с учащи-
мися на практических занятиях. Целесообразно решить задачи тина:
1) Первую зрезь пути тело прошло со скоростью 80 км/ч. остальной
путь - со скоростью 20 км/ч. Определите среднюю скорость. 2) Три
четверти всего времени движения скорость тела составляла 48 км/ч.
остальное время - 96 км/ч. Определите среднюю скорость.
Очень полезно для усвоения понятия скорости и понимания
практического выхода этой характеристики ознакомить учащихся
с различными значениями скоростей движения тел в окружающей
нас жизни, технике, военном деле, используя для этой цели табли-
цы, предложенные в учебнике. Целесообразна здесь же и работа
со справочником [13].
Работая с таблицами, следует добиваться от старшеклассников
понимания физического смысла понятия скорости. Для этого,
называя скорость того или иного тела, отыскивая в таблице самую
38
большую и самую малую скорость и сравнивая их, ученик каждый
раз должен отвечать на вопрос: «Что означает рассматриваемая
величина?» Например, автомобиль «Волга» развивает скорость
до 145 км/ч. Что это означает? Эта работа начинается еще в курсе
физики основной школы, но, как показывает опыт, се необходимо
продолжить и в старшей профильной школе.
Следующим звеном в цепочке формирования основных кине-
матических характеристик является рассмотрение мгновенной
скорости. Трудность введения этого понятия связана с необходи-
мостью введения предельного перехода, еще неизвестного учащим-
ся. По существу, при введении этого понятия в школе используют
понятие не математического, а физического предельного перехода:
вместо бесконечно малой величины рассматривают очень малый,
но конечный промежуток времени - физически малую величину.
Введение понятия мгновенной скорости обязательно сопровож-
дают экспериментом: это может' быть опыт с электросекундомером
и датчиками либо опыт со стробоскопом, где делают стробоскопи-
ческие снимки одного и того же неравномерного движения с раз-
личной частотой вспышек. При достаточно малых промежутках
времени, в пределах которых изменение скорости не улавливают
приборы (в первом опыте) и средние скорости на соседних участ-
ках практически неразличимы (во втором опыте), ставится как бы
естественный предел стремлению получить все более точное оп-
ределение мгновенной скорости. Дальнейшее уменьшение про-
межутков времени теряет смысл, и среднюю скорость за такой ма-
лый промежуток можно принять за мгновенную с той степенью
точности, которая имеет практический смысл. Аналогично вводят
понятие мгновенной скорости и в криволинейном движении.
Для прочного усвоения школьниками понятия мгновенной ско-
рости целесообразно предложить вопросы типа: о какой скорости
идет речь в следующих случаях: 1) пассажирский поезд проехал мимо
светофора со скоростью 25 км/ч; 2) скорость курьерского поезда,
курсирующего между Москвой и Санкт-Петербургом, 100 км/ч:
3) на рисунке изображен знак, ограничивающий скорость движе-
ния автомобилей в Москве 60 км/ч?
Ускорение. Методика введения понятия та же, что и при введе-
нии понятия мгновенной скорости. Сначала вводят среднее уско-
рение за малый промежуток времени, а затем понятие мгновенно-
го ускорения. Однако необходимо предварительно напомнить
учащимся о вычитании векторов, чтобы они умели находить век-
тор изменения скорости.
При введении понятия ускорения выбирают такое неравномер-
ное движение, при котором скорость за любые равные промежут-
39
ки времени меняется одинаково ( ——— = а ). Подобно тому, как в
равномерном прямолинейном движении скорость характеризует
оыстроту изменения перемещения со временем (-----= v), так в
t
V - Vo - .
равноускоренном прямолинейном движении ускорение (-----=а )
характеризует быстроту изменения скорости со временем.
Для уяснения понятия ускорения равноускоренного прямоли-
нейного движения целесообразно рассмотреть вопросы типа:
«Ускорение движущегося тела равно 0,2 м/с2. Что это означает?»
И конечно, полезна работа с таблицей ускорений.
1.4.4. Идея относительности в кинематике
При изучении кинематики у учащихся должны быть сформиро-
ваны знания об относительности механического движения: 1) отно-
сительность механического движения и покоя, относительность
траектории; 2) понятие системы отсчета (тело отсчета, система
координат, связанная с телом отсчета, начало отсчета координаты
и времени, масштаб расстояний, часы - эталон времени); 3) отно-
си тельность перемещения, координаты, скорости, преобразование
(сложение) перемещений и скоростей: 4) инвариантность ускорений
для систем отсчета, которые движутся друг относительно друга
равномерно и прямолинейно.
В ходе раскрытия этих положений необходимо широко ис-
пользовать демонстрации (на относительность движения и покоя,
траектории и т. д.), киноматериалы (кинокольцовку «Относитель-
ность механического движения», видеофильм «Системы отсчета»)
и рассмотреть задания типа: 1) определить координаты материаль-
ной точки в различных системах отсчета; 2) определить основные
кинематические характеристики в различных системах отсчета.
Покажем на примере, как следует оформлять решение задачи в
этом случае.
Задача. Мимо пункта В одновременно проезжают мотоциклист
и велосипедист со скоростями относительно Земли, соответствен-
но равными 20 и 5 м/с. Рассчитайте скорости пункта В, велосипе-
диста и мотоциклиста в системах отсчета, связанных с Землей (СО
«Земля»), с мотоциклистом (СО «мотоциклист»), велосипедистом
(СО «велосипедист»), используя классический закон сложения
скоростей. Результаты решения занесите в таблицу (табл. 1).
40
Табл и ца I
Объект	Проекция скорости на ось ОЛ1. м/с		
	в СО «Земля»	в СО «МОТОЦИК.1ИС1»	в СО «велосипедист»
Пункт В	0	-20	5
Велосипедист	5	-15	0
Мотоциклист	20	0	15
Покажем, как были получены эти результаты, проведя решение
задачи.
Решение. Для решения задачи используем классически i за-
кон преобразования (сложения) скоростей; скорость тела в не-
подвижной системе отсчета равна сумме скорости тела в под-
вижной системе отсчета и скорости самой подвижной системы
отчета: ^цн.е.о.) = ^цн.е.о.)+^н.с.о • Движение происходит вдоль
оси ОХ и соответственно закон преобразования (сложения) ско-
ростей записывается через проекции скоростей на ось ОХ:
(f’l(H.C.O.))v — (^1(ЛЛ О-)).. "l" (Ц|.С.О )Y 
I.	В системе отсчета, связанной с Землей, скорости заданы в
условии задачи и их проекции на ось ОХ соответственно равны:
(/’я) = 0; (ив)Л = 5 м/с; (vM)v = 20 м/с.
2.	В системе отсчета, связанной с мотоциклистом:
. = (^(н.ео.))Л. + (^п.е.о )лЛ vBx = 0-20 м/с = -20 м/с;
(^в(нс.0.))v	ч 4" v•> ^вл — 5 М /с — 20 м/с — — 1 5 М/С.
— (^м(п.с.о.))Y + (^n.ch.)v'	^мг — 20 М/с — 20 м/с = 0.
3.	В системе отсчета, связанной с велосипедистом:
(t’/ин.с.о.))¥ = (^(н с.о.))д. + (^н.е.о.)л: »Вх = 0 - 5 м/с = -5 м/с;
О'м(н.с.о.))ч = (l>M(n.c.o.))v +(^пх.о.)л; *Vv= 20 м/с — 5 м/с = 15 м/с.
Сведение в таблицу полученных результатов дает наглядное
представление об относительности скорости, о роли системы от-
счета в определении последней.
Целесообразно показать, что все системы отсчета в кинематике
равноправны, но следует выбирать такую систему отсчета, кото-
рая приводит к рациональному решению задачи. Для этого целе-
сообразно решить одну и ту же задачу в разных системах отсчета.
Ось ОХ- направление, в котором движутся велосипедист и мотоциклист. Пункт В
находится на з гой же оси.
Подвижная система отсчета связана с Землей.
41
Задача. Тело брошено вертикально вверх со скоростью г0. Когда
тело достигает верхней точки траектории, из того же места и с той
же скоростью вертикально вверх брошено второе тело. Через
сколько времени о г момента бросания второго тела произойдет
вс реча этих тел?
Задачу решают в системе отсчета, связанной с Землей, и в сис-
теме отсчета, связанной с одним из тел.
Решение 1. За начало отсчета координаты принимают место
бросания тел на Земле. Ось OY направляют вертикально вверх. За
начало отсчета времени принимаю!' момент бросания первого те-
ла (рис. 6).
Записывают уравнение движения для первого тела:
g/2	gv/2
s’i =	; -уIr = voiyt+-y~; si»•=>’i; *>oiy=-g-
Уравнение координаты для первого тела:
J’i = vQt-^-4
где Р| - координата первого тела в любой, произвольный момент
времени.
Записывают уравнение движения для второго тела:
.	. g(l~t\)2	, х gM~{\)2
^2 - ^’02 V “ Zl ) +---> S2y ~ V02у V ~ A ) +--,
Si, =	*>02r = gy = ~g'’ h = — •
g
42
Уравнение координаты для второго тела:
где - координата второго тела в любой, произвольный момеш
Ц)	г
времени,-----время движения первого тела до момента бросания
g
второго тела.
В момент встречи тел в полозе их координаты равны, т. е. >’| = у2
(условие встречи).
Приравняв координаты и решив полученное уравнение отно-
Зг0
сительно получают: /=------ - время, прошедшее от момента
бросания первого тела до встречи его со вторым.
Так как от момента бросания первого тела до момента броса-
ло
ния второго тела прошло время 1\ = —, то ответ на вопрос задачи
а
о
, 3vo	V()
такой: i =— -----= —, г. е. время, прошедшее до момен та
2g g 2g
встречи тел от момента бросания второго тела равно —.
2g
Решение 2. За начало отсчета времени выбирают момент
бросания второго тела (рис. 7), остальные условия тс же, что и в
нервом решении.
Записывают уравнение движения для первого тела:
<=id. v
2 ’ Lr 2
‘Sjy Ji J о, J о 2/max, g g,

2^ max —
Уравнение координаты для первого тела:
_ vj gl2
1 9g 7
О	—
где j’j - координата первого тела в любой, произвольный момент
времени.
Записывают уравнение движения для второго тела:
g/	g7
.v2 = W + —: s2y = v{i2yi + -y-; ч=л; =	g,=-g.
43
Уравнение координаты для второго тела:
У2 = Vot “	,
1 де ] , - координата в любой произвольный момент времени.
Решают систему уравнений при условии, что Р| = у2 (условие
встречи) и в данном решении но сравнению с первым сразу полу-
чают ответ на вопрос задачи: I = — .
1g
Решение 3. Выбирают систему отсчета так, чтобы телом
01 счета было второе тело, которое еще находится на Земле. Со-
вместим начало отсчета координаты со вторым телом, ось на-
правим вверх. За начало отсчета времени принимают момент
бросания второго тела. Первое тело движеюя относительно
вюрого тела в этой системе отсчета равномерно и прямолиней-
но. Первоначальное расстояние первого тела от начала коорди-
2
нат Гц = Нт.п =	. Двигаясь равномерно и прямолинейно в этой
2g
системе отсчета со скоростью г0, первое тело пройдет это расстоя-
ние за время
— У®
vQ 2gvQ 2g
В этом случае задачу решают в одно действие, в то время как в
первом решении - в четыре действия, во втором - в три. Следова-
тельно, последнее решение наиболее рационально. Это первый
вывод, который можно сделать на основании проведенных реше-
ний задачи.
В юрой, наиболее важный, вывод: характер движения тела за-
висит от выбора системы отсчета: в первых двух решениях мы
имени дело с равноускоренным прямолинейным движением тел, в
третьем решении первое тело двигалось относительно второго
равномерно и прямолинейно.
Полезны также задачи для случая, когда векторы скорости на-
правлены по углом друг к другу.
Завершая изучение кинематики, целесообразно предложить
учащимся обобщить материал об относительности в виде табли-
цы (табл. 2).
Эту таблицу школьники дополняют при изучении динамики и
законов сохранения.
44
Таблица 2
В механике Пыоюна (ИСО)	
относительно	инвариантно
Движение Покой Траектория Координата Перемещение Скорость	Время Длина (расстояние между взаимодей- ствующими телами) Относительная скорое ть Ускорение
13. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИИ
И ЗАКОНОВ ДИНАМИКИ
1.5.1. Анализ понятий массы и силы
Понятие массы - одно из наиболее сложных и фундаменталь-
ных в науке. Это понятие используют как для объектов макромира
(вещественных и полевых), так и для объектов микромира (частиц
вещества и частиц поля).
Сложность восприятия понятия массы состоит в том, что оно
характеризует различные свойства материи - инертные и грави-
тационные. При рассмотрении законов Ньютона, закона сохране-
ния импульса масса выступает как мера инертных свойств, в зако-
не всемирного тяготения масса - мера гравитационных свойств.
При рассмотрении молекулярно-кинетической теории идеального
газа масса пропорциональна количеству вещества, а при изучении
взаимосвязи массы и энергии является мерой энергии. Из-за раз-
личных проявлений массы трудно определить понятие однознач-
но, исчерпывающе. При рассмотрении понятия массы вопрос ос-
ложняется еще и тем, что различные ее проявления рассматрива-
ются в разных частях курса физики, поэтому задача учителя - в
процессе изучения физики в школе ознакомить учащихся с раз-
личными проявлениями этого понятия, с разными его сторонами.
С какою же проявления целесообразнее начинать рассмотре-
ние понятия массы в школе? Поня тно, что начинать рассмотрение
понятия массы с формулы Эйнштейна (Е = тс2) нс следует, так
как последняя представляет собой серьезное обобщение, для ос-
мысления которого необходим достаточный запас знаний.
Можно ли начинать рассмотрение понятия массы с атомисти-
ческого проявления? В принципе, можно, п такие попытки были в
45
практике общеобразовательной школы и сейчас имеют место за
рубежом. Массу определяли как количество вещества, содержа-
щееся в геле. Это определение ввел в науку Ньютон. В наши дни
говорить о массе как о количестве вещества можно лишь для од-
нородных тел. так как число атомов и молекул однородных тел,
имеющих одинаковые массы, одинаково. Эю следует из свойства
аддитивности массы. Говорить же о массе как о количестве веще-
ства вообще бессодержательно. К тому же в международной сис-
теме единиц (СИ) теперь введена еще одна физическая величина -
количество вещества и ее единица - моль, что требует различения
понятий массы и количества вещества.
Начинать рассмотрение массы с гравитационных свойств не-
целесообразно ио ряду соображений. Во-первых, из-за того, что
учащиеся в начале изучения физики с трудом различают понятия
массы и веса, а во-вторых, потому, что введение массы как меры
гравитационных свойств (F~ nr, g = const - для однородного поля)
первоначально затрудняет рассмотрение инертных свойств (а ~ F;
1 ч
а----), которые в школьном курсе физики представлены широко.
т
Единственная возможность - начинать рассмотрение массы с
инертного проявления, с изучения инертных свойств вещества.
Гак и поступают в современном общеобразовательном курсе фи-
зики в отечественной школе.
Понятие силы тесно связано с понятием о фундаментальных
взаимодействиях. Все явления и закономерности, изучаемые в той
или иной мере в школьном курсе физики, связаны со свойствами
фундаментальных взаимодействий. Поэтому, начиная разговор о
формировании понятия силы, остановимся на вопросе о фунда-
ментальных взаимодействиях н проследим по курсу, как в связи с
этим «работает» понятие силы.
В современной физике считают независимыми (не сводящимися
друг к другу) четыре вида взаимодействий (электро.ма! нитные, ipa-
витационные, ядерные - сильные и слабые), которые называют фун-
даментальными. Они различаются радиусом действия и относи-
тельной интенсивностью (т. е. передаваемой в процессе этих взаи-
модействий энергией), а также законами сохранения ряда величин.
Сфера проявления различного вида взаимодействий определяется
пространственным диапазоном и связана с тем или иным струк-
турным уровнем деления материн. На макроскопическом уровне
не проявляются короткодействующие сильные и слабые взаимо-
действия: для макромира характерны электромагнитные и грави-
тационные взаимодействия. Па макроскопическом уровне приме-
46
няют «силовое» описание движения и взаимодействия, речь ведут
о гравитационных силах и об электромагнитных силах и поле.
Анализ содержания учебного материала показывает, что в нем
представлены все виды взаимодействий. Однако шире всего пред-
ставлены электромагнитные взаимодействия. Изучение последних
охватывает практически весь школьный курс физики. Например, в
механике при изучении сил упругости и сил трения (сопротив-
ления) имеют дело с силами электромагнитной природы1. В теп-
ловых явлениях, как обнаруживается при изучении агрегатных
состояний вещества, проявляется действие межмолекулярных сил,
которые также имеют электромагнитную природу. В электроди-
намике рассматривается взаимодействие двух точечных зарядов
(кулоновские силы), взаимодействие нейтральных атомов (моле-
кул) при взаимодействии электрических диполей, действие элек-
трических и магнитных полей на заряженную частицу (сила Ло-
ренца), взаимодействие проводников с током посредством маг-
нитного поля (закон Био-Савара-Лапласа) и др. Все это отно-
сится к области стационарного электрома! нитного поля. Далее
при рассмотрении нестационарного электромагнитного поля вы-
являют, что электромагнитное поле (в зависимости от условий)
ведет себя либо как волна, либо как поток частиц фотонов, т. е
рассматривается взаимодействие вещества (макротел и частиц) с
электромагнитным полем и посредством него (электромагнитные
взаимодействия).
Завершают формирование знаний об электромагнитных взаимо-
действиях рассмотрением особенностей внутриатомного взаимо-
действия. объяснение которых осуществляют введением элемен-
тов квантовой механики. Понятие сизы в этом случае утрачивает
свой точный смысл (силу не измеряют количественно по формуле:
F=ma). Термин «сила» употребляют лишь для обозначения взаи-
модействия, приводящего к связанным состояниям (или разру-
шающего эти состояния). Например, мы говорим, что электро-
магнитные силы удерживают электрон в атоме, обеспечивают хи-
мическую связь, создают поверхностное натяжение, ионизируют
атом, приводят к распаду ядра и т. п.
Электромагнитные взаимодействия возможны и в микромире
на расстояниях, меньших 10 15 м. Однако в микромире, начиная с
этих расстояний, проявляются сильные взаимодействия (притяже-
ние - устойчивые связанные состояния в ядре и отталкивание -
1 Хотя механика природой сил не занимается, однако можно сообщить учащимся,
ЧТО И СИЛЫ ynpyroci И И СИЛЫ I рения (сопрогивлсння) ЯВЛЯЮТСЯ Прояв 1СИИСМ ыекзро-
магии гных взаимодействий.
47
взаимные превращения элементарных част иц - неустойчивые свя-
занные состояния). Наряду с сильными взаимодействиями, начиная
с расстояния 10 18 м, проявляются и слабые взаимодействия (их
проявлением являются, например, процессы бета-распада или пре-
вращение нейтрона в протон) Именно сильные, слабые и электро-
мат нитные взаимодействия обусловливают строение и свойства
атомных ядер и элементарных частиц, и здесь термин «сила» утра-
чивает свой точный, первоначальный смысл.
При изучении динамики начинается процесс формирования
представлений о фундаментальных взаимодействиях, в частности,
начинают рассматривать гравитационные и электромагнитные
взаимодействия. Понятие силы раскрывают как физическую вели-
чину, являющуюся количественной характеристикой этих взаимо-
действии, в результате которых меняются векторы скоростей
взаимодейст вующих тел.
Из третьего закона Ньютона следует, что в классической меха-
нике (в механике инерциальных систем отсчета): 1) нет сил вне
материальных тел - действие всегда оказывает друтое конкретное,
тело (его всегда можно указать); 2) никогда не наблюдается дейст-
вие только одной силы - все силы одновременно возникают и ис-
чезают парами (действие и противодействие); 3) силы эти веет да
одной и той же природы; 4) силы F\ и F2 приложены к разным
телам, поэтому их нельзя заменить равнодействующей; 5) равенство
сил F{=-F2 при взаимодействии тел всегда не зависит от того,
находятся взаимодействующие тела в покое или движутся.
1.5.2. Последовательность введения основных понятий
и законов динамики
От последовательности введения понятий массы и силы зави-
сит и методический подход к изучению законов, связывающих эти
понятия.
Ньютон сначала вводил силу, количество движения, а затем
устанавливал пропорциональность изменения количества движе-
ния приложенной («движущей», как называл ее Ньютон) силе и их
одинаковую направленность F =
<
d(nw)y
. После Ньютона посту-
лПровали постоянство массы в механических процессах и массу
вынесли за знак дифференциала. Последовательность рассмотре-
ния основных законов и понятий динамики стала следующей:
48
1.	°,
первый закон Ньютона, введение понятие силы, установление за-
висимости ускорения от силы (я — F), что составляет в этом под-
ходе основное содержание второго закона Ньютона, введение по-
нятия массы из постоянства для данного тела отношения — = /н,
а
•по является определением массы.
При такой методике основное содержание второго закона ди-
намики - зависимость ускорения (его модуля и направления) от
приложенной к телу силы (ее модуля и направления) - устанавли-
вают до введения понятия массы. Сам закон содержит определение
массы. Такой подход имел место в работах Эйлера, Максвелла и
других ученых. Для средней школы этот подход до последнего
времени был традиционным.
При этом методическом подходе понятие силы вводили по ста-
гическому проявлению. Такое введение понятия силы опиралось на
чувство напряжения, которое испытывает человек, поднимая тяже-
юе тело или растягивая пружину. Это и лежит в основе измерения
силы пружинным динамометром: выбирают силу, с которой вполне
определенная пружина, растянутая до некоторой длины, действует
па прикрепленное к пей тело, а затем сравнивают другие силы с
>тим эталоном. В основе этого способа лежит положение: при от-
сутствии ускорения все силы, действующие на тело, взаимно урав-
новешиваются. Сравнивают по модулю измеряемую силу с этало-
ном. Этот способ предполагает аддшивность силы, что нс очевид-
но, а следовательно, должно постулироваться. К тому же совсем не
очевидно, что сила, измеренная для взаимодействующих покоящих-
ся тел, остается без изменения при их движении. В случае движе-
ния тел ее можно определить только из второго закона Ньютона.
И опять не очевидно, что сила, измеренная статически, есть та же
сила, динамическим характер ко юрой проявляется в вызываемом
ею ускорении. Эго должно быть экспериментально подтверждено.
Кроме того, в таком подходе приходится применять систему еди-
ниц, в которой основной единицей является единица силы, что про-
тиворечит общепринятой Международной системе единиц (СИ).
На недостатки такой последовательности при изложении ди-
намики указывал академик И. К. Кикоин, который предложил
иной методическим подход к раскрытию основных понятий и за-
конов динамики в школе: рассмотрение первого закона Ньютона,
введение понятии массы, а затем силы из рассмотрения взаимо-
действии, второй, третий законы Ньютона. В основе этой после-
довательности лежит введение понятия массы до вюрого закона,
а силы в связи с изучением этою закона.
49
Этот подход, хотя и не лишен трудностей, помогает раскрыть
динамический характер силы, физический смысл массы и показать
универсальность самого метода ее определения (измерение массы
элементарных частиц, измерение массы космических тел, в част-
ности в невесомости, и др ).
16. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИИ
И ЗАКОНОВ ДИНАМИКИ
1.6.1. Первый закон динамики
Первый закон динамики в общеобразовательном курсе физики
формулируют так: существуют такие системы отсчета, относи-
тельно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою
скорость постоянной, если на него не влияют другие тела (или
влияния других тел компенсируются). Системы отсчета, относи-
тельно которых тела движутся равномерно и прямолинейно, на-
зывают инерциальными, самр явление сохранения вектора скоро-
сти - инерцией, а закон - законом инерции. Непосредственно на
опыте на Земле проверить это трудно, так как нельзя изолировать
движущееся тело от воздействия на него других тел В этом смыс-
ле закон является идеализацией, гак же как и понятие системы от-
счета. Следовательно, одна из дидактических задач, которая сто-
ит перед учителем при рассмотрении этого закона, - разъяснить
школьникам, что пи одни опыт не может абсолютно точно под-
твердить закон инерции, так как нс существует в природе абсо-
лютно свободных, пи с чем не взаимодействующих тел. Эту опре-
деленную методическую трудность можнб решить, рассмазривая
мысленные опыты (рассматривая движение тел без сопротивле-
ния), г. е. приближаясь в реальных опытах к идеальным условиям.
Традиционным опытом, который помогает учащимся осмыслить
первый закон Ньютона, является опыт с желобом Галилея. В опы-
те по желобу, установленному на демонстрационном столе, ска-
тывается шарик: 1) в кучу песка, находящуюся у основания наклон-
ной плоскости, 2) па гладкую поверхность (например, стекло).
Обращают внимание школьников на то, что по мере уменьшения
сопротивления движение шарика продолжается в течение больше-
го промежутка времени. В аналогичном опыте можно показать,
что направление движения шарика (стального) можно изменить,
расположив, например, несколько сбоку магнит. На основании
этих опытов делают вывод: чем меньше взаимодействие, тем мед-
леннее изменяется скорость. Продолжая дальше рассуждение (на
50
основе уже мысленных опытов) о том, что если бы на движущееся
тело нс действовали никакие другие тела, иодводимч учащихся к
выводу о сохранении в этих случаях скорости неизменной, как ио
модулю, так и по направлению.
В последнее время стали использовать демонстрации с сухим
льдом или с челами, движущимися на воздушной подушке. В этих
опытах удается получить движение с практически постоянной
скоростью.
Сейчас опыты на первый закон Ньютона могут быть выполне-
ны в космосе, в состоянии невесомости тел. Учащиеся такие де-
монстрации. осуществленные космонавтами, видели в различных
научно-популярных кинофильмах и в телепередачах.
Другой нс менее важной дидактической задачей, стоящей перед
учителем при рассмотрении этого закона, является работа по пе-
реосмыслению жизненного опыта учащихся. При этом полезно
обращаться к вопросам и crop ш физики, в частности к первона-
чальным представлениям, с которых начала свое существование
механика.
Начало механике было положено в трудах Аристотеля (384
322 г. до н.э.) в IV в. до н.э. В частности, Аристотель утвержда. i,
что «движется только движимое» или «без сил нет движения», т. е.
движение возможно лишь тогда, когда к телу приложена сила. По
именно такой образ мышления характерен для человека, далекого
от научных представлений о движении. Так думает и ученик, ко-
гда приступает к изучению механики. Это и понятно, так как эти
выводы Аристотеля согласуются с жизненным опытом. Этим и
объясняют тот факт, что неверные положения Аристотеля остава-
шсь незыблемыми около двух тысячелетий. Следует показать
школьникам, что представления, существовавшие у них до изуче-
ния механики, ошибочны и что указал на их ошибочность еще
Галилео I алилей. Он впервые применил экспериментальный ме-
тод исследования в'науке. I алилей наблюдал движение тел ио на-
клонной плоскости (можно рассказать учащимся об этом опыте) и
на основании проделанных опытов сделал вывод: «естественным»
состоянием тела (состоянием в отсутствие взаимодействия с дру-
гими телами) является равномерное и прямолинейное движение, а
не покой, как полагал Аристотель. Покой же следует рассматри-
вать как частный случай равномерного и прямолинейного движе-
ния. Позже эти выводы Галилея были сформулированы Ньюто-
ном в виде закона и вошли как основа в классическую механику.
Формируя мировоззрение учащихся, следует обратить внимание
на тот факт, что древнегреческие ученые, к числу которых принад-
лежал Аристотель, утверждали: главное средство изучения приро-
51
ды - размышление, его помощник - наблюдение. Противопо-
ставление же аристотелевским взглядам механики Галилея-Нью-
тона. применивших в исследовании экспериментальный (Г. Гали-
леи) и математический (И. Ньютон) методы, поможет учащимся
понять, что установление закона инерции было великим открыти-
ем, приведшим к> перевороту в науке.
И наконец, существенно важная дидактическая задача пока-
зать учащимся особую роль этого закона, его самостоятельность и
определяющее место в механике (не было бы первого закона, не
было бы и всех остальных). Особое значение первого закона состо-
ит в определении пространства (системы отсчета), для которого
справедлива ньютоновская механика. Эту работу нужно прово-
дить не только при первоначальном рассмотрении первого закона
(законе! инерции), но и по мере изучения остальных законов Нью-
тона. Иногда встречается утверждение, что первый закон есть
следствие второго. Оно основано на том, чт о koi да равнодейст-
вующая всех сил, действующих на тело, равна нулю (Л =0), то
ускорение (а) равно пулю, т.е. тело либо движется равномерно и
прямолинейно (v *= const), либо покоится (г = 0). Следует обра-
тить внимание школьников на то, что нельзя первый закон Нью-
тона рассматривать как следствие и что приведенное рассуждение
свидетельствует о тесной связи между собой законов Ньютона.
Раскрытие первого закона Ньютона в школе вызывает у учителя
некоторые затруднения Нелегко переубедить учащихся, у которых
сложились определенные жизненные взгляды. Но если учитель
будет предельно аккуратен и осторожен в постановке вопросов в
ходе беседы с учащимися, в своих выводах и формулировках, то в
значительной степени он поможет школьникам прийти к пра-
вильным научным убеждениям. Недопустимы вопросы: «Почему
тело движется?». «Каковы причины движения?», толкающие школь-
ников на аристотелевское понимание движения.
Так как первый закон динамики содержи! противоречие между
научными знаниями и жизненным опытом учащихся, то его можно
изучать проблемно и тем самым активизировать учебный процесс.
Завершая рассмотрение первого закона динамики, необходимо
рассмотреть примеры, показывающие, что закон инерции выпол-
няется не во всех системах отсчета, т. е. ознакомить старшеклас-
сников с неинерциальными системами отсчета. Например, мяч,
лежащий на полу вагона, при отправлении поезда приходит в
движение в направлении, противоположном направлению уско-
рения движения вагона Решение этой задачи можно оформить в
виде таблицы (табл. 3).
52
Таблица 3
Инерциальная система о i счета	1 (еннерциальная система отсчета
Вагон и стоящий в коридоре вагона человек движутся с ускорением, а мяч, сохраняя состояние покоя отно- сительно наблюдателя на Земле, при- ближается к человеку в вагоне.	Мяч относительно стоящего в кори- доре человека приходит в ускорен- ное движение (к человеку), следова- тельно. на него действует сила (сила инерции).
Этот же пример рассматривают и соответственно оформляют
для случая замедленного движения вагона. Целесообразно рас-
смотреть и другие подобные примеры.
Для раскрытия первого закона Ньютона и понятия инерциаль-
ной системы отсчета (ПСО) целесообразно показать школьникам
третий фрагмент видеофильма «Система отсчета».
1.6.2. Масса
Методика формирования понятия массы в старших классах ба-
зируется на пропедевтике, которая имеет место в базовом курсе
физики и создает тот фундамент, на котором это понятие рас-
сматривают в последующих разделах школьного курса физики.
Условно выделим основные этапы изучения понятия массы в
старших классах профильной школы:
I этап - повторение основных знаний о массе, полученных в
базовом курсе физики.
II этан - экспериментальное обоснование понятия массы
как количественной характеристики инертных свойств тела. Про-
водя! эксперимент: на ручной центробежной машине устанавли-
вают стержень с двумя телами, связанными нитью, массы которых
находятся в соотношении 1:3. В ходе опыта показывают, что эти
тела ие соскальзывают со стержня и движутся по окружностям,
радиусы которых находятся в соотношении 3:1. т. е.
«I  to2/j , т, _ Г| _ 1
со2г2 т2 г2 3
Следует иметь в виду, что количественную оценку массы в
этом опыте проводят на частном примере.
III этап- обобщение результатов оныта и введение опреде-
ления массы как меры инертных свойств тела, механической сис-
темы.
53
На основании опытных фактов устанавливают:
1. Для двух взаимодействующих тел о i ношение модулей уско-
рений, приобретенных в результате взаимодействия, - величина
постоянная. В зависимости от характера взаимодействия у каждо-
го из этих тел ускорения могут быть разными, по отношение мо-
дулей этих ускорений! - величина постоянная:
£/|
а2 а'2 а2
2. Раскрывают основное содержание понятия инертности:
нельзя измени!ь скорость гела мгновенно (для изменения скоро-
сти необходимо время, которое для различных тел разное). Далее
дают определение массы: масса тела - физическая величина, ха-
рактеризующая его инертность. Она определяет отношение уско-
рения эталона к ускорению тела при их взаимодействии
fi
Cl 1П\ у
Обсуждают вопрос об аддитивности массы.
IV этап - определение единиц массы. Одна in единиц (1 кг)
уже известна учащимся из базового курса физики. Уточняют, что
эта единица - международная, принятая на Международном конг-
рессе в 1889 1. в качестве эталона. Этот эталон изготовлен из сплава
платины и иридия и хранится в бюро мер и весов (во Франции). В
России, как и в некоторых других странах, есть копия этого эта-
лона. Важно уточнить, чю это единица СИ. По существу, парал-
лельно с введением единиц массы можно начать и введение поня-
тия о системе механических единиц, т. е. ознакомить учащихся с
международной системой единиц, ее основными механическими
величинами: длиной, массой, временем и их единицами.
В этом месте курса обязательно обсуждают вопрос о кратных и
дольных единицах массы. Упражнения по переводу единиц на
данном этане усвоения понятия обязательны
V этап - обсуждение способов измерения массы: 1) по взаи-
модействию тел (тело приводят во взаимодействие с другим те-
лом, масса Которого известна, и сравнивают приобретенные ими
ускорения), 2) путем взвешивания на рычажных весах.
Второй способ, но существу, является практическим способом
измерения массы, который широко используют. Но взвешиванием
на рычажных весах нельзя измерить массу планет, звезд н других
небесных тел, а также измерить очень малые массы (массы атомов
и элементарных частиц). В этих случаях пользуются первым спо-
собом измерения массы.
54
Итак, на этом этапе устанавливают, что для практического из-
мерения массы есть прибор - рычажные весы; с учащимися отра-
батывают навыки пользования этим прибором.
1.6.3. Сила. Второй и третий законы Ньютона.
Закон всемирного тяготения
Первоначальное представление о силе учащиеся получают из
повседневной жизни как о мускульном усилии Формирование поня-
тия силы как физическом величины начинают в базовом курсе физи-
ки. На этих уроках выясняют, что вектор скорости тела может из-
меняться только при взаимодействии этого тела с другими телами.
В методике формирования понятия силы в курсе физики стар-
ших классов можно условно выделит ь следующие этапы.
I этап - повторение основных знаний о силе, полученных в
курсе физики основной школы.
II этап - определение понятия силы как количественной ха-
рактеристики действия одного тела на другое. Этот этап форми-
рования понятия силы тесно связан с изучением второго закона
Ньютона. На этом этапе можно выделить такие моменты:
1) Разъясняют определение понятия силы. В результате взаи-
модействия тело получает ускорение (меняется вектор скорости).
Величину, характеризующую действие одного тела на другое, в
результате которого второе тело приобретает ускорение, называ-
ют силой. Это положение обязательно нужно экспериментально
обосновать. Опыты можно использовать тс же, что и при рас-
смотрении понятия массы, но акцент в них делают на то, что по-
лучаемые в результате взаимодействия ускорения зависят от усло-
вий и характера взаимодействия (в опытах с взаимодействующими
тележками это может быть по-разному сжатая пружина). Ускоре-
ния взаимодействующих тел зависят от условий и характера взаи-
модействия, а отношение их (что было существенно при введении
понятия массы) от этою не зависит.
2) Ставят эксперимент по определению силы (одной и той же си-
лой воздействуют на тела разной массы и измеряю! их ускорения).
Так как нерастянутая пружина не действует на прикрепленные к
ней тела, следовательно, сила упругости зависит лишь oi растяже-
ния (или сжатия) пружины. Используя это свойство силы упруго-
сти, на тела разной массы действуют одинаковой силой, доб!гваясь
одного и того же растяжения пружины при различных ускорениях.
Далее показывают опыт, подтверждающий, что при действии
на тело постоянной силы величина та одинакова для всех тел.
55
Опыт проводят на вращающемся диске. Измеряют центростреми-
тельное ускорение (а = со2г). При заданной массе тела и получен-
ном в опыте ускорении показывают, что силу определяют как
произведение массы на ускорение (F= та).
На основе этого эксперимента можно рассмотреть и второй за-
кон Ньютона. При таком подходе основное утверждение закона
формулируют так: сила, действующая па тело, равна произведе-
нию массы зела на сообщаемое этой силой ускорение. В такой
формулировке содержится и определение силы. Пропорциональ-
ность ускорения действующей силе рассматривают как следствие
второго закона Ньютона.
III этап рассмотрение понятий «действие» и «противодей-
ствие». Этот этап связан с изучением третьего закона Ньютона.
При изучении этого закона подчеркивают, что действие тел носит
взаимный характер. В третьем законе в отличие от второго в рав-
ной степени рассматривают оба тела. Термины «действие» и
«противодействие» - условны и взаимозаменяемы. При взаимо-
действии двух тел действие первого тела на второе можно назвать
«действием» (7*j2), а второго на первое «противодействием» (Е2,),
и наоборот. Важно довести до понимания учащихся тот факт, что
эти силы нельзя складывать и не следует их путать с уравнове-
шенными силами. (Уравновешенные силы приложены к одному
телу, силы «действия» и «противодействия» - к разным телам:
точки их приложения не следует (нельзя!) совмещать).
Учи гель сам выбирает учебник физики, и может быть, в вы-
бранном учебнике предлагается другая методика изучения зако-
нов Ньютона. В других подходах учителю придется разобраться
самостоятельно, увидеть в них плюсы и минусы.
При решении задач на систему тел, связанных нитью (трением
пренебрегаем), важно указать, какие силы равны между собой по
модулю согласно третьему закону динамики, обязательно огова-
ривая точки их приложения.
Усвоению третьего закона способствует и анализ таких приме-
ров, как движение человека по Земле, лошади, впряженной в телегу,
тепловоза и т. п. В методическом отношении очень важно в этих
случаях расчленение всей системы взаимодействующих гел на
нары, в которых тела непосредственно действуют друг на друга:
1) человек - Земля, 2) лошадь телега, лошадь - Земля, телега -
Земля, тепловоз - Земля и т. д. Па ведущие колеса тепловоза дей-
ствует со стороны железнодорожного полотна (Земля) сила зре-
ния, направленная по движению. Если эта сила трения окажется
меньше максимальной силы трения покоя между ведущими коле-
56
сами и железнодорожным полотном, то тепловоз не сдвинет со-
< гав с места.
IV этап - рассмотрение проявления взаимодействий следую-
щих видов: тяготения, упругости, трения. Никаких других видов
взаимодействия в механике нет, а следовательно, нет никаких
других сил.
Сначала рассматривают гравитационные силы и закон всемир-
ного тяготения. При изучении гравитационных сил прежде всего
обсуждают опытные факты: падение тел на Землю, обращение
планет вокруг Солнца, спутников вокруг планет, отклонение све-
товых лучей, идущих от далеких звезд и проходящих вблизи края
диска Солнца, и др. Обращают внимание на то, что гравитацион-
ные силы проявляются только во взаимном притяжении тел на
расстоянии.
Закон всемирного тяготения вводят как обобщение многочис-
1СННЫХ опытов:
Все тела притягиваются друг к другу с силой, модуль которой
прямо пропорционален произведению масс и обратно пропор-
ционален квадрату расстояния между ними.
Раскрывают физический смысл гравитационной постоянной G -
• го величина, численно равная силе тяготения между двумя тела-
ми массой 1 кг (каждое) при расстоянии между ними I м.
Далее рассматривают фундаментальные опыты по определе-
нию гравитационной постоянной (опыты Кавендиша и др.).
Обращают внимание учащихся на то, что в законе всемирного
тяготения масса выступает как мера гравитации, а не мера инерт-
ности и что в экспериментах Галилея и Ньютона было показано
равенство инертной и гравитационной масс.
Следует заметить, что А. Эйнштейн и Л. Ипфельд по этому по-
воду писали: «С точки зрения классической физики ответ таков:
равенство обеих масс случайно, и нет никакого смысла придавать
этому факту большое значение. Ответ современной физики со-
вершенно противоположен: равенство обеих масс имеет фунда-
ментальный смысл и составляет новую, весьма существенную ру-
ководящую идею, ведущую к более глубокому познанию мира».
Силу тяжести рассматривают как частный случай силы тяготе-
ния (сила, с которой тела притягиваются Землей). Она всегда на-
правлена к центру Земли, приложена в точке, которую называют
центром тяжести.
57
Далее рассматривают силу упругости как следствие деформа-
ции, а деформацию как следствие неодинаковых ускорений, кото-
рые получают части тела при их взаимодействии. Полезно при
этом показать последовательность образования деформации и сил
упругости. Силы упругости всегда возникают при непосредствен-
ном взаимодействии тел. Направлены они перпендикулярно по-
верхности соприкосновения тел (деформированного тела), а про-
екцию на эго направление находят по закону Гука: Fx = - кх.
Целесообразно особо остановиться на случае возникновения
деформации и сил упругости при соприкосновении падающего
тела с Землей. При свободном падении тела под действием грави-
тационных сил все части тела движутся с одинаковыми ускоре-
ниями. Расстояния между ними остаются неизменными. При со-
прикосновении с Землей части тела «приземленного» слоя оста-
новятся, а вышележащие слои будут продолжать двигаться с ус-
корением. И когда они сблизятся на расстояния, меньшие равно-
весных, тела окажутся деформированными. Возникнут силы упру-
гости. Таким образом, само движение тела возникает под дейст-
вием гравитационных сил, а силы упругости возникают как след-
ствие деформации.
Вес рассматривают как силу, с которой тело вследствие притя-
жения к Земле действует на опору или подвес. Невесомость опре-
деляют как состояние, при котором вес тела равен нулю.
Завершают рассмотрение видов сил в механике изучением сил тре
ния. Возникновение силы трения выясняют на примере равномер-
ного движения бруска по горизонтальной поверхности (рис. 8, я)1.
Сила тяжести mg уравновешивается силой упругости Fvnp, дейст-
вующей со стороны опоры. Показывают на опыте, что если заце-
пить за крючок бруска динамометр и натягивать его в горизон-
тальном направлении с силой F, то брусок не сразу приходит в
движение. Из этого делают вывод: на тело вдоль поверхности дей-
ствует сила, которая препятствует движению бруска. Эта сила - си-
ла трения. При изучении закона трения (7*’1р = ц 7V) обращают
внимание на то, что сила давления направлена перпендикулярно
поверхности, по которой движется тело, а сила трения направлена
вдоль этой поверхности и образует с силой давления прямой угол.
Направлена сила трения скольжения прот! воположно относи-
тельной скорости соприкасающихся тел.
1 Так как в школе изучают механику Ньютона (рассматривают движение матери-
альной точки), то псе силы, действующие на тело. можно прикладывать к его центру
тяжести (рис 8, б).
58
v = const
Рис 8
Рассматривают равномерное скольжение тела но наклонной
плоскости и показываю!, что коэффициент трения равен тангенсу
\гла наклона плоскости к горизонту, при котором тетю равно-
мерно сползает по этой плоскости.
Приводят примеры из практики: движение ремня со шкивом
без проскальзывания; подъем грузов по наклонной плоскости (по
। ранспоргеру); очистка семян с помощью полотняной горки; муф-
га сцепления в автомобиле и др.
V этап - формирование умений применять эту физическую
величину при решении задач: рассматривают изменение скоро-
сти иод действием силы тяжести с учетом начальных условий
(падение тел в поле тяготения Земли без начальной скорости;
при наличии начальной скорости, направленной вертикально
вниз (вверх), под углом к горизонту и параллельно горизонту);
под действием силы упругости с учетом начальных условий
(движение материальной точки по окружности в вертикальной и ,
горизонтальной плоскостях, колебание груза на пружине); под
(ействием силы трения и. наконец, движение под действием не-
скольких сил.
Завершают изучение динамики обсуждением следующего воп-
роса: масса в механике Ньютона инвариантна относительно инер-
циальной системы отсчета; сила не зависит от выбора инерциаль-
ной системы отсчета, так как является либо функцией расстояния
между взаимодействующими телами, либо функцией относитель-
59
ной скорости; законы Ньютона справедливы в любой инерци-
альной системе отсчета. Это дает возможность сформулировать
принцип относительности Галилея.
1.7. АНАЛИЗ И МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ
ЗАКОНОВ СОХРАНЕНИЯ
1.7.1. Закон сохранения импульса
При изучении закона сохранения импульса вводят ряд новых
физических понятий. Усвоение некоторых из них очень важно для
изучения всего раздела. К числу этих понятии слсдуез отнести та-
кие: механическая система, замкнутая механическая система, внеш-
ние силы, внутренние силы, консервативные силы.
Понятие «замкнутая механическая система» является идеали-
зацией. Очень важно поэтому при рассмотрении конкретных за-
дач оговаривать, как движутся тела физической системы и дейст-
вуют ли на них внешние силы Если эти силы отсутствуют (т. е.
ими можно пренебречь), то нужно применять закон сохранения
импульса; если внешние силы действуют, то суммарный импульс
силы, действующий на систему, равен суммарному изменению
импульса системы.
Для простоты рассуждений рассмотрение закона сохранения
импульса целесообразно начинать для замкнутой системы, со-
стоящей из двух сталкивающихся тел, массы которых одинаковы,
а скорости различны. Выводят этот закон на основе второго и
третьего законов динамики, что вполне логично.
Доказывают, что изменение импульсов этих двух сталкиваю-
щихся тел одинаково по модулю, но противоположно по знаку.
Далее формулируют закон: геометрическая сумма импульсов
тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при
любых взаимодействиях тел этой системы между собой.
Суммарный импульс только перераспределяется между взаимо-
действующими телами системы. Закон обязательно должен быть
проиллюстрирован экспериментом и примерами Могут быть по-
казаны следующие опыты: с взаимодействующими тележками
поставленными на рельсы, с маятником, с заводной игрушкой и
картонной платформой, поставленной на параллельные друг дру-
гу одинакового размера ролики.
Первые задачи целесообразно решить графически, с тем чтобы
учащиеся уяснили, что в законе речь идет о геометрической
60
(векторной) сумме импульсов.	/
Остановимся на одном из приме-
ров такого типа: «Радиоактивное
ядро до распада обладало неко-	_______J
горой скоростью (v Ф 0) и соот-
ветствующим импульсом. Пока-
зать, что продукты ядерного рас- |
пада буду! иметь суммарный им-
пульс, равный начальному».	Рис. 9
Такой пример полезен в плане
осуществления связи с химией.
Задают импульсы продуктов распада и начальный импульс ядра
атомов. Решение задачи графически представлено на рис. 9.
Далее целесообразно остановиться на задаче, например, такой:
«Снаряд, выпущенный из зенитки, взорвался в верхней точке траек-
тории, при этом образовалось три осколка, два из которых разлете-
лись под прямым углом друг к другу. Масса первого а его ско-
рость Vi, масса второго - т2, скорость v2 > а скорость третьего - v$.
Определить графически направление полета третьего осколка.
Какова сю масса?»
Внимание учащихся обращают на то, что импульс - величина
относительная, а закон сохранения импульса справедлив во всех
инерциальных системах отсчета. Это важное положение в разви-
тии идеи относительности в механике должно быть закреплено в
упражнениях. Например: мяч массой I кг движется по футболь-
ному полю со скоростью относительно поля, равной по модулю
4 м/с. Определить его импульс: а) относительно поля; б) относи-
тельно футболиста /, бегущего к мячу со скоростью относительно
поля, равной по модулю 5 м/с; в) относительно футболиста 2, ве-
дущего мяч по полю.
Решение: а) Записывают выражение для импульса мяча от-
носительно поля:
= 4 к! - м/с.
I де i>Mn - скороеть мяча относительно поля.
б) Записывают выражение для импульса мяча относительно
футболиста 7, бетущего к мячу:
mvM( = m(vMn + vln) = 9 кт • м/с.
где г1п - модуль скорости футболиста, ум1 - модуль скорости мяча
относительно этого футболиста, vMll - модуль скорости мяча отно-
сительно ноля.
61
в) Записывают выражение для импульса мяча относительно
футболиста 2, ведущего мяч по полю:
777V«2 = O,
где г>м2 - скорость мяча относительно этого футболиста.
Чтобы показать справедливость закона сохранения импульса
в любой инерциальной системе отсчета, проведем мысленный
опыт. Па платформе, которая движется равномерно и прямолинейно
(- скорость относительно Земли), покоится тележка массой т
(рис. 10). В направлении, противоположном движению платфор-
мы, движется тележка мас-
сой т2 со скоростью v от-
носительно платформы.
Скорость тележек после
стол кновен и я относитсяь-
но платформы и. Предла-
гаем учащимся записать
закон сохранения импульса
в системе отсчета, связан-
ной с Землей, и в системе
отсчета, связанной с плат-
формой, и выяснить, зависит ли закон сохранения импульса от
выбора системы отсчета.
Проведенный анализ мысленного опыта позволяет сделать вы-
вод: если закон сохранения импульса выполняется при движении
тел относительно одной системы отсчета, то он выполняется и
относительно любой друз ой системы отсчета, движущейся относи-
тельно первой равномерно и прямолинейно, т. с. закон сохранения
импульса выполняется в любой инерциальной системе отсчета.
Следуел также указать, что при релятивистских скоростях (v—>c)
сумма релятивистских импульсов, образующих замкнутую систе-
му. также остается постоянной при любых взаимодействиях меж-
ду телами, только импульср зависит от скорости так:
Целесообразно рассмотреть границы применимости механики
Ньютона.
При скорости, значительно меньшей скорости света (v « с).
отношение v2/c2 —> 0, поэтому импульс тела равен р = тйу (эго
выражение справедливо в механике Ньютона).
62
Завершают изучение закона сохранения импульса рассмотре-
нием реактивного движения. В рамках основного курса достаточ-
но рассмотреть применение закона сохранения импульса для объ-
яснения движения ракеты, для определения ее скорости

-	—
^об.р	^2
^об.р
(где тОб р - масса оболочки ракеты, гОб.р- скорость оболочки ра-
кеты, т2 и v2 - соответственно масса сгоревшего топлива и ско-
рость истечения газа).
Важно, в воспитательном плане, обратить внимание учащихся
на тс проблемы, которые возникли в истории ракетостроения.
На факультативных и внеклассных занятиях по физике (в ин-
дивидуальной работе с учащимися) можно более детально и обос-
нованно обсудить указанные проблемы, рассмотрев при этом и
такие вопросы, как движение с переменной массой, реактивная
сила, более точный расчет максимальной скорости ракеты, много-
ступенчатость ракет и др.
Материал этой темы благодатен и для воспитательной работы.
Здесь следует остановиться на значении работ К.Э. Циолковского,
С. П.Королева и других отечественных ученых в развитии кос-
монавтики, на достижениях нашей страны в области освоения
космоса.
Эту работу целесообразно проводить как на уроке, так и вне
его (специальные стенды, журналы, рассказывающие о достиже-
ниях озсчественной космонавтики; подбор литературы для чтения
учащимися; тематические конференции с докладами и рефератами
учащихся и т. д.).
1.7.2. Анализ понятий работы и энергии
Несмотря на. казалось бы. полное торжество учения об энер-
гии, единого мнения об определении понятия энергии, к сожале-
нию, нет. Профессор А. Б.Млодзссвскип, талантливый педагог и
известный физик, не раз говорил, что из всех понятий физики са-
мым непонятным является понятие энергии. К нему просто надо
привыкнуть и научиться пользоваться им.
Понятие механической работы в науку было введено раньше, и
на основе его было сформулировано более общее понятие - энер-
гия. Объясняется это тем, чго физиков в большей степени интере-
суют процессы перехода системы из одного состояншг в другое.
63
Однако понятие работы и с физической, и с философской, и с мате-
матическом точек зрения сложнее понятия энергии. Очевидно, этим
объясняется то, что в трудах многих физиков, посвятивших свои
исследования энергетическим вопросам, проанализировано поня-
тие энергии и не раскрыто понятие работы (не определено). В шко-
ле при формировании понятия работы имеют место определенные
зрудностн: а) представления учащихся о многих физических поня-
тиях, например о скорости, массе, температуре и др., получены до
школы, а в школе их углубляют. Представления школьников о
работе нс соогветствуют научному пониманию; б) смысл многих
физических величин раскрывают через систему операций, кото-
рые становятся со временем очевидными (отнесение к единице,
взятие производной и т.п.). В отличие от этого математическая
структура понятия «работа» (произведение двух величин, относя-
щихся к различным объектам) нс позволяет дать простую физиче-
скую интерпретацию. До сих пор не найдено удовлетворительно-
го во всех отношениях физического определения понятия работы,
поэтому ограничиваются формально-математическим.
Проанализируем некоторые наиболее часто встречающиеся
определения понятия энергии.
Существуют различные виды движения материи. Все эти виды
движения материи 1ревращаются друг в друга в строго определен-
ных количествах.!Отсюда возникаем возможность измерить раз-
личные виды движения материи некоторой общей мерой. Это и
положено в основу следующего определения: энергия - это общая,
единая количественная мера различных форм движения материи
С другой стороны, каждому определенному состоянию меха-
нической системы соответствует определенная энергия. Переход
из одного состояния в другое сопровождается изменением энер-
гии системы. В случае механических процессов этот переход осу-
ществляется в процессе механической работы. Следовательно,
возможно и другое определение: энергия системы функция ее
состояния.
И наконец, наиболее распространенное в учебной литературе,
особенно для средней школы, определение: энергия - свойство
(способность) тел совершать работу.
Каждое из приведенных определений в научном и методиче-
ском плане не является безукоризненным. На самом деле вопрос о
классификации видов и форм движения материи не имеет до на-
стоящего времени четкого и однозначного решения. К тому же
первое определение представляет собой достаточно глубокое
обобщение, к которому следует долго вести учащихся по «образо-
вательной лестнице» в направлении накопления знаний, развития
64
мышления и пр. При изучении только механических явлений труд-
но раскрыть физическое содержание понятия «мера движения».
Второе определение также содержит недочеты. Прежде всего,
как выделить энергию как функцию состояния из множества дру-
гих функций состояния. Непростым для учащихся средней школы
является понятие «состояние системы». Это понятие требует так-
же большой предвари тельной рабо1ы и в плане накопления зна-
ний, и в плане развития мышления учащихся при изучении энер-
гетических явлении. В этом смысле начинать с такого определе-
ния нс следует. Однако необходимо привести учащихся, оканчи-
вающих общеобразовательную школу, к пониманию этого опре-
деления энергии.
Из третьего определения видно, что, прежде чем вводить (опре-
делять) понятие энергии, следует определить понятие работы. В то
же время физическая сущность понятия работы может быть рас-
крыта только через понятие энергии. В этом случае нарушается
элементарное требование логики о недопущении тавтологии (энер-
гия - способность тел совершать работу, работа - мера превраще-
ния энергии).
При изучении механики в средней школе имеют место различ-
ные пути формирования понятий энергии и работы.
1)	Вводят понятие энергии независимо oi понятия работ ы, с по-
следующим раскрытием связи между работой и энергией. Суть этого
подхода заключается в отыскании сохраняющейся в механических
nw2 ,	„ inv
процессах величины —-—г nigh . в которой — — кинетическая
энергия, nigh - потенциальная. Затем вводят работу как измене-
ние кинетической энергии в механических процессах
nw~
7
Недостаток такого подхода в средней школе определяется тем.
что учащиеся должны следить за сохранением величины, значение
которой выясняется после ее вывода.
2)	Совместно вводят понятие энергии и работы из уравнения,
связывающего работу с изменением кинетической энергии. При
таком подходе изучение энергетических понятий начинают с рас-
смотрения явлении разгона и торможения тел. Никакая сила нс
может мгновенно изменить движение. (Это учащиеся усваивают
из второю закона динамики.) Вычисляя тормозной путь, получают
уравнение
inv1
2
= F.s. (Выражение Г =
inv2
17
известно из второго
закона динамики.) Левую часть уравнения называют кинетической
3-2784
65
энергией, правую - механической работой. Чтобы тело приобрело
эту энергию, оно должно пройти соответствующий путь разгона.
Потенциальную энергию вводят как «запас», за счет которого и
возникает кинетическая энергия. Через выявление далее постоянст-
ва^ ммы кинетической и потенциальной энергии вводят механи-
ческую энергию как величину, нс только сохраняющуюся в меха-
нических процессах, но и способную к превращениям.
Этот подход доступен школьникам и мог бы быть принят в
школе. Однако в нем нс учитывается в должной мере то, что уча-
щиеся в основной школе и в жизни уже знакомы с понятиями ме-
ханической работы и энергии.
3)	Развивают представления о работе и энергии, полученные в
основной школе, и соответственно строят методику изучения энер-
гетических понятий в курсе механики в старших классах профильной
или общеобразовательной школы. (Возможны и другие подходы.)
Из проведенного выше анализа следует, что понятия работы и
энергии - близкие понятия и, следовательно, в практике препода-
вания их надлежит различать.
Работа характеризует процесс, энергия - состояние механиче-
ской системы (при рассмотрении механических процессов). По-
этому можно говорить об энергии, которой обладает тело, но
нельзя - о количестве работы.
Работа - физическая величина, характеризующая процесс, при-
водящий к изменению энергии, являющаяся мерой изменения энер-
гии (А =АЕ).
1.7.3. Механическая работа
Изучение понятия механической работы можно условно разде-
лить на следующие этапы.
1 этан - повторить первоначальные представления о работе,
полученные в основной школе, т. е. в базовом курсе физики, пред-
ставление о механической работе как о физической величине, ко-
торая равна произведению абсолютных значений действующей на
тело постоянной силы и перемещения, если оно происходит в на-
правлении действия силы (А = Fs).
II этан - расширить и уточнить определение механической
работы (Л = Fvcosa): работа постоянной силы равна произведе-
нию модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла
между векторами силы и перемещения.
После введения общего определения понятия работы и анализа
его исследуют выражение А = Fscosa при разных значениях угла а
66
(a = 90°, a < 90 °, a > 90°, a = 180°) и выясняют, что работа может
быть положительной, отрицательной и равной нулю.
111 этап рассмотреть выражение работы для всех видов
сил в механике: А = mg(Ji2 -hi) - работа силы тяжести:
t к ( 2	2\	(Z	((Г- \	A'.V. +A-V?
=	- работа силы упругости HFvnpj =—---------— —
работа силы трения.
IV этап- графически изобразить работу и подсчитать рабо-
ту для случаев, когда сила постоянна и когда она меняется по ли-
нейному закону.
V этап - уточнить понятие мощности. В базовом курсе фи-
шки школьники знакомятся с определением понятия мощности
( ЛА
IV =— . В старших классах следует получить выражение для
мощности вида N~Fv и проанализировать его. В заключение
этого этапа следует поработать с таблицей мощностей различных
двигателей.
VI этап - раскрыть относительный характер работы. Выяс-
нить вопрос о том, что работа зависит от выбора системы отсче-
та. и обсудить конкретные примеры. Например: ученик стоит в
движущемся лифте и держит в руке портфель. Что можно сказать
о работе силы в системе отсчета, связанной с лифтом, и в системе
отсчета, связанной с Землей?
Со стороны руки на портфель постоянно действует сила. В сис-
теме отсчета «лифт» работа равна нулю (пег перемещения). В систе-
ме отсчета «Земля», огноентелыю которой лифт перемещается,
работа совершается.
Можно постави i ь и другие вопросы, например такие: а) Совер-
шается ли работа силой упрут ости троса, связывающего катер и
баржу, в системе о i счета «Земля», «баржа», «вода»? б) Совершает-
ся ли работа человеком, стоящим в поезде и удерживающим рас-
тянутую пружину, в системе отсчета «поезд». «Земля» и т. д.
1.7.4. Энергия и закон сохранения энергии
В базовом курсе физики учащиеся получили представление об
тнергии; если тело или несколько взаимодействующих между со-
бой теЛ способны совершить работу, то они обладают механиче-
ской энергией. В старших классах общеобразовательной школы
67
это представление необходимо развить и оформись в понятие;
энергия - эю физическая величина, которая зависит от состояния
тела (системы тел), се изменение при переходе из одного состоя-
ния в другое определяют совершенной работой.
Наиболее простым видом механической энергии является кине-
тическая энертия,так как во всех случаях (для материальной точки)
она определяется произведением массы тела на квадрат его ско-
рости относительно других тел (тел отсчета) и зависит от того,
взаимодействует это тело с другими телами или нет. Потенциаль-
ная же энергия относится к системе взаимодействующих тел, и ее
рассчитывают в зависимости от вида сил, обусловливающих су-
ществование этого вида энергии. Поэтому целесообразнее начи-
нать формировать понятие энергии в механике с рассмотрения
кинстической энергни
Кинетическая энергия. Используя определение работы и второй
закон Ньютона, нетрудно показать, что работа любой силы, дейст-
nw2
вующей на материальную точку, равна изменению величины ,
зависящей от скорости, т. е. Л=ДЕА. Для кинетической энергии
совершенно не важно, о каком виде сил идет речь. Это может
быть сила тяготения, упругости или трения. Если работа силы по-
ложительна (А > 0), кинетическая энергия возрастает (ДЕ, > 0),
если отрицательна (А < 0) - кинетическая энергия убывает
(ДЕ < 0), работа тормозящей силы - максимальна (тело останови-
лось, конечная скорость равна нулю), само тело совершило поло-
жительную работу, действуя с силой Е=ЕТОрм на тела, тормозящие^
его движение (кинетическая энергия была полностью израсходо-
вана). Таким образом, кинетическая энергия тела, движущегося со
скоростью г, равна работе, которую должна совершить сила,
действующая на покоящееся тело, чтобы сообщи ib ему эту ско-
рость. Кинетическая энергия системы тел равна сумме кинетиче-
ских энергий тел, входящих в эту механическую систему.
Кинетическая энергия, как и работа силы, зависит от выбора
системы отсчета. Это следует рассмотреть при решении задач.
Потенциальная энергия. При изучении этого вида механиче-
ской энергии очень важно, чтобы школьники усвоили, что потен-
циальная энергия в механике - это .энергия взаимодействия по
крайней мерс двух тел, понятие потенциальной энергии относится
к системе тел. а не к одному («изолированному») телу. Это одна из
основных задач, которую учитель должен решить при формиро-
вании понятия потенциальной энергии. Вторая задача - расширить
представления о потенциальной энергии, полученные учащимися
68
в базовом курсе физики: надо показать, что потенциальной энср-
। йен обладают нс только тела, поднятые над Землей, ио и упруго
деформированные тела, и дать количественное выражение для
потенциальной энергии упруго деформированных тел. II, нако-
нец, третья задача - показать, что выбор нулевого уровня состоя-
ния системы (нулевого уровня потенциальной энергии) произво-
лен, гак как разность энергий инвариантна относительно этого
выбора, хотя по тенциальная энергия и зависит от этого выбора.
Остановимся несколько подробнее на первой задаче.
Очень важно довести до понимания учащихся, что потенциальная
энергия в механике - это энергия взаимодействия тел, хотя бы двух.
Если в системе имеется несколько тел, то потенциальная энергия
системы равна сумме потенциальных энергий всех нар взаимодей-
ствующих тел (либо тело взаимодействует с каждым из остальных).
Обычно при выводе формулы, связывающей изменение потен-
циальной энергии с работой сил, одно из зел системы принимают
за неподвижное. Например, при рассмотрении падения груза на
Землю под действием силы тяжести смещением Земли можно пре-
небречь. Поэтому работу сил взаимодействия между Землей и
грузом сводяз к работе только одной силы, действующей на груз.
При рассмотрении сжатия или растяжения пружины не учитыва-
ют смсУцення Земли (конец пружины, который закреплен с непод-
вижным телом, фактически скреплен с Землей). Работу в этом
случае совершает лишь сила упругости деформированной пружи-
ны, приложенная к телу.
Из-за этого потенциальную энергию системы двух тел учащие-
ся привыкают рассматривать как энергию одного тела Это ос-
ложняет процесс формирования понятия об этом виде энергии.
Чтобы избежать указанных осложнений, правильнее во всех слу-
чаях раскрывать следующее положение: изменение потенциаль-
ной энергии двух тел. взаимодействующих с силами, зависящими
только от расстояния между телами, равно работе этих сил, взя-
той с противоположным знаком.
Остановимся на методике введения понятия о нулевом уровне
потенциальной энергии. При рассмотрении этого вопроса важно
выделить следующие моменты:
1. Определяют не саму потенциальную энергию, а се измене-
ние. Например, для силы тяжести вблизи поверхности Земли:
ДЕ = mgh - mghx,
। де Л] и - Bbicoia тела над Землей в начальном и конечном со-
стояниях.
69
Изменение потенциальной энергии деформированной пружины
где к - коэффициент упругости (жесткость), Дх, н Д.с2 - начальная
и конечная деформации пружины.
Так как работа определяет изменение энергии, а не саму энер-
гию, то только изменение энергии имеет физический смысл. Исходя
из этого, можно произвольно выбирать состояния системы, в кото-
рых потенциальную энергию можно считать равной нулю. Выбор
нулевого уровня, таким образом, произволен и диктуется сообра-
жениями удобства (скажем, простотой записи уравнения, выра-
жающею закон сохранения энергии)
2. Часто за нулевой уровень потенциальной энергии (состояние
с нулевой энергией) выбирают такое состояние системы, при ко-
тором потенциальная энергия минимальна.
Для учащихся целесообразно на примерах показать, что значе-
ние потенциальной энергии зависит от выбора начала ее отсчета и
что произвольность выбора нулевого уровня не влияет па измене-
ние энергии.
Далее следует показать, что потенциальная энергия не зависит
от выбора инерциальной системы отсчета, так как является функ-
цией расстояния между взаимодействующими телами.
Закрепляют понятия кинетической и потенциальной энергии
при решении задач. Это могул быть тренировочные задачи, цель
которых - научить учащихся пользоваться математическим вы- >
раженном для энергии, при этом следует выделить и те задачи,
которые имеют практический выход. К числу таких задач можно
отнести задачи на определение тормозного пути. При решении
учащихся знакомят с выражением для тормозного пути
>$торм
, из которого видно, чло тормозной путь зависит от
квадра та скорости, коэффициента г рения и ускорения свободного
падения.
Учащиеся не всегда понимают, что внешние силы непосредст-
венно изменяю! лишь кинетическую энергию тел системы, но не
потенциальную энергию взаимодействия этих тел. Изменение по-
тенциальной энергии системы определяется работой сил взаимо-
действия (внутренних сил).
Из рассмотрения того, что при совершении работы увеличение
кинетической энергии сопровождается убылью потенциальной
70
и горгии (и наоборот), формулируют закон сохранения энергии
для замкнутых систем.
Специально следует остановиться на рассмотрении закона со-
хранения энергии при наличии трения. В этом случае работа сил
грсния ведет к убыли кинетической энергии системы. Но при этом
под действием сил трения потенциальная энергия не увеличивает-
ся, как эго происходит в случае действия сил тяготения и сил уп-
ругости (консервативных сил). Это является следствием того, что
силы трения не зависят от расстояния между взаимодействующи-
ми телами, а зависят от их относительных скоростей. Работа этих
сил зависит от формы траектории, а не от начального и конечно-
го положений тел в пространстве.
Завершая рассмотрение закона сохранения энергии, следует
рассказать учащимся о научных воззрениях М В.Ломоносова по
вопросу сохранения материи и движения, явившихся гениальным
предвидением закона сохранения и превращения энергии (кото-
рый был открыт лишь только через 100 лет) и других законов со-
хранения.
Заканчивая изучение темы, следует рассмотреть применение
закона сохранения энергии к анализу работы простых механизмов,
при этом показать невозможность построения вечного двигателя;
вывести закон Бернулли на основании закона сохранения энергии,
объяснить возникновение подъемной силы крыла самолета. Изло-
жение последнего вопроса целесообразно сопровождать демонст-
рацией опытов* изменение давления над и под моделью крыла са-
молета, обнаружение подъемной силы крыла самолета и др. При
гтом необходимо ознакомить школьников с историей авиации и
ролью русских ученых в ее становлении и развитии (II. L.Жуков-
ский. С.А. Чаплыгин. А.Н.Туполев и другие ученые и конструк-
торы самолетов).
1.8.	МЕГОДИКА ИЗУЧЕНИЯ
МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
Изучением механических колебаний и волн завершается раздел
«Механика». Это методически оправдано, так как при первона-
чальном изучении колебаний и волн различной природы их целе-
сообразно не объединять вместе, а изучать в соответствующих
разделах - механические колебания и волны при изучении меха-
ники, а электромагнитные - при изучении электродинамики. При
этом изучение явлений одной природы не разрывается во време-
ни, механические колебания рассматриваются как пример приме-
71
нения законов классической механики, электромагнитные - как
пример применения основных законов классической электроди-
намики. Но при этом по программе общеобразовательной сред-
ней школы изучение механических колебаний и волн оторвано во
времени от электромагнитных более чем на год. Чтобы облегчить
усвоение общности закономерностей колебаний и волн различной
природы, обеспечить обобщение знаний, учащихся следует поста-
вить перед необходимостью неоднократно возвращаться к уже
изученному, углублять и расширять те знания о колебаниях и
волнах, которые они уже получали до этого.
1.8.1.	Свободные механические колебания
Изучение колебании начинают с введения понятия о колебатель-
ном движении, которое является одним из основных в этой теме.
Учащиеся уже знакомы с периодическими, т. е. повторяющимися
через равные промежутки времени, движениями (например, с равно-
мерным движением по окружности). Разновидность периодического
движения - колебательное, т. е. такое движение, при котором тело
перемещается от своего положения равновесия то в одну сторону,
то в другую. Приводят примеры колебательных движении и демон-
стрируют системы тел, в которых при определенных условиях могут
существовать колебания (вертикальный и горизонтальным пружин-
ные маятники, груз на нити, ножовочное полотно, зажатое в тисках,
и др.). На примере этих колебательных систем подчеркивают то
общее, что характерно для любых из них: наличие устойчивого поло-,
ження равновесия, фактор инертности, обеспечивающий прохожде-
ние телом положения равновесия и, таким образом, установление
колебательного движения вместо простого возвращения тела в поло-
жение равновесия, и, наконец, достаточно малое трение в системе.
Ребята убеждаются в наличии этих признаков у каждой из де-
монстрируемых колебательных систем. После этого им можно
предложить ответить на вопрос, могут ли возникнуть колебания в
системах, представленных на рис. 11, и проверить свой ответ экс-
периментально.
Рис. 11
72

Вводят понятие о свободных колебаниях. Колебания, возника-
ющие в системе, выведенной из положения равновесия и пре-
доставленной самой себе, называют свободными. Если в системе
отсутствует трение, го свободные колебания называют собствен-
ными, они происходят с собственной частотой, которая определя-
ется только параметрами системы. Колебательная система, лишен-
ная трения. - идеализация, ио при малом коэффициенте затухания
различие между свободными и собственными колебаниями слиш-
ком незначительно, чтобы его учитывать (при добротности систе-
мы в несколько единиц оно не превышает нескольких процентов).
Поэтому в школьном преподавании физики понятия свободных и
собственных колебаний нс разграничивают и учащиеся знакомятся
юлько с понятием свободных колебаний.
Одно из важнейших понятий теории колебаний - гармониче-
ское колебание. Это понятно широко используют по двум причи-
нам: любое периодическое негармоническое движение может быть
представлено в виде суммы ряда гармонических колебаний кратных
частот, причем эти последние можно выделить и наблюдал ь. Кроме
того, существует много таких колебательных систем, колебания
которых с большой точностью можно считать гармоническими.
Программа общеобразовательной средней школы обычно пред-
полагала впервые ознакомить школьников с понятием гармони-
ческого колебания в последнем
классе средней школы при изу-
чении электромагнитных коле-
баний. По существует реальная
возможность сделать это уже
при изучении механических ко-
лебаний.
При этом возможен следую-
щий подход: используя связь рав-
номерного движения по окруж-
ности и колебательного движе-
ния, получают закон изменения
координаты гармонически ко-
леблющегося тела со временем
2 л
,y = a'wcos—I. Для этого внача-
ле на опыте [11, ч. 2, опыт 3] по-
казывают, что тень от шарика,
равномерно движущегося по
окружности, совершает колеба-
Рис. 12
тельное движение (рис. 12). Па
73
Рис. 1 3
установке возбуждают колебания пружинного маятника. Убежда-
ются в том, ч ю мая шик совершает такие же колебания, ч то и тень
на экране от шарика, при этом частоту вращения шарика подби-
рают таким образом, чтобы колебания были синхронными.
Затем учащиеся самостоятельно выполняют задание: найти вы-
ражение для координаты проекции на ось X материальной точки А.
движущейся равномерно со скоростью v по окружности (рис. 13).
Получают выражение x = xwcos—z. Сообщают, что движение, в
котором координата тела меняется по такому закону, называют
гармоническим колебанием. Так как маятник и тень шарика на
экране совершают одинаковое движение (колеблются синхронно),
делаем вывод: колебания маятника могут быть описаны тем же
уравнением, т. е. при определенных условиях они тоже являются
гармоническими. В завершающем обучение классе при изучении
электромагнитных колебаний это определение можно расширить,
показав, что любая величина, изменяющаяся по такому закону,
совершает гармоническое колебание (например, заряд конденса-
тора в контуре, сила тока и напряжение в контуре и др.).
Возможен и другой подход к введению понятия о гармониче-
ском колебании: рассматривают динамику свободных колебаний
пружинного (рис. 14, а) и математического (рис. 14, б) маятников
под действием соответственно силы упругости и силы тяжести в
отсутствие силы трения. Для каждого из этих случаев на чертеже
74
Рис 14
изображаю! силы, действующие на маятник, и записывают урав-
нение движения в проекциях па ось О.\ маят ника, выведенного из
положения равновесия и предоставленного самому себе, из кото-
рого получают Fx=-kx (для пружинного маятника) и Fv =
(для математически о).
Вводят определение: механические колебания, которые совер-
шаются под действием силы, пропорциональной смещению и на-
правленной к положению равновесия, называют гармоническими.
Если из динамических уравнений выразить ускорение (ах = ——х
т
%
и =-уЛ ). то .может оыть дано и такое определение: движение,
при котором ускорение прямо пропорционально отклонению ма-
териальной точки от положения равновесия и всегда направлено в
ст орону равновесия, называют гармоническим колебанием.
Под руководством учителя анализируют динамическое урав-
нение колебания маятников. Обращают внимание на общие черты
Д'
)гих уравнении, их внешнее сходство - уравнения а ---х и
т
g
=—- v линейны, коэффициенты при координате л постоянны и
не зависят ни от самой координаты, ни от ускорения.
Следует обратить внимание школьников на то. что гармони-
ческие колебания - качественно новый вид движения, в котором
75
I
ускорение непрерывно изменяется по модулю и направлению.
Полезно провести анализ зависимости ускорения маятников о г
смещения и сравнить гармоническое колебание с уже извест-
ными учащимся видами движения - прямолинейным (равномер-
ным и равноускоренным) и равномерным движением по окруж-
ности.
/<	<Г
При анализе уравнения ах =---Л' (или ах =—х ) обращают
т	I
внимание на то, что при большой деформации пружины (или
большом отклонении нити маятника от положения равновесия)
нарушается прямая пропорциональность между ускорением и
A	g
смещением. Постоянный коэффициент — (или —) становится
т	I
зависимым от деформации пружины (или угла отклонения ни-
ти), уравнение перестает быть линейным - движение будет пе-
риодическим, но не гармоническим. Таким образом, приходим к
выводу: при отсутствии рассеяния энергии и достаточно малых
амплитудах свободные колебания маятников являются гармони-
ческими.
Введение основных характеристик колебательного движения
амплитуды, частоты и периода - может последовать сразу после
того, как рассмотрены свободные колебания маятников и введено
понятие гармонического колебания. Строго говоря, понятие час-
тоты применимо только для гармонических колебании, т. е. для
бесконечных во времени процессов. В случае периодических про-
цессов негармонического характера (а именно с ними чаще всего
приходится встречаться) мы имеем дело не с частотой, а с целым
набором (полосой) частот.
Вводят понятие амплитуды, частоты и периода колебаний, при-
чем подчеркивают, что именно эти величины, а не смещение, ско-
рость и ускорение колеблющейся точки в данный момент времени
характеризуют колебательный процесс в целом. Одну их важней-
ших характеристик колебательного движения - фазу - вводят
позже, при изучении электромагнитных колебаний в последнем
классе. Для усвоения понятий амплитуды, периода и частоты ко-
лебаний необходимо предложить учащимся ряд упражнений раз-
личного характера - качественных, количественных, связанных с
проведением несложного эксперимента.
Затем можно перейти к записи колебательного движения. Во-
ронку с песком на бифилярном подвесе приводят в колебательное
движение, струйка вытекающего из нее песка оставляет след - си-
нусоидальную кривую - на бумажной ленте, равномерно нереме-
76
щающсйся перпендикулярно направлению колебании. Можно ви-
доизмени! ь опыт, заменив воронку с песком на камертон с пером,
бумажную ленту па закопченную стеклянную пластинку.
Формулы для периода колебаний математического и пружин-
ного маятников не могут быть строго выведены из-за отсутствия
необходимой математической подготовки учащихся. Поэтому они
могут быть даны в готовом виде (с последующей эксперименталь-
ной проверкой) или выведены косвенным путем.
Например, формулу периода колебаний математического ма-
ятника можно получить, используя экспериментальный факт, ус-
тановленный еще X. Гюйгенсом: конический маятник длиной /
совершает полный оборот за тот же промежуток времени, в тече-
ние которого математический маятник топ же длины совершает
полное колебание, т. е. за период. Перед учащимися можно поста-
вить задачу: воспользовавшись этим опытным фактом, найти фор-
мулу периода колебания математического маятника.
Используя уже известную школьникам связь колебательного
движения и движения но окружности, можно получить формулу
для периода колебаний пружинного маятника. Па опыте (см.
рис. 12) уже было установлено, что колебания груза на пружине
могут совершаться синхронно с колебаниями тени шарика, равно-
мерно движущегося по окружности. При этом можно сделать так,
чтобы совпали не только частоты, но и амплитуды этих колеба-
ний. т.е. R = хт (где IV- радиус окружное i n, по ко юрой движет-
ся шарик, и, соответственно, амплитуда колебаний его тени, а а;и -
амплитуда колебаний груза на пружине). Модуль скорости дви-
жения шарика по окружности постоянен и равен v, он может
быть выражен через радиус окружности R и период обращения
шарика по окружное!и Тследующим образом: и = ——
. Модуль
же скорости движения тени шарика и синхронно колеблющегося
с ней груза на пружине непрерывно изменяется и достигает мак-
симального значения при прохождении положения равновесия.
В этот момент он совпадает с модулем скорости самого шарика,
। .е. г1Г1ах = v. Так как период обращения шарика по окружности и
период колебаний его тени и груза на пружине совпадают, полу-
чаем:
2nR _ 2лх,„
^тах
(О
п
Используем закон сохранения механической энергии для пру-
жинного маятника (см. рис. 14, а):
____ ^^тах
2'2
(2)
Из уравнений (1) и (2) получаем выражение для периода коле-
баний пружинного маятника:
Для лучшего усвоения формулы периода колебаний маятников
ее следует проверить на опыте, показав, что от коэффициента уп-
ругости и массы груза, так же как и от ускорения свободного па-
дения и длины нити для магематпческого маятника, зависит соб-
ственная частота колебании системы [11, ч. 2, опыты 5 и 6].
Целесообразно поясни 1ь эти зависимости и качественно. Напри-
мер, с увеличением коэффициента упругости к при том же откло-
нении от положения равновесия а растет упругая сила (F - к\)
Следовательно, увеличивается ускорение, ie.uo быстрее проходит
тот же путь, т. е. уменьшается период. Если же увеличить массу
груза, то при том же смешении та же упругая сила будет сообщать
ему меньшее ускорение, период увеличится. Аналогично для мате-
матического маятника: с ростом ускорения свободного падения
растет проекция на ось А силы тяжести, равная w^sintp (см. рис.
14, /т), т. е. маятник быстрее движется, частота растет, период
уменьшается. При увеличении длины нити для того же утла огкло-
нения растет длина дуги, которую нужно пройти с тем же ускоре-
нием, т. е. замедляется движение, уменьшается частота.
В качестве домашнего задания школьникам предлагают с по-
мощью самодельного маятника иссле-
довать на опыте зависимость периода от
длины нити и построить график этой
зависимост и (рис. 15).
Далее рассматривают энергетические
превращения в колебательных системах.
Выясняют, что при движении маятников
происходит периодическое превращение
кинетической энергии системы в потен-
циальную и обратно. Изображают гра-
фически зависимости кинетической (£/),
потенциальной (Ер) и полной 1(E) энергии
маятника от времени (рис. 16). Ог меча-
PlIC. 16
ют, что полная энергия козебагельной системы не зависит от вре-
мени, опа пропорциональна квадрату амплитуды и частоты С этим
соотношением учащимся придется встречаться при изучении вол-
новых процессов, поэюму важно, чтобы оно было закреплено
Следует учесть, что все выводы были сделаны для колебатель-
ной системы без зрения. Так как на самом деле трение существует
в любой системе, то энергия системы не остается постоянной, а
убывает со временем, убывает и амплитуда колебаний, т. е коле-
бательное движение перестает быть гармоническим, хотя и оста-
ется периодическим. Если силы сопротивления в системе доста-
точно велики, движение может стать апериодичным.
С затуханием свободных колебаний в реальных колебательных
системах ребята хорошо знакомы из повседневной жизни и из на-
блюдений за демонстрационными опытами. Полезно показать
системы с различной степенью затухания, выявить причины зату-
хания. привести примеры систем, где необходимо обеспечить бы-
строе затухание колебании, и систем, где такое затухание крайне
нежелательно. Примером систем с малым затуханием могут слу-
жить колокол, камертон. После выведения камертона из сосюя-
нпя покоя он может совершать до нескольких тысяч колебаний,
т. е. достаточно долго звуча г ь практически без затуханий, с неиз-
менной часто гой.
1.8.2.	Вынужденные механические колебания
Изучение вынужденных колебаний можно начать с примеров
тел (систем чел), в которых колебания происходят под действием
периодической внешней силы: колебания иглы швейной машины,
колебания поршня в двигателе внутреннего сгорания, различные
вибрационные машины (для погружения свай в грунт, для сорти-
79
Рис. 17
ровкн н транспортировки, для уплотнения материала, например
бетона и т. д.) Сообщают, что такие колебания называют вынуж-
денными. Наибольший интерес представляют случаи, когда перио-
дическая внешняя сила действует на систему, в которой могут про-
исходить свободные колебания. Демонстрируют опыт, в котором
вынужденные колебания совершаются пружинным маятником.
С помощью установки с горизонтальным маятником (рис. 17) пока-
зывают существование собственных колебаний в системе и пред-
лагают учащимся оценить собственную частоту колебаний со0.
Далее- демонстрируют вынужденные колебания под действием
периодической внешней силы с частотой ш, и школьники наблю-
дают вначале сложное движение маят ника, в котором собствен-
ные колебания со временем затухают, а затем в установившемся
движении маятник совершает уже только вынужденные колебания
с частотой св. Показывают, что при частоте внешней силы, пре-
вышающей! собственную частоту со0 системы, установившиеся ко-
лебания маятника также происходят с частотой со. Таким обра-
зом. вынужденные колебания под действием периодической внеш-
ней силы совершаются с частотой этой силы. Можно предложить
школьникам провести сравнение свободных и вынужденных ко-
лебаний в одной и той же системе, объяснить, почему вынужден-
ные колебания не за тухают .
Наибольший интерес при изучении вынужденнь х колебаний
представляет явление резонанса. На той же установке (см. рис. 17)
наблюдают резкое возрастание амплитуды вынужденных колеба-
ний в случае, когда частота вынуждающей силы приближается к
собственной частоте колебаний соо системы. Такое возрастание
80	1
амплитуды при совпадении собственной частоты колебаний и
частоты вынуждающей силы называют резонансом.
Если на той же установке продолжать и дальше увеличивать
частоту вынуждающей силы, то можно показать, что амплитуда
вынужденных колебаний начинает уменьшаться - при очень вы-
соких частотах из-за инертности системы она может стать очень
малой.
Необходимо остановиться на причинах резкого возрастания
амплитуды при резонансе. На той же установке можно показать,
что при резонансе сила и смещение в любой момент времени сов-
падают по направлению. Это означает, что вынуждающая сила в
течение периода совершает максимальную положительную рабо-
ту. так как. совпадая по направлению со смещением тела, она все
время «подталкивает» его. наиболее сильно раскачивая систему.
Энергия । сточника расходуется на преодоление сопротивления и
увеличение амплитуды. Но с ростом амплитуды колебаний воз-
растает сила сопротивления, поэтому все большая часть энергии
расходуется на ее преодоление. При резонансе амплитуда дости-
гает такого значения, что энергия, которая продолжает поступать
от источника в систему, целиком расходуется на преодоление со-
противления. Таким образом, амплитуда при резонансе зависит
от значения сопротнв тения в системе.
С помощью нескольких нитяных маятников, подвешенных на
деревянной планке (желательно на бпфилярных подвесах), целе-
сообразно продемонстрировать резонанс при совпадении собст-
венной частоты колебании одного из маятников с частотой коле-
баний маятника, выступающего в качестве вибратора (маятники
берут такой длины, чтобы по крайней мере по два из них были
одинаковы). Можно использовать и систему попарно одинаковых
между собой пружинных маятников,
подвесив пх на резиновом шнуре пли
трубке. При этом демонстрируют
передачу энергии через упругую
связь всем маятникам и отмечают,
что резонанс наблюдается для того
маятника, который имеет те же па-
раметры (массу груза и жесткость
пружины), что и вибратор.
Резонанс можно демонстриро-
вать с помощью метронома и нитя-
ного маятника (рис. 18). Нитяной
мая тник нитью соединяют с маятни-
ком метронома. На опыте наблюда-
Рнс. 18
81
юг, что при совпадении собственной частоты колебаний нитяного
маятника и маятника метронома амплитуда колебании нитяного
маятника максимальна. Для домашнего эксперимента можно
предложить пронаблюдать резонанс водной массы в тарелке: если
тарелку быстро перемещать вправо-влево по столу, масса воды
остается сравнительно спокойной, если же перегни на более мед-
ленные колебания, то для некоторой частоты вода станет перели-
ваться через край - всплески усилятся. При еще более медленных
колебаниях тарелки всплески воды опять уменьшаются.
