ЭЛЕКТРОСТАТИКА БӨЛІМІН ОҚЫТУДЫҢ ӘДІСТЕМЕЛІК ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
І. ЭЛЕКТРОСТАТИКА БӨЛІМІН ОҚЫТУДЫҢ ӘДІСТЕМЕЛІК ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
1.1. Электродинамика бөлімінің мазмұны
1.2. Электродинамиканы оқытудың кейбір педагогикалық принциптері
1.3. Электростатика бөліміндегі негізгі ұғымдар электр өрісінің кернеулігі
мен потенциалды оқыту әдістемесі
1.4. Стационарлық электр өрісі. Потенциалдар айырмасы.
Электр қозғаушы күші
ІІ ТҰРАҚТЫ ТОК ЗАҢДАРЫН ОҚЫТУ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
2.1 Тұйық тізбек үшін Ом заңын оқыту әдістемесі
2.2. Кернеуді және электр қозғаушы күшін өлшеу
2.3. Тұрақты электр тогы тарауын қайталау
ІІІ МАГНИТ ӨРІСІН ОҚЫТУДЫҢ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
3.1. Электр және магнит өрістерін салыстыру арқылы оқыту
3.2. Вакуумдағы магнит өрісін оқыту әдістемесі
3.3. Токтардың өзара әсері. Магнит өрісі
3.4. Лоренц күші. қозғалыстағы зарядтардың өзара әсері
3.5 "Магниттік индукция" түсінігін енгізудің екі тәсілін талдау
3.6. Магнит өрісі тақырыбын оқытуда сатылай кешенді талдау технологиясын
қолдану
Кіріспе
Оқытудың негізгі мақсаты өз бетінше дами алатын жеке адамды
қалыптастыру болғандықтан оқушылар өз бетінше танымдық әрекет етудің
әдістері мен дағдыларын меңгеруі тиіс.
Физика пәні мұғалімнің негізгі міндеттерінің бірі – оқушылардың ғылыми,
диалектика – материалистік көзқарасын қалыптастыру болып табылады.
Электродинамиканың техникадағы сан алуан қолданулары электр
энергиясын өткізгіш сымның бойымен алысқа жеткізуге болатынына, оны
тұтынушыларға бөліп тарату және онша күрделі емес құрылғылардың көмегімен
энергияның бір түрін кез-келген басқа түрге, жарық энергиясына түрлендіру
тоғы басқа мәселелерге негізделген.
Қазіргі кезде электрлік жарықтандыру, қыздырғыш электр құралдары,
телеграф, радио, теледидар және басқа да физикалық құралдар тұрмыста
кеңінен қолданыс табуда. Фабрика мен зауыттарда, шахта мен рудниктерде
электрлік двигательдер әр түрлі станоктар мен механизмдерді қозғалысқа
келтіреді. Электр тогы қала транспортында, темір жолдарда, әрине ауыл
шарушылығында кеңінен қолданылады.
Жұмыстың өзектілігі: Мектепте электродинамика бөлімін оқыту электр
өрісі тақырыбынан басталады. Бұл тақырыпты оқытудың басты мақсаты мен
маңызы сол-оқушылар тақырыпты оқу нәтижесінде алғаш рет материяның екінші
түрі болып табылатын өріс ұғымымен танысады. Электр өрісі тақырыбын оқу
арқылы олардың диалектика-материалистік көзқарасы кеңейе түседі.
Электростатикалық өріс ұғымымен оқушылардың танысуы – электромагниттік
өріс ұғымын енгізудің бірінші сатысы.
Электр тогының магнит өрісі электродинамика бөлімінің негізгі
тарауларының бірі болып табылады. Сондықтан да электр тогының магнит өрісін
оқыту әдістемесінің ғылыми деңгейінің жоғары болуы ғылыми мәселелерді
әлеуметтік және жеке тұлғалық мәні бар міндеттер тұрғысынан сапалы түрде
қарастыра алатын, табиғат және өмір құбылыстарын тереңірек түсінетін,
ақпаратпен сапалы түрде жұмыс жасайтын жан-жақты дамыған, ой-өрісінен
азаматты тәрбиелеуде маңызы өте зор.
