Электричество: учебные экспериментальные доказательства. Майер В.В., Майер Р.В.

М.: Физматлит, 2006. - 232 с.

Представлен новый подход к проблеме формирования у учащихся системы эмпирических знаний по физике. На основе анализа курса физики построена полная и логически непротиворечивая система физических доказательств по электричеству. Разработана методика использования экспериментальных доказательств на уроке физики, предложены специальные задания и методы оценки уровня сформированности эмпирических знаний по электричеству.

Книга предназначена для преподавателей, аспирантов и студентов физических факультетов педагогических вузов; она будет полезна также учителям физики средних общеобразовательных школ и учащимся классов углубленного изучения физики.

Формат: djvu

Размер: 3,4 Мб

Файл: Скачать

Оглавление
ПРЕДИСЛОВИЕ 11
Введение. ДОКАЗАТЕЛЬНОСТЬ ПРИ ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ 13
В.1. Экспериментальный метод доказательства в физике 13
В. 1.1. Явление и сущность (13). В. 1.2. Эмпирические и теоретические знания (14). В. 1.3. Что такое доказательство (16).
В. 1.4. Дедуктивное доказательство в математике (17). В. 1.5. Необходимость индуктивного доказательства в естественных науках (18). В. 1.6. Научный факт как проявление реальной действительности (19). В. 1.7. Имеет ли факт доказательную силу (20). В. 1.8. Установление обобщенного факта и эмпирического закона (21). В. 1.9. Эмпирические знания как система фактов (22). В. 1.10. Что доказывают физические факты (23). В. 1.11. Экспериментальные доказательства и цикл научного познания (25).
В.2. Использование экспериментального доказательства при изучении физики 27
В.2.1. Необходимость формирования эмпирических знаний (28).
В.2.2. Эмпирические и теоретические знания как независимые составляющие физических знаний (29). В.2.3. Что значит усвоить факт (30). В.2.4. Экспериментальное доказательство на уроке физики (30). В.2.5. Непосредственное и опосредованное доказательства (31). В.2.6. Логическая непротиворечивость доказательства (32). В.2.7. Особенности экспериментального доказательства при изучении физики (33). В.2.8. Как использовать экспериментальные доказательства при обучении физике (34). В.2.9. Уровни владения физическим экспериментом (34). В.2.10. Задания для оценки уровня эмпирических знаний учащихся (35). В.2.11. Методика диагностирования эмпирических знаний учащихся (37). В.2.12. Оценка эмпирических знаний учащихся методом беседы (39).
Глава 1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ 41
1.1. Явление электризации тел 41
1.1.1. Электризация тел (41). 1.1.2. Взаимодействие твердых, жидких и газообразных тел с наэлектризованными телами (41).
1.1.3. Проводники и изоляторы (42). 1.1.4. Электроскоп (43).
1.1.5. Два рода электричества (43).
1.2. Электрический заряд и его измерение 44
1.2.1. Электрический заряд (44). 1.2.2. Электрометр (45).
1.2.3. Сосредоточенность заряда на внешней поверхности проводника (45). 1.2.4. Цилиндр Фарадея (46). 1.2.5. Электростатическая машина (46). 1.2.6. Образование при электризации зарядов двух знаков (47). 1.2.7. Делимость электрического заряда (47). 1.2.8. Закон сохранения заряда (48). 1.2.9. Элементарный заряд (49).
1.3. Явление взаимодействия электрических зарядов 50
1.3.1. Взаимодействие одноименных и разноименных зарядов (50). 1.3.2. Закон Кулона (50).
1.4. Явление электростатической индукции 51
1.4.1. Электростатическая индукция (51). 1.4.2. Наличие в проводнике свободных носителей заряда (52). 1.4.3. Электрофор (53). 1.4.4. Распад струи на капли в электрическом поле (53). 1.4.5. Генератор Кельвина (54). 1.4.6. Электрофорная машина (55).