Особое внимание следует уделить учету и использованию ре-
зонансных явлений в жизни. Приводят примеры вредного влияния
резонанса (разрушение опор под неуравновешенными конструк-
циями, например, под плохо центрированным двигателем, при
работе которого в опорах возбуждаются вынужденные колебания,
и др ), указывают основные нуги предотвращения резонанса - из-
менение собе! венной частоты колебании системы и использова-
ние демпферов - гасителей колебаний.
Рассматривая использование резонанса, целесообразно озна-
комить школьников с принципиальным устройством и работой
резонансного тахометра [11, ч. 2, опыт 10], с проблемой измерения
собственных частот деталей конструкций, например самолетов.
Целесообразно использовать также фрагменты из видеофильма
«Резонанс», где показано как разрушительное действие резонанса,
так и его полезное применение в технике.
1.8.3.	Механические волны
Изучение механических волн начинают с формирования общих
представлений о волновом движении. Со-
стояние колебательного движения переда-
ется от одного колеблющегося тела к дру-
гому при наличии связи между ними. Это
демонстрируют сначала на двух связанных
маятниках (рис. 19), затем па связанных
между собой колебательных системах раз-
ной конструкции (рис. 20).
Природа связи может быть различной.
Для приведенных конструкции она являет-
ся упругой - колебания передаются от од-
ного маятника к другому благодаря силам
упругости. Школьникам из базового курса
РИС |9	физики известно, что между частицами
Рис. 20
шердого тела, жидкости, газа действуют силы упругости. Распро-
< । ранение волн в среде демонстрируют на цепочке шариков, свя-
тимых друг с другом пружинами, или цепочке маятников на бн-
фнлярных подвесах, также соединенных пружинами. На первой
модели удобнее демонстрировать распространение нродольнььч
во ш, на второй - распространение как продольных, так и попе-
речных волн.
Ребятам показывают, что если на первый шарик подействовать
периодической внешней силой, направленной вдоль цепочки, то в
колебательное движение придут и все последующ ее шарики с той
же частотой вдоль тон же прямой, но колебание каждого из них
будет запаздывать по сравнению с колебанием предыдущего ша-
рика. Таким образом можно смоделировать распространение про-
дольных упругих волн, при этом школьники наглядно видят, что
распространение продольной волны в среде сопровождается об-
разованием сгущений и разрежении вдоль направления ее распро-
странения. Аналогично показывают образование поперечной
волны на цепочке связанных нитями маятников.
Поперечные и продольные волны демонстрируют и с помощью
волновой машины, но делать это целесообразнее после того, как
будут показаны описанные выше опыты, так как на этой машине
труднее наглядно раскрыть механизм образования волн. Волно-
вой машиной лучше воспользоваться при закреплении материала
или введении понятия длины волны.
После ознакомления с поперечными и продольными волнами
учащимся предлагают самим выдели ть характерные черты волно-
во! о движения - в пространстве происходит передача энергии, сами
же колеблющиеся частицы не перемещаются, переноса вещества в
волне не происходит. Эго можно показать не только на приведен-
ных выше установках (см. рис. 19 и 20). но и на резиновом шнуре,
на поверхности воды в волновой ванне, если разместить в ней не-
сколько поплавков и возбудить волну с помощью вибратора.
83
Возникновение волн на воде связано с действием силы поверх-
ностного натяжения и силы тяжести, но отказываться от их рас-
смотрения ввиду особой их природы нс следует, так как основные
свойства волн более наглядно можно продемонстрировать имен-
но на этих волнах с помощью волновой ванны.
При изучении упругих волн учащиеся получают первоначаль-
ное представление о скорости распространения волн.
Известно, что в волновом движении различают скорость рас-
пространения волнового фронта (волновой поверхности) в среде,
т. с. фазовую скорость, н скорость переноса энергии (перемещения
волнового пакета), т. с. групповую скорость. Для упругих волн фа-
зовая скорость распространения в жидких, твердых и газообразных
средах в очень широком интервале частот остается постоянной.
Групповая скорость совпадает с фазовой, поэтому в средней школе
нет необходимости рассматривать понятие групповой скорости.
Таким образом, при изучении волнового движения школьники
встречаются с понятием скорости распространения волны, под
которым подразумевается фазовая скорость, т. е. скорость пере-
мещения гребня или впадины - в поперечной волне и сгущений
или разрежений в продольной (понятие волновой поверхности
не рассматривают, так как пока отсутствует поня тие фазы).
Следует обратить внимание на то, чтобы учащиеся четко раз-
граничивали понятия скорости распространения волны и скоро-
сти колебательного движения точек в волне. Для этого целесооб-
разно рассмотреть конкретные примеры и задачи.
Как известно, в упругих средах скорость волн определяется уп-
ругими свойствами среды по отношению к тому или иному тину
деформаций и плотностью самой среды. На опыте, изменяя натяже-
ние шнура (резиновой трубки), можно проиллюстрировать зави-
симость скорости распространения волн от упругих свойств среды,
показав, что колебания распространяются быстрее, если сильнее
натянуть трубку или шпур. Зависимость между скоростью волны и
плотностью среды показываю т, возбудив колебания сначала пустой
трубки, а затем наполненной водой. Поясняют также, что в твер-
дом теле продольные и поперечные волны распространяются с
различной скоростью, так как в одном случае их распространение
связано с деформацией сжатия, в другом - сдвига и упругие свой-
ства твердого тела в отношении этих видов деформации неодина-
ковы, отсюда различие и в скорости распространения этих волн.
Итак, скорость волны зависит от свойств среды и не зависит от
частоты. Так как обычно рассматривают волны, в которых ам-
плитуда колебаний невелика, то скорость волны можно считать
не зависящей от амплитуды.
84
После того как учащиеся ознакомились с образованием про-
юльных и поперечных волн и со скоростью волны, можно вве-
сн1 еще одно важное для волнового движения понятие - длину
волны.
Понятие о длине волны помогает ученикам усвоить важное
свойство волн - периодичность в пространстве. Определяют дли-
ну волны как расстояние, на которое распространяется волна за
один период. Это определение не требует введения понятия о фазе
и связывается с уже хорошо знакомым учащимся понятием рав-
номерною движения и его уравнением, при этом летче усваивает-
ся формула X = vT.
Длина волны - это расстояние между двумя ближайшими точ-
ками, одновременно проходящими положение равновесия и дви-
жущимися в одну сторону. Следует выяснить далее, что точки,
удаленные дру1 oi друга на расстояние пк (где п - целое число),
колеблются одинаково.
Как показывает практика преподавания, большие затруднения
при изучении волновых процессов вызывает вопрос о периодич-
ности волны - во времени и в пространстве. При изучении коле-
бании учащиеся узнали о периодичности во времени физических
величин, описывающих колебательный процесс, познакомились
с графиком зависимости координаты колеблющейся точки от
времени. При рассмотрении упругих волн они встречаются с
графиками, которые внешне похожи на последние, - это график
зависимости смещения (координаты) колеблющихся точек от их
расстояния до источника волн (рис. 21) для фиксированного мо-
мента времени и график зависимости смещения (координаты) oi
времени (рис. 22) для фиксированной точки среды в волновом
процессе.
Поскольку уравнение бегущей волны в школе не изучают, то
такое важнейшее свойство волн, как периодичность во времени и
в пространстве, можно раскрыть с помощью эксперимента и гра-
фических построений. Чтобы обличить усвоение этого материа-
Рис 21
Рис 22
85
ла, школьникам предлагают ряд графических задач и вопросов,
например такие:
1. На рис. 23 приведена моментальная для некоюрого момента
времени «фотография» волны. Пунктиром показана та же волна в
другой момент времени (примерно через —Т). Для какой волны -
8
продольной пли поперечной - изображена эта картина?
Покажите на отдельных рисунках, как будет выглядеть эта
картина через период, через половину периода.
Рис. 23
2. Некоторая точка колеблется гак, что ее координата с тече-
нием времени изменяется так. как показано на рис. 22. Начертите
аналогичный график для точки, удаленной от первой па —X.
4
(График будет выг 1ядеть гак,
А п	как показано на рис. 24.)
Анализ формулы X=vT по-
зволяет уяснить характер завп-
0	/	* си мости между величинами, ко-
S	—X	торые она связывает.
Эту зависимость проверяют
на опьпе, например, изменяя
частоту вибратора в волновой
Рнс 24	ванне, наблюдают изменение
длины волны, так как скорость
волны, определяемая свойствами
среды, ос I ас гея постоянной величиной.
При изучении упругих волн целесообразно показать фрагмен-
ты из видеофильма «Колебания и волны», особенно при изучении
образования продольных и поперечных волн.
86
1.8.4. Акустические явления
Изучение акустических явлений, т. е. распространения в упру-
гой среде механических колебаний, способствует расширению по-
нятия волны - от волн, непосредственно воспринимаемых визу-
яльно, до невидимых. Эю в какой-то мере готовит учащихся к
восприятию физической сущности электромагнитных волн. Кро-
ме того, при изучении звуковых явлений можно закрепить те зна-
ния учащихся о волнах и их характеристиках, которые к тому
времени они имеют.
Звуковые волны изучают в следующей последовательности.
Вначале учащихся знакомяг с источниками и приемниками звука.
Рассматривают примеры источников звука, совершающих коле-
бания с собственными частотами (камертон, струна), и примеры
излучателей вынужденных колебаний, преобразующих электриче-
ские колебания в звуковые. Можно показать и приемники звука
микрофоны, вспомнить устройство угольного микрофона и озна-
комить с устройством электродинамического микрофона. Затем
объясняют механизм распространения звуковых волн. Демонст-
рируют сгущения и разрежения в упругой среде при распростра-
нении в ней звуковой волны, продольный характер звуковых
волн, необходимость среды с упругими свойствами для их рас-
пространения. Последнее может быть проиллюстрировано на
опыте, в котором источник звука помещают под колокол воздуш-
ного насоса и постепенно откачивают воздух, а затем повторяю!
опыт, окружив тот же источник слоем ваты, пЬролона или слоем
пористого материала.
Можно на опыте сравнить звукопроводность воды, металла и
пористых веществ.
Рассматривая скорость распространения звука в различных
средах, целесообразно привести конкретные примеры звуковых
скоростей в этих средах. Например, будут полезны такие сведе-
ния: скорость звука в воздухе составляет около 300 м/с, в воде она
и 5 раз больше, а в металлах звук распространяется в 15 раз быстрее,
чем в воздухе. Причины такого различия предлагают объяснить
самим учащимся, гак как им уже известно, что скорость распрост-
ранения волны в среде зависит от плотности среды и ее упругости
но отношению к тому или иному виду деформации, вызванному
волной.
После этого школьникам рассказывают о восприятии звуковых
волн человеком. Рассматривают диапазоны звуковых волн: от 16 до
20 000 Гц-звуки, воспринимаемые человеческим ухом, ниже 16 Гц-
пнфразвуки, выше 20 000 Гц - ультразвуки, свыше 109 Гц - гипер-
87
звуки. Целесообразно рассмотреть объективные характеристики
звука (частоту, интенсивность, спектральный состав) и воспри-
ятие различии в этих характеристиках человеком. Понятие интен-
сивности часто используют в дальнейшем, поэтому полезно кон-
кретизировать его уже при изучении звуковых волн. Интенсив-
ность звука характеризует энергию, переносимую волной в еди-
ницу времени через единицу площади перпендикулярно направ-
лению ее распространения. Различие в интенсивности звуковых
волн человек воспринимает как различие в громкости звука. Раз-
личие в частоте воспринимают как звуки разной высоты, а субъ-
ективное восприятие тембра связано со спектральным составом
звука. Сопоставление объективных физических характеристик
звуковой волны с субъекшвно воспринимаемыми человеком ил-
люстрируют опытами [11. ч. 2, опыт 43].
Подключив к электронному осциллографу микрофон, можно
показать различие в осциллограммах простого тона камертона
(монохроматическая синусоидальная волна), музыкального звука
(немонохроматический, представляет собой совокупность несколь-
ких частот - основной тон и обертоны) и шума (непрерывный
набор частот).
При рассмотрении акустического резонанса необходимо под-
черкнуть, что резонанс акустических воли является доказательст-
вом волновой природы звука. Это можно продемонстрировать на
опытах, например с двумя камертонами [II, ч. 2, опыт 45]. Обра-
щают внимание школьников на то. что явление резонанса в аку-
стике часто используют и для того, чтобы из периодического не-
1армопического вынужденного колебания выделить гармониче-
скую составляющую.
Полезно обсудить и такой вопрос: в телефонных наушниках,
микрофонах, громкоговорителях имеют место вынужденные ко-
лебания мембраны и катушек. Полезен или вреден резонанс в этих
устройствах? Учащиеся должны понять, что в случае совпадения
каких-либо частот вынужденных колебаний с собственной часто-
той конструкции эти частоты будут вызывать более интенсивное
звучание, что приведет к искажению передаваемых звуковых со-
общений. Таким образом, в этих устройствах резонансные явле-
ния нежелательны. Поскольку избежать совпадения частот по
всей полосе звуковых частот, па которой работают телефоны,
микрофоны и динамики, практически невозможно, выход из по-
ложения находят в увеличении затухания в системе. Например, с
помощью осциллографа можно показать, чго сигнал, поступаю-
щий на вертикальный вход осциллографа, прекращается практи-
чески одновременно с прекращением речи перед микрофоном
88
(динамический громкоговоритель перестает звучать сразу после
выключения тока, а колебания камертона после его возбуждения
для гея много дольше).
В заключение рассматривают свойства акустических волн, при
ном целесообразно ограничиться изучением отражения волн.
Обратив внимание учащихся на то, что в большом пустом поме-
щении звуки сопровождаются гулом, а на открытом месте те же
звуки звучат отрывисто, объясняют эти явления тем. что звуковые
вотны способны отражаться от ряда преград (стен). Всем хорошо
знакомо эхо - явление повторения звука вследствие его отражения
от удаленных преград - гор, леса. Человеческое ухо способно раз-
личать два звука, если промежуток времени между их восприяти-
ем не менее 0,1 с.
Учащимся предлагают задание: рассчитать наименьшее рас-
стояние, на котором должна находиться преграда, отражающая
звук, чтобы можно было услышать эхо.
Зная, что за это время звуковая волна должна пройти двойное
расстояние между источником звука и преградой, находят иско-
340 М 0,1с
мое расстояние до преграды: / =------= 17 м .
Отражение звука демонстрируют на опыте: в сосуд опускают
наручные часы и располагаю! ухо на некотором расстоянии. Звук
почти нс слышен. Гели же над сосудом под углом 45° располо-
жить отражающую поверхность (плотный картону книгу), то звук
заметно усилится. Опыт можно поставить как домашнее экспери-
ментальное задание.
Обобщая материал об упругих воинах, целесообразно ознако-
мить учащихся с упругими волнами различных диапазонов и их
применением. Например, низкочастотные упругие волны (частоты
от долей герца до 10в Гц) применяют в сейсморазведке, в сейсмо-
лоти для pei истрацип землетрясений. Источники инфразвуков
(частоты ниже 16-25 Гц) в атмосфере - ветер, грозовые разряды,
взрывы, в земной коре - сотрясения и вибрации от различных пе-
сочников. Эти волны слабо поглощаются средой, потому они мо-
1ут распространяться на большие расстояния. С их помощью оп-
ределяют место взрыва, предсказывают цунами, исследуют атмо-
сферу и водные массивы. Упругие волны (частота несколько кило-
герц) используют в гидролокации, при исследовании океанов.
Часть 2
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ФИЗИКИ В ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ
СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ
2.1.	РАЗДЕЛ «МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»
В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ
В разделе «Молекулярная физика» учащиеся изучают поведе-
ние качественно нового материального объекта: системы, со-
стоящей из большого числа частиц (молекул и атомов), новую,
присущую именно этому объекту форму движения (тепловую) и
соответствующий ей вид энергии (внутреннюю). Здесь учащихся
впервые знакомят со статистическими закономерностями, кото-
рые используют для описания поведения большого числа частиц.
Формирование статистических представлений позволяет понять
смысл необратимости тепловых процессов. Именно необрати-
мость является отличительным свойством тепловых процессов и
позволяет говорить о тепловом равновесии, температуре, понять
принцип работы тепловых машин.
Задача учителя - рассмотреть в единстве два метода описания теп-
ловых явлений и процессов: термодинамический (феноменологиче-
ский), основанный на понятии энергии, и статистический, основан-
ный на молекулярно-кинетических представлениях о строении веще-
ства. 41ри рассмотрении статистического и термодинамического
методов необходимо четко разграничить знания, полученные эмпи-
рически, и знания, полученные в результате моделирования внутрен-
него строения вещества и происходящих с ним явлений и процессов.
Важно показать, что эти два подхода, по сути, описывают с
разных точек зрения состояние одного и того же объекта и пото-
му дополняют друг друга. В связи с этим, формируя такие поня-
тия, как температура, внутренняя энергия, идеальный газ и т. д.,
учитель должен раскрыть их содержание как с термодинамиче-
ской, так и с молекулярно-кинетической точки зрения.
90
5
Многие вопросы из молекулярной физики рассматривались в
пазовом курсе, по это было только первоначальное знакомство с
ним разделом курса физики. Изучая физику в базовом курсе,
учащиеся научились объяснять целый ряд физических явлений,
свойств веществ (свойства жидкостей и газов, давление, тепловые
явления н пр.) с точки зрения вну!репной структуры вещества.
Однако понятия, составляющие содержание соответствующих
н-M, изучали на уровне представлений, а все явления описывали, в
основном, качественно. Поэтому при преподавании молекуляр-
ной физики в старших классах, знания, имеющиеся у учащихся,
нужно актуализировать, углубить и расширить, довести их до
уровня понятий и количественного описания явлений. В частно-
сти, в курсе физики старших классов изучают основное уравнение
молекулярно-кинетической теории газов; значительно глубже,
чем в курсе физики основной школы, рассматривают свойства га-
юв, жидкостей и твердых тел.
В разделе получают дальнейшее развитие энергетические пред-
сгавленпя, происходит обобщение закона сохранения энер1 ин на
шпловые процессы, вводится формула первого закона термоди-
намики и рассматриваются применения этого закона к анализу
конкретных процессов Изучение одного из основных принципов
термодинамики имеет огромное познавательное и мировоззрен-
ческое значение для старшеклассников.
Раздел «Молекулярная физика» дает возможность продолжит ь
шакомство учащихся с экспериментальным методом исследования,
который находит отражение в фундаментальных опытах (броу-
новское движение, опыт Штерна) и опытах, иллюстрирующих га-
ювые законы (опыт Бойля, Шарля и пр.).
Мировоззренческое значение раздела «Молекулярная физика»
трудно переоценить. При его изучении происходит углубление
понятия материн. Молекулы и атомы являются вещественной
формой материи, объективно существующей в окружающем мире.
Они обладают массой, импульсом, энергией. Являясь видом мате-
рии. молекулы и атомы имеют присущие материн свойства, одно
из которых - движение Молекулы и атомы участвуют в особом
гвнжении, называемом тепловым, которое отличается от про-
стейшего механическою движения большой совокупностью уча-
ствующих в нем частиц и хаотичностью. Тепловое движение опи-
сывается статистическими законами. В связи с этим важно пока-
1ать школьникам различие между статистическими и динамиче-
скими закономерностями, cooiношение между ними и обратить
внимание учащихся на отражение в этих закономерностях катего-
рий необходимого и случайного Таким образом, изучение раздела
91
«Молекулярная физика» создает базу для формирования научного
мировоззрения учащихся.
Большое воспитательное значение имеет рассмотрение исто-
рии становления молекулярно-кинетических представлений, ко-
торая предшавляет собой пример того, как в процессе развития
науки, ее методов человечество переходило от незнания к знанию,
как в борьбе идей и мнений рождалось истинное знание.
Раздел «Молекулярная физика» дает прекрасную возможность
для демонстрации дедуктивного метода изучения явлений npi ро-
ды. Применение дедукции в преподавании вносит свой вклад в
развитие абстрактного мышления учащихся.
Велико политехническое значение этого раздела курса физики.
Достижения молекулярной физики являются научной основой
такой отрасли промышленности, как материаловедение. Знание
внутреннего строения тел позволяет создавать материалы с зара-
нее заданными свойствами, целенаправленно работать над повы-
шением твердости, термостойкости, теплопроводности металлов
и сплавов.
Изучение тепловых явлений дает возможность ознакомить уча-
щихся с основами теплоэнергетики - отрасли, занимающей в нашей
стране первое место в обеспечении энергией нужд промышленно-
сти и быта. Связь теоретических знаний с их практическим при-
менением можно реализовать при применении законов термоди-
намики к рассмотрению принципов работы тепловых двигателей,
играющих огромную роль в экономике страны.
Раздел «Молекулярная физика» изучается в старших классах
после раздела «Механика». Такое расположение материала, с од-
ной стороны, соответствует методическому принципу рассмотре-
ния физических явлений в порядке усложнения форм движения
материи, а с другой - позволяет изучать микроявления на количе-
ственном уровне и использовать известные из курса механики ве-
личины: масса, скорость, сила, импульс, энергия и т. д.
Существуют разные методические подходы к изложению во-
просов термодинамики и молекулярной физики и в связи с этим
различные структуры раздела. Рассмотрим некоторые варианты.
2.2.	СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛА
«МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»
Структуру раздела «Молекулярная физика» определяют два об-
стоятельства: избранный метод изучения газовых законов (индук-
тивный или дедуктивный) и метод введения понятия температуры.
При индуктивном изучении газовых законов вначале на качест-
венном уровне рассматривают основные положения молекулярно-
кинетической теории, затем некоторые вопросы термодинамики,
। азовые законы вводят эмпирически и объясняют с точки зрения
молекулярных представлений и на основе термодинамического
подхода. Методическая идея в этом случае заключается в совмест-
ном изучении тепловых явлений и молекулярной физики, в опыт-
ном изучении свойств веществ и их объяснении на основе теории.
В этом случае раздел имеет следующую структуру: основные
положения молекулярно-кинетической теории - основы термоди-
намики (тепловое равновесие, параметры состояния, температура,
газовые законы, абсолютная температура, первый закон термоди-
намики) - молекулярно-кинетическая теория идеального газа
(основное уравнение молекулярно-кинегической теории газов, тем-
пература - мера средней кинетической энергии молекул) - свойст-
ва газов, жидкостей и твердых тел и их взаимные превращения.
Эмпирический подход к изучению газовых законов вполне
доступен для учащихся, при его использовании представления и
понятия формируют на чувственно-конкретной основе, он не тре-
бует высокого уровня абстрактного мышления, соответствует ис-
тории открытия газовых законов и позволяет знакомить учащихся
с путями развития физики. Недостатком этого подхода является
то, что он не позволяет полностью использовать молекулярно-
кинетическую теорию для описания свойств идеального ['аза.
При дедуктивном подходе вначале изучают молекулярно-
кинетическую теорию идеального газа: выводят основное уравне-
ние молекулярно-кинетической теории газов
лируют или выводят из мысленных экспериментов связь темпера-
туры со средней кинетической энергией его молекул
устанавливают уравнение состояния идеального газа р = /7/сТ’или
pV - — RT. Газовые законы рассматривают кйк следствия уравне-
М
пия состояния идеального газа и подтверждают эксперименталь-
но. Далее можно изучать законы термодинамики и рассматривать
применение первого закона термодинамики к изопроцессам.
Структура раздела в этом случае может быть следующей: осно-
вы молекулярно-кинетической теории (основные положения мо-
лекулярно-кинетической теории, основное уравнение молекуляр-
но-кинетической теории газов) - температура (тепловое равновс-
93
сие, температура, аосолютная температура, температура - мера
средней кинетической энергии молекул) - уравнение состояния
идеального газа, газовые законы - первый закон термодинамики -
свойства газов, жидкостей и твердых тел.
Такой подход имеет целый ряд достоинств по сравнению с ин-
дуктивным. одно из которых заключается в соответствии его ос-
новной идее современною школьною курса усилению роли на-
учных теорий. Кроме того, он позволяет наглядно продемонстри-
ровать тог факт, что фундаментальных законов в физике нс так
много, большинство же могут быть получены как частные случаи
из более общих законов. Применение здесь дедуктивною метода
играет большую роль в формировании научною мировоззрения и
развитии мышления школьников. Он также позволяет получить
выигрыш во времени. С точки зрения соответствия дидактиче-
ским принципам следует признать, что дедуктивное изучение га-
зовых законов в целом доступно старшеклассникам, так как уро-
вень абс факт ною мышления у них достаточно высок.
При дедуктивном подходе к изучению газовых законов воз-
можна и иная структура раздела, при которой школьников снача-
ла знакомят с основными понятиями и законами молекулярно-
кинетической теории и термодинамики, а затем применяют в
единстве аппарат этих теорий для изучения свойств макроскопи-
ческих систем. В этом случае раздел имеет следующую структуру:
основные положения молекулярно-кинетической теории - основы
термодинамики строение и свойства газов, жидкостей и твердых
тел - агрегатные превращения.
Что касается введения понятия температуры, то при индуктив-
ном изучении газовых законов последовательность его раскрытия
такова: температура как параметр состояния макроскопической
системы - абсолютная температура (из закона Шарля или I ей-Люс-
сака) - температура мера средней кинетической энергии молекул
(из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и
эмпирически полученного уравнения состояния идеального газа).
При дедуктивном изучении газовых законов понятие темпера-
туры вводят следующим образом: температура как параметр со-
стояния макроскопической системы - абсолютная температура
температура мера средней кинетической энергии молекул (из
основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и
Р I'
экспериментально установленного постоянства величины 0 = -^-
для всех (азов в состоянии теплового равновесия показывают, что
абсолютная температура пропорциональна средней кинетической
энергии молекул).
94
При дедуктивном изучении газовых законов можно ввести по-
нятие температуры и по следующей схеме: 'температура как пара-
метр состояния макроскопической системы - температура - мера
средней кинетической! энергии молекул (но определению после
рассмотрения основного уравнения молекулярно-кинетической
теории I азов) - абсолютная температура.
Таким образом, раздел «Молекулярная физика» можно по-
(. троить по-разному в зависимости от принятых исходных пози-
ций (метода изучения газовых законов и введения понятия абсо-
позной температуры).
В соответствии с программами общеобразовательной школы
раздел «Молекулярная физика» включает обычно две крупные
темы: «Основы молекулярно-кинетической теории» и «Основы
термодинамики», т. е. изучение материала начинают с основных
положений молекулярно-кинетической теории и их опытного
обоснования. Это вполне оправдано, так как глубокое понимание
термодинамики возможно лишь после изучения механизма, ле-
жащего в основе того или иного процесса. Кроме того, изучение
основных положений молекулярно-кинетической теории сразу же
позволяет установить связь рассматриваемого материала с тем,
•по уже известно учащимся из базового курса физики и из курса
химии.
Вопросы молекулярно-кинетической теории изучают здесь бо-
пее глубоко, особое внимание уделяют опытным обоснованиям
молекулярно-кинетической теории: рассматривают броуновское
(вижение, достаточно детально изучают характеристики молекул,
методы их теоретического и экспериментального определения,
при объяснении взаимодействия между молекулами проводят
анализ графика сил взаимодействия.
Затем изучают основное уравнение молекулярно-кинетической
теории идеального газа, понятие температуры, уравнение Менде-
леева - Клапейрона и изопроцессы. Знания, полученные школь-
никами при изучении этого материала, используют для объясне-
ния свойств паров, жидкостей и твердых тел.
При изучении основ термодинамики повторяют и углубляют
понятия, изученные учащимися в базовой школе: внутренняя
шергия, способы изменения внутренней энергии, количество тсп-
иоты и работа как меры изменения внутренней энергии, обсужда-
ют зависимость внутренней энергии от параметров состояния сис-
гемы. Затем изучают первый закон термодинамики, дают понятие
о втором законе термодинамики (невозможности полного пре-
вращения внутренней энергии в работу). Рассмотрение важного
вопроса темы - принципов действия тепловых двигателей - по-
95
зволяст показать применение законов термодинамики в конкрет-
ных технических устройствах и гем самым ознакомить школьни-
ков с физическими основами теплоэнергетики.
2.3.	СТАТИСТИЧЕСКИЙ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ
Сущность статистического метода изучения явлений соответ-
ствует положению диалектического материализма о соотношении
необходимого и случайного. Движение каждой молекулы тела
или системы подчиняется законам классической механики, однако
ее поведение в каждый момент времени случайно, оно завися i от
множества причин, которые невозможно учесть. Например, ско-
рость, энергия, импульс каждой молекулы завися! от столкнове-
ний се с другими молекулами, и предсказать значения этих вели-
чин в каждый момент времени невозможно.
С другой стороны, поведение всей совокупности частиц подчи-
няется определенным закономерностям, которые называют стати-
стическими и которые проявляются при изучении поведения боль-
шого числа частиц. Например, если скорость каждой молекулы в
данный момент времени - величина случайная, то большинство мо-
лекул имеет скорость, которая близка к некоторому определенному
при данных условиях значению, называемому наиболее вероятным.
Математическую основу статистической физики составляет
теория вероятностей, важными понятиями которой являются: слу-
чайное событие, вероятность, статистическое распределение, сред-
нее значение случайной величины.
Под случайным понимают событие, которое может наступить,
а может не наступить в данных условиях. Случайное событие ха-
рактеризуется следующими признаками: а) невозможностью одно-
значного предсказания случайно! о события; б) наличием большого
числа причин, обусловливающих случайное событие: в) предска-
зуемостью хода процесса в массовом коллективе случайных собы-
тий; г) вероятностью события как математического выражения
возможности предсказания процесса.
Эти признаки можно рассмотреть на примере совокупности
большого числа молекул. В частности, невозможно однозначно
предсказать движение каждой отдельной молекулы, так как оно
зависит от поведения множества других молекул. Это можно сде-
лать лишь с определенной вероятностью.
Вероятность - это числовая характеристика возможности по-
явления события в тех или иных условиях. Чем больше вероят-
96
ность, тем чаще происходи ! данное событие. Если N - число всех
проведенных испытаний. АЛ7 - число испытаний, в которых про-
исходит данное событие, то вероятность этого события вычисля-
ют по формуле:
A;V
Можно под N понимать общее число частиц в системе, а под
АЛ,Г - число частиц, находящихся в определенном состоянии.
В этом случае w- вероятность существования частицы в данном
состоянии.
В теоретических расчетах бывает сложно вычислить верояг-
иоегь. гак как не представляется возможным предсказать число
испытаний, в которых событие произойдет. Задача упрощается,
если изучают равновероятные события. г. е. события, происходя-
щие с равной частотой. Именно с равновероятными событиями
имеют дело при рассмотрении хаотического движения молекул:
вдоль любых выделенных направлений движется одинаковое чис-
ло частиц. Следует пояснить учащимся, что понятие вероятности
имеет смысл лишь для массовых событий. В противном случае
частота наступления события может существенно отличаться от
значения вероятности.
Понятие о статистическом распределении вводят, используя
опыт с доской 1 альгона (рис. 25), который достаточно наглядно
иллюстрирует распределение молекул но координатам. С вопро-
сом о распределении школьники сталкиваются при выводе основ-
ною уравнения молекулярно-кинетической теории газов, рас-
сматривая равновероятное распределение молекул по объему и по
направлениям движения. Изучая вопрос о скоростях молекул,
школьники знакомятся с распределением.
При изучении молекулярно-кине-
1ИЧССКОИ теории учащиеся широко
используют среднее значение случай-
ных величин. Важно подчеркнуть, что
среднее значение случайной величи-
ны - характеристика статистического
распределения. Именно для большого
числа частиц среднее значение слу-
чайной величины постоянно. К таким
величинам относится, например, ско-
рость движения молекул. Не имея воз-
можности определить скорость каж-
Рис. 25
I 2784
97
дой отдельной молекулы, для расчетов используют среднее значе-
ние квадрата скорости:
2	2	2
2 V\ + l?2 + V3 + ... + V\.
~	N
Но I = V2 + v2 или v2 - v2 +1/J + v?, где
— Vy +V +... + Гч —7 V\ +^2 +•••+ v\' .	2 V2 +V2 +...+ v\i
V =--------J-------J_	v^-----------------.
'	N		N	'	N
Так как направления движения молекул по трем координат-
ным осям равновероятны, то v2 =v2; =v2 . Поэтому
При выводе основного уравнения кинетической теории газов
рассчитывают давление газа на стенки сосуда. Речь идет о сред-
нем значении давления, так как в разные моменты времени о
стенку ударяется разное число молекул, имеющих различные ско-
рости. По при большом числе молекул можно считать давление
постоянным, а флуктуацию давления достаточно малой.
У учащихся может сложиться впечатление, что статистический
метод был введен в науку как некий искусственный прием, позво-
ливший описать поведение молекул, и что динамические законы
являются основными по сравнению со статистическими. Следует
предупредить эту ошибку и объяснить, что статистические законы
существуют объективно. Классическая статистка возникла в XIX в.
Эгоз факт выражал прогрессивное направление пауки и был свя-
зан с изучением внутреннего строения вещества. В настоящее вре-
мя известно, что поведение всех микрообъектов подчиняется ста-
тистическим законам, причем в квантовой физике в отличие от
классической статистические законы проявляются не только вслед-
ствие массовости н хаотичности движения, но и в связи с самой
природой квантовых объектов (с невозможностью одновременного
точного определения координаты и скорости частицы). Целесо-
образно подчеркнуть, что статистический метод является основой
современной физики. В частности, вероятностные, статистические
законы господствуют в мире элементарных частиц.
Термодинамический метод описания явлений и процессов опи-
рается на непосредственные данные наблюдении и опытов и на
основные гермодинамические принципы (законы термодинамики).
98
Термодинамика - феноменологическая теория, которая изуча-
ем явления и свойства макроскопических тел. связанные с превра-
щением энер! ил. и не рассматривает их внутреннее строение. На-
чало термодинамике как науке было положено в работе С. Карно
«Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных
развивать эту силу» (1827), в которой рассматривались тепловые
процессы, в частности вопросы изменения внутренней энергии при
совершении работы и вопросы теории тепловых машин. В настоя-
щее время термодинамика изучает превращения энергии нс толь-
ко в тепловых процессах, но и в электрических, магнитных, хими-
ческих и др.
В основе термодинамического метода лежат следующие поня-
тия: термодинамическая система, состояние термодинамической
системы, термодинамические параметры состояния и равновесное
состояние.
Термодинамической системой называют тело или совокуп-
ность тел, обменивающихся энер! иен между собой и с внешними
телами. Гели обмена энергией с внешними телами нет, то система
является изолированной. Понятие изолированной системы - аб-
стракция, все реальные системы можно считать изолированными
лишь с той или иной степенью точности.
С понятием состояния школьники уже знакомы из курса меха-
ники. Они знают, что механическое состояние системы определя-
ется совокупностью величии, характеризующих свойства системы
н называемых параметрами состояния. К ним в механике относят
координату, импульс и т. д. Состояние термодинамической систе-
мы также определяется рядом параметров (термодинамических).
Гермодпнамнческнми параметрами состояния являются темпера-
тура, объем, давление и т. д.	'
Число параметров, характеризующих состояние системы, зави-
сит от свойств системы и от условий, в которых она находится.
Грех названных выше параметров достаточно для описания изо-
лированной системы «идеальный газ», но если рассматривать, на-
пример, неоднородный газ, то необходимо учитывать еще и кон-
центрацию.
Параметры могут быть внешними и внутренними. Температура
и давление, например, зависят только от состояния самой системы
и не связаны с внешними условиями. Объем же зависит от внешних
условий. Некоторые параметры состояния, например объем, обла-
дают свойством аддитивности, другие, такие, как давление и тем-
пература, не обладают. При изменении состояния системы меня-
ются и ее параметры. Однако для целого ряда термодинамических
систем между параметрами можно установить функциональную
I
99
зависимость. Уравнение, выражающее эту зависимость, называют
уравнением состояния (для системы «идеальный газ» это уравне-
ние pV - NkT).
Состояние системы может быть равновесным и неравновесным.
Равновесное состояние характеризуется неизменностью всех термо-
динамических параметров системы во времени и одинаковостью в
пространстве в отсутствие внешних воздействий. Термодинамика
изучает в основном равновесные состояния. Если система нахо-
дится в неравновесном состоянии (т. е. параметры ее с течением
времени меняются), то постепенно она придет в состояние равнове-
сия и ее параметры выравняются во всех частях системы. Изолиро-
ванная термодинамическая система с течением времени всегда при-
ходит в равновесное состояние, из которого нс может самопроиз-
вольно выйти. Это утверждение составляет сущность закона термо-
динамического равновесия, являющегося одним из важнейших опыт-
ных законов термодинамики. Именно закон термодинамическою
равновесия делает возможным измерение температуры системы.
Целесообразно подчеркнуть, что уравнение состояния идеаль-
ного газа и частные 1азовые законы справедливы лишь для рав-
новесных процессов. К неравновесным процессам они неприме-
нимы, так как в этом случае параметры состояния различны для
разных частей системы. Из одного равновесного состояния в дру-
гое система может перейти под влиянием внешнего воздействия.
Такой переход в термодинамике называют процессом. Если во
время процесса система остается равновесной, го и процесс назы-
вают равновесным. Равновесный процесс осуществляется тогда,
когда время релаксации (время перехода системы из неравновес-
ного состояния в равновесное) много меньше времени осуществ-
ления процесса. В этом случае систему в каждый момент времени
с Toil или иной степенью точности считают равновесной, или ста-
тической. Поскольку в действительности отклонения от статично-
сти имеются (иначе нельзя было бы осуществить процесс), то со-
стояние системы называют квазнстатичсским, а процесс - квази-
статическим процессом. Следует иметь в виду, что на графике
можно изобразить только равновесное (квазисгатичсское) состоя-
ние или равновесный (квазистатическин) процесс.
При изучении раздела «Молекулярная физика» учителю следу-
ет постоянно подчеркивать единство статистического и термоди-
намического методов. В этом отношении полезно обобщить и
систематизировать знания школьников о статистическом и тер-
модинамическом подходах к описанию тепловых явлений. Обоб-
щение знаний проводят в конце изучения всего раздела, а связь
между этими подходами представляют в виде схемы (рис. 26).
100
Рис. 26
2.4.	МЕТОДИК 4 ИЗУЧЕНИЯ ОСНОВ
МОЛ ЕКУЛ Я РНО-КИ Н ЕТИ Ч ЕСКОЙ ГЕОРИИ
2.4.1.	Основные положения
молекулярно-кине । оческой теории
Изучение основных положений молекулярно-кинетической
icopnii необходимо строить с опорой на знания учащихся, полу-
ченные ими при изучении базового курса физики и курса химии.
Центральное понятие этой темы - понятие молекулы; слож-
ность ею усвоения школьниками связана с чем, чго молекула
объект, непосредственно нс наблюдаемый. Поэтому учитель дол-
101
жен убедить школьников в реальности микромира, в возможности
его познания. В связи с этим большое внимание уделяют рассмот-
рению экспериментов, доказывающих существование и движение
молекул и позволяющих вычислить их основные характеристики
(классические опыты Перрена, Рэлея и Штерна). Кроме этого, це-
лесообразно ознакомить учащихся с расчетными методами опре-
деления характеристик молекул.
При рассмотрении доказательства существования и движения
молекул рассказывают учащимся о наблюдениях Броуном беспо-
рядочного движения мелких взвешенных частиц, которое не пре-
кращалось в течение всего времени наблюдения. В то время не
было дано правильного объяснения причины этого движения, и
лишь спустя почти 80 лет А. Эйнштейн и М. Смолуховскпй по-
строили теорию броуновскою движения, а Ж. Перрен экспери-
ментально под1вердил ее.
Из рассмотрения опытов Броуна необходимо сделать следую-
щие выводы: а)'движение броуновских частиц вызывается ударами
молекул вещества, в котором эти частицы взвешены; б) броунов-
ское движение непрерывно и беспорядочно, оно зависит от свойств
вещества, в котором частицы взвешены; в) движение броуновских
частиц позволяет судить о движении молекул среды, в которой
эти частицы находятся; г) броуновское движение доказывает су-
ществование молекул, их движение и непрерывный и хаотический
характер этого движения.
Подтверждение такого характера движения молекул было по-
лучено в опыте французского физика Дюпуаие (1911 i ), который
показал, что молекулы газа движутся в различных направлениях и
в отсутствие соударений их движение прямолинейно. В настоящее
время факт существования молекул ни у кого не вызывает сомне-
ния. Развитие техники позволило непосредственно наблюдать круп-
ные молекулы.
Рассказ о броуновском движении целесообразно сопровождать
демонстрацией модели броуновскою движения в вертикальной
проекции с помощью проекционного фонаря или кодоскопа, а
также показом видеофрагмента «Броуновское движение». При на-
личии ЭВМ можно использовать соответствующие моделирующие
программы.
Кроме того полезно провести наблюдение броуновского движе-
ния в жидкостях с помощью микроскопа. Препарат изготавливают
из смеси равных частей двух растворов: 1%-го раствора серной
кислоты и 2%-го водного раствора гипосульфита. В результате
реакции образуются частицы серы, которые находятся в растворе
во взвешенном состоянии. Две капли этой смеси помещают на
102
предметное стекло и наблюдают за поведением частиц серы Пре-
парат также можно изготовить из сильно разбавленною раствора
молока в воде или из раствора акварельной краски в воде.
При обсуждении вопроса о размерах молекул рассматривают
сущность опыта Р. Рэлея, который заключается в следующем: на
поверхность воды, налитой в большой сосуд, помещают каплю
оливкового масла Капля растекается по поверхности воды и обра-
зует пленку. Рэлей предположил, что, когда капля перестает расте-
каться, ее толщина становится равной диаметру одной молекулы.
Опыты показывают, что молекулы различных веществ имеют раз-
ные размеры, но для оценки размеров молекул принимают значе-
ние. равное 10~10m. В классе можно проделать аналогичный опыт.
Для демонстрации расчетного метода определения размеров
молекул приводят пример вычисления диаметров молекул раз-
личных веществ по их плотностям и постоянной Авотадро.
Представить малые размеры молекул школьникам трудно, по-
этому полезно привести ряд примеров сравнительного характера.
Например, если увеличить все размеры во столько раз, чтобы мо-
лекула была видна (т. е. до 0,1 мм), то песчинка превратилась бы в
стометровую скалу, муравей увеличился бы до размеров океан-
ского корабля, человек обладал бы ростом 1700 км.
Число молекул в количестве вещества, равном 1 моль, можно
определить по результатам опыта с мономолскулярным слоем.
$ная диаметр молекулы, можно найти ее объем и объем вещества,
взятого в количестве 1 моль, который равен
К3
1 м ~	'
1 де Na - постоянная Авогадро, К- объем капли, S - площадь моно-
молекулярного слоя. Масса вещества, взятого в количестве I моль
(молярная масса), равна
V3
A/ = p.V^,
Uie р - плотность жидкости. Отсюда определяют постоянную
Квогадро.
Молярная масса А/, выраженная в килограммах на моль, свя-
ына с относительной молекулярной массой А/г соотношением:
Л/= 10 ’А/г.
Расчетный метод заключается в определении числа молекул в
количестве вещества 1 молк по известным значениям молярной
103
массы и массы одной молекулы вещества. Значение постоянной
Авогадро, по современным данным, 6,022169-1023 моль *. С рас-
четным методом определения постоянной Авогадро можно озна-
комить учащихся, предложив се вычислить по значениям моляр-
ных масс разных веществ.
Следует ознакомить школьников с постоянной Лошмидта. ко-
торая показывает, сколько молекул содержится в 1 м3 объема газа
при нормальных условиях (она равна 2,68799-1025 м 3). Школьники
могут самостоятельно определить постоянную Лошмидта для не-
скольких газов и показа 1 ь, что она во всех случаях одна и та же.
С помощью примеров можно создать у ребят представление о
юм, насколько большим является число молекул в единице объема.
Ьсли в резиновом воздушном шаре сделать прокол настолько тон-
кий, что через нею каждую секунду будет выходить по 1 000 000 мо-
лекул. то понадобится примерно 30 млрд лет, чтобы все молекулы
вышли.
Одни из методов определения массы молекул основан на опыте
Перрена, который исходил из ioio. что капли смолы в воде ведут
Г себя так же. как молекулы в атмосфере. Перрен подсчитывал чис-
ло капелек в разных слоях эмульсии, выделив с помощью микро-
скопа слои толщиной 0,0001 см. Высота, на которой таких капе-
лек в два раза меньше, чем у дна, была равна А = 3 -10 5 м. Масса
одной капли смолы оказалась равной = 8,5-1018 кг.
Если бы наша атмосфера состояла только из молекул кислорода,
то на высоте И - 5 км плотность кислорода была бы в два раза
меньше, чем v поверхности Земли. Записывают пропорцию —- =—.
/н, II
откуда находят массу молекулы кислорода ш0 = 5,1 10 26 кг.
Предлагают учащимся самостоятельно рассчитать массу молеку-
лы водорода, плотность которого в два раза меньше, чем у по-
верхности Земли, на высоте И' = 80 км.
В настоящее время значения масс молекул уточнены. Например,
для массы молекулы кислорода установлено значение 5,31-10 26,
а для массы молекулы водорода - 3,3-10 27 кг.
;При обсуждении вопроса о скоростях движения молекул уча-
щихся знакомят с классическим опытом Штерна. При объяснении
опыта целесообразно создать его модель с помощью прибора
«Вращающийся диск с принадлежностями». На краю диска в вер-
тикальном положении укрепляют несколько спичек, в центре дис-
ка -трубку с желобом. Когда диск неподвижен, шарик, опущенный
в трубку, скатываясь по желобу, сбивает одну из спичек. Затем диск
приводят во вращение с определенной скоростью, зафиксирован-
104
noil по тахометру. Вновь пущенный шарик отклонится от перво-
начального направления движения (относительно диска) и собьет
спичку, находящуюся на некотором расстоянии от первой. Зная
ио расстояние, радиус диска и скорость шарика на ободе диска,
можно определить скорость движения шарика по радиусу.
Обсуждая результаты опыта Штерна, обращают внимание на то,
ню существует определенное распределение молекул по скоростям,
о чем свидетельствует наличие у полоски напыленных атомов опре-
деленной ширины, причем толщина этой полоски различна. Кроме
loro, важно отметить, что молекулы, движущиеся с большой ско-
ростью, оседают ближе к месту, расположенному напротив щели.
Наибольшее число молекул имеет наиболее вероятную скорость.
Необходимо сообщить учащимся, что теоретически закон рас-
пределения молекул по скоростям был открыт Дж.К. Максвеллом.
Распределение молекул ио скоростям может быть промоделиро-
вано на доске Гальтона (см. рис. 25).
Вопрос о взаимодсислвии молекул школьники уже изучали в
базовом курсе физике. В старших классах знания по этому вопро-
су углубляют и расширяют. Необходимо подчеркнуть следующие
моменггд: а) межмолекулярнос взаимодействие имеет электромаг-
нитную природу; 6) межмолекулярное взаимодействие характери-
зуется силами притяжения и озталкивания; в) силы межмолеку-
1ярного взаимодействия действуют на расстояниях, не больших
2- 3 диаметров молекул, причем на этом расстоянии заметна лишь
сила притяжения, силы отталкивания практически равны нулю;
।) по мере уменьшения расстояния между молекулами силы взаимо-
действия увеличиваются, причем сила отталкивания растет быст-
рее (пропорционально г 9). чем сила притяжения (пропорциональ-
но г) Поэтому при уменьшении расстояния между молекулами
сначала преобладает сила притяжения, затем при некотором рас-
стоянии г0 сила притяжения равна силе отталкивания и при даль-
нейшем сближении преобладав сила отталкивания.
Все вышесказанное целесообразно проиллюстрировать графи-
ком зависимости от расстояния равнодействующей силы. Полезно
построить график потенциальной энергии взаимодействия, кото-
рый в дальнейшем можно использовать при рассмотрении агре-
1 атиых состояний вещества.
Внимание школьников обращают на то, что состоянию устой-
чивою равновесия взаимодействующих частиц соответствует ра-
венство нулю равнодействующей сил взаимодействия и наимень-
шее значение их взаимной потенциальной энергии.
В твердом теле энергия взаимодействия частиц (энергия связи)
много больше кинетической энергии их теплового движения, но-
105
этому движение частиц твердого тела представляет собой колеба-
ния относительно узлов кристаллической решетки. Если кинети-
ческая энергия пеплового движения молекул много больше по-
тенциальной энергии их взаимодействия, то движение молекул
полное! ью беспорядочное и вещество существует в газообразном
состоянии. Если кинетическая энергия теплового движения час-
тиц сравнима с потенциальной энергией их взаимодействия, то
вещество находится в жидком состоянии.
2.4.2. Идеальный газ
1
Существуют два определения понятия идеального г аза: термо-
динамическое и молекулярно-кинетическое. В термодинамике под
идеальным газом понимают газ, у которого при изотермическом
процессе при постоянной массе давление обратно пропорцио-
нально его объему (пли газ. в точности подчиняющийся газовым
законам).
С молекулярно-кинетической точки зрения идеальный газ - это
газ, молекулы которого представляют собой материальные точки,
нс взаимодействующие друг с другом па расстоянии, но взаимо-
действующие при столкновениях по закону абсолютно упругого
удара. Такое определение модели вполне правомерно, так как си-
лы взаимодействия между молекулами газа в десятки миллионов
раз меньше, чем в жидкостях и твердых телах, т. е. ими можно
пренебречь. Принимая молекулы газа за материальные точки, ис-
ходят из того, что их суммарный объем много меньше объема со-
суда и его можно нс учитывать. Это связано с тем, что расстояния
между молекулами газов в десятки раз больше, чем между моле-
кулами жидкостей и молекулами твердых тел. Следует иметь в
виду, что принятая модель «идеальный газ» «работает» только
тогда, когда газ находится в равновесном состоянии. Если газ на-
ходится в неравновесном состоянии, ю моделью идеального газа
пользоваться нельзя. Это следует из тех соображении, что длина
свободного пробега молекул газа обратно пропорциональна кон-
центрации л() молекул и их размеру:
где г0 - эффективный радиус молекулы. По определению идеаль-
ного газа эффективный радиус молекулы равен пулю (г0 = 0). то-
гда длина свободного пробега молекулы стремится к бесконечно-
сти (/ —> <*>), т. е. молекулы газа друг с другом нс сталкиваются и
106
равновесное состояние не наступает. Однако газ, находящийся в
неравновесном состоянии, будучи предоставленным самому ссое,
приходит в равновесное состояние в результате столкновения мо-
лекул друг с другом, причем, как следует из опыта, в газах тепловое
равновесие наступает быстро. Следовательно, в процессе уста-
новления геплового равновесия пренебрегать размерами молекул
газа нельзя.
Но после установления теплового равновесия столкновения
молекул уже ничего нс меняют, поэтому можно считать, что в со-
стоянии геплового равновесия молекулы не имеют размеров и не
взаимодействуют.
Модель «идеальный газ» имеет определенные границы приме-
нимости: она не применима при высоких давлениях и низких тем-
пературах. Если газ сжать, то увеличится его плотность н умень-
шатся расстояния между молекулами, поэтому размерами моле-
кул уже нельзя пренебречь, а давление газа будет зависеть не
только от ударов молекул, но и oi их взаимодействия. Из экспе-
римента известно, что при давлении газа порядка 108Па наблю-
даются существенные отклонения от закона Бойля - Мариотта. 1о
же самое происходит п при понижении температ уры.
По программе общеобразовательной средней школы с поняти-
ем идеального газа учащихся впервые знакомят в старших клас-
сах. В зависимости от выбранной последовательности изучения
материала школьникам дают либо термодинамическое определе-
ние понятия идеального газа, либо молекулярно-кинетическое.
Если сначала изучают экспериментальные газовые законы, то
вводят термодинамическое понятое идеального газа, поскольку
возникает необходимость показать границы их применимости.
Молекулярно-кинетическое понятие идеального газа целесооб-
разно рассмотреть сразу же после введения термодинамического
определения Эго можно сделать, гак как раздел начинают с темы
«Основы молекулярно-кинетической теории» и учащиеся владеют
необходимыми знаниями; при таком подходе и проявляется един-
ство феноменологического и статистического методов изучения
явлении и обеспечивается лучшее понимание их сущности.
Если принят дедуктивный подход к изучению газовых законов,
ю выводу основною уравнения молекулярно-кинетической теории
газов предшествует построение модели идеального газа. В даль-
нейшем при выводе частных газовых законов обсуждают границы
их применимости. Важно обратить внимание школьников на при-
знаки понятия идеальною газа, на гпаницы его применимости и
на непротиворечивость термодинамзгческою и молекулярно-кине-
тическою толкований модели.
107
2.4.3. Основное уравнение молекулярно-кинетической
теории газов
Выводу основного уравнения молекулярно-кинетической тео-
рии газов должно предшествовать изучение таких понятий, как
давление газа в молекулярно-кинетической теории и средний
квадрат скорости Теплового движения молекул. Изучение этих
вопросов позволяет подготовить учащихся к восприятию вывода
основного уравнения молекулярно-кинетической теории.
Вывод основного уравнения молекулярно-кинетической теории
газов является самым сложным материалом раздела «Молекуляр-
ная физика», поэтому необходимо тщательно разъяснить учащимся
последовательность рассуждений при выводе и по возможности
широко использовать средства наглядности.
В методической литературе приведено несколько возможных
вариантов вывода этого уравнения [25, 26], каждый из которых
может быть использован в школьном преподавании. Принципы,
положенные в основу всех подходов, в сущности, одинаковы: в
каждом случае рассматривают изменение импульса стенки, с ко-
торой сталкиваются молекулы, и вычисляют силу, действующую
на эту стенку. Различие заключается в том мысленном экспери-
менте, из которого исходят авторы: в одном случае газ помещен в
прямоугольный сосуд с подвижной стенкой, в другом - в сосуд,
разделенный пористой перегородкой на две части, в чретьем - в
сферический сосуд и т. д.
Рассмотрим один из возможных вариантов вывода.
Прежде чем приступить к выводу основного уравнения моле-
кулярно-кинетической теории газов, необходимо повторить те
основные понятия, которые придется использовать. К таким по-
нятиям в первую очередь относится понятие идеального газа.
Дажно подчеркнуть: движение каждой молекулы подчиняется за-
конам Ньютона и взаимодействие их между собой и со стенками
сосуда происходит но закону абсолютно упругого удара. При по-
вторении понятия теплового движения необходимо еще раз обра-
тить внимание школьников на хаотический характер этого движе-
ния, что позволит считать все направления движения равноправ-
ными и принять равными средние значения квадратов проекций
скоростей на координатные оси. Целесообразно повторить поня-
тие среднего квадрат скорости. Кроме того, при выводе основ-
ного уравнения молекулярно-кинетической теории газов исполь-
зуют ряд понятий и законов механики: импульс тела, импульс си-
лы, давление, второй и третий законы Ньютона. Знания учащихся
по этим вопросам также должны быть актуализированы.
108
Рис. 27
При выводе основного
уравнения молекулярно-
кинетической теории газов
рассматривают соударения
молекул идеального газа с
некоторой массивной стен-
кой (рис. 27). Исходят из
того, что движение моле-
кул хаотично, поэтому все
направления движения рав-
новероятны и в каждый мо-
мент времени в среднем в
противоположных направ-
лениях движется одинако-
вое число частиц. Действием силы тяжести на молекулы пренеб-
регают. Столкновение со стенкой считают абсолютно упругим.
Вывод целесообразно начать «с конца». При таком подходе
школьники будут понимать, какой конечный результат они долж-
ны получить, и каждая операция для них будет логически обосно-
вана. Вспоминаю!’, что давление газа на стенки сосуда возникает
ia счет столкновений с ними молекул газа, при которых происхо-
дит изменение импульса стенки. По второму закону Ньютона им-
пульс силы равен изменению импульса тела:
F Xl = А(яга),
где mv - импульс тела.
По определению, давлением называют величину, равную от-
ношению силы, действующей перпендикулярно к поверхности, к
площади этой поверхности. Поэтому
A(/?wv)
р = ———
AlS
Таким образом, задача сводится к определению изменения им-
пульса стенки при ударе о нее всех молекул, движущихся за время
А/ в направлении, перпендикулярном стенке.
Изменение импульса стенки равно по модулю и противопо-
ложно по направлению изменению импульса молекул (но треть-
ему закону Ньютона). Следовательно, необходимо найти измене-
ние импульса всех молекул, ударяющихся о стенку за время А/.
Для этого находят изменение импульса одной молекулы и число
молекул, ударяющихся о стенку за это время. Изменение проекции
импульса молекулы на ось ОХ равно 2шог\ (шп - масса молекулы).
109
За время А/ о стенку ударится половина молекул, находящихся в
объеме 1\6Д/ (вторая половина молекул вследствие хаотичности
движения будет иметь отрицательные проекции скорости на ось
к	. nvSAi	.
Ол. т. с. будет двигаться от стенки), т. е. ——— молекул (где п -
концентрация молекул, или число молекул, находящихся в I м3).
Изменение проекции импульса этих молекул за время А/ равно
-niQ/iu2SAt. Изменение импульса стенки за то же время будет
равно	Следовательно, средний импульс силы, дейст-
вующей на стенку, равен F At = mt}nv2 S At. Разделив левую и пра-
вую части на о А/ и учитывая, что vx = —, найдем давление газа
1	~	2 v2
Р = — /?/770 v~, или р = — /7 —-—.
Таким образом, давление газа прямо пропорционально сред-
ней кинетической энергии одном молекулы газа и копией грации
молекул газа Полученное выражение Можно записать в другой
форме:
Чтобы облегчить школьникам усвоение вывода основного урав-
нения молекулярно-кинетической теории газов, целесообразно
представить последовательность выполняемых операций в виде
логически структурной схемы. Такая схема может быть составле-
на вместе с учащимися в процессе повторения вывода.
Интересный вывод основного уравнения молекулярно-кинсш-
ческои теории газов был предложен Ji. И Резниковым. Этот вывод
предпозагает использование метода размерностей. Его целесооб-
разно привести при закреплении знаний в классе с достаточно
сильным составом учащихся.
При анализе уравнения необходимо обратить внимание школь-
ников на то. что оно связывает макроскопический параметр со-
стояния газа давление с характеристиками отдельных молекул
газа (массой молекулы, средним квадратом скорости движения и
концентрацией молекул). Это уравнение имеет смысл только для
совокупности молекул и носит статистический характер. Следует
также подчеркнуть, что давление газа равно 2/3 кинетической
НО
шергин хаотического поступательного движения всех молекул,
находящихся в единичном объеме.
Закрепление основного уравнения молекулярно-кинетической
1 сории газов целесообразно организовать при решении задач.
2.5. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ГАЗОВЫХ ЗАКОНОВ
2.5.1. Последовательность и некоторые особенности
методики изучения газовых законов
Как отмечалось выше, газовые законы могут изучаться либо
индуктивно, либо дедуктивно. При индуктивном подходе газовые
законы изучают как эмпирические, полученные при обобщении
данных эксперимента, а затем вводят уравнение состояния идеаль-
ного газа на основе двух любых газовых законов. Последователь-
ность изучения газовых законов может быть любой, однако тради-
ционно первым рассматривают закон Бойля - Мариотта, что соот-
ветствует и исторической последовательности открытия законов.
Можно предложить единый план изучения газовых законов:
1) определение процесса; 2) условия осуществления процесса;
3) формула и формулировка закона; 4) экспериментальное исследо-
вание справедливости закона; 5) графическое изображение про-
цесса; 6) молекулярно-кинсз ическое объяснение установленной за-
висимости; 7) границы применимости закона.
При изучении закона Бойля - Мариотта важно обратить внима-
ние учащихся на то, что изотермический процесс осуществляется
при медленном изменении объема и давления. В этом случае тем-
пература исследуемой массы газа остается постоянной и равной
температуре термостата. Важно
также подчеркнуть, что этот за-
кон установлен для постоянной
массы газа с неизменным хими-
ческим составом.
Все газовые законы (в том
числе и закон Бойля-Мариотта)
можно проиллюстрировать с по-
мощью опыта с цилиндром пере-
менно! о объема (рис. 28). 11о дан-
ным опыта целесообразно по-
строить график зависимости дав-
гения от объема. Для правильной
оценки результатов экспернмен-	Рис. 28
та и обоснованности выводов необходимо обсудить с учащимися
происхождение погрешности опыта и ее границы. В этом случае
при разбросе результатов эксперимента школьники могут пра-
вильно оценить их достоверность.
Очень важно обсудить со школьниками молекулярно-кипетиче-
Г-скую трактовку закона Бойля-Мариотта. Из предыдущего мате-
риала известно, что давление зависит от числа молекул, ударяю-
щихся о стенки сосуда. Число ударов, в свою очередь, прямо про-
порционально конценчрации молекул л = — . Чем больше объем
\ I j
газа в сосуде, гем меньше концентрация молекул, при уменьшении
обьема газа в сосуде концентрация молекул увеличивается, следо-
вательно, увеличивается и давление.
Рассматривая графическую интерпретацию закона Бойля Ма-
риотта, целесообразно построить графики изотермического про-
цесса не только в координатах р, Р, но и в координатах К f;р. I.
При изучении закона Шарля внимание учащихся обращают на
то, что р0 - это давление таза при температуре О С. Температур-
ный коэффициенч давления одинаков для всех газов и показывает,
чему равно относительное увеличение давления постоянной массы
таза при увеличении температуры на 1°С. Молекулярно-кинетиче-
ское толкование закона Шарля не представляет трудностей для
учащихся.
При выводе уравнения состояния идеального газа (уравнения
Клапейрона) используют любые два частных газовых закона.
Можно вывести уравнение состояния, используя, например, зако-
ны Бойля - Мариотта и Шарля. При этом предполагаю т, что по-
нятие абсолютной температуры уже введено и закон Шарля запи-
сан в виде
£l=ZL.
^2
Вывод уравнения целесообразно сопровождать построением
графика (рис. 29).
Пусть газ переводят из сост ояния I с параметрами рн Гь Т\ в
состояние 2 с параметрами /ъ, К2. Процесс можно осуществить
в два этапа: сначала сжать газ изотермически и перевести в со-
стояние Г с параметрами //, Г2, Т}, а затем нагреть изохорно и
перевести его из состояния Г в состояние 2. Соответствующие
процессы описываются уравнениями:
112
Выразив из первого уравнения давле-
ние /У и подставив его во второе, получа-
ют:
р.Р. Pivi pV
—— = —— , или -— = const.
Справедливость полученного уравне-
ния подтверждают опытом с цилиндром
переменного объема. Первому состоянию
газа соответствуют объем, равный 10 ус-
ловным единицам, давление, равное атмо-
сферному, температура, равная темпера-
туре окружающей среды. Для получения
второго состояния газа сильфон прибора
погружают в горячую воду и уменьшают объем до 7-8 условных
единиц. Значение давления отмечают по манометру.
Из уравнения состояния идеального газа получают закон 1 ей-
Люссака, считая давление постоянным (р = const).
Уравнение Менделеева-Клапейрона получают из уравнения
Клапейрона.
При дедуктивном подходе частные газовые законы получают
из уравнения состояния идеального газа. Сначала в уравнение,
связывающее давление идеального газа с его концентрацией и
температурой (р = пкТ), подставляют выражение для концентра-
ции газа:
А
п =—.
V
В свою очередь, число молекул N равно массе газа ш, деленной
на молярную массу М и умноженной на постоянную Авогадро N4:
А=— N4
м л
Следовательно.
1 т Л7
п — ЬА.
V м А
Подставляя выражение для концентрации в формулу давления,
получают:
Процесс	Постоянные параметры	Меняющиеся параметры	Закон
Изотермический	т, М, Т	л У	Бойля-Марио! ia
Изобарный	m, М. р	V, г	Гей-Люссака
И юхорный	tn, М, 1	/А I	Шар 1я
	ft?, М	р, К т	Уравнение состояния Клапейрона
		р, 1 , / ft?, м	Уравнение Менделеева - Клапейрона
114
Га б л и ца 4
115
Произведение постоянной Авогадро Nf на постоянную Больц-
мана /с называю! универсальной 1азовой постоянной и обознача-
ют буквой R:
R = kNA= 1,38-10 23 •6,0210 23Дж7(моль-К) = 8.31 Дж/(моль-К).
Подставив в выражение для давления вместо произведения по-
стоянной Больцмана на постоянную Авогадро универсальную
газовую постоянную, получают уравнение состояния, называемое
уравнением Менделеева - Клапейрона:
т
pV = —Rl.
М
Рассмотрев два состояния одной и той же массы газа и записав для
каждого из них уравнение Менделеева-Клапейрона, а зачем разде-
лив одно уравнение на другое, получают уравнение состояния в виде:
/Mi _ P212
т( т2 •
Уравнение состояния, записанное в такой форме, связывает
параметры двух состояний одной и той же массы газа. Оно носит
название уравнения Клапейрона.
С читая массу, состав газа и один из его параметров неизмен-
ными. можно получить связь между двумя переменными термоди-
намическими параметрами состояния газа:
Т = const, р Г = const;
V
р — const, — = const;
1	Т
,	Р
I = const, — = const.
т
Частные газовые законы, полученные теоретически, иллюстри-
руют экспериментом и объясняют с точки зрения молекулярно-ки-
нетических представлений. При дедуктивном подходе к изучению
газовых законов можно также использовать приведенный выше
обобщенный план, изменив несколько последовательность действий.
Школьники должны четко понимать, что частные газовые зако-
ны и уравнение состояния Клапейрона связывают параметры двух
состояний газа, а уравнение Менделеева-Клапейрона устанавлива-
ет связь между параметрами газа в одном и том же состоянии.
В конце изучения 1азовых законов целесообразно провести
обобщение и систематизацию знаний учащихся, заполнив с ними
таблицу (табл. 4).
116
2.5.2. Лабораторные работы и решение задач
на газовые законы
В разделе «Молекулярная физика» программа предусматрива-
ет выполнение фронтальных лабораторных работ. Методика про-
ведения их достаточно детально описана в методической литера-
туре [45]. Чю же касается одной из работ, то в связи с запрещени-
ем использования ртути в школьных опытах методика ее проведе-
ния вызывает затруднения, так же как и методика проведения
аналогичной работы лабораторною практикума.
Наиболее простым и точным следует считать предложенный
Ь.С. Зворыкиным метод, который заключается в следующем. Для
изучения закона Бойля-Мариотта используется стеклянная труб-
ка высотой II = 310 мм, запаянная с одного конца. В первом со-
стоянии объем воздуха, находящегося в трубке, равен II условных
единиц, а давлениерх соответствует атмосферному (ратм).
Второе состояние этой массы воздуха получают, погрузив труб-
ку вниз открытым концом в сосуд с водой при комнатной темпе-
ратуре (рис. 30). Вода поднимется в трубке на высоту h и займет
некоторый объем. Тогда объем воздуха во втором состоянии ста-
нет равным (II Л) условных единиц, а давление - (ра,м + рДоб). До-
бавочное давление (/WO создастся столбом воды высотой (H-h).
Таким образом, для первою состояния газа произведение давле-
ния на объем равно р} Г] = pmtH условных единиц, для второго
Pih = Р™ + ,77 (# - Л)
\	13,6 )
Этот же прибор можно использовать и при изучении уравне-
ния состояния газа. Для этой цели трубку полностью погружают
открытым концом вверх в сосуд с горячен водой (рис. 31). Когда
воздух в трубке прогреется, параметры его состояния будут: темпе-
Рис. 30
117
ратура Т}, равная температуре воды, объем равный Н услов-
ных единиц, и давлениеравное атмосферному давлению ратм.
Закрыв трубку пальцем, переносят се в сосуд с холодной водой
открытым концом вниз так, чтобы закрытый конец трубки был на
уровне воды. Высота столба воздуха уменьшается на h единиц, и
состояние газа будет характеризоваться следующими параметра-
ми: температура Т2, равная температуре холодной воды, объем Г 2>
равный {II - Л) условных единиц, и давление /?2, равное сумме ат-
мосферного давления и давления столба воды высотой (H-h).
Таким образом.
Результаты измерений и в этом случае достаточно убедительны.
При изучении газовых законов большое внимание уделяют
решению задач. Можно выделить два типа вычислительных задач
на газовые законы: задачи, в которых масса газа не изменяется (в
этом случае меняются либо все три макроскопических параметра
(/;, И, 7), либо два из них, а третий остается постоянным), и зада-
чи, в которых меняется масса газа (могут изменяться все термоди-
намические параметры или два из них). Задачи первого тина ре-
шают после изучения частных газовых законов и уравнения Кла-
пейрона, задачи второго типа - после изучения уравнения Менде-
леева - Клапейрона.
При решении задач используют общий алгоритм решения и
учитывают специфику задач на газовые законы, которая сводится
к следующему: в каждом случае выясняют, какие параметры со-
стояния газа изменяются, а какие остаются постоянными, и уста-
навливают в связи с этим характер совершаемого процесса.
Обучая учащихся решению задач на газовые законы, необхо-
димо пояснить им, что:
а)	если в задаче не выступают явно два состояния, то в качестве
одного состояния можно выбрать состояние при нормальных ус-
ловиях;
б)	если масса газа остается постоянной, то задачи следует ре-
шать, используя газовые иконы;
в)	если в задачах фигурирует масса или плотность газа, то при
решении целесообразно использовать уравнение Менделеева - Кла-
пейрона.
Па газовые законы целесообразно решать графические задачи.
Можно предложить определенную систему графических задач на
газовые законы.
118
Первую группу задач составляют такие,
в которых требуется построить графики изо-
процессов в одной или нескольких системах
координат. Например: построить график
изотермического процесса, происходящего
при температуре 20°C, если произведение
давления на объем pV = 8Па м3 (график
построить в координатах р, И; Г, /; рч t).
Задачи второй группы требуют умения
читать график и определять по нему значе-
ния термодинамических параметров. При-
мером такой группы задач может быть еле-	Рис. 32
дующая: на рис. 32 изображены две изобары
/ и II для равных масс одного и того же газа. Сравните давления,
при которых осуществлялись эти процессы.
Решая такую задачу, ребята прежде всего должны ответить на
ряд вопросов: «Зависимость каких величин изображена на графике?»,
«Каков характер этой зависимости?», «Какой процесс данная зави-
симость иллюстрирует?», «Чем Обличаются процессы изменения со-
стояния газа?». Для ответа на вопрос задачи проводят изотерму и оп-
ределяю!’, при каком процессе одной и той же температуре соответ-
ствует больший объем. Учащимся уже известно, что большему объ-
ему при изотермическом процессе соответствует меньшее давление.
Следовательно, процесс, характеризуемый изобарой /, происходит
при меньшем давлении, чем процесс, характеризуемый изобарой //.
Очень полезны для анализа
изменения состояния газа за-
дачи, в которых последова-
тельность процессов изменения
состояния данной массы газа,
заданных в одной системе ко-
ординат, нужно изобразить в
1вух других. Например, изме-
нение состояния одной и той
же массы газа происходит в
соответствии с графиком, изо-
браженным на рис. 33, а.
1 [редлагается начертить гра-
фики этих процессов в коорди-
натах р, Ти V,T(рис. 33. 6, в).
При решении аналогичных
задач учащиеся должны уметь
читать и строить графики.
Рис. 33
119
Более сложными являются задачи, в
которых меняются все три макроскопиче-
ских параметра состояния газа. I [апример:
газ из состояния 1 переходит в состояние 2
(рис. 34). Масса газа при этом нс изменя-
ется. Сравниie объемы газа в этих двух
состояниях. Для решения задачи необхо-
димо провести изохоры через точки / и 2,
а затем изотерму через точку /. Делают
вывод: процессу, представленному графи-
ком 01. соответствует меньший объем, чем
процессу, представленному графиком 02,
следовательно, и состояние 1 характери-
зуется меньшим объемом, чем состояние 2.
Экспериментальные задачи на газовые законы решают с ис-
пользованием цилиндра переменного объема и манометра.
2.6.	МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
2.6.1.	Научно-методический анализ понятий
«внутренняя энергия» и «количество теплоты»
Существуют различные формы энергии. Каждая форма прису-
ща определенному виду движения материи, например, механиче-
скому движению соответствует механическая энергия, движению
электрических зарядов - энергия электрическою и магнитного
полей и т. д. С тепловым движением связана внутренняя энергия.
Понятие «внутренняя энергия» возникло и развилось в науке в
XIX в. в связи с установлением закона сохранения энергии и бла-
годаря успехам, достигнутым в области молекулярно-кинетической
теории. Этот термин не сразу получил правильную трактовку. Во
второй половине XIX в. для обозначения внутренней энергии ис-
пользовали термины: «механическая энергия тела в данном состоя-
нии», «функция действия», «энергия тела» и др. В слове «теплота»
очень долго объединялись три понятия: 1) получаемое или отда-
ваемое телом количество теплоты; 2) внутренняя энергия; 3) тепло-
вое движение. Такое смешение методически нс является правомер-
ным, так как в этом случае первый закон термодинамики превра-
щается в бессмыслицу. Именно введение понятия внутренней энер-
1ии позволило распространить закон сохранения энергии на теп-
ловые процессы: при наличии диссипативных сил убыль механи-
ческой энергии системы равна увеличению ее внутренней энергии.
120
Под внутренней энергией тела в термодинамику понимают
энергию, зависящую только от его внутреннего состояния и не
связанную с движением относительно других тел. Внутренняя
энергия является однозначной функцией состояния тела, которое
определяется рядом параметров (давление, объем, температура).
Это означает, что в каждом состоянии тело (или система) облада-
ет лишь одним значением внутренней энергии. Это положение
можно доказать на примере следующего рассуждения: если бы
одному и тому же состоянию соответствовали два значения внут-
ренней энергии (/, и и2ч то можно было бы отнять от системы
разность энергий (£7, — (J2), а состояние бы ее не изменилось. Та-
кая система могла бы служить источником энергии, не претерпе-
вая никаких изменений, что противоречит первому закону термо-
динамики (закону сохранения энергии).
Следовательно, изменение внутренней энергии системы при
переходе из одного состояния в другое не зависит от этого пере-
хода, т. е. внутренняя энергия является функцией состояния сис-
темы, а не функцией процесса.
Термодинамическая трактовка понятия внутренней энергии не
полностью раскрывает его смысл. Для более полного определения
этого понятия необходимо рассмотреть его молекулярно-кинети-
ческую трактовку.
В современной физике под внутренней энергией понимают
сумму энергии хаотического движения и взаимодействия молекул
и энергии движения и взаимодействия частиц, составляющих мо-
лекулы (энергия колебательного движения частиц, энергия элек-
тронных оболочек атомов, внутриядерная энергия и т.д.). По-
скольку в термодинамике изучают тепловые процессы, происхо-
дящие при не слишком высоких температурах, изменение внут-
ренней энергии происходит лишь за счет изменения двух первых
ее составляющих. [Поэтому при рассмотрении тепловых явлений
под внутренней энергией можно понимать сумму кинетической
шергии хаотического движения молекул и потенциальной энер-
I ии их взаимодействия:
Как правило, нас интересует не само значение внутренней
шергии, а ее изменение, поэтому начало отсчета внутренней энер-
I ии выбирают произвольно.
Внутренняя энергия может изменяться под действием каких-
1ибо внешних факторов: либо при совершении работы, либо в л
процессе теплопередачи. В первом случае мерой изменения внут-
ренней энергии является работа, во втором - количество передан-
121
ной ген юты. Работа, так же как и количество теплоты, зависит не
только от конечного и начального состояний системы, но и от
того, при каком процессе происходило изменение состояния. Ко-
личество теп поты и работа характеризуют процесс изменения со-
стояния и не являются функциями состояния.
Следует разъяснить школьникам, что работа и теплопередача -
неравноценные способы изменения энергии. Работа - изменение
энергии упорядоченного движения, совершение работы может
привести к изменению как механической, так и внутренней энер-
гии. При теплопередаче изменяется энергия хаотического движе-
ния частиц системы, а это ведет лишь к изменению ее внутренней
энергии. Впервые с понятием внутренней энергии учащихся зна-
комят в базовом курсе. В старших классах понятие внутренней
энергии получает дальнейшее развитие и обобщение на основе
молекулярно-кинетических и термодинамических представлений
В частности, внутреннюю энергию рассматривают как величину,
зависящую от состояния тела (или системы), определяемого тер-
модинамическими параметрами (/>. I . Г). Подчеркивают мысль:
внутренняя энергия является однозначной функцией состояния.
Развитие и углубление понятия внутренней энергии идет но пу-
ти его применения к идеальному газу. Рели в рамках термодина-
мики нас интересует изменение внутренней энергии, то для иде-
альною газа можно вычислить значение внутренней энергии в
данном состоянии:
f	3 /и
U - Е + Е ; Е - 0; U = --RТ (для одноатомного газа).
11	2 М
Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его
температуры.
Используя первый закон термодинамики, показывают, как из-
меняется внутренняя энергия идеального газа при различных изо-
процессах, и объясняют характер этого изменения с молекулярно-
кинетической точки зрения.
Понятие количества теплоты и калориметрические расчеты
достаточно попно изучают в базовом курсе физике, поэтому в
старших классах этот материал лишь пов торяют.
2.6.2.	Первый закон i ермодинамики
Изучение первого закона термодинамики продолжает форми-
рование представления старшеклассников о фундаментальном
естественнонаучном принципе - принципе сохранения энергии.
122
()|крытие первого закона термодинамики относится к числу трех
крупнейших открытий XIX в., наряду с открытием клетки н соз-
данием теории Дарвина. В школьном курсе физики первый закон
термодинамики изучают как обобщение большого числа опытных
данных, устанавливавших соотношение между количеством теп-
юты, получаемым за счет работы, и совершенной работой.
Прежде чем приступить к изучению первого закона термоди- .
намнки, целесообразно повторить закон сохранения энергии в
механических процессах, при этом особое внимание уделяют об-
суждению вопроса о том, что механическая энергия.сохраняется в
замкнутых консервативных системах. Если система не является
консервативной, то ее механическая энергия не сохраняется, она
частично или полностью превращается во внутреннюю энергию,
но при этом сохраняется полная энергия системы.
Далее рассматривают, какими способами можно изменить
внутреннюю энергию системы. Этот материал изучали в базовом
курсе физики, поэтому здесь его повторяют и обобщают. В ре-
зультате школьников подводят к выводу: внутреннюю энергию
можно изменить либо в процессе теплопередачи, либо при совер-
шении работы, либо при совершении работы и при теплопередаче
одновременно.
Обсуждают вопрос о мерах изменения внутренней энергии при
том или ином процессе. Учащиеся делают вывод: мерой измене-
ния внутренней энергии ёГпроцессе совершения работы является
работа, а мерой изменения внутренней энергии в процессе тепло-
передачи - количество т еплоты Здесь же целесообразно повторить
вопрос о знаках этих величин. Условились считать количество
теплоты положительным (Q > 0), если количество теплоты сооб-
щается системе и отрицательным (Q < 0). если количество тепло-
ты отдано системой.
Работу Л, совершаемую внешними силами над системой, счи-
тают положительной (А > 0), если газ сжимается: работа внешних
сил отрицательна, если газ расширяется (Л < 0).
Рассмотрев ряд примеров, делают вывод: изменение внутреш*Ч , у
ней энергии системы равно сумме количества теплоты, передан- -
пою системе, и работе внешних сил над системой:
MJ=Q + A.
|де AU - изменение внутренней энергии, равное разности значе-
ний внутренней энергии в конечном и в начальном состояниях.
Эту формулу можно записать иначе:
Q=AU+A\ (А' = А).
123
Количество теплоты, сообщенное системе, идет на увеличение
ее внутренней энергии и на совершение системой работы над
внешними телами.
Анализируя формулу первого закона гермодинамики, целесо-
образно еще раз подчеркнуть, что внутренняя энергия характери-
зует состояние системы независимо от способа изменения этого
состояния, так как внутренняя энертя системы однозначно опре-
деляется параметрами: объемом И и температурой Г Работа и
количество теплоты характеризую! процесс изменения состояния.
При одинаковом изменении состояния эти величины различны (в
зависимости от способа перехода системы из одного состояния в
другое), хотя сумма их будет одна и та же.
После изучения первого закона термодинамики целесообразно
, разобрать со школьниками ряд упражнений на применение его к
конкретным процессам. Например, описать энергетически:
1)	теплообмен между телами в калориметре; 2) нагревание во-
ды на спиртовке; 3) нагревание при ударе.
В первом случае система замкнутая и теплоизолированная (А - 0,
Q = 0, At/ = 0), внутренняя энергия системы не изменяется. Во вто-
ром случае система замкнутая (А = 0, АС/ = Q = Пфи); изменение
внутренней энергии равно количеству теплоты. В третьем случае
система теплоизолированная (Q = 0, At/=/l); изменение внутрен-
ней энергии равно совершенной работе.
Далее целесообразно рассмотреть примеры применения первого
закона гермодинамики к изопроцессам в идеальных газах. При изо-
барном нагревании (рис. 35) количество теплоты, переданное систе-
ме, идет на увеличение ее внутренней энергии и на совершение систе-
мой работы расширения при постоянном давлении. Работа расшире-
ния положительна (?Г > 0) и равна A' = p&V. Из рис. 35 видно, что
работа численно равна площади заштрихованного прямоуголь-
ника. Увеличение внутренней энергии при данном процессе равно
At/ = QP -p^V.
При изобарном охлаждении внутренняя энергия системы умень-
шается. Количество теплоты, которое система отдаст, равно из-
менению внутренней энергии системы и работе по сжатию газа.
В этом случае и количество теплоты, и работа системы отрица-
тельны. Внутренняя энергия системы уменьшается.
При изохорном процессе (рис. 36) работа равна нулю, так как
объем газа не меняется (А = 0). поэтому изменение внутренней
энергии равно количеству теплоты. При нагревании количество
теплоты Qt и изменение внутренней энергии положительны, т. с.
124
Рис 35
Рис 36
внутренняя энергия увеличивается, при охлаждении - внутренняя
энергия уменьшается.
При изотермическом процессе температура постоянна, поэто-
му Д/7 = 0, т. е. внутренняя энергия нс изменяется. Если система
получает некоторое количество теплоты, то оно идет на работу,
совершаемую газом при расширении. Работа численно равна
площади заштрихованной фигуры (рис. 37).
При адиабатном процессе (рис. 38) не происходит теплообмена
с окружающей средой, поэтому количество теплоты Q = 0. Следо-
ватсльно, внутренняя энергия изменяется только за счет соверше-
ния работы. При этом при расшире-
нии система совершает положитель-
ную работу, внутренняя энергия сис-
темы уменьшается.
При сжатии внешние силы совер-
шают положительную работу, а газ -
отрицательную; внутренняя энергия
увеличивается, газ нагревается.
Из графиков адиабатною и изотер-
мического процессов, изображенных
на рис. 38, видно, что при адиабатном
расширении совершается работа мень-
шая, чем при изотермическом, а при
адиабатном сжатии - большая, чем
при изотермическом. Полезно также с
учащимися решать графические задачи,
1ребующпе выяснения знаков величин,
входящих в формулу первого закона
термодинамики, например такую: на
рис. 39 изображен график зависимости
давления идеального таза от темпера-
туры. Как изменяется при этом изме-
125
нении состояния газа его внутренняя энергия, совершается ли ра-
бота, получает или отдает система теплоту?
При переходе газа из состояния / в состояние 2 давление
уменьшается, температура и внутренняя энергия газа увеличива-
ются. Объем газа также увеличивается (ДИ>0), следовательно,
газ совершает работу расширения, являющуюся положительной.
Количество теплоты также положительно (Q > 0), следовательно,
газ получает некоторое количество теплоты.
Усвоению первого закона термодинамики способствует и ре-
шение вычислительных задач.
Рассмотрение применения первого начала термодинамики к
изопроцсссам создает основу для понимания старшеклассниками
принципов работы тепловых двигателей.
2.6.3.	Работ тепловых двигателей
V
С тепловыми двигателями учащихся знакомят впервые в базо-
вой школе, когда рассматривают общий принцип работы тепло-
вых двигателей (совершение полезной работы за счет внутренней
энергии рабочего тела), изучают двигатель внутреннего сгорания
и паровую турбину, а также вводят понятие о КПД тепловых дви-
гателей. Основное внимание уделяют конструкции и принципам
работы названных выше двигателей. В курсе физики старших
классов рассматривают энергетические процессы, происходящие
при работе тепловых двигателей.
При изучении принципов работы тепловых двигателей прежде
всего_^водят понятие необратимости и формируют представление
о втором законе термодинамики. Понятие необратимости рас-
крывают с помощью примеров: рассматривают абсолютно упру-
гий удар как пример обратимого явления, уточнив, что такой
удар является идеализацией. Затем обращаются к таким явлениям,
как пластическая деформация, диффузия и другие и вводят поня-
тие необратимого процесса как такого, обратный которому само-
произвольно протекать не может. Далее подводят учащихся к
формулировке второго закона термодинамики, говоря о том, что
осуществить обратный процесс можно только в том случае, если
он будет являться частью другого процесса связанного с затрата-
ми энергии. Так, можно восстановить форму тела при пластиче-
ской деформации, но для этого необходимы внешние силы и за-
траты энергии.
Изучение принципов работы тепловых двигателей можно по-
строить ио следующему плану:
обсуждение вопроса о том, что механическая работа может
быть совершена за счет внутренней энергии; устройство, в кото-
ром это происходит, называют тепловым двигателем;
- обсуждение вопроса о том, что для непрерывной работы дви-
гатель необходимо возвращать в первоначальное состояние, т.е.
он должен быть циклическим;
обсуждение вопроса о том, что для получения положитель-
ной работы в первоначальное состояние двигатель должен воз-
вращаться при более низкой температуре, следовательно, он дол-
жен иметь нагреватель, рабочее тело и холодильник.
Далее учащимся говорят, что рабочее тело (им может быть
нар. газ или специальная смесь) получает некоторое количество
1еплоты Qi от нагревателя и расширяется. При расширении рабо-
чее тело совершает работу. При сжатии рабочее тело отдаст ко-
личество теплоты Q1 холодильнику. Температуры холодильника и
нагревателя поддерживают постоянными, при этом температура
нагревателя всегда выше температуры холодильника (Т, > Т2).