Электр тогының магнит өрісін өз дәрежесінде оқыту нәтижесінде
оқушылар зарядтар мен токтар арасындағы өзара әсерлерді жүзеге асыратын
магнит өрісінің пайда болу фактілерін; Био-Савар-Лаплас, Ампер заңдарын,
Ампер және Лоренц күштерінің бағытын анықтауға арналған ережелерді магнит
өрісінің электр өрісінен өзгешелігін,яғни магнит өрісінің күш сызықтарының
тұйықталған, сипаты құйынды екендігін, табиғатта магниттік зарядтардың
болмайтындығын, магнит күштері индукция векторының бойымен емес, оған
перпендикуляр бағытталатынын, магнит өрісі тек қозғалыстағы зарядтарға әсер
ететінін толығымен ұғынады
Жұмыстың мақсаты: Электростатика бөлімінің ғылыми және оқыту әдістемесі
деңгейінің жоғары болуы алда тұрған көптеген мәселелерді шешуге мүмкіндік
берді. Электростатика бөлімін оқыту барысында оқушылар электродинамикадағы
ең іргелі ұғымдардың бірі-электр зарядымен, электр өрісінің негізгі
сипаттамаларымен, электр зарядының сақталу заңымен, зарядтардың өзара
әсерлесу заңы-Кулон заңымен т.с.с. танысады.
Сонымен қатар, жоғарыда көрсетілген тақырыптарды оқу барысында
оқушыларда магнит өрісінің материялығы жөнінде ұғым қалыптасады. Тағы бір
ескертетін жағдай, мұнда электродинамика мен Ньютон механикасын салыстыра
отырып, электродинамиканың ерекшеліктері ашылып көрсетіледі. Мысалы,
параллель токтардың өзара әсерлесуін бақылау нәтижесінде, оқушылар
өткізгіштер арқылы өтетін токтың бағыты бірдей болғанда олардың бір-біріне
тартылуын, қарама-қарсы болғанда тебілуінің себебін түсіндіре алмайды. Бұл
жерде механикада қарастырылмайтын табиғаты электромагниттік күштердің пайда
болатындығы, жақыннан әсер ету принципі жөніндегі оқушының көзқарасы
қалыптасады.
Тұрақты ток заңдарын жоғары ғылыми-әдістемелік деңгейде оқытудың
нәтижесінде электр тогы, электр қозғаушы күш, кернеу ұғымдарын, токтың әр
түрлі әсерлері фактілерін, тізбек бөлігіне және толық тізбекке арналған Ом
заңын, өткізгіштерді тізбектей және параллель қосу заңдылықтарын, токтың
жұмысы мен қуатын, Джоуль-Ленц заңын пайдаланып, тұрақты электр тогы
тізбегіне арналған есептер шығаруға, амперметр, вольтметр авометр өлшегіш
приборларын қолдана білу іскерліктері мен дағдылары қалыптасады.
Сондықтан, “Тұрақты ток заңдары”, Электр тогының магнит өрісі,
электродинамика бөліміндегі ерекше маңызы зор тараулардың бірі болғандықтан
оны оқытудың әдістемелік ерекшеліктері қарастырылады.
І. ЭЛЕКТРОСТАТИКА БӨЛІМІН ОҚЫТУДЫҢ ӘДІСТЕМЕЛІК ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
1.1. Электродинамика бөлімінің мазмұны
Қазіргі кездегі физика курсының сипаттық ерекшелігіне барлық оқу
материалдарын бірнеше фундаменталдық теориялардың айналасында топтастыру
жатады.