1.5. Электростатическое поле и его характеристики 57
1.5.1. Электростатическое поле (57). 1.5.2. Напряженность электрического поля (57). 1.5.3. Принцип суперпозиции (58).
1.5.4. Отсутствие поля внутри проводящей сферы (59).
1.5.5. Диполь (60). 1.5.6. Силовые линии поля (60). 1.5.7. Заряды как истоки и стоки силовых линий поля (61). 1.5.8. Поле заряженной плоскости (61). 1.5.9. Поле параллельных заряженных разноименно пластин (62). 1.5.10. Потенциальность электрического поля (62). 1.5.11. Потенциал (63).
1.5.12. Измерение напряжения (64). 1.5.13. Измерение потенциала поля (66). 1.5.14. Эквипотенциальные поверхности (66).
1.5.15. Перпендикулярность силовых линий эквипотенциальным поверхностям (67). 1.5.16. Напряженность поля плоского конденсатора (67). 1.5.17. Энергия электрического поля (68).
1.6. Явление распределения зарядов в проводнике 69
1.6.1. Распределение заряда по поверхности проводника (69).
1.6.2. Отсутствие зарядов внутри полого проводника (69).
1.6.3. Увеличение потенциала проводника (70). 1.6.4. Зависимость плотности заряда от кривизны поверхности проводника (70). 1.6.5. Электрический ветер (70). 1.6.6. Равенство потенциалов всех точек поверхности проводника (71). 1.6.7. Выравнивание потенциалов проводников при их соединении (71).
1.7. Явление поляризации диэлектриков 72
1.7.1. Поляризация диэлектриков (72). 1.7.2. Отсутствие свободных электрических зарядов в диэлектрике (73). 1.7.3. Напряженность электрического поля в диэлектрике (73).
1.8. Явление накопления зарядов системой проводников 74
1.8.1. Накопление заряда проводниками (74). 1.8.2. Электроемкость (75). 1.8.3. Конденсатор (75). 1.8.4. Емкость плоского конденсатора (76). 1.8.5. Параллельное соединение конденсаторов (77). 1.8.6. Последовательное соединение конденсато¬ров (78). 1.8.7. Энергия заряженного конденсатора (78).
1.9. Явление пьезоэлектричества 79
1.9.1. Прямой пьезоэффект (79). 1.9.2. Обратный пьезоэффект (80).
Глава 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 81
2.1. Явление электрического тока 81
2.1.1. Электрический ток (81). 2.1.2. Тепловое действие тока (81). 2.1.3. Измерение силы тока (82). 2.1.4. Неоновая лампа (82). 2.1.5. Лампа накаливания (83). 2.1.6. Упорядоченное движение зарядов (84). 2.1.7. Условие существования тока (84). 2.1.8. Стационарное электрическое поле (85). 2.1.9. Силовые линии стационарного поля (86). 2.1.10. Перпендикулярность силовых линий стационарного поля эквипотенциальным поверхностям (87).
2.2. Постоянный электрический ток 88
2.2.1. Работа сторонних сил (88). 2.2.2. Гальванический элемент (88). 2.2.3. Гальванический элемент как источник тока (89). 2.2.4. Термоэлектричество (89). Аккумулятор (90). 2.2.5. Проводники и изоляторы (90). 2.2.6. Электрическая цепь (91). 2.2.7. Работа тока (91).
2.3. Законы постоянного тока 92
2.3.1. Закон Ома для участка цепи (92). 2.3.2. Сопротивление проводника (93). 2.3.3. Реостат (94). 2.3.4. Потенциометр (94). 2.3.5. Последовательное соединение проводников (95). 2.3.6. Параллельное соединение проводников (95). 2.3.7. Внутреннее сопротивление источника (95). 2.3.8. Пропорциональность работы сторонних сил величине разделенных зарядов (96). 2.3.9. Равенство ЭДС сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи (97). 2.3.10. Закон Ома для полной цепи (97). 2.3.11. Первый закон Кирхгофа (98). 2.3.12. Второй закон Кирхгофа (99).