После этого целесообразно рассмофеть принцип работы иде-
альной тепловой машины Карно, рабочим телом в которой явля-
ется идеальный газ. При расширении газа во время его контакта с
нагревателем температуру поддерживают постоянной, во время
сжатия и контакта с холодильником температура также постоянна,
следовательно, расширение и сжатие происходят изотермически
(на рис. 40 соответственно изотермы 7-2 и 3-4). По если темпе-
ратура расширения больше температуры сжатия, то необходимо
произвести процессы, при которых температура меняется от Г| до
Г2, а затем от Т2 до Т(. В принципе это осуществимо при изобар-
ном, изохорном или адиабатном процессах. Наиболее целесооб-
разным является адиабатный процесс (процесс, происходящий без
теплообмена), так как именно это условие является условием мак-
симальной работы (на рис. 40 графики 2-3 и 4-1 - адиабаты).
I (олезная работа численно равна площади
^штрихованной фигуры.
Важным является вопрос о коэффици- р д
ентс полезного действия. Как известно,
КПД - это отношение полезной работы к
количеству теплоты, полученному от на-
iревателя:
Задача повышения КПД - одна из ос-
новных технических задач. Она связана	Рис. 40
127
прежде всего с созданием материалов, имеющих достаточную
прочность при высоких температурам. В настоящее время темпе-
ратурные границы рабочего тела составляют 303-853 К. КПД
идеальной машины, работающей по циклу Карио. при таких зна-
чениях температур равен 65%. Однако с учетом потерь КПД при-
мерно равен 40%. Необходимо, чтобы школьники поняли прин-
ципиальное отличие решения задачи повышения КПД тепловых
двигателей от решения этой же задачи применительно к механи-
ческим и электрическим двигателям. КПД последних стремятся
приблизить к 100%, а КПД тепловых двигателей к КПД идеаль-
ной машины Карно, работающей при тех же температурах холо-
дильника и нагревателя. Поэтому повышение КПД тепловых дви-
гателей связано с повышением температуры нагревателя и пони-
жением температуры холодильника.
Полезно привести значения мощностей и КПД некоторых тепло-
вых двигателей. Например. карбюраторный двигатель внутреннего
сгорания, установленный на автомобиле «Волга ГАЗ-24», имеет мощ-
ность 70 кВт, КПД около 25%; мощность паровых турбин, установ-
ленных на электростанциях, составляет 500 800 МВт. а КПД 40%.
В заключение изучения рассматриваемой гемы обращают вни-
мание учащихся на значение развития теплоэнергетики для на-
родного хозяйства, в частности рассказывают о той экономии,
которую дает стране развитие теплоэлектроцентрапей.
2.7.	ФОРМИРОВАНИЕ ПОНЯТИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
2.7.1.	Анализ понятия
Понятие температуры фундаментальное понятие не только
физики, но и естествознания в целом. Оно весьма сложно и очень
ярко отражает многогранность физических понятий. Дело в том,
что температура представляет собой макроскопический параметр
состояния системы, физический смысл которого может быть рас-
крыт лишь на основе молекулярно-кинетических представлений.
Своим существованием температура (как параметр состояния)
обязана статистическим закономерностям; господствующие над
молекулярными явлениями законы статистики обусловили осо-
бый вид равновесия, 1 факт существования состояния термодина-
мического равновесия позволяет ввести понятие температуры^
Несмотря на то что с тепловыми явлениями люди познакоми-
лись еще в древности и даже античные ученые пытались их изу-
чать, вплоть до XVIII в. не были установлены основные понятия и
128
количественные соотношения этого раздела физики. Исторически
понятие температуры возникло из ощущений. Словами «горячо»,
«холодно», «тепло» и т. и. люди пользовались для обозначения
различной степени нагрстости тел. Однако такое определение по-
нятия температуры физического смысла не имеет и не дает спосо-
ба измерения.
Научное содержание понятия температуры опирается па по-
стулат о тепловом равновесии системы (всякая система в отсутст-
вие внешних воздействий с течением времени приходит в состоя-
ние теплового равновесия и сама по себе выйти из него не может)
и на свойства теплового равновесия. Эти свойства следующие:
I)	если два тела находятся в тепловом равновесии с одним и
тем же третьим телом, то они находятся в тепловом равновесии
(руг с другом (транзитивность теплового равновесия);
2)	существует такая физическая величина, значения которой во
всех точкг ; равновесной системы одинаковы (эту величину, ха-
рактеризующую тепловое равновесие, называют температурой);
3)	при равновесии возможно одно-единственное распределение
шергни системы по ее частям; при увеличении энергии системы
растут энергии ее частей.
В связи с этим температуру можно определить как функцию,
характеризующую состояние равновесной системы, увеличиваю-
щуюся с ростом внутренней энергии системы. Статистический
подход углубляет понятие температуры. С точки зрения молеку-
лярных представлений температура - мера средней кинетической
энергии молекул идеального газа. Связующим звеном между тер-
модинамическим подходом и статистическим является постулат:
распределение, которое осуществляется наибольшим числом мик-
росостояний, соответствует равновесному состоянию.
Измерение температуры возможно благодаря транзитивности
теплового равновесия. Сложность измерения температуры заклю-
чается в том, что она является интенсивным параметром, т. е. не
обладает свойством аддитивности, поэтому ее нельзя сравнивать с
эталоном. Для измерения используют зависимость свойства тела
(объема, длины, давления) от температуры.
Исторически впервые для измерения температуры было исполь-
зовано тепловое расширение. Первый прибор для измерения тем-
пературы (термоскоп) был сконструирован Г. Галилеем в 1597 г.
Прибор был весьма несовершенным, но позволял судить о повы-
шении и понижении температуры. С тех пор учеными предприни-
мались неоднократные попытки усовершенствовать термоскоп Г.
Галилея. Однако все изготовленные термометры нс имели обще-
принятой шкалы и каждый показывал свою температуру. В 1740 г.
•
5-2781	129
немецкий физик Д. Фаренгейт изготовил ртутный термометр с
двумя строго фиксированными точками шкалы1.
Изобретение термометра имело огромное значение для науки,
поскольку оно привело к возможности количественного изучения
тепловых явлении Кроме того, было введено в употребление поня-
тие температуры. Однако следует отметить, что использование в
термометре тепловых свойств тел приводит к получению несколь-
ких различных эмпирических шкал, так как делается допущение:
объем термометрического тела изменяется линейно с изменением
температуры. В действительности же температурный коэффици-
ент объемного расширения зависит от температуры. Кроме того,
выбор реперных точек, приписанные нм значения темпераiyp, а
1акже число градусов, на которое делился температурный интер-
вал. были произвольными. Следовательно, возникает необходи-
мость в конструировании такого термометра, свойства термомет-
рического тела которого зависели бы от температуры но строгому
закону в достаточно большой области температур. Таким термо-
метром является газовый термометр, а в качестве термометриче-
ского тела в нем выбирают идеальный газ< Об изменении темпе-
ратуры судят по изменению давления газа при постоянном объеме.
Для идеального газа строго выполняется соотношение:
— = const.
7
Если поместить баллон газового термометра сначала в кипящую
воду, а затем в тающий лед и измерить давления, то их отношение
окажется равным 1,3661 (т. е. — = 1,3661); полагают, что разность
Pg
между температурой кипения воды и температурой таяния льда
равна 100; за градус принимают 1/100 этого интервала, т. с.
Т-То=100, или Т=7’о+ 100,
Л=А±1оо=1+1оо;
Ро h	К
0,3661 70= 100; 7о = 273.15 К.
Таким образом, по газовой шкале температура таяния льда со-
ставляет 273,15 К, а температура кипения во цы 373.15 К. Нуль га-
1 Более деныьно об истории термометра см., например Смородинский Я.А
Т емпера гура. М., 1981.
130
твой шкалы соответствует температуре -273.15°С; его называю!
абсолютным нулем температур.
Абсолютному пулю температур соответствует такое состояние
( пстемы, при котором она нс может отдать энергию никакой дру-
гон системе, так как у нее нет более низких уровней, на которые
она могла бы перейти, отдав энергию. При абсолютном нуле сис-
тема совершает нулевые колебания, которым соответствует нуле-
вая энергия. Этот вопрос подробно рассматриваю! в курсе кван-
говой механики.
Температура, равная абсолютному нулю, нс достижима. В на-
< юящее время удалось получить температуру на 0,00001 К выше
абсолютного нуля.
Газовый термометр неудобен в обращении, но является этало-
нен! для градуировки термометров, употребляемых на практике.
Однако нельзя сконструировать газовый термометр, который ра-
но тал бы в широком интервале температур, так как не! газа, ко-
торый можно было бы с достаточной степенью точности считать
и деальным в таком интервале.
Температурную шкалу, не зависящую от термометрического
шла, можно построить на основе положений термодинамики. Ис-
ходя из второго закона термодинамики, показывают, что коэф-
фициент полезного действия обратимого цикла Карно не зависит
<и состава рабочею тела и выражает ся формулой
Т,-Тг
। (с 7\ - температура нагревателя, Т2 -температура холодильника.
)го равенство носит название теоремы Карно. С другой стороны.
। де количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 - ко-
шчсство теплоты, отданное холодильнику. Следовательно,
?2 _ Q?
т, Q'
Это равенство служит основанием для введения шкалы темпсра-
ivp: измеряя количество теплоты, можно определить температуру п
построить шкалу. Соответствующая температурная шкала названа
абсолютной термодинамической шкалой или шкалой Кельвина.
За начало отсчета температуры по этой шкале принят абсо-
лютный пуль - это такая температура, которую должен иметь хо-
131
лодильник, чтобы коэффициент полезного действия обратимого
цикла Карно был равен единице. Для определения единицы тем-
пературы ио этой шкале принято допущение: температуры кипе-
ния воды и таяния льда при нормальном давлении различаются
на 100. Одна сотая этого интервала - кельвин (К).
Шкала Кельвина, или термодинамическая шкала, совпадает со
шкалой газового термометра. Это связано с тем, что, используя
первый закон термодинамики и термодинамическое понятие тем-
пературы, с одной стороны, и основное уравнение молекулярно-
кинетической теории газов и «кинетическое» понятие температу-
ры - с другой, приходят к одному и тому же уравнению
р = const • Г при К= const.
В 1954 г. X Генеральная конференция по мерам и весам в каче-
стве реперной точки термодинамической шкалы определила тем-
пературу тройной точки воды. Эго темпера тура, при которой лед.
вода и их насыщенный пар находятся в равновесии друг с другом.
Выбор такой точки удобен гем, что есть лишь одно-единствениос
значение давления и температуры, при котором вода может одно-
временно существовать в трех состояниях. Тронная точка легко
воспроизводима, ее температура равна 273,16 К точно. По шкале
Цельсия эта темпераг ура соответст вует 0,01 °C.
При таком выборе реперной точки новая термодинамическая
шкала максимально приближена к шкале Кельвина. За единицу
температуры по новой шкале принят 1 К. Кельвин равен 1/273,16
температурного интервала между термодинамической температу-
рой тройной точки воды и абсолютным нулем.
Температура таяния льда на 0,01 К меньше температуры трой-
ной точки воды. т. с. равна 273,15 К.
Разница между значениями температуры по термодинамиче-
ской шкале, выраженными в кельвинах и градусах Цельсия, для
одной и той же точки шкалы записывается так:
Т- / = 273,15.
2.7.2.	Этапы формирования понятия температуры
Понятие температуры, являясь сложным, не может быть сфор-
мировано сразу. Его формирование - процесс длительный, состоя-
щий из нескольких этапов.
1. Пропедевтический этап. Впервые представление о темпера-
туре учащиеся получают в курсе «Естествознание». Используя
132
житейские представления школьников о температуре, изучают
устройство термометра и правила использования его для измере-
ния температуры, проводят практическую работу.
В базовом курсе физики при изучении в нем вопроса о связи
скорости движения молекул и температуры тела у учащихся фор-
мируют понятие о температуре на качественном уровне. Хемпера-
гуру вводят .как одну из величин, характеризующих тепловое со-
стояние тел. Рассматривают способ измерения температуры. Да-
псе юворят о том, что скорость движения молекул и температура
тела связаны между собой: чем больше скорость движения моле-
кул, тем выше температура тела. На данном этапе важно, чтобы
учащиеся усвоили связь температуры тела и скорости движения
молекул и правила использования термометра. Целесообразно
ознакомить их с принципом построения шкалы Цельсия.
Далее, при изучении тепловых явлений школьники выполняют
лабораторные работы, в которых используют полученные знания
об измерении температуры.
II. Основной этап. В старших классах понятие температуры
формируют постепенно. Сначала понятие температуры вводят на
качественном уровне, а затем при изучении основ теории идеаль-
ного газа раскрывают статистический смысл температуры.
1) Качественно понятие температуры вводят при рассмотрении
свойств теплового равновесия. Ученикам напоминают, что суще-
ствуют'более и менее нагретые тела. При их контакте более натре-
те тела охлаждаются, менее нагретые нагреваются, со временем
оба тела приходят в состояние теплового равновесия, при кото-
ром параметры, характеризующие состояние тела, остаются по-
стоянными. Из состояния равновесия тела самопроизвольно вый-
ти не могут. Говорят, что тело, которое при контакте отдает теп-
лоту. имеет более высокую температуру, а тело, которое получает
теплоту, - более низкую. При термодинамическом равновесии
температура системы не меняется, она остается постоянной сколь
Vi одно долго, поэтому температуру можно определять как вели-
чину, позволяющую описывать тепловое равновесие между тела-
ми, находящимися в тепловом контакте.
Таким образом, температура - физическая величина, характери-
зующая состояние теплового равновесия системы: во всех частях
системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, темпера-
тура имеет одно и то же значение. Если одно из состояний принять
hi пулевое, то температура системы указывает степень отклонения
ее состояния от теплового состояния, принятого за нулевое.
Да.лее необходимо раскрыть статистический смысл понятия
температуры, сказав о том, что при тепловом равновесии средние
133
кинетические энергии молекул всех тел системы выравниваются.
Следовательно, с точки зрения молекулярно-кинетической теории
температура является мерой средней кинетической энергии хао-
гическог о движения молекул.
Необходимо рассмотреть способ измерения температуры. При
этом важно отметить, что температура не обладает свойством ад-
дитивности и что в основе ее измерения лежат следующие поло-
жения:
а)	тепловое равновесие транзитивно; из этого свойства следует,
что для установления равенства температур двух тел не обяза-
тельно приводить их в тепловой контакт, можно воспользоваться
третьим телом, называемым термометрическим:
б)	термометрическое тело может быть любым; важно только,
чтобы его свойства зависели ог температуры. В простейших тер-
мометрах используют зависимость объема от температуры, при-
чем считают , что эта зависимость линейная.
Полезно показать учащимся, как строить эмпирическую шкалу
Цельсия. При этом делают предположения: а) объем линейно за-
висит от температуры; 6) разность температур таяния льда и ки-
пения воды составляет 100; в) температура таяния льда равна 0.
I ермометр опускают сначала в тающий лед, а затем в кипящую
воду и, исходя из сделанных предположений, записывают
АДГ=Дг, или ЮО =/<(ГИЮ - J ()).
Для произвольного изменения температуры от 0 до I можно
записать
I — к(।	1 oh
где I объем термометрического тела при температуре /. Решая
систему уравнений, получим
’«0 Цоо-Го
---=	---и , илп t = 100 —--V .
~ f'o	^100 — f о
Целесообразно показать несовершенство эмпирической шка-
лы, причинами которого являются произвол в выборе реперных
точек и интервала между ними, а также предположение о том, что
объем зависит от температуры линейно. Па самом деле эго нс гак.
Температурный коэффициент линейного расширения зависит от
температуры, причем по-разному в различных температурных ин-
тервалах. Кроме того, в зависимости от свойств тел, используе-
мых для измерения температуры, получают различные шкалы.
Делают вывод о необходимости стандартного термометра и стан-
дартной температурной шкалы.
134
2) Вводят понятия абсолютной температуры и абсолютной шка-
па температур. При индуктивном изучении газовых законов поня-
н ie абсолютной темпера гуры в ряде учебных пособий вводят после
изучения закона Гей-Люссака или закона Шарля путем экстрапо-
лирования этих законов на область низких температур. Графики
соответствующих зависимостей продолжают до пересечения с
осью абсцисс, обьем или давление приравнивают нулю и показы-
вают. что температура при этом оказывается равной 273,15°С.
)ту температуру принимают за абсолютный нуль, а шкалу, по ко-
горой нулевая температура соответствует абсолютному нулю, на-
ливают абсолютной.
Следует отметить, что такой подход к введению абсолютной
температуры нельзя считать строгим, поскольку модель идеаль-
ного газа имеет определенные границы применимости и при тем-
пературах, близких к абсолютному нулю, понятие идеального ra-
ja геряет смысл.
В связи с этим при индуктивном изучении газовых законов це-
юсообразно после закона Бойля Мариотта ввести закон Шарля,
<1 затем уже закон Гей-Люссака. После рассмотрения зависимости
щвления идеального газа от температуры можно поставить во-
прос о создании такого термометра, в котором за термометриче-
ское тело был бы принят идеальный газ. Это удобно, так как для
идеального газа давление строго пропорционально температуре.
Преобразуя формулу закона Шарля:
Pi =A)(1 +YG); Р2=Ро(1 + У*гХ
_ 1 + у/, _ 273,15 + Г,
р 1 + YC 273,15 + 12
н положив, что 273,15 + ( - Г, рассматривают построение абсо-
лютной шкалы температур и измерение температуры с помощью
1 азового термометра.
Абсолютный нуль - это такая температура, при которой моле-
кулы совершают только нулевые колебания. Им соответствует
минимальная энер! ия. которая нс может быть отнята у тела, г. е.
при абсолютном пуле тело не может отдавать энергию.
В школьном курсе физики учащимся ничего не говорят о тер-
модинамической шкале температур. С одной стороны, это невоз-
можно сделать, поскольку вопрос этот непростой и может быть
понят лишь посче изучения второго закона термодинамики и тео-
ремы Карно, а этот материал в школе не изучают. С другой сто-
роны, в школе различие между газовой и термодинамической
135
шкалами можно и не делать, так как они совпадают. Поэтому
учащимся можно лишь сказать, что на основе принципов термо-
динамики была сконструирована абсолютная термодинамическая
шкала, которая совпала с газовой.
В плане обобщения знаний старшеклассников о температур-
ныхшкалах полезно их сравнить.
3) Дают статистическое толкование понятия температуры.
Можно выделить четыре подхода к объяснению статистического
смысла понятия температуры.
а) Связь между температурой и средней кинетической энергией
поступательного движения молекул вводят как определение поня-
тия температуры1. В частности, предлагают определить абсолют-
ную температуру как физическую величину, пропорциональную
средней кинетической энергии молекул, и в соответствии с зако-
нами классической молекулярной теории записать:
Этот подход прост и доступен учащимся.
Определяя температуру как величину, пропорциональную сред-
ней кинетической энергии молекул, следует иметь в виду, что такое
определение ограничивается рамками классической теории; в кван-
товой статистике, где нс выполняется теорема Больцмана о равно-
мерном распределении энергии по степеням свободы, это опреде-
ление нельзя считать приемлемым. Поэтому приведенное опреде-
ление температуры не является полным и нс может быть принято
в качестве основного.
Кроме того, приведенное определение понятия температуры не
содержит непосредственного указания на способ ее измерения.
2
Нельзя доказать. что термометр измеряет величину niuv . Од-
2
нако, основываясь на сформулированном определении, можно
указать косвенный метод измерения температуры. Уже известно,
что средняя кинетическая энергия молекул идеального газа связа-
на с его давлением по формуле
~2	п
- _mov _3р
к 2 2п'
Учитывая, что Ef. =—. запишем р = пкТ. г.с. давление иде-
2п
ального газа прямо пропорционально его абсолютной тсмпсрату-
1 См.. Яворский Б.М. Пинский А. А. Основы физики. М., 1981.-T. I.
136

ре. Отсюда следует, что о температуре можно судить по значению
явления. Прибор, служащий для этой цели, называют газовым
герм оме гром.
б) В пособии по молекулярной физике для вузов1 рассматривает
ся переход двух тел к состоянию теплового равновесия. С одной
стороны, этот переход характеризуется тем. что молекулы соприка-
сающихся тел сталкиваются между собой, при этом молекулы более
нагретого тела передают часть своей энергии молекулам менее на-
гретого тела. Это происходит до тех пор, пока энергии не сравня-
ются. С другой стороны, при контакте температура более нагретого
тела уменьшается, а менее нагретого увеличивается до тех пор, пока
они не сравняются. Таким образом, средняя кинетическая энергия
поступательного движения молекул и температура одинаково ха-
рактеризуют процесс перехода к тепловому равновесию: средняя
кинетическая энергия микроскопически, а температура макроско-
пически. Следовательно, эти величины связаны между собой:
~ т.
в) Понятие температуры как меры средней кинетической энер-
гни поступательного движения молекул может быть введено как
следствие основного уравнения кинетической теории тазов
Это уравнение сравнивают с эмпирическим уравнением Мен-
делеева- Клапейрона
pl = — RT.
М
Можно записать
RT = -N
3 А k
<н куда
Ё, =-кТ.
2
При таком подходе комбинируют теоретический и эмпириче-
ский законы (причем во втором уже используется понятие абсо-
нотной температуры).
’См.: Кикоин И. К., Кикоин А К Молекулярная физика — М., 1976.
137
г) Возможен подход, при котором понятие абсолютной темпе-
ратуры вводят при рассмотрении различных газов в состоянии
теплового равновесия1. В частности, три сосуда известных объе-
мов, заполненные различными газами, помещают в термостат с
тающим льдом. Давление газа измеряют с помощью манометра.
Далее, используя положение о том, что чем быстрее движутся мо-
лекулы. тем выше температура газа, делают предположение: при
тепловом равновесии средние кинетические энергии молекул всех
газов одинаковы и согласно основному уравнению молекузярно-
кинетической теории газов для всех газов в состоянии теплового
равновесия отношение произведения давления газа (р) на его объ-
ем (Г) к числу молекул (N) одинаково. Это отношение обознача-
ют через О, т. е.
Утверждают, что экспериментальная проверка подтверждает
сделанное предположение, которое справедливо для не слишком
высоких давлений.
Величина 0 не зависит ни от объема газа, ни от его давления,
ни от числа частиц в сосуде, а зависит от температуры, поэтому ее
можно рассматривать как меру температуры, т. е.
& = кТ и £— = кТ.
N
— = кТ и pV =—NEk получают
Очевидно, правомерен любой подход к введению связи темпе-
ратуры со средней кинетической энергией молекул; при его выбо-
ре следует учитывать общую последовательность изложения
учебного материала и познавательные возможности учащихся.
Важно подчеркнуть, что кинетическая энергия Ек - среднеста-
тистический параметр, он характеризует совокупность молекул,
температура Т также относится к совокупности молекул, поэтому
нельзя говорить о температуре одной молекулы.
1 См. Мякишсв Г.Я. Буховцев Б. Б. Физика: Учебник для 10 класса обтеоб-
разоватс >ьных учреждений. - М., 1998.
138
И наконец, целесообразно обратить внимание на то, что фор-
____	3
мула Ek связывает микроскопические параметры состоя-
ния системы с макроскопическими: в пей четко выражена взаимо-
связь двух подходов: статистическою и феноменологического к
описанию свойств термодинамических систем.
Часть 3
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
В ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ
3.1.	РАЗДЕЛ «ЭЛЕКТРОДИНАМИКА»
В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ
3.1.1.	Значение и струн гура раздела «Электродинамика»
Раздел «Электродинамика» - один из наиболее сложных разде-
лов школьного курса, где изучают электрические, магнитные яв-
ления, электромагнитные колебания и волны, вопросы волновой
оптики и элементы специальной теории относительности.
При изучении основ электродинамики в курсе физики обще-
образовательной средней школы учителя физики должны решать
весьма сложные общеобразовательные, воспитательные задачи и
задачи развития учащихся. Этим и определяется в первую оче-
редь значение раздела «Электродинамика» в школьном курсе
физики.
Решение общеобразовательных задач в основном сводится к
тому, что в данном разделе должно быть введено основное для
современной физики понятие электромагнитного ноля, а также
физические понятия: электрический заряд, электромагнитные
колебания, электромагнитная волна и ее скорость. Здесь же
должно быть дано представление о свойствах электромагнит-
ных волн, их распространении, о принципах радиосвязи, теле-
видения.
Учащихся на доступном им уровне знакомят с фундаменталь-
ной физической теорией - теорией макроскопической электроди-
намики, основным творцом которой был Дж. К. Максвелл.
Решение воспитательных задач сводится к дальнейшему разви-
тию научного мировоззрения учащихся, их материалистического
и диалектического понимания природы.
140	\
При изучении раздела «Электродинамика» происходи т расшире-
ние и углубление в сознании школьников понятия материи. В базо-
вом курсе физики ученики встречались с двумя видами материи:
веществом и полем. Но понятие ГТ^хПя рассматривалось не подроб-
но. Учащиеся узнавали об электрическом и магнитном нолях, но
не изучали их характеристики. Здесь они встречаются с особым
видом материи - электромагнитным полем, познают его отличие
от вещее ва. При рассмотрении основ специальной теории отно-
сительности учащиеся знакомятся с современными физическими
представлениями о пространстве и времени.
Политехнические знания школьников пополняются знаниями
физических основ электрификации и эзектроэпергетики. Они
приобретают некоторые умения п навыки обращения с различ-
ными электрическими приборами.
Необходимо подчеркну!ь значение основ электродинамики для
России и других стран, роль науки в обществе. Здесь же важно рас-
смотреть значение изучаемого материала для воспитания интер-
национализма и патриотизма. В данной части курса физики есть
достаточно много ярких примеров, показывающих интернацио-
нальный характер науки и иллюстрирующих существенный вклад
русских ученых в развитие электродинамики как раздела науки
физики, их вклад в использование достижений этого раздела науки
в практике.
Определенное значение изучение электродинамики имеет и для
трудового воспитания учащихся, так как на любом промышлен-
ном производстве, в сельском хозяйстве, быту ребята встречаются
с использованием электрической энергии.
При изучении электродинамики учащиеся должны ясно и кон-
кретно представлять значение в развитии физической науки оте-
чественных ученых (Э.Х Ленца, А.С.Попова. П.Н.Лебедева,
Л.М. Мандельштама, А.Ф. Иоффе и др.). Весьма важно показать
роль радиосвязи, телевидения в развитии современной науки, в
народном хозяйстве, социальной сфере, в жизни народа, в обра-
зовании.
Решение задач развивающего обучения при изучении электро-
динамики направлено на дальнейшее развитие логического, тео-
ретического, научно-технического, диалектического мышления, а
в итоге - на развитие интеллекта и творческих способностей.
Развитию логического мышления школьников способствует
стройная логика электродинамики как раздела науки, опора при
изучении се на общие методы познания '(анализ, синтез, индук-
цию, дедукцию,, аналогию и др.). Формированию теоретического
мышления способствуют те обобщения и идеализации, которые
141
есть в электродинамике. Учащиеся овладевают умениями выделять
в изучаемых явлениях главное, абстрагировать, а далее - делать
необходимые выводы, приобретаю! навыки перехода от общего к
час г ному.
Развитию научно-творческого мышления школьников спо-
собствует знакомство их с разнообразными техническими при-
менениями электродинамики (различные электрические двига-
тели, осветители и др.), выполнение творческих эксперимен-
тальных заданий на уроках физики и при выполнении работ фи-
зического практикума. Нельзя обойти молчанием вопрос о роли
изучения в средней школе электродинамики для формирования у
ребяг представлений о физической картине мира, являющейся
одной из наиболее общих форм отражения природы физической
наукой.
Школьники до этого (хотя им об этом прямо нс говорилось)
встречались с элементами электродинамической картины мира,
являющейся существенным этапом на пути построения современ-
ной физической картины мира1.
Учащимися необходимо разъяснять диалектику развития вггля-
дов на физическую картину мира: ограниченность механического
взгляда и электродинамического подхода к описанию природы.
Определение границ применимости макроскопической электро-
динамики помогает проиллюстрировать познаваемость природы
и безграничность процесса познания, что способствует формиро-
ванию диалектического мышления.
В программе общеобразовательной средней школы раздел
«Электродинамика» следует после раздела «Молекулярная физи-
ка». .Такой подход сложился исторически, но возможны и другие
варианты построения курса физики. Материал электродинамики,
например, можно рассматривать непосредственно после механики,
это позволит подчеркнуть ограниченность механических представ-
лении п вскрыть особенности электродинамики.
Если рассматривать логическую структуру раздела «Электро-
динамика», то в ней надо выделить: формирование понятия элек-
тромагнитного поля и электрического заряда; изучение взаимо-
действия поля и вещества, электрических, магнитных и световых
свойств вещества; изучение законов тока, электрических цепей;
знакомство с элементами CI O: показ основных технических при-
менений электродинамики (рис. 41).
1 Под физической картиной мира понимаю! целостное научное представление о
природе, возникающее на основе наиболее общих понятий и теорий, характеризующих
определенный этан развития физики.
142
Рис 41
3.1.2.	Особенности электродинамики
как раздела физической науки
Д ля выявления особенное гей элек тродинамики как раздела фи-
зической науки следует рассмотреть историю развития электро-
динамики, показать борьбу физических идей при смене механиче-
ской картины мира электродинамической картиной мира.
Принципиальным при рассмотрении особенностей электроди-
намики является то. что электромагнитные взаимодействия спе-
цифичны и не сводимы к механическим.
Классическая механика исходила из принципа дальнодействия и
предел явления о мгновенной передаче этого действия. В случае же
электромашин гною взаимодействия, как показало развитие науки,
необходимо исходить из принципа близкодействия, при этом учи-
гывать конечную скорость передачи действия. Если бы справедлив
был принцип дальнодействия, то в электродинамике основным
понятием был бы электрический заряд г/. а поле являлось всего
лишь вспомогательным понятием. В действительности без понятия
кпектромагпитного поля (совместно с понятием электрического
наряда q) нет электродинамики. В решении этих важнейших для
электродинамики вопросов существенную роль сыграли работы
М. Фарадея, а определяющую - работы Дж. К. Максвелла.
В электродинамике рассматривают следующие силы
1.	Сила, характеризующая взанмодейсгвие покоящихся зарядов:
F - -Ч1 (для вакуума); она носит центральный характер, зави-
4леог2
143
сит от расстояния между взаимодействующими зарядами и не за-
висит от скорости.
2.	Сила взаимодействия тока и магнитной стрелки1 (опыт
Эрстеда): она зависит нс только от расстояния между взаимо-
действующими объектами, но и от силы тока, которая, в свою
очередь, зависит от скорости движения заряженных частиц и
заряда.
3.	Сила, характеризующая взаимодействие двух параллельных
проводников с токами: она не является центральной. Эта сила
пропорциональна силе тока в проводниках (а значит, заряду и
скорости его движения) и обратно пропорциональна расстоянию
между ними.
4.	Сила, действующая на движущийся заряд со стороны маг-
нитного поля. Она зависит от скорости движения заряда, но не
является центральной.
Во всех случаях говорится о скорости частиц относительно ка-
кой-то системы отсчета, именно это и учитывают в электродина-
мике. В электродинамике рассматривают силы, которые зависят
не только от расстояний, но и от скорости движения зарядов в
выбранной системе отсчета. Подобные силы в механике Ньютона
нс рассматривали.
Длительное время электрические и магнитные явления изуча-
лись в историческом порядке, при этом главное внимание обра-
щалось на токи и их взаимодействие, на заряды и их взаимодейст-
вие, но не подчеркивалась специфика этих явлений и взаимодей-
ствий. Постепенно сложилось учение об электричестве и магне-
тизме. По современным представлениям, нет отдельных учений
об электричестве и магнетизме, а есть электродинамика, объеди-
нившая их, причем нс путем простого суммирования, а исходя из
принципиально важных для этих явлений подходов. Опа не толь-
ко описывает эти явления, но и дает им современное объяснение.
Поэтому при изучении основ электродинамики не следует посте-
пенно накапливать факты, а потом, в конце, давать им объясне-
ние. надо принципиальные особенности электродинамики пока-
зывать как можно раньше, из них все время исходить, всюду учи-
тывать.
Эти особенности в основном сводятся к тому, что электромаг-
нитные взаимодействия специфичны, для их объяснения следует
исходить из принципа близкодсйствня и учитывать конечную ско-
рость передачи действия.
1 На магнитную стрелку, блеющую два полюса, действует пара сил. Поэтому
стрелка и поворачивается
144
3.1.3.	Особенности электродинамики
как раздела школьного курса физики
Школьный курс электродинамики отличается абстрактностью
и сложностью учебного материала, поэтому значительное внима-
ние в ее преподавании следует уделить наглядности: физический
эксперимент, аналогии и модельные представления, включая мо-
дели на ЭВМ, экранные пособия, схемы, чертежи, таблицы и т. п.
Ведущая роль в преподавании физики отводится физическому
эксперименту. Не исключение и раздел «Электродинамика». Особое
внимание здесь уделяют фундаментальным физическим опытам, ко-
торые как в науке, так и в обучении считаются основополагающими.
В данном разделе фундаментальных опытов очень много. В средней
школе есть возможность рассмотреть лишь часть из них - именно
те, которые являются основополагающими в различных вопросах
Электре динамики. В первую очередь это следующие опыты: 1) опыт
Кулона по установлению зависимости силы взаимодействия двух
электрических зарядов от модуля этих зарядов и расстояния между
ними; 2) опыт Эрстеда по обнаружению действия электрического
тока па магнитную стрелку; 3) опыт Ампера по взаимодействию
параллельных токов; 4) опыты Ома, вскрывающие характер зави-
симости между силой тока и напряжением; 5) опыты Фарадея по
электромагнитной индукции; 6) 'опыт Герца по получению, обна-
ружению и выяснению свойств электромai нитных волн; 7) опыт
Рикке по выяснению природы носителей тока в металлах; 8) опыты
Тояма ia и Стюарта, Мандельштама и Папалекси, доказывающие
электронную проводимость металлов; 9) опыты Милликена и
Иоффе, подтвердившие атомистическое строение электричества
и позволившие измерить элементарный электрический заряд;
10) опыты Майксльсона и Морли, в которых не были обнаружены
преимущества системы отсчета; 11) опыты Ремера, Физо и других
ученых по измерению скорости света; 12) опыты Юнга, обнаружив-
шие волновые свойства света и т.д. Как видно, число этих фунда-
ментальных для электродинамики опытов достаточно велико.
Некоторые из перечисленных фундаментальных опытов (напри-
мер, опыты Иоффе и Милликена) в школе не демонстрируют, их
лишь разъясняют и иллюстрируют с помощью рисунков. Другие
(например, опыты Фарадея по электромагнитной индукции) де-
монстрируют, по в существенно измененном виде с использовани-
ем современного школьного оборудования. Поэтому у школьни-
ков может создаться впечатление простоты и .легкости решения
соответствующих научных проблем. Отсюда вывод: воспроизводя
фундаментальные опыты с помощью школьного оборудования,
145
необходимо сообщить о тех трудностях, с которыми сталкивались
ученые на самом деле и как их преодолевали.
Кроме фундаментальных опытов, при изучении электродина-
мики следует показать и друше, например опыты, служащие для
введения основных физических понятий, опыты, раскрывающие
суть электродинамики (относительность деления нолей на элек-
трическое и магнитное, одновременное существование электриче-
ского и магнитного полей движущегося электрического заряда и
др.), а также опыты, с помощью которых устанавливают количе-
ственные зависимости между величинами? Принципиально важно
то, что механизм процессов, происходящих в опытах по электро-
динамике, нельзя наблюдать непосредственно - он формируется
нс на макро-, а на макроуровне. Физический эксперимент иллю-
стрирует лишь действия электрических зарядов (токов), а сами
заряды (токи) непосредственно не наблюдаются. В связи с этим
большую пользу в усвоении физической сути явлении оказывают
модели и аналогии, мысленный эксперимент.
При изучении основ электродинамики применяют следующие
модели: свободный электрон; модель электронного газа; модель
проводника п диэлектрика (на основе представлений о свободных
электронах), зонная модель проводника, диэлектрика, полупро-
водника. Наиболее простыми для восприятия являются матери-
альные модели. Но при изучении электродинамики в основном
применяются нс материальные модели, а мысленные модели для
восприятия которых необходим определенный уровень абстракт-
ного мышления учащихся
При изучении электромагнитных явлений можно широко при-
менять и аналогии: между гравитационным и электростатическим
полями; между электрическим током и потоком жидкости; между
явлением самоиндукции и инерции; между явлением термоэлект-
ронной эмиссии и испарением жидкости и др. В ряде случаев для
повышения наглядности обучения можно использовать матери-
альные модели-аналогии. В электродинамике это, главным обра-
зом, функциональные модели-аналогии:
а) механическая модель для разъяснения про-
цессов. происходящих в электрической цепи
(рис. 42). В этой модели скатывание шарика вниз
под действием силы тяжести аналогично пере-
мещению электрических зарядов во внешней
цепи под действием сил электрического поля.
Работа, совершаемая для подъема шарика по
наклонной плоскости, аналогична работе сто-
Рис. 42 ронних сил в источнике тока;
146
б) механическая модель инерционного движения электронов для
объяснения опытов Стюарта и Тол мена, Мандельштама и Папа-
лекси. которыми было доказано, что электрический ток в метал-
чах представляет собой движение электронов.
При изучении электромагнитных воин используют модели ра-
диоприемника, линии радиотелеграфной и радиотелефонной связи,
модель распространения электромагнитных волн и передачи ин-
формации на расстояние.
Следует отметить, что аналогии лишь частично отражают
сходство данного явления или понятия с изученным материалом,
а модели вносят те или иные упрощения в поведение материаль-
ных объектов.
В тех случаях, когда реальный эксперимент провести невоз-
можно, использую! мысленный эксперимент. Например, он имеет
место при рассмотрении взаимодействия заряженных чел в раз-
личных системах отсчета, при изучении постулатов специальной
।сорим относительности и следствий из нее.
Наряду с физическим и мысленным экспериментом, использо-
ванием моделей и анало ни, в учебном процессе целесообразно
постоянно обращаться к ЭВМ и к экранным пособиям.
Еще одна особенность раздела «Электродинамика» - его на-
сыщенность мировоззренческим и политехническим материалом.
Необходимо так организовать работу учащихся, чтобы они глу-
боко и прочно усвоили материал. Целесообразно осветить роль в
развитии физики и техники таких ученых, как А. Ампер, М Фара-
дей, Дж. К. Максвелл, III.Кулон, М. В.Ломоносов, Э. Ленц, А. 1 .Сто-
летов, Я И Френкель, Л.Д.Ландау. П II.Лебедев, А.(.Попов.
I. I ерц, А. Эйнштейн, Г. Юн г, А. Ф. Иоффе, Н. Д. Папалексп,
Л. И. Мандельштам и др.
3.2.	НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ РАЗДЕЛА «ЭЛЕКГРОДИНАМИКА»,
ИЗУЧАЕМЫХ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ
В первую очередь подчеркнем, что под электродинамикой по-
нимают науку о свойствах и закономерностях поведения особого
вида материи - электромагнитного поля, посредством которого
осуществляется взаимодействие между электрически заряженны-
ми телами. Как известно, в природе существует единое элекчро-
магнитное поле, различными проявлениями которого являются
электрическое и магнитное поля. Изучение электродинамики и
147
должно строиться на изучении электромагнитного поля и различ-
ных его проявлений.
Гоки, напряжения, цепи и т. п. - это, можно сказать, вторично.
Сначала надо разобраться с полями.
3.2.1.	Понятие «электрический заряд»
На современной ступени развития науки заряд принимают за
свойство элементарных частиц. Наличие электрического заряда у
тела или частицы, как известно, проявляется в том, что они ведут
себя определенным образом - взаимодействуют с другими заря-
женными телами (частицами). В терминологии теоретической
электротехники, разработанной комитетом технической термино-
логии Академии наук СССР, дано следующее определение:
«Электрический заряд - свойство частиц материи или тел, ха-
рактеризующее их взаимосвязь с собственным электромагнитным
полем, - имеет два вида, известные как положительный заряд
(заряд протона, позитрона и др.) и отрицательный заряд (заряд
электрона и др.); количественно определяется по силовому взаи-
модействию гел, обладающих электрическими зарядами».
В Физическом энциклопедическом словаре электрический за-
ряд определяется как источник электромагнитного ноля, связан-
ный с материальным носителем.
Итак, наличие у тела (частицы) заряда означает, что оно спо-
собно к электромагнитным взаимодействиям. Понятие электриче-
ского заряда и электромагнитного поля - два взаимосвязанных
понятия. Следовательно, понятие электрического заряда можно
формировать только совместно с понятием электромагнитного
тюля, и наоборот. Если рассмотреть электрический заряд и свя-
занное с ним поле в различных системах отсчета, то в случае рав-
номерного движения заряда можно найти такие инерциальные
системы отсчета, где есть либо электрическое поле, либо и элект-
рическое, и магнитное. В случае неравномерного движения заряда
его поле всегда будет электромагнитным - одновременно будут
существовать и действовать и электрическое, и магнитное поля.
Таким образом, для описания электромагнитных явлении сущест-
вен выбор системы отсчета.
Электрический заряд абсолю тен (инвариантен) - он не зависит
от выбора системы отсчета В настоящее время экспериментально
доказано существование этою факта. Хороню известна электри-
ческая нейтральность атомов и молекул. Заряды электронной
оболочки атома и ядра в точности равны друг другу, но характер
148
движения электронов и ядер атомов совершенно различен. Кроме
того, при химических превращениях движение электронов в обо-
лочках атомов изменяется. И если бы заряд хоть в малой степени
зависел от скорости движения частиц, то при химических реакци-
ях могли бы появиться нескомпенсированные электрические заря-
ды, а это можно было бы обнаружить. Есть и другие примеры,
подтверждающие инвариантность электрического заряда
При анализе понятия заряда главное внимание обращаю! на
рассмотрение вопроса об электроне, т. е. элементарной частице,
имеющей отрицательный заряд (именно тот элементарный заряд,
который представляет предел делимости электрического заряда).
Для введения понятия об электроне показывают делимость и
дискретность электрического заряда. Делимость заряда ясна из
простейших опытов перетекания заряда с одного заряженного
тела на другое, незаряженное. Эти опыты осуществимы в школе, и
школьники хорошо понимают их сущность. Все это делается еще в
базовом курсе физики.
Дискретность же электрического заряда была доказана опыта-
ми, которые в школе осуществить нет возможности. Речь идет об
опытах Иоффе и Милликена. По программе общеобразователь-
ной школы фигурировал длительное время именно опыт Иоффе-
Милликена. Вопрос об опыте Иоффе Милликена необходимо
проанализировать, так как в науке такого опыта не было, а из-
вестны отдельно опыт Иоффе и опыт Милликена. В средней шко-
ле в простейшем и доступном виде разъясняют опыт, содержащий
элементы этих двух опытов. Ограничимся рассмотрением только
сущности опытов Иоффе и Милликена, нс проводя расчетов и
подробно не описывая установки.
Допустим, что в электрическое поле между заряженными пла-
стинами конденсатора попадает какое-то заряженное тело. В
опыте Иоффе это металлическая пылинка, в опыте Милликена -
капелька масла. За пылинкой или капелькой масла наблюдают в
микроскоп. Если освещать пространство между пластинами кон-
денсатора ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, то
удается изменить заряд пылинки или капельки масла, а следова-
тельно, будет меняться и их поведение в электрическом поле.
Разберем случай с металлической пылинкой (опыт Иоффе). На
нее действуют сила тяжести и сипа со стороны электрического
поля. Ьсли пластины конденсатора расположены горизонтально
(нижняя из них заряжена отрицательно, верхняя - положительно),
го па пылинку, расположенную между пластинами, действует сила
тяжести /\, направленная вниз, и сила F, со стороны электриче-
149
ского поля, направленная вверх. При этом если по модулю эти
силы равны, то пылинка должна либо остановиться, либо двигаться
равномерно вниз или вверх (это зависит от начальных условий).
Если же сила F больше силы Fx, то пылинка будет ускоренно
двигаться вверх (при F3<Fr - вниз). Другими словами, меняя заряд
пылинки или напряженность электрического поля в конденсаторе,
можно менять характер движения пылинки. Представим себе, что
пылинка находится в состоянии покоя (нс движется, действующие
па нее силы уравновешены). Под действием облучения заряд пы-
линки изменяется, и она начинает двигаться. Чтобы ее остано-
вить, надо изменить напряженность электрического поля, что
доегш ается изменением напряжения на пластинах конденсатора.
Опыт Иоффе показал, что заряд пылинки менялся скачкооб-
разно и тем самым доказал дискретность электрического заряда.
Опыт Милликена дал возможность определить и значение эле-
ментарного заряда (заряда электрона) При анализе этого опыта
необходимо учитывать размеры капельки масла, так что в расчет,
кроме кулоновской силы и силы тяжести, берут еще архимедову
силу и силу Стокса. Этапы опыта следующие. Конденсатор пеза-
ряжен, капелька движется вниз с некоторой установившейся ско-
ростью; учитывая действующие на нее силы, можно определить
эту скорость. Затем создавалось электрическое поле, изменявшее
движение капельки. Измерялась новая скорость установившегося
движения. По этим данным определялся заряд q. Облучая капель-
ки масла рентгеновскими лучами, Милликен наблюдал скачкооб-
разное изменение скорости установившегося движения капельки в
электрическом поле. Оказалось, что во всех случаях в опыте этот
заряд кратен некоторому наименьшему заряду е, т. е. q = ne. На
ЭВМ моделируют чаще всего опыт Милликена.
Таким образом, электрический заряд может принимать только
определенные, дискретные значения, кратные некоторому значе-
нию е- 1,6-10'19 Кл. Таким электрическим зарядом обладает эле-
ментарная частица, получившая название электрон.
3.2.2.	Понятие «электромагнитное поле»
В электродинамике различают макроскопическую, микроско-
пическую и квантовую электродинамику. В средней школе изуча-
ют элементы макроскопической электродинамики - электродина-
мики Максвелла, уравнения которой в электродинамике играют
такую же роль, как законы Ньютона в механике и законы термо-
150
динамики в термодинамике. Эти уравнения записаны для электро-
магнитного ноля, которое характеризуется вектором напряженно-
сти электрического поля Е и вектором магнитной индукции В.
Свойства среды в теории Максвелла характеризуются тремя вели-
чинами: диэлектрической проницаемостью е, магнитной прони-
цаемостью р и удельной электрической проводимостью у.
В общем случае электромагнитное поле в каждой точке описы-
вают шестью величинами (проекциями на оси координат векто-
ров Е и В): Ех, Е,. Е_, Вх, Ву, В=ч между которыми существует
взаимосвязь. Для характеристики электромагнитного ноля в ве-
ществе используют еще два вектора: D - электрическое смещение
(электрическая индукция), II - напряженность магнитного ноля.
В настоящее время принято излагать электродинамику, опираясь
только на основные характеристики электромагнитного поля:
вектор напряженности Е и вектор магнитной индукции В. Клас-
сификация полей приведена на рис. 43.
Общенаучная математическая подготовка учащихся не дает воз-
можности в школе изучать уравнения Максвелла без их упрощения.
Рис. 43
151
Но старшеклассникам необходимо раскрыть основные идеи Мак-
свелла в доступной для них форме и в современных представлениях.
В основном это сводится к тому, что под электромаг нитным полем
понимают один из видов материи, в котором и через посредство
которого в пространстве и во времени осуществляются электромаг-
нитные взаимодействия. Известные школьникам из базового курса
физики электрическое и магнитное поля - частные случаи или раз-
личные проявления единого электромагнитною поля.
Особенно ярко связь электрического и магнитного полей мож-
но показать учащимся на примере явления электромагнитной ин-
дукции.
Связь же переменных электрических и магнитных полей бес-
спорна, эти поля существуют одновременно, обусловливая друг
друга. Это также показывают школьникам при рассмотрении пе-
ременных полей. Они должны уяснить, что для переменного поля
не существует пи одной системы отсчета, где оно выглядело бы
только как электрическое или только как магнитное. Этим пере-
менное электромагнитное поле отличается от стационарного.
Школьники должны быть твердо убеждены в том, что электро-
магнитное иоле - это объективная реальность, которая существу-
ет независимо от нашего сознания: ставим ли мы опыты, выбира-
ем ту или иную систему отсчета и т. д., - электромагнитное поле
существует. Выбор системы отсчета - субъективен. От него не за-
висит само существование поля. Нельзя рассматривать электро-
магнитное поле как «совокупность», «сумму» электрического и
магнитного полей. Электрическое и магнитное поля - проявление
единого целою (электромагнитного) поля в различных условиях.
Электромагнитное поле проявляется по силовому действию па
электрический заряд. На движущийся заряд действует сила, обу-
словленная и электрической и магнитной составляющей поля:
FM = F3 + FM (это так называемая общая сила Лоренца). На покоя-
щийся заряд действует только электрическая составляющая элект-
ромагнитного поля. В этом случае F)M = F. Значит, по силе, дейст-
вующей на покоящимся точечный фиксированный заряд, нахо-
дящийся в электромагнитном поле, можно определить силовую
характеристику электрической составляющей электромагнитно-
го поля в данной точке - вектор напряженности электрического
г
поля Е = —.
Я
Вектор магнитной индукции В - силовая характеристика маг-
нитной составляющей электромагнитною поля. Магнитное поле
действует только па движущийся заряд. Но на движущийся заряд
152
действует и электрическая составляющая электромагнитного по-
ля. Чтобы выяснить, как действует именно магнитная составляю-
щая электромагнитного поля, необходимо выбрать такую систему
отсчета, в которой электромагнитное поле проявляется лишь в
магнитных взаимодействиях, т. е. только как магнитное, а элек-
трическое поле отсутствует (Е = 0). С этой целью воспользуемся
полем покоящегося постоянного магнита или нолем проводника
с током (проводник нейтрален, электрические поля всех отрица-
тельных и положительных зарядов взаимно компенсируются,
электромагнитное поле проводника с током - поле магнитное).
И тогда по силе, действующей на фиксированный движущийся
положительный заряд со стороны магнитного поля, судят о си-
ловой характеристике магнитной составляющей электромагнит-
ного поля:
F = F 1.
эм м
Модуль этой силы равен
FM = vZ? sin а,
где а - угол между направлениями векторов скорости v и маг-
нитной индукции В.
Направление вектора В определяется независимо. За направ-
ление вектора магнитной индукции принимается направление от
южного полюса S к северному полюсу N свободно устанавли-
вающейся магнитной стрелки (существуют и другие правила для
определения направления вектора магнитной индукции).
В случае, когда скорость v и магнитная индукция В взаимно
перпендикулярны, эта сила будет максимальна (FM = qvB'F тогда
магнитная индукция
F
В = -^-.
qv
Модуль вектора магнитной индукции В в данной точке равен
отношению модуля магнитной силы, действующей на положи-
тельный заряд, движущийся со скоростью v перпендикулярно
вектору магнитной индукции Я, к произведению заряда на мо-
дуль скорости.
1 Силу Л'м часто называю! силой Лоренца, поэтому сила = ЛЭ + ГМ была названа
полной силой Лоренца.
153
Направление вектора магнитной индукции В таково, что сила,
действующая на заряд, движущийся в направлении вектора ин-
дукции, равна нулю. В этом принципиальное различие направле-
ний вектора напряженности Е и вектора магнитной индукции В
(направление Е совпадает с направлением силы, действующей в
данной точке па положительный заряд).
При одновременном действии электрических полей в обычных
условиях (если не учитывать особые случаи нелинейной оптики,
когда нарушается принцип суперпозиции) они не влияют друг па
друга, а действуют на заряд независимо друг от друга. Результат
действия этих полей рассматривают как действие на заряд резуль-
тирующего поля, напряженность которого в любой точке равна
геометрической сумме напряженностей каждого из полей:
Ё='£Ё1.
i
Принцип суперпозиции позволяет вычислить напряженность
ноля, созданного любой системой электрических зарядов.
Принцип суперпозиции применим и для магнитных полей. Ес-
ли магнитное поле создается несколькими источниками, то вектор
магнитной индукции результирующего поля в некоторой точке
можно определить как геометрическую сумму векторов индукции
полей, созданных отдельными источниками:
/
Кроме силового действия электромагнитного поля на заряды,
по которому определяют его характеристики, электромагнитное
поле проявляет и другие свойства (обладает определенным запа-
сом энергии, имеет инертную и гравитационную массу и т. д.).
Одни из свойств поля аналогичны свойствам вещества, другие же
характерны только для электромагнитного поля и позволяют от-
личать его как от других видов полей, так и от вещественных объ-
ектов. Заметим, что все процессы, происходящие с участием элек-
тромагнитного поля, подчиняются следующим основным законам:
закону сохранения импульса и закону сохранения момента импуль-
са; закону сохранения электрического заряда (специфический за-
кон, характерный именно для электромагнитных взаимодействий);
закону взаимосвязи массы и энергии.
Справедливость законов сохранения указывает на глубокое
внутреннее единство вещественных объектов и полей. Эти два ви-
да материи обладают рядом общих черт:
154
1)	вещество и поле - два вида материи, которые реально суще-
ствуют независимо от нашего сознания;
2)	вещество и поле обладают энергией;
3)	им присущи как волновые, так и корпускулярные свойства;
4)	все процессы, происходящие в поле, подчиняются основным
законам сохранения;
5)	вещество и поле проницаемы друг для друга. Поле изменяет
свойства вещества (поляризация, намагничивание), а вещество
влияет на поле (это влияние характеризуется диэлектрической и
магнитной проницаемостью);
6)	возможно взаимопревращение вещества и поля (рождение
нары электрон-позитрон за счет фотона и обратный процесс -
шектрон и позитрон, объединяясь, образую! два гамма-кванта).
По электромагнитное поле и вещество обладают и рядом
свойств, которые позволяют их различать;
1)	вещественные объекты друг с другом непосредственно нс
взаимодействуют, взаимодействие происходи т по схеме: частица
поле - частица. Современная теория показывает, а эксперимент
подтверждает, что при больших напряженностях возможны взаи-
модействия между полями;
2)	поля в отличие от вещества не имеют определенной про-
странственной локализации, точно указать их границы невоз-
можно;
3)	один и тот же объем пространства нс может быть занят од-
новременно различными вещественными объектами. В одном и
гом же объеме могут существовать несколько раз шчных нолей;
4)	поле обладает значительно меньшей плотностью энергии и
массы, чем вещество;
5)	вещество имеет массу покоя, у фотона (квант электромагнит-
ного попя) масса покоя равна нулю;
6)	частицы вещества могут двигаться с любой скоростью, не
превышающей скорость света в вакууме, для электромагнитного
ноля в отсутствие сильных гравитационных полей существуют
только две скорости: нулевая - для статических полей п скорость
света-для свободного поля (электромагнитных воли);
7)	поле, в отличие от вещества, нс может служить системой от-
счета. так как скорость его распространения - величина постоян-
ная относительно движущихся и неподвижных объектов.
Электромагнитное поле условно делят на свободное и связан-
ное. Связанное поле - это поле, которое неразрывно связано с
шектрическим зарядом, а свободное поле - как бы «отрываю-
щееся» от заряда и распространяющееся в пространстве в виде
>. 1ектромагнитных волн.
155
В завершение научно-методического анализа основных понятий
и вопросов раздела «Электродинамика» подчеркнем, что современ-
ная электродинамика относится к тем разделам физической науки,
которые являются релятивистскими Обычно релятивистские эф-
фекты проявляются в тех случаях, koi да скорость объекта v при-
ближается к скорости свез а с (v —> с). По в электродинамике реля-
тивистские эффекты проявляются при скоростях v«c. Подробно
об этом будет рассказано в дальнейшем.
3.3. МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ
ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
3.3.1.	Электромагнитное ноле
Формирование понятия элек тромагнитного поля в курсе физи-
ки средней школы начинают в базовом курсе, а завершают в
старших классах профильной школы В базовом курсе при введе-
нии элементарных сведений об электромагнитных явлениях дают
первоначальные представления об электрическом и магнитном
полях, в старших классах - проводят количественное изучение
электромагнитных явлений, рассматривают частные случаи элек-
тромагнитного поля, их свойства и характеристики, вводя! поня-
тие электромагнитного поля; при изучении электромагнитных
волн вводят понятие свободною электромагнитного поля, знания
об электромагнитном поле расширяю! и обобщают при изучении
волновой оптики и кван товой физики.
Обычно понятие электрического поля вводят при изучении
электростатических явлений и связывают с покоящимися заряда-
ми, а понятие магнитного поля вводят при изучении постоянного
тока и связывают с током или движущимися зарядами. Понятие
электромагнитного поля можно вводить в различных местах раз-
дела «Электродинамика»: при изучении магнитного поля движу-
щегося заряда, при изучении электромагнитных колебаний и
волн. Программа общеобразовательной средней школы рекомен-
дует ввести эю понятие при изучении явления электромагнитной
индукции.
На наш взгляд, наиболее целесообразно вводить понятие элект-
рона! нитного поля в начале изучения раздела «Электродинамика».
Начать изучение учебного материала целесообразно с развер-
ну юго введения в электродинамику, где на основе уже имеющихся
у школьников знаний вводят первоначальные представления об
электромагнитном поле. Дальнейшее изучение электромагнитных
156
явлений углубляет и расширяет знания об элек-
тромагнитном поле.
Приведем некоторые замечания по содер-
жанию и возможную методику изучения мате-
риала введения в электродинамику, где вводят
понятие электромагнитного поля.
После повторения и обобщения основных
сведений об электромагнитных явлениях, по-
1учснных учащимися в базовом курсе физики,
выясняют особенности электродинамики,
сравнивают ньютоновскую механику и элек-
тродинамику. Школьникам напоминают, что в
Рис. 44
механике они изучали силы тяготения, упругости и трения, кото-
рые зависят или от расстояния между взаимодействующими тела-
ми, или от их относительных скоростей. Затем предлагают про-
наблюдать опыт по взаимодействию параллельных токов (рис.
44). Это типичный пример электромагнитного взаимодействия.
Ребята наблюдают взаимодействие проводников, но не могут
объяснить причину возникновения силы притяжения или оттал-
кивания, так как расстояние d между проводниками и относи-
тельная скорость электронов в проводниках не изменяются. Зна-
чит. возникли силы, которых в механике не было, эго силы элек-
тромагнитного взаимодействия. В этом случае говорят, что во-
круг каждого из проводников возникло магнитное ноле. Магнит-
ное ноле одного проводника де 1ствует на другой проводник с то-
ком с некоторой силой. Правомерно говорить и наоборот: маг-
нитное поле второго проводника действует па первый.
Затем излагают вопрос о передаче взаимодействий. Ньютонов-
ская механика опирается на принцип дальнодействия (взаимодей-
ствия передаются мгновенно на сколь угодно большие расстоя-
ния). По сущсс1ву, учащиеся это знают, но данную сторону во-
проса теперь следует подчеркнуть и озтенить. Отличительная
особенность электродинамики - необходимость трактовки элек-
тромагнитных явлений с позиций другой концепции (концепции
близкодействия). согласно которой взаимодействия между заря-
дами (токами, магнитами) передаются с конечной скоростью.
Далее школьникам сообщают, что конечность скорости пере-
дачи взаимодействий приводит к тому, что если заряд из точки А
(рис. 45) переместится в некоторую
точку Л\ то изменение силы, дейст- * (+)----------------(+)
вующей на заряд в точке В, произой-	j	в
1ет не мгновенно, а спустя некоторое
время. Поскольку взаимодействие	Рис. 45
157
между электрическими зарядами распространяется с конечной
скоростью (и в среде, и в пустоте), то имеет место какой-то процесс,
распросгранение которого происходит с конечной скоростью. Тог-
да должен быть и какой-то материальный объект (материальный
агент), с которым этот процесс происходи!, так как нельзя пред-
ставить себе процесс, который бы осуществлялся при отсутствии
чего бы то ни было реально существующего. Все это можно объ-
ясни гь, только введя понятие об электромагнитном поле. Реаль-
ность электромагнитного поля подтверждается и иллюстрируется
хорошо известными учащимся фактами: распространением элек-
тромагнитных волн (радиосвязь, телевидение). Эффектны приме-
ры с радиолокацией Луны, с управлением луноходом и др.
Знания учащихся об электрическом и магнитном полях, а так-
же рассмотрение этих полей в различных системах отсчета дают
возможность сделать вывод: существует единое электромагнитное
поле, частные проявления которого - электрическое и магнитное.
Школьникам сообщают, что задача электродинамики - выяснить
свойства и закономерности поведения электромагнитного поля
Понятие электромагнитного поля конкретизируют при выяс-
нении свойств и особенностей различных видов полей: электро-
статического, стационарного и др.
3.3.2.	Роль системы отсчета в электромагнитных явлениях
В электродинамике заряды (или магниты) необходимо рас-
сматривать в различных системах отсчета (покоящихся или дви-
жущихся). Это принципиально важно для доказательства сущест-
вования единого электромагнитного поля Остановимся на ис-
пользовании систем отсчета более подробно.
Роль системы отсчета в объяснении электромагнитных явлений
разъясняю! школьникам на качественном уровне (с помощью не-
сложных примеров, опытов и мысленного эксперимента). Прове-
дем мысленный эксперимент.
Допустим, в какой-то системе отсчета имеются два одноимен-
ных точечных заряда qx и q2. Случай, изображенный на рис. 46.
соозве1С!вует неподвижной системе отсчета К и неподвижным
зарядам. В этом случае имеет место электростатическое отталки-
вание зарядов и q2. Если же рассматривать это взаимодействие
в системе отсчета А’'. движущейся относительно А* с некоторой
постоянной скоростью v (рис. 47), то, кроме электрических сил
отталкивания F>5 появляются магнитные силы притяжения FM.
158
Рис 47
Из данного мысленного эксперимента можно сделать следую-
щие выводы: а) в системе отсчета, относительно ко юрой заряды
покоятся, действует только электрическое поле; б) взаимодействие
неподвижных относительно инерциальной системы отсчета заря-
дов электрическое взаимодействие; в) магнитные силы появля-
ются в той системе отсчета, относительно которой заряды дви-
жутся; г) с любым движущимся зарядом связано магнитное поле;
д) деление полей на электрическое и магнитное ошосительно: су-
ществует единое электромагнитное поле, которое по-разному
проявляется в различных системах отсчета.
Учащимся сообщают и о независимости заряда от скорости его
движения, т. е. значение заряда не меняется при переходе от одной
системы отсчета к другой. Школьников необходимо убедить также
в том, что и поле постоянного магнита по-разному проявляется в
различных системах отсчета: только в одной системе отсчета, отно-
сительно которой магнит покоится, его поле проявляется как маг-
нитное; в любой другой системе, относительно которой магнит
движется, вокруг него существует и электрическое и магнитное
поле. Значит, магнит окружен электромагнитным полем, которое
по-разному проявляется в различных системах отсчета. Это можно
показать только при изучении явления электромагнитной индукции.
В явлении электромагнитной индукции особенно ярко прояв-
ляется относительность деления полей на электрическое и маг-
нитное, роль систем отсчета в объяснении электромагнитных яв-
лений и процессов. Явление электромагнитной индукции рас-
сматривают как в системе отсчета, относительно которой магнит
(магнитное поле) неподвижен, так и в системе отсчета, относитель-
но которой неподвижен проводник. Рассматривая явление элек-
тромагнитной индукции в системе отсчета, связанной с провод-
ником, показывают связь электрического и магнитного полей.
Разбирают примеры, иллюстрирующие зависимость проявления
электромагнитного поля от выбора системы отсчета. Допустим,
159
Рис. 48
что в вагоне движущегося поезда имеется заряженный электро-
скоп (рис. 48). Пассажир, находящийся в вагоне, отмечает сущест-
вование только электрического поля - в системе отсчета, связан-
ной с вагоном, электроскоп покоится, поэтому здесь существует
лишь электрическое поле. Неподвижный наблюдатель, относи-
тельно которого вагон движется, отметит наличие у электроскопа
обоих полей: и электрического и магнитного - в системе отсчета,
связанной с наблюдателем, электроскоп движется, поэтому про-
является одновременно и электрическое, и магнитное поля, т.е.
его поле является электромагнитным.
При изучении электромагнитных явлений следует остановить-
ся па выяснении сущности и проявлениях принципа относитель-
ности в электродинамике. Установлено, что напряженность поля
электрического заряда или магнитная индукция поля магнита за-
висят от скорости движения системы отсчета, поэтому естествен
вопрос: нельзя ли но проявлениям поля в некоторой системе от-
счета судить о скорости се движения? Например, можно ли с по-
мощью электромагнитных явлений определить орбитальную ско-
рость движения Земли? Оказывается, это невозможно. Гак. для
получения индукционного тока существенно относительное дви-
жение проводника и магнита, а не определенная ориентировка
приборов в пространстве. Можно привести и другие примеры.
3.3.3.	Основные характеристики электромагнитного ноля
Введение основных характеристик электромагнитного поля:
вектора напряженности электрического поля Е и вектора маг-
160
шиной индукции В - целесообразно осуществить, рассматривая
действие электромагнитного поля на точечный заряд. Причем ио-
с ie установления (по действию на покоящийся заряд) силовой ха-
рактеристики электрической составляющей электромагнитного
ноля - напряженности Е переходят к магнитной составляющей и
определению вектора магнитной индукции В. что позволит изло-
жить материал раздела с позиций единого электромагнитного поля.
Изучение начинают с сообщения: если заряд покоится, то на
него действует только электрическая составляющая электромаг-
нитного поля (FM - f) ; и тогда силовая характеристика поля опре-
деляет его электрическую составляющую. Следовательно, чтобы
охарактеризова I ь электрическую составляющую электромагнитно-
го поля (электрическое поле), нужно выбрать неподвижный проб-
ный заряд. Гак как вектор напряженности Е характеризует поле в
некоторой точке и в общем случае меняется от точки к точке, то
пробный заряд должен быть точечным. Точечным заряд считают
тогда, когда размеры тела, на котором он находится, малы по срав-
нению с расстоянием до источника исследуемого поля. Пробный
заряд должен быть небольшим, чтобы не искажать исследуемого
поля. Па все эти моменты обращают внимание учащихся, а для
уточнения понятия «пробный заряд» рассматривают примеры.
Изложение вопроса о напряженности электрического поля со-
провождают физическим экспериментом. Сначала целесообразно
установить пропорциональность силы, действующей на заряд со
стороны электромагнитного поля, моду по этого заряда, а затем -
зависимость действующей силы от источника поля. Принципи-
ально важно показать, что для каждой точки электрического ноля
отношение модуля силы, действующей на заряд, к модулю этого
заряда является постоянной величиной: -^- = const и не зависит от
значения заряда. Далее дают определение и формулу для Ё. вы-
ясняю! направление векторов Е н Е.
Формулируют определение напряженности электрического по-
1я: напряженность электрического поля равна отношению силы, с
которой электромагнитное поле действует на точечный заряд, к
>том у заряду Ё = — .
I (П
1 Когда электромагнитное поле проявляется только как электрическое или только
। ак магнитное, индекс у силы мы ставить не будем
6-2781
161
При введении понятия напряженности электрического поля
учащимся разъясняют следующие положения:
а)	напряженность Ё характеризует электрическое поле в дан-
ной точке. В других точках напряженность Е может быть другой.
Если во всех точках вектор напряженности Е постоянен, то такое
поле называют однородным;
б)	если Е = —, то F = qE, т. е. по известному значению вектора
Q
напряженности Е в данной точке легко определить силу Ё, дей-
ствующую на электрический заряд;
в)	если в данной точке пространства различные заряженные
частицы создают электрические поля, напряженности которых
Д, Ёу, Е и т.д., то резулыирующая напряженность в данной
точке равна Ё = Ёх + Ё2 + Ё3+... (принцип суперпозиции);
- F
г)	формула Е =— является, по существу, определением напря-
Я
женпости. она универсальна и не меняет свой вид в различных
системах. Силу определяют различными способами. В частности,
определив силу F из закона Кулона, получают (это могут сделал ь и
учащиеся) выражение для напряженности поля точечного заряда.
Силовую характеристику магнитной составляющей электро-
магнитного поля (вектор магнитной индукции В) вводят при
изучении магнитного поля тока. Это можно сделать, рассматри-
вая силу, действующую на движущийся заряд.
Отметим при этом следующее. Так как электрическое и маг-
нитное поля - две стороны единого электромагнитного поля, то,
вероятно, целесообразно силовую характеристику магнитного
поля вводить по аналогии с силовой характеристикой электриче-
ского поля. Но для случая магнитного поля необходимо брать
пробный движущийся заряд, так как характерная особенное! ь
магнитного поля - действие на движущийся заряд.
Для введения вектора магнитной индукции В целесообразно
использовать физический эксперимент. Собирают установку
(рис. 49), где основная часть - электронно-лучевая трубка, источник
магнитного поля - проводник с током. Сначала выясняют, дейст-
вует ли магнитное поле на покоящиеся заряды (оно не действует).
Далее показывают, что магнитная сила пропорциональна скоро-
сти движения заряда (F ~ v). Исследуют эту зависимость путем
изменения напряжения, разгоняющего электроны в электронно-
162
Рис 49
лучевой трубке. Увеличение напряжения приводит к возрастанию
напряженности электрического поля между катодом и анодом,
что и ведет к увеличению скорости движения электронов в трубке.
Болес сложно установить зависимость силы магнитного взаимо-
действия от электрического заряда движущихся частиц (Л ** q)
Для опыта используют пучки однозарядных и многозарядных ио-
нов, получаемые примерно так же, как и электронные пучки.
В школе рассматриваю г случаи, когда на движущийся заряд
действует максимальная сила /^13Х (vl.B). Модуль вектора маг-
нитной! индукции определяют по формуле
IIUIX
qv
где q положи тельный заряд, v - модуль скорости его движения.
Модуль вектора магнитной индукции В в данной точке равен
отношению модуля максимального значения силы, действующей
на положительный заряд, движущийся со скоростью v перпенди-
кулярно вектору магнитной индукции В, к произведению заряда
па модуль скорости.
Затем школьникам сообщают способ определения направления
век тора В.
Возможны и другие методические пути введения вектора маг-
нитной индукции /3, а именно:
а)	с помощью силы Ампера, действующей в магнитном поле на
проводник длиной А/, сила тока в котором I
163
б)	ио действию магнитного ноля на контур с током. При этом
МПГ1Х д ,	-	.
х , 1де Л/max- максимальный момент сил, действующий на
IS
индукции &| =
, но Ф = В5, а ДФ =
контур с током в магнитном поле, I - сила
тока в контуре, а 5 площадь контура
(рис. 50) (момент сил, действующий на
рамку, максимален, когда вектор магнит-
ной индукции лежит в плоскости рамки, и,
следовательно, нормаль п перпендику-
лярна этому вектору):
в) на основе закона электромагнитной
ДФ
Д/
= В AS, что даст возможность определить
модуль вектора магнитной индукции В,
если измерена ЭДС индукции известно
изменение Д5 площади контура за время Д/.
Каждый из способов обладает своими преимуществами и не-
достатками Выбор способа введения данной характеристики
электромагнитного поля определяется логикой изложения учеб-
ного материала.
Чтобы описать электромагнитное поле в целом или отдельно
сю электрическую и магнитную составляющие, необходимо знать
вектор напряженности Ё и вектор магнитной индукции В в каж-
дой точке пространства. Это можно сделать аналитически, выра-
зив зависимость Е и В от координат в виде формул. Однако ука-
занную зависимость можно представить и графически.
Наиболее распространенный способ (с ним и надо знакомить
учащихся) - изображение линий напряженности электрического
поля (линий вектора напряженности Е) и линии магнитной ин-
дукции (линии вектора магнитной индукции В). Линии поля
(вектора Ё или вектора В) представляют собой кривые, каса-
тельные к которым в любой точке совпадают с направлением век-
тора £ (В) в этой точке.
Следует подробно остановиться на различном характере элек-
тростатического (эпектрического) и магнитного полей, проиллю-
стрировав это. Как известно, линии напряженности электрическо-
го поля начинаются или оканчиваются на зарядах. В отличие от
линий вектора напряженности £, линии магнитной индукции В
164
Рис. 51
Рис. 52
всегда замкнуты. Направление линии Е связано со знаком заря-
да: «выходят» от положительного заряда, «входят» в отрицатель-
ный (рис. 51). Направление линий магнитной индукции В опре-
деляют по правилу правого винта (буравчика) (рис. 52).
3.3.4.	Электрический заряд
и электромагнитное взаимодействие
Понятием «электрический заряд», так же как и понятием
«электромагнитное поле», учащиеся овладевают постепенно по
мере изучения электродинамики.
Школьникам сообщают, что заряд - количественная мера спо-
собности тел к электромагнитным взаимодействиям. При этом
следует обратить их внимание на то. что термин «электрический
заряд» употребляют в различных смыслах: как термин, равно-
значный выражениям «заряженная частица», «заряженное тело»,
для обозначения физической величины.
Еще в базовом курсе физики учащиеся узнали о фундаменталь-
ном свойстве - о существовании зарядов двух видов, причем заря-
1ы одного знака отталкиваются, заряды разных знаков притяги-
ваются друг к другу. Очень важно разъяснить, что электрический
заряд не тождествен веществу. Заряд всегда связан с материаль-
ным носителем - телом или частицей. Электрический заряд - не-
отъемлемое свойство некоторых элементарных частиц. Не суще-
ствует заряда без материального носителя, хотя нейтральные эле-
ментарные частицы есть (нейтрон и др.).
При анализе опыта Иоффе-Милликена показывают, что элект-
рический заряд дискретен, он может принимать строго определенные
значения. Школьники должны знать: вся современная физика при-
водит к выводу о существовании атома электричества элементар-
ного заряда. Есть много доказательств дискретности заряда. Сейчас
их ознакомят с одним из них. в дальнейшем они узнают о других.
165
Необходимо подчеркнуть также, что дискретность заряда эле-
ментарных частиц - проявление одной из существенных особенно-
стей микромира. Далее школьники узнают, что в микромире дис-
кретность присуща и ряду характеристик движения, например
энергии. Это создает некоторую основу для восприятия в даль
пеишем идеи квантования в атомной и ядернои физике.
Учащиеся обязаге 1ьно должны запомнить округленные значения
элементарного заряда и массы покоя электрона: е= 1.6-10 19 Кл,
/д =9Д10 31 кг.
Полезно обсудить в процессе изучения электродинамики раз-
ные методы измерения заряда, например с помощью опыта Мил-
ликена или силы Лоренца: путем измерения силы тока и времени
его протекания: на основе электролиза и др.
Шко гьникам разъясняют, что электрический заряд макроско-
пического тела равен сумме положительных и отрицательных за-
рядов частиц, входящих в состав данного тела. В обычном со
стоянии большинство тел электрически нейтральны - число элек-
тронов в них равно числу протонов. Нейтрален и атом любого
вещества. Таким образом, положительно и отрицательно заря-
женные частицы в веществе связаны и образуют нейтральные сис-
темы. Чтобы получить заряженные макроскопические тела, необ-
ходимо нейтральные тела наэлектризовать. г. с. отделить часть
отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Рас-
сматривают способы электризации. Макроскопическое тело мож-
но зарядить двумя способами: электризацией фением (вернее ска-
зать, соприкосновением) или электризацией через в шяние.
Центральное место в разделе «Электродинамика» при изучении
электрических зарядов занимает закон сохранения электрического
заряда, который подтверждается всеми без исключения наблюде-
ниями. проводившимися до сих пор. В старших к гассах возможна
формулировка этого закона, которая учитывала бы атомистическое
представтение о строении элекфпчества: в изолированной системе
алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается постоянной,
заряженные частицы могут возникать вновь, но всегда рождают-
ся парами: с одинаковыми по модулю и противоположными но
знаку зарядами. Исчезают заряженные частицы гоже парами,
превращаясь в нейтральные. Наряду с данной формулировкой
можно дать и другую - макроскопическую, основанною на идее
возможности измерения заряда: алгебраическая сумма зарядов в
замкнутой системе остается неизменной во времени.
Шко гьникам дают возможное здесь доказательство справедли-
вости закона сохранения заряда: одновременное появление проти-
воположных ио знаку, но равных по модулю зарядов при контакт-
166
пой электризации тел. Позднее они узнают о появлении двух проти-
воположно заряженных частиц в процессе рождения электронно-по-
иггроннои пары, а также о превращении электронно-позитронной
пары в фотоны, чю также является доказательством этого закона.
Можно рассказать еще, что любые процессы электризации тел
(через влияние, химическая электризация в гальваническом элемен-
те, фотоионизация и др.) сводя кя по существу к разделению рав-
ных по модулю зарядов с противоположными знаками. По не менее
важно уяснить еще одно свойство заряда - его инвариантность, т.с.
независимость модуля заряда от скорости движения заряженной
частицы, а значит, и от системы отсчета. Школьникам объясняют,
чго закон сохранения электрического заряда тесно связан с инвари-
антностью заряда. Если бы величина заряда зависела от его скоро-
сти, то, приведя в движение заряды какого-нибудь одного знака, мы
изменили бы суммарный заряд изолированной системы.
Таким образом, заряд не только сохраняется, но и нс зависит
от системы отсчета, он инвариантен. В этой связи надо заметить,
что школьники часто отождествляют понятия «сохранение вели-
чины» и «инвариантность величины». Полезно обратить их внима-
ние на то, что эго не одно и то же: величина может сохраняться и.
гем не менее, не быть инвариант ной. Например, для таких величин,
как энергия, масса, импульс, справедливы законы сохранения, и
в то же время они изменяются при переходе от одной системы от-
счета к другой, т. е. они не инвариант ны. Все электромагнитные
явления протекают так. как должно быть при абсолютности заря-
дов. Это является подтверждением принципа абсолютности (инва-
риантности) наряда.
Основные знания, которые должны приобрести школьники о
взаимодействии зарядов, сводятся к следующему. Для неподвиж-
ных заряженных тел сила взаимодействия определяется законом
Кулона. В случае движущихся зарядов сила электромагнитною
взаимодействия существенно зависит от модуля и направления
скорости. Соответственно электромагнитное взаимодействие как
бы состоит из двух компонент: электрической и магнитной. Лишь
в отдельных случаях (в некоторых системах отсчета) электромаг-
нитное взаимодействие носит только электрический или только
магнитный характер. Но поскольку скорость тела зависит от сис-
темы отсчета, то взаимодействие, его характер определяется сис-
темой отсчета.
Принципиально важно все время подчеркивать: взаимодейст-
вие между заряженными телами (частицами) осуществляется через
поле. Заряженные тела (частицы) непосредственно друг с другом
не взаимодействуют.
167
3.4. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ
ПРОЯВЛЕНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
Различные проявления электромаз нптного поля (электростатиче-
ское, стационарное и вихревое электрические поля) в курсе физики
общеобразовательно i средней школы изучаю! в нескольких темах.
3.4.1.	Электростатические явления. Свойства
и характеристики электростатического поля
Самый прослой случай электромагнитного взаимодействия про-
является при создании поля покоящимися заряженными телами.
В этом случае электромагни ihoc поле предстает как поле электро-
статическое. Электростатическое поле изучают в самом начале
электрод! I н а м и к 11.
В современном курсе физики ведущ imii понятиями при изуче-
нии электростатики являются понятия «электрический заряд» и
«электростатическое поле», по для усвоения этих понятий необхо-
димы закон Кулона и принцип суперпозиции.
Электростатическое поле - поле покоящегося элекзрнческого за-
рядаюпо потенцпально.’Обычно в школьном курсе дают лишь энер-
гетическую чрактовку потенциальности электрического поля. Но од-
ного энергетического анализа потенциальности электрическбго поля
недостаточно - его необходимо рассматривать параллельно с анали-
зом структуры поля. Таким образом, безвихревой характер электро-
статического поля обусловлен его происхождением. Все это должно
найти отражение в пол ходах к изучению учебного материала.
> Остановимся на методике формирования представления о потен-
циальности электростатического поля. Определив потенциальную
энергию заряда в однородном поле и установив независимость ра-
боты электростатических сил от формы траектории. целесообразно
проанализировать аналогичную проблему для поля точечного за-
ряда. Последнее позволит выявить, каким особенностям электро-
статического поля обязан его иогенцвгальный характер, и показать
связь потенциальности поля с фактом существования источников
поля (зарядов). Качественно рассматривают сферически симмет-
ричное поле, липни которого строго радиальны. Потенциальность
электростатического поля связана с фундаментальным законом
электростатики - законом Кулона, из которого можно получить
формулу для потенциала в любой точке поля точечного заряда.
Анализ потенциальности электрического поля точечною заряда
очень важен. Например, если ограничиться рассмотрением только
однородного электрического поля (как это делают в большинстве
учебных пособии), то у ребят может возникнуть нежелательная
ассоциация: «однородное поле - потенциальность». Такая ассо-
циация. будучи применима к магнитному полю, нередко приводи!
к затруднениям в понимании того, почему магнитное поле, кото-
рое тоже может быть однородным, не является потенциальным. В
го же время сферически симметричного постоянного магнитного
поля с радиально расходящимися линиями магнитной индукции в
природе не существует ввиду отсутствия в природе магнитных
шрядов. Эго объясняет разницу в свойствах электрического и
магнитного полей.
При определении работы, совершаемой полем над зарядом,
подводим" десятиклассников к пониманию существа тех свойств
>лсктрических сил. благодаря которым их работа не зависит от
формы траектории (их центральный характер и зависимость
только oi координат).
Установив потенциальный характер электростатического поля,
вводят понятие потенциала. Скалярную функцию координат ф(д) -
потенциал электростатического поля определяют с т очностью до
произвольной постоянной, одинаковой во всех точках. Потенци-
ал можно найти, если известно распределение заряда в простран-
стве. Физический смысл потенциала определяется физическим со-
держанием вектора напряженности Е ^' = -grad(pj'.
Если вектор напряженности Ё - силовая характеристика поля,
го потенциал ф является энергетической характеристикой. 7от
факт, что потенциал задается с точностью до аддитивной постоян-
ной. определяемой выбором нулевого уровня, в известной мере
тишает его самостоятельного значения как характеристики отдель-
ных точек поля. Правда, полностью с таким утверждением со-
гласиться не 1ьзя. Например, указание всех точек поля, имеющих
одинаковый потенциал (эквипотенциальная поверхность), имеет
смысл, и вполне однозначный! В методическом отношении, на наш
взгляд, предпочтительнее сначала вводить понятие потенциала, а
затем уже говорить о разности двух значений этой величины.
Потенциалом электростатического поля ф называют физиче-
скую величину, определяемую отношением потенциальной энср-
i ии заряда, находящегося в электрическом поле, к этому заряду.
Обычно оперируют разностью потенциалов ф] - ф2. которую вы-
1	Учащимся обьясняют лишь связь напряженное in ыек i рос i а ги ческою ноля п
разности потенциалов ft =-. । де расстояние Ас/ взяго по направлению век юра на-
AJ
пряженное nt Е
169
ражают через раооту по перемещению заряда из одной точки поля
в другую. Эта работа равна изменению потенциальной энергии
заряда, но с противоположным знаком (поэтому необходимо сле-
дить за тем, чтобы правильно брать направление перемещения
электрического заряда):
^12
Ф1-(Р2= —’
где А12 - работа по перемещению заряда из начальной точки в ко-
нечную.
Подчеркивают, что работа в электростатическом ноле не зави-
сит от формы траектории, а ее знак зависит от направления
(откуда и куда движется заряд). Легко видеть, что
Л,2 = ?(<Р1 - <Рз) 
где 7 - начало, а 2 - конец траектории перемещения заряда (рис. 53).
Резюмируя сказанное, можно наметить такую последователь-
ность рассуждений при введении понятия потенциала: а) устанавли-
вают факт независимости работы поля от формы траектории при
перемещении заряда в поле из одной точки в другую; б) зафиксиро-
вав одну из точек (нулевая точка), определяют работу, совершае-
мую полем при перемещении заряда (частицы) из данного поло-
жения в нулевое. Так как работа находится через электрическую
силу, которая всегда пропорциональна заряду </, а потенциальная
энергия заряда находится через работу, то и сама потенциальная
энергия оказывается пропорциональной этому заряду. От сюда
следует, что оiношение потенциальной энергии к заряду не зависит
от заряда и в каждой точке электрического поля может служить
его энергетической характеристикой, называемой потенциалом
электростатического поля; в) сообщают, что модуль и знак потен-
циала определяются выбором нулевого уровня; г) устанавливают,
что при выборе нулевого уровня в бесконечно удаленной точке
пространства потенциалы всех остальных точек поля, созданного
положительным зарядом, имеют положи 1ельный знак, потенциа-
лы точек в поле отрицательного заряда - отрицательный знак;
д) сообщают, что потенциалы в точках поля, созданною совокуп-
ностью зарядов, находятся алгебраическим суммированием потен-
циалов полей, созданных в этих точках от-
дельными зарядами; е) выясняют, что под
действием поля свободные положительные
заряды движутся в сторону уменьшения
потенциала, а отрицательные - в сторону
увеличения потенциала; ж) вводят понятие
170
жвииотенциальной поверхности и устанавли-
вают, что линии напряженности электростати-
ческого поля перпендикулярны эквипотенци-
альным поверхностям и направлены в сторону
убывания потенциала.
Кроме тою. с учащимися необходимо рас-
смотреть связь между напряженностью поля и
потенциалом (для однородного поля ср, -(р2 =
= Ed, где d - расстояние между двумя заряжен-
ными пластинами): формулы (без вывода) по-
генциала электростатическою поля точечного
заряда в вакууме (<р = —!——, где е0 =8.85 10
4яеп г
Нм
электри-
ческая постоянная) п потенциальной энергии взаимодействия
двух точечных зарядов (IV =—1—cheh ); единицы и методы из-
/’ 4ле0 г
мсрсния разности потентатов.
Чтобы проиллюстрировать, что должны знать учащиеся об
электростатическом поле, формулируют его основные свойства.
1)	Электростат ическое поле действует с некоторой силон как на
покоящиеся, так и на движущиеся электрические заряды. Например,
гильза отклоняется от вертикального положения в электрическом
ноле (рис. 54); пучок электронов, прошедших через узкую щель,
при поднесении к трубке наэлектризованной эбонитовой палочки
также будет отклоняться от первоначального направления, он от-
клоняется и в электрическом поле двух разноименно заряженных
пластин (рис. 55).
2)	Электростатическое поле обладает некоторым запасом энер-
гии, оно способно совершать работу.
3)	Электростатическое поле непосредственно с магнитным по-
лем не связано.