Электродинамика бөлімінде ондай теорияларға Максвеллдің
электромагниттік өрісі жөніндегі түсінігі және классикалық электрондық
теория жатады.
Мектептегі физика курсының Электродинамика бөлімінің оқу материалдары
осы бөлімнің ғылыми негіздерінен тұрады.
Орта мектепте классикалық электродинамика негіздерін оқыту жөнінде
әңгіме болуы мүмкін. Бұл теорияны меңгеру үшін екі сұрақтың топтамаларын
зерттеу қажет: электр және магнит өрістерінің қасиеттері, тұрақты ток
заңдары, әр түрлі ортадағы электр тогының заңдылықтары.
Мектептегі физика курсының оқу материалдарын сараптаудағы дидактикалық
талаптарды еске ала отырып бөлімнің құрамына кіретін сұрақтар топтарын
қарастырайық.
Бірінші сұрақтар тобында оқушылар Максвеллдің электромагниттік өрісі
туралы түсініктің идеясымен танысу тиісті.
Бұл ілімнің құрамын қысқа түрде Максвелл теңдеуі көрсетеді, ол
электротехника негіздерін, радиотехникалы және электромагниттік құбылыстар
теориясын құрайды.
Максвелл теңдеуін түсіну үшін қолданылатын күрделі математикалық
өрнектер оны орта мектепте оқуға мүмкіндік бермейді. Сонымен бірге
оқушыларды электромагниттік өріс жөніндегі ілім идеяларымен таныстыруға
болады.
Теңдеудің құрамын сапалы сипаттау үшін осы теңдеулерді қарастырайық:
Бірінші теңдеу қозғалыстардағы зарядтар мен айнымалы электр өрісі
магнит өрісінің көзі екендігін көрсетеді.
Екінші теңдеу электромагниттік индукция заңын өрнектейді. Ол құйын
тәріздес электр өрісінің көзі магнит өрісінің уақытқа байланысты өзгеруі
екенін көрсетеді.
Соңғы екі теңдеу магнит және электр өрістері үшін Гаусс теоремасын
көрсетеді. Бұл теңдеулерден электр өрісінің кернеулік сызықтары зарядпен
басталып зарядпен аяқталады, ал магнит өрісінің индукция сызықтары барлық
уақытта тұйық екендігі шығады.
Электр және магнит өрістері зарядталған бөлшектерге әсер етумен
байқалады. Электр өрісінің кернеулігін және магнит өрісінің индукциясын
біле отырып осы өрістердегі q заряды бар жылдамдығымен қозғалыстағы
бөлшекке әсер ететін күшті Лоренц формуласымен анықтауға болады:
Әсер ететін күшті бастапқы жағдайын және бөлшектің массасын біле отырып
оның қозғалысының сипатын білуге болады. Сондықтан Лоренц күшінің формуласы
да электродинамиканың негізгі теңдеулеріне жатады. Қарастырылған
заңдылықтарды оқушыларға түсінікті түрде жеткізуге болады, сонымен бірге
оның кейбіреулерін сандық қатынастар ретінде көрсетуге болады. Бұған
электромагниттік индукция заңы, Ом заңы, Ампер және Лоренц күштерінің
формулалары жатады.
Электродинамиканың екінші сұрақтар тобына әр түрлі ортадағы электр
тогының заңдылықтары жатады. Электролиз заңын қоспағанда бұл сұрақтар
классикалық электрондық теорияның негіздерінде қарастырған тиімді және де
сапалық жағынан қарастырған жөн.
Бұл бөлімде белгілі бір физика идея – қозғалыстың салыстырмалылығы ары
қарай қарастырылады. Бұл жерде электр және магнит өрістері электромагниттік
өрісті құрайтыны көрсетіледі.