2.4. Электрический ток в металлах 99
2.4.1. Элементарный заряд (99). 2.4.2. Отсутствие тока в веществе (101). 2.4.3. Электронная проводимость металлов (101). 2.4.4. Зависимость сопротивления металла от температуры (102). 2.4.5. Сверхпроводимость (103). 2.4.6. Сопротивление металлов вблизи абсолютного нуля (104).
2.5. Электрический ток в электролитах 104
2.5.1. Проводимость расплавов солей (104). 2.5.2. Проводимость растворов солей (105). 2.5.3. Электролиз (105).
2.5.4. Ионная проводимость электролитов (106). 2.5.5. Зависимость сопротивления электролитов от температуры (106).
2.5.6. Стекло. — твердый электролит (106). 2.5.7. Закон Фарадея для электролиза (107). 2.5.8. Кратность зарядов ионов элементарному заряду (108).
2.6. Электрический ток в газах 108
2.6.1. Ток в газах (108). 2.6.2. Ионизация газов (109). 2.6.3. Положительные и отрицательные ионы (109). 2.6.4. Ионизация воздуха пламенем (ПО). 2.6.5. Ток насыщения при несамостоятельном разряде (ПО). 2.6.6. Рекомбинация ионов (111).
2.6.7. Искровой разряд (112). 2.6.8. Коронный разряд (112).
2.6.9. Тлеющий разряд (112). 2.6.10. Дуговой разряд (113).
2.7. Электрический ток в вакууме 113
2.7.1. Ток в вакууме (113). 2.7.2. Направленное движение электронов в вакууме (114). 2.7.3. Автоэлектронная эмиссия (114). 2.7.4. Термоэлектронная эмиссия (115).
2.7.5. Вольтамперная характеристика вакуумного диода (115).
2.8. Электровакуумные приборы 116
2.8.1. Управление током в вакууме (116). 2.8.2. Усилительные свойства электровакуумного триода (116). 2.8.3. Электролюминесценция (117). 2.8.4. Визуализация пучка электронов (118). 2.8.5. Электронная пушка (118). 2.8.6. Искривление электронного пучка в электрическом поле (119). 2.8.7. Управление движением электронов посредством электрического поля (119). 2.8.8. Фокусировка электронного пучка (120). 2.8.9. Электронно-лучевая трубка (120). 2.8.10. Получение на экране электронно-лучевой трубки зависимости напряжения от напряжения (121). 2.8.11. Получение осциллограммы (122).
2.9. Электрический ток в полупроводниках 123
2.9.1. Полупроводники (123). 2.9.2. Зависимость сопротивления полупроводников от температуры (123). 2.9.3. Собственная и примесная проводимость полупроводников (124). 2.9.4. Зависимость сопротивления полупроводников от освещения (125).
2.10. Полупроводниковые приборы 125
2.10.1. Электронно-дырочный переход (125). 2.10.1. Возникновение ЭДС при освещении электронно-дырочного перехо¬да (126). 2.10.1. Проводимость электронно-дырочного перехода в прямом и обратном направлениях (127). 2.10.1. Зависимость проводимости электронно-дырочного перехода от освещенности (127). 2.10.1. Биполярный транзистор (127). Полевой транзистор (128).
Глава 3. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 130
3.1. Магнитное взаимодействие 130
3.1.1. Взаимодействие параллельных токов (130). 3.1.2. Зависимость магнитного взаимодействия от силы токов, длин проводников и расстояния между ними (130). 3.1.3. Связь между магнитной и электрической постоянными и скоростью света (131). 3.1.4. Зависимость магнитного взаимодействия
от свойств среды (132). 3.1.5. Магнитное взаимодействие катушек (133). 3.1.6. Электромагнит (133). 3.1.7. Постоянный магнит (134). 3.1.8. Индикатор магнитного поля (134). 3.1.9. Электромагнитное реле (135).