4)	Электростатическое поле потенциально. Линии напряжен-
ности электростатического поля начинаются или заканчиваются на
зарядах. Эго демонстрируют с помощью картин различных элект-
ростатических полей.
Очень важно помнить, что элек-
гростатическос ноле, как и гравита-
ционное, - ноле центральных сил,
поэтому в электростатике весьма
уместно проводить аналогию между
электростатическим и гравитацион-
Рис. 55
ным полями.
171
Затем рассматривают закон Кулона, установленный с помо-
щью фундаментального опыта. В самой формулировке закона Ку-
лона указывают на неподвижность взаимодействующих заряжен-
ных тел. Школьникам разъясняют особый смысл этого условия.
Дело в том, что взаимодействие зарядов осуществляется посредст-
вом электромагнитного поля, скорость распространения которого
конечна и равна скорости света. В закон Кулона входит только рас-
стояние, но не входит время. Всякое смещение одного из зарядов
скажется на другом не сразу, а через некоторое время, необходимое
электромагнитному сигналу для того, чтобы «пролететь» расстоя-
ние, разделяющее заряды. В силу этого взаимодействие между заря-
дами не может определяться просто расстоянием между ними. Если
скорость электромагнитного поля была бы бесконечно большой, то
закон Кулона был бы одинаково справедлив как для неподвижных,
так и для движущихся зарядов. Но тогда понятие электромагнитно-
го поля оказалось бы излишним, его никак нельзя было бы обна-
ружить. Поскольку электромагнитные сигналы раснросграняются с
большой, но конечной скоростью, взаимодействие движущихся за-
рядов нельзя рассмотреть без электромагнитного поля. Подобные
рассуждения убеждают старшеклассников в том, что электромагне-
тизм неразрывно связан с конечностью скорости света, т.е. элек-
тродинамика является релятивистским разделом физики.
В формулировке закона Кулона имеется указание на точеч-
ность заряда. Учащимся необходимо разъяснить смысл этого ог-
раничения: закон Кулона может быть применен и тогда, когда
заряды нельзя считать точечными. По в этом случае вначале надо
мысленно разделить заряженное тело на отдельные элементы, ка-
ждый из которых рассматривают как точечный, а затем векторно
просуммировать полученные силы.
Возможность суммирования действия отдельных зарядов на
какой-либо данный заряд (принцип суперпозиции) - опытный факт,
как и закон Кулона. Это обязательно следует разъяснить школьни-
кам, ибо они должны знать не только физические законы и прин-
ципы. но и понимать, что в физике является опытным фактом, а
что - логическим следствием.
3.4.2.	Ст ационарное электрическое поле. Разность
потенциалов, напряжение, электродвижущая сила
Стационарное электрическое поле изучают в старших классах
при рассмотрении законов постоянного тока. В качестве основно
го здесь выделяют понятие электродвижущей силы.
172
Еще из курса физики базовой школы учащиеся знают, что для
длительного существования тока в проводнике в нем должно по-
стоянно существовать электрическое поле. Эго ноле должно непре-
рывно поддерживать движение заряженных частиц в проводнике.
На основе анализа свойств электростатического поля, с кото-
рым школьники уже знакомы, следует показать, что данный вид
тпектри ческою поля не может поддерживать движение заряжен-
ных частиц в проводнике. Действительно, без восполнения энер-
। ни статическое поле не может пост оянно двигать заряды, совер-
шая при этом работу.
Известно также, что разность потенциалов на любом участке
цепи при постоянном токе остается неизменной.
Следовательно, напряженность электрического ноля Е в про-
воднике, а значит, и энергия этого поля остаются неизменными.
Но при протекании тока выделяется теплота. За счет какой же
шергии происходит назревание проводников цепи? Эта энергия
доставляется в цепь устройством, в котором неэлектрическая
шергия преобразуется в энергию электромагнитного поля.
Не вдаваясь на первых порах в детали всех процессов преобра-
зования энергии в электрической цепи, можно лишь в общих чертах
сказать, что механизм такой перекачки при постоянстве поля во
времени сводится к доставке электромагнитным нолем энергии
извне внутрь проводников, причем это происходит на каждом
участке цени. Данный вывод, основанный на расчете вектора плот-
ности потока энергии электромагнитного поля (вектора Умова-
Нойнтинга), не может быть изложен школьникам элементарно.
Однако факт существования электромагнитного поля как вну ри,
гак и вне проводников при протекании в них тока можно проде-
монстрировать экспериментально.
Существование магнитного поТгя показывают с помощью маг-
ии гной стрелки (опыт Эрстеда), что касается электрического поля
вне проводника, то можно продемонстрировать картину линий
напряженности.- В проекционную ванну, заполненную касторовым
или трансформаторным маслом с небольшим количеством ман-
ной крупы, помещают два деревянных электрода, которые при-
соединяют к высоковольтному выпрямителю. На экране наблю-
дают картину электростатического поля двух разноименно заря-
женных проводников. Из опыта делают вывод, что линии напря-
женности перпендикулярны к поверхности проводников (рис. 56).
При замыкании цепи поперечной деревянной пластиной происхо-
дит изменение картины поля. Кривизна линий напряженности в
разных точках различна (рис. 57). Из эт ого опыта следует, что на-
тичие тока вызывает искривление линий напряженности электри-
173
Рис. 56	Рис. 57
ческою ноля, они уже не перпендикулярны к проводнику, как эго
имело место в электростатике.
—2 Следовательно, электрическое ноле проводника с током огли-
чается от поля электростатического. Его называю! стационарным
элек грическим полем
Образование стационарного электрического ноля объяснить
ученикам довольно трудно, особенно процесс его возникновения,
когда замыкается цепь, подключенная к источнику тока. Пра-
вильнее будет рассказать утащимся о том. что происходит, koi да
в электрической цепи установится постоянный электрический ток.
Во-первых, учащиеся должны знать, что вектор напряженности
электрического поля Ёне перпендикулярен поверхности провод-
ника. так что его можно разложить на две составляющие: перпен-
дикулярную к поверхности проводника Е„ и направленную вдоль
проводника . Эта продольная составляющая вектора напря-
женности электрическою поля и создает направленное движение
электронов в проводнике, т. е. электрический ток.
Во-вторых, при стационарном электрическом ноле в провод-
нике существует не просто ток, а постоянный ток, т. е. электриче-
ские заряды движутся равномерно.
Электромагнитное поле иосюянною тока имеет как электри-
ческую. так и магнитную составляющую (компоненты). Но ока-
зывается. что эти компоненты нс связаны между собой и их мож-
L, но изучать отдельно Независимость электрической и магнитной
компонент следует из анализа уравнении Максвелла для случая
постоянною во времени ноля.
В этом случае система уравнений Максвелла распадается на
две независимые друг от друга части.
В-третьих, надо сообщить, что стационарное электрическое
поле - поле потенциальное, как и электростатическое. Источни-
ками сю являются как бы неподвижные заряды ."Эту неподвиж-
ность электрических зарядов в случае постоянного тока следует
понимать в том смысле, что пространственное распределение за-
рядов нс меняется со временем. В действп гельности электрические
174
заряды как бы обмениваются местами, но их концентрация нигде
во времени не меняется. Как это объяснять учащимся, будет пока-
зано ниже.
Силовой характеристикой стационарного электрического поля
является вектор напряженности Е, но это суммарный вектор,
представляющий собой сумму двух- векторов: вектора напряжен-
ности электростатического (кулоновского) ноля Е и вектора
напряженности стороннего поля Ест, т. с.
Е = Е + Ё .
'•'кул ст"
Энергетической характеристикой стационарного электриче-
ского поля является напряжение.
Из курса физики базовой школы школьники знают, что на-
пряжение на концах участка цепи
1/=—.
ч
где А - работа тока на данном участке цепи, a q - заряд, прошед-
ший по этому участку. В нашем случае следует записать
Ч
где Лкул - работа по перемещению заряда на участке под действи-
ем кулоновских сил, /1С1 - работа по перемещению заряда под дей-
ствием сторонних сил, или
KV 1
q q
По определению
— = <Pi -Ф2<
Я
т. е. разности потенциалов в электростатическом (кулоновском)
поле. Величину —— называют электродвижущей силой источника
тока (обозначается буквой $). Тогда получаем
£/=ф| -ф2 + &
175
Принято, что знак ЭДС зависит от направления тока и направ-
ления обхода цепи При этом положительной считают ЭДС, уве-
личивающую потенциал в направлении тока (ток внутри источ-
ника идет от отрицательного полюса к положительному). Если
рассматривать поля, то напряженность поля сторонних сил всегда
направлена в сторону, противоположную напряженности элек-
тростатического (кулоновского) ноля внутри источника тока.
Итак, напряжение U характеризует стационарное электриче-
ское поле. Разность потенциалов энергетическая характеристика
кулоновского (электростатического) поля:
л
нуя
Ф| -<Р2 =——’
Q
3J\C энер] етическая характеристика стороннего ноля:
л
<!
Только в том случае, когда ЭДС равна нулю (£ - 0). напряже-
ние на участке цени равно разности потенциалов на его концах:
ф| - <р2 = и.
Понятие напряжения весьма трудно усваивают в базовой шко-
ле. но в старших классах затруднений оно обычно не вызывает.
Здесь возможны трудности, связанные слить терминологией -
В программе старших к laccos школы понятие о напряжении
изучается при рассмотрении электрического поля, т. е. его связы-
вают с электростатическим полем и с разностью потенциалов.
При этом закон Ома для участка цепи записывают в ви?де- £7 д IR
где под U понимают падение напряжения. Закон Ома для полной
I &
цепи / =-----, из которого следует
R + r
IR + Ir = &
т. с. электродвижущая сила источника тока равна сумме падений
напряжения на внешнем и внутреннем участках цепи. При таком
подходе напряжение (как разность потенциалов) является харак-
теристикой кулоновского поля.
Различная трактовка понятия напряжения играет существен-
ную роль лишь в случае участка цени, содержащего ЭДС, если же
на участке цепи ист источника ЭДС (именно этот случаи и рас-
176
сматривают в основном в школьном курсе физики), то и при пер-
вой трактовке U = (<р] - <р2) + £ напряжение тождественно разности
потенциалов, так как f = 0.
В заключение изучения стационарного электрического ноля
необходимо кратко повторить отличия данного поля от электро-
статического: напряженность стационарного поля внутри про-
водников пе равна нулю именно поэтому в них и перемещаются
свободные заряды, линии напряженности не перпендикулярны к
поверхности проводников, поверхности проводников не являются
жвнпотенциальнымн. распределение зарядов па поверхностях
проводников с током иное, чем при электростатическом равнове-
сии зарядов, устанавливающемся в случае обрыва цепи, и т. д.
Кроме того, следует показать и общие черты электростатического
и стационарного полей: оба они потенциальные, линии напря-
женности обоих полей незамкнутые - они начинаются или окан-
чиваются на зарядах. Поэтому к стационарному электрическому
нолю применимо понятие потенциала
Потенциальный характер стационарного электрического поля
можно обосновать и такими доводами, которые вполне доступны
школьникам: сила постоянного тока во всех сечениях цепи одина-
кова: заряды нигде не накапливаются и не исчезаю г, что значит -
при наличии тока в проводнике распределение зарядов в про-
странстве нс меняется со временем, хотя заряды и находятся в
движении (просто одни заряженные частицы занимаю! места дру-
гих. а те - третьих и т. д.). Постоянный ток подобен безвихревому
течению жидкости - сколько бы снимков мы ни сделали в разные
моменты времени, получим один и тот же вид. Но неизменность
пространственного распределения зарядов является признаком
потенциальности поля. Таким образом, основное требование к
зарядам, при котором поле можно счита»ь потенциальным, вы-
полняется и при наличии постоянного тока. Значит, стационарное
поле является потенциальным

3.4.3.	Магнитное поле и ei о особенности
С магнитным полем учащихся знакомят после того, как их уже
ознакомили с электростатическим и электрическим стационарным
полями. Поэтому, изучая свойства магнитного поля, целесооб-
разно сравнивать свойства и выяснять особенности этих полей.
Сначала рассмотрим магнитное поле, которое связано с равно-
мерно движущимся зарядом или постоянным током. В отличие
от электростатического и стационарного полей, магнитное поле
177
не потенциально, а имеет вихревой характер. У старшеклассников
возникают особые трудности при выяснении вопроса: почему маг-
нитное поле не является потенциальным? Дело в том, чю обычно
потенциальный характер электростатического поля утверждает-
ся из равенства нулю работы по перемещению заряда по замкну-
тому контуру в данном иоле. Если же работа по перемещению
заряда вдоль замкнутого контура в некотором поле отлична от
нуля, то поле будет вихревым. Далее рассуждаю! аналогично:
раз магнитное поле вихревое, то работа сил магнитного поля по
замкнутому пути нс равна нулю. Но при изучении действия маг-
нитного поля на заряды (сила Лоренца) школьников убеждают в
том, что магнитное поле вообще не совершает работы при пере-
мещении зарядов, так как векторы скорости v заряда и дейст-
вующей на него силы / взаимно перпендикулярны. Поэтому на-
до разъяснить более обстоятельно смысл понятий «вихревое по-
ле», «потенциальное поле», без этого нельзя изложить материал
доступно.
Обоснование того, что магнитное поле имеет вихревой харак-
тер, связано с циркуляцией вектора магнитной индукции В по
замкнутому контуру, охватывающему проводник с током /, и сво-
дится к доказательству того, что она не равна нулю. Но это не-
доступно учащимся средней школы. Приходится ограничиваться
только рассмотрением графического изображения полей (в случае
электростатического поля - линии вектора напряженности Е, а в
случае магнитного поля - линий вектора магнитной индукции В).
Учащимся говорят, чю электростатическое поле является без-
вихревым. его линии не замкнуты (они начинаются пли заканчи-
ваются на зарядах). Таким образом, то, что линии вектора маг-
нитной индукции замкнут, а происхождение поля связано с дви-
жущимися зарядами (током), означает отсутствие магнитных за-
рядов и доказывает вихревой (непотенциальный) характер маг-
нитного поля.
Свойства электрического и магнитного нолей целесообразно
изучать в одной и той же последовательности, так как это позво-
лит лучше выявить различие этих видов полей. Сначала показы-
вают, что магнитное поле действует только на движущиеся элек-
трические заряды (на покоящиеся оно не дейст вует).
Можно проделать такой опыт. Электрическая цепь состоит из
источника тока (аккумулятор), реостата и ключа. Участок цепи в
виде гибкого проводника свисает со штатива, т. е. расположен вер-
тикально. Рядом с ним находится дугообразный магнит. Провод-
ник присоединяют к отрицательному полюсу аккумулятора. Ко-
па ключ разомкнут, в цепи электрического тока ист. но провод-
ник заряжен отрицательно (заряд покоящийся). Как бы мы ни
подносили при этом к проводнику магнит, проводник своего по-
ложения не меняет. Следовательно, магнитное ноле на неподвиж-
ные электрические заряды не действует .
ienepb замкнем электрическую цепь, по пси пойдет ток (заря-
ды движутся), и проводник либо втянется в магнит, либо вытолк-
пется из нею. Следовательно, магнитное поле дсиствус! на дви-
жущиеся заряды.
Магнитные силы не центральные, следовательно, магнитное
поле не может быть центральным. Это показывают на опыте:
I ибкнй проводник, расположенный вблизи электромагнита, при
пропускании по нему тока навивается на электромагнит (рис. 58).
(В установке один аккумулятор питает обмотку электромагнита,
другой создает ток в цепи гибкого проводника.)
При рассмотрении этого случая возникает интересная проб-
тсма: на движущийся заряд магнитное поле действует с силой F
перпендикулярно скорости ею
движения. Но если Л±р. ю
электрический заряд в маг-
нитном поле должен двигать-
ся по окружности. Из этою
можно сделать еще один вы-
вод: магнитные силы изменя-
ют траекторию движения за-
ряда. по работу при этом не
совершают.
Если же в магнитное поле
вводят проводник с током и он
при этом перемещается, то в
пом магнитном поле работа
совершается. Она связана с
действием силы \мпсра:
= М/В sin а.
где а угол, который состав-
ляет век юр магнитно и индук-
ции В с направлением отрезка
проводника с током (элемента
тока).
Рис. 58
179
I
Дн«>
Рис. 59
Чтобы разобраться в данном во-
просе, проделаем такой опыт: возь-
мем источник тока и присоединим к
нему не покрытый изоляцией провод-
ник, расположенный в горизонталь-
ной плоскости (рис. 59). Этот провод-
ник замыкается подвижной токопро-
водящей перемычкой длиной /. Век-
тор индукции магнитного поля В
перпендикулярен плоскости, в кото-
рой расположены проводники, и на-
правлен вертикально вверх.
По проводнику идет ток /, и на ка-
ждый элемент подвижного проводника А/ действует сила Ампера
(а = 90°):
= I&IB.
Допустим, что проводник, движущийся со скоростью V. за
время I переместится на расстояние .s. Тогда сила Ампера совер-
шает работу:
ЛА = Тдл = IMBvl * 0.
Сделанный вывод подтверждается хорошо известным учащим-
ся из курса физики базовой школы фактом: электродвигатель по-
стоянного тока совершает работу (там есть магнитное ноле, соз-
данное статором, и электрический ток в обмотке ротора). Поэто-
му учащиеся склонны считать, что работу совершает магнитное
поле, что неверно. Для устранения возникших затруднений необ-
ходимо найти работу магнитного поля в случае, когда в движу-
щемся проводнике длиной / поддерживается постоянный ток.
Причем это можно сделать только после изучения явления элек-
тромагнитной индукции, предложив ребятам логико-поисковое
задание: рассчитать механическую работу и полную работу поля.
Механическая работа равна:
Лмех = IlBvB
но // = q - заряд, прошедший за время /. И тогда
= qBlv.
MCA	I
Но механическая работа не составляет всю работу магнитного
поля. Дело в том, что при движении проводника в магнитном по-
180
нс в проводнике под действием индукционного электрического
поля (£, = vBl) возникает индукционный ток, направленный на-
встречу основному току, т.е. ЭДС индукции совершает отрица-
гсльную работу AH = -qvBl. Следовательно, полная работа маг-
нитных сил А = А мех +	= 0.
Л1СЛ	1
Таким образом, магнитное поле хотя и совершает механиче-
скую работу, перемещая проводник с током, но. создавая встреч-
ный индукционный ток, само и тормозит движение проводника,
совершая тем самым отрицательную работу. Заряды же движутся
в проводнике без торможения, т.е. в проводнике поддерживается
постоянный ток за счет работы источника тока. Именно источник
гока поставляет энергию, необходимую для работы электродви-
гателя.
Магни гное поле, как и электростатическое, обладает некото-
рым запасом энергии. Плотность энергии магнитного поля:
в2
где р0 магнитная постоянная.
Обычно в курсе физики средней школы формулу для плотности
энергии магнитного поля не приводят, а дают выражение для
энергии магнитного поля катушки индуктивности через силу тока
(гак как энергию магнитного поля называют энергией электриче-
ского тока):
и;
1 де L - индуктивность катушки.
К пониманию последней формулы старшеклассников подво-
дя!. сравнивая процесс установления в цепи силы электрического
юка и процесс приобретения некоторым телом определенной
скорости. Сила гока I аналогична модулю скорости г, а индук-
ции юсть L аналогична массе т (обе величины характеризуют
инертные свойства). Наличие индуктивности в электрическом
контуре приводит к тому, что контур приобретает определенную
своеобразную электрическую инертность, выражающуюся в том,
что любое изменение силы тока тормозится, причем тем сильнее,
чем больше индуктивность контура.
Выражение это энергия магнитного поля, связанного с
гоком. Чтобы выразить се через величины, характеризующие са-
181
мо поле, можно рассмотреть бесконечно длинный соленоид ин-
дуктивное! ью L, магнитное поле которого характеризуется ин-
дукцией В.
Ы1
Если в формулу И'м=——, подставить значения L = p0/72E и
г В
I =---, где п - число витков, приходящихся на единицу длины,
а V - объем соленоида, то получим выражение для энергии
и плотности энергии


Надо помнить, что говорить о количественном выражении
энер! ни Магнитного поля можно только после ознакомления
школьников с явлением электромагнитной индукции.
Выясняя свойства магнитного ноля, необходимо не то ibko ука-
зать иа вихревой характер данного поля, ио и показать картины
различных нолей: прямолинейного проводника с током, контура,
соленоида. Следует научить учащихся практически определять
направление силы, действующей на движущийся заряд и провод-
ник с током в магнитном поле, а также направление линий векто-
ра магнитной индукции.
Кроме того, необходимо подчеркнуть и экспериментально
подтвердить, что магнитное поле связано с любым движущимся
зарядом. Например, магнитное ноле обнаруживается вокруг ме-
таллического проводника с током (опыт Эрстеда): электрический
ток в газах и растворах электролитов также сопровождается элек-
тромагнитным полем. В 1911 г. А.Ф. Иоффе осуществил опыт,
подтвердивший наличие магнитною ноля вокру! пучка электро-
нов. Ученый показал, что в сосуде, из которого откачан воздух,
пучок электронов создает такое же магнитное поле, как и метал-
лический проводник, в котором сила тока равна силе тока, созда-
ваемой электронным пучком.
В заключение сообщают о том, что свойства магнитного поля,
как и поля электростатического. нашли широкое практическое
применение.
Весь материал, изложенный в данном параграфе, нужно объяс-
нить старшеклассникам, так как он им доступен. Но можно сде-
182
1ать и некоторые исключения: не рассматривать и даже нс упоми-
^2
пать опыт Иоффе, не давать вывода плотности энергии w ------.
.	2Ро
3.4.4.	Вихревое электрическое поле. Явление
электромагнитной индукции
Школьники уже изучили потенциальные электростатическое и
стационарное поля, а также вихревое магнитное поле. Теперь их
нужно познакомить с вихревым электрическим полем, а также с
изменениями во времени электрического и магнитного вихревых
полей, со связью этих полей. Все это удается сделать при изучении
явления электромагнитной индукции, открытого МгФарадесм.
Им же был сформулирован и закон электромагнитной индукции:
во всех случаях ЭДС индукции равна скорости изменения магнит-
ного потока через площадь, ограниченную контуром, взятой с
противоположным знаком. Этот закон обычно записывают в
дифференциальном виде, но в школьном курсе вместо дифферен-
циалов берут конечные приращения, или изменения. Но в послед-
ние годы, когда учащиеся старших классов знакомятся в школе с
дифференциалами, можно записать закон уже не через конечные
приращения, а в дифференциальном виде. ЭДС электромагнитной
индукции Д- связана со скоростью изменения магнитного потока
ДФ
---следующим образом:
Д/
,, ДФ ( о б/Ф"!
Д/ L	di J
Знак «минус» в законе объясняется правилом Ленца или зако-
ном сохранения энергии.
Явление электромагнитной индукции демонстрируют различ-
ными способами: при движении проводника в поле неподвижного
магнита; при движении магнита относительно проводника; в мо-
менты включения и выключения тока в катушке электромагнита;
при увеличении и уменьшении силы тока в индукционной катушке.
Таким образом рассматривают все возможные случаи изменения
магнитного потока, пронизывающего данный контур, и случай
относительного движения проводника и магнита.
Иаша основная цель - разобраться в физической сущности яв-
1ения электромагнитной индукции, в объяснении причин ее воз-
никновения.
183
Рассмотрим простейший случай: магнитное поле однородно и
его вектор магнитной индукции В перпендикулярен плоскости, в
которой находится контур площадью 5. Магнитный! поток Ф в
этом случае равен BS, а возникающая при изменении магнитного
Д(В5)
пог ока ЭДС индукции =-------—L. Так как магнитная индукция В
"	А/
и площадь контура S могут изменяться одновременно, то можно
записать
А/ Аг
Первый член в этом выражении характеризует ЭДС индукции,
возникающую при изменении во времени п ощадн контура, кото-
рый пронизывается магнитным потоком, а второй - ЭДС индук-
ции, возникающую при изменении маг ни гною поля.
Именно эти два случая возникновения ЭДС индукции и долж-
ны быть объяснены школьникам.
Обратимся сначала к первому случаю. Если площадь контура
изменяется, то части проводника, образующею ею. обязательно
приходяг в движение. 1огда на заряды в этих проводниках дейст-
вует сила Лоренца, которая и перемещает при возможности эти
заряды Для объяснения этого случая явления электромагнитной
индукции у учащихся знания есть - им известно, что магнитное
поле действует на движущиеся заряды.
Теперь предстоит разобраться во втором случае, когда изменя-
ется магнитное поле. Проводники и заряды в этом случае непод-
вижны.
Па неподвижные электрические заряды может действовать
только электрическое поле. Если в покоящемся проводнике воз-
ник электрический ток, значит, на находящиеся в нем свободные
электроны подействовало электрическое поле. За счет, чего же оно
появилось, ведь в системе отсчета, связанной с неподвижным про-
водником, есть только меняющееся магнитное поле? Следова-
тельно, можно предположить, что изменяющееся магнитное поле
вызывает появление электрического поля. Это поле называют ин-
дукционным или вихревым электрическим полем.
Па существование вихревого электрического поля было указа-
но Дж К. Максвеллом. Ученый детально проанализировал явле-
ние электромагнитной индукции и сделал вывод, причина появ-
ления ЭДС индукции заключается в возникновении вихревого
электрического поля.
184
. ' )
1
Индукционное электрическое поле имеет ряд особенностей
(отличается от поля покоящегося заряда поля постоянного тока),
гак как оно не вызвано определеннылГраспределепием зарядов, а
определяется изменением магнитного поля.
Особенности вихревого электрического поля целесообразнее
выяснить, сравнивая его с-другими видами полей, а именно: с
электрическим, имеющим иотенциальный характер^ и с магнит-
ным. которое, как и индукционное электрическое поле, является
вихревым.
Силовое действие индукционного электрического поля на за-
ряды характеризуется вектором напряженности Е. Энергетиче-
ская характеристика индукционного поля ЭДС индукции Д.
Внимание учащихся обращают на особенности ЭДС индук-
ции. Прежде всего надо сказать о том, что ЭДС индукции разви-
вается во всей цени в целом, т.е. во всех точках цепи, где меняет-
ся поток магнитной индукции, тогда как ЭДС химического эле-
мента. ЭДС термопары возникают только в определенном уча-
стке (у аккумулятора, например. ЭДС возникает в пограничном
слое между металлом и электролитом). К особенностям ЭДС ин-
дукции можно отнести, как показывает опыт, се независимость
от рода вещества проводника, от его температуры. ЭДС индук-
ции определяется самим магнитным полем. Проводники же в
явлении электромагнитной индукции играют второстепенную
роль, являясь своего рода приборами, обнаруживающими элек-
тромагнитное поле.
При изменении магнитного потока всегда возникает вихревое
электрическое поле, энергетической характеристикой которого бу-
дет ЭДС индукции. Индукционный же ток возникает тогда, когда
имеется проводящий контур. Если контур не проводящий (напри-
мер. условно проведенный в воздухе), то можно говорить лишь об
)ДС индукции. С учащимися целесообразно разобрать следую-
щий вопрос: «Что можно сказать об индукционном электриче-
ском поле и индукционном токе в двух кольцах - деревянном и
медном, если они пронизываются одинаково изменяющимся маг-
нитным потоком?» Следует заметить, что в случае с ускорителем
заряженных частиц (бетатроном) наглядно проявляется факт ре-
ального существования вихревого электрического ноля без нали-
чия в нем проводника.
Индукционное электрическое поле, в отличие от электростати-
ческого. не потенциально, оно является вихревым полем: линии
напряженности вихревого электрического поля замкнутые (они
представляют собой окружности, охватывающие изменяющийся
185
Рис. 60
магнитный поток) (рис. 60), подоб-
но линиям индукции магнитною
поля прямолинейного проводника
С ЮКОМ.
Из закона электромагнитно!!
индукции можно определить знак
ЭДС индукции (следовательно, и
направление вектора напряженно-
сти индукционного электрического
поля). Действительно
о _ ЛФ
гт—	.
дг
Если магнитный поток убывает
(ДФ < 0), ЭДС индукции положительна (£’, > 0). Если же магнит-
ный иоток возрастает (ДФ > 0), то ЭДС индукции отрицательна
(£ < О).
Так как линии напряженности индукционного электрического
поля замкнуты, го источником данного поля не могут быть элек-
трические заряды - оно возбуждается переменным магнитным
нолем. Вихревой характер индукционного электрического поля
экспериментально доказывают и образованием вихревых токов в
м acci IB и ы х проводи иках.
В методической литературе описано много подобных опытов:
а)	возникновение индукционного тока в замкнутых проводни-
ках: стрелка гальванометра отклоняется, горит лампа и т. д. - все
это подтверждает, что индукционное электрическое поле поддер-
живает направленное движение электронов в замкнут ой цепи;
б)	нагревание замкнутых проводников, находящихся в пере-
менном магнитном ноле (нагревание алюминиевого кольца, по-
мещенного на стальном сердечнике, который укреплен в катушке
индукт ивпоетн);
в)	торможение маятников вихревыми токами;
г)	плавление воска на дисках, помещенных в переменное маг-
нитное поле;
д)	свечение кольцеобразной области газа (инертного) в шаре,
который помещен в слабое высокочастотное поле, и т. д.
Для характеристики индукционного электрического поля ие
применимо понятие потенциала, а также понятие потенциаль-
ной энергии, так как индукционное электрическое поле - поле
вихревое.
Для индукционного электрического поля иная, чем для элек-
тростатического поля, зависимость напряженности от расстояния.
186
Учащиеся знают, что в кулоновском поле точечного заряда для
модуля напряженности существует зависимость от расстояния г:
Можно без вывода, который учащимся недоступен, сообщи ть.
•Iго модуль напряженности индукционного электрического поля
'пня
Г
Благодаря этому индукционное электрическое поле обнаружи-
вается в пространстве гораздо дальше от источника возбуждения,
чем поле электростатическое.
Индукционное электрическое поле отличается по свопст вам и
структуре от электростатическою, но в основном они сходны
индукционное электрическое поле действует на заряд точно так
же, как п электростатическое, и это является основным свойством
всех электрических полей.
Принципиально важно здесь подытожить знания старшекласс-
ников о различных проявлениях электромагнитного поля, а 1лав-
ное, подчеркнуть, что переменное вихревое магнитное поле порож-
Uiei вихревое тлектрпческое поле (индукционное) (рис. 61). В свою
очередь, вихревое электрическое ноле будет порождать вихревое
магнитное поле (рис. 62). В совокупности эти два заключения
чрезвычайно важны для обоснования распространения электро-
магнитного поля в пространстве.
187
3.5.	О СТРОЕНИИ И СВОЙСТВАХ ВЕЩЕСТВА
ПРИ ИЗУЧЕНИИ РАЗДЕЛА «ЭЛЕКТРОДИНАМИКА»
3.5.1.	Основы электронной теории.
Электрический ток в меч аллах
В классической теории Фарадея Максвелла, как известно,
понятие поля - первичное понятие, все электромагнитные явления
объясняют процессами, происходящими в электромагнитном
поле, а заряду отведена роль вспомогательного понятия. Роль
заряду в объяснении свойств вещества возвращена электронной
теорией.
В 1900 г. П. Друде разработал теорию электропроводности ме-
таллов, которую затем усовершенствовал Х./Х. Лоренц. Объясне-
ние различных свойств вещества существованием и движением в
нем электронов составляет содержание электронной теории Ло-
ренца. Классическая электронная теория исходит из следующих
положений:
1.	Движение электронов подчиняется законам классической
механики.
2.	Электроны друг с другом не взаимодействуют.
3.	Электроны взаимодействуют только с ионами кристалличе-
ской решетки, взаимодействие это сводится только к соударениям.
4.	В промежутках между соударениями электроны движутся
совершенно свободно.
5.	Электроны проводимости образуют электронный газ, по-
добный идеальному газу; идеальный газ подчиняется закону рав-
номерного распределения энергии по степеням свободы, этому же
закону подчиняется и электронный газ.
Классическая электронная теория хороню объясняет существо-
вание сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля-Ленца,
позволяет выразить удельную проводимость через атомарные по-
стоянные металла, объясняет, по крайней мере качественно, зави-
симость проводимости от температуры и позволяет понять связь
тепло- и электропроводности металлов. Эга теория объясняет и
другие электрические и оптические свойства вещества. Однако в
некоторых случаях классическая электронная теория приводи! к
выводам, находящимся в противоречии с опытом. Например, из
теории получается, что удельное сопротивление с увеличением тем-
пературы должно возрастать пропорционально у/т. Опыт подтвер-
ждает прямо пропорциональную зависимость (р = роа7). В клас-
188
гнческой электронной теории теплоемкость материалов и явление
i нерхпроводимости совершенно необъяснимы.
Трудности классической электронной теории связаны с тем,
что: а) электроны проводимости не подчиняются законам стати-
стки Максвелла Больцмана; б) нс учитывается взаимодействие
» гсктронов друг с другом; в) не учитывается, что Электроны дви-
жутся в периодическом поле кристаллической решетки; г) движе-
ние электронов описывается не законами классической механики,
а законами квантовой механики.
На смену классической электронной теории пришла квантовая
шорня твердых тел, в которой преодолены трудности классиче-
ской теории. Надо отмстить, что классическую электронную тео-
рию применяют и сейчас, гак как она проста и наглядна, а при
ма 1ых концентрациях носителей заряда и больших температурах
квантовая и классическая теории дают близкие результаты.
Основные положения и экспериментальные основы классиче-
ской электронной теории по программе общеобразовательной
средней школы изучают при рассмотрении электрического тока в
различных средах. Длительное время вопрос о том, изучать эти
вопросы или нет, был спорным. Теперь он решен, но остается еще
дискуссионным вопрос об уровне изучения материала. Вполне
допустимо в школьном курсе ограничиться лишь качественным
объяснением изучаемых вопросов, не прибегая к использованию
формул, однако мы считаем, что в старших классах этим ограни-
читься нельзя. Качественное объяснение почти всех изучаемых
вопросов уже давалось в базовом курсе. В старших классах целе-
сообразно выполнять простые расчеты, приводить важные для
понимания материала формулы, показывать порядок входящих в
них величин и т. п. Но абсолютно бесспорно, что данный материал
должен достаточно хорошо знать учитель. Без этого невозможно
даже качественное объяснение изучаемых вопросов.
В программу общеобразовательной средней школы включены
вопросы о скорости упорядоченного движения электронов, зависи-
мости сопротивления от температуры и вопрос о сверхпроводимо-
сти. При знакомстве школьников с классической электронной тео-
рией следует осветить следующие моменты: 1) когда и зачем создана
шорня; 2) основные положения и модельные представления теории;
V) опытное обоснование теории; 4) применение классической элек-
тронной теории (какие явления и факты объясняются данной тео-
рией?); 5) трудности классической электронной теории и причины
их возникновения; 6) значение классической электронной теории.
Электронная теория объясняет различные свойства вещества су-
ществованием и движением электронов в нем. По классическим
189
представлениям в металле есть ионная
решетка и свободный «электронный
газ». Электроны движутся хаотиче-
ски. Скорость их движения зависит от
температуры. Ионы в узлах кристал-
лической решетки колеблются около
положения равновесия. В процессе
хаотического движения электроны
сталкиваются с ионами. При хаотиче-
ском движении электронов переме-
щения зарядов в проводнике в сред-
нем нет. Наличие на концах проводника разности потенциалов.
а внутри проводника электрического поля напряженностью Е
(	Ф,-ф? U}.
Е- ———(рис. 63) приводит к возникновению направлен
ною движения электронов или. иначе, дрейфа электронов.
Электронная проводимость металлов была доказана следую-
щими фундаментальными опытами: 1) опытом Рикке (1901 г.).
2) опытом Мандельштама и Иапалекси (1913 г.), 3) опытом Гол-
мена и Стюарта (19161.).
При объяснении опыта Рикке описывают сю сущность по схеме
(рис. 64). в течение года через составной проводник пропускали
ток За это время через него прошел огромный заряд (3,5-106 K_i).
но никаких следов переноса вещества не наблюдалось (масса каж-
дого из цилиндров осталась неизменной, соприкасающиеся по-
верхности цилиндрических проводников не изменили цвета). От-
сюда вывод: в металлах перенос заряда осуществляется частица-
ми, входящими в состав всех металлов. Полезно предложить
школьникам рассчитать, какое бы произошло изменение массы
цилиндров, если бы ток представлял собой движение ионов.
В опытах Мандельштама и Папалекси. Голмсна и Стюарта ле-
жит одна и та же идея - регистрация инерционного движения
электронов. В первом опыте, доказывающем лишь наличие инер-
ционного движения электронов, регистрацию
осуществляли с помощью телефона. Во вто-
ром опыте определяли знак и удельный заряд
электрона (здсс!> индикатором служил гальва-
нометр) В связи с этим в школе достаточно
рассмотреть один из опытов (лучше опии
I олмена и Стюарта), а о другом лишь кратко
рассказать. Для объяснения идеи опытов целе-
сообразно продемонстрировать механическую
модель инерционно! о движения электронов.
190
В школьном курсе физики классическую электронную теорию
применяют для объяснения природы сопротивления и вывода
школа Ома для участка цепи. Анализ приводимых при этом
формул
_ пе2Х S .. 2т
1 =------U: р = -	-
2т vt L пе~Х
позволяет показать границы применимости закона Ома. выявить
связь удельного сопротивления (макроскопическую величину) с
микропараметрами: m, т е, vT. К характеризующими электронный
из в данной среде, и установить наличие зависимости удельного
сопротивления от температуры.
В указанные формулы входит скорость теплового движения
> нейтронов vr. Но можно еще говорить и о скорости распростра-
нения электрического тока v, и о скорости упорядоченного дви-
жения электронов 1»дР. В связи с этим до вывода закона Ома из
классической электронной теории вместе с учащимися выявляют
различия в понятиях: «скорость распространения электрического
юка», «скорос ть упорядоченного движения электронов», «скорость
।силового движения».
Скорость распространения электрического тока в проводниках -
ио скорость, с которой распространяется действие электрического
поля па заряды в проводнике. Поле почли мгновенно (со скоро-
стью,-близкой к скорости света) увлекает электроны в упорядо-
ченное и очень медленное движение (скорости порядка десятых
юлой миллиметра в секунду).
Средней скоростью упорядоченного движения электронов под
действием электромагнитного поля определяют силу тока в про-
воднике: чем больше скорость упорядоченного движения электро-
нов глр, гем большее число электронов пройдет через поперечное
сечение проводника 5 в единицу времени.
Так как заряд каждого электрона равен е, то через сечение
проводника в единицу времени проходит заряд, равный neSvlip.
Но заряд, прошедший в единицу времени через сечение проводни-
ка, определяет силу тока:
J- neSv}vp.
В качестве задачи полезно рассчитать среднюю скорость упо-
рядоченного движения электронов в каком-то конкретном про-
воднике.
Например, для меди нСи = 9-1028 м \ и при силе тока 1 = 10 А и
сечении проводника S = 1 мм2 получают г>др « 0.7 мм/с.
191
Школьники должны четко представлять себе различие между
скоростью теплового хаотического движения электронов и скоро-
стью дрейфа.
Чтобы указать границы применимости классической электрон-
ной теории, се трудности, надо прежде всего из анализа формулы
2т ит
установить количественную зависимость удельного сопротивления
металлов р от температуры Т. Из теории р ~ г, (р ~ а экспе-
римент дает другую зависимость: р ~ Т(р = р0ос7). Данное затруд-
нение подводит учащихся к пониманию ограниченности класси-
ческой электронной теории. Особенно ярко ее ограниченность
видна в невозможности объяснить явление сверхпроводимости.
Согласно классической теории удельное сопротивление металлов
должно монотонно уменьшаться с температурой, оставаясь при
всех температурах конечным (рис. 65, график 1). Такая зависимость
действительно наблюдается для достаточно высоких температур
Однако при низких температурах (несколько кельвин) эта зависи-
мость становится иной - удельное сопротивление при некоторой
температуре достигает предельного значения (оно различно для
разных веществ) и скачком обращается в нуль (рис. 65, график 2).
Как известно, явление сверхпроводимости может быть объяс-
нено только в квантовой физике. В школе материал о сверхпрово-
димости излагают в ознакомительном плане. Его включение вы-
звано тем, что сейчас открыто более 1000 сверхпроводящих.ме-
таллов и сплавов и данное явление, вернее, свойства вещества в
сверхпроводящем состоянии: нулевое электрическое сопротивле-
ние. 65
ние, отсутствие тепловых потерь, эф-
фект Джозефсона и др., находит ши-
рокое практическое применение. II
что особенно важно, изучение мате-
риала о сверхпроводимости и других
трудностях классической электрон ной
теории способствует формированию
научного мировоззрения учащихся, так
как все это даст возможность устано-
вить границы применимости класси-
ческой электронной теории, показы-
вает, что данная теория лишь первое
приближение в процессе познания ме-
ханизма проводимости.
192
3.5.2.	Проводимость различных сред
Особенности и закономерности прохождения электрического
тока через различного рода твердые, жидкие и газообразные ве-
щества. вопросы практического использования электрического
гока изучают в старших классах. При этом рассматривают раз-
личные виды проводимости, т.е. электрический ток в металлах,
полупроводниках, вакууме, газах, растворах и расплавах электро-
пнов. Глубина раскрытия разных вопросов существенно различ-
на. /Наиболее подробно изучают электричсекиii_roK_^.металлах и
элек?грсьнттах. здесь дают количественные зависимости, решают
задачи. Весь остальной материал изучают практически на качест-
венном уровне.	—•
Методика изучения основною материала темы подробно ос-
вещена в методической литературе, поэтому остановимся лишь па
отдельных вопросах.
Последовательность рассмотрения материала темы может быть
различной. Порядок изложения определяется методическими сооб-
ражениями. Например, при изучении материала в таком порядке:
металлы - вакуум - полупроводники - газы - растворы электро-
литов - за основу берут последовательный переход от сред, про-
водимость которых обусловлена электронами, затем - электрона-
ми и дырками и, наконец, электронами и нонами, только ионами.
Традиционная последова ельность: металлы - растворы электро-
литов - газы вакуум - полупроводники - отражает исторический
путь изучения и использования в технике особенностей прохож-
дения тока через различные среды.
Программа общеобразовательной средней школы предлагает
следующую последовательность: электрический ток в металлах,
электрический ток в полупроводниках,, ток в вакууме, в электро-
литах и газах. Здесь изучение полупровбдников идет после изуче-
ния проводимости металлов, что подчеркивает важность полу-
проводников в современной технике. Целесообразно придержи-
ваться последней рекомендации изучения материала гемы.
При рассмотрении всего этого материала работает» классиче-
ская электронная теория: при выяснении механизма Проводимости
большое*вннматгне' уделяют установлению причинно-следственных
связей: дальнейшее развитие здесь находят модельные представ-
ления: модель электролита, модель полупроводника и т. п.
Раскрытие механизма проводимости связано со специфически-
ми трудностями - нет возможности показать пн самих носителей
зарядов, ни их движения (за исключением движения ионов в рас-
творе элекгропита). Частично эти трудности преодолевают при
7 2784
193
использовании экранных пособий (кинофильмы, диафильмы), где
средствами мультипликации наглядно, хотя и условно, разъясня-
ется характер движения носителей заряда, а также путем приме-
нения моделирующих программ на ЭВМ.
Учет современных психолого-педагогических концепций о со-
здании общей ориентировки, систематизации и обобщении знаний
обусловливает необходимость рассмотрения проводимости различ-
ных сред по единому плану, или, другими словами, по единой
методической модели: 1) выяснить природу носителей заряда, осо-
бенности их движения; 2) ввести вольт-амперные характеристики;
3) объяснить закономерности, которым подчиняется ток в данной
среде; 4) отметить явления, сопровождающие прохождение тока в
данной среде; 5) показать практическое применение тока в данной
среде, устройство и принцип действия различных приборов.
После изучения материала темы целесообразно провести со-
поставление электрических свойств и закономерностей прохожде-
ния тока через различные среды.
При изучении электрического тока в растворах электролитов
главное внимание уделяют изучению закона Фарадея, выводу фор-
мулы для определения заряда одновалентною иона. Этот материал
тесно связан с курсом химии (электролитическая диссоциация,
природа носителей тока в электролитах, практические примене-
ния электролиза). Этого нельзя не учитывать. Кроме того, к мо-
менту изучения проводимости растворов электролитов учащиеся
уже знакомы с электронной теорией и могут использовать ее для
объяснения явлений. Поэтому считается нецелесообразным вести
изложение материала, следуя историческому пути открытия зако-
нов Фарадея, а предлагается сразу же ввести объединении!! закон
Фарадея.
При изучении электропроводности полупроводников показы-
вают достижения современной науки в области познания и исполь-
зования полупроводниковых материалов. Ее изучение целесообраз-
но начать с демонстрации характерных свойств полупроводников.
А затем уже на основе введенною в химии понятия ковалентной и
парно-электронной связи выяснить механизм проводимости полу-
проводников и объяснить их свойства.
При объяснении проводимости особое внимание следует уде-
лить новым понятиям: «дырка», «дырочная проводимость», сооб-
щив учащимся, что дырка - избыточный положительный заряд,
возникающий за счет тою, что связанный электрон перешел в
свободное состояние или к другому атому: дырочная проводи-
мость - способ описания механизма проводимости, осуществляе-
мой движением связанных электронов между соседними атомами.
194
Изучение электрического гока в различных средах имеет не
юлько по hi техническое значение, но и большое воспитательное н
мировоззренческое значение. Здесь изучаю! явления, которые
служили источником всевозможных страхов и суеверий (молния,
огни святого Эльма и т.п.). При рассмотрении самостоятельного
разряда в газе учащихся фактически знакомя! с четвертым со-
стоянием вещества - плазмой (плазму можно определить как газ,
содержащий практически одинаковое количество положительных
и отрицательных зарядов). В связи с этим необходимо сообщить
школьникам о свойствах плазмы, о распространении плазменного
вещества во Вселенной, о применении плазмы, о принципах рабо-
।ы Ml Д-тенератора.
3.5.3.	Электрические свойс т ва вещества
Электрические свойства вещества излагаю! в средней школе на
базе классической электронной теории, основы которой заклады-
ваю гея при изучении тока в металлах. Правда, до этого при объ-
яснении свойств проводников и диэлектриков уже использовалась
модель электрона, модель проводника и диэлектрика, что вполне
объяснимо и возможно, гак как в базовом курсе физики учащиеся
не только получили первые представления о классической элек-
тронной теории, но и применяли их для объяснения таких явле-
ний, как электризация, прохождение тока ‘через металлические
проводники.
Основная цель изучения свойств проводников в школе - дока-
ыть и объяснить отсутствие заряда и электрического поля внутри
1аряженного проводнике! пли проводника, помещенного в элек-
трическое поле: показать практическое применение электростати-
ческих явлении. Разъяснение особенностей проводников сводится
к следующему: проводники - это вещества, в которых электриче-
ские заряды способны перемещаться под действием сколь угодно
с 1абого электрического поля. Наличие свободных зарядов приво-
дит к тому, что при электризации проводника сообщенный ему
ыряд будет распределяться до тех пор, пока в любой точке внутри
проводника напряженность поля, создаваемого данным распреде-
лением зарядов, нс станет равной нулю.
При внесении незаряженного проводника в электрическое поле
t вободные электрические заряды приходят в движение - происхо-
пн перераспределение зарядов. Из условия стационарности
(£ = 0) следует, что напряженность электростатического поля
внутри проводника должна быть равна нулю, но она равна сумме
195
напряженностей Ео внешнего
поля и Лд поля, созданного ин-
дуцированными зарядами (Ё -
=	+ Ё Следовательно, нейт-
ральный проводник, внесенный
в электрическое поле, «разры-
вает» часть линий напряженно-
сти (рис. 66).
Свойства диэлектриков вы-
являют при рассмотрении про-
цессов электризации вещества.
Диэлектрические характеристи-
ки вещества во многих отношениях формально сходны с магнит-
ными. Существуют атомы и молекулы с постоянными магнитны-
ми моментами, так же как и атомы (молекулы) с постоянными
электрическими моментами. Ряд материалов обладает спонтан-
ной намагниченностью (ферромагнетики), точно так же как неко-
торые вещества обладают спонтанным электрическим моментом
(сегнетоэлектрики). Намагничивание, как и поляризация, можег
носить либо ориентационный, либо наведенный характер.
Перечисленные и многие другие сходные черты делают естест-
венным проведение ряда аналогий при исследовании электриче-
ских и магнитных свойств вещества. Однако микромеханизм на-
магничивания совершенно отличается от микромеханизма поля-
ризации, что связано с отсутствием в природе магнитных зарядов.
Все это необходимо учитывать, изучая свойства вещества.
Материал, раскрывающий электрические и магнитные свойст-
ва вещества, довольно сложен. При его объяснении необходимо
опираться на знания учащихся о строении атома, полученные ими
как в базовом курсе физики, так и в курсе химии. Правда, надо
иметь в виду, что некоторые вопросы, связанные с поляризацией
и намагничиванием, по-настоящему можно раскрыть только в
старших классах при изучении электромагнитных волн, оптики,
атомной и ядерной физики.
Диэлектрики при внесении их в электрическое поле поляризу-
ются, в результате чего в них возникают связанные заряды. Суще-
ственное изменение претерпевает и само поле. В средне)! школе
изучают поляризацию электронного смещения и ориентационную
(дипольную) поляризацию. Причем в школе вектор поляризации
как количественную характеристику степени поляризации диэлек-
196
грика не вводят. В процессе изучения этого материала школьники
должны уяснить суть явления поляризации для полярных и непо-
лярных молекул, а его изложение должно убедить их в том, что
поляризация диэлектрика в цепом зависит от поляризации обра-
зующих его молекул (атомов), поэтому исследование процесса
поляризации дает важные сведения о свойствах атомов и молекул.
Внесение диэлектрика в электрическое поле ослабляет послед-
нее. Ослабление происходит благодаря явлению поляризации.
Дело в том, что макроскопическое поле в диэлектрике зависит от
свойств среды, так как оно получается,в результате наложения
двух попей: поля, создаваемого свободными зарядами, и поля свя-
занных зарядов. Обычно, в связи с рассмотрением поля в диэлек-
трике, вводят безразмерную физическую величину, характери-
зующую электрические свойства среды, е - диэлектрическую про-
ницаемость среды. А далее путем сравнения поля в вакууме и в
диэлектрике доказывают, что величина е показывает, во сколько
( Е \
раз ослабляется поле в диэлектрике е = — .
\ Е)
Введение диэлектрической проницаемости в школьный курс
возможно при изучении вопроса об электрическом поле. Так, ди-
электрическую проницаемость е вводили при рассмотрении закона
Кулона и сообщали, ч то сила взаимодействия зарядов зависит от
среды; в которой они находятся, т. е. е = -^-, где г() иг- модули
силы взаимодействия между зарядами соответственно в вакууме и
в среде Однако это далеко не лучший вариант, так как зависи-
мость силы взаимодействия F от диэлектрической проницаемо-
сти е не демонстрируют, а вводят, по существу, догматически.
Значительно лучше вариант, когда диэлектрическую проницае-
мость е вводят при рассмотрении вопроса о поведении диэлект-
риков в электрическом поле. Тогда можно показать на опыте из-
менение напряженности Е поля в конденсаторе при внесении в
пространство между его пластинами диэлектрика т. е. е = —— (£0
Е
и Е - модули напряженности электрического поля соответственно
в вакууме и в среде). Именно такой вариант введения е рекомен-
дован программой общеобразовательной средней школы, где
данный вопрос включен после рассмотрения диэлектриков в элек-
трическом поле, а не при изучении закона Кулона.
Целесообразно построить раздел «Электродинамика» таким об-
разом. чтобы с электрическими и магнитными свойствами вещества
197

учащиеся знакомились после изучения поля в вакууме. - это позво-
лит им лучше и глубже понять суть процессов, происходящих в
веществе.
Изучение электрических свойств вещества на этом не заканчи-
вается. Далее, например, устанавливают зависимость оптических
свойств среды от электрических характеристик вещества.
3.5.4.	Магнитные свойства вещества
Содержание темы «Магнитные свойства вещества» в программе
общеобразовательной средней школы сформулировано очень крат-
ко: «Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики. Магнитная
запись информации». Но материал о магнитных свойствах имеет
важное научное значение и важен еще и тем, что магнитные мате-
риалы находят широкое практическое применение. Кроме гою,
при изучении магнитных свойств вещества по ту чают дальней! нее
развитие представления о связи электрических и магнитных явле-
ний. о связи макроскопических процессов с микроструктурой ве-
щества. История развития учения о магнитных свойствах вещест-
ва богата интересными и ценными в мировоззренческом и воспи-
тательном отношении фактами. Обязательно надо сообщить уча-
щимся о вкладе отечественных ученых (А. Г. С голетов, Я. И Френ-
кель, Л.Д Ландау и др.) в изучение магнитных свойств вещества и
в создание современной теории ферромагнетизма. Следует ука-
зать школьникам на то, что гипотеза Ампера о существовании
замкнутых «элементарных токов», циркулирующих в проводни-
ках, предвосхитила современную электронную теорию магнитных
свойств атомов и молекул, да и вещества в целом.
При изучении этой темы учащимся сначала на опытах показы-
вают различие свойств дна-, пара- и ферромагнетиков, а затем уже
дают объяснение. Для объяснения процессов намагничивания и
для характеристики магнитных свойств вещества целесообразно
познакомить старшеклассников с понятием магнитной проницае-
мости р и намагниченностью ./ (J = В-В^. Понятие магнитной
проницаемости вещества можно ввести несколькими способами:
по магнитному взаимодействию, по изменению вектора магнит-
ной индукции и т. п. Но в любом случае надо разъяснить физиче-
ский смысл этой величины: магнитная проницаемость р показыва-
ет, во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде
В
больше или меньше индукции магнитного поля в вакууме: Ц = —.
19В
I кхпезно не только указать, но и показать графически, что у диа- и
парамагнетиков магнитная проницаемость не зависит от индук-
ции внешнего поля и для каждого конкретного вещества является
величиной постоянной, а для ферромагнетиков - зависит от внеш-
него поля.
Как же объяснить учащимся процессы намагничивания?
В парамагнитном образце магнитные моменты различных ато-
мов направлены беспорядочно - суммарный магнитный момент
равен нулю, поэтому образец нснамагничсн. При помещении его
но внешнее магнитное поле магнитные моменты атомов выстраи-
ваются вдоль век юра магнитной индукции внешнего поля - обра-
зец намагничивается вдоль внешнего поля и внешнее попе усили-
вается.
Магнитный момент атома диамагнетика равен нулю. Но при
внесении диамагнитного образца во внешнее магнитное поле в
его атомах индуцируется ток, который направлен таким образом,
что его магнитное поле противодействует внешнему полю, вы-
шившему этот ток. Значит, образуются дополнительные магнитные
моменты орбитальных электронов. При этом вектор магнитной
индукции магнитного поля атомов в целом оказывается направ-
ленным противоположно вектору магнитной индукции внешнего
ноля - диамагнетик ослабляет внешнее поле.
Полученных знаний будет вполне достаточно для объяснения
жспери ментальных фактов: втягивание парамагнетиков в область
более сильного магнитного поля и установление их вдоль вектора
магнитной индукции внешнего поля; выталкивание диамагнети-
ков перпендикулярно вектору магнитной индукции внешнего
поля.
Перед тем как разбирать свойства ферромагнетиков и анали-
шровать кривую намагничивания ферромагнитных образцов, це-
лесообразно рассмотреть графики намагничивания диа- и пара-
магнетиков и сформулировать их основные свойства. Все это по-
зволит сразу же подчеркнуть особые свойства ферромагнетиков:
остаточная намагниченность, гистерезисные явления, магнитост-
рикция. зависимость ферромагнитных свойств от температуры
(точка Кюри) и др. Большинство перечисленных свойств может
быть показано учащимся экспериментально. А вот в объяснении
природы ферромагнетизма имеются определенные трудности. Дело
и том, что магнитные свойства вещества в разделе школьного
курса «Электродинамика» иногда пытаются излагать на основе
классической теории магнетизма, созданной П.Ланжевеном (1908).
Для объяснения же природы ферромагнетизма этой теории не-
достаточно.
199
Рис. 67
Согласно квантовой теории
ферромагнетизма в некоторых
кристаллических веществах осо-
бое квантовое (обменное) i зан-
модействие электронов незапол-
ненных слоев приводит к само-
произвольному (без внешне! о
поля) упорядочиванию спино
вых магнитных моментов, т.е. к
намагничиванию. Намагничива-
ние происходит таким образом,
что в образце появляются облас-
ти спонтанного намагничивания, хоз я суммарная намагничен-
ность всего кристаллического образца равна нулю. Область спон-
танного намагничивания — домены — могут быть эксперименталь-
но обнаружены. Самый простой метод - метод порошковых фи-
гур. Снимки доменной структуры для различных образцов необ
ходпмо показать учащимся. График зависимости намагниченно-
сти ферромагнетика от индукции внешнего магнит ного поля рас
сматривают после введения представлений о доменной структуре
Сложная форма кривой намагниченности говорит о различных
процессах в ферромагнетике на разных этапах его намагничива-
ния (рис. 67). Школьники должны знать основные сведения о диа-,
пара- и ферромагнетиках. но материал необходимо давать только
описательно (феноменологически).
В ходе изучения магнитных свойств вещества для обобщения и
систематизации знаний целесообра но предложить учащимся за
полнить сводную таблицу по магнитным свойствам вещества, где
показать носители магнитных свойств, механизм намагничивания,
поведение образца в магни гном поле, степень эффекта, магнит-
ную проницаемость и зависимость ее от внешнего поля, наличие
магнитного насыщения для дна-, пара- и ферромагнетиков, а также
обсудить возможности использования магнитных материалов к
быту и технике. (Аналогичную таблицу можно составить и при
изучении электрических свойств вещества.)
3.6. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
КОЛЕБАНИЙ
К моменту изучения электромагнитных колебаний, опираясь
па математические знания учащихся, углубляют их знания о коле-
бательном движении. Именно теперь можно ввести такие важные
200
для колео; тельного движения понятия, как гармоническое коле-
бание. фаза колебания и др. Первоначальные сведения о колеба-
ниях учащиеся получают в базовом курсе физики.
При изучении электромагнитных колебаний нужно постоянно
привлекать школьников к использованию аналогий, к экспери-
ментальной проверке выводов по аналогии. Поскольку колебания
различной природы подчиняются общим закономерностям, то
аналогии используют при сопоставлении свободных колебаний в
механических и электрических системах, вынужденных колебаний
и резонансных явлений в этих системах и т. д. Это облегчит и сде-
лает более прочным усвоение аналогичных понятий, соотноше-
ний и закономерностей для колебаний различной природы, изу-
чение которых разорвано во времени.
Изучая эту тему, учащиеся встречаются с рядом физических мо-
делей - идеальной колебательной системой (колебательным кон-
туром), гармоническими колебаниями системы. Смысл лих ндеа-
лизацш , их необходимость должны быть осознаньГучащнмнся.
Сзедуез акцентировать внимание на том. что гармонический
характер как свободных колебаний в колебательном контуре, ли-
шенном сопротивления, так и колебаний математического маят-
ника идеализация, что в природе чисто гармонических движений
не существует, но; при определенных условиях колебания в системе
с большой степенью точности можно рассматривать как гармони-
ческие. Эти условия в каждом из названных случаев следует обя-
зательШхдзговарнвать, чтобы в сознании школьников не отожде-
ствлялись идеализированные объекты с реальными, чтобы они
осознавали границы применимости изучаемых закономерностей.
При изучении колебаний наряду с использованием графиков
полезно изображать спектрограммы сигналов. В теории колеба-
ний, в радиотехнике, акустике, оптике широко используют поня-
тие о спектре. Учащихся обычно знакомят с этим понятием толь-
ко Tipii изучении оптики, и поэтому они не получают сколько-
нибудь целостного представления о спектральном методе как
важнейшем при изучении колебаний и волн любой природы. Если
ввести понятие о спектре ранее, при изучении механических или
электромагнитных колебаний, то оно может стать одним из ос-
новных понятий, которое красной нитью пройдет через изучение
акустических явлений, рассмотрение физических основ телефон-
ной и радиосвязи, а также оптических явлений и поможет поня ть
сущность и значение самого спектрального метода.
Уже при ознакомлении с гармоническими колебаниями можно
показать учащимся, как выглядит спектрограмма гармонического
колебания (рис. 68). По оси ординат откладывают амплитуду, по
201
Рис. 68
оси абсцисс - частоту колебаний.
Спектр гармонического колебания
состоит из одной вертикальной линии.
Осуществить сиекгральное разложение
негармонического колебания можно с
помощью другой колебательной систе-
мы, собственную частоту которой мож-
но изменять. Опыт преподавания пока-
зывает, что спектрограммы, если их ис-
пользовать наряду с графиками с само-
(о го начала изучения колебаний, облег-
чают понимание физической сущности
таких процессов, как, например, моду-
ляция и детектирование колебаний.
3.6.1.	Свободные электромагнитные колебания
Изучение свободных электромагнитных колебаний начинают с
демонстрации колебаний в цепи, состоящей из катушки индук-
тивности и конденсатора. Копебання должны быть достаточно
медленными, чтобы можно было наглядно наблюдать сами коле-
бания и их затухание. Для этого период колебаний должен быть не
менее 0.3-0,5 с и затухание по возможности малым.
Демонстрационную установку собирают по схеме (рис. 69, а),
которую вычерчивают на доске. На установке (рис. 69, б) показы-
Рис. 69
202
вают все детали схемы и соединения между ними. Наблюдение ко-
лебаний в цепи с катушкой и конденсатором сопровождают рядом
вопросов в сочетании с объяснением. Указывают, что конденсатор
п соединенная с ним катушка индуктивности образуют колебатель-
ный контур, который является колебательной системой. Выясняют,
какую роль в установке играет источник (сообщает системе «тол-
чок». т.с. первоначальный запас энергии, заряжая конденсатор).
Поскольку у учащихся часто возникают затруднения в пони-
мании того, каким образом возникаю! и поддерживаются коле-
бания в контуре, целесообразно подробно рассмотреть этот про-
цесс. сопровождая объяснение рисунком (рис. 70. а -д), с помо-
щью энергетических-соображений. не привлекая на начальном
папе ни математических уравнений, ни аналогий.
Обращают внимание школьников па то. какие величины в этом
процессе «колеблются» (заряд конденсатора, сила тока в контуре,
напряжение па конденсаторе и катушке, ЭДС самоиндукции), ка-
кие превращения энергии в нем происходя!. Предлагают вспом-
нить основные признаки любой колебательной системы и задают
вопросы: что считать устойчивым положением равновесия в этой
системе (разряжен конденсатор, нет тока в контуре), фактором,
возвращающим систему в это положение, если она была из него
выведена (заряженный конденсатор создает электрическое поле,
которое вызывает ток в кон гуре, разряжающий конденсатор), и
фактором «инертности», обеспечивающим прохождение положе-
ния равновесия «но инерции» (индуктивность катушки, благодаря
которой конденсатор не разряжается сразу, а перезаряжается и
тем самым обеспечивается периодичность процесса).
В качестве упражнения для более основательного усвоения фи-
зической сущности электрических колебании в контуре полезно
рядом с рисунками, изображающими колебательный процесс в
контуре через каждую 1/4 периода, показать соответствующие со-
стояния механической колебательной системы (горизонтальный и
вертикальный ир' жинные маятники, математический маятник).
Далее учащимся предлагают самим составить таблицу, показы-
203
вающую аналогию между величинами в механической и электри-
ческой колебательных системах.
Затем получают формулу для периода собственных колебаний в
контуре. Это можно сделать несколькими способами: используя ана-
логию между величинами, характеризующими механические и элек-
трические колебания, или используя закон сохранения энергии для
идеального колебательного контура. Возможны и иные подходы.
Учитывая принятую в средней школе последовательность изу-
чения свободных и вынужденных электромагнитных колебаний, а
также имеющуюся ко времени изучения электромагнитных коле-
баний математическую подготовку учащихся, следует признать
наиболее предпочтительным первый подход.
Находим выражение для собственной частоты и периода коле-
баний в контуре
<Й = ,— и Т = 2п4ьС.
U.C
Целесообразно провести экспериментальную проверку получен-*
ных результатов с помощью установки, показанной на рис. 69, б.
Изменяя индуктивность катушки и емкость батареи конденсаторов,
наблюдают изменение собственной частоты колебаний в кон гуре.
Изменяя напряжение, подаваемое на конденсатор, наблюдают из-
менение амплитуды колебаний в контуре. С помощью реостата,
включенного в цепь контура, можно проиллюстрировать также
влияние затухания на период (частоту) и амплитуду колебаний. Ес-
ли вначале индикатором колебаний является гальванометр, так как
для первоначального знакомства использовались достаточно мед-
ленные колебания, то на последующих уроках в качестве индикато-
ра более быстрых колебаний используют осциллограф. Колебания
в контуре можно возбуждать импульсами от одно полу пер и одного
выпрямителя переменного тока или подзаряжать контур непосред-
ственно от генератора развертки самого осциллографа.
После того как получено уравнение гармонических колебаний
в контуре
4 = (?„,СО8((0/ + <р0).
вводят (если это не было сделано ранее) понятие фазы колебания.
Фаза - одна из важнейших характеристик колебательного дви-
жения. В гармоническом колебании, описываемом соотношением
m
ИЛИ
COS
204
фаза представляет собой аргумент функции синуса или косинуса
'А
- / + (р0 L где фо - фаза колебания в момент времени / = 0 (на-
чальная фаза).
Следует иметь в виду, что фаза - понятие большой общности,
применимое к колебаниям любой природы. Физический смысл
фазы заключается в том. что она позволяет характеризовать со-
стояние колебательной системы в любой момент времени. При
этом фаза может выражаться радианах или в долях периода. Важ-
но. чтобы школьники научились пользоваться этим понятием не
только при изучении свободных электромагнитных- колебаний и
переменного тока, но и могли использовать понятие фазы, рас-
сматривая механические колебатезьные системы. Поэтому при
введении понятия фазы целесообразно рассматривать не только
электромагнитные колебания, но и механические.
Анализируя выражение q-qmcos(co/ + ф0). показывают, что зна-
чение колеблющейся величины q в любой момент времени I опре-
деляется аргументом функции (со/ + ф0), который в этом уравне-
нии и представляет собой фазу колебания в любой моменг време-
ни, а.ф0 - начальная фаза колебания. Зная время в секундах или
долях периода, можно рассчитать значение фазы в радианах.
Целесообразно учащимся предложить заполнить таблицу, в
которой цри фо = 0 для отдельных моментов времени через равные
промежутки (например, через четверть, восьмую или двенадцатую
доли периода) вычисляют фазу колебаний заряда q. По данным
таблицы вычерчивают графики зависимости заряда от времени
q(t) и от фазы <г/(ф).
Если ко времени изучения этого вопроса школьники умеют на-
ходить производные тригонометрических функций, то можно по-
лучить выражение для мгновенных значений силы тока в контуре:

i = -соq,„ sin со Г;
•	7 I	я I
I = /... COS (OZ + — .
I	2)
указать фазу колебаний
силы тока, изобразить на графике зависимость силы тока от вре-
мени Z(Z). Это даст возможность перейти к упражнениям на усвое-
ние понятия разности фаз, с которым придется часто встречаться
в дальнейшем. Сравнивая графики q(t) и / (О ДДЯ колебаний в кон-
туре, претугаг ают школьникам оценить разность фаз колебаний
этих величин.
Формируя понятие фа гы. с большой пользой для дела органи-
зую! эту работу так, чтобы все время это понятие изучалось па-
205
раллсльно для электрических и механических колебательных сис-
тем. Определив фаз} как аргумент косинуса в выражении
2л	.
<7 = tfwcos—/ (начальная фаза считается равной нулю), вспоми-
нают со школьниками аналогичное выражение для координаты
,	2л
колеолющепся точки .y = .y/hcos — I и находят в нем фазу. Запол-
няют указанную выше таблицу не только для заряда г/, но и для
2л
координаты л в соответствии с выражением v = .vwcos —/. Затем
вспоминают трафики зависимостей координаты и скорости от вре-
мейи л(/) и v(l). Изображают трафики зависимости от времени -
заряда и силы тока, оценивают по ним сдвиги фаз. t
Чтобы эти упражнения не носили чисто математического ха-
рактера. с самого начала целесообразно, сопоставить рассматри-
ваемые ситуации с реальным колебательным движением: па экран
проецируют тени от шарика, движущегося по окружности, и гири,
подвешенной па пружине. Частоту вращения шарика подбирают
такой, чтобы колебания его тени па экране совпадали с колеба-
ниями груза на пружине. Каждому положению тени (проекции
шарика), а следовательно, м положению вертикального пружин-
ного маятника соответствует определенное значение фазы (эго
предлагаю! школьникам изобразить на чертеже).
Изменяя скорость вращения центробежной машины с укреплен-
ным на ее диске шариком, показывают школьникам, наблюдающим
за движением его тени и тени пружинного маятника, колебания со
сдвигом по (разе. На гой же \становкс, укрепив на диске центро-
бежной машины еще один шарик, наблюдают и оцениваю! раз-
ность фаз колеб шин теней шариков и показывают, что с течением
времени (в данном случае) она остается постоянной.
Школьникам предлагают следующую самостоятельную работу:
наблюдая колебания двух маятников, демонстрируемые учителем,
определить разность фаз колебаний этих маятников и изобразить
графически зависимости координаты от времени в одной и той же
системе координат (время на графиках при этом удобнее отклады-
вать в долях периода). В результате такой работы учащг еся усваи-
вают, что каждому состоянию колебательной системы, каждому
значению колеблющейся величины соответствует своя фаза. Они
должны научиться определять фазу и разность фаз колеблющихся
величин. Понятие фазы закрепляют при изучении вынужденных
электромагнитных колебаний, а затем электромагнитных воли.
Заметим, что в качественном виде многое из этого материала
учащиеся рассматриваю! еще в базовом курсе физике.
206
3.6 2. Автоколебания
Автоколебания представляют собой незатухающие колебания
в реа, ьных колебательных системах, которые поддерживаются за
счет внешнего источника энергии, причем поступление энергии
регулируется самой колебательной системой. Частота и амплитуда
автоколебаний определяются свойствами системы и не зависят от
внешнего воздействия. Теория автоколебаний достаточно сложна,
они описываются нелинейными дифференциальными уравнениями,
г. е. не являю гея гармоническими.
Программа общеобразовательной средней школы предлагает
впервые познакомить учащихся с этим типом колебаний при изу-
чении электромагнитных колебаний в старших классах. Обычно
автоколебания изучали после рассмотрения свободных и вынуж-
денных колебаний в системах. То, что в настоящее время про-
граммой общеобразовательной средней школы предусматривает-
ся изучение автоколебаний сразу после изучения свободных коле-
баний (до вынужденных), подчеркивает необходимость установ-
ления связи автоколебаний в первую очередь со свободными ко-
лебаниями.
Изучение свободных колебаний в контуре завершает рассмот-
рение затухающих электрических колебаний. Выясняют причины
затухания. После этого логично сделать переход к колебательным
системам, в которых колебания с частотой, равной собственней
частоте колебаний! системы, происходят как угодно долго за счет
внешнего источника энергии, т. е. к автоколебательным системам.
Поскольку учащиеся уже знакомы с механическими колебаниями,
го имеется реальная возможность изучить автоколебания как яв-
ление, присущее колебательным системам различной природы.
)ту работу можно провести по следующему плану.
Вначале учащиеся вспоминают то общее, что присуще таким
колебательным системам, как пружинный и нитяной маятники,
колебательный контур: в них могут возникать свободные колеба-
ния, эти колебания всегда являются затухающими, в идеализиро-
ванных системах они являются незатухающими, гармоническими.
В этом случае их частота определяется свойствами самой системы,
а амплитуда зависит от начальных условий Эти положения вспо-
минают с помощью уже известных демонстраций, которые здесь
имеет смысл повторить. Далее, используя тот же пружинный ма-
ятник, можно показать автоколебательную систему. Установка
(рис. 71) аналогична электрическому звонку с ударником. В ней
цепь периодически разрывается колеблющимся грузом, касаю-
щимся стержня, укрепленного на штативе. Изменяя число витков
Рис. 71
, пружины, показывают,1 что частота автоколебании зависит от па-
раметров системы, т. е. определяется собственной частотой систе-
мы, а амилиг да - силой тока в цени электромагнита.
После демонстрации предлагают школьникам сравнить на-
блюдаемые в этом опыте колебания с ранее изученными. Делают.
вывод - это качественно новый вид колебаний; отмечают? основ-
Нью-отличия автоколебаний от свободных колебании. На той же
установке выделяют основные части автоколебательной системы:
груз на пружине - колебательная система источник постоянного
тока - источник энергии, подвижный электрический контакт и
электромагнит - устройство, регулирующее поступление энергии
в систему от источника. Для включения и выключения электро-
магнита вместо электрического контакта можно использовать и*
фотореле. Это устройство позволяет своевременно, через каждые
полпериода, включать и выключать ток в цепи, поддерживая не-
затухающие колебания груза на пружине. В автоколебательной
системе существует так называемая обратная связь, т. е. сама ко-
лебательная система регулирует поступление энергии от источни-
ка через «клапан».
Демонстрируя работу маятника в часах, учащимся предлагаю!
самим определить, какой вид колебаний имеет здесь место, назвать
208
Обратная связь
Рис. 72
основные части этой колебательной системы: маятник (колеба-
тельная система), поднятая гиря (источник энер! ни), храповое коле-
со с анкерной вилкой (клапан, регулирующий поступление энер-
гии от источника в систему). Устройство анкерного механизма,
обеспечивающего поступление энергии от гири к маятнику, можно
рассмотреть подробнее, если эту часть прибора показать в тене-
вой проекции.
Следует показать учащимся, что в рассмотренных автоколеба-
тельных системах амплитуда установившихся колебаний не зави-
сит от начальных условий (первоначального отклонения маятни-
ка), а определяется энергией, поступающей от источника, т. е. си-
лой тока в цепи электромагнита или изменением энергии гири при
каждом ее опускании на один шаг. При установившихся колеба-
ниях энергия, поступающая от источника в'систему за период,
равна работе против сил сопро тивления в системе за это время.
Вместе с учащимися выделяют основные элементы структур-
ной схемы автоколебательной системы (рис. 72).
Проверить, насколько усвоено понятие об автоколебаниях, и
закрепить полученные знания можно с помощью, например, од-
ной из автоколебательных электроакустических или электромеха-
нических систем, описанных в литературе.
Вся проведенная работа ставит своей целью подготовить уча-
щихся к рассмотрению элекфомагнитных автоколебании, кото-
рые. как показывает практика преподавания, оказываются доста-
точно сложным для школьников материалом. К восприятию этого
материала при гаком подходе они в некоторой степени оказыва-
ются уже подготовленными: на конкретных примерах наблюдали
автоколебания в механических системах, выявили основные при-
знаки и элементы любой автоколебательной системы. Далее пере-
ходят к рассмотрению электромагнитных автоколебаний. Вначале
рассказывают о том, что автоколебательные электромагнитные
системы нашли широкое применение в радиотехнике, в частности
в генераторах незатухающих элекфомагнитных колебаний высо-
кой частоты.
209
Рис. 73
Программа общеобразовательной средней школы в качестве
электромагнитной автоколебательной системы предусматривает
рассмотрение генератора на транзисторе. Принципиальная схема
такого генератора выглядит так (рис. 73). Колебательный контур
включают в цепь коллектора (рис. 73, а) или в цепь базы (рис. 73, б).
В схеме использована индуктивная обратная связь, так как с этим
видом связи учащиеся знакомы в большей степени, им легче объ-
яснить ее роль в работе генератора, чем при использовании емко-
стной или автотрансформаторной связи. Начинают изучение
электромагнитных автоколебаний с демонстрации работы такого
генератора на транзисторе.
Показывают колебательный контур, состоящий из катушки
индуктивности (на 120 В) от универсального трансформаторами
батареи конденсаторов Бк-58. В качестве источника энергии слу-
жит батарея напряжением 4,5 В, роль «клапана» играет транзи-
стор, в качестве обратной связи используют катушку от универ-
сального трансформатора (на 12 В), концы которой соединяют с
базой и эмиттером транзистора. Колебательный конгур включен
в цепь коллектора. Катушку контура и катушку обратной связи
размещают на общем магнитопроводе из того же комплекта уни-
версального трансформатора. Напряжение с контура подают на
электронный осциллограф ОЭШ.
Выделяя элементы установки и выясняя их роль в работе гене-
ратора, целесообразно одновременно вычерчивать на доске схему
генератора (см. рис. 73. а). Замыкают собранную цепь и обнару-
живают на экране осциллографа наличие колебаний. Изменяют
емкость батареи и наблюдают изменение частоты колебаний гене-
ратора. Изменяют индуктивность катушки (например, медленно
210
поднимая ее по магнитопроводу), наблюдают тот же эффект. Де-
лают вывод: частота колебаний генератора завпеш от параметров
самой колебательной системы. Амплитуда колебаний также зави-
сит от самой системы. Можно продемонстрировать эту зависи-
мость. включив последовательно в цепь контура переменный рези-
стор: амплитуда колебаний генератора уменьшится.
Объясняют, что при замыкании ключа через транзистор от ис-
точника энергии проходит1 импульс гока, которым заряжается
конденсатор контура. В контуре при разрядке конденсатора воз-
никают свободные затухающие колебания.
Учащиеся должны сами помочь учителю объяснит ь и описать
происходящие при этом явления: гок, протекающий в катушке
контура, создает переменное магнитное поле, которое индуцирует1
в катушке обратной связи переменную ЭДС. Эта ЭДС приложена
к участку «эмиттер-база» транзистора, и она управляет силой гока
в его коллекторной цепи. Эгот ток поддерживает колебания в
контуре. Следует учесть, что влияние силы тока в цепи эмиттера
па коллекторную силу гока уже известно учащимся из той части
курса, где изучался транзистор, его устройство и применение. На-
до подчеркнуть, что мы объяснили принцип работы генератора,
не вдаваясь в детали процессов в его цепи.
Подробный разбор того, как работают все части схемы с мо-
мента замыкания тока, нецелесообразен. Как показывает практи-
ка, эго представляет для учащихся большие трудности и в позна-
вательном отношении мало что д<Тст (в радиотехнике используют
более сложные схемы генераторов). Предлагают школьникам ра-
зобраться в энергетических превращениях в демонстрируемой ав-
юколеба тельной системе: чтобы колебания в контуре были неза-
тухающими, источник напряжения должен периодически к нему
подключаться, возмещая потери энергии в этом контуре. Эго дос-
тигается тем. что контур индуктивно связан с участком «эмиттер -
база» через катушку обратной связи.
Роль катушки обратной связи ил люстрируют на опыте: поме-
няв местами провода, идущие к катушке обратной связи, убежда-
ются в отсутс твии колебаний в кон туре тенора юра. Восстановив
прежнюю схему, можно увидеть, что генератор вновь работает.
Делают вывод: пульсирующий ток в коллекторной цени увеличи-
вает или уменьшает силу тока в контуре в зависимости от того, в
какие моменты открывается транзистор (а транзистор открывает-
ся и закрывается той переменной ЭДС. которая наводится в ка-
тушке обратной связи). Соответственно пульсации коллекторного
гока либо совпадают с изменением тока в контуре (и гем самым
усиливают его), либо оказываются противоположными (и ослаб-
211
ляют (гасяг) ток в этом контуре). Поэтому генерация колебании
возможна только при определенном подключении катушки об-
ра 1 ной связи
Поднимая катушку обратной связи по магнитопроводу, наблю-
дают на осциллограмме уменьшение амплитуды колебаний. Эго
объясняют тем, что связь катушки с контуром становится слабее и
гем самы.муменьшается наводимая в ней ЭДС. Если связь станет
еще слабее, колебания в контуре прекратятся, так как при слабой
обратной связи энергия, поступающая в контур за период, оказы-
вается меньше потерь энергии в контуре.
3.6.3. Вынужденные электрические колебания
1
После изучения свободных электрических колебаний и автоко-
лебаний школьников знакомят с вынужденными электрическими
колебаниями. Начинают знакомство с колебаний низкой частоты,
основной областью применения которых является электротехни-
ка. Изучение этого вопроса нМсст большое практическое и поли-
техническое значение.
Важно, чтобы учащиеся воспринимали переменный ток именно
как процесс вынужденных электрических колебаний в цепи. При
этом можно проверить справедливость тех закономерностей, кото-
рые были уже установлены для механических вынужденных колеба-
ний (соотношение между частотой источника и частотой собствен-
ных колебаний цепи, явление резонанса и т.д.), и тем самым более
прочно усвоить их. В то же время должны быть усвоены понятия,
специфичные именно для цепей переменного тока: действующие
значения силы тока и напряжения, их отличие от мгновенных, мак-
симальных и средних значений этих же величин, физическая сущ-
ность активных и реактивных сопротивлений и способы их вычис-
ления и экспериментального определения, принципиальное устрой-
ство генераторов переменною тока, преобразование напряжения
(силы тока) переменного тока с помощью трансформатора и др.
В начале изучения переменного тока целесообразно повторить
условия возникновения свободных колебаний в контуре, обратив
особое внимание на затухающий характер этих колебаний. Сооб-
щают, что незатухающие электрические колебания на практике
нашли очень широкое применение. Учащимся уже известно, что
такие колебания являются вынужденными. Выясняют, опираясь на
знания, полученные при изучении механических колебаний, что
незатухающий характер вынужденных колебаний обеспечивается
периодической внешней силой, действующей на систему. Поясня-
717
юг, что вынужденные электрические колеоания могут вызываться и
поддерживаться источником переменной синусоидальной ЭДС
। оператором переменного тока. Рассматривают принцип работы
гакого генератора - получение переменной синусоидальной ЭДС
индукции в рамке, вращающейся с постоянной скоростью в одно-
родном магнитном поле.
С помощью осциллографа учащиеся наблюдают незатухающие
колебания напряжения в осветительной сети и делают вывод о
синусоида, ьном характере его изменения. Зная частоту развертки
осциллографа, можно предложить, им подсчитать частоту колеба-
ний напряжения. Сообщают о стандартном се значении - 50 Гц,
принятом Международным соглашением во многих странах.
На графике синусоидального напряжения показывают его ам-
плитудное и мгновенное значения. Записывают выражение для
мгновенного значения напряжения в любой момент времени:
и = t/,„cos((0/ + <ро).
Сообщают, что далее будет изучаться переменный ток - элект-
рические колебания, возникающие в цепи под действием гармо-
нически изменяющегося напряжения.
Следует показать, что: а) сила переменного тока, как и посто-
янного, определяется напряжением на концах цепи ию) процессы в
цепях переменного тока низких частот носят квазистационарный
характер, т. е. в каждый данный момент сила тока на всех участ-
ках цепи одна и та же.
Реализовать это можно следующим образом: сначала повто-
рить сведения о том, что приложенное к участку цепи постоянное
напряжение создаст в нем электрическое поле определенной на-
пряженности. Если, не изменяя приложенного к' участку цепи на-
пряжения, изменить переключателем его полярность, то электриче-
ское поле с изменившимся направлением напряженности вызовет
гок противоположного направления, но сила тока останется той же
(в опыте участком цепи должен быть элемент с линейным сопро-
тивлением). Таким образом, учащихся подводят к пониманию то-
го, что если на концах цепи напряжение меняется по знаку и мо-
дулю (в частности, по гармоническому закону), то в этой цепи ме-
няется напряженность электрического поля внутри проводника и
ио такому же закону, с той же частотой изменяется сила тока в
цепи. Например, сила тока в нагрузке городской сети в соответст-
вии с изменениями сетевого напряжения изменяется по гармониче-
скому закону, испытывая колебания частотой 50 Гц. Следует также
показать на опыте, что кривые тока и напряжения в общем случае
не совпадают по фазе [11, ч. 2, опыт 19].
213
Далее выясняют вопрос о квазистационарпости процессов в
цепях переменного тока низкой частоты. Вспоминают с учащими-
ся. что электрическое поле распространяется хотя и с очень боль-
шой (с = 3-108 м/с), но все же с конечной скоростью. Например, с
момента замыкания ключа до появления тока в точках цепи, уда-
ленных от источника на расстояние /. должен пройти промежуток
времени не меныиии —. Это значит, что, например, на расстояние
с
I = 1 км поле распространится в течение / = —= 3-106с. Так как
с
это время много меньше периода колебаний для силы тока и на-
пряжения низких частот (например, для сетевого напряжения
Т =— = 0,02 с), то считают, что мгновенные значения силы тока
50
во всех точках цепи практически одинаковы (г. е. токи низкой
частоты достаточно медленные). Период их колебаний много
больше, чем время установления тока в цепи, поэтому можно го-
ворить о силе тока в цепи в данный момент времени.
Рассматривая этоз вопрос, проводят аналогию с теми процес-
сами, которые школьники изучали в термодинамике. Подобно
тому как в термодинамике квазиста ическнмн являются доста-
точно медленные изменения параметров системы, гак и в элек-
трических цепях переменного тока квазистационар! ,ымп считают
процессы достаточно медленного изменения силы тока или на-
пряжения, т. е. колебания низких частот (от десятков до миллио-
нов герц) для сравнительно небольших расстояний.
Далее рассматривают цепи переменного тока с резистором, ка-
тушкой индуктивности и конденсатором. Резистор в цепи пере-
менного тока вызываез необратимые потери энергии (на нагрева-
ние, излучение, перемагничивание сердечника и др.). В изучаемых
цепях переменного тока низких частот потери мощности на рези-
сторе связаны в основном с нагреванием, а другими дополнитель-
ными потерями можно пренебречь.
Цепи переменного тока с резистором, конденсатором и катуш-
кой индуктивности изучают в следующей логической последова-
тельности: сначала дается понятие о том или ином элементе в цепи
переменного тока (сравнение с его поведением в цепи постоянного
тока), затем фазовые соотношения, формула соответствующего
сопротивления, преобразования энергии в цепи, содержащей
только резистор, конденсатор или катушку индуктивности.