Заттардың электрлік және магниттік қасиеттерін, әртүрлі ортадағы электр
тогын оқыту оқушылардың заттардың құрамы жөніндегі білімін тереңдете түседі
және де атомдар құрамына кіретін бөлшектер, олардың қозғалыстары мен өзара
әсерлері жөнінде көзқарастарын қалыптастырады. Электр және магнит өрістері
жөніндегі оқушылардың алған ілімдері электромагниттік өрістің материалды
екенін түсінуге мүмкіндік береді.
Зарядтардың сақталу заңын оқыту табиғаттағы өзгерістер мен
сақталулардың бірлігі жөніндегі оқушылардың көзқарастарын қалыптастырады.
Табиғаттағы құбылыстарды танып білу барысындағы көзқарастарды
қалыптастыру үшін, теория негіздерінде құрылған модельдерді қолдану үлкен
роль атқарады. Бұл жерде нүктелік заряд, шексіз біркелкі зарядталған
жазықтың модельдері жөнінде айтуға болады.
Методикалық ерекшеліктері туралы қорытындыны электр және магнит
өрістерінің материалдылығы, дүниені танып білу, оның қасиеттерінің
сарқылмастығы, тану процесінің негіздігі және т.б. материалдарды оқытылған
соң жасалғаны дұрыс.
Электродинамика бөлімінде оқушыларға политехникалық білім алуға
мүмкінділігі қарастырылуы қажет. Барлық бөлімді оқыған кезде, әсіресе
Электромагниттік индукция тақырыбын оқыған кезде электр энергиясын
шығару, тасымалдау және қолдану негіздерін түсіндіреді.
Әр түрлі ортадағы токты зерттеу криогендық генераторларда асқын
өткізгіштікті қолданудың физикалық негіздерін, түсті металдарды алудағы
электролизді қолдануды, ұшқын разрядтарды металлургияда және металдарды
өңдеу технологиялық процестерінде пайдалануды, тәжі разрядты
электрофильтрлерде қолдануды, күшті электрондық шоқтарды металдарды
вакуумде балқытуды және өңдеуді түсіндіреді. Вакуумдағы, газдағы және
жартылай өткізгіштегі токтарды оқыту оқушыларға радиоэлектрондық
қондырғылардың мынадай бөліктерімен танысуға мүмкіндік береді: вакуумдық
диод пен триод, электронды сәулелі түтікше, және де микроцессорлық
техниканың құрылымына кіретін жартылай өткізгішті диод, терморезистор,
фоторезистор, транзистор.
Осы айтылған сұрақтарды оқыту сыныптың физика курсына маңызды
практикалық бағыт береді. Егерде осы сұрақтар курстық тиісті тақырыптарында
ғылыми-техникалық прогрестік маңызды бағыттары ретінде жүйелендіріп және
қорытындыландырып отырса, оқытудың тиімділігін әлдеқайда арттыруға болар
еді.
1.2. Электродинамиканы оқытудың кейбір педагогикалық принциптері
Оқытылатын материалдың құрамын ойдағыдай игеру сабақ беру кезінде
оқушының танымдық әрекеттерін көтеретін дидактикалық әдістерді кеңінен
пайдаланылғанына байланысты. Бұған ерекшеліктері ұқсас түсініктерді,
құбылыстарды, заңдылықтарды салыстыру әдістері, анологтар мен модельдерді,
демонстрциялық тәжірибелерді қолдану және т.б. жатады. Ұқсастық және
айырмашылық белгілерін салыстыру, іздестіру білімді игеру процесінің
маңызды бөлігі болып есептеледі. Сұрақтарды игеру үшін ерекше маңызы бар
салыстыру әдістері электродинамика бөлімінде көптеп кездеседі. Мысалы,
Кулон заңын және бүкіл әлемдік тартылыс заңын, магнит және электр
өрістерін, әр түрлі ортада электр токтарын салыстыру.