3.2. Существование и свойства магнитного поля 136
3.2.1. Существование магнитного поля (136). 3.2.2. Отсутствие магнитного поля у неподвижного заряда (137). 3.2.3. Зависимость магнитной составляющей электромагнитного поля заряда от выбора системы отсчета (137). 3.2.4. Возникновение электрического поля вокруг движущегося магнита (138). 3.2.5. Создание электрического и магнитного поля одним и тем же источником электричества (139). 3.2.6. Возникновение магнитного поля вокруг потока электронов (140). 3.2.7. Создание магнитного поля движущимися ионами (141). 3.2.8. Отсутствие в природе магнитных зарядов (141). 3.2.9. Вихревой характер магнитного поля (141). 3.2.10. Неконсервативность магнитного поля (142). 3.2.11. Вектор магнитной индукции (143). 3.2.12. Принцип суперпозиции магнитных полей (144). 3.2.13. Магнитное поле соленоида (145). 3.2.14. Магнитная индукция поля соленоида (146). 3.2.15. Подковообразный магнит (147). 3.2.16. Катушки Гельмгольца (147). 3.2.17. Действие магнитного поля
на рамку с током (148). 3.2.18. Магнитометр (149).
3.3. Действие магнитного поля на движущиеся заряды 149
3.3.1. Сила Ампера (149). 3.3.2. Модуль силы Ампера (150).
3.3.3. Сила Лоренца, действующая на электронный пучок (151).
3.3.4. Действие силы Лоренца на движущиеся заряды (152).
3.3.5. Удельный заряд электрона (152). 3.3.6. Движение заряда в магнитном поле (153). 3.3.7. Эффект Холла (154).
3.4. Магнитные свойства вещества 155
3.4.1. Магнитная проницаемость железа (155). 3.4.2. Диамаг-етики, парамагнетики и ферромагнетики (155). 3.4.3. Магнитная проницаемость парамагнетиков и диамагнетиков (156).
3.4.4. Магнитомягкие и магнитожесткие ферромагнетики (158).
3.4.5. Точка Кюри (158). 3.4.6. Доменная структура ферромагнетика (158). 3.4.7. Скачкообразный характер намагничивания ферромагнетика (159). 3.4.8. Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности магнитного поля (159). 3.4.9. Экранирование магнитного поля ферромагнитным экраном (161).
3.5. Электроизмерительные приборы 161
3.6.1. Магнитоэлектрический амперметр (161). 3.6.2. Магнитоэлектрический вольтметр (162). 3.6.3. Ваттметр (163).
3.6. Явление электромагнитной индукции 164
3.6.1. Электромагнитная индукция (164). 3.6.2. Правило Ленца (165). 3.6.3. Влияние вращающегося магнитного поля на проводник (166). 3.6.4. Закон Фарадея для электромагнитной индукции (166). 3.6.5. Электрическая машина (167). 3.6.6. Вихревое электрическое поле (168). 3.6.7. Электромагнитное поле (169). 3.6.8. Индукционные токи (170). 3.6.9. Тормозящее действие индукционных токов (170). 3.6.10. Явление самоиндукции (171). 3.6.11. Пропорциональность ЭДС самоиндукции скорости изменения тока (171). 3.6.12. Сопротивление ЭДС самоиндукции порождающему ее изменению тока (172). 3.6.13. Энергия магнитного поля (173).
Глава 4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ 174
4.1. Переходные процессы 174
4.1.1. Переходные процессы в ЯС-цепи (174). 4.1.2. Переходные процессы в ЯЬ-цепи (175).
4.2. Свободные колебания 176
4.2.1. Свободные электромагнитные колебания (176).
4.2.2. Частота свободных колебаний (176). 4.2.3. Затухание колебаний (177).
4.3. Автоколебания 178
4.3.1. Релаксационный генератор (178). 4.3.2. Генератор гармонических колебаний (178).
4.4. Электронный осциллограф 180
4.4.1. Временная развертка осциллографа (180). 4.4.2. Генератор импульсов (181). 4.4.3. Генератор прямоугольных импульсов (181). 4.4.4. Осциллограммы заряда и разряда конденсатора (182). 4.4.5. Осциллограммы нарастания и спада тока через катушку (183). 4.4.6. Осциллограммы свободных колебаний (183).