Последовательность изучения цепи переменного тока с элемен-
тами, обладающими различного вида сопротивлениями, может
быть и несколько иной. Можно начать с того, что один урок по-
214
святить экспериментальному установлению следующих фактов:
сопротивление резистора постоянному и переменному току оди-
наково, сопротивление катушки индуктивности переменному току
больше, чем постоянному, а конденсатора - наоборот. В каждом
случае необходимо выяснить причины такого различия, устано-
вить, от чего зависят емкостное, индуктивное и активное сопро-
тивления, получить формулы соответственно для каждого из них.
На следующем занятии рассматривают опять-таки эксперимсн-
гально сдвиг фаз между силой тока и напряжением в цепях с кон-
денсатором или катушкой индуктивности. Для каждого случая
вычерчивают графики с учетом сдвига фаз между силой тока и
напряжением. На последующих занятиях рассматривают цепи пе-
ременного тока со смешанной нагрузкой, полное сопротивление в
цепи переменного тока, резонанс напряжений и энергетические
превращения в цепях переменного тока. ,
Понятие действующего значения силы тока и напряжения мож-
но ввести так: вначале выводят выражение для расчета мгновен-
ных значений мощности на резисторе, отсюда находят среднее
J2
шачение мощности за период и выясняют, что -у- есть среднее
значение квадрата силы тока за период. Вводят определение: ко-
рень квадратный из этой величины называют действующим зна-
чением переменного тока. Название связано с тем, что при про-
хождении такого тока по участку с активным сопротивлением
выделяется мощность
2
Такая же мощность выделяется в цепи постоянного тока при
силе тока, равной действующему значению переменного тока.
Итак, действующее значение переменного тока равно силе посто-
янного тока, выделяющего такое же количество теплоты, что и
переменный ток за то же время.
Если вопрос о мощности в цепи переменного тока не рассмат-
ривается, то, нс прибегая к расчетам, сразу можно дат ь определе-
ние действующего значения переменного тока и его связи с мак-
симальной силой тока:
Важно отметить, что шкалы электроизмерительных приборов
для измерения переменных силы тока и напряжения градуируют
именно в действующих значениях этих величин.
215
Так как на резисторе Мгновенные значения силы тока и напри
женим совпадают ио фазе, к ним применим закон Ома. Показыва-
ют. что он справедлив и для максимальных и для действующих
значений силы тока и напряжения. В цепях переменного тока, об-
ладающих реактивным сопротивлением, мгновенные значения
силы гока и напряжения не совпадают по фазе. В таких цепях за-
кон Ома выполняется только для максимальных и действующих
значений силы тока h напряжения. В этом необходимо убедить
учащихся экспериментально.
Рассмотрение цепи переменного тока, обладающей смешанным
сопротивлением, начинают с эксперимента измеряют напряже-
ние на каждом из последовательно включенных элементов цепи
(лампе катушке индуктивности и батарее конденсаторов), под-
ключенной к источнику переменного напряжения. Обращают вин
мание на следующие опытные факты:
1.	Общее напряжение не равно сумме напряжений на отдель-
ных участках, как это имело место для цепей постоянного тока.
2.	Напряжение на участке, включающем в себя катушку и кон-
денсатор, равно нс сумме, а разности напряжений на каждом in
них в отдельности. Объяснить этот результат можно предложи и.
самим учащимся: им известно, что на катушке индуктивности на-
пряжение опережает силу гока на л/2, а на конденсаторе отсташ
от нес на ту же величину. Гак как мгновенное значение силы гока
в цепи всюду одно и то же, то ясно, что колебания нанряженйя па
катушке и конденсаторе происходят со сдвигом фаз, равным л,
т. е. их фазы противоположны.
3.	Полное сопротивление цепи меньше суммы сопротивлении
всех включенных в нее элементов (резистора, катушки индуктив-
ности и конденсатора). Следует показать на опыте, что полное
сопротивление этой цепи зависит от частоты. При опрсделеннон
частоте емкостное и индуктивное сопротивления оказываются
равными друг другу, т.е. реактивное сопротивление цени равно
нулю. Тогда падения напряжения на этих элементах цепи равны
по амплитуде и противоположны по фазе, в любой момент времени
сумма их мгновенных значений равна нулю. Таким образом, еилп
тока в цепи достигает максимального значения, так как внешнее
напряжение фактически приложено только к резистору. В цепи и
этом случае имеет место резонанс напряжении, при этом напряже-
ние на каждом из участков, обладающих реактивным сопротивле-
нием, оказывается больше внешнего. Получить резонанс напряже-
ний можно, изменяя частоту подаваемого напряжения или подби-
рая соответствующим образо i индуктивность или емкость после-
довательно соединенной цепи. Эют вопрос и является основным н
216
этой части материала (цепи переменного тока со смешанной на-
грузкой). Все использованное для выяснения электрического резо-
нанса можно рассматривать как необязательный материал, кото-
рый учащиеся нс должны заучивать, а учитель проверять на уроке.
При изучении энергетических превращений в цепях с резисто-
ром. катушкой индуктивности или конденсатором целесообразно
показать следующи i простой опыт: вначале к источнику пере-
менного тока подключают активную нагрузку, например электро-
плитку. амперметр, вольтметр и ваттметр. Учащиеся наблюдают,
что в этом случае произведение показаний амперметра н вольт-
метра примерно совпадает с показанием ваттметра: Р= IU.
То. что мощность, потребляемую в цепях постоянного тока,
рассчитывают по формуле Р = 1Щ учащимся известно из базовою
курса и курса физики старших классов.
Затем рассматривают ту же цепь, но с элементом, обладающим
реактивным сопротивлением. Показывают, что в цепи, обладаю-
щей чисто индуктивным или чисто емкостным сопротивлением,
показания ваттметра близки к нулю и не совпадают с произведени-
ем показаний амперметра и вольтметра. Привлекаю! учащихся к
объяснению такого несовпадения элемент с чисто реактивным
сопротивлением, ограничивая силу тока в цепи, практически не по-
требляет энергии. Если в течение одной четверти периода энергия
положительна (она поступает от источника в цепь и запасается в
виде энергии магнитного поля в катушке индуктивности или энер-
гии электрического поля в конденсаторе), то в следующую четверть
периода она отрицательна (энергия возвращается источнику от по-
требителя). Таким образом, происходит бесполезная циркуляция
энергии но проводам от источника к потребителю и обратно, кото-
рая расходуется только на нагревание подводящих проводов.
Ребятам предлагают самостоятельно начертить в одной и той же
системе координат графики зависимостей силы тока и напряже-
ния от времени для цени с резистором и по ним построить график
для мгновенной мощности (рис. 74, а). Затем ту же работу прово-
дят для цепи, содержащей только катушку индуктивности (или
конденсатор) (рис. 74, б. в). Анализ полученных графиков позво-
ляет объяснить увиденное на опыте.
Далее показывают учащимся тот же опы т, но уже д тя случая;
когда цепь, кроме реактивного, обладает еще и активным сопро-
тивлением (реальная ситуация, в отличие от предыдущей - пдеа-
шзированной). В этом случае сдвиг по фазе между силой тока и
напряжением Дф<у, потрсоляемая мощность отлична от нуля,
хотя и меньше той. которая выделялась в цепи с резистором.
217
р, и, i
Рис. 74
Эти вопросы также дают в ознако-
мительном плане. Учащихся нужно убе-
дить, что чем меньше сдвиг фаз между
силой тока и напряжением, тем боль-
шую часть мощности, подводимой к
цепи, используют полезно, необратимо
превращая в другие виды энергии.
Полученные при изучении перемен-
ного тока знания используют при изу-
чении производства, передачи и рас-
пределения электроэнергии. Рассмат-
ривают устройство индукционного
электромеханического генератора пе-
ременного тока, принцип его действия
и основные части промышленных ге-
нераторов - ротор (электромагнит,
вращением которого создается изме-
няющееся магнитное поле) и статор
(неподвижная обмотка, в которой вих-
ревое электрическое поле, возникаю-
щее при вращении ротора, создает
ЭДС индукции). Целесообразно 'По-
знакомить с необходимостью преобра-
зования напряжения при электропере-
даче. Это делают, решая задачу при-
мерно следующего содержания:
Потребитель энергии (город, завод,
район и т.д.) находится на расстоянии I
от электростанции, потребляет мощ-
ность Рпри напряжении U. Линия изго-
товлена из материала с удельным со-
противлением р, сечение проводов S.
Рассчитать потерн мощности в линии
и указать возможные пути их умень-
шения.
При решении задачи учащиеся ис-
пользуют формулу мощности, необра-
тимо теряемой на нагревание проводов:
пр 1
где /?1|р =р— - сопротивление проводов; 1 =—. Анализ приводит
к следующим выводам: при заданной мощности Р потребителя.
218
гребуомом расстоянии I и одинаковом материале проводов по-
гери в линии при неизменной нагрузке можно уменьшить путем
хвеличення сечения проводов (что практически ограничено) или
повышением напряжения, иод которым энергия передается по-
гребителю (чю практически осуществляют с помощью транс-
| орматоров).
Далее рассматривают устройство и работу трансформатора.
Па примере однофазного трансформатора показываю! ею*дейст-
вие (повышение и понижение напряжения) и устройство. Вначале
рассматривают режим холостого хода, а затем режим нагрузки.
В качестве элемента цепи, потребляющего электроэнергию. целесо-
образно использовать реостат, так как им проще изменять сопро-
тивление. Показывают, что при увеличении сопротивления воз-
растает сила тока как во вторичной, так и в первичной обмотках
трансформатора. Учащимся предлагают самим с энергетических
позиций объяснить возрастание силы тока в первичной цепи
(увеличение потребления энерпш на внешнем участке цепи естест-
венно должно сопровождаться увеличением потребления энерпш
первичной обмоткой от генератора).
Далее изучаю! вопросы передачи электрической энергии в ли-
ниях постоянного и переменного тока, ее распределения и исполь-
ювания. Учащихся знакомят с успехами России в деле электрифи-
кации страны.
3.7.	МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ
ЭЛЕКТРОМ 1ГНИТНЫХ ВОЛН
В программе общеобразовательной средней школы при изуче-
нии электромагнитных волн рассматривается большой крут воп-
росов: электромагнитные волны и их свойства, вопросы радио-
связи, световые волны и элекгрома! нитныс излучения разных
д ши волн. Особо надо подчеркнуть* что теперь в программе нет
раздела «Оптика», а материал этого раздела изучается в разных
частях курса: геометрическая оптика и частично - волновая в
базовом курсе физики, световые волны как один из примеров
и ектро магнитных волн - в конце раздела «Электродинамика»:
квантовые свойства света в разделе «Квантовая физика».
Ликвидация оптики как раздела - следствие генерализации ма-
юриала курса физики общеобразовательной средней школы, вы-
деления в нем основных, ведущих физических теорий и группи-
ровки материала вокруг них. Поэтому эго закономерный процесс
в совершенствовании школьного курса физики.
219
3.7.1.	Методика введения понятия электромагнитной волны
Изучение понятия электромагнитной волны начинают с рас-
смотрения взаимосвязи переменного электрического и перемен-
ного магнитного полей. Здесь возможен исторический подход: oi
гипотезы Максвелла о токах смещения - к экспериментальному
доказательству ее справедливости, теории Максвелла о едином
электромагнитном поле, понятию электромагнитной волны, опы-
там Герца и, наконец, к физическим основам радиосвязи. Реко-
мендуем именно такой подход.
Ниже приводятся основные физические сведения об электромаг-
нитных волнах, а также некоторые методические рекомендации.
Электромагнитная волна - это процесс распространения элек-
тромагнитных колебаний в пространстве с конечной скоростью.
Существование электромагнитных волн предсказал еще в 1832 г.
М. Фарадей, а в 1865 г. Дж. К Максвелл теоретически показал, что
электромагнитные колебания должны распространяться в вакууме
со скоростью света. Действительно, из уравнений Максвелла п|эи
определенных условиях получают волновое уравнение, имеющее
решение (для электрического вектора) в виде
/?=£’ cos(co/- Ал+сх),	t
где со - круговая частота, к - волновое число, а - начальная фаза
колебаний в точке с координатой л = 0.
Заметим сразу, что при изучении электромагнитных волн в
средней школе нез возможности давать ни волновое уравнение,
ни его решение, |пз вводить волновое число и т. п. Изучение элекз-
ромагнитных волн можно проводить лишь на качественном уров-
не: сообщить школьникам основные выводы из теории и экспери-
мсн1альные факты, применяя модельные представления, графики
и другие средства, обеспечивающие наглядность при изучении
этого сложного материала. Очень важно подчеркнуть, что теоре-
тическое предположение Максвелла о существовании электро-
мат нитных волн было экспериментально подтверждено Герцем в
1888 г., что сыграло принципиально важную роль в утверждении
теории Максвелла.
В электромагнитной волне вектор напряженности электриче-
ского поля Е и вектор магнитной индукции В перпендикулярны
друг другу, кроме того, они лежат в плоскости, перпендикулярной
к направлению распространения волны, г. е. вектору скорости
волны Это дает основание утверждать, что электромагнитные
волны поперечны. Направление распространения волны онре-
220
дел'яют правилом правого винта при вращении вектора Е к век-
гору В по кратчайшему расстоянию.
Вектор напряженности электрического поля Е и вектор маг-
нитной индукции В колеблю!ся в одной фазе, т. е. одновременно
превращаются в нуль и одновременно достигают максимума. Э1и
сведения дают возможность изобразить графически изменения
вектора напряженности электрического поля Ей вектора магнит-
ной индукции В и направление распространения волны, показат ь
направление скорости. Па этом же графике можно отметить дли-
ну волны Z.
Из решения волнового уравнения в теории Максвелла вытека-
ло, что фазовая скорость электромагнитных волн в вакууме равна
скорост света и связана с электрической и магнитной постоян-
ными следующим соотношением:
Тадц
Скорость в среде равна
где £ и р - соответственно диэлектрическая и магнитная прони-
цаемости среды.
Совпадение скорости электромагнитных волн со скоростью
света дало возможность Максвеллу предположить, что свет имеет
электромагнитную природу. Это подтвердилось, и благодаря
>тому в истории науки произошло объединение оптики и элек-
тромагнетизма в одно учение.
При качественном объяснении образования и распространения
волн надо исходить из того, что излучает только ускоренно дви-
жущийся электрический заряд. В открытом диполе или в антенне
как раз и наблюдается такой характер движения зарядов. Кроме
того, вспоминают связь переменных электрических и магнитных
полей, а именно то. что переменное электрическое поле порожда-
ет переменное магнитное, и наоборот.
Можно представить процесс распространения электромагнит-
ного поля, т е. образования электромагнитных волн в свободном
пространстве (рис. 75). Переменное электрическое поле напряжен-
ностью Е порождает переменное магнитное ноле с индукцией В.
221
В свою очередь это поле порождает переменное электрическое
поле с напряженностью Е{ и т. д.
Из теории Максвелла следует, что электромагнитная волна пе-
реносит энергию. Энергия, переносимая волной, количественно
характеризуется вектором плотности потока энергии, который в
науке получил название вектора Умова-Пойнтпнга. В средней
школе приходится ограничиваться констатацией факта переноса
энергии в направлении распространения волны, а также выводом
из того факта, что электромагнитная волна должна обладать им-
пульсом и благодаря этому оказывать давление на тела.
Импульс электромагнитной волны мал. Прямые измерения
светового давления впервые были произведены замечательным
русским ученым II.Н.Лебедевым в 1900 г. Доказательством нали-
чия импульса у электромагнитного излучения служит поведение
хвостов комет: из-за светового давления хвосты комет1 наиравле-
ны от Солнца.
Свободное электромагнитное поле обладает не только энерги-
ей и импульсом, но и массой. Поскольку энергия равна Е = тс2. а
скорость света велика, го даже весьма значительной энергии поля
соответствует очень малая масса. Например, масса, соответствую-
щая энергии, излучаемой очень мощной радиостанцией (500 kBi )
в течение часа, равна 0.02 мг.
Электромагнитную природу имеет чрезвычайно широкий круч
излучений. Можно говорить о непрерывном ряде излучении, про-
стирающихся oi радиоволн до гамма-лучей, т. е. о спектре или
шкале электромагнитных излучений. Названия для излучении,
лежащих в различных участках спектра, сложились исторически.
Они фактически дают классификацию источников излучения. Из-
лучение электронов, обусловленное их движением в проводниках,
позволяет генерировать электромагнитные волны с частотой до
1012 Гц. Для генерации излучений с частотой выше границы микро-
222
волнового диапазона используют излучение атомов. Верхний пре-
цел частот, которые могут генерировать атомные системы, состав-
ляет 1020 Гц, излучения более высоких частот (гамма-лучи) испус-
каются атомными ядрами.
Спектр электромагнитных излучений (шкала электромагнит-
ных волн) отражает единство и взаимосвязь качественных и коли-
чественных изменений.
Обычно при раскрытии процесса излучения электромагнитных
волн идут одним из следующих путей:
1.	Вначале рассматривают распространение электромагнитной
волны вдоль двухпроводной линии, а затем, развертывая концы
ной линии, переходят к диполю, излучающему электромагнитные
волны.
2.	Рассматривают задачу о поле излучения точечного диполя
(диполя Герца), а затем - сам вибратор Герца как систему точеч-
цых диполей, излучения которых складываются и дают излучение
всего вибратора в целом.
3.	Вскрывают недостатки закрытого колебательного контура
как излучателя и, постепенно изменяя емкость его конденсатора и
индуктивность катушки, переходят к открытому контуру - вибра-
юру.
Последний подход наиболее доступен учащимся. Они само-
стоятельно приходят к выводу, почему слабо излучает закрытый
контур (поля в нем пространственно разделены, магнитное поле
сосредоточено в основном в катушке, электрическое - между об-
। |адкамн конденсатора). Такая система с сосредоточенными пара-
метрами практически нс излучает электромагнитные волны. Затем
школьникам предлагают ответить: что изменится, если раздвигать
и щетины конденсатора, постепенно уменьшая их площадь? умень-
шая число витков катушки? Учащиеся сами сделают вывод: такой
контур будет лучше излучать. Так как электроемкость и индук-
тивность при этом уменьшились, то увеличилась собственная час-
тота колебаний контура; пропорционально четвертой степени
частоты увеличивается и интенсивность излучения.
Показывают, что в открытом контуре, индуктивно связанном с
контуром генератора незатухающих колебаний, возбуждаются
вынужденные колебания той же частоты. Нет нужды детально
рассматривать процесс излучения электромагнитных волн антен-
ной в зоне, примыкающей к самой антенне, - этот процесс доста-
гочно сложен для учащихся и мало что добавляет к пониманию
физической сущности процесса. Нас интересует в основном вол-
новая зона, расстояние которой до вибратора значительно боль-
ше длины волны (г » X). Целесообразно рассмотреть с учащимися
223
рисунок, где показаны линии электрического и магнитного ио пей
вокруг вибратора в некоторый момент времени (рис. 76). Кроме
чертежей, помогающих школьнику представить себе картину
электромагнитного поля вокруг прямолинейного вибратора, не-
обходимо па опыте убеди гь его в существовании этого поля.
С помощью генератора УВЧ, присоединив к нему излучающий
диполь, можно показать распределение токов и напряжений в нем
с помощью индикаторов - маловольтной лампочки накаливании
и неоновой лампочки. Используя неоновую лампочку, показыва-
ют, что максимальное напряжение имееп место на концах диполя,
в середине же оно минимально. Лампочка накаливания поможо
убедиться в том, что в середине диполя сила тока максимальна
только здесь будет заметен ее накал. В методической литературе
встречаются и другие предложения ио изучению поля вокруг пря-
молинейного вибратора. При этом в качестве индикаторов магнш-
ного поля предлагается использовать или ферритовый стержень с
витком и лампочкой, или просто виток проволоки с низковольтной
лампочкой (2,5 В; 0.075 А). Для изучения электрического ноля
вокруг вибратора предлагается использовать проводник, в сере-
дине которого помещают лампу накаливания. После данной демон
страции зарисовывают картину линий поля вокруг прямолиПеп-
ного вибратора. Закрепить изученный материал поможет демон-
страция фрагмента из учебного видеофильма «Физические основы
радиопередачи», где рассматривается процесс излучения электро-
магнитной волны антенной.
Следует подробно остановиться на опытах Герца, которые яви-
лись экспериментальной проверкой выводов теории Максвелла
Их можно проиллюстрировать с помощью генераторе! ВЧ, излу-
чающего волны длиной около 3 см.
224
3.7.2.	Свойства электромагнитных волн
Для электромагнитных волн характерны явления отражения,
преломления, интерференции, дифракции, поляризации. Все они
могут и должны быть продемонстрированы в средней школе. Это
важно для последующего изучения этих явлений в случае свето-
вых волн.
С помощью генератора (X = 3 см) демонстрируют опыты, зна-
комящие учащихся со свойствами элекзромагнитных волн - от-
ражением. преломлением, поглощением.
При изучении свойств электрома1 нитных волн школьников
впервые знакомят с явлениями интерференции и дифракции. Спо-
собность интерферировать характерна для волн любой природы.
Явление интерференции помогает выявить волновой характер
того или иного процесса. Кроме того, интерференция находит
широкое практическое применение. Это определяет особую важ-
ность ее изучения.
Теперь учащихся впервые знакомят с интерференцией волн в
базовом курсе физики, поэтому при изучении электромагнитных
волн у них нет особых затруднений, хотя приходится разбирать
сущность процессов, происходящих с «невидимыми» объектами
электромагнитными волнами, причем сами эти волны уже не яв-
ляются на данном этапе объектом изучения. Усвоению сути явления
интерференции может помочь привлечение того материала, кото-
рый уже знаком учащимся. - материала о механических волнах.
Эго значи т, ч то сначала целесообразно повторить явление интер-
ференции и условия устойчивости интерференционной картины
на примерах упругих воли, воли на воде, а затем перейти к изуче-
нию интерференции электромагнитных волн. Глубокое изучение
интерференции волн целесообразно начать с принципа суперпо-
зиции волн. Принцип суперпозиции волн - опытный факт. отме-
ченный очень давно. О нем упоминается еще в работах Леонардо
да Винчи. Показывая процесс распространения волн (например,
туковых) от двух разных источников в однородной среде, уча-
щихся подводят к выводу: во ты распространяются независимо
друг от друга, каждая из них распространяется так. как будто дру-
гой нет. В гон области среды, где встречаются две волны от раз-
ных источников, происходит их наложение. Вызванные ими коле-
бания складываются таким образом, что результирующее смеще-
ние каждой частицы среды равно сумме отдельных смещений.
Обращают внимание школьников на картину, полученную в
области наложения волн от двух вибраторов в волновой ванне
(наблюдать эго удобнее в стробоскопическом освещении). Полсз-

8-27*1
225
но провести на чертеже исследование подобной интерференцион-
ной картины от двух источников, колеблющихся в параллельных
плоскостях с одинаковой частотой и фазой. Далее вводят понятие
о когерентных источниках - источниках колебаний одинаковой
частоты с постоянной разностью фаз. Выясняют, что в одну и ту
же точку среды от двух этих источников будут приходить волны в
разных фазах, так как они проходят от источников до этой точки
разные расстояния. Разность Дс/ этих расстояний обусловливаем
сдвиг по фазе, равный
а э ^d
Д(р-2л—,
Л
так как 2л- сдвиг фаз между точками, удаленными друг от друга на
длину волны X. Рассматривают разность хода AJ, равную О, X. 2Х,
3Z, п видят, что волны во всех этих случаях будут приходить в дан-
ную точку, имея сдвиг фаз 0, 2л, 4л, 6л и т. д. Таким образом, вол-
ны придут в эту точку в одинаковых фазах и будут усиливать друз
п	А ЗХ 5Х
друга. В точках, для которых разность хода равна —, — , — ,....
встретятся волны с разностью фаз л, Зл, 5л, т. е. с противополож-
ной фазой, и, следовательно, будут ослаблять друг друга. Для то-
чек, где на разности хода укладывается не целое (четное или не-
четное). а некоторое промежуточное число полуволн, результи-
рующее смещение (ослабление или усиление колебаний) будет вы-
ражено гораздо слабее. Итак, в каждой точке среды в зависимости
от разности хода до когерентных источников наблюдаются йЛи
максимальная, или минимальная амплитуда, или се промежуточ-
ное значение. Следует отметить, что если разность хода волн до
некоторой точки соизмерима с ее расстоянием до источников, т. е
достаточно велика, то вследствие убывания амплитуды круговых
волн с расстоянием волны будул приходить в эту точку с разными
амплитудами. Поэтому в таких точках максимумы и минимумы
будут размываться, отчетливо они будут видны лишь на неболь-
шом расстоянии от источников.
Записывают условия максимумов и минимумов в интерферен-
ционной картине:
для максимумов ^d=kX\
для минимумов
где А = О, 1,2. 3....
226
Выделяют наиболее важные моменты:
1.	Устойчивая картина интерференции будет в том случае, если:
а) частота источников одинакова: б) разность фаз между ними нс
изменяется во времени (в частном случае равна нулю); в) интерфе-
рирующие волны одинаково поляризованы. Можно эксперимен-
тально показать важность всех этих условий.
Вспомнив, что источники, удовлетворяющие эп м условиям,
называют когерентными, заключают: устойчивую интерференци-
онную картину получают только от когерентных источников. Ус-
тойчивость ее выражается в том, что со временем не-изменяется
распределение амплитуд колебания точек среды.
2.	11олная энергия системы волн в отсутствие затухания должна
в соответствии с законом сохранения энергии оставаться неиз-
менной. В области интерференционной картины происходит
лишь ее перераспределение в пространстве: в точках минимумов
энергия колебаний уменьшается до нуля, в точках максимумов
она возрастает (становится больше, чем суммарная энергия скла-
 1ывас м ы х колебан и й).
3.	Положение максимумов п минимумов в интерференционной
картине зависит от частоты колебаний источников волн и рас-
стояния между ними. Если увеличить частоту колебаний источни-
ков волн (это можно проделать с помощью вибраторов в волновой
ванне), то отчетливо видно, что места максимумов сближаются.
Гаким образом, по расстояниям между ними можно судить о часто-
те (длине) волны. На той же установке показывают, что при сбли-
жении источников друг с другом расстояния между максимумами
увеличиваются (частота источников остается неизменной).
С помощью чертежа, выполненного учащимися для интерфе-
ренционной картины, поясняю 1. что при уменьшении расстояния
между источниками число максимумов (и минимумов) уменьша-
ется. Когда расстояние между ними станет меньше длины волны,
ю в любую точку среды волны будут приходить в почти одинако-
вых фазах (от точки к точке амплитуда результирующей волны
почти не будет изменяться), т. е. картина будет такой, как если бы
волны распространялись от одного источника.
В заключение останавливают внимание на способах обеспе-
чения когерентности источников, показывают, что для получения
когерентных звуковых волн можно использовать два независи-
мых источника звука (два камертона, два звуковых генератора),
аналогично это можно осуществить для волн на воде. Отмечаю!,
что существует принципиально другой путь получения коге-
рентных волн - волновые импульсы от одного источника разде-
лился каким-либо образом на два или несколько импульсов,
227
которые затем, встречаясь, могут интерферировать. Например,
два громкоговорителя, подключенные параллельно к звуковому
генератору, становятся источниками когерентных звуковых волн,
которые, проходя через одну и ту же область, даю г устойчивую
интерференционную картину. Аналогично, присоединив к виб-
ратору волновой ванны насадку с двумя или несколькими шари-
ками, получают когерентные волны, интерферирующие между
собой.
Мы выделили моменты, на которых целесообразно остановить-
ся при изучении интерференции волн. Основные из них (условия
устойчивой интерференционной картины, распределение в ней
энергии, условия образования максимумов и минимумов) следуе!
пояснить опытами с волнами на воде и звуковыми волнами.
Интерференцию электромагнитных волн показываю! после
этого с помощью генератора сантиметровых волн (к = 3 см). В этом
случае генератор и приемник размещают друг против друга, а затем
снизу или сверху подводят горизонтально расположенную метал-
лическую пластину. Постепенно поднимая или опуская пластину,
обнаруживают поочередно усиление и ослабление приема. С по-
мощью чертежа объясняют наблюдаемый эффект. Следует учесть,
что программа общеобразовательной средней школы по предусмат-
ривает введение понятия стоячей волны, поэтому данные опыты
рассматривают только как демонстрацию получения устойчивой
интерференционной картины в результате наложения двух волн
прямой и отраженной.
Изучение дифракции волн проводят также на качественном
уровне, с использованием опытов и чертежей, при этом целесооб-
разно остановиться на следующих моментах.
Явление дв фракции - отклонение волн от прямолинейною .рас-
пространения, огибание ими препятствий - характерно для волн
любой физической природы. Это можно показать на примере
волн на воде и звуковых волн. Показывают учащимся, что волна,
падающая на непрозрачный экран с отверстием, образует за от-
верстием круговую волну. Чем меньше размеры отверстия по
сравнению с длиной падающей волны, тем бо iee четкой будет
картина загибания волн за непрозрачный экран (рис. 77, а а). Ес-
ли же на пути волны поставить непрозрачное препятствие, то бу-
дет наблюдаться .огибание волнами его краев (рис. 77, г-е). Чем
меньше размеры препятствия по сравнению с длиной волны, тем
заметнее эффект огибания. Отмечают, что дифракция имеет место
и тогда, когда размеры отверстий и препятствий больше длины
падающей волны, но этот эффект заметен только па достаточно
больших расстояниях от них.
228
а	о	в
о	е
Рис. 'll
После ознакомления с дифракцией механических волн целесо-
образно на опыте с генератором сантиметровых волн показать, что
>то явление имеет место и для электромагнитных волн, причем
характер дифракционной картины зависит от соотношения раз-
меров препятствия, длины волны и расстояния, на котором нахо-
дится препятствие (щель) от места наблюдения. Подробнее этот
вопрос рассматривают при изучении световых волн.
Из практических применений интерференции следует остано-
виться на интерференционных способах определения длины вол-
ны и скорости распространения волны в среде, проиллюстриро-
вав это опытами для звуковых волн и упругих воли на шнуре.
В поперсчности электромагнитной волны учащихся можно
убедить на опыте: генератор и приемник сантиметровых волн
располагают друг против друга. Получив громкий прием, пово-
229
рачивают генератор вокрхг ею продольной осн на 90° и наблюди
ют прекращение приема. Тот же эффект имеет место при поворачи
вании приемника. Если между генератором и приемником распо
дожить поляризационную решетку, то, поворачивая решетку в ее
оправе, наблюдают ослабление приема в случае, когда металличе
ские прутья решетки располагаются вдоль вектора напряженно
ci и электрического поля и. следовательно, сигнал отражается.
3.7.3. Физические основы радиосвязи
11осле гою как Г. I ерц экспериментально подтвердил справед
ливость теории Максвелла, были получены электромагнитные
волны, изучены их свойства и доказано, что они во многом ана-
логичны волновым процессам иной природы. Нача ш совершен
ствоваться излучатели и приемники электрома!ншных волн.
У чашихся прежде всею следует ознакомить с работами А.С. По-
пова - ею приемником с когерером, приемной антенной с зазем-
лением, выполненной нм первой в мире передачей и приемом ра-
диограммы. осуществлением радиосвязи на дальние расстояния.
После ознакомления с работами Г. Герца и А.С. Попова, по-
ложившими начало развитию радиосвязи, целесообразно позна-
комить школьников с принципами современной радиосвязи и ее
физическими основами. Они уже знакомы с распространением
электромагнитных волн, их излучением и приемом на дипольную
антенну. Выясняют необходимость использования достаточно
мощных высокочастотных колебаний. Высокие частоты нужны по
нескольким причинам: а) чем выше диапазон частот, тем больше
независимых радиостанций можно в нем разместить; б) интенсив-
ность излучения пропорциональна четвертой степени частоты, это
одна из причин гою, что низкие частоты для радиосвязи не ис-
пользуют; в) интенсивность излучения пропорциональна квадрату
амплитуды. Для получения колебаний достаточно большой ампли-
туды антенна должна быть настроена в резонанс с генератором
колебании. Если антенна - прямолинейный провод, то для этого ее
длина должна быть равна половине длины волны Поэтому в ра-
диовещании используют высокие частоты от 105 до 108 Гц, соот-
ветственно длины во ш порядка от километров до метров. В теле-
видении и радиолокации используют также волны дециметрового
и сантиметровою диапазонов.
Строят функциональную схему радиопередачи н радиоприема.
При этом выясняют необходимость модуляции колебаний в пере-
датчике и демодуляции - в приемном устройстве. Эти вопросы.
230
как правило, вызываю! затруднения у учащихся. В то же время
они очень важны для понимания физической сущности радиопе-
редачи и радиоприема. Поэтому при их изучении особенно важны
постепенность, логичность и последовательность ознакомления с
ними учеников, экспериментальное обоснование всех выдвинутых
положении.
Изучение модуляции можно провести в таком порядке:
1.	Необходимость модулирования колебании. Способы ею осу-
ществления. Наличие нелинейного элемента в цепи.
2.	Амплитудная модуляция. Демонстрационные опыты, позво-
ляющие уяснить ее сущность.
3.	Спектр амплитудно-модулированных колебаний. Получение
осциллограмм несущих, управляющих и модулированных коле-
баний.
4.	Условия, необходимые для амплитудной модуляции колебаний.
Вначале выясняют, что излучение генератора высокой частоты,
если он постоянно включен, не может нести никакой информации.
Ставят вопрос: как же с его помощью можно передать нужное со-
общение9 Выясняют, что эго можно сделать с помощью измене-
ния сигнала, например договорившись об условном значении
включений и выключений генератора. Показывают принципиаль-
ное осуществление такой радиотелеграфной связи, включив теле-
графный ключ в цепь генератора и используя, например, азбуку
Морзе. Включая и выключая генератор на разные по длительно-
сти промежутки времени с помощью ключа, наблюдают прием
закодированных сигналов.
Обсуждают вопрос, как передать речь, музыку, изображение.
Предлагают вспомнить, как осуществляется передача звуковых сиг-
налов в телефонной связи: звуковые сигналы преобразуются в изме-
нения постоянного электрического тока в цени с помощью микро-
фона. При радиопередаче также необходимо воздействовать элект-
рическим сигналом звуковой частоты на незатухающие колебания
высокой час юты, полученные с помощью генератора. При этом
воздействии может изменяться одна из характеристик этих колеба-
ний: амплитуда, частота или фаза. Соответственно различают амп-
литудную, частотную или фазовую модуляцию. Незатухающие вы-
сокочастотные колебания при этом называют несущими, низкочас-
гогные- сигналами сообщения. Для передачи речи, музыки (т.е ча-
стот от 20 до 20000 1 ц) используют несущие частоты от 10s до 1091 ц,
а при передаче телевизионных сигналов - свыше 1013 I ц. В средней
школе рассматривают только амплитудную модуляцию.
При разъяснении сущности амплитудной модуляции вначале
формулируют задачу: имеются незатухающие гармонические элскт-
231
ромагиитные колебания высокой частоты, необходимо с их по-
мощью передать звуковой сигнал. Пусть этот сигнал будет мак-
симально простым, например гармоническое колебание камерто-
на частотой 440 Гц. Итак, несущая частота - сотни килогерц,
управляющая (сигнал сообщения) - сотни герц, т.е. частота сиг-
нала сообщения много меньше несущей. Демонстрируют опьп.
позволяющий, не прибегая к сложным для учащихся схемам, рас-
крыть сущность амплитудной модуляции [11I, ч, 2, опыт 56].
Амплитудную модуляцию демонстрируют с помощью уже из-
вестного учащимся генератора на транзисторе (нелинейный эле-
мент). В его цепь (см. рис. 73) последовательно с катушкой конку-
ра включают катушку (на 120 В) от прибора «Трансформатор на
панели». Вторую катушку этого трансформатора (на 4 В) подклю-
чают к ннзкоомным зажимам звукового генератора. Вначале под-
ключают осциллограф поочередно к генератору на транзисторе и
звуковому генератору и наблюдают электрические колебания вы-
сокой и звуковой частоты, а затем, собрав всю схему, подключают
электронный осциллограф и наблюдают модулированные по ам-
плитуде колебания.
Рис 78
232
Разъясняют необходимость в цепи нелинейного элемента. Не-
линейными устройствами являются электровакуумные и полупро-
водниковые приборы (диоды, триоды и др.). Все они не подчиня-
ются закону Ома, в чем учащиеся могут убедиться, вспомнив
вольт-амперные характеристики этих приборов. Напоминают, что
при изучении устройства генератора школьники уже встречались
с применением нелинейного элемента, в качестве которого высту-
пал транзистор.
Полезно графически изобразить колебания несущей (высокой)
частоты (рис. 78, а) и колебания частоты сигнала сообщения
(рис. 78, о). Надо отметить, что па графиках выдержать правиль-
ное соотношение частот не удается* график даст общую картину и
не претендует на точность. Очень важно для учащихся понять, что
если бы цепь была линейной, т.е. в ней выполнялся закон Ома, то
получилось бы обычное сложение двух колебаний с разными часто-
тами и никакая модуляция не произошла бы. В нелинейной цепи
закон Ома не выполняется, т.е. сила тока не пропорциональна
напряжению, а является более сложной функцией. В результате
получаются негармонические колебания, называемые модулиро-
ванными - это колебания высокой
частоты, амплитуда которых мед-
ленно меняется с низкой частотой
(рис. 78, в).
Напомнив, что каждое периоди-
ческое негармоническое колебание
можно представить как сумму гар-
монических, сообщают, что амнли-
тудно-модулированнос колебание
совокупность трех колебаний с
частотами сон. (сон - а>с) и (сон + (ос).
Если по оси абсцисс откладывать
частоты этих колебаний, а по оси
ординат - их амплитуды, то полу-
чим следующие картины: для коле-
баний несущей частоты (рис. 79, г/),
для chi нала сообщения (рис. 79, б).
для модулированного колебания
(рис. 79. в).
Таким образом, модулирован-
ные колебания - это кс лебания вы-
сокой частоты, которые в с воем
спектре низкой, управляющей час-
т оты нс содержат.
СМ
О
Рис. 79
233
Рис 80
мо
и как
Если бы амплитудно-модулиро-
ванный сигнал представлял собой
обычную сумму колебания несущей
частоты и колебания частоты сиг-
нала сообщения, то в спектре такого
сигнала были бы представлены ко-
лебания высокой и низкой частоты
(рис. 80).
Итак, выяснено, что такое ам-
она осуществляется. Отмечают, что
амплитудная модуляция в настоящее время - основной способ
передачи телевизионных изображений. Учащимся предлагают
продумать структурную схему амплитудной модуляции.
С изучением модулирования тесно связан процесс детектирова-
ния колебаний, изучение которого во времени не следует отодви-
гать от изучения модуляции. Прежде всего выясняют задачу, кото-
рую решает процесс детектирования: из высокочастотного амплн-
тудно-модулпрованного сигнала необходимо получить отсутст-
вующий в его спектре низкочастотный сигнал сообщения. Так как
эта задача обратна той, которую мы ставили перед собой, рассмат-
ривая модуляцию, то детектирование называют иногда демодуля-
цией. В случае детектирования из высокочастотно! о сигнала полу-
чают те частоты, которые до преобразования в нем отсутствуют.
Установка для детектирования колебаний должна состоять из:
I) нелинейного элемента, благодаря которому в составе спек-
тра высокочастотного сигнала должны появиться низкие частоты:
2) устройства, которое позволит отделить напряжение низкрй
частоты от напряжения высокой несущей частоты (фильтр).
Выясняют, что устройство фильтра может быть различным, но
его составляют элемен ты, сопротивление которых не одинаково для
юков низких и высоких частот.
К этому заключению подводят
учащихся, предложив им вспом-
нить характер зависимости ем-
костного и индуктивного сопро-
тивлений от частоты. Отмечают,
что в качестве фильтров для низ-
кой частоты часто используют
параллельно соединенные кон-
денсатор и резистор.
Учащимся предлагают изо-
бразить принципиальную схему
цепи для детектирования амп-
234
т
о\---------------------Ш------------►
(!)
а
в
Рис. 82
лнтудно-модулированиого сигнала
(рис. 81). Кроме того, целесообраз-
но объяснение процесса детектиро-
вания сопроводить показом спект-
рограм м амi ы i пуд f ю-модулирован-
ного сигнала (рис. 82, а). тока в
цепи детектора (рис. 82, б). напря-
жения на конденсаторе фильтра и
телефоне (рис. 82, в), а также графи-
ками, выражающими зависимость
ггих величин от времени.
После того как освоена сущность
процессов модуляции и детектиро-
вания, нетрудно изучить устройст-
во простейшего радиоприемника.
Можно ограничиться рассмотрением
схемы детекторного радиоприем-
ника. а затем демонстрацией его в
действии. Целесообразно проведе-
ние лабораторной работы «Сборка
действующей модели радиоприем-
ника». чтобы закрепить знания и
проверить уровень их усвоения.
Заметим, что с простейшим радиоприемником учащиеся уже
встречались в курсе физики основной школы (в базовом курсе).
При изучении принципов радиосвязи освещают основные во-
просы, связанные с условиями распространения радиоволн, привле-
кая те знания о свойствах электромагнитных волн, которые уже из-
вестны учащимся. Вначале целесообразно указать основные диапа-
зоны радиоволн по длине волны и предложить школьникам под-
считать соответствующие интервалы частот для каждого диапазона.
Рассказывая о способах осуществления радиосвязи, целесооб-
разно остановиться на следующих моментах.
I.	Распространение длинных и коротких волн в атмосфере Зем-
ли. Влияние земной поверхности и различных слоев атмосферы на
распространение волн.
2.	Преимущества ультракоротких волн (УКВ). Передача УКВ
па дальние расстояния с помощью радиорелейных линий. Косми-
ческие релейные линии. Использование радиорелейных линий для
телефонной, телевизионной и радиосвязи.
3.	Средства свяди в России.
Освещая вопрос о перспективах развития средств связи в России,
рассказывают о создании в нашей стране Единой авгоматизиро-
235
ванной сети связи. Она призвана обеспечить государственные,
народнохозяйственные, научные и культурные учреждения стра-
ны. а также отдельных лиц различными видами информации, ко-
торая преобразуется в электрические сигналы (телефонные и теле-
графные сообщения, фототелеграммы, радиопрограммы, про-
граммы телевидения, сигналы телеметрии и телеуправления) и
передается по одному из каналов связи - кабельному, воздушно-
му, радиорелейному, спутниковому. Для теле- и радиопрограмм,
передачи текстов газетных полос используют радиорелейные и
спутниковые линии, для телефонно-телеграфных сообщений и пе-
редачи цифровых данных - кабельные коаксиальные линии.
Одна из основных задач техники связи - создание новых линий
связи (оптических кабельных систем). В настоящее время для кос-
мических и наземных связей использую! лазерное излучение. Лазер-
ная связь открытого типа даст возможность с помощью узконап-
равленного пучка когерентного электромагнитного излучения
передавать на любые расстояния громадный поток информации в
единицу времени. Но лазерные линии подвержены воздействиям
атмосферных, климатических, а также производственных помех,
поэтому они не обладают достаточной надежностью. Оптические
кабельные системы на конечных пунктах обеспечивают преобра-
зование электрических сигналов в оптические и обратно. Замена
электрических кабелей оптическими будет иметь огромное науч-
ное. техническое и экономическое значение.
3.7.4. Свет - электромагнитная волна.
Шкала электромагнитных волн
В качестве исходного факта, на основании которого можно пред-
положить, что све! представляет собой электромаг нитные волны,
следует использовать факт совпадения экспериментально найденно-
го значения скорости света со скоростью электро магнитных воли,
предсказанных Дж. К. Максвеллом. Следовательно, начинать изучать
световые явления целесообразно с рассмотрения различных опытов
ио измерению скорости света, а результат этих опытов и будез
одним из доказательств тою, что свез - электромагнитные волны.
С определением скорости света учащихся обычно знакомят на
примере рассмотрения одного лабораторного опыта (например,
опыта Физо) и одного астрономического метода (метода Ремера).
Рассказ обычно ведут в историческом плане, начиная с идеи Г. Га-
лилея по определению скорости света. На уроке можно использо-
вать учебный видеофильм «Скорость света», в котором хорошо
236
разъясняется н иллюстрируется сущность указанных выше мето-
дов. Для каждого из них целесообразно установить, что играет
роль источника света, что - приемника света и светового затвора;
какое расстояние принимают в опыте за путь света и как измеря-
ют соответствующий промежуток времени. Акцент при этом дол-
жен быть сделан не на детальное изучение самих опытов, а на их
идею и на полученный результат: скорость света оказалась равной
скорости распространения электромагнитных колебании. Это в
истории науки сыграло важную роль в утверждении положения о
том, что свет представляет собой электромагнитную волну.
Внимание школьников при изучении скорости света обращают
главным образом на ее предельный характер и числовое значение.
Уже при первом знакомстве с поня тием «скорость света» подчерки-
вают. чю это одна из фундаментальных физических констант и
роль ее в пауке очень велика. По современным данным, скорость
света в вакууме с = (299792456,2 ± 0,2) м/с’, ио учащимся эго зна-
чение запоминать нс нужно, дос га i очно знать, что с ~ 300 000 км/с.
В дальнейшем, при изучении элементов теории относительно-
сти, будет показано, что скорость света в вакууме - предельная
скорость передачи сигнала и не зависит от выбора системы отсче-
та, т. е. является величиной инвариантной.
Школьники уже знают, что скорость электромагнитных волн в
среде меньше скорости света в вакууме. Поэтому, рассматривая
вопрос о скорости света, можно рассказат ь и об опытах, доказы-
вающих, что скорость света в разных средах различна, но всегда
меньше скорости света в вакууме. Полезно привести соответст-
вующие табличные данные. Эти сведения позднее помогут объяс-
нить учащимся законы преломления свща и рассмотреть диспер-
сию света.
От рассмотрения скорости света переходят к рассмотрению по-
нятия «электромагнитная световая волна». Указывают основные
величины, характеризующие световую волну (диапазон длин волн
и частот; величины, «колеблющиеся» в световой волне, н г. п.).
Важно подчеркнут ь, что хотя векторы напряженности Е и маг-
нитной индукции В выступают в электромагнитной волне равно-
правно. однако фотохимическое, фотоэлектрическое и физиоло-
гическое действия света связаны главным образом с вектором
напряженности Е. который называют «световым вектором»; в ка-
честве плоскости поляризации рассматривают плоскость колеба-
1 В 1983 г. па заседании I спиральной ассамблеи мер и весов было принято повое опреде-
ление метра. из которого следовало. что скоротав света в вакууме ючно равна 299792458 м/с.
237
uiiii именно этого вектора. Здесь же обращаются к шкале электро-
магнитных волн и показывают, что до сих пор изучали только
первую се часть - низкочастотное и радиоизлучение с длиной
волны более 10 4 м. Вторая часть шкалы начинается с длинновол-
новой границы оптического диапазона (10 4 м).
Электромагнитные излучения разных длин волн изучают в
конце курса, но некоторые сведения приводят здесь. Учащимся рас-
сказывают о принципе построения шкалы электромагнитных волн,
в соответствующем наглядном пособии отражены: виды излуче-
ний: интервал длин волн (частот): устройства, генерирующие эти
излучения; ин дика юры, с помощью которых их обнаруживают:
область применения.
Прежде всею показывают, что всю совокупность электромаг-
нитных воли можно разделить на две большие области, взаимно
проникающие друт в друга: а) область электромагнитных волн,
создаваемых той или иной аппаратурой: б) область электро маг-
нитив 1х волн, излучаемых молекулами, атомами и их ядрами. Каж-
дую выделенную область, в свою очередь, по способ}' генерации
можно условно разделить на диапазоны.
В первой области выделяется два диапазона:
низкочастотное излучение (электрические генераторы);
-радиоизлучение (радиоустройства для связи, локации, нави-
гации, вещания, телевидения).
Во второй области выделяется шесть диапазонов:
- инфракрасное излучение (тепловые источники; квантовые ге-
нераторы cam имел рового диапазона - мазеры);	<•
-видимое излучение (осветительные лампы накаливания, лю-
минесцентные лампы: лазеры);
-ультрафиолетовое излучение (электрическая дута, газораз-
рядные источники света):
-рентгеновское излучение (ренггеновскиетрубки, бетатроны):
гамма-излучение (распад радиоактивных ядер атомов и неко-
торых элементарных частиц);
тормозное излучение высоких энергий (электронные ускори- -
тел и. в том числе и космические).
Обязательно нужно показать, что деление это в известной сте-
пени условно. Четкой границы между областями не существует.
Коротковолновая часть одного диапазона перекрывается длинно-
волновой частью соседнего. Свойства излучений в перекрываю-
щихся областях одинаковы, а способы возбуждения различны.
Поэтому принадлежность излучения к тому или иному участку
определяется по способу генерирования и приема. Например, ра-
дио! ехннческим методом можно получить сверхчастотные элек-
238
громагнитные волны, длина волны которых в 2 раза меньше наи-
более длинных волн инфракрасного излучения, полученного от
молекулярных излучателей. Названия участков сложились исто-
рически, они служат лишь удобным средством классификации ис-
точников излучений и некоторых специфических свойств волн.
Установив различия в свойствах отдельных излучений (по спо-
собу генерации, методу регистрации, характеру взаимодействия с
веществом и области применения), показывают то общее, что бы-
ло установлено в процессе изучения различных излучений:
физическая природа всех излучений одинакова;
-все излучения распространяются в вакууме с одинаковой
скоростью, равной 3-108 м/с;
-все излучения обнаруживают общие волновые свойства (отра-
жение, преломление, интерференцию, дифракцию, поляризацию).
Этот материал лучше всего изучить в виде обобщающего се-
минара или лекции.
К шкале электромагнитных волн неоднократно следует обра-
щаться и при дальнейшем изучении курса физики, показывая
учащимся, что в этой удобной и наглядной таблице1 сконцентри-
рованы знания об электромагнитном поле (об излучении), подоб-
но тому как в таблице элементов Менделеева синтезированы зна-
ния об атомах (веществе). Подчеркивают, что построение полного
спектра электромагнитных волн из ряда отдельных, казалось бы
совершенно несходных между собой явлений, составляет одно из
величайших достижений человечества, причем немалая заслуга в
построении этого спектра принадлежит физикам нашей праны.
3.7.5. Волновые свойства света
Доказательство волнового характера исследуемого процесса
наличие для этого процесса явлений интерференции и дифракции.
Гак же и в случае света явления интерференции и дифракции, ха-
рактерные для него, говорят о том, что свет обладает волновыми
свойствами.
Наиболее подробно в средней школе рассматриваю! явление
интерференции света, причем излагают данный материал, опира-
ясь на уже знакомые учащимся явления интерференции механиче-
ских (звуковых) и' электромагнитных волн. Дифракцию световых
волн изучают менее подробно, так как основная задача - доказать
волновые свойства света, а для этого необходимо хорошо разо-
1 Надо разъяснить учащимся, что при построении таблицы использован логариф-
мический масштаб отношения длин волн.
239
браться в явлении интерференции. По понимание дифракции све-
товых волн важно для показа того, что геометрическая оптика
предельный случай волновой оптики. Учащиеся уже знают, что
устойчивую интерференционную картину получают только для
так называемых когерентных источников, которые характеризу-
ются в первую очередь равенством частот колебаний. Здесь под-
черкивают. что для воли от этих источников характерно и сохра-
нение во времени разности фаз колебаний. Пространственную
когерентность в школьном курсе физики не рассматривают.
Получить когерен шые-звуковые волны и волны раднодиапа-
зона, как знают учащиеся, сравнительно несложно. Обычно для
этого используют два независимых источника колебаний (два на-
строенных в унисон камертона: два генератора, настроенных на
одну и ту же частоту, и г. п.). Опыты по интерференции света бо-
лее сложны, для их выполнения и Наблюдения, по существу, необ-
ходимо обеспечить сложение вопи одного цуга, испущенных ка-
ким-либо атомом. Однако на практике всегда имеют дело с ис-
точниками света, которые состоят из огромного числа атомов,
хаотически испускающих цуги волн с разными частотами, ампли-
тудами. начальными фазами и всевозможными направлениями
плоскости поляризации Если выделить (например, светофильтром)
волны одинаковой частоты (монохроматические), то разность фаз
между отдельными цугами будет хаотически изменяться; такие
волны являются некогерентны мн. а следовательно, не дают устой-
чивой интерференционной картины. Долгое время считали ^не-
возможным получить устойчивую (наблюдаемую) интерференци-
онную картину, используя свет от двух независимых источников
(например, от двух звезд пли различных точек светящегося тела).
В настоящее время когерентные световые волны получают и от
независимых источников - лазеров
Возникает вопрос: как. пользуясь обычными (некогерентными)
излучателями света, создать когерентные источники и получить
устойчивую интерференционную картину? Ес можно получить
разделением светового пучка оз обычного источника света на два.
которые потом сводят вместе, и они интерферируют. Другими
словами, излучение каждого отдельного атома разделяют на две
части и тем самым заставляют волну, излученную отдельным то-
мом. интерферировать саму с собой При этом следует учитывать,
что цуг воли, испускаемый отдельным атомом, имеет конечную
протяженность вдоль луча. При продолжительности испускания
порядка 10 s-10 9 с и скорости света ЗЮ8 м/с эта протяженность
около 0.3-3 м. Таким образом, интерференция волны самой с
собой возможна лишь при небольшой разности хода (А/ < 3 м).
240
Рис 83
Существует несколько способов разделения светового пучка на
две части: а) метод Юнга (свет проходит через два близко распо-
ложенных малых отверстия): б) зеркало Ллойда (прямой пучок
света интерферирует с пучком, отраженным от зеркала): в) зерка-
ла и бипризма Френеля (свет, попадая
па зеркала, расположенные под утлом,_________________
близким к 180°. пли проходя через би-	д £
призму, разделяется на два пучка, ко-
торые затем встречаются и налагаются
друг на друга (рис. 83): г) опыты с гон-
кими пленками и кольцами Ньютона
(рис. 84).
Естественно возникает вопрос, какой
способ методически целесообразно ис-
пользовать в средней школе при изуче-
нии явления ин терференции, какой опыт
показать.
Казалось бы, естественно начинать
объяснение с опыта Юнга. Этот опыт
был первым в ко юром специально на-
блюдали и исследовали явление интер-
ференции света. К тому же идея опыта
наиболее наглядна и проста (рис. 85).
Но он грудей и не пригоден для демон-
страции в классе. Следует иметь в виду,
что в опыте Юнга интерферирующие
пучки света получаются с помощью
дифракции, что осложняет применение
и объяснение данного опыта в этом
месте курса.
Можно было бы начинать с рассмот-
рения опыта Ллойда или зеркал Фрспе-
Z? £	5.С
Рис. 85
ля и тем самым продолжить аналогию с
241
рассмотрением свойств электромагнитных волн радиодиапазона,
где применяют подобные опыты Но, оказывается, эти опыты со
световыми волнами показать в аудитории трудно, и в средней
школе их применять не следует.
В учебной и методической литературе явление интерференции
часто начинают рассматривать с описания опыта с тонкими плен-
ками. Предпочтение этому опыту отдают потому, что интерфе-
ренция в топких пленках очень эффектное явление, часто встре-
чающееся в окружающей жизни и сравнительно легко наблюдае-
мое и воспроизводимое в демонстрационном эксперименте. По
интерференция в тонких пленках (или слоях) более сложна для
объяснения, чем интерференция в зеркалах и бипризме; это связа-
но с тем, что при отражении волн от оптически более плотной
среды происходит потеря полуволны, а длина волны зависит от
скорости распространения света в данной среде.
Многолетняя практика преподавания дает основание сделать
вывод: в средней школе основным опытом по интерференции света
должен быть опыт с бипризмой Френеля. В нем интерференцию
световых волн получают в результате создания разности путей,
прошедших когерентными волнами в одной и той же однородной и
изотропной среде - воздухе. Следует, однако, учесть, что опы ты по
интерференции (а также по дифракции света) требуют хорошего
затемнения класса, так как яркое! ь получающейся интерференци-
онной картины очень мала. Кроме того, для ее наблюдения глаз
должен привыкать к темноте 5 10 мин. Из-за недостаточной ви-
димости явления учащиеся проводят наблюдение отдельными
группами, подходя к экрану, что создает па урокс дополнитель-
ные неудобства.
Д тя совершенствования этого эксперимента много делается, но
решить сложные проблемы школьного демонстрационного экспе-
римента по оптике радикальным образом можно, лишь применив
принципиально новый источник света - лазер. Применение лазера
позволяет предельно упростить подготовку многих опытов и рез-
ко повысить качество наблюдаемых картин.
Па уроке при изучении интерференции света полезно рассказать
о роли О.Френеля в изучении явлений интерференции и дифракции
света, в истории установления природы света. Важно отметить, что
именно Френелю принадлежит идея разделения светового пучка
на две части, которые затем интерферируют. Опыт с бипризмой
Френеля в качестве основного включен и в учебный кинофильм
«Волновые свойства света» (и в соответствующий видеофильм).
После показа и объяснения опыта (или просмотра видеофильма)
целесообразно обсудить с учащимися следующие вопросы: как
242
осуществляется разделение бипризмой Френеля светового пучка
на два когерентных? Каково условие образования в ин1ерферен-
ционнои картине максимума (минимума) колебании? Как зависит
расположение интерференционных полос от длины световой вол-
ны? Где применяется интерференция?
Условия возникновения максимумов и минимумов в интерфе-
ренционной картине можно записать в общем виде:
максимум колебании:
Д/ = 2А—.
2
минимум колебаний:
Д/ = (2А + |)|.
где Д/- разность хода, А - целое число, равное 0. 1, 2, .. , X - длина
волны.
Следует обязательно решить ряд задач на применение этих
формул.
Д 1Я объяснения интерференционной картины используют энер-
гетическую трактовку и разъясняют, что при интерференции ист
потерй или увеличения энерпш света, а происходит только пере-
распределение этой энергии в интерференционном поле в соответ-
ствии с законом сохранения энерпш. При проведении опытов по
интерференции без светофильтров (освещая установку белым све-
том) наблюдают спектральное разложение немонохроматической
световой во шы на составляющие (интерференционный спектр).
Интерференционные максимумы н минимумы для лучей разного
цвета оказываются пространственно разделенными в зависимости
от длины волны. Именно в этом месте курсе! физики впервые бо-
лее подробно знакомя! школьников со спектральным разложени-
ем и выясняют, с какими физическими характеристиками свето-
вой волны связаны различия в цвете.
Завершают изучение интерференции света рассмотрением ее
проявлении в природе и примерами практического использования
в технике (интерференционный способ проверки качества обработ-
ки поверхностей, просветленная оптика, интерферометры и г. п.).
Целесообразно предложить учащимся различные интересные прак-
тические задания с простым оборудованием: наблюдение и объяс-
нение радужного окрашивания мыльных пленок, капли масла пли
керосина на поверхности воды, цветов побежалости на металли-
ческих предметах. Эт и задания можно выполнять дома.
243
Далее переходят к изучению дифракции света, причем начина-
ют с утверждения: «Если свет - это волны (а интерференция света
подтверждает это), то должна наблюдаться и дифракция света».
Учащимся напоминают то. что они узнали при рассмотрении ди-
фракции механических и электромагнитных волн. В первую оче-
редь напоминают основное условие, при выполнении которого
возможно наблюдение дифракции волн (размеры препятствии
должны быть соизмеримы с длиной волны). Затем, после корот-
кого расска ;а об истории открытия дифракции света, переходят к
наблюдению дифракции света от щели и тонкой проволоки. Далее
сообщают, что если волна (длина волны А.) проходит через отвер-
стие или огибает препятствие (ширина щели, размеры препятст-
вия £>), от которого наблюдатель удален на расстояние L. то ди-
фракцию наблюдают нс только при условии D ~ X. по и при более
общем условии D2 < LX.
Именно этот случай характерен для оптики, где размеры пред-
метов. вызывающих дифракцию, в тысячи и миллионы раз больше
длины световой волны и для наблюдения дифракционной картины
нужно лишь расположить место наблюдения далеко от отверстия
(или преграды). Этот важный случай хорошо иллюстрируется в
учебном видеофильме «Волновые свойства света». 1де рассказы-
вается об опытах В. К. Аркадьева.
В дополнение к указанным демонстрационным опытам жела-
тельно провести лабораторную работу по наблюдению интерфе-
ренции и дифракции света. Интересные наблюдения дифракции
света можно выполнять и в домашних условиях (смотреть на уда-
ленный источник света сквозь гонкую -ткань или частую прово-
лочную сетку и т. и.).
Большое внимание при изучении явления дифракции уделяют
рассмотрению дифракционной решетки (рис. 86) - прибора, дей-
ствие которого основано на этом явлении, и демонстрации опы-
тов. Сначала рассматривают дифракцию от двойной щели. В ито-
ге получают условие для дифракционных максимумов:
^/sin<p = £A,
где d - постоянная (период) решетки, (р - угол, под которым рас-
полагается на экране максимум относительно центрального луча,
проходящего через решетку перпендикулярно ее плоскости, X -
длина световой волны, а А=0, 1. 2. ... - порядок дифракционно-
го максимума.
Дифракционная решетка дает возможность экспериментально
определить длину световой волны. Действительно, если период
244
Рис. 86
решетки d известен, то определение длины волны сводится к из-
мерению угла (р, соответствующего направлению на очередной
максимум. Школьники должны научиться пользоваться дифрак-
ционной решеткой и определять для световых волн длину волны
Дифракционная решетка разлагает белый свет в спектр. Это
связано с тем, что положение максимумов (кроме центрального,
соответствующего к = 0) зависит от длины волны. Но дифракци-
онный спектр отличен от дисперсионного, о котором речь пой-
дет ниже.
Программа средней школы большое внимание уделяет изуче-
нию поляризации света. Рассмотрение этого вопроса необходимо
по 1 ому, что без установления поперечного характера световых
волн доказательство электромагнитной природы света не будет
достаточно убедительным. Учащимся известно, что электромаг-
нитные волны поперечны, между тем после изучения интерферен-
ции и дифракции вопрос о характере световых воли остается от-
части открытым. Этот пробел может быть восполнен только рас-
смотрением поляризации света. Сначала, опираясь на опыты с
механическими волнами (па упругом шнуре), а затем и на опыты с
поляризацией электромагнитных волн, необходимо повторить и
подчеркнуть, что поляризация характерна только для поперечных
волн. Объясняют, что естественный свет нс поляризован. В пучке
волн, испускаемых обычным источником, присутствуют колеба-
ния различных направлений, перпендикулярные направлению
245
Рис. 87
распространения волны (рис. 87, а). Надо из этого естественного
света выделить волны, колебания вектора Е в которых происходят
в одной плоскости, г.е. поляризованный свет. Таким свойством
ио отношению к свету обладают анизотропные кристаллы и ряд
других веществ, называемых поляризаторами.
Ес гествеиный свет, пройдя через поляризатор (например, кри-
сталл турмалина или поляроид), становится поляризованным
(рис. 87, б). Обнаружить эту поляризацию света помогают те же
кристаллы или пластины, которые теперь выполняют роль анали-
затора света; их называют анализаторами. Затем учащимся де-
монстрируют поляризацию света с помощью турмалина (или по-
ляроидов из набора по поляризации света), делают вывод о попе-
рсчносги световых волн и рассматривают примеры применения
поляризованного света. Целесообразно на уроке показать учеб-
ный видеофильм «Поляризация света».
В заключение рассматривают вопрос о дисперсии света. Сна-
чала учащихся знакомят с рядом новых для них понятий, прежде
всего с понятиями «монохроматическое излучение» и «диспер-
сия волн».
Монохроматическое излучение - идеализация, удобная для
объяснения оптических явлений. Это понятие буквально означает
одноцветное излучение, а в физическом смысле - излучение с бес-
конечно длящимися световыми колебаниями одной какой-либо
частоты. Строго монохроматического излучения не существует.,
так как всякое реальное излучение ограничено во времени и охва-
* 1 <	A v	,
тывает некоторый интервал частот Av. При условии — « 1 элек-
v
тромагиитное излучение называют квазимоиохроматическим. Из
всех источников электромагнитных излучений наиболее близкое к
монохроматическому излучению дают лазеры.
Обычно в средней школе учащихся со спектральным разложе-
нием света впервые знакомили при изучении спектрального раз-
246
ложения света в призмах, т. е. рас-
сматривая пространственное разделе-
ние волн ио их частотам из-за диспер-
сии (рис. 88). Заметим, что такой под-
ход мог приводить к отождествлению
у учащихся понятия «спектральное
разложение» с понятием «дисперсия»,
а понятия «спектр» только с цветной
картиной, возникающей при прохож-
дении белого света через призму.
Рис. 88
Между тем дисперсия волн - это явление, состоящее в том, что
скорость распространения света в веществе является функцией
частоты световых колебаний. Именно такое представление о дис-
персии света должны получить ученики.
Мерой изменения скорости при переходе света из одной среды
в другую служит относительный показатель преломления этих
сред, поэтому можно говорить, что показатель преломления явля-
ется функцией частоты: п -/(v).
Дисперсия отсутствует только в вакууме; в веществе же она
имеет место всегда, в то время как разложение света в спектр на-
блюдают далеко не во всех случаях. Например, белый свет падает
па границу раздела двух сред нормально к плоскости раздела, при
этом пространственное разложение не наблюдают. Но дисперсия
волн и в этом случае имеет место. Она проявляется в том, что
волны, соответствующие красному цвету, обгоняют волны, соот-
ветствующие фиолетовому (имеется в виду случай, когда показа-
тель преломления второй среды больше первой). Отставание фио-
летового света (даже если свет проходит в веществе огромные
расстояния) выражается миллиардными долями секунды, поэтому
не фиксируется глазом наблюдателя.
Таким образом, уже при первом знакомстве со спектральным
разложением света (при изучении интерференции света) обра-
щают внимание учащихся на то, что частота световых колеба-
ний вполне однозначно определяет цвет светового пучка. При
изучении дисперсии света и спектрального разложения в приз-
мах привлекают внимание к тому, что при переходе монохрома-
тического света из одной среды в другую частота световой вол-
ны не изменяется. Но скорость света в веществе является функ-
цией частоты. В немонохроматическом свете возникает спек-
тральное разложение. Спектральное разложение света возникает
и в случае интерференции и дифракции. Однако призматический
(дисперсионный) и дифракционный спектры отличаются друг от
друга.
247
Дифракционный спектр - равномерный (поэтому его называю !
нормальным), а дисперсионный спектр - неравномерный (он сжат
в длинноволновой части и растянут в коротковолновой). Порядок
расположения цветов (отклонение по углам) в дифракционном
спектре обратный тому, который имеется в дисперсионном (приз-
матическом спектре). Объясняют это следующим образом:
1) Показатель преломления для излучения красного цвеы
_ с
п* - — меньше, чем для излучения фиолетовою цвета
с
”ф=-
так как скорости распространения соответствующих волн различ-
ны (vK > Рф). Поэтому длинноволновая часть спектра отклоняется
в дисперсионной среде на меньший угол, чем коротковолновая.
2) Угол отклонения света при дифракции
АЛ
sin ср = —.
d
где А - порядок дифракционного максимума. Л - длина волны, d
постоянная решетки, поэтому длинново шовая часть спектра от
клонястся на больший угол.
3.7.6. Геометрическая оптика
Основные знания по геометрической оптике учащиеся получили
в основной школе (в базовом курсе физики) (понятие о прямоли-
нейном распространении света, о яв 1ениях отражения и прелом-.
ленпя света, сведения о линзах и некоторых оптических прибо-
рах). В старших классах при изучении световых волн необходимо
объяснить с волновых позиций известные уже учащимся законы
геометрической оптики; дополнить их. указать на те границы, ко-
торые устанавливает волновая оптика для геометрической.
Геометрическая оптика - предельный случай волновой оптики.
Основанием для такого утверждения является то. что в процессе
развития классической электродинамики было показано, что фор-
мулы геометрической оптики могут быть получены из уравнений
Максвелла как предельный случай, соответствующий переходу к
исчезающе малой длине волны. Геометрическая оптика изучает
законы распространения оптического излучения на основе пред-
ставления о световых лучах. А световой луч - это линия, вдопь
которой распространяется световая энергия, световой луч пер-
пендикулярен фронту световой волны. Пользоваться понятием
луча можно лишь в тех случаях, когда не надо учитывать дифрак
цпонных явлений, г. е. когда длина световой волны Л много
248
меньше размеров препятствии, различных неоднородностей на
пути распространения свеча.
Если в базовом курсе физики явления отражения и преломле-
ния света рассматривали только как экспериментальный факт.
то в старших класах эти же яв-
ления рассматривают как про-
явление волновых свойств света
при взаимодействии с вещест-
вом. Теоретический вывод за-
конов отражения и преломле-
ния света осуществляют с при-
влечением принципа Гюйгенса
на основании исходного поло-
жения: свет - электромагнитная
волна.
Принцип Гюйгенса вводят
именно в этом месте курса как
правило, позволяющее, исходя
из положения волновою фронта
в какой-либо момент времени,
найти положение волнового
фронта для ближайшего момен-
та времени (рис. 89). Необходи-
мость привлечения этого допол-
нительного принципа обуслов-
лена недостаточно и математи-
ческой подготовкой учащихся.
В учебной и методической
литературе обычно приводят до-
казательства законов отражения
и преломления свеча, почти це-
ликом воспроизводящие дока-
зательства самого X. Гюйгенса.
Из рассмочрения треугольников
1СВ и ADB (рис. 90) находяч
соотношение между углами а и у
(закон отражения). Из рассмот-
рения треугольников ADB и
1СВ (рис. 91) определяют сооч-
ношенис между углами а и р (за-
кон преломления)
Действительно, ВС = г,т =
= J В sin ос;	AD = и2т: = A BsinP
Рис 89
Рис. 91
249
(где г, - скорость света в первой среде, v2 - скорость света во вто-
рой среде), откуда
sin а Г]
sin Р v2
Если обозначить отношение — через п2 i, то получают закон
^2
преломления в обычной форме
si па
~Г = «2,1-
SIH Р
Величина п2 i (постоянная для данных двух сред) не зависит от
углов а и р; ее называют относительным показателем преломле-
ния второй среды но отношению к первой.
Важно показать, что, пользуясь принципом 1 юйгенса, мы не
только находим закон преломления, который! можно проверить
экспериментально, но и получаем возможность объяснить физи-
ческий смысл показателя преломления п: показатель преломления
равен отношению скорости световой волны в первой среде к ско-
рости ее во второй среде.
После рассмотрения законов отражения и преломления света
изучают явление полного отражения света (рис. 92). Учащиеся
должны усвоить, что полное отражение наблюдают при переходе
света из оптически более плотной среды в оптически менее плот-
ную (возьмем для простоты случай перехода света из стекла в воз-
дух). Для этою случая предельный угол полного отражения cq,
определяют из формулы
1
sin а() = —,
п
где п - показатель преломления стекла относительно воздуха. При
изучении полного отражения света интересно и важно рассмотреть
его технические применения - волоконную оптику, световоды и т.п.
Целесообразно решать задачи, с по-
мощью которых прежде всею углуб-
ляется понятие о физической сущпо-
I-------Х’х---------1—сти показателя преломления, а также
\ Хх^^Х. / закон преломления света.
\х^	^xV Возможно здесь выполнение фрон-
тальной лабораторной работы по
_____измерению показателя преломления
стекла и дополнительно интересные
Рис. 92	домашние наблюдения и опыты.
250
3.8. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Для средней школы изучение элементов специальной теории
огноситепьности яи тяется сравнительно новым. Впервые этО1 вон-
рос ввели в программу средней школы в 1972 г. Причины столь
позднего введения этой гемы в среднюю школу ионя1ны. ее выво-
ды нетривиальны и противоречат здравому смыслу, формирую-
щемуся на основе повседневного опыта; эта теория долгие годы
имела мало сторонников (многими нс понималась).
Выводы специальной теории относительности (СТО) ныне не
стали менее парадоксальными. Однако, как это оыло замечено
11. Вором, физические идеи со временем «приручаюгея», становятся
более привычными и введение их в школьные программы нс кажет-
ся делом столь уж невозможным. В последние десятилетня выводы
специальной теории относительности стали широко использовать в
практике для расчета энергетического выхода ядерных реакции,
при проектировании и создании мощных ускорителей частиц, на-
пример синхрофазотрона. Теория, имеющая столь важное значение
в практике, заслуживает изучения в средней школе. Кроме того,
изучение CIO необходимо в «елях формирования научного мировоз-
зрения школьников Важно ознакомить учащихся с современным
учением о пространстве и времени, убедить их в том. что ньютонов-
ские представления об абсолютном пространстве и абсолютном, не
связанном с пространством и матерней, времени - ограниченны и
метафизичны. Итак бы га осознана необходимость ознакомления
школьников со специальной теорией о носитель! гости
важнейших современных теорий, имеющей большое мировоззрен-
ческое п политехническое значения в преподавании физики. Вопрос
состоит лишь в том что именно включать в школьный курс из этой
теории и как, на каком уровне этот материал раскрывать.
Программа общеобразовательной средней школы предлагает
ознакомить учащихся с jtqiihuihiom относительности Эйнштейна,
дать представление о скорости света в вакууме как предельной
скорости передачи сигнала, изучить релятивистский закон сложе-
ния скоростей, зависимость импульса oi скорости, взаимосвязь
массы и энергии. Однако некоторые методисты считают, что СТО
в школьном курсе должна быть раскрыта шире. Другие предла-
гают оставить вопросы по специальной теории относительности в
факультативе, а в основном курсе с ее идеями ознакомить школь-
ников лишь в связи с обсуж-дением границ применимости класси-
ческой механики. Предлагаем один из возможных вариантов ме-
тодики изучения этой темы.
одном из
251
3.8.1. Постулаты специальной теории относительности
Изучение элементов теории относительности рекомендуют на-
чинал ь с повторения того материала об относительности, который
знаком учащимся, а именно: некоторые физические величины, ха-
рактеризующие механическое движение и электромагнитное взаи-
модействие (координата, скорость, перемещение, импульс тела, ки-
нетическая энергия, работа, индукция магнитного поля и з.д.),
относительны, т.е. завися! от выбора системы отсчета, а другие
(ускорение, заряд и т. д.) - инвариантны, т с. не зависят от выбора
системы отсчета; все законы механики справедливы относительно
инерциальных систем отсчета и никаким механическим опытом,
проводимым в дайной системе отсчета, нельзя обнаружить, дви-
жется эта система равномерно и прямолинейно или покоится
(принцип относительности Галилея). В классах с сильным составом
в этом месте курса знакомят учащихся с преобразованиями Галилея
и на их основе математически доказываю!, что в механике Ньюто-
на инвариантными являются длина отрезка, относительная ско-
рость двух тел и время. В более слабых классах на инвариантность
длины отрезка и времени надо просто указать как на некоторые
принят ые в механике изначальные положения (аксиомы).
На повторение этого материала отводя! обычно 1-2 урока.
При повторении используют видеофильм «Относительность движе-
ния» и последнюю часть первого фрагмента видеофильма «Зако-
ны Ньютона», где иллюстрируется принцип относительности Гали-
лея. После этого приступают к изучению специальной теории отно-
сительности.
Вначале учащимся объясняют, почему раздел электродинами-
ки заканчивается главой о специальной теории относительности.
Рассказывают о том, что в конце XIX в. в науке очень остро стоял
вопрос о системах отсчета, в которых справедливы законы элек-
тродинамики. Важно было понять, распространяется ли принцип
относительности Галилея па явления электродинамики или нет.
Точнейшие опыты показывали, что обнаружить «абсолютное»
движение электромагнитной (световой) волны невозможно, при-
вилегированной системы отсчета не существует. Принцип относи-
тельности должен выполняться и для электромаг нитных явлении
Но другие опытные факты с той же неумолимостью свидетельст-
вовали. что скорость света с не зависит от скорости источника и
имеет одно и то же значение во всех инерциальных системах от-
счета, а это входит в явное противоречие с классическим законом
сложения скоростей - одним из основных следствий принципа
относительности Галилея.
252
Эту трудность преодолел А. Эйнштейн, создав специальную тео-
рию относительности. Опираясь на оба вышеупомянутых факта,
он доказал, что их противоречие между собой можно снять, но
для этого нужно пересмотреть сложившиеся классические пред-
ставления о существовании абсолютного пространства, абсолют-
ных (не зависящих от систем отсчета) размеров тела и об абсо-
лютном, не связанном с системами отсчета, течении времени.
Специальная теория относительности доказала, что законы
электродинамики, как и законы механики, справедливы относи-
тельно любых инерциальных систем отсчета А одновременно она
явилась более глубокой теорией пространства и времени.
CIO построена по методу принципов, т.е. в основу се кладут
два постулата, которые опираются на опытные факты и, как ис-
ходные положения этой теории, сю нс объясняются.
В учебной литературе встречаются различные формулировки
принципа относительности - главного постулата теории Эйнш-
тейна. Наиболее распространены три:
1)Всс инерциальные системы отсчета равноправны; во всех
инерциальных системах не только механические, по и все другие
явления природы протекают одинаково (обобщенный принцип
относительности Эйнш i сипа).
2) Никаким физическим опытом, проводимым в инерциальной
системе отсчета, нельзя установить, движется эта система пли на-
ходится в покос.
3) Все физические законы одинаковы во всех инерциальных
системах отсчета.
Хотя все эти формулировки эквивалентны, наилучшей является
третья, ибо она лучше отражает суть дела. Ведь протекание явления
определяется не только действующими законами, но и начальными
условиями. С этим учащиеся уже знакомы из механики. Например,
свободно падающее голо относительно Земли описывает прямую
линию, а относительно равномерно движущегося вагона - пара-
болу. Соответствующий пример можно привести и из области
электродинамики. Два одноименных покоящихся заряда в системе
оз счета К (рис. 93, а) отталкиваются друг от друга с силой
г= ।	</| </2
4ле0 г
а в системе отсчета К\ движущейся со скоростью v относительно
системы К. эти заряды движутся, поэтому между ними наблюдают
не только кулоновское отталкивание, но и электромагнитное при-
тяжение (рис. 93, б). Таким образом, инвариантными оказываются
253
Рис 93
не явления, а законы природы. Во всех инерциальных системах
отсчета покоящиеся заряды взаимодействуют с силами, опреде-
ляемыми законом Кулона, движущиеся заряды создают вокруг
себя магнитное поле и подвергаются действию магнитных полей и
т. д. Иначе говоря, все законы природы во всех инерциальных
системах отсчета одинаковы.
В качестве опытного обоснования принципа относительности
Эйнштейна следует рассмотреть опыт Майкельсотта (его установ-
ку, идею, ожидаемый и полученный результат). Отрицательный
результат этого опыта доказывает неправильность его исходной
посылки о существовании абсолютной системы отсчета - эфира, в
котором якобы развертываются все электромагнитные явления.
Все инерциальные системы отсчета равноправны, законы приро-
ды в них одинаковы.
Лучшей формулировкой второго принципа СЮ, на наш взгляд,
является следующая: скорость света с (в вакууме) одинакова во всех
инерциальных системах отсчета и равна 299792458 м/с.
Иначе говоря, скорость света не зависит от того, измеряется
она в покоящейся относительно источника системе отсчета или в
системе, движущейся с постоянной скоростью относительно него.
В качестве опытного обоснования второго постула та целесо-
образно рассмотреть движение двойных звезд. Скорость их орби-
тального движения вокруг общего центра масс часто превышает
30 км/с. поэтому влияние ее на скорость света (если бы такая зави-
симость существовала) легко можно было бы обнаружить. Дейст-
вительно, допустим, что скорость света с зависит от скорости ис-
точника. Тогда свет от твезды А (рис. 94) движется к нам со ско-
254
ростыо с + г, а от звезды В со скоро-
стью с — и. При наличии в классе
достаточного числа калькуляторов
можно предложить ребятам сле-
дующие задания:
1. Определить, сколько суток
идет свет от двойных звезд до Зем-
ли, если они находятся от нас на
расстоянии 100 св. лет, при условии,
что скорость света не зависит от
скорости источника.
Решение. Подставляя число-
вые значения в формулу
5
с
V
Рис 94
получим I = 36500 сут.
2. Определить время движения световых сих налов от этих звезд
до Земли, считая, что скорость их зависит от скорости источника.
Скорость орбитального движения принять равной 30 км/с.
Скорость орбитального движения звезды 30 км/с = 0,0001 с.
Поэтому если скорость светового сигнала зависит от скорости
источника, то от звезды А он будет идти со скоростью = 1.0001 с,
а от звезды В - со скоростью vfj = 0,9999 с. Тогда время движения
сигнала от звезды А:

S
365 сут  100 с
1,00017^
= 36 496 сут,
а время движения его от звезды В\
1В -
5
VB
365сут-100 с
0,99997"
= 36 503 cvt.
Итак, разница во времени прихода сигнала составит примерно
неделю. Но если период обращения звезд 12 сут, то свет от звез-
ды А, испущенный через 6 сут (когда она будет находиться в по-
ложении звезды В), дойдет до Земли на сутки быстрее первого
сигнала. Это означает, что каждая из звезд будет одновременно
видна в двух положениях. Движение этих звезд не будет подчи-
няться законам Кеплера. На деле, однако, никогда никакого «сбоя»
в движении двойных звезд не наблюдают. Поэтому сделанное
предположение о зависимости скорости света с от скорости ис-
точника неправильно.
255
Принцип постоянства скорости света школьники иногда сме-
шивают с предельностью скорости свет. Против этой ошибки их
надо предостеречь. Второй постулат теории не утверждав!, что
скорость света - наибольшая скорость передачи сигнала. Это ут-
верждение является следствием самой теории.
3.8.2. Кинематика СТО
Возможны два методических пути раскрытия кинематики СТО
Выбор их зависит от уровня подготовки учащихся.
Если учащиеся достаточно хорошо подготовлены (т.е. речь
идет о классах с углубленным изучением физики), то записываю!
(или выводят) формулы преобразования Лоренца, обсуждаю! их,
обращая внимание школьников па неразрывную связь простран-
ственных и временных характеристик, на связь этих формул с
формулами преобразования Галилея, а затем из них строго мате-
матически выводят формулы законов сложения скоростей, замед-
ления времени и сокращения масштабов
Второй методический путь проще, он доступен всем учащимся
средней общеобразовательной школы. Основное внимание обра-
щают не па строгий математический вывод формул законов
(некоторые даются без вывода), а на раскрытие сущности наблю-
даемых эффектов в ходе рассмотрения мысленных экспериментов
с так называемыми «поездами Эйнштейна». Преобразования Ло-
ренца при этом не выводят и нс сообщают. Ниже раскрыт второй
методический путь
Сложение скоростей. Закон сложения скоростей целесообразнее
называть законом преобразования скоростей при переходе от од-
ной инерциальной системы отсчета к другой. Начать ознакомле-
ние школьников с этим законом целесообразно с создания про-
блемной ситуации, обратив их внимание на го, что постулаты
CIO, на первый взгляд, противореча! друг другу. Действительно,
одним из следствии принципа относительности в механике был
закон сложения скоростей
—	-• f —
и = и + V
и вывод об относительном характере скорости. Между тем в торой
постулат теории относительности утверждает: скорость света во
всех инерциальных системах отсчета одна и та же, т.е. является
величиной абсолютной. А. Эйнштейн доказал, что второй посту-
лат ие противоречит принципу относительности, просто закон
преобразования (сложения) скоростей выгляди г иначе. При дви-
256
женин системы К' относительно
системы К со скоростью v вдоль
оси абсцисс (рис. 9з) тело, имею-
щее в системе К' скорость в
системе /С движется со скоростью
й, модуль которой равен:
и =
В случае малых скоростей вю-
рым членом в знаменателе этой формулы можно пренебречь и
формула преобразования скоростей примет вид
и — и'+ V.
(2)
Итак, формула (1) - общин закон преобразования скоростей, а
формула (2) применима для движении с небольшими ио сравнению
со скоростью света скоростями (имеет ограниченную применимость).
Д 1я закрепления этою закона целесообразно решать задачи,
варьируя в их условиях значения скорости движения объекта и' и
скорости движения системы отсчета К' относительно системы /<.
Возможны следующие варианты: а) скорости объекта и системы
отсчета много меньше скорости света; б) скорости эти близки к
скорости света: в) одна из скоростей (например, скорость объекта)
равна скорости света, а другая много меньше ее; г) скорости объ-
екта и системы отсчета равны скорости света. Например’
1.	Звезда приближается к $емле со скоростью 30 км/с. Какова
скорость света, испускаемого этой звездой, относительно Земли,
если относительно звезды она равна 3 10s км/с?
2.	Космический корабль удаляется от Земли со скоростью 0,8 с.
В направлении его движения с него стартует ракета со скоростью
0.4с относительно корабля. Чему равна скорость ракеты относи-
тельно Земли?
3.	Два фотона движутся в противоположных направлениях.
Чему равна их скорость друг относительно друга?
Из закона сложения скоростей выводят факт предельности
скорости света Действительно, предположим, что скорости ди и
меньше с, но можно найти такую систему отсчета, для которой
скорость и больше скорости света (и > с) Это означает, что
и' + v
и =----— > с.
. и V
9 -2784
257
Решая это неравенство, находим
(v с)(с-и')>0.
Но гак как 0 < v < с и 0 < и' < с, то это неравенство невозмож-
но. Следовательно, допущение о существовании такой системы
отсчета, относительно которой скорость движения больше скоро-
сти света, неверно. Скорости, большей скорости света, в природе
не существует.
Заметим, что предельность скорости света вытекает и из фор-
мулы сокращения масштабов. Действительно, из формулы
следует, что при v> с длина отрезка становится мнимой величи-
ной, что невозможно.
Относительность одновременности пространственно разделенных
событий. Изложение этого вопроса начинают с создания проблем-
ной ситуации. Пусть точечный источник света находится в начале
отсчета системы К и испускает свет в гот момент, когда начала
отсчета систем К н К' совпадали. Система /С движется относи-
тельно системы К со скоростью г. Каким будет фронт волны че-
рез промежуток времени, равный г?
Очевидно, с точки зрения наблюдателя, находящегося в системе
К, фронт волны будет представлять собой сферу радиусом r-ct
с началом в точке О. По так как скорость света во всех системах
отсчета одинакова, то наблюдатель в системе К' увидит фронт
волны в виде сферы того же радиуса, но с центром в точке О'. Но
не может же сферический фронт волны одновременно иметь центр
в точке О и О' (рис. 96).