Жоғарыда айтылғандай, электродинамиканы оқыту әдістемесінде анологтар
мен модельдерді қолдану үлкен орын алады. Ғылым саласында аналогтарды көп
ғалымдар қолданады. Аналогияны қолдана отырып Максвелл электромагниттік
өріс жөніндегі ілімнің негізгі болатын тамаша теңдеуін алған. Ол өзінің
атымен аталған ток күшімен кернеуліктің арасындағы байланыстығын анықтайтын
заңды алу үшін электр тогымен су ағысының аналогиясын қолданған.
Күрделі құбылыс пен заңдылықтарды түсіндіру үшін оқыту барысында
аналогтар қолданылады. Бақылау арқылы түсіне алмайтын құбылыстарды
зерттеуде аналогты қолдану ерекше пайдалы. Электр тогын көлбеу винттік науа
арқылы, қозғалған шариктің аналогы арқылы ток көзінің ролі, ЭҚК түсінігін
енгізу және ток тізбегін қарастырғанда кездеседі. Магнит өрісін оқу
барысында көп түсініктер аналогиясы арқылы жеткізіледі. Аналогия
термоэлектрондық эмиссияны (сұйықтың булануы), өздік индукция құбылысын
(инерция), ЭҚК пайда болуын, тізбекті ажыратқандағы өздік индукцияны
(гидравликалық соғу) оқыту барысында қолданылады.
Электродинамиканы оқытуда модельдерді қолданудың ерекше маңызы бар. Бұл
атомдардағы, электрондардағы, иондардағы анық бақыланбайтын бөлшектер
туралы ұғымдарды көрсететін модельдер. Мысалы, металдағы токтарды
қарастырғанда электрондық газ көрінісінің моделі қолданылады, ол жерде
электрондарды электр заряды бар материалдық нүкте ретінде қарастырады.
Сонымен бірге бұл модельде металдағы электрондардың қасиеттерін түсіндіруге
ескерілмейтін жағдайларды оқушыларға түсіндіру қажет.
Тікелей бақылауға жатпайтын құбылыстарды аналог пен модельдерден басқа
оқу кинофильмдері қолдану арқылы түсіндіріледі.
Адамның ойлау процесі белгілі бір проблемалық жағдайлар кезінде дәлел
түсетіні белгілі. Бұл маңызды жағдайды оқыту процесі кезінде естен шығармау
қажет. Электродинамиканы оқыту барысында проблемалық жағдай жасаудың тиімді
әдісіне кейбір тәжірибелер мен эксперименттік есептер жатады. Мұндай
тәжірибелерде көрсетілген құбылыстар бір қарағанда оқушылардың бұрын алған
ілімдеріне қарама-қайшы болып көрінуі мүмкін не болмаса алған білімдерінің
негізінде түсініктеме қажет етеді. Мысалы, қыздыру лампасы үшін тәжірибе
арқылы алынған вольт-амперлік сипаттамасы қисық сызық болады, металл
өткізгіштегідей түзу болмайды. Қарама-қайшы болып көрінген құбылысты
анықтау үшін оқушылардың алдында өткізгіштер кедергісінің температураға
тәуелділігін оқу керектігін кою керек.
Электродинамика оқытудағы тәжірибелер.
Физиканы оқу барысында оқушылар негізгі құбылыстарды, заңдарды,
теорияларды және оны қолдануды игеріп қана қоймай, сонымен бірге ғылымның
тәжірибелік және теориялық әдістерімен танысуы қажет. Осы әдістер оқу
процесінде сәтті үйлестірілсе ең жақсы педагогикалық нәтижелер береді.
Физика курсының барлық бөлімдерінің ішінде тәжірибелер кеңінен
қолданылатын бөлім – электродинамика. Бұл оқытушыға электродинамика сабағын
жүргізу кезінде түрлі құбылыстарды, жаңа ұғымдарды, заңдарды көрсеткен
кезде тәжірибелерге сүйене өткізуге болады. Ғылымның дамуында іргелі
тәжірибелер орны ерекше. Мұндай тәжірибелерді оқытуға ерекше көңіл аударылу
қажет.