4.5. Вынужденные колебания 184
4.5.1. Переменное напряжение (184). 4.5.2. Использование электромагнитной индукции для получения переменного тока (184). 4.5.3. Вынужденные электрические колебания (185). 4.5.4. Электрический резонанс (186). 4.5.5. Зависимость резонанса от активного сопротивления контура (186).
4.6. Переменный электрический ток 187
4.6.1. Действующее значение переменного тока (187).
4.6.2. Амперметр и вольтметр переменного тока (188).
4.6.3. Переменный ток в проводнике, катушке и конденсаторе (189). 4.6.4. Сдвиг фаз между током и напряжением на резисторе, конденсаторе и катушке индуктивности (189).
4.6.5. Емкостное сопротивление (190). 4.6.6. Индуктивное сопротивление (191). 4.6.7. Реактивный характер емкостной нагрузки (191). 4.6.8. Реактивный характер индуктивной нагрузки (192). 4.6.9. Ваттметр в цепи переменного тока (192). 4.6.10. Полное сопротивление цепи переменного тока (193). 4.6.11. Сдвиг фаз в цепи переменного тока (194).
4.6.12. Активная мощность цепи переменного тока (194).
4.6.13. Трансформатор (195). 4.6.14. Трехфазные генератор и двигатель (196). 4.6.15. Выпрямление переменного тока (197).
4.7. Электрические сигналы 198
4.7.1. Сложение гармонических колебаний (198). 4.7.2. Сложение колебаний во взаимно-перпендикулярных направлениях (199). 4.7.3. Фигуры Лиссажу (199). 4.7.4. Амплитудная модуляция (200). 4.7.5. Детектирование (201). 4.7.6. Микрофон (201). 4.7.7. Телефон и динамик (202). 4.7.8. Передача информации по проводам (203). 4.7.9. Запись информации (204).
Глава 5. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ 205
5.1. Электромагнитное излучение 205
5.1.1. Генератор УВЧ (205). 5.1.2. Ток смещения (206). 5.1.3. Магнитное поле тока смещения (206). 5.1.4. Магнитное поле закрытого колебательного контура (207). 5.1.5. Электрическое поле закрытого колебательного контура (208). 5.1.6. Излучение открытого колебательного контура (208).
5.2. Электромагнитные волны 209
5.2.1. Волновой характер электромагнитного излучения (209).
5.2.2. Полуволновой диполь как излучающая антенна (210).
5.2.3. Полуволновой диполь как индикатор электрического поля (210). 5.2.4. Направленность излучения диполя (211).
5.2.5. Ориентация вектора напряженности электрического поля волны (211). 5.2.6. Ориентация вектора индукции магнитного поля волны (212). 5.2.7. Поперечность электромагнитной волны (212). 5.2.8. Интенсивность электромагнитной волны (213).
5.3. Свойства электромагнитных волн 214
5.3.1. Волновод (214). 5.3.2. Генератор сантиметровых электромагнитных волн (215). 5.3.3. Перенос энергии волной (215). 5.3.4. Прямолинейность распространения электромагнитной волны (216). 5.3.5. Поглощение электромагнитных волн средой (216). 5.3.6. Отражение и преломление электромагнитах волн (217). 5.3.7. Закон отражения (218). 5.3.8. Закон преломления (218). 5.3.9. Интерференция электромагнитных волн (219). 5.3.10. Стоячая электромагнитная волна (220). 5.3.11. Дифракция электромагнитных волн (221). 5.3.12. Поляризация электромагнитных волн (222). 5.3.13. Скорость распространения (223). 5.3.14. Зависимость скорости распространения волны от свойств среды (223). 5.3.15. Явление Доплера (224).
5.4. Применение электромагнитного излучения 225
5.4.1. Радиосвязь (225). 5.4.2. Радиолокация (226).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 228
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 229