Однако что значит одновременно? Для ответа на этот вопрос
рассматривают следующий мысленный эксперимент. Пусть система
отсчета К' связана с вагоном, который
движется относительно системы отсче-
та К со скоростью v. 11редположим. в
центре вагона находится источник све-
та и его вспышка производит заштори-
вание окон, находящихся в протнвопо-
>--------------------► ложных концах вагона. В системе К\
связанной с вагонрм. окна но светово-
му сигналу зашториваются одновре-
менно, так как они находятся на рав-
Рис.96	ном удалении от источника (рис. 97).
258
Рис 97
Но с точки зрения наблюдателя, находящегося в системе отсчета Л",
относительно которого этот ват он движется справа налево, перед-
няя стенка вагоне! удаляется от светового сигнала со скоростью v.
/
поэтому сигнал проходит расстояние - + vl (I длина вагона)
Задняя стенка надвигается на него с тон же скоростью г, поэтому
путь, проходимым сигналом, будет равен -- vl.
В результате заднюю штору сигнал откроет скорее, чем перед-
нюю. Пространственно разделенные события, одновременные с
точки зрения наблюдателя в системе К\ являются неодновремен-
ными с точки фения наблюдателя К, относительно которого ва-
гон движется.
Итак, одновременность пространственно разделенных событ ий
относительна. Представление об абсолютном времени, которое
1ечст в навсегда заданном темпе совершенно независимо от мате-
рии и ее движения, несостоятельно. Свет достигает точек сфериче-
ской поверхности с центром О одновременно лишь с точки зрения
наблюдателя, находящегося в покое относительно системы К.
Для наблюдателя, связанного с системой К' свет приходит в эгн
точки неодновременно.
Разумеется, справедливо и обратное: в системе К свет достига-
ет точек поверхности сферы с центром в О\ в различные моменты
времени, а не одновременно, как эго представляется наблюдателю
в системе К'.
Школьники склонны считать, что неподвижный наблюдатель
всегда находи 1ся на Земле, в то время как для понимания идей

259
специальной теории относительности важно подчеркнуть равно-
правие и движение всех инерциальных систем отсчета, а непод-
вижным наблюдателем в ней считают собственного наблюдателя,
т. е. того, кто находится в той же системе отсчета, где находятся
часы, масштабы и происходят интересующие нас события. Это
обстоятельство очень важно для выяснения сути рассматриваемо-
го материала.
Замедление времени. Несостоятельность представлений класси-
ческой физики об абсолютном времени, которое течет якобы во
всех системах отсчета одинаково, обнаруживают и в преобразо-
ваниях интервала времени при переходе от одной системы отсчета
к другой. Для вывода соответствующей формулы вначале рас-
сматривают движение светового сигнала в собственной системе
отсчета и отмечают, что свез прошел ну ть L за время (рис. 98).
Затем этот же процесс рассматривают с точки зрения наблюдате-
ля, находящегося в системе отсчета К, относительно которой сис-
тема отсчета К' вместе с вагоном движется со скоростью v. С его
точки зрения свет движется не ио вертикали АВ, а по наклонному
направлению AD, так как во время прохождения светом расстоя-
ния от точки А до зеркала В вагон смещается в пространстве на
расстояние vt (рис. 99). Из рассмотрения этого рисунка можно
записать:
AD2 = AB2+BD2 пли (cl)2 = (ctQ)2 + (vt)2,
откуда после преобразований получают
260
Время /0. отсчитываемое в топ системе отсчета, где происхо-
дит явление, называют собственным временем. Внимание школь-
ников обращают на то. что в любой другой системе отсчета,
движущейся относительно системы К. интервал времени больше
(Г > /0), т.е. часы идут медленнее. В этом состоит релятивистский
эффект замедления времени в движущихся системах отсчета Каж-
дая система отсчета по-своему оценивает длительность одного и
того же явления. Предупреждая появление неверных представ-
лений, необходимо указать, что замедление времени нельзя счи-
тать кажущимся. Точно так же как в классической механике от-
носительна скорость тела, т е. она имеет разные значения в раз-
личных системах отсчета, так и в СТО относителен интервал
времени.
Сокращение масштаба (преобразование длины отрезка при пе-
реходе от одной инерциальной системы к другой). При выводе
относительности длины подчеркивают, что измерить длину от-
резка - это указать одновременно координаты его начала и конца.
Гак как события, одновременные в одной системе отсчета, неод-
новременны в другой, то следует ожидать, что длина отрезка -
понятие относительное. В мысленном эксперименте рассматри-
вают измерение длины отрезка (линейки) с помощью световых
сигналов, рассматривая распространение света от одного конца
линейки и обратно с точки зрения наблюдателей из двух разных
инерциальных систем отсчета: неподвижной системы К и системы
отсчета связанной с самой линейкой и движущейся вместе с
ней со скоростью и относительно системы К.
В системе К' время распространения света от одного конца ли-
нейки до друг ого и обратно (собственное время) равно
где /0 - длина линейки в системе К', т.е. длина покоящейся линей-
ки (рис. 100).
Для наблюдателя, связанного с системой К, т.е. по часам сис-
темы К, имеем
l + Vl\	l~Vl2
l\ =---L И z2 =------.
с	с
где /] - время движения светового сигнала по направлению дви-
жения системы отсчета К' (справа налево, рис. 101). ь- время на
обратный путь; / дппна линейки, измеренная наблюдателем в
системе К.
261
Отсюда полное время движения сигнала
Гак как
2	2
С -V
то. приравняв правые части двух последних уравнений, получим
Анализируют полученную формулу. Из нее следует, что длина
стержня относительна, она имеет наибольшее значение в гой сис-
теме отсчета, где стержень покоится. В движущихся относительно
него системах отсчета длина стержня меньше. Это различие гем
больше, чем больше скорость движения системы отсчета. Сокра-
щаются лишь продольные размеры (направленные по скорости
движения системы отсчета); поперечные размеры остаются неиз-
менными.
С целью усвоения школьниками эффекта сокращения масшта-
ба и замедления времени желательно решить задачи на соответст-
вующие формулы, варьируя в них значения скорости движущейся
системы v. Например: 1) Какова длина метрового стержня, если
он движется относительно нас со скоростью: а) равной скорости
звука; б) равной 0,6 с?
262
2) Период колебаний маятника на Земле 2 с. Чему равен период
колебаний этого маятника относительно спутника Земли, движуще-
гося со скоростью 8 км/с? Чему равен период колебаний маятника
относительно системы отсчета, движущейся со скоростью 0,9 с?
Расчеты убеждают, что при скоростях v « с замедление време-
ни и сокращение масштаба практически не наблюдается. Это дает
возможность еще раз поговорить с учащимися о принципе соот-
вегствия физических теорий, подчеркнуть, что теория относи-
тельности более глубоко описывает свойства пространства и вре-
мени, а классическая механика является верным, но приближен-
ным описанием и ее выводы справедливы лишь для движений со
скоростями, гораздо меныпими скорости света.
3.8.3. Динамика СТО
Знакомство с зависимостью массы от скорости целесообразно
начать с создания следующей проблемной ситуации. Согласно СТО
скорость света - предельная величина; движений со скоростями
больше скорости света в природе не существует. Однако законы
классической механики этому противоречат. Если v~v{} + at и
F
а = —, то
т

т
Из последней формулы следует, что при нео1 раниченном вре-
мени действия силы Fскорость v может достичь любого значения.
Специальная теория относительности преодолевает это проти-
воречие, доказывая, что масса является величиной относительной,
зависящей от выбора системы отсчета. Если в системе, где тело
покоится, его масса (масса покоя или собственная масса), то в
любой инерциальной системе отсчета, движущейся со скоростью v,
масса этого тела определяется формулой1
1 В современной теоретической физике существует тенденция называть массой
юлько массу покоя т^. а понятие релятивистской массы т нс вводить.
263
Рис. 102
Анализируя полученную фор-
мулу, указывают, что различие
между массами hi и заметно
лишь при движениях со скоростя-
ми, приближающимися к скоро-
сти света.
Эта формула говорит также о
том, что тела, имеющие массу
покоя, не могут двигаться ие
только со скоростями v>c, но
даже со скоростью v = c. ибо при
этом масса становится беско-
нечно большой, что лишено фи-
зического смысла. Зависимость
массы т от скорости v целесооб-
разно проиллюстрировать гра-
фиком (рис. 102).
В этом месте курса полезно обсудить условность понятия «систе-
ма отсчета». В качестве системы отсчета может выступать нс
только макротело, где есть часы, линейка, но и любая элементар-
ная частица. Тогда т0 - это ее масса покоя, а т - масса движущей-
ся частицы относительно лаборатории.
В заключение учащимся сообщают, что в специальной теории
относительности выполняется закон сохранения импульса, но под
импульсом понимают величину
п—
хР
V с2
Второй закон динамики справедлив в виде:
р.= Д(ш£)
Дг
/77П
где т =
Из формулы второго закона динамики видно, что сила взаи-
модействия двух объектов - величина относительная, зависящая
от выбора системы отсчета. Это можно проиллюстрировать вы-
шерассмотренным примером (см. рис. 93). В системе /С два непод-
вижных одноименных электрических заряда q взаимодействуют
лишь с силами электростатического отталкивания. Относительно
264
же системы К' эти заряды движутся и поэтому между ними дейст-
вую! наряду с силами электростатического отталкивания силы
магнитного притяжения. Магнитные силы являются дополни-
тельными, возникающими в той системе отсчета, относительно
которой заряды движутся, т. е. магнетизм - релятивистский эф-
фект, проявляющийся и при малых скоростях движения, когда
относительная скорость движения систем отсчета v много меньше
скорости света с.
Взаимосвязь массы и энергии. Напоминают учащимся извест-
ные им из курса математики формулы и показывают, что при ско-
рости и «с. когда пренебрегают более высокими степенями от-
v
ношения — , справедливы соотношения:
с

Тогда из формулы ш =
получают
т = JHq 1+~
I 1С )
Умножая левую и правую части равенства на с2, получают
где —— - кинетическая энергия, гщс2 - собственная энергия, а
тс2 - полная энергия частицы. Полная энергия частицы - величи-
на относительная:
Анализируя формулу Е = тс2, подчеркивают, что энергия и
масса взаимосвязаны. При увеличении энергии тела на величину
АГ	,
ЕЕ его масса возрастает на величину -----. В силу того, что с2
с2
очень большая величина, изменение массы при соударениях, на-
265
гревании и многих других физических процессах ничтожно мало
(в этом на конкретных примерах следует убедить учащихся). Од-
нако даже небольшое изменение массы влечет за собой выделение
колоссальной энергии. Формула Е = тс2 находит широкое приме-
нение для расчета энергетического выхода ядерных реакций.
Закон сохранения энергии в СТО читают так: сумма кинетиче-
ской и собственной энергии тела есть величина постоянная, или
полная энергия (Е = тс2) - величина постоянная. Одновременно с
полной энергией сохраняется и масса
Заканчивая рассмотрение этих вопросов, целесообразно обоб-
щить полученные знания, сопоставляя положения специальной
теории относительности с положениями классической механики.
При повторении и обобщении знаний подчеркивают, что специ-
альная теория относительности является завершенной физической
теорией, постулаты и основные следствия которой подтверждены
совокупностью экспериментальных фактов. Она является более
общей теорией пространства, времени и движения, нежели клас-
сическая механика. СТО указала на ограниченность представле-
ний классической механики об абсолютном пространстве и вре-
мени и установила их неразрывную связь. Она доказала относи-
тельность таких величин, как интервал времени, длина отрезка,
масса, которые в классической механике считались абсолютными,
уточнила закон сложения скоростей, обобщила принцип относи-
тельности, открыла закон взаимосвязи массы и энергии (E-tnc2),
нашедший применение в ядерной физике.
В то же время специальная теория относительности не опро-
вергает полностью классическую механику. Между СТО (как бо-
лее общей теорией) и классическом механикой наблюдается соот-
ветствие: при скоростях, значительно меньших скорости своза
(f«c), ее законы переходят в законы классической механики.
Вместе с тем специальная теория относительности имеет много
общего с классической механикой. В ней сохраняются привилеги-
рованные системы отсчета (инерциальные) и все законы природы
в них (как законы механики, так и электродинамики) одинаковы.
Незыблемыми в СТО остаются и такие фундаментальные законы,
как закон сохранения энергии, импульса, заряда.
Необходимо подчеркнуть также революционную роль специ-
альной теории относительности. Она была первой физическом
266
теорией, показавшей, чго представления, основанные на повсе-
дневном опыте, на «здравом» смысле, могут оказаться ограничен-
но применимыми и потребовать уточнения при дальнейшем раз-
витии научного знания. Она подтвердила диалектический путь
познания, относительность и ограниченность наших знаний на
каждом этапе познания, подчеркнула необходимость указывать
для каждой теории область ее действия и границы применимости.
Часть 4
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
В ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ
4.1.	РАЗДЕЛ «КВАНТОВАЯ ФИЗИКА»
И ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ЕГО ИЗУЧЕНИЯ
4.1.1.	Значение раздела «Квантовая физика»
Квантовая механике! - физическая теория, открывшая своеобра-
зие свойств и закономерностей микромира, установившая способ
описания состояния и движения микрочастиц. Методы квантовой
механики находят широкое применение в квантовой электронике, в
физике твердого тела, современной химии. Ее широко исполг зуют в
физике высоких энергий, изучающей строение ядра атома и свойст-
ва элементарных частиц. Результаты этих исследований находят все
большее применение в технике. Достаточно вспомнить успехи кван-
товой теории твердых тел, выводы которой положены в основ}' соз-
дания новых материалов с заранее заданными свойствами (магнит-
ными, полупроводящими, сверхпроводящими и т.д.), лазеров, ядср-
ных реакторов. Квантовая физика является более высокой ступенью
познания, нежели классическая физика. Она установила ограничен-
ность многих классических представлений. Ныне, когда XX в. под-
ходит к концу, элементы квантовой физики должны быть включены
в школьный курс. Иначе знания, полученные школьниками при
изучении курса физики, останутся на уровне XIX в. Представления
учащихся о строении и свойствах окружающего мира будут непол-
ными и неадекватными современному научному знанию о них.
Однако введение основ квантовой физики в среднюю школу
сложная методическая задача. Малая наглядность квантовомеха-
нических объектов (частица-волна), сложность математического
аппарата, необычность исходных идей и понятий квантовой фи-
зики создают методические трудности. Поэтому вопросы кванто-
вой физики очень осторожно вводят в школьный курс.
268
Долгое время учащиеся средней школы получали представле-
ние лишь о квантовой теории света (на примере фотоэффекта). В
конце 40-х гг. в школьный курс включили строение атома. Успехи
атомной энергетики привели к тому, что в последующие годы на
изучение этих вопросов стали выделять больше времени. Однако
объем материала возрастал за счет включения в программу полу-
эмпирического материала (состав ядра, радиоактивность, ядерные
реакции, применение радиоактивных изотопов, цепная реакция
деления урана, ядерный реактор, использование ядерной реакции
в мирных целях). В 1972 г. в программу ввели понятие об элемен-
тарных частицах. Однако изложение идей квантовой физики ос-
тавалось на прежнем уровне, т. е. ограничивалось квантовой тео-
рией света и постулатами Бора, причем первый вопрос изучался в
разделе «Оптика», а второй в разделе «Атом и атомное ядро».
Программа общеобразовательной школы усиливает внимание
к вопросам квантовой физики. Она ввела в школьный курс от-
дельный раздел «Квантовая физика», который включает в себя
уже две темы, содержание которых значительно обновлено. Есть
вопросы о строении атома и квантовых представлениях, пусть на
качественном уровне, и в базовом курсе физики.
Основные познавательные задачи этого нового раздела - озна-
комить учащихся со специфическими законами, действующими в
области микромира, и завершить формирование представлений о
строении вещества, начатое в базовой школе. Рассмотрим, как
решают каждую из этих задач.
При изучении вопросов о световых квантах и действиях света
школьников впервые знакомят с квантовой идеей. Они узнают,
что свет, который в явлениях интерференции и дифракции ведет
себя как волна, представляет собой ноток фотонов: энергия фото-
нов не может принимать произвольных значений, она дискретна,
кратна некоторой постоянной величине h (постоянной Планка).
Корпускулярные свойства света проявляются при взаимодействии
света с веществом (в фотоэффекте, фотохимических реакциях и
т.п.) тем ярче, чем больше энергия фотона. Важным доказатель-
ством существования частиц света (фотонов), обладающих опре-
деленным импульсом, энергией и массой, является эффект Ком-
птона, изучение которого впервые в последние годы предусмат-
ривает школьная программа.
При изучении строения атома но Бору учащиеся узнают, что
энергия электрона в атоме также имеет дискретный характер, она
квантуется. При изучении строения атома они узнают также, что
дуализм свойств присущ не только фотонам (частицам) света, но и
всем элементарным частицам - электрону, протону, нейтрону и др.
269
Объяснение корпускулярно-волнового дуализма свойств частиц
света и вещества знакомит их качественно (без изучения уравнения
Шредингера) со своеобразием движения микрочастиц: поведение
каждой элементарной частицы описывается вероятностными за-
конами, для нее нельзя строго указать координату и импульс, ли-
шено смысла понятие «траектория» и т.п. С вероятностными за-
кономерностями, действующими в области микромира, учащиеся
встречаются и при изучении законов радиоактивного распада:
распад каждого атома - случайное явление, для которого можно
указать лишь меру его вероятности, а одной из главных характе-
ристик атома и любой элементарной частицы является среднее
время их жизни. Так постепенно знакомят школьников со своеоб-
разием законов, действующих в микромире: корпускулярно-
волновым дуализмом свойств частиц, дискретным характером их
состояний, дискретностью величин (на примере энергии), вероят-
ностным характером законов.
Вторая познавательная задача раздела - раскрыть современ-
ные представления о строении вещества. В базовом курсе физики
строение вещества рассматривали в основном на молекулярном
уровне. Молекулярно-кинетическая теория объясняла строение и
свойства газов (количественно), жидкостей и твердых тел (на ка-
чественном уровне). О строении атома школьники в базовом кур-
се физики получили лишь самые предварительные сведения, дос-
таточные для понимания таких явлений, как электризация, элек-
трический ток. В данном разделе учащихся знакомят со строением
вещества на атомном п субатомном уровне. Вначале они изучают
строение атома по Резерфорду - Бору, а затем, после обсуждения
дуализма свойств микрочастиц, получают и современные пред-
ставления о строении атома. Достаточное внимание в этом разделе
уделяют составу и свойствах! ядра атома (его размеру, заряду,
массе, плотности, энергии связи, удельной энергии связи и др.).
В конце раздела учащихся знакомят с основными характеристи-
ками и свойствами элементарных частиц, дают представление о
современной их классификации, о роли их в строении вещества и
в передаче взаимодействии.
Некоторые сведения о ядерной физике теперь даются и в базо-
вом курсе физики.
Раздел «Квантовая физика» решает, кроме того, важные задачи
политехнического образования. При его изучении учеников зна-
комят с устройством и принципом действия фотоэлементов, с
примерами их использования в технике физическими основами
спектрального анализа, работой ядерного реактора и применени-
ем ядерной энергии в мирных целях, с использованием радиоак-
27U
тивных изотопов в промышленности, сельскохозяйственном про-
изводстве, в науке, медицине.
В процессе преподавания этого раздела учитель постоянно
должен решать задачу формирования научного мировоззрения
учащихся. Для формирования научного .мировоззрения учащихся
важно убедить их в реальном существовании таких непосредст-
венно невоспринимаемых органами чувств объектов, как элемен-
тарные частицы. Реальность элементарных частиц доказывают
тем, что можно экспериментально измерить их характеристики,
предсказать, исходя из свойств частиц, различные ядерные реак-
ции п превращения частиц и не только экспериментально осуще-
ствить теоретически предсказанные процессы, но и использовать
их в практических цепях. Знакомство с элементарными частицами
даст веское подтверждение принципа неисчерпаемости материи,
ибо учащиеся убеждаются в том, что материальные объекты и их
свойства крайне многообразны, элементарные частицы не явля-
ются «простыми», они обладают множеством свойств и способны
к взаимопревращениям.
Корпускулярно-волновой дуализм свойств света и элементар-
ных частиц, взаимопревращаемость элементарных частиц позво-
ляют раскрыть материальное единство мира и диалектическую
связь прерывною и непрерывного, а подчинение всех ядерных про-
цессов основным законам сохранения служи! хорошей иллюстра-
цией принципа неуничтожимости и несотворн мости материи и
движения. Качественное своеобразие законов микромира (вероят-
ностный характер закономерностей, дискретность состояний, от-
сутствие траекторий и т. д.) позволяет проиллюстрировать закон
перехода количественных изменений в качественные. Вероятност-
ный характер квантовых закономерностей ыубже раскрывает
принцип взаимной связи явлений, соотношение между случайным
и необходимым.
В этом разделе продолжается формирование гносеологическо-
го аспекта мировоззрения. Здесь рассматриваю! такие важные
мировоззренческие вопросы, как роль идеальных моделей в про-
цессе познания реальной действительности и пределы их приме-
нимости. Модельные представления используют при рассмотре-
нии строения атома, ядра атома, при раскрытии механизма испус-
кания света атомом, при объяснении деления ядер и т. п.
Как и во всем курсе физики, большое внимание при изучении
этого раздела обращают на роль опыта в процессе познания, на
взаимосвязь теории и практики, эксперимента. Необходимо под-
черкивать, что теория применима в тех границах, в которых экспе-
риментально подтверждаются вытекающие из нее следствия. Про-
271
тиворечис эксперимеитгпьных фактов теории служит отправным
моментом для ее уточнения или создания новой теории. Например,
изучая оптику, учащиеся убедились в том, что явления отражения и
преломления, интерференции и дифракции хорошо объясняются на
основе теоретических представлений о волновой природе света.
Однако волновая теория света не объясняет все законы фотоэф-
фекта. Необходимость объяснения новых экспериментальных фак-
тов привела к созданию квантовой теории света. Опыт Резерфор-
да опроверг первоначальную модель атома, предложенную Том-
соном, а на смену модели атома Резерфорда пришла теория Бора,
которая лучше согласовывалась с экспериментальными фактами.
История развития учений о свете и о строении атома позволяет
проиллюстрировать бесконечность процесса познания и его диа-
лектический характер. Соотношение между абсолютной и от но-
си lejibHofi истиной необходимо обсудить при ознакомлении уча-
щихся с принципом соответствия. Квантовая физика является бо-
лее глубокой физической теорией, ибо она более полно объясняет
большой круг физических явлений, нежели классическая физика.
Квантовая физика установила, что ряд представлении классиче-
ской физики не являются абсолютными, они хороши лишь для
макроскопических тел. Но квантовая физика не отрицает полно-
стью классическую. Она лишь 01раничивает область ее примене-
ния. Законы классической механики и электродинамики для мак-
ротел остаются незыблемыми. Кроме того, в предельных случаях
выводы квантовой физики совпадают с результатами классиче-
ской. При больших квантовых числах дискретность «смазывается»
и процесс становится квазинепрерывным.
Последний раздел школьного курса физики открывает боль-
шие возможности для воспитания и развития учащихся. Для раз-
вития мышления учащихся в этом разделе широко используют
такие приемы, как сравнение, систематизация и классификация.
Например, полезно предложить им сравнить свойства жидкостей
и ядра атома. Выявление общих для них свойств обеспечивает
лучшее понимание школьниками капельной модели ядра. Срав-
нивать можно также свойства фотона со свойствами других эле-
ментарных частиц, свойства ядерных сил со свойствами гравита-
ционных и электромагнитных сил. Результаты этих сравнении от-
ражают в систематизирующих таблицах, обобщающих получен-
ные учащимися знания по соответствующему вопросу. В конце
изучения раздела целесообразно обобщить все полученные знания
о строении вещест ва.
Материал раздела предоставляет большие возможности для
организации самостоятельной деятельности учащихся. Полезно
272
широко использовать периодическую систему Менделеева и
предложить им на ее основе самостоятельно определить состав
ядер некоторых элементов, рассчитать для них дефект масс, энер-
гию связи, удельную энергию связи и т. п. Оценочные расчеты
различных параметров микромира, широко используемые в этом
разделе, могут стать содержанием самостоятельной деятельности
учащихся в школе и дома, а анализ полученных в них результатов -
хорошая школа развития мышления учащихся. Этой же цели слу-
жит решение задач, которые в данном разделе носят по преимуще-
ству тренировочный характер и требуют акцента на анализе полу-
ченных данных: полезно сопоставлять энергии связи ядер с энерги-
ей связи других систем, например молекул: кинетическую энергию
а-частнц с энергией тепловою движения молекул; плотность
ядерно!о вещества с известными плотностями различных веществ
и т.п. Результаты этого анализа позволяют выпускникам школ
лучше понять порядок величин в микромире, осмыслить его.
В развитие квантовой физики внесли вклад многие выдающиеся
отечественные и зарубежные ученые: Э. Резерфорд, Н. Бор. 11. Кю-
ри, М. Склодовская-Кюри, М. Лауэ, Луи де Бройль. В. Гейзенберг.
В. Паули. П. Дирак, Э. Шредингер, И. Г. Гамм, Ф. и И. Жолио-
Кюри, О. Ган. Э. Ферми, Л. Д. Ландау, В. А. Фок, Д. В. Скобельцын,
А. II. Алиханов, В. И. Векслер. И. В. Курчатов и многие другие.
Изучение их жизни и деятельности представляет благодатный ма-
терная для патриотического и интернационального, а также нрав-
ственного воспитания учащихся. Бесконечная преданность науке,
трудолюбие до одержимости, научная добросовестность, беско-
рыстие, понимание своей ответственности перед обществом,
скромность в личной жизни свойственны были многим ученым.
4.1.2.	Особенности методики изучения квантовой физики
Особенности методики изучения данного раздела определяются
местом этого раздела в школьном курсе физики и спецификой
изучаемого в нем материала. Рассмотрим влияние каждого из
этих факторов отдельно.
Квантовою физику изучают в конце школьного курса физики,
причем изучают на количественном уровне впервые. Нигде на
протяжении всего школьного курса физики учащиеся практически
не встречались с дуализмом свойств частиц, вещества и поля, с
дискретностью энергии, со свойствами ядра атома, с элементар-
ными частицами. Лишь о строении атома и его ядра школьники
получили самые первоначальные представления в базовом курсе
273
физики и более полные в курсе химии. Это обстоятельство тре-
бует от учителя так построить учебный процесс, чтобы при изуче-
нии материала добиваться глубокого и прочного усвоения его
учащимися. Необходима продуманная работа по закреплению и
применению изучаемого материала при решении задач, выполне-
нии лабораторных работ, работе с дидактическим материалом и
т. д. Пониманию и усвоению раздела способствую! оценочные
расчеты, например, длин волн де Бройля, связанных с различны-
ми объектами, размера ядра, его плотности, энергии связи и т.п.
Ныне, когда школы оснащены микрокалькуляторами и ЭВМ, эти
расчеты не занимают много времени, а их результаты часто обла-
дают большой убедительностью.
Для повышения качества усвоения материала очень важно
опираться на ранее полученные знания. Например, при изучении
правил смещения при радиоактивном распаде и при изучении
ядерных реакций необходимо широко опираться на законы со-
хранения массы и заряда. Перед изучением строения атома целе-
сообразно повторить понятие центростремительного ускорения,
законы Ньютона, закон Кулона, а также те сведения о строении
атома, которые учащ <еся получили в базовом курсе физики и при
изучении химии.
Особенность содержания квантовой физики также накладыва-
ет отпечаток на методику се изучения. В этом разделе учащихся
знакомят со своеобразием свойств и закономерностей микромира,
которые противоречат многим представлениям классической фи-
зики. От школьников для его усвоения требуется не просто высо-
кий уровень абстрактного мышления, но и диалектическое мыш-
ление. Противоречия волна частица, дискретность - непрерыв-
ность рассматривают с позиций диалектического материализма.
Поэтому при изучении этого раздела учителю важно опира ться на
те филосооские знания, которые имеют учащиеся, чаще напоми-
нать им что метафизическому противопоставлению (либо да, либо
нет) диалектика противопоставляет утверждение: и да, и нет (в
одних конкретных условиях - да, в других - нет). Поэтому нет ни-
чего удивительного в том, что свет в одних условиях (интерфе-
ренция. дифракция) ведет себя как волна, в других - как поток
частиц.
В процессе преподавания квантовой физики нецелесообразно
говорить о странности микромира, парадоксальности его зако-
нов. Это едва ли будет способствовать усвоению материала, но
может запутать учащихся. Раскрывая своеобразие законов мик-
ромира. отличие их от законов классической физики, убеждают
школьников в естественности этих различий. По этой же причине
274
с историей становления квантовой механики (насколько трудным,
порой мучительным оыл процесс научного познания микромира)
учащихся лучше знакомить лишь после изучения этого раздела.
Эта история - еще одно свидетельство бесконечное!и процесса
познания, относительности истины на каждом этапе его развития.
Она способна убедить школьников в том, что человеческий ум
открыл много диковинного в природе и. вероятно, откроет еще
больше.
Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в
учебном процессе широко использовать различные средства на-
глядности. По число демонстрационных опытов, которые можно
поставить при изучении этого раздела, в средней школе очень не-
велико. Поэтому, кроме эксперимента, широко используют ри-
сунки, чертежи, графики, фотографии 1реков. плакаты и диапози-
тивы Прежде всего необходимо иллюстрировать фундаменталь-
ные опыты (опыт Резерфорда по рассеянию а-частиц. опыты
Франка и Герца и др.), а также разъяснять принцип устройства
приборов, регистрирующих частицы, ускорителей, атомного ре-
актора. атомной электростанции и т. п. При изучении этого ра з-
дела широко используют учебные видеофильмы «Фотоэффект»,
«Фотоэлементы и их применение», «Давление света», «Радиоак-
тивность и атомное ядро», «Ядерная энергетика в мирных целях»,
кинофра! менты «Дискретность энергетических уровней атома
(опыт Франка Герца)». «Природа линейчатых спектров атомов
водорода», диафильмы «Трековые приборы в ядерной физике».
«Ускорители заряженных частиц». «Этот мирный добрый атом»,
«Строение атома и атомного ядра», а также диапозитивы «Атом-
ное ядро» и настенные таблицы («Атомная электростанция» и
др.). О.чень большие возможности в данном отношении открывает
компьютерное моделирование.
4.2.	МЕТОДИК! ИЗУЧЕНИЯ СВЕТОВЫХ КВАНТОВ
4.2.1.	Внешний фотоэффект
Фотозффект, ею законы занимают особое место в истории фи-
зики Явление фотоэффекта было одним из основных среди явле-
ний, исследование которых привело к созданию квантовой теории
вообще и квантовой теории света в частности. Фотоэффекту отво-
дят поэтому центральное место в начале изучения квантовой физи-
ки. Именно из рассмотрения закономерностей фотоэффекта обыч-
но в средней школе вводят представление о световых квантах.
275
Сущность явления внешнего фотоэффекта и его главные зако-
номерности заключаются, как известно, в следующем: под дейст-
вием электромагнитного излучения наблюдается испускание
(эмиссия) электронов из металлов. Явление это практически бе-
зынерционно. Число испускаемых электронов определяется ин-
тенсивностью падающего излучения, скорость же вырываемых
электронов не зависит от интенсивности света и определяется
только его частотой. При частоте света меньше определенной
(характерной для каждого металла) фотоэффект нс наблюдается.
Эти закономерности были установлены экспериментально и за-
долго до создания квантовой теории. Но все попытки объяснить
их на основе волновых представлений электромагнитной теории
света терпели неудачу.
Обычно в учебной литературе эти закономерности формули-
руют как два, три (и даже четыре) закона фотоэффекта. Правда,
такого строгого деления законов на первый, второй, третий (как,
например, для законов динамики Ньютона) не существует. В ну-
мерации законов, их последовательности и числе есть определен-
ный произвол. Формулировки законов приводят как для макро-
процессов (через фототок), так и для мнкропроцессов (через фо-
тоэлектроны). Приведем ниже одну из принятых формулировок
законов фотоэффекта.
1.	Сила фототока насыщения пропорциональна интенсивности
света. Количество электронов, вырываемых с катода за 1 с. пропор-
ционально поглощаемой за э го время энергии световой волны.
2.	Максимальная начальная скорость фотоэлектронов опреде-
ляется частотой света и не зависит от его интенсивности.
3.	Для каждого вещества существует красная граница фотоэф-
фекта. т.е. такая наименьшая частота излучения v0, при которой
еще возможен внешний фотоэффект; значение этой частоты зави-
сит от химической природы вещества и состояния его поверхно-
сти; при частоте излучения, меньшей красной границы фотоэф-
фекта (v < v0). фотоэффект не происходит.
4.	Фотоэффект практически безынерционен.
Введение новых для учащихся квантовых представлений о
свойствах света является непростой методической задачей. Пони-
мание квантовой природы взаимодействия света с веществом «не
лежит на поверхности» фотоэффекта, к такому пониманию мы
подводим учащихся в результате многоступенчатого логического
рассуждения в ходе обсуждения результатов эксперимента. В ме-
тодике изучения фотоэффекта можно выделить несколько этапов:
1.	Знакомство учащихся с самим явлением фотоэффекта. Рас-
сказ об истории его открытия (Г. Герц).
276
2.	Рассказ о поиске закономерностей этого явления. Исследо-
вания А. Г. Столетова.
3.	Рассмотрение основных закономерностей фотоэффекта. По-
каз, вскрытие имеющихся трудностей - невозможность объяснить
все законы фотоэффекта с известных уже учащимся позиций
(волновой теории света).
4.	Выдвижение гипотезы световых квантов. Рассказ о работе
А. Эйнштейна. Уравнение фотоэффекта.
5.	Объяснение всех закономерностей фотоэффекта с квантовых
позиций.
6.	Выводы квантовой теории о природе света.
7.	Вакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Примене-
ние фотоэффекта в технике.
Раскроем основные из этих этапов.
К пониманию явления фотоэффекта и его закономерностей луч-
ше всего подвести школьников с помощью эксперимента. Па пер-
вом уроке по теме обычно предлагают серию опытов.
1)	Закрепленную на стержне электрометра хорошо очищенную
цинковую пластину заряжают отрицательно и освещают потоком
ультрафиолетовых лучей (рис. 103). Наблюдают разряд электро-
метра.
2)	Разряд прекращается, если мы перекрываем поток лучей
стеклом.
3)	Если же сообщить пластине положительный заряд, то при
таком же освещении разряд электрометра нс наблюдается.
4)	Разряд происходит тем быстрее, чем больше интенсивность
света.
5)	Заменив цинковую пласти-
ну медной (затем свинцовой), по-
вторяют опы ты при тех же усло-
виях (тот же источник света и
начальный заряд).
Если в школе нет хорошего
источника ультрафиолетового из-
лучения и постановка экспери-
мента на уроке затруднена, то
целесообразно провести объясне-
ние на основе использования ви-
деофильма «Фотоэффект», в пер-
вых кадрах которого показаны
описанные выше демонстрации.
Предложенная i юследоватсль-
ность демонстраций (или про-
Рис. 103
277
смотр кадров видеофильма) позволяет проводить первый урок по
теме методом эвристической беседы.
В ходе беседы последовательно обсуждают следующие вопро-
сы: почему заряженная пластина может сохранять заряд в чеченце
длительного времени? Какими способами можно разрядить пла-
стину? Как объяснить быстрый разряд отрицательно заряженной
пластины при ее освещении светом дуги? Будет ли при действии
ультрафиолетового излучения разряжаться положительно заря-
женная цинковая пластина? Почему электрометр не обнаруживает
изменения заряда в этом случае? Наблюдаем ли мы разряд медной
пластины при тех же условиях опыта? Почему прекращается раз-
ряд отрицательно заряженной цинковой пластины, если свет от
электрической дуги перекрыть стеклянной пластиной?
Проведенное обсуждение позволяет сделать выводы:
1.	Под действием света разряжаются только озрицательно за-
ряженные металлы. Следовательно, при некоторых условиях свет
способен вырывать электроны из металлов. Это явление называ-
ют фотоэффектом. (Здесь же можно рассказать и об истории от-
крытия фотоэффекта.)
2.	Разряд начинается одновременно с началом освещения, сле-
довательно» фотоэффект практически безынерционен. (Точные
опыты показали, что время между началом облучения и началом
фотоэффекта нс превышает 109 с.)
3.	Наличие фотоэффекта зависит от рода и обработки осве-
щаемого металла и от спектрального состава излучения, скорость
разряда зависит также и оз' падающей в единицу времени световой
энергии.
При формулировке выводов приходится избегать понятий
«освещенность», «светово i поток», гак как их по программе обще-
образовательной средней школы не изучают, а использовать глав-
ным образом понятие «энергия световой волны» и говорить об
энергии, которая за 1 с переносится световой волной через попе-
речное сечение, перпендикулярное к направлению распростране-
ния света (т. е. об интенсивности света).
Изучение закономерностей фотоэффекта продолжаю! на уста-
новке, позволяющей исследовать зависимость силы фототока от
приложенного напряжения, интенсивности и спектрального со-
става излучения. В названном выше видеофильме «Фотоэффект»
эта зависимость исследована на установке, подобной установке
А. Г.Столетова (цинковый диск освещен ультрафиолетовым светом
дуговой лампы сквозь латунную сетку; в цепь включен гальвано-
метр и подано напряжение от аккумуляторной батареи (рис. 104).
На уроке эксперимент проводят с помощью вакуумного фогоэле-
278
мента, для чего собирают установку по
схеме, приведенной на рис. 105. Внача-
ле экспериментально устанавливают
существование силы тока насыщения, а
затем - его зависимость от интенсивно-
сти падающего на катод света (первый
закон фот оэффскта - закон Столетова).
По результатам эксперимента строят
графики зависимости силы фототока
при двух разных интенсивностях света
от напряжения С (рис. 106).
После этого, освещая фотоэлемент
светом определенной частоты, с по-
мощью потенциометре! «запирают» фо-
тоэлемент и измеряют запирающее на-
пряжение, что позволяет определить
максимальную скорость вылетающих
электронов:
		ПИХ.
’-----2
Меняя светофильтры, получают при
повторении опытов новые данные и
убеждают учащихся в том, что макси-
мальная скорость вылета электронов
зависит от частоты падающего света и
не зависит от интенсивности света (вто-
рой закон фотоэффекта).
Далее приступают к объяснению
законов фотоэффекта. Само явление и
то, что сила фототока насыщения пря-
мо пропорциональна падающей в еди-
ницу времени световой энергии - пер-
вый закон фотоэффекта, можно объяс-
нить и с волновых позиций. Объясне-
ние того, почему существует порог фо-
тоэффекта (красная граница), почему
максимальная начальная скорость (и
максимальная кинетическая энергия
фотоэлектронов) не зависит от интен-
сивности света, а определяется только его частотой (линейно воз-
растает с часто гой), а также объяснение безынерционности фото-
эффекта не может быть дано на основе волновой электромагнитной
теории свела Ведь по этой теории вырывание электронов из метал-
ла является результатом их «раскачивания» в переменном электри-
ческом поле световой волны. Но тогда и скорость и кинетическая
энергия фотоэлектронов должны зависеть от амплитуды вектора
напряженности электрического поля волны и, следовательно, от ее
интенсивности, на «раскачку» электрона требуется время, эффект
не может быть безынерционным. Несоответствие эксперименталь-
ных фактов сложившейся волновой теории света доказывало ее не-
состоятельность и требовало создания новой теории.
Далее рассказывают о том, что трудносги в объяснении зако-
нов фотоэффекта были не единственной причиной создания новой
теории. В 1900 г. М. Планк для объяснения теплового излучения
вынужден был высказать, на первый взгляд, нелепую идею, что
тело излучает энергию нс непрерывно, а отдельными порциями
(квантами). Эта идея противоречила сложившимся представлени-
ям классической физики, где процессы и величины, их характери-
зующие, изменяются непрерывно. Эту непонятную и поэтому ма-
ло кем принятую идею в 1905 г. А. Эйнштейн использовал для
объяснения законов фотоэффекта. Он пошел далее М. Планка и
утверждал: свет нс только испускается, но и распространяется и
поглощается квантами.
Иначе говоря, поток монохроматического свела, несущий
энергию Е. представляет собой ноток п частиц (названных позд-
нее фотонами), каждая из которых обладает энергией Av:
Е = nhv.
Энергия фотона пропорциональна частоте света. Чем больше
частота (меньше длина волны) излучения, тем большую энергию
несет каждый его фотон.
Далее Эйнштейн предположил: каждый фол он взаимодейству-
ет не со всем веществом, на которое падаег свет, и даже не с ато-
мом в целом, а с отдельным электроном атома. Фотон отдает
свою энергию электрону, а электрон, получив энергию, вырывает-
ся из металла с определенной кинетической энергией. На основе
закона сохранения энергии можно записать следующее уравнение
для элементарного акта взаимодействия фотона с электроном:
hv = А + ——.
2
где hv энергия фотона. J работа выхода электрона из металла.
fw2
—- максимальная кинетическая энергия, которую может
приобрести элсклд)он.
280
После этого объясняют экспериментальные законы фотоэффек-
та с точки зрения квантовой теории. Сила фототока насыщения
пропорциональна числу электронов, вылетающих за 1 с с осве-
щаемой поверхности; интенсивность света - числу ежесекундно
падающих фотонов. Так как каждый фотон может выбить с по-
верхносш металла лишь один электрон, то естественно, что сила
фототока насыщения (число вырванных электронов) будет про-
порциональна интенсивности света (числу падающих фотонов).
Важно при этом подчеркнуть, что наблюдают прямую пропор-
циональность. а не равенство, так как часть падающих на металл
фотонов отражается, а из поглощенных фотонов нс все вырывают
из металла свободные электроны. Энергия части поглощенных
фотонов превращается во внутреннюю энергию металла. Поэтому
отношение числа электронов п к числу падающих на металл фо-
тонов значительно меньше единицы (для чистых металлов
примерно в 1000 раз).
Далее объясняют, почему наибольшая кинетическая энергия
фотоэлектронов зависит от частоты падающего света, а не от его
интенсивности (второй закон фотоэффекта). Из уравнения Эйн-
штейна следует:
/ л
—un. = //v _ 4
2
Гак как для данною вещества работа выхода постоянна
(А = const), то наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов
пропорциональна частоте падающего света. Анализируют случай,
когда энергия светового кванта равна работе выхода А:
Л v0 = А,
или

Следовательно, вся энергия фотона идет на совершение работы
выхода и скорость электронов равна нулю. Минимальная (гранич-
,	. 1	А
пая) частота фотоэффекта v0 равна —, а максимальная длина
h
he
волны . При условии v < Vo и X > фотоэффекта нет. Это
длинноволновая (красная) граница фотоэффекта. Ее значение
зависит только от работы выхода, г. е. oi химической природы
металла, и может лежать на любом участке оптического диапазона.
Для каждого вещества есть определенная длинноволновая грани-
ца фотоэффекта (третий закон фотоэффекта).
281
Таким образом, уравнение Эйн-
штейна объясняет все законы внешне-
го фотоэффекта. Оно позволяет вы-
числять скорости фотоэлектронов и
определять наибольшую длину волны,
при которой еще наблюдается явление
фотоэффекта для данного вещества, а
также вычислить работу выхода для
конкретного металла.
После анализа уравнения Эйнштей-
на можно показать, как была осущест-
'Влеиа экспериментальная проверка этого уравнения. Опа состояла
в определении постоянной Планка из результатов опыта.
Так как работа выхода для данного вещества - величина посто-
янная, то кинетическая энергия фотоэлектрона является линейной
функцией частоты излучения, падающего на фотоэлемент (рис. 107).
Точка В соответствует граничной частоте фотоэффекта, а отрезок
ОС - работе выхода А, Измерив задерживающее напряжение и
определив работу выхода (зная граничную частоту для данного
металла), можно по этим данным най ти постоянную Планка
2
=Лу0,
откупа
hv = eUs + hvQ,
v-v0
Таким образом, тангенс угла наклона прямой к оси частот ра-
вен постоянной Планка, г. е.
tgcp = Л.
Дпя всех металлов этот угол одинаков.
При практическом проведении таких измерений встретились
большие трудности. Первые тщательные измерения постоянной
Планка этим методом были выполнены в 1915 г. Р. Милликеном.
Он получил значение, близкое к тому, какое было уже известно из
теории теплового излучения.
В нашей стране в 1928 г. опытами П.И.Лукирского и С.С. При-
лежаева была подтверждена линейная зависимость кинетической
энергии фотоэлектронов от частоты падающего света и получено
значение постоянной Планка.
Для закрепления уравнения Эйнштейна решают задачи на вы-
числение скорости и энергии электронов, красной границы фото-
эффекта, работы выхода.
282
4.2.2. Эффект Комптона
Формирование представлении о фотоне, начатое при изучении
фотоэффекта, продолжают при изучении последующих вопросов
курса - эффекта Комшона. давления света, химического действия
света.
Особенно важное значение для доказательства квантовых
свойств света имеет впервые введенное в программу физики об-
щеобразовательной средней школы понятие об эффекте Компто-
на. До этого данное явление, являющееся решающим подтвержде-
нием наличия у фотона импульса, изучалось только на факульта-
тивном курсе и в классах с углубленным изучением физики.
Комптоновский эффект заключается в изменении частоты из-
лучения при рассеянии рентгеновских лучей «легкими» вещества-
ми (графит, парафин и др.). Особенность этих веществ - относи-
тельно слабая связь внешних электронов в атоме с ядрами. Это
явление было обнаружено в 1923 г. и подробно исследовано аме-
риканским физиком А. Комптоном, который установил, что раз-
ность частот (длин волн) первичного (падающего) и рассеянного
излучения зависит только от угла рассеяния.
В дальнейшем А. Комптон и независимо 11. Дебай теоретиче-
ски объяснили явления с квантовых позиций, рассматривая рас-
сеяние как результат взаимодействия рентгеновских квантов па-
дающею излучения с практически свободными электронами ве-
щества. применяя к этому процессу законы сохранения энергии и
импульса. Полученная зависимость
X' - X =	(1 - cos ф).
где ш0 - масса частицы, на которой происходит рассеяние, пре-
красно согласовывалась с экспериментальными данными.
Формулу для изменения длины волны комптоновского рассея-
ния в школьном курсе не дают, но подходы к ее выводу на осно-
вании рассмотрения законов сохранения (энергии и импульса) для
системы электрон- фотон можно привести.
Порядок рассуждений может быть примерно следующим.
Объяснить наблюдаемое раз шчис частот первичного и рассе-
янного излучений с волновых позиций не представляется возмож-
ным. Действительно, механизм рассеяния рентгеновского излуче-
ния согласно волновой теории света можно объяснить только за
счет возникновения вторичных электро магнитных волн в резуль-
тате вынужденных колебаний («раскачивания») электронов в ато-
мах вещества под действием электрического поля первичной вол-
283
пы. При этом частота рассеянного излучения должна совпадать с
частотой первичного излучения.
Если считать поток рентгеновских лучей состоящим из отдель-
ных фотонов, летящих со скоростью света и способных испыты-
вать столкновения с другими частицами, то следует допустить
возможность обмена с ними энергией и импульсом.
Рентгеновский фотон с частотой v обладает энергией e = Av.
е	hv	£ //v _
массой /» = — = —, импульсом р = тс = — =—. Энергия элек-
с	с	с	с
трона до столкновения пце2 (где тп - масса покоя электрона, так
как электрон до столкновения считают неподвижным в данной
системе отсчета).
При столкновении фотона с электроном происходит передача
энергии и импульса фотона этому электрону. Электрон приобре-
тает кинетическую энергию. Энергия испущенного в результате
столкновения фотона меньше начальной, что приводит к умень-
шению его частоты.
При элементарном акте рассеяния должен выполняться закон
сохранения энергии и закон сохранения импульса (для системы
фотон - электрон, которую можно считать изолированной):
hv + ш()с2 = hv' + тс
р = р' + ре.
где т{}с2 - полная энергия неподвижного электрона, тс2 - полная
энергия электрона после столкновения с фотоном, hv энергия
первичного фотона, hv' - энергия фотона после столкновения с
электроном (рассеянного фотона), р и р' - импульсы первичного
и рассеянного фотонов; ре - импульс электрона после столкиове-
,	( hv , hv'
иия с фотоном р- —. р =------, р = mv
V с с
Совместное решение этих уравнении, выполненное на основе
представлений о фотоне как частице, способной испытывать
столкновения с электроном по законам релятивистской механики,
т.е. с учетом того, что электрон после столкновения приобретает
скорость, близкую к скорости света, и его массу рассчитывают по
формуле:
284
дает результат, совпадающий с данными эксперимента (с эмпири-
ческой формулой Комптона).
Как показывают опыты, каждому фотону, испытывающему
рассеяние на угол гр, сопутствует появление электрона, движуще-
гося именно с такой скоростью v и под таким углом к направле-
нию первичного пучка фотонов, которые полу гаются при реше-
нии соответствующих уравнений.
4.2.3. Фотоны. Двойственность свойств света
Одна из основных задач учителя при изучении световых кван-
тов и действий света - ознакомить учащихся со свойствами фото-
на и двойственностью свойств света. После изучения фотоэффекта
и явления Комптона обобщают полученные учащимися знания о
фотоне и обсуждают корпускулярно-волновой дуализм его
свойств. При подготовке к этому уроку школьники повторяют как
уже пройденный до этого материал, так и материал об электро-
магнитных волнах раздела «Электродинамика». В ходе беседы
учитель подводит их к следующим выводам:
1)	Фотон - частица электромагнитного излучения (квант элек-
тромагнитного поля).
2)	Фотон, будучи квантом электромагнитного поля, существует
только в движении. Он либо движется со скоростью, равной ско-
рости света в вакууме, либо не существует. Остановить, замедлить
и ускорить фотон нельзя, как нельзя увеличить или уменьшить
скорость света в вакууме.
3)	Эти частицы сравнительно легко могут зарождаться (излу-
чаться) и исчезать (поглощаться). Фотоны неделимы. Когда атом
испускает или поглощает свет, го эго испускание и поглощение
происходит только целыми фотонами. Поглощенный фотон пре-
кращает свое самостоятельное существование, а его энергия пре-
вращается в какой-либо другой вид энергии.
4)	Фотон обладает определенной энергией, массой и импуль-
сом. Энергия фо тона е = Av. По закону взаимосвязи массы и энер-
гии энергия фотона связана с массой соотношением £ = тс2, сле-
довательно. масса фотона равна
Е Av
Масса фотона - мера его энергии. Эту массу нужно рассматри-
вать как полевую массу, обусловленную тем, что электромагнит-
ное ноле обладает энергией.
285
Гак как фотон существует только в движении, то у него нет
массы покоя. Масса покоя фотона равна нулю, и в этом принци-
пиальное отличие фотона от частиц вещества.
Импульс фотона равен
р- тс =
hv h
Импульс - векторная величина. Направление вектора импульса
фотона совпадает с направлением распространения света. Нали-
чие у фотона импульса подтверждается существованием светового
давления и эффектом Комптона.
Учащиеся должны уяснить, что свет проявляет и волновые и
корпуску шрные свойства, т. е. он обладает дуализмом свойств. Это
находит свое выражение, в частности, в формулах, определяющих
корпускулярные характеристики фотона (энергию, импульс, массу)
через частоту:
, hv hv
Е - hv, р = —: т = —.
с с~
В проявлении двойственности свойств света имеется опреде-
ленная закономерность. Так как энергия отдельного фотона при
малых частотах (например, у инфракрасного света) мала, то для
этого диапазона частот корпускулярные свойства проявляются
слабо, а в большей степени проявляются волновые свойства излу-
чения. Интерференцию, дифракцию, поляризацию такого излуче-
ния легко демонстрируют с помощью несложной аппаратуры, фо-
тохимические же действия обнаружить труднее. При больших
частотах (когда энергия отдельного фотона сравнительно велика)
корпускулярные свойства света обнаружить легче. В видимом
свете волновые и корпускулярные свойства проявляются пример-
но в равной степени. Отражение, преломление, давление света
можно объяснить как на основе волновых, так и на основе кор-
11 у с ку л я р н ы х представ лени й.
Заметим, что при некоторых условиях в типично возновом яв-
лении обнаруживаются квантовые свойства света. Например, эти
свойства обнаружены в известных опытах С И. Вавилова по кван-
товым флуктуациям в интерференционном поле при малых свето-
вых потоках. Своп наблюдения флуктуации световых потоков
С.И.Вавилов рассматривал как одно из важнейших доказательств
квантовых свойств излучения.
Чтобы учащиеся убедились в этом, полезно предложить им оп-
ределить частоту, импульс, энергию фотонов, соответствующих
286
Таблица 5
Вид излучения	Длина волны X, vi	Частота V, Гц	Масса фотона /п, кг	Энергия фотона Е, Дж	Импульс фотона р, кг-м/с
Инфракрасное Видимое Ул ьтрафиоле товое Рентгеновское					
различным длинам волн оптического диапазона*. Данное задание
и необходимые сведения для его выполнения можно задать таб-
лицей (табл. 5). которую представляют в виде транспаранта для
графопроектора.
Обсуждение данных таблицы поможет школьникам получить
более конкретные представления о шкале электромагнитных волн
и понять, почему в коротковолновой области в большей степени
обнаруживаются корпускулярные свойства света, а волновые
проявляются слабее. Например, если сопоставить излучения двух
одинаковых по мощности источников света (красного (видимого)
и рентгеновского), то можно увидеть, что энергия фотона рентге-
новского излучения во много раз больше энергии фотона видимо-
го света и при одинаковой интенсивности плотность фотонов
красного света в 1000 -100 000 раз больше плотности рентгенов-
ского излучения.
Из условий равенства интенсивностей следует
/zvK nK = hvp пр,
где п - число фотонов, проходящих за 1 с через поверхность еди-
ничной площади, откуда
vp
VK «р ’
Поэтому красное излучение проявляется как непрерывное, а
рентгеновское - как нечто дискретное.
Целесообразно предложить учащимся предсказать, какие (хими-
ческие, биологические и др.) действия могут оказывать различные
виды излучений.
Для подчеркивания дуализма свойств света полезно заполнить
таблицу (табл. 6), в которой указаны основные физические вели-
1 Данные о длине волны (или частоте) учащиеся беру i из справочника или учебника.
287
Т а б л и па 6
Физические величины, используемые для описания волновых свойсз в света	Физические не шчины. используемые тля описания квантовых свойств света	Формулы, обьелинию- шис оба класса физиче- ских величин
Часто!a v Период Т Длина волны Х = vТ	Масса фотона m Скорость фотона с Импульс фо юна р = тс 3nepi ня фо юна е = тс-	hv т = — ci hv Р =— с h к-— тс Е = hv
чины, отражающие диалектическое единство дискретности (пре-
рывности) п континуальности (непрерывности) материи.
При работе с таблицей особое внимание обращают на рас-
смотрение и пояснение формул, объединяющих оба класса величин.
4.3. МЕТОДИК! ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ АТОМА
4.3.1. Явление радиоактивности. Опыт Резерфорда
Изучение строения атома в старших классах начинают обычно
с опыта Резерфорда и планетарной модели атома. Однако, к со-
жалению. учащиеся к этому времени еще не знают ничего о ра-
диоактивности, об альфа-частицах, и это затрудняет понимание
опыта Резерфорда. Поэтому целесообразно школьников ознако-
мить прежде с явлением радиоактивности, с историей его откры-
тия, с видами радиоактивных излучений. Механизм радиоактив-
ного распада и его законы целесообразно изучать позже, после
ознакомления со строением и свойствами ядра.
Начать изучение строения атома с явления радиоактивности
целесообразно еще и потому, что радиоактивность - явление, сви-
детельствующее о сложном строении атома и давшее мощный
толчок развитию атомной физики. Изучение предварительных
сведении о радиоактивности, кроме того, поможет ученикам луч-
ше осмыслить принцип действия приборов, служащих для наблю-
дения и регистрации элементарных частиц. На изучение явления
радиоактивности отводят обычно один урок.
Рассказывая о радиоактивности, учащихся знакомят с основ-
ными видами радиоактивных излучений: а, р\ р и у. Однако бо-
288
лес подробно останавливаются на свойствах а-частиц: а-частицы
представляют собой дважды ионизированные атомы гелия, их
масса равна 4,002 а.е.м. = 6.6-10 2 кг, т.е. она примерно в 8000
раз больше массы электрона: их заряд равен 2е. где е - заряд элек-
трона (1,6-1019 Кл): скорость при радиоактивном распаде дости-
гает 2-107 м/с. Желательно предложить школьникам оценить кине-
тическую энергию а-частицы:
6.6 10 27кг (2 10 м/с)
-----= —---------------->-----------= 1,3 10 Дж = 8 МэВ
и сравнить ее со средней кинетической энергией молекул при
комнатной температуре Из этого сравнения становится ясно, что
а-частицы обладают колоссальной энергией (она более чем в 10к
раз превосходит энергию теплового движения молекул), поэтому
а-частицы, испускаемые радиоактивными веществами, представ-
ляют собой эффективные естественные «снаряды» для изучения
стру ктуры венгества.
Изучение опыта Резерфорда целесообразно начать с демонст-
рации фрагмента «Опыт Резерфорда» из видеофильма «Атом и
атомное ядро», на основе просмотра которого учащиеся усвоят
общую идею опыта. За гем рассматривают схему опыта Резерфор-
да более детально (с помощью диапозитива, дпаф тльма или пла-
ката), предлагают школьникам зарисовать ее в тетради. Очень
хорошо моделируется опыт Резерфорда на компьютере.
Показывая рисунок траекторий а-частиц (рис. 108). обращают
внимание учащихся па два факта: I) большое число а-частиц про-
ходит через тонкую фольгу металла нс отклоняясь; 2) отдельные
частицы (примерно I частица из 8000) испытывают отклонение на
большой угол (90-150°). Знакомить учащихся с количественной
теорией Резерфорда рассеяния а-частиц, позволившей сделать оп-
ределенные выводы о структуре атома, в средней школе не пред-
ставляется возможным Однако желательно дать им почувствовать.
как анализ результатов опыта
служит основой для высказы-
вания определенных теоретиче-
ских предсказаний о структуре
атома. С этой целью можно ре-
шить, например, задачу: «Сколь-
ко атомов встречает на своем
пути а-частица, пролетая гон-
кую золотую фольгу толщиной
1 мкм?».
Рис. 108
1 0-2784
289
Так как в этом случае интерес представляет порядок величины,
а не се точное Значение, то ограничиваются прикидкой результата:
диаметр атома « 10~10 м, поэтому число атомов, которое встречает
на своем пути а-частица,
т. с. порядка десятка тысяч. Так как атомы золота расположены
близко дру1 от друга (на расстоянии порядка 10 10 м), то из факта,
что многие а-частицы пролетают через тысячи атомов, не взаимо-
действуя с ними, следует, что атом не является сплошным (модель
атома Томсона не подтверждается).
Результаты опыта Резерфорда позволили заключить, что по-
ложительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень
малой области пространства - ядре (так как только в этом случае
возможно резкое отклонение пролегающей а-частицы). и опреде-
лить примерный размер ядра.
Далее рассказывают о подобных опытах, позволивших опреде-
лить размеры ядра.
Для приблизительной оценки размера ядра решают задачу:
«Оценить расстояние, на которое должна приблизиться а-частица,
обладающая энергией 10 МэВ, к ядру атома золота, чтобы испы-
тать рассеяние на 180°».
Это расстояние находят из уравнения
nw2 _ qtQ
----— к---
2 г
(кинетическая энергия а-частицы превращается в потенциальную
энергию кулоновского отталкивания в тот момент, когда а-части-
\	1 о । п9 Л м2
ца. подлетев к ядру, останавливается), где к =---= 9 10 ----
4ле() Кл
1ак как энергия а-частицы £=10 эВ = 107-1,6-1019 Дж =
= 1,6-10 12 Дж, то из уравнения Е = к^^ находим:
г
9 10’ Н “ -2-79 (1.610'19
Кл2 v
1.6 10"12 Дж
\2
Кл)
-----~2-10“|6м
Факт кулоновского отталкивания а-частицы от положительно
заряженного ядра, а также то, что отклонение эю тем больше, чем
б чиже к ядру пролетает а-частица и чем меньше ее энергия, можно
290
проиллюстрировать на следующем модельном эксперименте. Ме-
таллический шарик укрепляют на конце наклонно расположенной
изолирующей палочки, которая заряжается от высоковольтного
выпрямителя. Второй шарик, сделанный из ваты и обернутый тон-
кой металлической-фольгой, подвешивают на шелковой нити к вы-
сокой подставке. Первый шарик служит моделью ядра, а второй -
моделью a-часпшы. Учитель, зарядив второй шарик, отводил
«а-частицу» в сторону, а затем отпускает ее. Проходя мимо «ядра»,
«частица» отклоняется. Опыт лучше демонстрировать в теневой
проекции на потолок.
Рассказывая в заключение о планетарной модели атома, особен-
но подчеркивают, что почти вся масса атома сосредоточена в его
ядре, ядро атома в 105 раз меньше самого атома, заряд атома и чис-
ло вращающихся вокруг пего электронов равны порядковому номе-
ру элемента в периодической системе элементов. Чтобы школьники
наглядно представили себе соотношение между размерами атома
и ядра, полезно привести несколько образных сравнений, напри-
мер. ядро меньше атома во столько раз. во сколько маковое зерно
меньше здания Московского университета па Воробьевых горах.
4.3.2.	Квантовые постулаты Бора
На примере изучения строения атома учащимся показывают,
как и для чего создают модели объектов для физических исследо-
ваний, подчеркивают ограниченность каждой модели, раскрыва-
ют путь познания истины через последовательное уточнение мо-
дельных представлений. Эго имеет важное значение для развития
научного мировоззрения школьников.
Действительно, в молекулярно-кинетической теории га ов ис-
пользуют шарик как модель атома. При попытке разобраться в
структуре атома была создана модель атома, которая, по образно-
му выражению физиков, выглядела как пирен с изюмом (модель
Гомсона). Опыты Резерфорда опровергли эту модель и привели к
созданию планетарной модели атома. Однако эта модель также
несовершенна: согласно классической теории, электрон, двигаясь
по круговой орбите и. следовательно, обладая ускорением, должен
непрерывно излучать энергию; в результате электрон упадет на
ядро и атом прекратит свое существование. Кроме того, согласно
этой модели спектр излучения атома должен быть сплошным, ме-
жду тем как опыты показывают, что он линейчатый Поэтому
предложенная Резерфордом модель атома нуждалась в дальней-
шем уточнении. Это было сделано в 1913 г. Н. Бором.
291
Н.Бор увидел за этими «неправильностями» в поведении элект-
рона в атоме своеобразие законов, которым подчиняются микро-
частицы. Он сформулировал постулаты, которые согласовывали
модель атома Резерфорда с экспериментальными фактами (ста-
бильность атома, дискретный характер излучаемой им энергии).
Постулаты Бора необходимо не только сформулировать, но и
пояснить. Первый постулат (постулат стационарных состояний)
формулируют так: атом может находиться только в особых ста-
ционарных состояниях, каждому из которых соответствует опре-
деленная энергия; в стационарном состоянии атом энергии не из-
лучает. Этот постулат требует пояснений. Энергия атома кванту-
ется, т. е. может принимать ряд дискретных значений. Наимень-
шим значением энергии атом обладает тогда, когда его электрон
находится па ближайшей к ядру орбите. Чем больше радиус орби-
ты, тем больше энергия соответствующего стационарною состоя-
ния. В стационарном состоянии атом энергии нс излучает.
Если хорошо усвоен первый постулат Бора, школьники легко
усваивают и второй постулат (правило частот): при переходе ато-
ма из одного стационарного состояния в другое атом испускает
пли поглощает один фотон, энергия которого равна разности
энергий стационарных состояний:
Av = Е„,-Е„.
Этот постулат обосновывает квантовый характер излучения
факт, установленный М. Планком и развитый А Эйнштейном.
При изложении теории Бора возникает вопрос: нужно ли зна-
комить школьников с правилом квантования орбит - третьим
(специальным) постулатом Бора? Ведь момент импульса - понятие,
незнакомое учащимся. Они его не изучали в механике. Поэтому ряд
методистов считает, что с третьим постулатом Бора учащихся лучше
нс знакомить. Однако третий постулат указывает на правило кван-
тования орбит, и без него нельзя вывести значение энергии в ста-
ционарных состояниях. Поэтому отказ от ознакомления школьников
с третьим постулатом Бора влечет за собой поверхностное их озна-
комление с атомом водорода и его спектрами и приводит к слабому
усвоению материала. Поэтому, несмотря па известную трудность,
лучше ознакомить учащихся и с третьим постулатом Бора.
Вводят грстий постулат Бора на основе следующих рассужде-
ний: II. Бору надо было найти радиусы разрешенных орбит для
определения энергии атома в стационарных состояниях. Для этого
н>жно было указать правило квантования. Он предположил, что
какая-то величина должна бьпь кратной постоянной Планка h.
Постоянная Ппанка выражается в джоуль-секундах. По так же в
292
единицах СИ выражается широко используемая в механике вели-
чина - mvr (само понятие момента импульса при этом можно не
вводить)
Естественно было предположить, что должно выполняться со-
отношение
/г
тvr = — п , или тvr -hn,
2л
где гп масса, и - скорость, г - радиус орбит ы электрона, а
й = —= 1,0510 мДж с.
2л
После этого постулаты Бора используют для объяснения
строения атома водорода.
Вывод формулы энергии, ко юрой атом водорода обладаег в
различных стационарных состояниях,
1 те4
(4ле0)2 У?
нс представляет трудности. При анализе ее важно подчеркнуть,
что эта энергия обратно пропорциональна квадрату квантового
числа п:
и отрицательна, а это соответствует притяжению электронов к
ядру. Желательно подсчитать энергию атомов в основном состоя-
нии (первый энергетический уровень):
(4ле„)
те4
27?2  1
= -13,6 эВ,
а затем энергию, соответствующую второму, третьему, четверто-
му уровням:
?2 = —Е, = -3,39эВ,
Е.=—Е =-0,85 эВ.
4 16 1
293
Энергия атома при л —> ©о стреми гея
к нулю. Это дает возможность построить
диаграмму энергетических уровней атома
водорода следующим образом1. Сверху
проводят линию, соответствующую ну-
левому значению энергии (EL = 0). В
произвольном масштабе откладывают
от этой линии вниз значение энергии Е\
= -13.6 эВ (рис.
109), затем Е2
Е.-—Е,. Е,= — Е, и т.д. и отмечают.
Е	9	16
что по мере увеличения числа н рас-
рис joy	стояние между уровнями уменьшается,
уровни постепенно сближаются, интер-
валы между ними становятся исчезающе малыми, дискретность
«смазывается»: возникает квази непрерывность, т.е. при больших
квантовых числах квантово-механическое описание системы эк-
вивалентно классическому.
Необходимо подчеркнуть, что теория атома Бора не была по-
следовательной. Используя классические законы для описания дви-
жения электрона в атоме, опа накладывала па них некоторые от-
ранпчения. Но даже эта далеко еще не совершенная теория знаме-
новала собой дальнейший шаг па пути отказа от универсальности
классических представлений (первые были сделаны М Планком и
А. Эйнштейном) и позволила достаточно хорошо объяснить строе-
ние атома водорода и его спектры.
4.3.3.	Линейчатые спектры
Линейчатые спектры объясняет теория Бора. П хотя историче-
ски спектральные закономерности были известны до создания
Бором теории строения атома, проще объяснить их, зная теорию
Бора, нежели уяснить, как знание этих закономерностей ириве ю
Бора к созданию теории атома Лишь в к taccax с сильным соста-
вом учащихся роль спектров в создании теории атома будет дос-
таточно оценена, поэтому там можно придерживаться историче-
ской последова тельное ги.
1 При построении диаграммы подчеркиваю!, что расстояние между уровнями ил-
люстрирует различие в энергиях и ие имев! геометрически! о смысла.
294
Начать изучение материала лучше с опытных фактов. Если че-
рез газ пропустить электрический разряд, он начинает светиться.
Предлагают учащимся через спектроскоп (или дифракционную
решегку) посмотреть на зажженную лампу, заполненную водоро-
дом. Она дает несколько ярких спектральных линий в видимой
части спектра: красную, голубую, синюю, фиолетовую. Лампы,
заполненные неоном и гелием, дают другие линии, но каждый из
газов дает линейчатый спектр.
Целесообразно упомянуть, что атомы газа можно возбудить не
только электрическим разрядом, но и другими способами.
После этого объясняют происхождение линейчатых спектров.
С точки зрения теории Бора, атомы водорода, получая энергию,
возбуждаются, т. е. их валентные электроны переходят с основного
(первого) энергетического уровня на уровни с более высокой энер-
гией. Опыт показывает, что в возбужденном состоянии атом нс
может находиться долго, его электрон самопроизвольно перехо-
дит с более высокого энергетического уровня с энергией Е„ на
уровень с меньшей энергией Е„ и испускает при этом фотон строго
определенной частоты, определяемой уравнением
/tv = Е,„ - Еп, где т > п.
Спектр атома водорода целесообразно проанализировать пол-
нее. Вначале школьникам поясняют, что электрон, находящийся
па одном из высших энергетических уровней, может перейти на
любой более низкий, а не только на основной уровень. Например,
электрон, находящийся на четвертом энергетическом уровне, мо-
жет перейти на трети, а затем па второй, на первый (основной)
уровень, а может перейти сразу на второй или даже на первый
уровень. В силу этого атом водорода может испускать фотоны
разных, но строго определенных частот. Для закрепления мате-
риала учащимся предлагают задание: рассчитать, сколько раз-
личных фотонов может испустить возбужденный атом водорода,
если его валентный электрон находится на четвертом энергетиче-
ском уровне. (Ответ: шесть.)
В классах, в которых имеется достаточное количество кальку-
ляторов или ЭВМ, можно предложить рассчитать соответствую-
щие частоты излучений:
h
h I т
п~
(1)
h \п2 т /
295
Предварительно находят величину —. 1 ак как Е\ =-13,6 эВ =
= -13.61,610 19 Дж, то
EL_ 13,6-1,6- 10~19Дж
Л “ 6,6210"иДж с
Расчет показывает. что четыре хорошо видимые линии в спек-
тре водорода, имеющие длины волн 410, 434, 484, 656 нм, получа-
ют в результате перехода электронов соответственно с третьего,
четвертого, пятого и шестого уровней на второй энергетический
уровень. При наличии калькуляторов или компьютеров эти рас-
четы нс занимают много времени, но позволяют убедительнее по-
казать доказательную и эвристическую роль теории Бора.
Школьникам рассказывают о том, что еще до создания теории
Бора швейцарский школьный учитель И. Бальмер усмотрел, что
частоты излучении, испускаемых атомом водорода в видимой
части спектра, подчиняются формуле
(2)
где /7? > 2, а постоянная С = 3,29-1015 с-1. Сравнение формул (1) и
(2) показывает их полную идентичность при п = 2. Следовательно,
эмпирическая формула, найденная Бальмером, хорошо объясня-
ется теорией Бора
Можно предсказать, что, кроме известных линий, в спектре во-
дорода должны быть еще серии спектральных линий, описывае-
мые формулами:
для т = 2, 3, 4. 5,... (серия Лаймана);
2
для т - 4. 5. 6. 7,... (серия Пашена).
Эти спектральные линии были обнаружены в ультрафиолето-
вой и инфракрасной частях спектра. Это можно проиллюстриро-
вать рисунками 110 и 111. Итак, спектр атома водорода хорошо
объясняется теорией Бора.
Затем целесообразно объяснить, почему линейчатые спектры
разных газов различны. Хотя теория Бора не позволяет рассчи гагь
296
п = 1
z? = 4
п = 3
и = 2
Серим
Пашеии
Бааь.мера
Серия
Лаймана
Рис. НО
Серия
Рис. I I I
энергетические уровни различных атомов, объяснить этот вопрос
можно, рассмотрев водородоподобные атомы - ионизированный
агом гелия и дважды ионизированный аюм лития
Они устроены подобно атому водорода и отличаются от нею
зарядом ядра. Соответственно энергия каждого энергетического
уровня иона гелия будет в п1 = 4, а дважды ионизированного иона
лития в 9 раз больше энергии уровня водорода. Если энергетиче-
ские уровни разных газов неодинаковы, то и частоты даваемых
ими излучений различны, хотя вполне определенны и дискретны.
Линейчатый спектр атомов каждого вещества, находящеюся в
газообразном состоянии, имеет свой характерный набор частот.
Если учащиеся эю достаточно хорошо поймут, то объяснить им
сущность спектрального анализа не составит труда.
После этого школьников знакомят со спектрами поглощения
газов. Начать можно с теоретических рассуждении Если газ осве-
щать светом, го. очевидно, атомы его могут поглотить только те
фотоны, энергия которых hv равна разности значений энергий
его энергетических уровней Е,„ - Е„. Иначе говоря, газ должен
поглощать свет тех же частот, которые он испускает. Для про-
верки этого теоретически предсказываемого результата можно
поставить следующий опыт. Собирают установку но схеме ри-
сунка 112 (здесь 1 источник свега. 2 - конденсор, 3 - щель, 4
объектив. 5 - призма прямого зрения, 6 - экран) При выключен-
ном источнике свега между конденсором и щелью помещают
пламя газовой горелки, в которое вводят поваренную соль. Па
экране видна яркая желтая линия натрия. Теперь включают лампу
297
накаливания в проекционном аппарате, на экране при этом на-
блюдается непрерывный спектр с темной линией в том месте, где
была яркая линия натрия.
При изучении линейчатых спектров целесообразно использо-
вать учебный видеофильм «Излучение и поглощение энергии ато-
мом» или соответствующую компьютерную программу.
4.3.4.	Волновые свойства частиц
Созданию квантовой механики способствовали два основонола-
1ающих фактора: квантовый (дискретный) характер энергии и вол-
новые свойства частиц. Перед изучением волновых свойств частиц
следует повторись предшествующий материал, обратив особое
внимание на корпускулярно-волновой дуализм свойств фотона.
Волновые свойства микрочастиц - ныне хорошо установлен-
ный экспериментальный факт, поэтому изучение этого вопроса
начинают с описания схемы опыта по дифракции электронов. Из-
вестно, что дифракцию электронов наблюдают различными мето-
дами: при прохождении пучка быстрых электронов через гонкий
слой монокристалла (но методу Лауэ), при прохождении их через
тонкий слой поликристалла (металлическую фольгу), при отраже-
нии медленных электронов от поверхности кристалла под разны-
ми углами. Понятно, что школьников нужно ознакомить с одним
из этих методов - методом Лауэ, наиболее простым для объясне-
ния. Школьникам напоминают, что кристаллы обладают высокой
степенью упорядоченности, их атомы образуют трехмерную про-
странственную решетку. Опыты показывают, что если пучок бы-
стрых электронов проходит через тонкий слой монокристалла, то
на фотопластине, расположенной за ним, после проявления обна-
руживают типичную дифракционную картину. Учащимся показы-
ваю! электронограммы, полученные по методу Лауэ. Подчерки-
298
вают, что дифракция электронов - яркое доказательство их вол-
новых свойств. Затем рассказывают о том. что дифракцию элек-
тронов впервые наблюдали в 1927 г. К. Дэвиссон и Л.Джермер.
Позже наблюдали дифракцию протонов, нейтронов, атомов и мо-
лекул. Таким образом, волновые свойства частиц - ныне твердо
установленный факт.
Далее сообщают, что по полученной дифракционной картине,
зная межатомное расстояние в кристалле, определяют длину вол-
ны. соответствующую определенно!! микрочастице (подобно тому
как определяется длина световой волны с помощью дифракцион-
ной решетки). Расчеты показали, что длина волны зависит от им-
пульса частицы p-nw и связана с ним соотношением
ранее установленным для фотона. Следует указать, что открытие
волновых свойств у частиц, обладающих массой покоя, сняло ис-
ключительность фотона. Fro стали рассматривать как одну из
элементарных частиц, обладающую как специфическими свойст-
вами (отсутствием массы покоя и заряда), так и многими общими
для них свойствами.
Итак, при движении свободной частицы со скоростью v в том
же направлении и с тон же (групповой) скоростью распространя-
ется волна. У чащимся сообщают, чю эти волны называют волна-
ми де Бройля по имени французского физика, предсказавшего их
существование Естественно возникает вопрос: имеют ли макро-
тела во (новые свойства? Отрицательный огвег объясняют тем,
что для макротел волна де Бройля настолько мала, что ее невоз-
можно обнаружить. Для убедительности предлагают задание:
рассчитать длину волны де Бройля для пылинки массой 1 г. дви-
жущейся со скоростью 1 см/с.
Решение выполняем с помощью формулы Х = -^-. Подставив
inv
числовые данные, получим Х = 6.62 10-2мм .
Очевидно, что если даже для пылинки, имеющей небольшую
скорость, волна де Бройля столь мала, что ее невозможно обна-
ружить. го гем меньше она будет для других макротел. Интере-
сующимся учащимся можно предложить следующие задачи:
1. Определить длину волны де Бройля для футбольного мяча
массой 400 г. движуще! ося после удара со скоростью 40 м/с.
2. Оцени 1Ь волну де Бройля для спортсмена, бегущего на корот-
кую дистанцию.
299
Для закрепления материала предлагают, например, такие за-
дачи:
1.	Определить длину волны де Бройля для электрона, движу-
щегося со скоростью 100 м/с.
2.	Выразить длину волны де Бройля через кинетическую энер-
гию частицы.
3.	Определить длину волны электрона, энергия которого 1000 эВ.
4.	Определить импульс и энергию: а) рентгеновского фотона:
б) электрона. Длину волны, соответствующую фотону и элек-
трону, считать равной 10 10 м.
Следующая познавательная задача - объяснить физический
смысл волн де Бройля. Чтобы решить ее, необходимо убедить
школьников в том. что движение микрочастиц не подчиняется за-
конам классической физики, дать вероятностную трактовку волнам
де Бройля и представление о роли волн де Бройля в описании по-
ведения микрообъектов.
Для достижения первой цели рассматривают следующий мыс-
ленный эксперимент (который в принципе может быть проведен
реально). Пучок частиц, например электронов, падает на плос-
кость, в которой! есть две щели А и В. За нею расположен экран.
Если одну из щелей, например В, закрыть, то максимум падаю-
щих на экран частиц будет находиться напротив щели А. Если за-
крыть щель А, ю максимум падающих на экран частиц будет на-
против щели В. Что произойдет, если открыть обе щели?
Если бы электроны вели себя согласно законам классической
физики (как шарики малого размера), то на экране наблюдалось
бы простое суммирование ранее полученных картин. Па деле же
электроны ведут себя как волны, поэтому на экране наблюдают
характерную для интерференции картину. Открытие второй щели
приводит к тому, что в некоторых частях экрана число попавших
электронов уменьшается. Волновые свойства частиц, таким обра-
зом. влияют на характер их движения. Движение частиц не может
быть описано законами Ньютона.
Вдумчивый ученик может предположить, что интерференци-
онная картина получается в результате сложения волн, связанных
с различным количеством частиц в пучке. Однако на опыте было
установлено, что характер интерференционной картины не изме-
нится, если на щель пустить очень слабый пучок электронов и
увеличить время наблюдения. В этом случае каждый электрон будет
двигаться независимо от других электронов в пучке, т. с. будет про-
ходить либо через щель .4, либо через щель В, но в результате наб-
людается то же распределение частиц на экране. Интерференция
есть следствие особенностей движения каждой от дельной частицы.
300
Затем результаты эксперимента объясняю! как с волновой,
гак и с корпускулярной точки зрения. С корпускулярной точки
зрения интерференционные максимумы - места, куда попало
наибольшее число электронов, интерференционные минимумы
места, куда электроны не попадают. С волновой точки зрения при
интерференции происходит перераспределение энергии падаю-
щей волны. Интерференционные максимумы - места, где интен-
сивность волны наибольшая. Л так как интенсивное! ь волны
пропорциональна квадрату амплитуды, то квадрат амплитуды
волны де Бройля определяет вероятность попадания электрона в
ту или иную точку пространства. Таким образом, электрон (как
и другие частицы) является дискретной частицей в том смысле,
что он неделим, имеет определенную массу покоя и заряд, кото-
рые во всех опытах неизменны. Но его движение не может быть
описано законами Нью юна. Его описывают законами волновой
(квантовой) механики, которые позволяют определить лишь ве-
роятность нахождения частицы в той или иной точке простран-
ства.
Объяснение физического смысла волн де Бройля приводит к
необходимости ознакомить учащихся хотя бы в самых общих чер-
тах с особенностями квантовой механики, ее успехами и обсудить
место этой теории среди других наук. Важно при этом раскрыть
своеобразие законов, действующих в микромире, их коренное от-
личие о г законов классической физики.
В классической физике одни явления связаны с движением час-
тиц. другие с распространением волн. Квантово-механические
объекты (микрочас 1ицы) обладают дуализмом свойств: в одних
явлениях (фотоэффект, эффект Комптона) они ведут себя как час-
тицы, а в других (интерференция, дифракция) - как волны. В клас-
сической физике величины, описывающие процессы, изменяются
непрерывно. Квантовая механика вскрыла, что заряд, энергия мик-
рочастиц (и некоторые другие их характеристики) могут принимать
лишь ряд дискретных значений. В классической механике на-
чальное состояние тела задают указанием его координат и им-
пульса. а законы Ньютона позволяют точно предсказать место-
положение и импульс частицы в любой наперед заданный момент
времени. В квантовой механике состояние микрочастицы описыва-
ется с помощью волны вероят ности, а се законы позволяют оп-
ределять не точное местоположение частицы в пространстве, а
лишь вероятность нахождения ее в определенной области про-
странства. Это является следствием волновых свойств микрочас-
тиц. В квантовой механике не имеет смысла понятие «траектория
частицы».
301
Вместе с тем важно подчеркнуть, что такие фундаментальные
законы, как законы сохранения энергии, импульса, заряда, спра-
ведливы и в квантовой физике.
Ознакомление учащихся с успехами квантовой теории начина-
ют с объяснения постулатов Бора. Квантовая механика подтвер-
дила существование в атоме дискретных состояний, каждое из ко-
горых характеризуется определенным значением энергии (первый
постулат Бора). Хотя квантовая теория установила, что движение
электрона в атоме не подчиняется законам классической механи-
ки, понятия «траектория», «орбита» к движению электрона не
применимы, она подтвердила, чго максимумы вероятности нахо-
ждения электрона внутри атома приходятся как раз на Боровские
орбиты. Таким образом. Боровскую модель атома нельзя рас-
сматривать как абсолютно неверную. Она грубая модель атома.
Затем рассказывают о том. чго квантовая механика не только
подтвердила правильность боровской модели, но и описала строе-
ние всех атомов, объяснила периодическую систему Менделеева,
природу химической связи атомов, оптические спектры атомов и
молекул. На основе более полного описания строения твердых тел
квантовая механика объясняет многие их свойства (электропрово-
димость. теплоемкость и др.), причем ее выводы лучше согласуются
с результатами эксперимента, нежели объяснения, даваемые клас-
сической физикой. Квантовая физика объясняет ряд таких свойств,
которые классическая физика объяснить нс в состоянии (ферромаг-
нетизм, сверхпроводимость, сверхтекучесть гелия и г. и.).
Далее останавливаю! внимание на принципе соответствия фи-
зических теорий. Принцип соответствия, сформулированный Бо-
ром. гласит, что между любой физической теорией, которая явля-
ется обобщением и развитием классической, и первоначальной
физической теорией существует связь: в определенных предель-
ных случаях новая теория должна переходи гь в старую.
С принципом соответствия учащиеся уже встречались при изу-
чении элементов специальной теории относительности. Соответ-
С1вие между квантовой механикой и механикой Ньютона лучше
всего может быть раскрыто при рассмотрении принципа неопре-
деленности Гейзенберга, но его в средней школе не изучают. По-
этому разъяснять принцип соответствия приходится, опираясь на
те скудные знания, которые учащиеся получили. Сделать это
можно примерно так.
Квантовомеханическое описание явлений переходит в классиче-
ское. если можно пренебречь квантом действия1 Л = 6.62-10 54 Дж-с
1 Постоянную Планка Л uiioi да на <ыааю1 киан 1 ом действия
302
по сравнению с величинами, характеризующими изучаемое явле-
ние и имеющими то же наименование. Например, подсчитаем
произведение энергии на период (ЕТ имеет наименование дейст-
вия) для конического маятника массой 20 г. движущегося со скоро-
стью 1 м/с по окружности радиусом 0,5 м:
2пг _ 2тс • 05 м
V	1 м
с
= 3,14 с.
nw2
= 0,01 Дж,
ЕТ= 0,01 Дж • 3,14 с = 3,14-10-7 Дж-с.
Эта величина огромна по сравнению с постоянной Планка /?,
изменение ее на квант действия не может быть никак обнаружено.
Поэтому движение конического маятника описывают классиче-
скими законами.
Критерий применимости классических законов можно сформу-
лировать и так: квантовомеханическое описание явлений сменяется
классическим в тех случаях, когда длина волны де Бройля для рас-
сматриваемого объекта много меньше характерных размеров в
этой задаче (и волновыми свойствами объекта можно пренебречь).
При решении задач на соотношение Х = — школьники уже могли
nw
убедиться, что для макротел длина волны де Бройля очень мала.
В конце изучения этих вопросов совместно с учителем химии
целесообразно провести внеурочную конференцию, посвященную
квантовой физике. План ее может быть таким:
1.	История становления квантовой механики.
2.	Квантовомсханическое описание строения атомов и приро-
ды химических связей.
3.	Периодическая система Д.И. Менделеева.
4.	Квантовая теория проводимости проводников и полупро-
водников.
5.	Лазеры.
4.4. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ АТОМНОГО ЯДРА
4.4.1. Состав ядра атома
Изучение данного вопроса целесообразно начать с ознакомле-
ния учащихся с составом и свойствами ядра атома. Эго позволит
изучаемые явления (радиоактивность, ядерные реакции и т. д.) не
только описать, но и объяснить.
303
В начале изложения нового материала напоминаю г школьни-
кам о явлении радиоактивности (свидетельствующем о сложном
строении ядра и нарушившем представление о неизменности ато-
мов) и об открытии в 1910 г. английским ученым Ф. Содди изото-
пов, наведшем на мысль, что ядро построено из частиц, относи-
тельная атомная масса которых равна единице, т. е. из протонов.