Электродинамика бөлімін оқыту барысында мынадай іргелі тәжірибелік
жұмыстар қарастырылу қажет:
-зарядтардың өзара әсерлесу жөніндегі Кулон тәжірибесі;
-электр тогының магнит стрелкасына әсері туралы Эрстед тәжірибесі;
-тогы бар өткізгіштердің өзара әсері жөніндегі Ампер тәжірибесі;
-Ом тәжірибесі негізінде анықталған ток күшінің кернеуге
байланыстылығы.
-электромагниттік индукция және электролиз туралы Фарадей тәжірибесі;
-электронның зарядын Милликен тәжірибесі арқылы өлшеу және электрдің
атомдық құрылысын көрсететін Иоффе тәжірибесі;
-металдардың өткізгіштігінің электрондық табиғатын дәлелдейтін Толмен-
Стюарт және де Мандельштам мен Папелекси тәжірибелері;
Бұл тәжірибелердің көпшілігін мектептегі зертхана қондырғыларында
көрсетуге болады. Мектеп зертханаларында көрсетуге мүмкіндігі болмайтын
Милликен, Толмен-Стюарт тәжірибелерін оқу кинофильмдері, плакаттар және
тағы басқа көрнекті құралдар арқылы түсіндірілуі қажет. Сабақта көрсетілген
тәжірибелер:
-алдын-ала проблемалық сұрақтар қойылса;
-осы тәжірибе арқылы тексерілетін гипотеза дәлелденсе;
-тәжірибелердің нәтижелері интерпретация жасалса;
-тәжірибелердің нәтижелері талдап қорытылса;
ол қойылған мақсатына жетті деуге болады.
Тәжірибелерді көрсетумен бірге кеңінен кинофильмдер, диафильмдер,
диапозитивтер, кестелер қолданылуы қажет. Бұлар әсіресе тікелей бақылауға
болмайтын құбылыстарды түсіндіру кезінде қолданылады. Электродинамика
бөлімінде мұндай сұрақтарға ортадағы электр тоғы мен заттардың магниттік
қасиеттері туралы тақырыптар жатады.
1.3. Электростатика бөліміндегі негізгі ұғымдар электр өрісінің кернеулігі
мен потенциалды оқыту әдістемесі
Электр өрісі тақырыбын оқытудың басты мақсаты мен маңызы - оқушылар
тақырыпты оқу нәтижесінде алғаш рет материяның бір түрі болып табылатын
өріс ұғымымен танысады. Тақырыпты оқу арқылы олардың диалектика
материалистік көзқарасы кеңейте түседі.
Электродинамикалық өріс ұғымымен оқушылардың танысуы-электромагниттік
өріс ұғымын енгізудің бірінші сатысы.
Электр өрісі-бұл өрістердің ішіндегі ең қарапайымы, оның көмегімен
өрістің сипаттамаларын жеңіл түсіндіре аламыз. Осы тақырыпта өріс жөніндегі
білімнің негізі қаланып, әрі қарай ол дамытылады. Электродинамиканың қалған
мәселелерін оқыту осы тақырыпта өтілетін ұғымдар мен заңдылықтарға
сүйенеді.
Электр заряды массадан кейінгі элементар бөлшектердің екінші маңызды
сипаттамасы, ол электродинамикадағы ең іргелі ұғымдардың бірі. Зарядтың
анықтамасын оқушыларға бұрыннан белгілі ұғымдар көмегімен беру мүмкін емес.
Заряд ұғымы электродинамика курсын оқу барысында электромагниттік өріс
ұғымымен қалыптасады, оның мәні электродинамиканың барлық заңдарын оқу
нәтижесінде ашылады. Олай болса, заряд ұғымын оқушылар біртіндеп түсінеді.