При этом учитель должен учесть, что с понятиями «изотопы»,
«относительная атомная масса» учащиеся знакомы из курса хи-
мии, а также из базового курса физики. В ходе рассказа вводят
понятие «массовое число» и напоминают принцип устройства
масс-спектрографа, с которым они уже знакомились. Можно упо-
мянуть, что p -радиоактивность наталкивала на мысль, что в со-
став ядра входят электроны. Однако эта модель оказалась несо-
стоятельной.
Далее сообщают, что в 1932 г. английский физик Д. Чедвик от-
крыл новую элементарную частицу - нейтрон, незначительно от-
личающуюся от протона по массе и не имеющую заряда, что по-
зволило российскому физику Д.Д. Иваненко и независимо от него
В. Гейзенбергу предложить прогонно-нейтронную модель ядра,
общепринятую сегодня. Итак, с современной точки зрения ядро
атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре
того или иного атома определяется порядковым номером Z эле-
мента в периодической системе Менделеева, а число нейтронов
равно разности между массовым числом А и числом протонов Z.
Знакомя с протонно-нси ройной моделью ядра, необходимо
конкретизировать ее отдельными примерами и ознакомить с ус-
ловным обозначением ядер в виде /Л'. Например, в ядре гелия Не
(порядковый номер 2, массовое число 4) содержится два протона
и 2 = 4-2 нейтрона. Условно ядро обозначают: i Не и т. д.
Для закрепления этого материала школьникам предлагают,
используя таблицу Менделеева, самостоятельно заполнить табли-
цу (табл. 7). Учащимся дастся верхняя часть таблицы и первый ее
столбик, а все остальное предлагается заполнить самостоятельно.
Полученные результаты они должны сравнить с таблицей. Эта
таблица облегчает решение задач на расчет энергии связи, удель-
ной энергии связи.
Целесообразно именно в этом месте курса физики более под-
робно познакомить учащихся со свойствами прогонов и нейтро-
нов - структурных элементов ядра атома. К тому, что они знают
(для протона тр = 1.007276 а.е.м.. е = 1,6-10 19 Кл; для нейтрона
гн„ = 1.008665 а.е. м., е = 0). следует добавить, что протон частица
стабильная, а нейтрон - квазистабильная (среднее время жизни
304
Таблица 7
Элемент или частица	Сим- вол	Заряд	Число прото- нов	Относи- тельная атомная масса	Массо- вое число	Число нейтро- нов	Услов- ная за- пись
Протон	Р	1	1	1,007276	1	0	
Нейтрон	п	0	0	1,008665	1	1	о"
Гелий	Нс	2	2	4.00260	4	2	2 Не
Азо1	N	7	7	14,0067	14	7	,47n
Кислород	G	8	8	15,9994	16	8	**О
11а грин	Na	I 1	11	22,98977	23	12	”Na
Железо	Ге	26	26	55.847	56	30	56 г- 26 Ге
Криптон	Кт	36	36	83,80	84	48	S4 Lr збКг
Уран	и	92	92	238.0029	238	146	
свободного нейтрона порядка 15 мин). Неустойчивость нейтрона
объясняют его большой по сравнению с протоном массой, из чего
следует ожидать, что нейтрон будел распадаться на протон и
электрон. Школьникам говорят, что действительно этот процесс
происходит, но он сопровождается вылетом еще одной частицы,
имеющей массу покоя, равную нулю, и названной антинейтрино,
о свойствах которой более подробно они узнают при изучении
элементарных частиц.
Познакомив учащихся с процессом распада нейтрона
п—>р+е + vt..
необходимо рассказать о том, что. хотя свободный протон - час-
тица устойчивая, внутри ядра (заимствуя энергию у окружающих
частиц) прогон может распадаться на нейтрон и две другие части-
цы - позитрон и нейтрино:
р—» п+е' + v .
Рассматривая более подробно свойства протона и нейтрона,
вводят современное представление о существовании лишь одной
ядерной частицы - нуклона, находящегося в разных зарядовых
состояниях: нейтральном (нейтрон) и заряженном (протон), что
дает возможность объяснить механизм p-распада, не откладывая
это на конец курса.
305
Еще изучая опыт Резерфорда по рассеянию а-частиц, учащиеся
познакомились с такими характеристиками ядра, как заряд и
размеры.
В этом месте курса физики представляется интересным позна-
комить школьников с плотностью ядерного вещества. Сделать это
нетрудно. Предположим, что ядро состоит из частиц примерно
одинакового размера, находящихся на равных расстояниях друг
от друга, гак что на каждую частицу приходится один и гот же
эффективный объем. При этих условиях объем ядра должен зави-
сеть от числа нуклонов Л:
4-41
откуда
где 7?0 - эффективный радиус одного нуклона. Как показывает
эксперимент, 7?0 = 1,4-10 15 - 1,5 10 15 м.
Если предположить, что ядро - шарик одинаковой плотности,
то можно вычислить плотность ядерного вещества
/ия
р=т
' я
1.66 I0-27 кг
4-3,14-f 1.4-10—15
3 I
—=1л-ю17—r=i^ioM
м!	м
т
4 1
3
т. е. плотность ядерного вещества имеет колоссальное значение.
Полезно обратить внимание школьников, что плотность ядер-
ного вещества всех ядер одинакова.
4.4.2. Энергия связи атомных ядер. Ядерные силы
Большое внимание следует уделять понятиям энергии связи яд-
ра и удельной энергии связи, ибо это очень важно для обьяснения
энергетического выхода ядерных реакций. Чтобы учащиеся поня-
ли лучше вопрос об энергии связи, необходимо напомнить им о
потенциальной энергии взаимодействия (Земли и поднятого тела,
электрона и ядра) и рассказать о том. что любые устойчивые сис-
темы частиц обладают энергией связи (например, молекула). Од-
нако лишь в ядрах энергия связи достигает больших значений.
Энергия связи ядра, ио определению, равна энергии, которую
нужно затратить для расщепления ядра на составляющие его ну-
клоны без сообщения им кинетической энергии. Эта же энергия
(по закону сохранения энергии) выделяется при образовании ядер.
306
Внимание учащихся обращают на то, что масса покоя ядра
меньше суммы масс покоя составляющих его нуклонов, т.е. энер-
гия связи частиц в ядре - величина отрицательная. Однако часто
ограничиваются модулем этой величины и подсчитывают ее по
формуле:
Е-[Zmp + (А - Z)m„ - тя]с2.
В ходе объяснения материала целесообразно предложить уча-
щимся самостоятельно рассчитать энергию связи для разных эле-
ментов. Для облегчения расчетов надо прежде показать, что дефек-
ту массы в I а.е. м. соответствует энергия -931 МэВ = 9.31 • 108 эВ.
Тогда расчет энергии связи ядра производят довольно просто.
Например, для ядра гелия Ет = (2тр + 2ш„) тя = (2-1,007276 +
+ 2-1.008665) а.е.м.-4,002600 а.е.м. = 0.029282 а.е.м.
Этому дефекту масс соответствует энер! ня связи
£=931-0.029282 МэВ = 27 МэВ.
Па следующем уроке цслесоооразно предложить учащимся рас-
считать удельную энергию связи некоторых элементов и убедиться,
что в среднем она равна 8 МэВ/нуклон. Для урана удельная энер-
гия связи имеет меньшее значение (примерно 7,6 МэВ/пуклои).
Ядра атомов элементов, находящихся в середине периодической
системы Менделеева (например, криптона), наиболее прочны. Их
энергия связи близка к 8,7 МэВ/нуклоп.
Этот расчел (особенно при наличии микрокалькуляторов и ком-
пьютеров) не занимает много времени, если энергия связи этих
элементов была подсчитана на предыдущем уроке, но он способ-
ствует уяснению графика зависимости удельной энергии свяли от
массового числа (рис. 113) и поле-
зен при объяснении устойчивости
элементов, находящихся в середи-
не периодической системы.
При изучении ядра атома не-
обходимо ознакомить учащихся с
ядерными силами. Дтя облегчения
усвоения материала целесообраз-
но сравнивать ядерные силы с уже
известными электромагнитными и
гравитационными силами. Жела-
тельно. называя го или иное свой-
ство сил. указывать, из каких
опытных фактов оно вытекает
307
Приведем план раскрытия этого материала.
1.	Ядро атома, как известно, состоит из протонов и нейтронов.
Число протонов в ядре (заряд ядра) равно порядковому номеру
элемента в периодической системе Менделеева, и, например, для
урана заряд ядра равен 92 г. Так как размер ядра очень мал, а ку-
1
лоновская сила возрастает пропорционально —, то электроста-
г
гическая сила отталкивания между протонами в ядре достаточна
велика. Между тем ядра атомов - устойчивые образования. Это и
заставляет предположить, что между нуклонами в ядре действую!
еще другие, ядерные силы притяжения, которые превосходят силу
кулоновского отталкивания, действующую между протонами.
Ядерные силы на 2 3 порядка интенсивнее сил электростатиче-
ского отталкивания протонов.
2.	Ядерные силы зарядонезависнмыс. т. с. сила взаимодействия
про юна с не ироном, нейтрона с ней троном, протона с протоном
примерно одинакова.
3.	Ядерные силы обладают свойством насыщения, г. с. каждый
нуклон взаимодействует лишь с ограниченным числом ближай-
ших к нему нуклонов.
4.	Ядерные силы короткодействующие. Они действуют лишь на
расстояниях, сравнимых с размерами ядра. Их радиус действия
имеет порядок 10 15 м. При удалении протона из ядра (как только
расстояние между ними становится более 4,2-10 15 м) ядерные силы
перестают действовать, протон и ядро взаимодействуют между со-
бой лишь с силой электростатического отталкивания.
При изучении свойств ядра полезно ознакомить учащихся с
капельной моделью ядра. Необходимые для этого знания (коротко-
действие ядерпых и молекулярных сил, свойственное обеим этим
силам насыщение, плотность вещества одинакова для всех ядер)
школьники получили. В дальнейшем капельную модель ядра мож-
но использовать для объяснения деления ядер (на качественном
уровне).
4.4.3. Получение и использование радиоактивных
изотопов. Ядерный реактор
Основным средством получения радиоактивных изотопов яв-
ляются ядерные реакции. Ядерными реакциями называют пре-
вращения атомных ядер, вызванные взаимодействием их друг с
другом или с элементарными частицами. Ядерные реакции проте-
кают обычно в два этапа. На первом этапе частица-снаряд прони-
308
кает в ядро-мишень, в результате чего образуется составное ядро,
находящееся в возбужденном состоянии. На втором этапе проме-
жуточное ядро переходит в менее возбужденное состояние и ис-
пускает при этом некоторую другую частицу. Продукты ядерных
реакций часто радиоактивны.
Использованию радиоактивных изотопов посвящают обычно
один урок. Его лучше провести в виде конференции, к которой
отдельные школьники по заданию учителя готовят небольшие
сообщения.
План этой конференции может быть различным для сельских и
городских школ.
В сельской школе целесообразно прослушать доклады на сле-
дующие гемы:
I)	Предпосевная радиоактивная обработка семян и ее влияние
на у рожай ноет ь.
2)	Радиоактивная обработке! овощей как средство удлинения
сроков их хранения.
3)	Использование у-облучения в селекционной работе.
4)	Использование радиоактивных препаратов для борьбы с
вредными насекомыми и болезнями растений.
В городских школах можно предложить следующие темы док-
ладов.
1)	Использование радиоактивных препаратов в качестве инди-
каторов протекания технологических процессов (метод «меченых
атомов»).
2)	I амма-дефектоскопия.
3)	Радиоактивные измерительные приборы (уровнемеры, плот-
номеры, толщиномеры и т. д.).
4)	Радиационно-химическая обработка материалов с целью при-
дания нм заданных свойств и создания новых материалов (древес-
ной пластмассы, прочных защитных покрытий, изоляционных пле-
нок и г. д.).
Докладчиков консультируют и рекомендуют им литературу.
Можно использовать публикации из раздела «Новости науки и
техники» журнала «Физика в школе». Каждый из докладчиков
должен проиллюстрировать свое сообщение хотя бы одним под-
робно рассмотренным примером (с использованием поясняющего
рисунка, схемы и т. д.). В качестве иллюстративного материала
можно использовать отдельные кадры диафильма «Этот мирный
добрый атом» и видеофрагмент «Применение радиоактивных
изотопов». Полезно использовать и компьютерные программы.
В подготовке конференции принимают участие все учащиеся
класса. Поэтому целесообразно дать общее задание классу: о ка-
309
ких новых применениях радиоактивных препаратов вы читали в
последнее время в периодической печати? Как радиоактивные
препараты используют в медицине?
Результат проведения этой конференции убеждение учащихся
в широком использовании радиоактивных изотопов, понимании
перспективности этих методов и принципов действия радиоак-
тивных приборов и сущности технологических процессов, веду-
щихся с использованием радиоактивных материалов.
Для понимания физических основ ядерной энергетики учащие-
ся должны усвои ть, что:
1)	реакция деления тяжелых ядер энергетически выгодна, так как
удельная энергия связи для них примерно на 1 МэВ/нуклон меньше
удельной энергии связи элементов, находящихся в середине перио-
дической системы. Поэтому наблюдается самопроизвольное (спон-
танное) деление ядер урана, но вероятность его мала:
2)	при попадании в ядро урана п еплового нейтрона процесс де-
ления становится более вероятным:
3)	механизм деления ядра может быть попят на основе капель-
ной модели ядра;
4)	при делении ядер урана выделяется колоссальная энергия:
I МэВ на каждый нуклон или ~ 200 МэВ на каждый атом урана, а
при полном делении ядер I i урана 2,3-104 кВт ч (8,3-1010 Дж):
5)	при делении ядер урана, кроме ядер-осколков, образуются
два-три нейтрона: это приводит к тому, что реакция становится
цепной:
6)	увеличение массы урана (или другого ядерного горючего) до
размеров критической массы приводит к взрыву:
7)	труднее осуществить управляемую цепную реакцию. Для
этого требуется замедлить нейтроны, появляющиеся в процессе
реакции; обеспечить защиту обслуживающего персонала от мощ-
ного излучения, источником которого является урановая среда;
разработать систему охлаждения, научиться управлять ходом реак-
ции и решить ряд других важных проблем.
Устройство. в котором поддерживается управляемая цепная ре-
акция. называют ядерным или атомным реактором. Схему устрой-
ства двухконгурного ядерного реактора учащиеся должны знать.
Ядерный реактор - составная часть атомных электростанций.
При объяснении устройства и работы атомных электростанций
используют настенную таблицу «Атомная электростанция». При
рассказе подчеркивают, что АЭС обладают следующими преиму-
ществами: они «сжигают» мало горючего и имеют большую мощ-
ность (до 1 -2 МВт на одни реактор). КПД их. как и любых тепло-
вых станций, сравнительно невысок (не превышает 40%).
310
В заключение рассказывают учащимся о перспективах ядерной
энергетики, о мощности построенных и строящихся ЛЭС, о реак-
торах на быстрых нейтронах, о термоядерных реакторах, о после-
довательной борьбе Российского правительства за запрещение
ядерного оружия, а также об экологических проблемах, связанных
с использованием атомной энергии.
Проблеме ядерной энергетики и ее использования, истории ос-
воения хорошо посвятить учебную или внеурочную конференцию.
4.4.4.	Элементарные частицы
В процессе изучения курса фишки, особенно последнего его
раздела, учащихся знакомили со многими элементарными части-
цами: фотоном, электроном, протоном, нейтроном, нейтрино и др.
Па данном этапе обучения задача состоит прежде всего в том,
чтобы повторить и обобщить сведения о свойствах уже изученных
элементарных частиц. Обобщение можно провести по трем их свой-
ствам: массе, электрическому заряду и среднему времени жизни, так
как другие характеристики элементарных частиц (спин, магнитный
момент) в средней школе не изучают.
При обобщении выделяют три вида частиц.
К первому виду относят фотон - стабильную частицу, нс имею-
щую нтт массы покоя, ни электрического заряда. Фотон - квант
электромагнитного взаимодействия. Второй вид составляют легкие
частицы - электрон и нейтрино (для электрона указывают значе-
ние массы тт заряда; масса нейтрино, по последним научным дан-
ным, отлична от нуля, но численное ее значение точно не уста-
новлено). а третий вид - тяжелые частицы: протон и нейтрон. Все
эти частицы стабильны (или квазистабильны). как нейтрон, время
жизни которого составляет (898 ± 16) с - огромное для области
микромира значение. Они являются тем «материалом», из которого
построены атомы вещества, либо осуществляют взаимодействие
между заряженными частицами (фотон).
Кроме них известно большое число (около 400) других элемен-
тарных частиц. Их получают в научных лабораториях с помощью
очень мощных ускорителей (мощность электронных ускорителей
достигает 35 ГэВ, протонных - 500 ГэВ). Учащимся напоминают
принцип устройства ускорителя и объясняют, что при соударени-
ях мощных потоков частиц с ядрами «мишени» (или встречных
потоков частиц) получают вторичные пучки, которые могут со-
держать ранее неизвестные атомные ядра и элементарные части-
цы. Некоторые элементарные частицы обнаружены во в торичном
кос м и ческо м и зл v ч ей и и.
311
Из числа открытых в научных лабораториях частиц интерес
для учащихся представляют прежде всего античастицы. Античас-
тицы обладают той же массой, что и соответствующие им частицы,
равным, но противоположным по знаку зарядом. Первой откры-
той античастицей был позитрон - двойник электрона, имеющий
то же значение массы, но положительный заряд. Ныне получены в
лабораторных условиях антипротон, антинейтрон, а также атомы
легких элементов, состоящие из антипротонов, антинейтронов и
позитронов (антиводород и др.). Единственная частица, не имею-
щая своего двойника. - фотон. Все античастицы в пустоте ста-
бильны. Однако взаимодействие античастиц с частицами приводит
к их взаимному уничтожению и рождению других частиц. Напри-
мер, взаимодействие электрона и позитрона приводит к рождению
двух (иногда трех) у-квантов:
е+ + е = 2у.
Соответственно взаимно уничтожаются протон и антипротон,
нейтрон и антинейтрон, рождая при этом другие частицы. Наша
Вселенная состоит из элементарных частиц, античастиц в ней мало.
Все остальные элементарные частицы (а их большинство)
крайне нестабильны. Рождаясь в научных лабораториях, они бы-
стро распадаются на стабильные частицы. Среднее время жизни
наиболее нестабильных частиц порядка 10 24 с.
Целесообразно ознакомить учащихся с классификацией эле-
ментарных частиц. Их делят на три группы. Одни из них, как ну-
клоны, способны к сильным взаимодействиям. Это пионы, каоны,
мезоны, гипероны1. Вместе с нуклонами они образую! группу ад-
ронов. Вторую группу составляют частицы, не участвующие в
сильном взаимодействии; их шесть: электрон и электронное ней-
трино, мюон и мюонное нейтрино, таон и таонное нейтрино. Тре-
тья группа частиц переносчики взаимодействия. Согласно со-
временным научным представлениям, подобно гому как электро-
магнитное взаимодействие осуществляется посредством обмена
фотонами, сильное взаимодействие осуществляется посредством
обмена глюонами, гравитационное с помощью гравитонов, а
слабое взаимодействие с помощью промежуточных бозонов. Су-
ществование глюонов н гравитонов предсказывают теоретически,
экспериментально они еще не обнаружены.
1 Достаточно ограничиться этим перечислен нем и не указывать, что мезоны и ги-
пероны бывают разных видов (п'-мезон. л: -мезон. /f-мезон и |.д.). Нецелесообразно
описывать их свойства, так как по потребует введения многих новых понятий (сини,
барионный заряд, странность, очарование н г д.).
312
Учащимся можно также рассказать о том, что по данным со-
временной науки истинно элементарными являются электрон и
частицы его группы. Адроны (частицы первой группы) состоят из
более мелких элементарных частиц - кварков. Кварки имеют дроб-
ный заряд, кратный j элементарного заряда е. Имеются шесть
видов кварков. Существование кварков ныне также предсказыва-
ет теория, но экспериментально они не обнаружены.
Одно из существенных свойств элементарных частиц - их способ-
ность к взаимным превращениям. Об этом свойстве элементарных
частиц упоминалось неоднократно. В качестве конкретных приме-
ров превращений частиц достаточно рассмотреть реакции распада
протона и нейтрона, реакцию аннигиляции электрона и позитрона.
4.5. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА
ПРОВЕДЕНИЯ ОБОБЩАЮЩИХ ЗАНЯТИЙ ПО ФИЗИКЕ'
4.5.1.	Значение обобщения знаний учащихся
В настоящее время все большее внимание в учебном процессе
уделяют обобщению знаний учащихся. Это связано с необходимо-
стью повышения качества знаний и развития мышления школьни-
ков. Обобщение знаний в учебном процессе решает две задачи:
способствует более глубокому и осознанному усвоению знаний и
формированию определенных приемов мышления.
В процессе обобщения знаний учебный материал предстает пе-
ред учащимися в систематизированном виде, чему способствует
установление связи между изученными понятиями, законами и
теориями, определение границ их применимости, четкое выделе-
ние особенностей тех или иных явлений, их сходство с другими и
отличия от них.
В ходе обобщения знаний развиваются мышление и познава-
тельные способности школьников, выполняются такие мысли-
тельные операции, как анализ, синтез, абстрагирование, конкре-
тизация и т. п. Это открывает большие возможности для форми-
рования научного мировоззрения учащихся, поскольку позволяет
завершить формирование у них представлений о современной фи-
зической картине мира (на уровне содержания школьного курса
1 Этот материал непосредственно к разделу «Квантовая физика» не о i носится. а имеет
отношение ко всему курсу физики общее разователыюй школы России. Но мы не выде-
ляем его в отдельный раздел, так как он значительно меньше ipyi их.
физики), показать в ней место каждой изученной теории, система-
тизировать знания о теории познания и о роли практики в позна-
нии. На обобщающих занятиях перед учениками можно раскрыть
процесс развития и становления научных знаний и ознакомить с
методами научного познания. В связи с рассмотрением вопросов
истории физики школьников знакомят с грудами и биографией
отечественных и зарубежных ученых, тем самым осуществляя их
нравственное воспитание.
Обобщение знаний учащихся проводят как систематически, в
ходе изучения материала, так и на специальных занятиях (в конце
изучения темы, раздела или курса физики в целом). В данном
пункте внимание уделяется второму виду обобщения знаний.
Можно выделить два направления обобщения знаний: систе-
матизация фундаментальных знаний; систематизация прикладных
знаний.
Обобщение фундаментальных знаний можно осуществлять на
разных уровнях (на уровнях фактов, понятий, законов или теорий)
и на основе различных стержневых идей. Например, проводят сис-
тематизацию знаний в соответствии с циклом теоретического по-
знания, или со структурой физической теории, или с основными
элементами физической картины мира (материя, ее структурные
уровни, представления о пространстве и времени, о взаимодейст-
вии и т. д.). Уровень обобщения знаний зависит от того, на каком
этапе изучения курса его проводят. Так. в конце изучения темы
знания обобщают на уровне понятий и законов, в конце изучения
раздела - на уровне теорий. Например, после изучения основного
уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа и
уравнения состояния обобщают знания о газовых законах, а после
изучения раздела «Молекулярная физика» - знания о молекуляр-
но-кинетической теории. В конце изучения курса физики знания
обобщаются на уровне физической картины мира. Обобщение
прикладных знаний осуществляют, как правило, на основе их сис-
тематизации вокруг главных направлений научно-технического
прогресса: механизации, электрификации, энергетики.
Программой общеобразовательной средней школы предусмот-
рено специальное время на проведение обобщающих занятий.
Обобщающие занятия можно проводить в разных формах.
Раньше их проводили преимущественно в форме лекции. Однако,
поскольку познавательная активность учащихся в этом случае не-
достаточно высока, более предпочтительными формами их про-
ведения являются семинары или конференции. Эти формы i ред-
полагают большую самостоятельность учащихся, которые рабо-
тают с литературой, готовят доклады или рефераты, выступают с
314
докладами или с сообщениями, участвуют в обсуждении тех или
иных вопросов, вынесенных на семинар.
Большое значение в решении задачи обобщения знаний школь-
ников имеет проведение гак называемых комплексных семинаров
или семинаров меж тредметного характера. Такие семинары по-
зволяют обобщить и систематизировать знания, полученные уча-
щимися при изучении разных учебных дисциплин, глубже осмыс-
ли гь связи между раз шчными явлениями, объяснить свойства тел
и сущность явлений на основе использования знаний по различным
предметам. Примером такого семинара может служить семинар на
гему «Виды материи и формы ее движения» или «Современная на-
учная картина мира». На последнем обобщаются представления о
физической, химической, биологической картинах мира и форми-
руется более общее представление «научная картина мира».
4.5.2.	Обобщающие занятия в старших классах
Цель обобщающею занятия, проводимого после изучения раз-
дела «Механика» - ознакомить учащихся с одним из главных на-
правлении научно-технического прогресса - механизацией произ-
водства. показать роль физики в развитии механизации, задачи и
перспективы развития машиностроения.
В настоящее время перед машиностроением стоят следующие
задачи: максимально заменить ручной груд машинным: создавать
машины и оборудование повышенной мощности, надежности и
долговечности; создавать машины и механизмы с уменьшенным
удельным потреблением топлива и с уменьшенной удельной мате-
риалоемкостью; перейти от производства отдельных машин и ме-
ханизмов к созданию комплексов и систем машин и оборудова-
ния; выпускать станки и комплексы машин с высокой степенью
автоматизации на основе микропроцессорной техники.
Па данном занятии нет необходимости знакомить старшекласс-
ников с устройством конкр< тных машин, а следует повторить
лишь физические принципы их работы, рассмотреть применение
машин и механизмов в различных отраслях народного хозяйства.
Занятие может быть проведено по следующему плану:
1.	Общие сведения о машинах: основные части машины, физи-
ческие основы работы двигателя и передаточного механизма, дви-
жение рабочих частей машины.
2.	Основные области применения машин и механизмов: про-
мышленное производство, транспорт, сельское хозяйство, строи-
тельство.
3.	Перспективы развития механизации производства.
315
Систематизацию знаний учащихся об основных частях машин
и областях их применения проводят с использованием блок-схем.
Целесообразно рассмотреть конкретные примеры современных
машин и механизмов, обеспечивающих механизацию трудоемких
и тяжелых работ.
Далее обсуждают вопрос о перспективах механизации произ-
водства. Дальнейшая механизация промышленного производства
предусматривает увеличение выпуска новых видов эффективного
кузнечно-прессовою. металлорежущего, литейного и деревообра-
батывающего оборудования, повышение его производительности,
изготовление металлорежущих станков с числовым программ
ным управлением, станков типа «обрабатывающий центр» и т. д.
В сельском хозяйстве предусматривается осуществить широ-
комасштабную техническую перестройку производства.
В строительстве будет решаться задача резкого сокращения
применения ручного тр^да и комплексной механизации С1рои-
тельных процессов.
Перестройка, распад СССР и образование СНГ внесли сущест-
венные изменения в эти планы и перспективы. Возникли экономи-
ческие трудности, с которыми нельзя не считаться.
Обобщающее занятие по теме «Основные законы электроди-
намики и их технические применения» проводят в конце изучения
всего раздела «Электродинамика».
Возможно проведение обобщающих занятий по одной из сле-
дующих частных тем: «Электропроводность различных сред и
применение проводящих материалов», «Физика и вычислительная
техника», «Получение и применение материалов с заданными
электрическими и магнитными свойствами» и др.
Цель занятия по первой геме - обобщить и систематизировать
знания учащихся об электропроводности различных сред, а также
о практическом применении законов проводимости в технических
устройствах и технологических процессах.
В основе систематизации материала лежит сравнение природы
носителей зарядов в металлах, растворах электролитов, газах и
полупроводниках, характера зависимости сопротивления различ-
ных сред от температуры, силы тока от напряжения. Занятие пла-
нируют в соответствии с циклом георетическою познания (явле-
ния модели, принципы - законы - следствия - эксперимент и
иракти ч ес к и е п р и м е н е н и я):
1)	опытные факты, раскрывающие природу носителей зарядов
в различных средах:
2)	модель проводимости различных сред;
3)	вольт-амперные характеристики:
316
4)	зависимость сопротивления различных сред от температуры;
5) практическое применение различных проводящих материалов.
Основным методом проведения обобщающего урока является
беседа. Важное место на уроке занимает демонстрационный экспе-
римент. Однако целесообразно уделить больше внимания вопросам
прикладного характера, поскольку все опыты должны были пока-
зываться в ходе изучения соответствующих вопросов курса. На
обобщающем занятии полезно рассмотреть известные учащимся
приборы и технологические процессы, а также некоторые послед-
ние достижения электронною приборостроения и применения
электрических разрядов в новых технологических процессах. В ча-
стности, интерес представляют сообщения об аномальной зави-
симости сопротивления тонких металлических пленок от темпера-
туры при низких температурах, о методе дугового оксидирования,
о сварке электронным лучом, о получении изделии сложной кон-
фигурации гальванопластическим методом и т.п. Результаты ра-
боты на данном уроке целесообразно представить в виде обоб-
щающей таблицы [40].
Цель занятия по теме «Физика и вычислительная техника»
ознакомить старшеклассников с одним из направлений научно-тех-
нического прогресса - внедрением электронно-вычислительных ма-
шин в народное хозяйство, обобщить их знания о физических прин-
ципах работы электронно-вычислительных устройств, ознакомить с
перспективами разви тия электронно-вычислительной техники.
Это занятие носит межпредметный! характер, и его может про-
водить учитель физики совместно с учителем математики. Занятие
целесообразно построить по следующему плану:
1)	ис тория разви тия ЭВТ;
2)	классификация ЭВМ;
3)	структурная схема ЭВМ;
4)	логические элементы ЭВМ,
5)	функциональные узлы ЭВМ;
6)	области применения ЭВМ;
7)	перспективы развития ЭВТ
I оворя о перспективах развития ЭВТ, отмечают, что преду-
оматривается poci объема производства вычислительной техники.
Предполагается высокими темпами наращивать масштабы при-
менения современных высокопроизводительных электронно-
вычислительных машин всех классов, продолжить создание и по-
высить эффективность вычислительных центров коллективного
пользования, интегрированных банков данных, сетей обработки и
передачи информации. Осуществляется массовый выпуск персо-
нальных компьютеров.
317
4.53. Обобщающее занятие по теме «Физика
и научно-технический прогресс»
Цель данного обобщающего занятия показать выпускникам
школы, какую роль играет физика в научно-техническом прогрессе,
взаимосвязь физики и техники, влияние физики на развитие техни-
ки и техники на развитие физики. Систематизацию и обобщение
знании целесообразно проводить на основе главных направлений
научно-технического прогресса, при этом схема обобщения может
быть примерно следующей: основные понятия, законы и теории
направления научно-технического прогресса - отрасли произведет -
ва-физические основы работы конкретных объектов техники [32].
Занятие целесообразно начать с введения, в котором следует
остановиться на таких понятиях, как научно-техническая револю-
ция (ИТР) и научно-технический прогресс (НIП). Учащиеся
должны понимать, что ИТР - это коренное, качественное преоб-
разование производительных сил на основе превращения науки в
ведущий фактор развития общественного производства, непо-
средственную производительную силу. ИГР начиналась с середи-
ны 20-х годов нашею столетия под влиянием крупнейших науч-
ных и технических открытий, возросшего взаимодействия науки с
техникой и производством.
Научно-технический прогресс - единое, взаимообусловленное,
поступательное развитие науки и техники: основа социального
прогресса. 111 И - процесс непрерывный в отличие от ИТР.
Современная научно-техническая революция характеризуется
усилением взаимосвязи физики и техники. Это проявляется прежде
всего в том, что развитие техники все больше опирается на дости-
жения физики, при этом физика опережает технику. Современные
технические устройства и технологические процессы можно создать
лишь на основе разработанной физическом теории. Особенность
взаимосвязи физики п техники заключается в том, чго в настоящее
время происходит влияние физики и техники друг на друга. Напри-
мер, развитие физики, в частности теории космических полетов,
позволило создать космические корабли и осуществить их запуск:
эксперименты, выполненные на них, позволили сделать ряд физи-
ческих открытии. Достижения физики способствовали созданию
ускорителей элементарных частиц, исследования, проведенные па
них, привели к открытию новых элементарных частиц.
Влияние техники на развитие физики проявляется в том. что
физике часто приходится решать задачи, которые ставит перед
ней техника. Например, необходимость создания новых материа-
лов стимулирует исследования в области молекулярной физики.
318
Кроме этого, потребности техники вызывают появление новых
областей и направлений в науке. Так возникли физика полупро-
водников, физика сплавов и т. д. Влияние техники на физику про-
является и в том, что техника обеспечивает науку приборами и
аппаратурой для проведения научных исследований.
Характерная черта современной научно-технической револю-
ции - сокращение сроков между научным открытием и практиче-
ским его использованием. Так, если между открытием явления
электромагнитной индукции М Фарадеем и его практическим
использованием прошло примерно 50 лет, то между открытием
деления ядер урана под действием нейтронов и постройкой пер-
вого ядерного реактора - всего лишь 3 года. Бурное развитие
электронно-вычислительной техники также достаточно хорошо
иллюстрирует быстрое внедрение научных открытий в практику.
После этого введения, которое может сделать учитель в форме
рассказа или беседы с учащимися, рассматривают основные во-
просы занятия: дают характеристику главных направлений науч-
но-технического прогресса, некоторых отраслей производства и
конкретных технических объектов. При этом подчеркивают зна-
чение физики для ускорения научно-технического прогресса.
Целесообразно остановиться на таких направлениях НТП: раз-
витие энергетики, создание новых материалов, автоматизация, раз-
витие радиоэлектроники и вычислительной техники, космонавтика
и исследование космического пространства. По каждому из этих
направлений IIIII целесообразно заслушат ь сообщения учащихся.
В заключительной части занятия учитель знакомит учащихся с
некоторыми физическими проблемами, решение которых будет
иметь важное значение для дальнейшего научно-технического
прогресса, и подводит итоги занятия.
г
4.5.4. Обобщающее занятие по теме
«Физическая картина мира»
Цель этого обобщающего занятия - раскрыть содержание по-
нятия физической картины мира, показать эволюцию физической
картины мира, выделить основные черты современной физиче-
ской картины мира, обобщить знания учащихся о материи, дви-
жении, взаимодействии и показать место каждой из изученных
ими теорий в современной физической картине мира.
Рекомендуем следующий план занятия:
1)	Понятие физической картины мира.
2)	Эволюция физической картины мира.
3)	Основные черты современной физической картины мира.
319
Раскроем кратко содержание каждого из пунктов плана.
[.Понятие физической картины мира. С самых первых шагов
зарождения научных знании люди стремились не только нонян»
научные явления, но и создать целостное представление о мире.
Это стремление основывалось на том, что явления, происходящие
в окружающем мире, связаны между собой. Так, греки сводили
все к первоосновам, из которых состоят окружающие те ia (огонь,
земля, вода, воздух). Такой подход наивен, однако сама идея,
лежащая в его основе, не устарела. Суть ее заключается в том. что
мир един и человек должен построить эту единую картину мира.
В течение веков ученые искали и продолжаю! искать общие законы
природы. К такому научному поиску относится создание единой
теории позя. А. Эйнштейн писал «Человек стремится каким-то
адеквагным способом создать себе простую и ясную картину мира.
‘Этим занимается художник, поэт, философ и естествоиспытатель...
Высшим долгом физиков является поиск тех общих элементарных
элементов, из которых... можно получить картину мира»1.
На каждом этане развития физики необходимо было система-
тизировать знания, объединить их общими идеями и принципами.
Такая систематизация осуществляется в рамках физической кар-
тины мира. «Под физической картиной мира следует понимать
систему фундаментальных идеи, понятии и законов физики; к ней
относятся, представления о свойствах пространства и времени,
понятия об объектах изучения физической науки и исходных со-
ставных частях материи, универсальные физические законы, пред-
ставления об иерархии закономерностей по масштабам явлений,
исходные идеи и уравнения физических теорий и соотношений
между теориями» [29. с. 7]. Таким образом, физическая картина
мира представляет собой физическую модель природы, соответст-
вующую данному историческому этапу развития физики.
В основе физической картины мира лежат определенные фило-
софские представ 1ения и идеи. Физическая картина мира является
частью естественнонаучной картины мира, которая, в свою оче-
редь, входит в общую научную картину мира.
2. Эволюция физической картины мира. Весь нуль развития физи-
ки представляет собой процесс становления, развития и смены фи-
зических картин мира. Как известно, первой из ни,к была механиче-
ская кар! ина мира (МКМ), которая сложилась под влиянием мета-
физических материалистических представлений о материи и фор-
мах ее существования. Ее появпение связано с перво i физической
теорией - механикой I алилея-Пьютона. В рамках эюи картины
1 Энши । ейи А . Физика и реальность. - М.. 1965. С 9.
320
мира нс могли быть объяснены электромагнитные явления, поэтому
на смену ей пришла электродинамическая картина мира (ЭДКМ),
появление которой связано с разработкой теории электромагнит-
ною поля. В конце прошлого века в физике накопился целый ряд
фактов, которые противоречили ЭДКМ и вскрыли ее ограничен-
ность. Это привело к созданию третьей - квантово-полевой карти-
ны мира, которая является современной физической картиной ми-
ра. Ее появление связано с разработкой квантовой механики.
Основные этапы эволюции физической картины мира могут
быть представлены в виде таблицы (табл. 8):
I а б л п ц а 8
Название физиче- ской Kapiины мира (ФКМ)	Имена ученых, внесших основном вк :а I в создание ФКМ	Время возникновения ФКМ
Механическая Электродинами- ческая Квантово-полевая	Г. Галилеи. Р Декарт. И. Ныогон М Фарадей, Дж. К. Максвелл, 1 Лоренц. А.Эйнштейн М. Планк, 11 Бор, Л. де Бройль В Гсмзенбср!, Э Шредингер, П Дирак	XVI-XVII вв Конец XIX начало XX в Первая греи» XX в.
В рамках механической картины мира материю рассматривали
как совокупность вещественных дискретных неделимых элемен-
тов - атомов. Все виды движения сводило к механическому пере-
мещению тел и составляющих их частиц. Движение считали про-
исходящим в абсолютном пространстве, которое не связано с ма-
терией и нс зависит от нес; время абсолютно и представляет собой
длительность процессов, не зависящую от внешних факторов.
Считали, чю взаимосвязь объектов осуществляется за счет тяготе-
ния, которое рассматривали как универсальное взаимодействие,
происходящее мгновенно, без посредника (дальнодействие). При-
чину всех явлений рассматривали как внешнее воздействие.
Любое состояние системы однозначно предопределено на-
чальным ее состоянием. Полагали, ч то все явления, происходящие
в мире, подчиняются законам механики, которые считали универ-
сальными. Таким образом, в основе МКМ лежали представления
о дискретное!и материи н дальнодействий.
Попытки объяснить в рамках МКМ электромагнитные явления
оказались безуспешными. Исследования в области электромагне-
тизма в XIX в. привели к возникновению электродинамической
картины мира (ЭДКМ). основы которой были заложены М Фара-
деем и Дж. К Максвеллом.
I I 27Ы
321
Электродинамическая картина мира основывается на пред-
ставлении о том, что материя существует не только в виде вещест-
ва, но и в виде электромагнитною поля. Таким образом, на смену
представлениям о дискретности материи пришли представления о
ее непрерывности. Идея материальности поля явилась одной из
важнейших идей ЭДКМ.
Считалось, что движение осуществляется не только в форме ме-
ханического перемещения, но и в форме электромагнитных волн,
а взаимосвязь объектов осуществляется не только посредством тя-
готения, но и посредством электромагнитного взаимодействия, ко-
торое передается с конечной скоростью (близкодействие). Законы
электромагнетизма играю! в природе главенствующую роль.
На первом этане своего развития ЭДКМ сохраняла взгляды на
пространство и время, присущие МКМ, однако по мере развития
специальной теории относительности эти взгляды изменились, и
пространство и время стали рассматривать во взаимной связи.
Развитие физики в конце XIX - начале XX в показало, что
ЭДКМ, так же как и МКМ, носит ограниченный характер. В част-
ности, целый ряд явлений и опытных фактов не могли найти объяс-
нение на основе представления о непрерывности материи. К ним
относятся явление фотоэффекта, тепловое излучение, спектры. Все
это свидетельствовало о том, что на смену ЭДКМ должна прийти
новая картина мира. Начало перехода от ЭДКМ к новой, кванто-
во-полевой картине мира связывается с появлением квантовой
гипотезы Планка (1900 г.).
3. Основные черты современной картины мира. Как уже указы-
валось, ФКМ составляет представления о материи, ее движении,
взаимодействии и т. п. Рассмотрим основные черты современной
ФКМ в такой последовательности:
а)	Представлен и е о материи. С точки зрения совре-
менной физики существуют два вида материи: вещество и ноле.
В едином материальном мире можно выделить три структурных
уровня материи, отличающиеся по пространственной протяжен-
ности, преимущественным типам взаимодействия, основным струк-
турным элементам и характеру закономерностей:
мегамир - пространственная протяженность от 1021 м и даль-
ше; мегамир включает метагалактики, галактики, звезды;
макромир - пространственная протяженность от 10 до 1021 м;
включает планетные системы, планеты, окружающие нас тела,
микромир - пространственная протяженность от 10 8 м и меньше;
структурные элементы материи: атомы, ядра, элементарные частицы.
На уровне макромира можно выделить два вида материи: веще-
ство и поле, различающиеся по массе покоя и по скорости распро-
322
c i ранения. В микромире различие между нолем и веществом прак-
тически полностью исчезает. Целесообразно рассмотреть общие
свойства поля и вещества и их отличительные свойства.
б)	II р е д с т а в л е и и е о в iaи моде й степи. Все многооб-
разие свойств материальных объектов на различных структурных
уровнях материи обусловлено существованием между материальны-
ми объектами взаимодейстгцнт В настоящее время в физике извест-
ны четыре типа фундаментальных взаимодействий: ядерное (силь-
ное), электромагнитное, слабое (распадное), гравитационное. Эти
взаимодействия различаются по интенсивности и радиусу действия.
Гравитационное взаимодействие является самым слабым, оно
примерно в 1038 раз слабее ядерного. Радиус его действия равен
бесконечности. Это взаимодействие универсально, в нем участву-
ют все материальные объекты. В слабом взаимодействии участ-
вуют почти все частицы. Примером такого взаимодействия может
служить бета-распад атомных ядер. Оно значительно слабее силь-
ного и электромагнитного взаимодействия, но сильнее гравита-
ционного. Радиус его действия 10 18 м.
Электромагнитное взаимодействие осуществляется между все-
ми электрически заряженными частицами, радиус его действия
равен бесконечное!и, и оно в 137 раз интенсивнее сильного взаи-
модействия.
И наконец, в сильном взаимодействии участвуют такие части-
цы, как протоны и нейтроны, радиус взаимодействия которых ра-
вен 10 15 м.
Различные взаимодействия проявляют себя в различных физиче-
ских явлениях и на разных структурных уровнях материи. Однако для
всех взаимодействий существу ют общие законы - законы сохранения.
в)	Движение материи. Любой форме материл присуще
движение, формы движения материи многообразны, движение
несотворимо и неуничтожимо, различные формы движения мате-
рии взаимопрсвращаемы. что выражается, в частности, в законе
сохранения энергии.
1) Пространство и время. Пространство и время -
формы существования материи. В современной физике простран-
ство и время связаны между собой, они относительны и зависят от
движения материи. Свойства пространства и времени определя-
ются материей.
д) Основные физические теории и их место в
современной ф и з и ч е с к о й к а р г и п е м и р а.
Обобщающее занятие следует завершить обсуждением места
основных физических теорий в современной физической картине
мира и рассмотрением вопроса о неисчерпаемости знаний о мире.
Часть 5
КУРС ФИЗИКИ В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ
(БАЗОВЫЙ КУРС)
После изучения целей, содержания, методов и средств обучения
основам курса физики в общеобразовательной средней школе,
рассмотрения всех его разделов, обратимся к основному (базо-
вому) курсу физики. Казалось бы, надо поступать иначе, сначала
разобраться с базовым курсом, который изучается сейчас в VII
IX классах, а потом уже обращаться к систематическому курсу
физики. Но, на наш взгляд, это не так. Вы теперь знаете^ что и как
изучается во всем школьном курсе, поэтому вам легче оудет объ-
яснить вопросы, которые включены в базовый курс. Далее мы
рассмотрим его программу, а также особенности обучения школь-
ников по этой программе.
5.1.	ПРОГРАММА «ФИЗИКА И АСТРОНОМИЯ»
ДЛЯ БАЗОВОЙ ШКОЛЫ
VII класс (68 ч, 2 ч в недолго)
1.	Физика и астрономия - науки о природе
Природа и человечество. Физика. Астрономия как паука о не-
бесных телах.
Научные методы изучения природы. Экспериментальный ме-
тод. Закон отражения света. Зеркальный телескоп. Свободное па-
дение тел. Понятие о теории па примере атомистики.
Физическая величина. Измерение величины. 1оч кость измере-
ний и вычислений. Метрическая система. Запись больших и ма-
лых чисел. (Как определить размеры Земли.)1
2.	Движение
Механическое движение. Тело отсчета. Относительноегь дви-
жения. Суточное движение небесных тел, годичное движение Со ш-
1 Здесь и далее в скобках выделен материал, который не являс1ся обязательным.
324
ца Представление ученых древности о строении Солнечной сис-
1емы. Гелиоцентрическая система Коперника.
Материальная точка. Траектория. Координаты точки. Пере-
мещение и путь.
Равномерное и неравномерное движение. Скорость. График
равномерною прямолинейного движения.
Инерция. (Принцип относительности.)
3.	Масса и сила
Масса. Плотность вещества. Сила. Деформация. Закон Гука.
Динамометр. Сложение сил, действующих по одной прямой.
Сила тяжести. Вес. (Невесомость.) Сила трения.
4.	Энергия
Работа. Мощность. Кинетическая и потенциальная энергия.
Механическая энергия. Закон сохранения энергии в механике.
(Потенциальная энер! ия тела, на которое действует сила тяжести.)
Потенциальная энергия деформированной пружины. Кинетиче-
ская энергия и скорость. (Преобразование механической энергии
при свободном падении.)
Момент силы. Принцип действия рычажных весов Закон со-
хранения энергии и «золотое правило» механики. Коэффициент
полезного действия механизмов и машин.
5.	Давление
Давление и сила давления. Передача давления твердым телом,
жидкостью и газом. Закон Паскаля. I идравлические машины.
Давление жидкост и и газа, обусловленное действием силы тя-
жести - весовое давление. (Зависимость весового давления от
плотности жидкости.) Сообщающиеся сосуды. Водопровод.
Атмосферное давление. Насосы.
Архимедова сила. Условие плавания тел. Водный транспорт.
Воздухоплавание. (Определение плотности вещества методом
гидростатического взвешивания )
Лабораторные работы
Учащиеся выполняют 7 лабораторных работ в классе и ряд ла-
бораторных работ в домашних условиях.
VIII класс (102 ч, 3 ч в неделю)
1.	Электрические явления
Электрический заряд. Электроскоп. Проводники и изоляторы.
(Закон Кулона.) Электрическое поле. Электрон.
2.	Строение вещества
Химические элементы и соединения. Периодическая система
химических элементов. Атом. Ион. Строение электронной обо-
лочки атома. Молекула. (Химическая связь.)
325
Газ. Плазма. Кристалл. ( Типы кристаллических связей .) Жид-
кости. Аморфные тела.
3.	Температура
Диффузия. Броуновское движение. Температура. Явления, ис-
пользуемые для измерения температуры. Плавление и кипение.
Термометр. Температурные шкалы. Градус. (Абсолютная шка-
ла температур. Особенности теплового расширения воды.)
4.	Внутренняя энергия
Закон сохранения энергии и тепловые явления. Внутренняя
энергия. Теплообмен. Количество теплоты. Теплопроводность.
Конвекция. Излучение.
(Необратимость тепловых процессов. Термодинамика и ее за-
коны.)
5.	Тепловые машины
Тепловые двигатели. Паровая турбина. Двигатель внутреннего
сгорания. (Разнообразные типы ДВС газовая турбина, реактив-
ный двигатель, холодильная установка.) Экологические проблемы
использования тепловых машин.
6.	Физические процессы в Солнечной системе
Солнце и его излучение. Солнечное излучение и жизнь. Пла-
неты земной группы. Планеты-гиганты. Малые тела Солнечной
системы.
7.	Электрический ток
Электрическое поле и электрический ток Электрический ток в
металлических проводниках.
Сила тока. Электрическое напряжение. Электрическое сопро-
тивление. Закон Ома.
8.	Электрическая цепь
Резисторы. Реостаты. Потенциометры. Последовательное н
параллельное соединение проводников (эквивалентное сопротив-
ление.)
Электрическая энергия. Работа и мощность тока. Тепловое
действие электрического тока и его практическое применение.
Меры безопасности при работе с электрическими приборами.
9.	Магнитное поле
Первоначальные сведения о магнетизме. Опыт Эрстеда. Маг-
нитное поле тока. Электромагнит. Электромагнитное реле.
Действие магнитного поля на ток. Электрический двигатель.
(Магнитные явления в космическом пространстве.) Электроизме-
рительные приборы.
10.	Электромагнитные явления
Электромагнитная индукция. Открытие Фарадея. ЭДС индук-
ции. Переменный индукционный ток. Микрофон.
Индукционный генератор. Трансформатор. Электрические стан-
ции. Передача электрической энергии. Электроэнергетика и экология.
11.	Полупроводники. Полупроводниковые приборы
Свойства полупроводников. Изменение сопротивления полу-
проводников при нагревании и освещении. Электроны проводи-
мости и дырки.
Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод и
его применение. (Транзистор и его применение.)
Лабораторные работы
Учащиеся выполняют 9-10 лабораторных работ в классе и ряд
лабораторных работ в домашних условиях.
IX класс (103 ч, 3 ч в неделю)
1.	Колебания и волны
Механические колебания. Амплитуда, период, частота. Син-
фазные колебания и колебания в противофазе.
Упругие волны. Поперечные и продольные волны. Скорость
упругих волн. Длина волны.
Звуковые волны. Громкость. Высота тона. Резонанс в акуст ике.
Конденсатор и катушка индуктивности. Емкость и индуктив-
ность. Электромагнитные волны. Скорость электромагнитных
волн. Резонанс. Элементы радиотехники. Модуляция и демодуля-
ция (детектирование).
Простейший радиоприемник. (Полупроводниковый диод как
детектор. Транзистор как усилитель. Космическая радиосвязь. Ра-
диолокация.)
2.	Световые явления
Свет как электромагнитное излучение (электромагнитная вол-
на). Видимое (свет) и невидимое излучение. Цвет и частота волны.
Интерференция света. Измерение длины волны.
Прямолинейное распространение света. Пучок и луч. Солнеч-
ное и лунное затмение.
Рассеянное и зеркальное отражение света. Плоское и сфериче-
ское зеркала. Фокус.
Преломление света. Оптически более плотные и менее плотные
среды. Закон преломления света. Показатель преломления. (Пол-
ное отражение.) Дисперсия и спектральное разложение.
Линза. Фокус линзы. Фокусное расстояние и оптическая сила.
Построение изображения в линзах. (Недостатки линз сфериче-
ская и хроматическая аберрация.)
Оптические приборы. Фотоаппарат. Кино. Глаз. Близорукость и
дальнозоркость. Очки. Угол зрения и его увеличение. Лупа. Микро-
скоп. Телескоп.
327
3.	Элементы небесной механики
Небесная сфера и небесные координаты. Кульминация, высота
светила в кульминации. Определение географических координат
по астрономическим наблюдениям. Время и календарь.
Импульс. Закон сохранения импульса. Сила и изменение им-
пульса. Ускорение. Законы Ньютона. Инерциальная система от-
счета.
Движение материальной точки по окружности. Закон всемир-
ного тятотсния. (Законы Кеплера.) Открытие Нептуна. Определе-
ние расстояний до небесных тел, их масс и размеров.
4	Ядерная энергетика
Строение атомных ядер. Зарядовые и массовые числа. Изото-
пы. Ядерныс взаимодействия. Энергия связи. Зависимость удель-
ной энергии связи от массового числа.
Деление ядер урана. Энергетический эффект. Цепная реакция.
Ядерныи реакюр.
Термоядерные реакции. Энергия Солнца и звезд.
Ионизирующие излучения, их биоло! ичсскос действие. Защита
от излучений. Дозиметрический контроль. (Закон радиоактивного
распада. Период полураспада и активность нуклида. Дози метро-
вочные единицы.) Экологические проблемы ядерной энергетики.
5.	Строение и развитие Вселенной
Наша звездная система Галактика. Мир галактик. Эволюция
звезд. Эволюция Вселенной.
Лабораторные работы
Учащиеся выполняют 8 10 лабораторных работ в классе и ряд
лабораторных работ в домашних условиях. Для учащихся, про-
явивших интерес к физике, может быль организован специальный
физический практикум с использованием более сложной аппара-
туры, а также практикум по решению задач.
5,2.	ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ
Для части учащихся этим курсом заканчивается их образова-
ние по физике, поэтому этот курс является завершенным: он
включает все основные положения физики, конечно, доступные
пониманию учащихся VII-IX классов. Остановимся па целях, ко-
торые сл авя тся перед этим курсом.
Если курс физики общеобразовательной школы дает учащимся
основы физики, но изучают ею не все, так как не все учатся в
старших классах профильной школы, то курс физики основной
школы дает всем учащимся как бы основы основ физики, причем с
328
учетом их возрастных особенностей и подготовки по другим
предметам.
Физика для учащихся VII класса является новым предметом и
наравне с другими предметами служит ступенью в достижении
образовательных, развивающих и воспитательных целей, которые
наше демократическое общество на современном этапе развития
поставило перед средней! школой
При изучении курса физики в основной школе учащиеся при-
обретаю! начальные знания, необходимые для построения совре-
менной научной картины мира, - о видах, строении и формах
движения материи, о диалектике природы и диалектическом харак-
тере процесса познания. Поэтому данный курс и называется базо-
вым. Они узнают о том, что физическая наука изучает восприни-
маемые с помощью органов чувств человека вещественные объекты
и чувственно невосприннмаемые электрические и магнит ные ноля
и микрообъекты молекулы, атомы, элементарные частицы, ме-
ханические, тепловые, электрические, световые н квантовые явле-
ния. что взаимодействие материальных объектов является причи-
ной изменения их состояния (скорости движения, формы тела, аг-
регатного состояния вещества, температуры тела, э гастрического
заряда и др.) Учащиеся знакомятся с фундаментальными закона-
ми природы - законом сохранения энергии, импульса.
Школьники узнают, что свойства, общие в качественном отно-
шении у множества физических объектов или явлений, но индиви-
дуальные в количественном отношении, характеризуются физиче-
скими величинами, многие из которых они изучают: массу тела,
плотность вещества, силу тяжести и силу трения, архимедову силу,
кинетическую, потенциальную и внутреннюю энергию тела, силу
тока, электрическое напряжение, сопротивление, количество тепло-
ты и др.; что все обьскты и явления в окружающем нас мире нахо-
дятся в сложных и мно1 ообразных связях друг с другом и что среди
этих связей есть такие, которые определяют характер явлений, по-
ведение объектов в определенных условиях. Эти устойчивые, суще-
ственные. повторяющиеся связи могут быть обнаружены учеными,
исследованы, истолкованы в виде закона (например, закон Паска-
ля. законы Ньютона. Ома для участка цепи, Джоуля Ленца, за-
коны отражения света) или в виде формул: p^pgh. О = ст(12- б),
F = р— . Q = qm, F{- F2l2. а=— . m{v{ + m1v2 = const и др.
5	m
Кроме того, учащиеся основной школы приобретают знания о
конкретных технических устройствах, созданных людьми для удов-
летворения своих потребностей на основе изученных физических
329
явлений и открытых законов: шлюзах, водопроводе, гидроэлектро-
станциях, гидравлических прессе и тормозе, двигателях внутрен-
него сгорания и паровой турбине, атомной электростанции и др.,
знакомятся с основными направлениями развития и совершенст-
вования водного и воздушного транспорта, с преимуществами и
недостатками ламн накаливания и проволочных электронагрева-
тельных приборов, с необходимостью экономного расходования
электроэнергии и путями решения этой проблемы в настоящее
время, об ядерных процессах и всем, что связано с ними.
Учебный материал курса физики основной школы раскрывает
и роль в развитии физики и техники отечественных и зарубежных
ученых: М. В. Ломоносова, Г. Галилея, Б. Паскаля. Э. Торричелли,
Архимеда, Г. Ома, А. Ампера, А. Вольта, Д. Джоуля, Э. X. Ленца,
Б. С. Якоби, И. Ньютона, И. В. Курчатова и др.
Школьники приобретают также первоначальные представле-
ния об общих (эмпирическом и теоретическом) и частных (моде-
лирование, идеализация, мысленный эксперимент и др.) методах
научного познания. Таковы основные образовательные
цели базового курса.
Развивающие цели курса определяются теми умениями
(интеллектуальными и практическими), которые должны быть
сформированы одновременно с достижением образовательных
целей. К ним относятся:
1)	умение обнаруживать в быту, технике, природе изучаемые
явления (диффузию, агрегатные превращения, плавание тел, на-
гревание, электризацию и др.). Это умение включает в себя умение
наблюдать, анализировать конкретные ситуации, выделять опре-
деленные признаки, сравнивать наблюдаемое с теоретическими
знаниями;
2)	умение объяснять обнаруженные в конкретных ситуациях
явления и свойства объектов на основе приобретенных знаний.
При объяснении нужно уметь моделировать конкретную ситуа-
цию и строить умозаключения на основе индуктивной, дедуктив-
ной логики и применяя аналогии. Нужно уметь различать в кон-
кретных явлениях причину и следствие, понимать, что в опреде-
ленных условиях они MOiy i меняться местами;
3)	умение предсказывать на основе теоретических рассуждений
существование новых явлений и свойств объектов (например, за-
висимость давления газа от его объема и температуры, поведение
тела, находящегося внутри жидкости, и т. п.) и проверять эти
предсказывания экспериментально, подбирая приборы и состав-
ляя план проведения эксперимента. Для этою тоже нужно умшь
мыслить дедуктивно;
330
4)	умение рассчитывать числовые значения физических вели-
чин в конкретных ситуациях;
5)	умение строить и читать трафики зависимостей скорости рав-
номерного и равноускоренного движения и температуры тела от
времени, силы тока oi напряжения и сопротивления на участке цепи,
составлять схемы электрических цепей и, наоборот, по схемам со-
ставлять электрические цепи, изображать графически вектор силы;
6)	умение правильно пользоваться измерительным цилиндром,
динамометром, весами, барометром-анероидом, амперметром, лин-
зой и другими физическими приборами.
Кроме того, в основной школе продолжается формирование
общеучебных умении: работачь с учебником, справочником, вос-
принимать и анализировать объяснения учителя, делат ь записи и
зарисовки в тетрадях и др.
Гаким образом, в основной школе у учащихся формируется
целый ряд важных умственных действий, без которых невозможны
трудовая деятельное! ь и дальнейшее изучение физики.
Воспитательные цели курса связаны с формированием у
учащихся основ научного мировоззрения, воспитанием идейной
убежденности, праве!венных, патриотических и интернациональ-
ных черт характера, развитием устойчивого познавательно! о инте-
реса к физике как науке, а также с профессиональной ориентацией
учащихся.
5.3.	ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СОДЕРЖАНИЯ
КУРСА ФИЗИКИ ОСНОВНОЙ школы
Структура базового курса физики в основном традиционна:
изучаемые явления расположены в порядке усложнения форм
движения материи (от механических и тепловых к электромагнит-
ным, световым и квантовым. Определенные отступления пред-
ставляй лишь тема «Электрические явления». В ней рассматрива-
ется электрический заряд, вводится понятие электрона, чго дает
далее возможность изучать строение вещества. Учащиеся узнают,
что вещество состоит из молекул, которые непрерывно и хаотиче-
ски движутся и взаимодействуют друг с другом.
Введение микроструктурных представлений о строении веще-
ства позволяет рассматривать многие явления не только феноме-
нологически, но и объяснять их внутренний механизм. Гак. моле-
кулярно-кинетические представления применяют для объяснения
различных свойств твердых тел. жидкостей и газов, давления газа
на стенки сосуда, передачи давления жидкостями и газами, сущс-
331
ствования свободной поверхности у жидкостей и отсутствия тако-
вой у газов, существования воздушной оболочки Земли, механиз-
ма теплопроводности, агрегатных превращении и др. Это дает
возможность ввести и электронные представления, используя по-
нятия электрона, иона, строение атома. Электронные представле-
ния применяют для объяснения явления электризации тел, пере-
дачи заряда от наэлектризованного тела ненаэлсктризованному,
природы электрического тока в металлах и др. Таким образом,
введение элементов физических теорий позволяет объединить
почти все темы в единое целое.
Изучение элементов физических теорий уже в базовом курсе
способствует формированию теоретического мышления учащих-
ся. учит их дедуктивной логике рассуждений. Надо иметь в виду,
что в базовом курсе изучают законы Ньютона, вводятся понятия
ускорения и импульса и рассматривается закон сохранения им-
пульса. К этому еще надо добавить вопросы ядерной энергетики и
вопросы астрономии.
Содержание курса физики основной школы отобрано с учетом
дидактических принципов, возрастных особенностей ребят 12
15 лет, их общей научной подготовки, жизненного опыта и пред-
полагает определенное использование математического аппарата.
Гак, с механическими явлениями учащиеся знакомятся не только
на примере равномерною, но и равноускоренною прямолинейно-
го движения тел. Их учат рассчитывать путь, время и скорост ь для
этих движений. Особенно подчеркнем, что учащиеся узнают и об
ускорении, что дает им возможность изучать законы Ньютона.
При изучении тепловых явлении главное внимание уделяется
видам теплопередачи и тем агрегатным превращениям, которые
известны школьникам из жизненной практики: плавлению, отвер-
деванию, испарению, конденсаций.
Из электрических явлений рассматриваются электризация тел,
электрический гок в металлах, нагревание проводника электриче-
ским юком, учащихся знакомят и с магнитным но гем постоянно-
го тока и постоянных магнитов и с действием магнитного поля на
проводник с током.
Световые явления теперь изучаются более глубоко, это не
только прямолинейное распространение света в однородной сре-
де, явления отражения и преломления света, но и интерференция
света. Последняя изучается в основном качественно.
Физические величины тоже вводятся по-разному. Для некото-
рых из них даются определения и математические выражения:
Р =
Ш
и др., а физический смысл ряда величин
332
раскрывается только описательно и не доводится ни до определе-
ния, ни до математического выражения способа измерения.
Сложение сил рассматривается только для случая сил, дейст-
вующих но одной прямой.
При введении элементов молекулярно-кинетической и элек-
тронной теорий произведен тщательный отбор их эксперимен-
тального обоснования. Представления о молекулярном строении
вещества вводятся на основе опытов по изменению объема газов,
жидкостей и твердых тел при внешнем механическом воздействии
и при нагревании и охлаждении, по диффузии газов и жидкостей,
давлению газов на стенки сосуда. Но рассматриваются и опыты
по наблюдению броуновского движения, сыгравшие, как извест-
но, решающую роль в утверждении молекулярно-кинетической
теории строения вещества. Теперь возможно моделирование бро-
уновского движения на ЭВМ, и в курсе физики основной школы
ученики получают достаточную научную подготовку.
Для экспериментального обоснования электронной теории
есть возможность с помощью ЭВМ изложить сущность опытов
А.Ф. Иоффе и А. Милликена по измерению заряда электрона и
опыта Э. Резерфорда по исследованию состава и строения атома
на элементарном уровне. Учащиеся смогут понять физический
принцип изменения заряда пылинки или капельки жидкости и
сложную логику рассуждений при анализе результатов опыта Ре-
зерфорда.
Понятие молекулы вводится сейчас на основе знаний учащихся
по химии. Этот трудный материал для школьников становится
доступным и понятным. Здесь хорошо используются межпредмет-
ные связи курсов химии и физики.
Размеры единственная характеристика молекул, с которой
можно ознакомить учащихся в самой первой теме курса физики
VII-VIII классов (понятие массы вводится позже, при изучении
темы «Взаимодействие молекул»). Поэтому сравнение молекул
разных веществ производят только по их размерам.
При рассмотрении вопроса о связи скорости движения молекул
с температурой телг! пользуются понятиями «температура»,
«скорость». Понятие температуры вводится теперь в курсе основ-
ной школы, но так, как это было сделано в курсе природоведения.
При изложении вопроса о взаимном притяжении и отталкива-
нии молекул употребляют понятия «сила» и «взаимодействие».
Итак, материал данного курса распределен по годам обучения
с учетом межпредметных связей: с одной стороны, он опирается
на знания учащихся, приобретенные при изучении других учеб-
ных дисциплин, а с другой - сам является основой для понимания
333
отдельных тем по другим учебным предметам. Например, на зна-
ния учащихся о механической энергии можно опираться при изу-
чении отдельных тем курса географии, а знания о механической
работе, энергии. КПД механизмов помогу] школьникам усвоить
учебный материал на уроках трудового обучения и т. д.
Содержание курса физики основной школы условно можно
разделить на две части. В первую входит учебный материал, ко-
торый изучается только на первой ступени. Это вопросы гидро- и
аэростатики, простые механизмы, виды теплопередачи, агрегат-
ные превращения, закон Ома для участка цепи, основные вопросы
геометрической оптики. Ясно, что этот материал должен быть
усвоен учащимися достаточно прочно. Во вторую часть входят
вопросы, с которыми в основной школе происходит лишь перво-
начальное знакомство, а более подробно и основательно они изу-
чаются в старших классах профильной школы.
5.4.	ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ОБУЧЕНИЯ
ФИЗИКЕ В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ
Методика преподавания физики в основной школе должна
строиться с учетом возрастных особенностей учащихся. В связи с
тем, что у ребят 12 15 лет способность к абстрактному мышлению
разви та слабо, почти все изучаемые явления должны раскрываться
на эмпирическом уровне: от наблюдения явления в конкретной
ситуации к выдвижению гипотез и к экспериментальной проверке.
Поэтому учебный физический эксперимент (демонстрационный,
лабораторный в классе и дома) должен быть основным средством
обучения. При этом учи елю необходимо учитывать, что демонст-
рационный эксперимент прежде всего воздействует на органы
чувств учащихся, создавая определенный эмоциональный тонус их
познавательной деятельности. Поэтому он должен быть не только
выразительным и убедительным, но и красивым, привлекатель-
ным по внешнему виду. Опыт должен характеризоваться глубоким
содержанием, логической завершенностью, красотой исполнения.
Однако следует обратить внимание на то. что эмпирический
нуль познания ведет к развитию лишь индуктивного метода мыш-
ления, что недостаточно для изучения физических теорий в стар-
ших классах. Теория, как известно, объясняет результаты многих
конкретных опытов, исходя из обшей для данного класса модели
объектов или явлений и основных положении (постулатов). Полу-
чение выводов частного характера из общих посылок - дедуктив-
ный метод мышления. Дедуктивно выводя! и теоретические след-
334
ствия, предсказывающие новые явления, процессы, объекты и их
свойства. Вот почему формирование у школьников основной
школы дедуктивного метода мышления - одна из важнейших задач
учителя. Элементы физических теорий, введенные в него, создают
для этого все необходимые условия. Важно, чтобы учитель умело
их использовал: научил учащихся правильному построению объяс-
нения физических явлений, теоретическим рассуждениям, теоре-
тическому получению следствий. При этом следует помнить, что
справедливость умозаключений, полученных дедуктивно, должна
обязательно проверяться экспериментом.
В настоящее время одним из главных требований к уроку явля-
ется организация самостоятельной деятельности учащихся. Без
нее невозможно ни усвоить знания, ни сохранить их, ни приобре-
сти новые умения и качества личности. При организации само-
стоятельной деятельности учащихся необходимо соблюдать опре-
деленные правила:
1. Формулировать цель этой деятельности так, чтобы из нее
становилось ясно, какой конечный результат нужно получить.
Примеры правильной формулировки целей:
-выяснить, из каких приборов должна состоять эксперимен-
тальная установка для проведения данного опыта;
- установить, как изменяется сила тока на данном участке цепи
при изменении напряжения на нем. (Примеры неправильных
формулировок целей: прочесть параграф, посмотреть опыт, ви-
деофильм и т. п.)
2. Прежде чем сформулировать цель деятельности учащихся,
учитель должен сам четко определить, что именно должно быть
усвоено учащимися в ходе этой деятельности. Следует помнить,
что человек осознает лишь то, что сос гавляет цель его деятельно-
сти. Самостоятельная работа шко ьников может быть направлена
на извлечение определенной информации из учебника, видео-
фильма или других источников; на усвоение понятий, законов,
зависимостей между физическими величинами; иа усвоение мето-
дов мышления, общих и частных методов иознания, других ин-
теллектуальных и практических действий. Понятно, что в каждом
конкретном случае и цели и содержание самостоятельной дея-
тельности учащихся могут быть разными.
При выборе форм и методов проведения учебных занятий сле-
дует иметь в виду, что школьники этого возраста подвижны, любят
принимать участие в соревнованиях, не стесняются высказывать
свои мысли вслух. Поэтому основным методом ведения урока
должна быть поисковая беседа. При обучении решению задач целе-
сообразно использовать групповую форму работы; чаще практи-
335
ковать уроки-соревнования, конференции, уроки с игровыми си-
туациями, больше решать экспериментальных и качественных за-
дач, задач по рисункам Следует разнообразить и формы контро-
ля знании и умении учащихся.
Итак, в основе обучения лежи т физический эксперимент, моде-
ли. включая модели на ЭВМ, учет развития учащихся и их знаний
особенно по математике, межпредметные связи физики и химии,
раз шчные иллюстрации, лабораторные работы. Все это является
базой, основой методики обучения физике в базовом курсе физики.
Далее будут подробно рассмотрены лишь те вопросы, которые
в старших классах не изучаю 1ся (давление твердых тел, жидкостей
и газов, простейшие тепловые явления и вопросы геометрической
оптики). При этом бсдет уделено внимание электрическим и маг-
нитным явлениям, хотя они и изучаются в старших классах.
5.5.	ДАВЛЕНИЕ
В программе основной школы так называется одна из тем. При
этом имеется в виду дав теине твердых тел, жидкостей и газов, т.е.
по сути продолжается изучение взаимодействий тел. Здесь рас-
сматривается тот случай, когда тела (твердые, жидкие, газообраз-
ные) соприкасаются друг с другом по некоторой поверхности и
находятся друг относительно друга в покое. Известно, что в этом
случае оба взаимодействующих тела деформированы (находятся в
напряженном состоянии) по всей поверхности соприкосновения.
В качестве меры напряженною состояния тел используют физиче-
скую величину - давление. Давление определяют как оiношение
силы, действующей перпендикулярно поверхности соприкоснове-
ния. к площади поверхности.
Учебный материал этой темы расположен в следующей после-
довательности:
1)	давление твердого тела на твердое. При этом рассматривают
только те случаи, когда поверхность соприкосновения тел распо-
ложена горизонтально. Здесь вводят поня тие о давлении, единице
давления - 1 Па;
2)	передача дав тения жидкостью и тазом (закон Паскаля);
3)	давление жидкости, обусловленное притяжением Земли (весо-
вое давление). Здесь вводят формулу для расчета давления жидко-
сти на данном уровне (д = рд/;) и рассматривают свойство сооб-
щающихся сосудов;
4)	давление газа, обусловленное притяжением Земли (весовое
давление). Здесь вводят поня тие «атмосферное давление», рассмат-
риваю! способы измерения давления газов;
336
^) выталкивающее действие жидкости и газа на погруженное
в них тело (вводят понятие «архимедова сила» и формулу для рас-
чета ее значения (F.t = p.A.gO: рассматривают условия плавания тел).
Кроме того, сильных учащихся знакомят с определением плот-
ности вещества методом гидростатического взвешивания.
Почти весь материал этой темы изучаю! только в базовом курсе
физики (исключение составляет вопрос о давлении газа), это озна-
чает, что он должен быть достаточно хорошо усвоен учащимися
именно в этом курсе, хотя в нем есть немало трудных для них воп-
росов. Достигнуть успеха можно лишь в лом случае, если объяснять
материал в доступной форме, использовать большое количество
опытов, отрабатывать основные вопросы, организуя самостоя-
тельную работу учащихся, систематически контролируя качество
усвоения материала, возвращаясь к трудным. плохо усвоенным
понятиям и вопросам, постоянно повторяя основной! материал.
Эта тема предоставляет учителю богатые возможности для
обучения учащихся эмпирическому методу познания Для этого
везде, где это возможно, следует организовывать поисковую дея-
тельность школьников по следующему плану:
1)	обнаружение явления, свойства объекта в конкретной си-
туации;
2)	выявление условий существования данного явления, наличия
(или отсутствия) данного свойства у других объектов;
3)	анализ и обобщение накопленных экспериментальных дан-
ных, формулировка определения явления, обобщенного свойства;
4)	изучение явления, выявление закономерности (закона), ха-
рактерной для этого явления;
5)	объяснение причины явления, свойства объекта на основе
известной теории.
Учащиеся должны знать эти этапы, но нс заучивать их. а ус-
ваивать. изучая различные явления в указанной последовательно-
сти. Постепенно это станет им настолько привычно, что они к
каждому новому явлению буду! подходить именно таким путем.
Подчеркнем значимость этого материала в мировоззренческом
аспекте. Учащиеся при изучении школьного курса физики должны
научиться применять в доступных им условиях и вариантах как
эмпирический, гак и теоретический методы познания. Кратко рас-
смогрнм методику изучения некоторых вопросов гемы.
Давление. Формирование этого понятия можно начать с рас-
смотрения примеров, хорошо известных учащимся из их жизнен-
ного опыта (хождение по снегу без лыж и на лыжах, вкалывание
кнопки с острым и тупым концом в доску и др.). При анализе этих
примеров необходимо подвести учащихся к выводу: результат
действия силы (деформация) зависит от модуля силы и площади
той поверхности, перпендикулярно которой эта сила действует.
Этот вывод целесообразно подтвердить экспериментально.
Для обоснования необходимости введения новой физической
величины учащимся можно задать следующие вопросы: 1) Ученик
стоял на снегу сначала на лыжах, а затем - без лыж. В каком слу-
чае снег под ним деформировался больше? 2) Трехлетний ребенок
и его папа по очереди встали на одни и тс же лыжи. В каком слу-
чае деформация снега была большей? Эти вопросы обычно нс вы-
зывают затруднений у учащихся. А на вопрос «На лыжи встали
папа и сын. У папы лыжи длиной 210 см. у сына - 70 см. Под кем
из них снег деформируется сильнее?» ребята уже ответить не мо-
гут. Возникает необходимость уравнять условия сравнения - рас-
смотреть силу, действующую на поверхность единичной площади.
Сообщают, что эту новую физическую величину называют давле-
нием, обозначают ее буквой р и записывают способ ее определе-
ния в виде математического выражения: Р = ~ (здесь F- модуль
силы, но надо обязательно подчеркнуть, что эта сила действует
перпендикулярно поверхности соприкосновения тел: ее не следует
называть «силой давления», иначе у учащихся возникает путаница
в терминах «давление» и «сила давления»). Далее устанавливают
единицу давления - 1 Па.
Конкретизацию единицы давления можно осуществить с помо-
щью задания, где учащиеся определяют давление, которое произ-
водит: а) ст иральная резинка, положенная на тетрадь разными гра-
нями; б) сам ученик, стоя на иолу одной и двумя ногами; в) стул.
Система заданий должна быть подобрана так, чтобы школьники
научились правильно определять площадь соприкосновения взап-
м одей с гву ю щи х тел.
Давление газа. При рассмотрении этою вопроса необходимо
обратить внимание школьников на го, что газ оказывает на стенки
сосуда, в котором он находится, одинаковое давление. Это очень
характерно для газа и является следствием беспорядочною дви-
жения его молекул, о чем учащиеся узнают позднее. А здесь про-
сто сообщают, что давление газа зависит от объема и от темпера-
туры, что проверяют экспериментально.
Закон Паскаля. Этот закон является теоретической основой
для изучения практически всех вопросов, связанных с давлением в
жидкостях и газах. Ею вводят вначале на основе мысленного экс-
перимента. С учащимися разбирают вопрос о распределении час-
тиц газа (не молекул, о которых учащиеся еще не знают) при из-
менении его объема. Для это! о теоретически рассматривают сосуд
с газом (или жидкостью). Первоначально частицы газа (жидкости)
распределены по всему объем) сосуда равномерно. Обсуждают с
ребятами, какие изменения произойдут в расположении частиц,
если обьем сосуда уменьшить (сдвинуть, например, поршень).
Подчеркнем, что благодаря подвижности частицы будут переме-
щаться по всем направлениям, вследствие чего возникшее в первый
момент при сжатии неравномерное расположение частиц вновь
стане! равномерным, но более плотным. Следовательно, дав юние
газа (жидкости) на стенки сосуда должно возрасти. Эю рассужде-
ние подготавливает к формулировке закона Паскаля: «Давление,
производимое на жидкость (газ) извне, передастся без изменения в
каждую точку жидкое in пли газа». После згою показываю! опы-
ты с шаром 1 1аскаля
Следует обратить внимание на го, что закон Паскаля количе-
ственный закон, но на первом этапе изучения это нельзя показать
учащимся убедительно, так как они еще не знают устройство и
принцип действия манометров По после того как они ознакомят-
ся с манометрами, необходимо еще раз вернуться к закону Паска-
ля и экспериментально показать его количественную сторону.
Хорошей иллюстрацией практического применения закона Пас-
каля являются гидравлические и пневматические машины и инст-
рументы. Часть л их вопросов изучают несколько позднее, после
рассмотрения сообщающихся сосудов.
Давление в жидкости и газе При рассмотрении закона Паскаля
речь шла о передаче жидкостью или газом внешнею давления.
Такое давление можно создать на Земле и на Лупе, даже в кабине
искусегвенного спутника, в ко юром тела находя гея в состоянии
невесомости. Поэтому закон Паскаля проявляет себя в любых ус-
ловиях.
По кроме давления, производимого па жидкость извне, можно
говорить о давлении внутри жидкости, обусловленном ее притя-
жением к Земле (о так называемом «весовом давлении»). При изу-
чении этого вопроса можно организовать поисковую деяге 1ьность
учащихся в следующей последовательности. Наливают воду и заме-
чаю!, чю нолиэтп 1еновыи пакет раздувается Делаю! вывод: вода
дави г как на дно. так и на с гепкп пакета. Затем последовательно с
помощью опытов разбирают следующие вопросы. 1) Только ли
вода давит па дно и стенки пакета? 2) Оказывает ли жидкость дав-
ление на дно п стенки любою (по веществу, по форме) сосуда?
3) Существует ли давление внутри жидкости? 4) От чего зависит
это давление? 5) Каково давление внутри жидкости на одном и том
же уровне? Опыт ы. позволяющие нант и ответы на первые два воп-
роса. просты, и нет необходимости их специально рассматривать.
3 >9
Рис. 114
Ответы же на последние три вопроса могут
быть качественными, так как для этого на-
до знать о манометрах, а их изучают позд-
нее. Для опытов можно взять стеклянную
трубку, на конец которой натянуть детский
воздушный шарик и закрепить его. Этот
шарик заполняют подкрашенной водой,
после чего трубку с шаром погружают в
воду, налитую в высокий сосуд (рис. 114).
Под давлением воды шар сжимается и под-
крашенная вода поднимается вверх по труб-
ке. Ее уровень установится на уровне воды
в сосуде. Передвигая шар вверх, вниз и в
стороны, обнаруживают, что давление внутри воды на одном и
том же уровне одинаковое и возрастает с увеличением глубины.
Затем вместо воды в сосуд наливают другую жидкость (например,
раствор поваренной соли) и вновь повторяют опыт. Сравнение
результатов проведенных опытов показываш справедливость полу-
ченных ранее выводов и для этой жидкости. Кроме того, обнару-
живается. что давление внутри жидкости с большей плотностью
на одном и том же уровне больше, чем внутри жидкости с меньшей
плотностью. Конечно, по результатам двух опытов нельзя делать
обобщающий вывод. Поэтому правильнее было бы дополнитель-
но к демонстрационным опытам организовать фронтальные опы-
ты с различными жидкое!ими. Но и описательные опыты дают
возможность сделать выводы: внутри жидкости существует дав-
ление. и на одном и том же уровне оно одинаковое, с глубиной
давление увеличивается, давление внутри жидкости на одном и том
же уровне тем больше, чем больше плотность жидкости.
Полученные выводы целесообразно подтвердить расчетами,
решив с учащимися задачи сначала с помощью формулы р- — , а
затем вывести формулу/? = pg/z. решив одну из задач в общем виде.
Следует обратить внимание ребят на то. что в эту формулу пло-
щадь дна сосуда нс входит, что и следует из определения давления.
Для усвоения этой важной формулы необходимо в первую оче-
редь предложить учащимся решить экспериментальные задачи по
определению давления воды на дно различных сосудов (стакана,
банки, вазы и др.) и давления различных жидкостей на разных
уровнях. Расчеты давления воды в морях и океанах на разной глу-
бине могут явиться основой для разговора об учете этого давле-
ния при проектировании гидротехнических сооружений и под-
водных судов.
340
Сообщающиеся сосуды. Этот материал относится к числу лез ко
усваиваемых. При его изучении наиболее просто организовать
поисковую деятельность учащихся.
Обычно на демонстрационном столе располагаю! вертикально
две стеклянные трубки, соединенные дру! с другом резиновой
трубкой снизу. Резиновая трубка вначале должна быть стянута
посередине зажимом. В одну из трубок наливают воду. После это-
го ставят вопрос: «Как распределится вода по трубкам, если снять
зажим9» Ответ школьников проверяют экспериментально. Затем с
помощью опытов целесообразно найти ответы на такие вопросы:
1) В каких еще сообщающихся сосудах (по площади сечения, фор-
ме, высоте, веществу стенок, закрытых или открытых) свободные
поверхности располагаются на одном уровне9 2) Свободные по-
верхности каких жидкостей (кроме воды) устанавливаются в со-
общающихся сосудах на одном уровне? 3) Нарушается ли распо-
ложение свободных поверхностей жидкости в сообщающихся со-
судах, если сосуды наклонять, поднимать или опускать один из них,
изменять расстояние между ними, приводить сосуды в движение с
постоянной скоростью9
Экспериментально установленное свойство сообщающихся со-
судов можно объяснить па основе закона Паскаля В рассуждени-
ях исходят из того, что давление жидкости на одном и том же
уровне одинаково. Отсюда следует, что высоты столбов однород-
ных жидкостей в сообщающихся сосудах одинаковы.
Применение сообщающихся сосудов рассматривают при реше-
нии задач, имеющих к тому же практический интерес (водомерное
стекло, артезианский колодец, шлюзы, водопровод и др.).
Атмосферное давление. С этим понятием учащиеся впервые
знакомились при изучении естествознания и геозрафии. Однако там
атмосферное давление рассматривалось как факт, который следует
учитывать, например, при анализе погоды. Физическая сущность
атмосферного давления, его причины, способы измерения остались
неизвестными. Поэтому изучение данного вопроса в курсе физики
следует проводить так, чтобы семиклассники могли ответить на
главные вопросы: давит ли воздушная оболочка Земли на все те-
ла. находящиеся внутри нее? Изменяется ли атмосферное давление
с высотой? Как можно измерить атмосферное давление?
Ответить на первый вопрос учащимся непросто. Находясь внут-
ри воздушной оболочки Земли и ие ощущая ее действия па себе,
они вряд ли интересовались, какова ее масса, притягивается ли
Землей воздух, подобно твердым телам и жидкостям. Поэтому
возникает необходимость убедить школьников, что массу воздуха
можно определить подобно тому, как определяли массу твердых
341
тел и жидкостей - взвешиванием. Если воздух, подобно твердым
телам и жидкостям, притягивается Землей, то он должен оказы-
вать давление на земную поверхность и тела, находящиеся на ней.
Убедить в этом учащихся необходимо с помощью опытов. Идея
всех опытов по обнаружению атмосферного давления состош в
создании условий, при которых некоторое свободное тело (под-
вижная перегородка и др.) одной стороной контактирует с возду-
хом. а друюй - с разреженным воздухом. В этом случае под дей-
ствием избыточного давления это тело начинаем перемещаться
Практическое воплощение этой идеи весьма разнообразно. По-
этому учитель может выбирать различные опьпы. в том числе и
такие, которые поразят воображение учащихся [10]
Полезно ознакомить учащихся с историей открытия атмосфер-
ного давления. Очень близко к понятию атмосферного давления
подошел Г. 1 алилей, когда пытался решить задачу, почему насосы
во Флоренции поднимали воду с глубин, не больших 10 м. 11онятне
атмосферного давления ввел в науку ученик Галилея Э. Торри-
челли. Для закрепления понятия атмосферного давления имеется
много интересных качественных задач тина: «Объясните действие
пипетки, поднятие воды за поршнем насоса» и т. д.
Опьп Торричелли по измерению атмосферною давления при-
надлежит к числу фундаментальных физических опыюв. К сожа-
лению, показать этот интересный опыт сейчас в школе нельзя.
Поэтому надо рассказать о нем учащимся, использовав для этого
диапозитивы и таблицы, моделируя его на ЭВМ.
Единицей атмосферного давления издавна является 1 мм рг. ст.
Давление 1 мм рт. ст. надо выразить в единицах СИ. Это сложная
задача, и ее лучше решать в классе, воспользовавшись формулой
p = pgh. Эту формулу должны вспомнить сами учащиеся. Устанав-
ливают. ч то давление 1 мм рт.ст. соответствует давлению 133,3 Па.
В качестве домашнего задания можно предложить школьникам вы-
разить атмосферное давление, равное 760 мм рг. ст., в единицах СП.
При изучении барометра-анероида семиклассникам показыва-
ют прибор и объясняю! его устройство с помощью таблицы, на
которой барометр-анероид предст авлен достаточно наглядно.
Очень важен вопрос об атмосферном давлении на различных
высотах. Для его изучения следует максимально активизировать
внимание учащихся. Вернемся к вопросу о давлении в жидкостях
и спросим ребят: «Изменяется ли давление с глубиной? Как оно
изменяется Можно ли го же сказать об атмосферном давлении?
Так ли оно изменяется, как давление в жидкости?» Учащиеся пра-
вильно ответят, что по мерс поднятия вверх высота столба атмо-
сферы уменьшается, поэтому уменьшается и давление воздуха. Но
существует еще и другая причина, приводящая к более быстрому,
чем в жидкости, уменьшению атмосферного давления с высотой.
Возможно, что некоторые школьники укажут на изменение плот-
ности воздуха с высотой (она уменьшается). Этот вопрос обяза-
тельно должен быть разъяснен учителем.
Действие жидкости и газа на погруженное в них тело. Данный
вопрос для курса физики является важным и не столь простым.
Возможны различные варианты методики изучения данного во-
проса. Опишем один из них.
Напоминают учащимся хорошо известный им факт: под водой
легко можно поднять камень, который с трудом поднимают в воз-
духе. Возникает необходимость выяснить целую совокупность
вопросов: 1) Какова причина данного явления? 2) Зависит ли вы-
талкивающее действие воды от формы, объема, плотности веще-
ства потруженного в нее тела? 3) Какие жидкости (кроме воды)
выталкивают погруженные в них тела? 4) Зависит ли выталкиваю-
щее действие жидкости от ее объема, плотности? 5) Зависит ли
выталкивающее действие жидкости от глубины погружения тела?
Вопросы сформулированы в такой последовательности, чтобы
ответ на каждый следующий можно было бы искать, учитывая
обобщение результатов экспериментов, поставленных с целью
получения ответа на предыдущий вопрос. Например, сначала все
опыты проводят с использованием воды и выясняют, какие свой-
ства тел могут влиять на результат действия воды на погруженные
в нее тела. Опыты позволяют установить, что для тел, плотность
вещества которых меньше плотности воды, выталкивающее дей-
ствие воды хорошо заметно - такие тела всплывают. Тела, плот-
ность вещества которых равна или больше плотности воды, также
выталкиваются водой, но для обнаружения этого необходимы
специальные измерительные приборы. Эти результаты помогают
правильной постановке опытов с целью получения ответа на тре-
тий и четвертый вопросы. Опыты, позволяющие получить ответ
на пятый вопрос, могут проводиться с любой жидкостью и лю-
бым телом. Анализируя и обобщая результаты опытов, учащиеся
приходят к следующим выводам: 1) причина уменьшения веса те-
ла при погружении его в жидкость - выталкивающее действие
жидкости на тело снизу вверх; 2) все жидкости выталкивают тела
снизу вверх; 3) все тела выталкиваются жидкостями; 4) выталки-
вающее действие жидкости на погруженное в нее тело зависит от
плотности жидкости и объема тела.
Эти же выводы могут быть получены теоретически при рас-
смотрении сил, с которыми жидкость действует на верхнюю и
нижнюю грани погруженного в нее параллелипипеда.
343
Значение архимедовой силы проще определить на опыте, ис-
пользуя прибор «ведерко Архимеда». Если добавить к этому при-
бору отливной сосуд со стаканчиком, то ребята воспримут опыт
лучше. Погруженное в жидкость тело вытесняет из отливного со-
суда в стаканчик воду. Эту воду выливаю! в ведерко, при этом
пружина растягивается до первоначальной длины.
Наличие архимедовой силы в газах также надо показать па опы-
те. Для этого можно взять большой стеклянный шар или большую
колбу, плотно закрытую пробкой, подвесить ее к укороченной
чашке рычажных весов и уравновесить. Под колбу ставят широкий
сосуд так, чтобы он окружал всю колбу, и наполняют его оксидом
углерода (IV) (углекислым газом). Равновесие весов нарушается.
Этот опыт хорошо получается с обычными школьными весами.
Итак, сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость
тело, равна весу жидкости в объеме этого тела.
На материал, связанный с архимедовой! силой, имеется доста-
точное количество качественных и количественных задач. Уча-
щиеся должны знать, что
^ = Рж£1'т-
где рж - плотность жидкости, а I т - объем тела.
Можно учащимся сообщить о законе Архимеда. Закон Архи-
меда формулируют обычно в следующем виде: « Голо, находящее-
ся в жидкости (или газе), теряет в своем весе столько, сколько ве-
сит жидкость (или газ) в объ ме. вытесненном телом >
5.6.	ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
При изучении тепловых явлений в базовом курсе физики в ка-
честве основных рассматриваются вопросы о тепловом движении,
теплопередаче и работе, изменении агрегатных состояний вещест-
ва и тепловых двигателях: в большей части этот материал в стар-
ших классах нс изучают. В программу в качестве основных поня-
тий включены: внутренняя энергия, два способа изменения внут-
ренней энергии (работа и теплопередача), виды теплопередачи,
количество теплоты, удельная теплоемкость вещества, удельная
теплота сгорания топлива и др. При этом подчеркнуто, что учеб-
ный материал, и в первую очередь изменение агрегатных состояний
вещества, должен быть объяснен на основе молекулярно-кинетиче-
ских представлений. В базовом курсе тепловые явления не скон-
центрированы в одной теме, а включены в три темы (Температура.
Внутренняя энергия. Тепловые машины.).
344
PaccMOTpi м методику изучения некоторых наиболее трудных
вопросов этих тем.
Приступая к формированию понятия о тепловом движении,
необходимо опираться на основные положения молекулярно-
кинетической теории. К этому времени уже усвоены такие поня-
тия, как механическое движение, траектория движения, скорость,
сила, что позволяет полнее раскрыть особенности движения и
взаимодействия молекул. Обращаю! внимание на то, что каждая
микрочастица участвует в механическом движении и к ней. от-
дельно взятой, применимы понятия траектории, скорости движе-
ния. Однако для большого числа микрочастиц характерно отсут-
ствие малейших признаков упорядоченности как в расположении,
так и в движении. В этих условиях нельзя применять привычные
понятия для характеристики механического движения; например,
бессмысленно говорить о скорости движения всего множества
движущихся микрочастиц или одной отдельно взятой микрочас-
тицы, а следует говорить лишь о средней скорости молекул.
Полезно еще раз напомнить школьникам о связи между скоро-
стью движения молекул и температурой тела.
Следует подчеркнуть, что тепловое движение представляет со-
бой новый вид движения, отличный от упорядоченного механиче-
ского движения. Оно характеризуется новыми, не присущими ме-
ханическому движению, чертами: хаотичностью и тем, что в неги
участвует множество объектов.
При формировании понятия внутренней энергии тела следует
исходит ь из того, что работа представляет собой меру изменения
или превращения энергии. Опыты должны иллюстрировать нали-
чие внутренней энергии у тел до их нагревания или совершения
над ними работы. К числу таких демонстраций относится опыт с
«картофельным пистолетом» под колоколом воздушного насоса
(рис. 115). При разрежении воздуха под колоколом картофельная
пробка вылетает из пробирки, что дает возможность сделать вы-
вод: воздух в пробирке совершил работу, следовательно, он обла-
дает энергией. Эта энергия в результате совершения работы
уменьшилась, поэтому воздух в пробирке охладился и в нем поя-
вился туман. Затем показывают, что работу могут совершить на-
гретые тела. Например, пар, образующийся в сосуде при нагрева-
нии воды, выталкивает пробку, закрывающую сосуд, т.е. совер-
шает работу. Таким образом восьмиклассников подводят к выводу:
тела, кроме механической, обладают и другим видом энергии -
внутренней энергией. Далее даю г определение внутренней энер-
гии: энергию движения и взаимодействия частиц, из которых со-
стоит тело, называют внутренней энергией. В курсе физики базо-
345
вой школы дают первоначальное понятие о внутренней энергии и,
разумеется, нс представляется возможным раскрыть все входящие
в нее компоненты. Дальнейшая задача заключается в том, чтобы
ознакомить учащихся со способами изменения внутренней энер-
гии тел, показать, что она может изменяться при совершении ра-
боты (телом или над телом) и при теплопередаче. Это следует по-
казать на ряде простых опытов, в которых основная идея не за-
слоняется побочными явлениями, например таких:
1.	Касаются руками колбы с изогнутой трубкой, пропущенной
через пробку (рис. 116), и наблюдают перемещение подкрашенной
капли воды в трубке. Явление объясняют расширением воздуха
при нагревании. Нагревание тела (воздуха) и увеличение его
внутренней энергии происходит благодаря соприкосновению с
другим телом, имеющим более высокую температуру, т. е. путем
теплопередачи.
2.	В манометрическую трубку (рис. 117) наливают подкрашен-
ную воду. Баллон, зажатый в штативе, натирают суконкой и на-
блюдают изменение уровня жидкости в трубках манометра. Объ-
ясняют явление и приходят к выводу: в данном опыте происходит
увеличение внутренней энергии тела (воздуха) в результате со-
вершения над ним механической работы.
3.	При быстром вдвигании поршня в приборе «воздушное ог-
ниво» происходит вспыхивание внутри трубки кусочка ватки, смо-
ченной эфиром. Это свидетельствует об увеличении внутренней
энергии воздуха и паров эфира в результате совершения механи-
ческой работы по и,х сжатию.
4.	На наковальню помещают небольшой кусок меди, предвари-
тельно подложив под него лист бумаги (теплоизоляция). Резко
ударяют 8-10 раз молотком по куску меди и помещают его на
термоскоп, соединенный с манометром, наполненным спиртом.
Разность высот уровней достигает 1,5-2 см, что хорошо заметно
346
даже с последних парт. Хорошие
результаты получают при ис-
пользовании в опыте микрома-
нометра. Делают вывод о нагре-
вании гел при ударе, об увеличе-
нии их внутренней энергии.
5.	Большую бутылку (можно
взять в кабинете химии двугор-
лую склянку) закрывают резино-
вой пробкой. Насосом нагнетают
в бутыль воздух, предварительно
накапав в нес неско ъко капель
Рис. 118
воды и бросив зажженную спичку для создания центров конден-
сации. При нагнетании воздуха в бутыль давление постепенно
увеличивается. При определенном давлении пробка вылезает из
бутылки, и в ней появляется туман. Это свидетельствует о том.
что воздух в бутыли охладился и его внутренняя энергия умень-
шилась в результате совершения работы (рис. 118).
Учащиеся приходят к выводу: внутренняя энергия зела может
изменяться (увеличивается или уменьшается) при теплообмене
данного зела с окружающими те гами и при совершении механи-
ческой работы. При анализе опытов предполагалось, что чем вы-
ше температура тела, тем больше его внутренняя энергия, и на-
оборот. Однако учителю нужно иметь в виду, что такое утвержде-
ние не всегда верно. Например, вода и лед одинаковой массы мо-
гут иметь одинаковую температуру, по различную внутреннюю
энергию. В старших классах знания учащихся о способах измене-
ния внутренней энергии расширяются.
Далее рассматриваются виды теплопередачи: теплопроводность,
конвекция, излучение.
Из жизненного опыта ученикам известен способ передачи теп-
лозы от одного тела к другому. Однако они недостаточно четко
представляют себе различие гел по теплопроводности. Поэтому
изучение теплопроводности следует начать с опыта: концы трех
стержней - стального, медного и алюминиевого - вводят в пламя
горе 1ки. Об изменении температуры частей стержней судят по
плавлению воска, которым по всей длине стержней предваритель-
но прикреплены спички (гвозди). Па основании опыта заключа-
ют: разные тела обладают различной теплопроводностью.
Можно показать и такой опыт. Деревянный цилиндр оберты-
вают листом белой бумаги и закрепляют ее кнопками по обра-
зующей. Этот цилиндр с закрепленными на нем кнопками сто раз
обертывают листом белой бумаги. Вносят цилиндр в пламя спир-
347
товки и перемещают его так, чтобы пламя охватило бумагу вдоль
цилиндра над кнопками. Показывают цилиндр. Ставят вопрос:
«Почему бумага, прилегающая к кнопкам, не обуглилась, а при-
легающая к дереву - почернела?» Этот результат опыта объясня-
ют тем, что теплопроводность железа во много раз больше, чем у
дерева. Обсуждение результата этого опыта приводи! к заключе-
нию: разные вещества имеют различную теплопроводность. Сле-
дует обратить внимание учащихся па хорошую теплопроводность
металлов и плохую - изоляторов (дерева, стекла, кирпича и др.).
Подчеркивают, что теплопередача приводит к выравниванию
температур, и объясняю т ее механизм. В процессе теплопроводно-
сти происходит перенос энергии, связанной с хаотическим тепло-
вым движением микрочастиц, само же вещество от нагреваемого
конца тела к другому его концу нс перемещается.
При изучении конвекции следует подчеркнуть, что изменение
температуры воды или воздуха (жидкости или газа) во всем объе-
ме осуществляется путем перемещения неравномерно нагретых
слоев. Данное явление демонстрируют на простых опытах, опи-
сывать которые здесь излишне. Обязательно нужно разъяснить
школьникам примеры конвекции в природе и технике (ветер, тяга,
центральное водяное отопление и др.).
Излучение как вид теплопередачи связано с излучением и по-
глощением частицами вещества электромагнитных волн и поэто-
му не может быть объяснено учащимся в это время обстоятельно.
Однако этот вид теплообмена имеет исключительное значение в
жизни растительного и животного мира, в науке и технике и не
рассматривать его нельзя. Ознакомление с ним следует прово-
дить, широко используя эксперимент. Необходимо подчеркнуть
отличие излучения от всех ранее известных учащимся способов
теплопередачи. С этой целью проводят следующий проблемный
опыт, который показывает, что, кроме известных школьникам
способов передачи теплоты - конвекции и теплопроводности, су-
ществует еще один неизвестный им способ.
Нагретую гирю помещают в одной горизонтальной плоскости
с термоскопом (рис. 119). Капля в трубке термоскопа перемещает-
ся. указывая па расширение воздуха в термоскопе от нагревания,
хотя нагреватель и не соприкасался с термоскопом и не находился
под ним. Формулируют проблему: «Почему капля в термоскопе
перемещается и тогда, когда нагреватель расположен на одном
уровне с термоскопом?» Учащиеся говорят, что в данном случае
теплота передается от нагретого воздуха с помощью невидимого
глазом излучения. При теплообмене посредством излучения на-
личие среды необязательно, передача энергии может происходить
348
и в вакууме, например при пере-
даче энергии от Солнца к Земле.
Теперь переходят к формиро-
ванию понятия о количестве теп-
лоты как о физической величине,
которую можно измерять Снача-
ла приводят примеры из окружа-
ющего ребят мира, помогающие
понятие усвоить. Учащихся легко
убедить в том, что количество
теплоты, затрачиваемое на нагре-
вание тела, зависит от изменения
его температуры. Количество те-
плоты также зависит от массы тела. Как показывает жизненный
опыт, чем больше масса тела, тем большее количество теплоты
требуется для нагревания тела до одной и той же температуры.
Обобщая оба случая, говорят о том, что для расчета количества
теплоты следует массу тела умножить на разность температур те-
ла в начале и конце теплообмена, а также учесть, из какого веще-
ства состоит тело. Гак как количество теплоты является мерой
изменения внутренней энергии тела, то выражается оно в едини-
цах энергии, например в джоулях.
До перехода к калориметрии необходимо еще раз убедиться в
том. что учащиеся имеют правильные понятия о температуре и
количестве теплоты и не отождествляют их. Это различие можно
оттенить постановкой вопроса: «Почему теплая печь нагревает
воздух в холодной комнате, а горячий утюг практически не нагре-
вает, хотя его температура значительно выше температуры нато-
пленной печи?» В качестве примера, отчетливо подчеркивающего
разницу между количеством теплоты и температурой, можно при-
вести и такой: при таянии льда ему сообщают некоторое количе-
ство теплоты, а температура остается постоянной.
Изучение предыдущего материала подготовило учащихся к
пониманию того, что изменение внутренней энергии при теплопе-
редаче зависит и от рода вещества. Эта зависимость оценивается
особой величиной, называемой удельной теплоемкостью. Для пе-
рехода к понятию удельной теплоемкости проводят ряд опытов.
Например, показывают, что три цилиндра одинаковой массы -
алюминиевый, медный и стальной, - первоначально нагретые до
температуры 100°С, отдают восковой пластине разное количество
теплоты, охлаждаясь до комнатной температуры.
После определения понятия удельной теплоемкости необходи-
мо это понятие закрепить, анализируя таблицу удельной теплоем-
349
кости веществ. Например, надо обсудить вопрос, что означает
запись: смеДи = 377 Дж/(кг°С). Это означает, чго внутренняя энер-
гия меди массой 1 кт при нагревании его на 1°С увеличивается на
377 Дж. Необходимо обратить внимание школьников на большую
теплоемкость воды, на различие удельной теплоемкое!и вещества
в различных агрегатных состояниях. Большую теплоемкость воды
иллюстрируют примером из природы: климат островов гораздо
умереннее и ровнее, чем климат больших материков, вследствие
большой теплоемкости окружающих водных масс.
Когда учащиеся уясня! смысл удельной теплоемкости и харак-
тер зависимости количества теплоты от удельной теплоемкости,
массы тела и разности температур, вводят формулу О - ст(12 - б).
Для ее закрепления решают в основном задачи на определение
количества теплоты Q.
Учащимся уже известно, что всякое тело, кроме механической,
обладает еще и внутренней энергией. Следовательно, и топливо
(бензин, керосин, дрова и др.) обладает внутренней энергией. При
горении топлива происходят процессы перестройки молекул. Из-
меняются си 1ы взаимодействия между молекулами и характер их
движения. I аким образом, при горении топлива внутренняя энер-
гия топлива изменяется. Все виды топлива обладаю! внутренней
энергией, и при сгорании происходи! выделение энергии. Количе-
ство теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива массой
1 кт, называют удельной теплотой сгорания топлива.
Анализируют таблицу удельной iciuioibi ст орания топлива, до-
биваясь от учащихся понимания физическою содержания этой ве-
личины. В порядке закрепления решают задачи, как качественные,
так и количественные, по формуле Q = qm. Знания учащихся о
способах изменения внутренней энергии путем совершения рабо-
ты, теплопередачи или при химических процессах (сгорании), сле-
дует обобщить.
Далее целесообразно обсудить вопрос о законе сохранения и
превращения энергии в механических и тепловых процессах. Этот
закон является обобщением всего материала. Демонстрация колеба-
ний нитяного маятника поможет учащимся вспомнить закон сохра-
нения механической энергии тела. Ставят вопрос: «Почему приве-
денный в движение маятник через некоторое время останавливает-
ся7» Обобщают ответы учащихся: механическая энергия мая!ника
нс исчезла, а превратилась в кинетическую энергию молекул, т. с.
во внутреннюю энергию системы (воздух, нить, маятник и др.).
Учитывая важность закона сохранения и превращения энергии,
а также сложность и абстрактность связанных с ним понятий, сле-
дует показать еще ряд опытов и привест и примеры взаимного пре-
350
вращения энергии в механических и тепловых процессах (на-
гревание монеты при натирании ее на бумажном листе, положен-
ном на стол, движение автомобиля за счет энергии сгоревшего
бензина и г. д.).
После демонстрации опытов, анализа результатов лаборагор-
ной работы (уравнение теплового баланса при смешивании горя-
чей и холодной воды), обсуждения ряда примеров из окружающей
жизни формулируют закон сохранения полной энергии.
Одна из важных иллюстраций закона сохранения и превраще-
ния энергии - рассмотрение энергетических превращений, проис-
ходящих в природе. Обращают внимание школьников на то, что
существующие на Земле виды энергии в основном появились за
счет Солнца.
Развитие понятия внутренней энергии происходи! при изучении
изменения агрегатных состояний! вещества, так как при изучении
процессов нагревания тел и сгорания топлива не представлялась
возможность разъяснить учащимся понятие о той части внутрен-
ней энергии, которая зависит оз энергии взаимодействия молекул.
Этой части внутренней энергии уделяется основное внимание при
изучении изменения агрегатных состояний вещества. В результате
учащиеся усваивают, что внутренняя энергия вещества изменяется
не только при изменении температуры, по и при переходе из одного
агрегатного состояния в другое (при плавлении твердых тел, отвер-
девании жидкости, парообразовании и т. д.). Понимание учащи-
мися того, что при плавлении и кипении часть подводимого ко-
личества теплоты расходуется только на работу разрушения свя-
зей между частицами, позволяет уяснить смысл формул Q = Xm и
Q = rm. Для закрепления материала полезны качественные задачи
гппа: «Вода и лед находятся при температуре 0°С. Какое вещество
обладает большей внутренней энергией? Почему? Растает ли лед,
если его поместить в воду, температура ко торой О °C? Будет ли пла-
виться свинец, если его бросить в расплавленное олово?» и т. д.
Завершается изучение тепловых явлений рассмотрением тепло-
вых двигателей. Этот материал имеет ярко выраженную политехни-
ческую направленность, которая позволяет учителю тесно связать
многие теоретические вопросы с их практическим применением.
Основная же задача при изучении данного вопроса - расширить
представления учащихся о превращении энергии молекул (кинети-
ческой и потенциальной) в механическую энергию тела и механи-
ческой энергии во внутреннюю в соответствии с законом сохра-
нения и превращения энергии. Причем сначала предстоит изучить
физические основы тепловых двигателей, а затем устройство и
принцип работы тепловых двигателей. Программой предусмот-
рено изучение устройства и действия паровых турбин и поршне-
вых двигателей внутреннего сгорания.
Можно считать, что учитель выполнил свою задачу, если школь-
ники усвоят, что пар (или газ) может соверши! ь работу только
тогда, когда он не находится в тепловом равновесии с окружаю-
щей средой, что процесс преобразования внутренней энергии газа
(пара) в механическую может быть осуществлен с помощью раз-
личных двигателей (поршневых и роторных), чю в паровом дви-
гателе внупэенняя энергия сгоревшею топлива преобразуется в
механическую посредством расширения пара, а в двигателях
внутреннего ci орания (ДВС) это преобразование происходит по-
средством расширения нагрето! о газа.
Рассказываю! об устройстве и действии четырехтактною дви-
гателя внутреннего сгорания. Обращают внимание учащихся на
наличие в ДВС нагреватепя, рабочею тела (газообразные продук-
ты ст орания) и холодильника.
При объяснении устройства и действия ДВС следует использо-
вать плакаты, видеофильмы и зарисовки иа доске. Учащиеся долж-
ны уметь выполнять схематические рисунки четырех тактов дви-
гателя и объяснять процессы, происходящие при этом в ДВС.
В заключение учащихся знакомя! с устройством и принципом
действия паровой турбины При рассказе об устройстве и работе
паровой турбины отмечают то общее, что подчеркивает сходство
паровой турбины с двшателем поршневого птити а также различия
в их рабою и устройстве. В турбинах струи пара, вырывающиеся
из сопел, оказываю! значительное давление на лопатки, насажен-
ные надиск турбины, и приводят диск во вращательное движение.
Пар. проходя через лопатки, отдает диску часть своей энергии
В паровой турбине ист поступательно-возвратных движений ее
частей (поршня, штока, шатупно-крнвошииною устройства), что
выгодно отличает ее от поршнсвои машины.
Необходимо также остановиться иа экологических проблемах,
связанных с использованием iей товых машин, и путях их решения.
Для интересующихся физикой учащихся в программе есть раз-
личные дополнительные вопросы (разнообразные типы ДВС
тазовая турбина, реактивный двигатель, холодильная установка).
5.7.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Совокупность вопросов об электрических и магнитных явле-
ниях в базовом курсе физики рассматривается в нескольких темах:
«Электрические явления». «Электрический ток». «Электрическая
352
цепь», «Магнитное поле», «Электромагнитные явления», «Полу-
проводники. Полупроводниковые приборы».
Рассмотрим кратко методику изучения основных вопросов.
Электрический заряд одно из самых сложных для учащихся
физических понятий. К нему, по давно уже устоявшейся традиции,
подводя! учащихся на основе опытов по электризации тел. В на-
стоящее время имеется много материалов, с которыми опыты по
электризации получаются хорошо: стекло, эбонит, плексиглас, кап-
рон, нейлон, пластмассы, шерсть, шелк и др. В литературе описано
много занимательных опытов по электризации тел. Это позволяет
даль учащимся домашние задания экспериментального характера,
которые они обычно с большим удовольствием выполняют.
Изучение электризации тел можно начать с рассказа о том, что
еще в глубокой древности было открыто свойство янтаря притя-
гивать мелкие предметы после натирания его шерстью. Далее
учитель ставит и последовательно ищет с помощью эксперимента
ответы на следующие вопросы: I) Только ли янтарь при натира-
нии шерстью электризуется? 2) Обязательно ли натирать тела
шерстью? 3) Обязательно ли тереть тела друг о друга? 4) Электри-
зуются оба или одно из соприкасающихся тел? 5) Отличаются ли
друз от друга заряды, полученные на телах, сделанных из разных
веществ? 6) Зависит ли род заряда, полученного на данном теле,
от вещества, из которого состоит тело, соприкасающееся с дан-
ным? 7) Как взаимодействуют тела, имеющие заряды одинакового
знака (противоположного знака)?
Изучение явления электризации должно привести к формиро-
ванию у школьников твердых убел дений в том. что электриче-
ский заряд всегда связан с материальным носителем - телом, час-
тицей и. с одной стороны, характеризует свойство материальных
носи гелей «притягивать к себе другие тела» (т. е. способность ' ел
к электромагнитному взаимодействию - последнюю фразу для
учащихся учитель нс произносит), а с другой - является количест-
венной мерой этого взаимодействия.
Электрическое поле. Современные представления о взаимодей-
ствии наэлектризованных тел опираются, как известно, на пред-
ставления о неразрывной связи заряженной частицы с электро-
магнитным полем. Поэтому пр01раммой предусматривается вслед
за введением понятия электрического заряда ввести понятие об
электрическом поле.
Понятие электрического поля вводят, как и понятие заряда, без
определения. Напряженность электрического поля Е нс вводится,
весь материал рассматривается на качественном уровне. Ссылаясь
па работы Фарадея и Максвелла, учитель утверждает, что в про-
12 2784
353
странстве. где находится электрический заряд, существует электри-
ческое поле. Взаимодействие между заряженными телами осуще-
ствляется посредством электрического поля, которое с помощью
наших органов чувств непосредственно не воспринимается, о его
существовании судят по изменению положения или скорости дви-
жения внесенного в него другого заряженного тела. Чтобы уча-
щиеся привыкли «видеть» вокруг каждого заряженного тела элек-
трическое поле, необходимо ставить перед ними вопросы такого
типа: «Какие изменения произойдут с телом и в окружающем его
пространстве, если металлический шар, изолированный от земли,
потереть мехом? Если прикоснуться к металлическому шару за-
ряженной палочкой?» и т. п. Важно научить ребят определять, за-
ряжено данное тело или нет по наличию (или отсутствию) вблизи
него электрического поля. Учащиеся должны знать, что для отве-
та на этот вопрос нужно расположить вблизи исследуемого тела
другое заряженное тело, способное легко изменить свое положе-
ние под действием малой электрической силы (например, метал-
лическую гильзу, подвешенную на шелковой нити). Если это тело
изменит свое положение, значит на него подействовало электри-
ческое поле и, следовательно, исследуемое тело имеет электриче-
ский заряд.
Электрон. Строение атомов. Чтобы рассмотреть строение ато-
мов, необходимо ввести понятие об электроне. Сделать это не-
просто, ведь электрон не воспринимается органами чувств. Мож-
но ли ввести это понятие не догматически? Можно, если действо-
вать но аналогии с введением понятия молекулы. Для этого уча-
щимся показывают, что электрический заряд делим. Можно по-
1111
лучить — q, — </. -q,—q и т. д. Очевидно, существует предел де-
2 4 8	16
лимости электрического заряда - заряженная частица, имеющая
наименьший в природе электрический заряд. Подобно тому как
существование наименьшей частицы данного вещества в этой ло-
гике рассуждений кажется школьникам вполне естественным, так
и существование электрона - частицы с наименьшим электриче-
ским зарядом - воспринимается ими как факт, не требующий спе-
циальных доказательств. Поэтому дальше можно сказать: дейст-
вительно, с помощью очень тонких экспериментов, позволивших
измерить малые изменения электрического заряда, такая частица
была обнаружена. Эту частицу назвали электроном.
Теперь можно обратить внимание школьников на то, что
имеющиеся у них знания об электрических явлениях позволяют
получить новые сведения о строении вещества. Действительно,
они знают, что тела, состоящие из различных веществ, могут быть
354
наэлектризованы, т. е. могут приобрести электрический заряд; ч го
существует наименьший электрический заряд - заряд электрона.
Следовательно, заряд любого тела связан с зарядом электрона, а
значит. элек троны должны быть в любом теле. По все тела состоят
из атомов и молекул. Значит, электроны должны быть внутри
атомов. Эго - типотеза, которую необходимо провершь экспери-
ментально. Здесь следовало бы рассказать об опыте Э. Резерфорда,
но этого опыта в программе нет. П тем нс менее вводить сведения
о строении атома догматически не следует. Целесообразно про-
должить рассуждения об атоме: если электрон находится внутри
атома, то внутри атома должны находиться и положительно за-
ряженные частицы, суммарный заряд которых равен суммарному
заряду электронов, так как атом в обычных условиях нейтрален.
Следовалельно. опы т должен иметь цель - определить, как распо-
ложены внутри атома положительные и отрицательные заряды.
Сделать эго можно единственным способом - обстреливая атомы
заряженными частицами и наблюдая за изменением направления
их движения вследствие взаимодействия этих частиц с заряжен-
ными частицами атома. Далее следует сказать, что такой опыт
был проделан Э. Резерфордом. Опыт английского физика пока-
зал. что положительный заряд атома сосредоточен в очень ма-
леньком обьеме. а электроны расположены на большом расстоя-
нии от положительного заряда атома. По результатам опыта
3. Резерфорд построил модель атома, в которой атом но своему
строению напоминает нашу Солнечную систему. Подобно тому
как планеты, притягиваясь к Солнцу, движутся вокруг него, так и
электроны в атоме движутся вокруг положительно заряженного
ядра, удерживаемые силами притяжения к нему.
При рассмотрении ядерион модели атома важно создать у
школьников правильные представления о соотношении размеров
ядра, электронов и атома в целом Для этого целесообразно при-
бегну гь к приему сравнения, подобно тому как это было сделано
при оценке размеров молекул: если весь атом увеличить так, чтобы
ядро приняло размеры десятикопеечной монеты, то расстояние
между ядром и электронами стало бы равно целому километру.
Для формирования представлений о строении атомов весьма
важную роль играет самостоятельная работа учащихся по изго-
товлению н гасгнлиновых моделей различных химических элемен-
тов. Учащиеся должны привыкнуть к тому, что порядковый но-
мер химического элемента в таблице Менделеева характеризует
заряд атома и соответственно число электронов в этом атоме. Они
должны научиться быстро отвечать на вопросы типа, сколько
электронов содержит атом водорода, кислорода, урана п т. д.?
355
Для моделирования строения атомов необходимо рассказать, что
ближайшая к ядру электронная оболочка может содержать не бо-
лее двух электронов, а следующая - не более восьми, а затем
предложить школьникам вылепить из цветного пластилина моде-
ли атомов водорода, гелия, лития, бериллия, бора, углерода, азо-
та, фтора, неона с учетом правил заполнения электронных оболо-
чек и строения ядра. На этих моделях легко показать учащимся,
как образуются положительные и отрицательные ионы. Вслед за
изготовлением пластилиновых моделей следует потренировать
учащихся в графическом изображении моделей строения атомов и
ядер различных химических элементов.
Понятие «электрический заряд», «электрон», «ион», «электри-
ческое поле» продолжают формировать и дальше, при объясне-
нии электризации тел, электрического тока в металлах, принципа
действия источника тока, причины сопротивления проводников,
теплово! о действия тока, электромагнитных явлении
Электрический ток. Электрическая цепь. Приступая к изучению
данного вопроса, ученики знают уже, что в каждом теле имеются
электроны, обладающие отрицательным электрическим зарядом.
В металлах часть электронов слабо связана с ядрами атомов.
Электрическим зарядом обладают и другие частицы вещества -
ионы. Все это позволяет дать определение электрического тока
как упорядоченного движения заряженных част иц
После этого ставшся вопрос: что нужно для того, чтобы элект-
рический ток возник в проводнике и существовал в нем дпительное
время? Для ответа на этот вопрос обращаются к опытам. Интерес
представляет опыт, в котором легкий шарик, подвешенный на
шелковой нити между двумя заряженными пластинами, колеблется.
Одна из пластин соединена с электрометром (рис. 120). По мере
того как шарик движется, прикасаясь поочередно к пластинам с
разноименными зарядами, электрическое иоле между пластинами
убывает, что отмечается электрометром. Если электрического поля
между пластинами не будет, прекратится движение шарика. Этот
Г
опыт очень поучителен, его можно рас-
сматривал» как модель электрического тока.
Обобщая результаты опыта, приходят к вы-
воду: чтобы в проводнике существовал элек-
трический ток. необходимо все эго время
поддерживать в нем электрическое поле. Та-
ким путем учащихся подводят к пониманию
необходимости источников тока.
Рис 120
Название «источник тока» не совсем
точно выражает функции устройств, служа-
356
щих для получения электрического тока, и некоторые методисты
предлагают для них свои названия: «генератор тока», «источник
электрического поля». Но вряд ли следует отказываться от уста-
нови вшег ося термина.
Далее рассказывают, что в любом источнике тока совершаегся
работа по разделению положительно и отрицательно заряженных
частиц, между которыми действуют силы притяжения. Эта работа
совершается силами неэлектрической природы. В процессе такой
работы на одном полюсе источника накапливаются частицы, за-
ряженные положительным зарядом, на другом - отрицательным.
Между полюсами возникает электрическое поле. Когда полюса
соединяют между собой металлическим проводником, то электри-
ческое поле возникает в проводнике. Под действием этого поля
свободные заряженные частицы, например электроны, имеющиеся
в проводнике, станут двигаться в направлении от отрицательного
полюса источника к положительному, в проводнике возникает
электрический ток.
Для уяснения того, что в источнике происходят превращения
нсэлектрпческих видов энергии в электрическую, учащимся пока-
зывают работу элекгрофорноп машины, термоэлемента и фото-
элемента (последние берут из набора полупроводников, выпускае-
мого промышленностью) и предлагают ответить па вопрос: «Какие
превращения энергии происходят в данном источнике тока?»
Более подробно (но без анализа химических реакции) рассмат-
ривают гальванические элементы и аккумуляторы. Для опытов
надо использовать набор по электролизу, имеющийся в школьном
физическом кабинете.
С электрической цепью учащихся надо ознакомить в процессе
лабораторных работ. Умение составлять схемы электрических
цепей и знание названий отдельных элементов цепи придут к
школьникам постепенно, в процессе дальнейших занятий по элек-
тричеству.
Электрический ток в металлах. При изучении предшес твующего
материала учащиеся ознакомились с кристаллическим строением
твердых тел, к числу которых относятся и металлы. Здесь вводят
понятие кристаллической решетки и рассказывают о том, что в
узлах решетки металла расположены атомы, обладающие положи-
тельным зарядом, т.е. лишенные одного или нескольких электронов
(положительные ионы). В пространстве между этими ионами на-
ходятся свободные, т.е. не связанные с ядрами своих атомов,
электроны. В отсутствие электрического поля движение свободных
электронов хаотическое, а скорости их зависят от температуры.
По если в металле создать электрическое поле, то свободные элек-
357
троны начнут двигаться в направлении действия электрических
сил, при этом их хаотическое движение, называемое тепловым,
сохраняется. По проводнику пойдет электрический ток.
Далее следует выяснить вопрос о скорости распространения
электрическою поля по проводнику, которая равна скорости све-
та. В го же время скорость упорядоченного движения электронов
в проводнике очень мала. Разъяснить эго поможет сравнение ско-
рости распространения электрического поля в проводнике со ско-
ростью распространения избыточного давления воды (газа) в во-
допроводе и скорости упорядоченного движения электронов со
скоростью движения некоторого объема воды (газа) по трубам.
Действие электрического тока. С некоторыми действиями элек-
трического юка учащиеся встречались в быту, поэтому нужно
выявить эти знания, а затем обратиться к эксперименту.
I епловое дейс т вне тока следует продемонстрировать следую-
щим образом. Между двумя штативами натягиваю! никелиновую
или нихромовую проволоку (диаметром 0.5 мм) и подключают ее
к источнику гока (можно воспользоваться переменным током).
Увеличивая напряжение, нагревают проволоку до свечения, при
этом она прогибается, на что обращают внимание школьников.
у (ля демоне Гранин химического действия тока берут раствор
любого электролит а, например сульфита меди (медного купороса),
опускают в него два чистых угольных электрода (из набора по
электролизу) и подсоединяют их к пег очнику тока. Через несколько
минут, вынув электроды из раствора электролиза, обнаруживают,
чю один из них покрылся слоем вещества (в данном случае, меди).
Магнитное действие тока обнаруживаю г по притяжению к
стальному сердечнику, вставленному в катушку от школьного раз-
борного трансформатора, спальных скрепок, если катушку при-
соединить к источнику постоянного гока (выпрямителю).
Сила тока. Амперметр. Представление о сильном и слабом
электрическом токе можно дать на основе опытов, воспроизво-
дящих различные его действия Опыты показывают, чю интен-
сивность (степень действия) электрического тока зависит от заря-
да. проходящего но цепи в течение I с. Учащиеся должны понять,
что чем больше частиц переместится от одного конца цепи к дру-
гому, гем больше общий заряд, перенесенный частицами. Элек-
трический заряд, проходящий через поперечное сечение провод-
ника в 1 с. определяет силу тока в цепи.
Надо сказать учащимся, что в 1948 г. на IX Международной
конференции но мерам и весам было решено в основу определения
единицы силы тока положить явление магнитного взаимодейст-
вия двух проводников с током.
358
Для ознакомления школьников с этим	° +
явлением на опыте удобно использовать (	 о_
станиолевые ленты, они легки и подвиж-
ны. На рис 121 показана схема включе-	* "—-
ния станиолевых лент в цепь. После этого	о—
вводят определение силы тока.	'
С амперметром и правилами включе-
ния его в цепь надо ознакомить школь- ''	----
ников на лабораторной работе «Сборка
электрической цепи и измерение силы
тока в различных участках цепи». Осо-	Рис. 121
бое внимание следует обратить на то,
что сила тока во всех последовательно
соединенных участках цепи одинакова.
Напряжение. Вольтметр. Напряжение относится к таким поня-
тиям, которые с трудом воспринимаются учащимися. В методиче-
ской литературе можно найти описание различных методических
приемов введения этой величины, особенно рекомендуют исполь-
зовав различные аналогии - механическую, гидро-, аэро- и тер-
модинамическую. Однако, как показывает опыт, каким бы мето-
дическим приемом учитель ни пользовался, большинство учащих-
ся не воспринимают сразу это понятие, они постепенно к нему
«привыкают». Это факт, с которым приходится считаться.
В настоящее время при введении понятия «напряжение» анало-
гии не применяют, а используют энергетический подход. Опира-
ясь на знание учащихся о том, что чем больше сила тока в цепи,
гем интенсивнее его действие, тем большую pa6oiy он совершает,
просят обратить внимание школьников на то, что при одной и
гой же силе тока в цепи лампа, включенная в городскую сеть, дает
больше света и тепла, чем лампа oi карманного фонаря.
Следовательно, работа электрического тока А зависит не толь-
ко от силы тока. т.с. от заряда, протекающего по цепи в 1 с, но и
от другой физической величины - электрического напряжения U.
Электрическим напряжением называют величину, равную от-
ношению работы гока на данном участке к электрическому заря-
ду, прошедшему по этому участку. Следует также обратить вни-
мание учащихся на го, что напряжение существует как на концах
любого участка электрической цени с током, так и на полюсах
источника гока. Единица напряжения - вольт - вводится через
г.	. n I Дж
единицу работы и заряда: 1В =	-.
1 Кл
Учащиеся должны знать значения напряжений, часто встре-
чающихся в практике: сухого элемента - 1,5 В, кислотного акку-
359
мулятора - 2 В. напряжение в осветительной сети 127 и 220 В и
др. Целесообразно составит > таблицу различных напряжений и
вывесить се в классе. Полезно провести беседу о мерах безопасно-
сти при работе с источниками напряжения.
Измерение напряжения вольтметром демонстрируют в классе,
но навыки работы с вольтметром учащиеся должны приобрести
па лабораторной работе «Измерение напряжения на различных
участках электр аческой цени». Школьники должны хорошо усво-
ить, что вольтметр включается параллельно тому участку, на ко-
тором измеряют напряжение.
Сопротивление. Закон Ома для участка цепи. Сначала устанав-
ливают на опыте зависимость силы тока от напряжения. Для этого
собирают цепь, состоящую из последовательно включенных источ-
ника тока, амперметра, спирали из никелиновой проволоки, ключа
и параллельно присоединенного к спирали вольтметра. Замыкают
цепь и записывают показания приборов. Если в качестве источника
тока использовать аккумуляторы, то напряжение на спирали мож-
но менять подключением к первому аккумулятору второго такого
же аккумулятора (внутреннее сопротивление аккумуляторов очень
мало, поэтому напряжением на нем можно пренебречь). Если же
источник тока - выпрямитель, то необходимые напряжения на кон-
цах проводника устанавливают с помощью реостата, на чем пока
нс следует фиксировать внимание ребят. Напряжение в этом слу-
чае измеряюг вольтметром. Результаты опыта заносят в таблицу.
Анализ результатов опыта показывает, что сила тока в проводни-
ке прямо пропорциональна напряжению на концах проводника.
Далее перед учащимися ставят вопрос: «Зависит ли сипа тока
от свойств проводника?» Демонстрируют опыт с двумя проводни-
ками. Для такого опыта можно использовать эталоны сопротив-
лении, но нагляднее опыт получается с двумя линейными провод-
никами - никелиновыми или железными. Хорошо подобрать та-
кие проводники, чтобы сопротивление одного было больше или
меньше другого в два или три раза. Напряжение на проводниках
при этом поддерживают одинаковое. Опыт показывает, что сила
тока в цепи зависит нс только от напряжения, но и от свойств
проводников, содержащихся в цени. Зависимость силы тока от
свойств проводника объясняется тем, что различные проводники
обладают различным сопротивлением R. Таким образом, сопро-
тивление проводника нс определяют, а вводят описательно для
дальнейшего изучения, подобно тому как вводили понятие массы,
силы, энергии и некоторые другие.
Наличие сопротивления у проводника следует объяснить на
основе электронной теории.
360
Затем вводя г единицу сопротивления 1 Ом: Юм > а также
кратные единицы сопротивления: 1 кОм = 1000 Ом и 1 МОм =
= 1 000 000 Ом.
Далее переходят к рассмотрению закона Ома. Связь между на-
пряжением и силой тока была уже установлена на опыте. Учащие-
ся знают, что сила тока в цепи прямо пропорциональна напряже-
нию на концах данною проводника или на концах участка цепи.
Обращая на это еще раз их внимание, надо подчеркнуть, что сила
тока в цепи прямо пропорциональна напряжению, если сопротив-
ление участка цепи (проводника) не меняется.
Затем на опыте демонстрируют зависимость силы тока от со-
противления участка цепи при неизменном напряжении на его
концах.
В качестве источника тока хорошо использовать аккумулятор.
В цепь по очереди включают эталоны сопротивлении в 1. 2, 3 Ом.
Силу тока определяют по показаниям амперметра. Демонстраци-
онный вольтметр фиксирует одинаковое напряжение на концах
проводников. В случае если в качестве источника тока использу-
ют выпрямитель, го для поддержания одинакового напряжения на
концах проводников нужен реостат.
Результаты опыта заносят в таблицу и но ним строят график.
Затем делают вывод: при одинаковом напряжении на концах про-
водника сила тока обратно пропорциональна его сопротивлению.
Установив зависимость силы тока от напряжения и сопротивле-
ния, формулируют закон Ома.
На применение закона Ома в классе необходимо разобрать не-
сколько примеров, решить простые задачи на определение силы
тока А напряжения U. сопротивления R.
Далее ставят перед учащимися вопрос: «Ог чего и как зависит
сопротивление проводника?» Основываясь на знании природы
электрического сопротивления, школьники высказывают своп
предположения. Па основе анализа этих высказываний выдвига-
ют гипотезу, чго сопротивление проводника должно зависеть от
его размеров и рода вещества, из которого он изготовлен. Эти
предположения затем проверяют экспериментально.
Выводы делают на основе результатов измерений, занесенных
в таблицу. Вводят понятие удельного сопротивления и единицу
удельного сопротивления - 1 Омм удельное сопротивление
проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2 и
имеющего сопротивление 1 Ом. На практике обычно имеют дело
с тонкими проводниками, поэтому единицей удельного сопротив-
361
.пения считают 1 Ом-мм2/м. Формулу R = p— выводят в порядке
обобщения результатов опытов
Целесообразно тщательно рассмотреть таблицы удельных со-
противлении некоторых веществ и решить совместно с учащимися
несколько примеров на расчет сопротивления проводников.
Реостат - очень важный прибор, поэтому его устройство и
включение в цепь нужно очень тщательно рассмотреть на уроке.
Желательно при этом использовать фронтальный эксперимент.
Внимание учащихся обращают на то, что для изготовления
реостатов используют проволоку из материала с большим удель-
ным сопротивлением. Ученики должны хорошо усвоить, что в
паспорте реостата указано наибольшее сопротивление реостата и
наибольшая сила тока. Превышение последней приводит к порче
реостата. Подробнее ознакомление с работой реостата происходит
на лабораторной работе «Регулирование силы тока реостатом».
В классе необходимо разобрать примеры решения задач на со-
. r U	п 1
вместнос применение формул: 1 = — и R = р—, а затем организо-
R S
вать самостоятельную работу с учащимися по решению задач.
Соединение проводников в цепи. С последовательным и парал-
лельным соединением проводников школьники уже встречались при
ознакомлении с амперметром и вольтметром. Целесообразно выяс-
нить. помнят ли они правила подключения в цепь амперметра и
вольтметра. Для этого предлагают им нарисовать схему электриче-
ской цепи, состоящей из источника тока, электрической лампы, клю-
ча, амперметра и вольтметра, измеряющего напряжение на лампе.
Последовательное и параллельное соединение проводников
очень натлядно можно показать учащимся на сетевых электриче-
ских лампах (напряжением 127 и 220 В). Для опытов необходимо
иметь несколько ламп: четыре лампы на одинаковую мощность
15-16 Вт и одну-две лампы мощностью 40-60 Вт.
В начале опыта две одинаковые лампы включают последова-
тельно, а две такие же - параллельно. Лампы в патронах распола-
гают па вертикальных подставках. В цепи с последовательным
соединением ламп вывертывают одну лампу, цепь при этом раз-
рывается и вторая лампа гаснет. При выключении же одной лампы
в случае параллельного соединения другая лампа будет светить.
Мощность и работа электрического тока. При рассмотрении
этого вопроса упор делается не на работу тока, а на его мощ-
ность. Это вызвано тем, что в паспорте электрических приборов,
электродвигателей и тенераторов в качестве одной из основных
характеристик указана всегда мощность.
362
Учащимся известно, чго мощность есть физическая величина,
равная отношению работы ко времени, за которое работа совер-
шена. Введем 1еперь формулу мощности электрического тока.
Дпя этого надо вспомнить, как определя ш напряжение на концах
участка цепи: U = — или £/ = —. но — =Р по определению, по-
ту	II l
этому P = IU.
Заметим, что, вместо того чтобы всякий раз говорить: «лампа
рассчитана па ток мощностью 200 Вт», принято говорить: «лампа
мощностью 200 Вт». Последнее выражение, строго говоря, непра-
вильно, так как лампа ие обладает мощностью. По при горении
лампы можно считать, что се мощность равна мощност гока в
ней. Точно так же надо понимать выражение: «мощность элек-
трической плитки, пылесоса, полотера и т. и.»
По мощности легко определить работу электрического тока за
любой промежуток времени: .4 - Pl.
На практике используют единицы работы: 1 Вг-ч = 3600 Дж.
1 кВт-ч =3 600 000 Дж.
Дтя измерения работы электрического тока нужны три прибо-
ра: вольтметр, амперметр п часы, Эти приборы можно заменить
одним - счетчиком электроэнергии. Изучение счетчика не входит
в программу, по учащимся полезно дать домашнее задание по
подсчету расходуемой энергии. Па работу и мощность электриче-
ского тока полезно решить в классе несколько практических задач,
а некоторые примеры предложит ь в качестве домашнего задания.
Ншревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-
Ленца. Нагревание проводников электрическим током хорошо из-
вестно школьникам из их жизненного опыта, с этим явлением они
уже встречались при изучении действий электрического тока. В
этом месте курса целесообразно рассказать о микропроцессах, про-
исходящих в проводнике, в результате которых проводник нагрева-
ется Очень важно рассказать учащимся, что в случае если металли-
ческий проводник с током неподвижен, то вся энергия электриче-
ского тока превращается во внутреннюю - проводник наг ревается.
В СП количество теплоты и работу выражают в джоулях, а для
расчета количества теплоты, выделяемого в проводнике, исполь-
зуют формулу Q-lUl. Кроме этой формулы, следует дать уча-
щимся формулу O-I2Rl. которую легко получить из формулы
Q-IL’t Формула Q-l2Rt представляет собой математическое
выражение закона Джоуля Ленца
С устройством н<н ревательных приборов и лампы накалива-
ния учащиеся могут ознакомиться самостоятельно. При опросе
363
необходимо показать им элементы на1реватсльных приборов и
виды ламп накаливания, полезно при этом использовать и имею-
щиеся в кабинете наглядные таблицы. Целесообразно поручить
отдельным учащимся подготовить доклад об истории развития
электрического освещения, который заслушивается в классе.
Явление короткого замыкания целесообразно рассмотреть в клас-
се на опыте и показать роль предохранителей. Надо предупредить
школьников, что пользоваться самодельными предохранителями
нельзя, так как это может привести к перегреву проводов и пожару.
Изучение магнитного поля. Для магнитного ноля индикаторами
являются железные опилки или магнитная стрелка. Вначале учащим-
ся сообщают о постоянных магнитах, показывают картины магнит-
ного поля, которые получаются у полосового магнита и дугооб-
разною магнита. Как и при изучении электрического поля, не вво-
дят вектор Ё, а рассматривают материал на качественном уровне,
так и при изучении магнитного поля не вводят вектор индукции маг-
нитного поля В и рассматривает материал только на качественном
уровне. Говоря о линиях магнитного поля, вместо линий индукции
магнитного поля вводят мнемонические правила: правило бурав-
чика, правило правой и левой руки там, где это нужно но материалу.
Рассмотрев постоянные магниты, определив их полюса, пока-
зав картины магнитного поля у разных магнитов, установив пра-
вило взаимодействия полюсов магнитов, переходят к изучению
магнитного поля тока. Для этого показывают опыт Эрстеда [10],
демонстрируют электромагнит и его полюса.
Также на опыте [10] рассматривают действие магнитного поля
на ток и работу простейшего электрического двигателя Показы-
вают действие электроизмерительных приборов (электромагнит-
ной и магнитоэлектрической систем).
Таким образом, учащиеся на качественном уровне узнают об
электрическом и магнитном нолях. Знакомятся с постоянными
магнитами и электромагнитами, изучают правило буравчика гиги
правой руки для определения полюсов электромагнита. Они под-
готовлены к изучению влияния магнитного поля на ток, г. е. к
рассмотрению явления электромагнитной индукции.
С помощью демонстраций показывают, что на проводник с то-
ком действует магнитное поле, что сила, действующая па провод-
ник с током, зависит от длины проводника, силы тока в нем, а
также от самого магнитного поля (сильное оно или слабое) и от
того, как расположен проводник с током в магнитном поле (отно-
сительно магнитных линий).
Ученикам предлагается выполнить задание: с помощью ис-
точника тока (аккумулятора), достаточно длинного проводника
364
(l~ 1 м), двух дугообразных магнитов, реостата и амперметра по-
казать все зависимости, обнаруженные с помощью опытов.
Учащихся знакомят с правилом левой руки, и они упражняются
в его применении в различных экспериментальных установках и
при решении задач.
Все остальные вопросы, связанные с электромагнитными явле-
ниями, рассматриваются на базе физического эксперимента. Это:
-	индукционный ток;
-	микрофон (не угольный):
- индукционный генератор;
трансформатор п трансформация электрического тока (напря-
жения);
простейшие электрические станции и способы передачи элек-
трической энергии от них к потребителям.
Необходимо уделить внимание также проблеме «Электроэнер-
гетика и экология».
В курсе физики базовой школы изучают полупроводники и по-
лупроводниковые приборы. В этом случае изучение проводится
на качественном уровне с использованием специального набора
для изучения полупроводников, который в практике работы по-
лучил название набора Бурова. Рассмотрение всех вопросов стро-
ится на модельных представлениях, теоретические объяснения не
используются (зонная теория). Перечислим основные вопросы,
которые надо рассмотреть:
зависимость сопротивления полупроводников от температуры;
-	электроны проводимости и дырки;
-	электронно-дырочный переход;
-	полупроводниковый диод и его применения.
Учащиеся, проявляющие повышенный интерес к физике, могут
быть ознакомлены с устройством транзистора и его применениями.
5.8. СВЕТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В базовом курсе физики свет изучается как электромагнитное
излучение определенного диапазона частот. Кроме того, в про-
грамму входит вопрос об интерференции света1, т. е. световые яв-
ления рассматриваются не только с корпускулярной точки зрения.
1 При изучении интерференции света рассматриваются только основные вопросы:
получение когерентных источников путем разделения и сведения лучен света от одною
источника, разность хода лучей, условия получения максимумов и минимумов света на
транс. Изучение явления интерференции даже в гаком простом виде дает основание
говорить о волновой природе света, вводить и измерять длину световой волны
365
но и с волновой. В старших классах не будет подробно изучаться
геометрическая оптика (она рассматривается как цреде. шныи слу-
чаи волновых явлений). Поэтому здесь главное внимание уделяет-
ся вопросам геометрической оптики.
Сначала подчеркнем, что изучение световых явлений имеет
большое познавательное, политехническое и воспитательное зна-
чение. Окружающий нас мир мы воспринимаем и познаем прежде
всею благодаря свету и нашим зрительным ощущениям. На зако-
нах оптики основана оптическая и осветительная техника. Знание
элементов оптики необходимо учащимся для изучения других
общеобразовательных предметов. Немаловажное значение эти
знания имеют н для борьбы с предрассудками и суевериями.
В центре рассмотрения световых явлении в базовом курсе две
основные проблемы: как распространяется свез от источника в
однородной среде и как веде г он себя на границе двух сред. При
этом в учебном матер! ia ie можно выделить три главные части:
прямолинейность распространения света, закон отражения и явле-
ние преломления света. Весь остальной программный материал
относится к следствиям.
В базовом курсе физики основные элементы геометрической
оптики изучают в основном па качественном уровне, без глубоко-
го рассмотрения. Изложение материала ведут феноменологически,
с использованием модели «световой луч», причем па опытной ос-
нове, чго требует привлечения большого числа демонстрацион-
ных опытов, фронтального эксперимента учащихся, организации
наблюдении при выполнении классных и домашних эксперимен-
тальных заданий.
Большое значение при изучении темы имеет графическая на-
глядность - использование доски, таблиц, графоироектора. Но
обязательно до вычерчивания лучей и построения изображений
на доске, в тетради, на транспаранте надо показать учащимся
действительный вид световых пучков и получаемые изображения
предметов с помощью приборов, т.е. стремиться создавать у них
на! 1ядное представление о световых явлениях.
Из количественных зависимостей школьники изучаю! только
две-закон отражения света и связь между фокусным расстоянием
и оптической силон линзы Поэтому число решаемых расчетных
задач очень ограничено, причем задачи решаются простые.
1 лавное внимание при выборе качественных задач должно
быть обращено па формирование у учащихся умения объяснять
на основе полученных знаний явления, с которыми часто встреча-
ется любой человек в своей трудовой деятельности и в быту. Как
показывает практика, многие сложные для восприятия учащимися
366
вопросы изучаемой гемы (например, по-
строение изображения большою предмета
в малом зеркале, исследование области
видения, построение многократных изо-
бражении в двух зеркалах, расположенных
под углом друг к другу, и т. и.), целесооб-
разнее рассматривать только на кружко-
вых или факультативных занятиях.
При изучении темы все время прихо-
дится оперировать понятием «луч света»
(«световой луч»). Строгое определение
этому отвлеченному понятию в этом месте
школьного курса дать трудно. В то же
время необходимо довести до сознания
ребят, что понятие «световой луч» являет-
ся идеализацией и что в действительности
дело имеют со световыми пучками (сходящимися, расходящимися,
параллельными). На первых же уроках по этой теме необходимо
продемонстрировать эти пучки с помощью прибора по геометри-
ческой оптике (рис. 122) и на доске показать графическое изобра-
жение луча и разных пучков света.
Световой луч можно рассматривать как геометрический образ,
как ось светового пучка. При этом надо предупредить учащихся,
чю не следует представлять луч, например, как очень тонкий пучок
света и считать, что, уменьшая диаметр светящеюся отверстия при-
бора, можно получить геометрический луч. (К этому вопросу обя-
зательно надо верну 1ься в старших классах, при изучении явления
дифракции света и при демонстрации дифракционной картины на
узкой щели.) Необходимо, чтобы с понятием «луч света» школьни-
ки связывали представление о линии, указывающей направление
распространения световой энергии, а нс просто абстрактный, чис-
то геометрический образ. Добиваясь формирования в сознании
учащихся четкого понимания того, что со светом связана особая
форма энергии, следует на первом же уроке обратить внимание на
различные действия света: тепловое, химическое, биологическое и
т. д. Подчеркивают, что во всех случаях наблюдается превраще-
ние энергии, которую несет свет, в другие виды энергии.
Дру! не примеры идеализации в геометрической оптике - поня-
тия «световая точка», «точечный источник света». Точка нс имеет
размеров, в то время как любой источник света имеет конечные
размеры. По если размеры источника свега сравнительно невелики
и он расположен достаточно далеко от прибора, преобразующего
световой пучок, го такой источник можно считать точечным.
367
При изучении построения изображения предмета в плоском зер-
кале у учащихся формируется понятие «мнимое изображение точки
(предмета)», а при изучении линз - «действительное изображение
точки (предмета)». Здесь надо учитывать, что школьники к этому
времени еще не знаю г роли глаза в образовании изображений, а
данное обстоятельство весьма существенно для неформального
усвоения названных понятий. Вопрос о направлении, в котором
мы видим изображение, и о его месте вообще труден для понима-
ния. Мнимое изображение - одно из наиболее сложных понятий
раздела в оптике даже для учащихся старших классов, его трудно
усвоить, нс прослеживая ход лучей до сетчатки глаза.
Способность органов зрения живых существ видеть предметы
только прямолинейно, когда от предмета свет непосредственно
попадает в наш глаз, относился к их врожденной способности,
сложившейся в процессе длительного развития и приспособления
к окружающей среде. Например, глядя на плоское зеркало, мы не
смотрим на отражающийся предмет (находящийся перед зерка-
лом), поэтому свет от предмета непосредственно нс попадает в
глаз, а воздействует на пего лишь после отражения от зеркала.
Гак как отраженный от зеркала свет распространяется прямоли-
нейно. то благодаря зрительной привычке нам кажется, будто
предмет мы видим находящимся на прямолинейном направлении,
и именно за зеркалом, а не там, где он находится в действительно-
сти. Таким образом, когда речь идет о мнимом изображении, то
здесь играет роль скорее психолого-физиологический фактор, чем
физический. Физически существует только действительное изобра-
жение. Поэтому методически понятие «мнимое изображение» эф-
фективнее рассматривать параллельно с понятием «действительное
изображение» или после рассмотрения этою понятия, но показав
при этом принципиальное отличие названных изображений.
Излагают этот вопрос па основе энергетических представлений.
На месте возникновения действительною изображения происходит
на самом деле концентрация энергии света, что может быть обна-
ружено фотоэлементом, термометром, фотобумагой и др. Мнимое
изображение нельзя получить на экране или фоточувствительной
пленке. Его называют мнимым, кажущимся потому, что реально в
данном месте пространства оно не сущест вует (его нет). В том месте,
где «находится» это мнимое изображение, энергия света не концен-
трируется. Эго хорошо иллюстрирует известный опыт со стеклян-
ной пластиной, поставленной вертикально, и двумя вертикальными
свечами (рис. 123). одна из которых зажжена. Расположив послед-
нюю перед зеркалом, ставят за ним вторую свечу, незажженную, в
таком месте, чтобы при наблюдении сквозь стекло она казалась го-
368
Рис. 123
рящсй. Измерением доказывают, что
свечи оказываются расположенными
на равных расстояниях от зеркала.
Изучение темы начинают с напо-
минания факта прямолинейного рас-
пространения света, который уже из-
вестен учащимся из курса естество-
знания и жизненных наблюдении,
связанных с этим явлением (форма
светового пучка в воздухе от прожек-
тора. карманного фонаря, пучки сол-
нечного света, распространяющиеся
через щели в пыльном воздухе затем-
ненной комнаты, через разрывы в
плотной облачности и т.п.). Несмотря
на такое обилие жизненных наблюдений, на уроке обязательно нуж-
но использовать эксперимент. Продемонстрировав тонкий пучок
света на приборе по геометрической оптике, обращают внимание
школьников на то. что подобные опыты и наблюдения убеждают в
прямолинейном распространении света в однородной среде.
Полезно сообщить, что о прямолинейном распространении све-
та писал еще основатель геометрии Евклид за 300 лет до нашей эры
и, вероятно, понятие о прямой линии возникло из представления
о прямолинейном распространении света в однородной среде.
Необходимо рассказать и о практическом применении этого
явления для определения расстояний до недоступных предметов (в
геодезии, военном деле, астрономии).
С целью закрепления материала и приобретения практических
умений на этом уроке школьникам предлагают кратковременную
лабораторную работу - фронтальный эксперимент с булавками
по «провешиванию прямой линии» (рис. 124). Отдельным уча-
369
Рис. 125
щнмся можно рекомендовать
изготовить дома камеру-обску-
ру (рнс. 125), а на уроке расска-
зать о работе с ней.
Одно из следствий прямоли-
нейного распространения света
в однородной среде - образова-
ние тени и полутени и, в част-
ности, солнечное и лунное зат-
мения. Причины затмений уже
выясняли в курсах естествознания и географии, поэтому, опираясь
на предшествующие знания учащихся, можно разнообразить ме-
тоды работы. На уроках, где рассматривается данный материал,
можно заслушать доклады и сообщения учащихся, сопровождае-
мые демонстрацией опытов с теллурием, таблиц, диапозитивов.
Обращают внимание учащихся на то. что с затмениями в про-
шлые времена было связано много суеверий, но современная нау-
ка позволяет с большой точностью предсказать время их наступ-
ления. Полезно предложить учащимся домашние эксперимен-
тальные задания по исследованию размера тени (по сравнению с
предметом) и но определению размера предмета по сю тени.
Приступая к изучению законов отражения света, целесообразно
прежде всего показать явления отражения и преломления света на
границе двух прозрачных сред именно так, как они происходят в
действительности (т. е. одновременно). При демонстрации соответ-
ствующих опытов с оп тической шайбой
(рис. 126) или с прямоугольным сосу-
дом с водным раствором флюоресципа
(рис. 127, а) обращают внимание уча-
щихся на то, что при падении пучка
света на границу раздела двух сред
(воздух стекло или воздух-вода) пу-
чок раздваивается: одна его часть воз-
вращается в первую среду (и эго явле-
ние называю! отражением света), а дру-
гая проникает во вторую среду, изме-
нив свое направление (преломление све-
та). Пояснение сопровождаю! рисун-
ком, на котором указывают названия
лучей и углов и их буквенные обозна-
чения, подчеркивают, чю на рисунке
каждый пучок света представлен его
центральным лучом (рис. 127, б)
370
Рис. 127
При изучении законов отражения света со школьниками раз-
бирают следующие вопросы: «В какой плоскости лежит отражен-
ный луч?», «В каком направлении надо искать отраженный луч в
этой плоскости?». «Как соотносятся между собой углы падения и
отражения?» и на основе анализа результатов эксперимента с
оптической шайбой делаю г вывод.
Урок по изучению закона отражения можно построить и таким
образом, что основной вывод (равенство углов падения и отраже-
ния) учащиеся получают полностью самостоятельно, в процессе
выполнения лабораторного эксперимента.
После установления закона отражения выясняют отличие зер-
кального и рассеянного отражения света. Сдепазь это можно в
процессе самостоятельной работы с учебником. В начале урока
показывают следующие демонстрации: направив несколько па-
раллельных пучков света на плоское зеркало, укрепленное на оп-
тической шайбе, выясняют, что они остаются параллельными и
после отражения. Далее в хорошо затемненном классе перед про-
екционным аппаратом устанавливают плоское зеркало так, чтобы
свет после отражения попал на потолок или па стену класса. На
потолке получают резко очерченное светлое пятно. Остальная
часть потолка остается темной, в классе светлее нс становится.
Обратив на эго внимание ребят, ставят вопрос- «Отражается ли
свет от ваты?» Заменив зеркало ватой, наблюдаю!, что значи-
тельная часть потолка освещена и в классе стало светлее. После
эюго учащимся предлагают рассмотреть рисунки, где показано,
что параллельный световой пучок отражается от зеркальной по-
верхности в виде параллельного же пучка, так же строго направ-
ленного (рис. 128. а), а шероховатая поверхность отражает па-
дающий на нее свет по всем направлениям (рис. 128, б) В процессе
коллективного обсуждения выясняют разницу между зеркальным
и рассеянным отражением и какое значение имеет рассеянное от-
ражение в нашей жизни. Окружающие нас несамосветящиеся пред-
371
Л//// меты видны потому, что они рассеи-
вают свет, идущий от Солнца и пскусст-
\\Vvy\///	венных источников света.
Ири изучении зеркального отраже-
а	ния показывают, чго плоское зеркало
только изменяет направление хода лу-
чей света, но не может преобразовы-
вать пучки света. В данном месте кур-
Угггг/// са фиксируют внимание школьников
v \ Vх г/лЛ/ именно на этом, а плоские зеркала
рассматривают как приспособления,
служащие для изменения направления
б	светового пучка свела. Этот материал
закрепляют системой упражнений по
Рис. 128	конкретному изменению направления
луча зеркалом (параллельный пучок
свега поднимают или опускают на ка-
кую-нибудь заданную высоту, изменяют горизонтальное направ-
ление пучка света на вертикальное и т. и.). Показывают, что изо-
бражение в плоском зеркале находится за зеркалом и на том же
расстоянии (см рис. 123).
Изучение явления преломления света начинают с повторения
опытов по одновременному отражению и преломлению света на
границе двух прозрачных сред. Напоминают, какой луч называет-
ся падающим, а какой - преломленным, показывают и обознача-
ют соответствующие утлы, повторяют законы отражения. Затем
экспериментально с оптической шайбой (преломление света при
прохождении через стеклянный полуцилиндр) показывают, что
преломленный луч лежит в той же плоскости, что и падающий
луч. Обращаю! внимание на то, что угол преломления света в
стекле изменяется при изменении угла падения, связь между этими
углами более сложная, чем при отражении света.
Используя более сложную установку (см. рис. 127, а), на кото-
рой можно наблюдать преломление светового пучка как при пе-
реходе из воздуха в воду, так и из воды в воздух, обращают вни-
мание школьников на следующую закономерность: при переходе
света из воздуха в воду угол преломления меньше угла падения.
При переходе света из воды в воздух угол преломления больше
угла падения. Чертеж на доске (см. рис. 127, б) помогает понять
наблюдаемое (KN граница раздела воздуха и воды, АО - па-
дающий луч. ОВ - преломленный луч в воде (он же падает на зер-
кало, лежащее в воде), ВК- отраженный луч от зеркала (он падает
на границу раздела воды и воздуха). KD - преломленный луч при
372
выходе в воздух; а - угол падения при переходе из воздуха в воду,
р - угол преломления. а( и соответственно утлы падения и пре-
ломления при переходе луча из воды в воздух).
Наблюдение повторяют для сред воздух-стекло на опыте с оп-
тической шайбой. Сделав соответствующие чертежи и сравнив
для различных сред углы преломления при равных углах падения,
вводят понятие о средах оптически более (менее) плотных.
В этом месте школьною курса, используя эти же установки,
рассказывают школьникам и об обратимости световых лучей.
Гак как при рассмотрении явления преломления вводят пока-
затель преломления, то упражнения проводят не только качест-
венно. Большое место должно быть уделено объяснению явлений,
известных учащимся из жизненного опыта, например, почему
предметы, частично погруженные в воду, кажутся сломанными у
поверхности воды, почему дно реки, предметы в воде кажутся
выше, чем это есть в действительное! и, и т. и.
Используя простое оборудование (стакан с водой, карандаш,
колба с водой), можно организовать фронтальные лабораторные
наблюдения учащимися кажущегося поднятия предмета при его
погружении в воду.
Линзы в базовой школе рассматривают не только эксперимен-
тально, как следствие явления преломления. Учащихся на опыте
знакомят со свойствами линз преобразовывать пучки света и да-
вать действительное изображение предмегов. Вводят понятие о
г-	-	1 т
фокусном расстоянии г и оптической силе линз —. Формулу лин-
зы изучают только с сильными учениками.
Фронтальную лабораторную работу «Получение изображения
с помощью линзы» проводят в сочетании с демонстрационным
экспериментом, что позволяет ввести понятия «фокусное расстоя-
ние» и «оптическая сила».
В центре внимания должны быть две демонстрации: I) парал-
лельный пучок лучей (рис. 129) собирается в одной точке F (фоку-
се линзы) и 2) лучи, идущие через фокус, после преломления идут
параллельно оптической оси (рис. 130). Знание хода этих двух лу-
чей дает возможность показать принцип построения изображения
в линзах и убедить школьников в зависимости характера изобра-
жения от расстояния предмета до линзы и ее фокусного расстояния.
Необходимо рассмотреть основные случаи получения действитель-
ных изображений предметов при разных положениях предмета
относительно линзы (рис. 131, «, б, в) На рисунке при построении
изображения стрелки один из лучей проведен параллельно глав-
ной оптической оси, другой - через ее оптический центр.
373
Далее рассматривают устройство глаза и фотоаппарата. Этот
материал играет существенную роль как в осуществлении связи
преподавания с жизнью и расширения политехническо! о кругозо-
ра учащихся, так и в обобщении и систематизации их знаний по
всему изученному материалу.
Глаз - сложнейшая оптическая система, но действию напоминает
фотоаппарат. Поэтому после сравнения хода лучен (рис. 132 и 133)
полезно предложить учащимся составить таблицу, в которой сопос-
тавляются оптические системы
фотоаппарата и глаза (харак-
тер изображения, как осущест-
вляется наводка на резкость,
роль диафрагмы - зрачка, объ-
ектива - хрусталика и т.п.).
Ввиду ограниченности вре-
мени, отводимою на изучение
темы «Световые явления», раз-
личные случаи более сложных
построений изображений (с по-
мощью побочных осей), а так-
же определение области виде-
ния изображений и т. п. можно
рассмотреть только в кружко-
вой работе или на факульта-
тивных занятиях.
Программа базовой школы
предполагает изучение еще
следующих вопросов:
близорукость и дально-
зоркость;
очки:
-угол зрения и его увели-
чение;
- лупа;
374
2
-	микроскоп;
-	телескоп;
-	дисперсия и спектральное разложение:
проекционный аппарат.
На этих вопросах не останавливаемся, так как они рассмотре-
ны в многочисленных курсах методики [24, 26 и др.].
В заключение следует рассказать учащимся о значении оптиче-
ских приборов в промышленности, в научных исследованиях, в
быту. Важно показать роль оптических приборов в познании ми-
ра. Например, фотографирование обратной стороны Луны, неви-
димой с Земли, и т. п. Материал, изучаемый в классе, дает основу
для проведения многих интересных внеклассных занятий по сле-
дующим темам: «История техники освещения», «Солнечное излу-
чение - источник жизни на Земле» и т. д.
Но материалу темы можно с учащимися провести экскурсию.
* * *
Вы изучили курс «Теория и методика обучения физике. Част-
ные вопросы». Мы предложили вам модель курса физики в обще-
образовательной средней школе России, не указывая классы, где
тот или иной материал изучается.
Модель школьного курса нами не придумана, она создана тру-
дом многих поколений учи гелей физики и методистов-физиков.
Зная модель курса, пройдя наши лаборатории, семинарские
занятия и педагогическую практику, вы будете способны спроек-
тировать свою работу, выбрать программу или разработать ее
самостоятельно, сможете организовать учебно-воспитательный
процесс в любом классе, при любой разумной программе и хоро-
шем учебнике физики.
Если у Вас возникнут какие-то вопросы, обращайтесь к данно-
му пособию, сохраните его и после сдачи экзамена но курсу.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
I.	Бабанский Ю К. Оптимизация процесса обучения. - М.: Просвеще-
ние, 1977.
2.	Бударный А И Какой урок можно считать современным И Народное
образование 1975. - № I, 2.
3.	Внеурочная работа по физике / Нод ред. О.Ф Кабардина. - М : Про-
свещенно, 1983.
4.	Вопросы методики и психологии формирования физических понятии /
Под ред. А. В.Усовой. - Челябинск, 1970.-Т. I.
5.	Временный государственный стандар т Общее среднее образование Фи-
зика / Под ред. 10 И.Дика. М.: Институт общеобразовательной школы
РАО, 1993.
6.	Глазунов АТ., Нурминский И.II., Пинский А А. Методика
преподавания физики в сроднен школе: Электродинамика нестационарных
процессов. Квантовая физика VI Просвещение, 1989.
7.	Голин Г.М. Вопросы методологии физики в средней школе. VI.: Про-
свещение, 1987.
8.	Грызлов С В Каменецкий С.Е. Перспективные направления ис-
пользования компьютерной техники в учебном процессе вуза и школы И Нау-
ка и школа. - 1997. № 2.
9.	Данюшеиков В С Целостный подход к методике формирования по-
знавательной активности учащихся при обучении физике. М.: У1ПГУ, 1994.
10	Демонстрационные опыты по физике в 6- 7 классах / По i ред. А. А По-
кровскою. М Просвещение, 1974.
11.	Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней
школы / Под ред. А А. Покровскою. - М Просвещение. 1974
12.	Дик Ю И. Экологическое образование обязательная составляющая
общего среднего образования И Паука и школа. - 1997. № 3
13	Енохович А С. Справочник по физике. М : Просвещение 1983.
14	Иванова Л.А Активизация познава тельной деятельности учащихся
при изучении физики М Просвещение. 1983
15.	Кабардин О.Ф., Кабардина СП., Орлов В.А. Задания для
контроля знаний учащихся по физике в средней школе Дидактический мате-
риал. М.: Просвещение, 1983
16.	Кабинет физики средней школы / Под ред. А /X. Покровского. \1.:
Просвещение 1982
17.	Каменецкий СЕ., Орехов В.11. Методика решения задач по фи-
зике в средней школе. М Просвещение. 1987.
18.	Каменецкий С Е. Современные проблемы методики обучения фи-
зике // Гуманизация и гуманитаризация естественнонаучного образования
Н Новгород. 1996
19.	Контрольные работы по фишке в VI X классах средней школы / Под
ред. Э Е.Эвепчик, С.Я Шамаша. VI Просвещение, 1991
20.	Кудрявцев II С. Курс истории физики.- М. Просвещение, 1982
21.	Лыков В Я Эстетическое воспитание при обучении физике. М
Просвещен нс, 1986
22.	Малафеев Р.П Проблемное обучение в средней школе. - VI Про-
свещение, 1993.
23.	.Межпредметные связи курса физики средней шко гы / Под ред. Ю И /Ди-
ка, И К Турышева. М . Просвещение 1987.
376
24.	Методика преподавания физики в 6-7 классах / Под ред. В П Орехова,
А В Усовой. - М.: Просвещение, 1990.
25.	Методика преподавания физики в средней школе: Молекулярная физи-
ка. Основы электродинамики / Зворыкин Б.С., Коварский Ю.А., Купсрман
Г Б и др. - М.: Просвещение, 1987.
26.	Мегодика преподавания физики в 8 10 классах средней школы / Под
ред. В. П.Орехова. А. В.Усовой. М.: Просвещение, 1980,- Ч 1 и 2.
27	Методика преподавания физики в средней школе Молекулярная физика
Основы электродинамики / Под ред. С Я Шамаша. - М.: Просвещение, 1986
28	Мошанский В.И., Савелова Е В История физики в средней
школе. - М.: Просвещение, 1981.
29	Мул гановскин В.В. Физические взаимодействия и картина мира в
школьном курсе. М Просвещение, 1977.
30	Объе гков Е.С. Ученический эксперимент на уроках физики. - М
Просвещение, 1996
31	Оноприенко О. В. Проверка знаний, умений и навыков учащихся по
физике.-М. Просвещение, 1988.
32.	Основы методики преподавания физики в средней школе / Под ред.
В. Г. Разумовского, В.А.Фабриканта, Л. В. Псрышкина. М Просвещение,
1984.
33.	Политехническое образование и профориентация учащихся в процессе
преподавания физики в средней школе / Под ред. А Т.Глазунова, В. А.Фаб-
риканта. - М . Просвещение, 1985
34	Практикум по физике в средней школе / Под род. А А. Покровско! о
М Просвещение, 1973
35.	Програхшы общеобразовательных учреждении Физика. Астрономия.
М Просвещение, 1996 1998
36.	Пурышева Н.С. Дифференцированное обучение физике в средней
школе. - М. Прометен, 1993.
37	Свитков Л. II. Изучение термодинамики и молекулярной физики.
М.: Просвещение, 1976
38.	С витков Л П. Термодинамика и молекулярная физика. - М. Про-
свещение, 1986.
39.	Современный урок в средней школе / Под ред. В. Г. Разумовского.
Л. С. Хижняковой. - М.: Просвещение, 1983.
40.	С мирное А.В Технические средства обучения на базе современных
технологий И Наука и школа 1996. - № 1
41.	Учебное обору цованис по физике в средней школе / Под ред. А А. По-
кровского. - М . Просвещение, 1973.
42	Физический практикум для классов с углубленным изучением физики /
Под ред. Ю.И .Дика, О Ф Кабардина. - М.: Просвещение, 1993.
43.	Фронтальные лабораторные работы по физике в средней школе / Под
ред. А. А. Покровского. М Просвещение, 19 4.
44	Шаронова Н.В. Методика формирования научного мировоззрения
учащихся при обучении физике. М МП ГУ, 1995.
45.	Щербаков Р.Н Идея гуманизма в естественнонаучном образовании//
Наука и школа. - 1997, .№ 6.
46.	Эвенчнк Э Е., Ша.маш С Я Орлов В А Методика преподава-
ния физики в средней школе’ Механика - М.: Просвещение, 1996.
47.	Яворский Б М., Пинский А.А. Основы физики. - М.. Паука,
1974.-Т. I. 11
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................. 3
ВВЕДЕНИЕ.......................................................6
I.	Задачи обучения физике и моего физики в учебном процессе школы.... 6
2.	Содержание курса физики средней школы....................8
3.	Физические теории в школьном курсе физики Структура
школыlOi о курса физики...................................12
4.	Стандарт но физике для средней школы....................16
5.	Частные вопросы в курсе «Теория и методика обучения физике».21
Часть 1. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИКИ
В ОБ1ЦЕОБРАЗОВАТЕЛЫЮЙ СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ...........................26
1.1.	Значение механики в общем физическом образовании школьников..26
1.2.	Особенности механики как раздела курса физики............28
1.3.	Содержание и структура раздела...........................30
1.4.	Анализ и изучение основных понятий кинематики............32
1.4.1	Анализ способов описания движения в механике.............32
I 4.2 Виды движения и уравнения движения.......................34
1.4.3.	Методика введения основных характеристик движения...37
1.4.4.	Идея относительное in в кинематике..................40
1 5 Анализ основных понятий и законов динамики................45
1.5.1, Анализ понятий массы и силы.........................45
1.5.2.Последовательность введения основных понятий
и законов динамики....................................48
1.6.	Методика изучения основных понятий	и	законов динамики....50
1.6.1.	Первый закон динамики...............................50
1.6.2.	Масса...............................................53
1.6	3. Сила Второй и третий законы Ньютона Закон всемирного
тяготения.................................................55
1.7.	Анализ и методика изучения законов сохранения............60
1.7.1.	Закон сохранения импульса...........................60
1 7 2. Анализ понятий работы и энергии.....................63
1.7.3. Механическая работа.................................66
I 7 4. Энер! ия и закон сохранения энергии.................67
1.8. Методика изучения механических колебаний и волн..........71
1.8.1. Свободные механические колебания....................72
1.8.2 Вынужденные механические колебания...................79
1 8.3. Механические волны..................................82
1.8.4. Акустические явления................................87
378
Часть2. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ФИЗИКИ В ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ
СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ................................................90
2.1. Раздел «Молекулярная физика» в школьном курсе физики.....90
2 2. Структура и содержание раздела «Молекулярная физика».....92
2.3. Статистический и термодинамический методы изучения
тепловых явлении.........................................96
2.4. Методика изучения основ молекулярно-кинетической теории.101
2 4 1 Основные положения молоку лярво-кинетической теории.......101
2 4.2 Идса н.пый газ......................................106
2 4 3. Основное уравнение молекулярно-кинетической «еории газов.108
2.5.	Методика изучения газовых законов.............................111
2.5.1 Последовательность и некоторые особенности мегодики
изучения газовых законов............................ 111
2.5 2. Лабораторные работы и решение задач на газовые законы....117
2.6.	Методика изучения термодинамики.........................120
2.6 1. Научно-методический анализ понятий «внутренняя энергия»
и «количество юплоты»................................120
2.6.2 Первый закон термодинамики..........................122
2.6.3 Работа тепловых двигателей..........................126
2.7.	Формирование понятия температуры........................128
2 7 1. Анализ понятия.....................................128
2.7.2 Этапы формирования понят ия гемпературы.............132
Часть 3. МЕТОДИКА ИЗУ ЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
В ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ... 140
3.1.	Раздел «Элскчро шнамика» в школьном курсе физики........140
3.1.1.	Значение и струкнура раздела «Электродинамика».....140
3.1.2.	Особенности электродинамики как раздела физической науки.143
3.1.3.	Особенности э «ектродинамики как раздела школьною
курса физики............................................145
3.2.	Научно-методический анализ основных понятий раздела
«электродинамика», изучаемых в шко и>ном курсе..............147
3.2.1 Понятие «электрический заряд».......................148
3.2.2 Понятие «электромагнитное поле».....................150
3 3 Мею 1ика формирования основных понятий электродинамики.........156
3 3 1. Электромагнитное по те.............................156
3.3.2 Роль системы отсчета в электромагнитных явлениях....158
3 3 3 Основные характеристики электромагнитного поля......160
3.3.4 Электрический заряди электромагнитное взаимодействие......165
3.4 Мею тика изучения различных проявлений электромаг ни того поля... 168
3.4 I Электростатические явления. Свойства и характеристики
электростатического поля.............................168
3.4.2 Стационарное электрическое поле. Разность потенциалов,
напряжение, электродвижущая сила.....................172
379
3.4.3. Магни гное поле и его особенности...................177
3 4.4 Вихревое электрическое попе Явление электромагнитной
индукции...............................................183
3.5.0 строении н свойствах вещества при изучении
раздела «Электродинамика»...................................188
3.5.1. Основы электронной теории. Электрический ток в металлах...188
3.5.2. Проводимость различных сред........................ 193
3.5.3 Элект рические свойства вещества.....................195
3.5.4 Магнитные свойства вещес тва.........................198
3.6.	Методика изучения электромагнитных колебаний.............200
3.6.1.	Свободные электромагнитные колебания................202
3.6.2.	Автоколебания.......................................207
3.6.3	Вынужденные электрические колебания..................212
3.7.	Методика изучения электромагнитных волн..................219
3.7.1.	Методика введения понятия электромагнитной волны....220
3.7	2. Свойства элекгромагнн i ных вопи...................225
3.7.3.	Физические основы радиосвязи........................230
3.7.4.	Свет -электромат ннтная волна. Шкала электромагнитных волн... 236
3.7.5.	Волновые свойства света.............................239
3.7	6. Геометрическая оптика..............................248
3.8.	Методика изучения элементов специальной теории относительности... 251
3.8.1.	Постулаты специальной теории относительности........252
3.8.2	Кинематика СТО.......................................256
3.8.3.	Динамика СТО........................................263
Часть 4. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
В ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ... 268
4.1.	Раздел «Кван товая физика» и особенности методики его изучения.268
4.1 1. Значение раздела «Квантовая физика».................268
4.1.2. Особенности методики изучения квантовой физики......273
4.2.	Методика изучения световых квантов.......................275
4.2.1.	Внешний фотоэффект..................................275
4.2.2.	Эффект Комптона.....................................283
4.2.3.	Фотоны. Двойственность свойств света................285
4.3.	Методика изучения строения атома.........................288
4.3.1 Явление радиоакт явности. Оны i Резерфорда...........288
4.3.2. Квантовые постулаты Бора............................291
4.3.3. Линейчатые спектры..................................294
4.3.4 Волновые свойства час гни............................298
4.4.	Методика изучения атомного ядра..........................303
4.4.1. Состав ядра а юма...................................303
4.4.2. Энергия связи атомных ядер. Ядсрные силы............306
4.4.3 Получение и использование радиоактивных изотопов.
Ядерный реактор......................................  308
4.4.4 Элементарные частицы.................................311
380
4.5.	Основное содержание и методика проведения обобщающих занятий
по физике.................................................313
4.5.1. Значение обобщения знаний учащихся...............313
4.5.2. Обобщающие занятия в старших классах.............315
4.5 3. Обобщающее занятие по теме «Физика и научно-технический
прогресс»..........................................318
4.5 4 Обобщающее занятие по теме «Физическая картина мира».319
Часть 5. КУРС ФИЗИКИ В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ
(БАЗОВЫЙ КУРС).............................................324
5.1.	Upoipa.MMa «Физика и астрономия» для базовой школы....324
5.2.	Цели обучения физике в основной школе.................328
5.3.	Особенности структуры и содержания курса физики основной школы.... 331
5.4.	Особенности методики обучения физике в основной школе.334
5.5.	Давление..............................................336
5.6.	Тепловые явления......................................344
5.7.	Электрические и магнитные явления...................  352
5.8.	Световые явления......................................365
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.................................. 376
ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ
В ШКОЛЕ
ЧАСТНЫЕ ВОПРОСЫ
ISBN 5-7695-0579-6
9 785769 505799