Денелерде зарядтың бар екендігі ерекше өзара әсер арқылы білінеді, оны
электромагниттік өзара әсерлесу деп атайды. Қозғалмайтын зарядталған
денелердің өзара әсерлесу сипаты Кулондық болады да, ал қозғалыстағы
зарядтардың өзара әсерлесуі олардың салыстырмалы жылдамдықтарының модулі
мен бағытына тікелей байланысты. Осыған орай электромагниттік өзара
әсерлесу электрлік және магниттік өзара әсерлесуден тұрады.
Зарядталған екі дененің өзара әсерлесуі жалпы жағдайда электромагниттік
болып табылады. Олай болса, заряд денелердің электромагниттік өзара
әсерлесуінің сандық және сапалық сипаттамасы.
Зарядты өлшеудің әр түрлі тәсілдері бар, ол үшін электромагниттік өзара
әсерлесудің түрлі жағдайы қолданылады.
Физика курсын оқу барысында оқушылар олардың біразымен танысады:
электростатикалық әдіс (Милликен-Иоффе тәжірибесі), электромагниттік әдіс
(Лоренц күші негізінде электронның меншікті зарядын анықтау), ток күші мен
уақытты өлшеуге байланысты әдіс, электролиз құбылысына байланысты әдіс және
т.б. Осы кезге дейін жасалған тәжірибелердің бәрі электр зарядының табиғаты
дискретті, корпускулалық, атомдық екендігін толық дәлелдеп берді.
Табиғаттағы ең аз зарядтың мөлшерін элементар зарядпен атайды. Элементар оң
заряд протон зарядына, ал элементар теріс заряд электрон зарядына (-е) тең.
Кез-келген дененің заряды элементар зарядқа бүтін еселі болады ().
Зарядтың дискреттілігін оқыту зат қасиеттерінің дискреттілігі жөніндегі
оқушылардың көзқарасын қалыптастыруды жалғастырып, микродүниенің маңызды
ерекшелігінің бірін түсінуге негіз болады, оқушыларды атомдық және ядролық
физикадағы кванттау идеясын терең түсінуге дайындайды.
Заряд жөніндегі іргелі екі заң оқылуы тиіс: біріншісі - электр
зарядтарының өзара әсерлесу жөніндегі Кулон заңы, екіншісі - зарядтың
сақталу заңы. Кулон заңының орындалатындығы көптеген тәжірибелер көмегімен
дәлелденген болса, зарядтың сақталу заңын осы кезге дейін бақыланып жүрген
барлық құбылыстар дәлелдеп беріп отыр: денені үйкеу арқылы электрлегенде
денелерде бір мезгілде модульдері жағынан өзара тең, таңбалары қарама-қарсы
зарядтардың пайда болуы.
Мұнда оқушыларға зарядтың тағы бір қасиетін түсіндіру керек. Ол
зарядтың абсалюттігі, яғни зарядтың санақ жүйесіне байланыссыздығы.
Зарядтың бұл қасиетін зарядтың инварианттығы деп атайды. Оны мынадай
құбылыстар дәлелдейді: иондалған атомдар мен молекулалардың бейтараптығы,
қызған металдардың зарядталмайтындығы және т.б.
Заряд туралы айтқан кезде, үнемі зарядтардың өзара өріс арқылы
әсерлесетіндігін ескертіп отыру қажет.
Электр заряды мен олардың арасындағы өзара әсер туралы сұрақты
қарастырғанда денелердің электрленуін тәжірибе арқылы көрсетуден бастайды.
Әдетте үйкеліс арқылы электрлену жөнінде айтады. Егер құрғақ шашты тарақпен
тараса, онда ең қозғалғыш заряталған бөлшектер - электрондардың біразы
шаштан тараққа ауысады да, оны теріс зарядтайды, ал шаш оң зарядталады.
Үйкеліспен электрленген кезде екі дене таңба жағынан қарама-қарсы, бірақ
модульдері жағынан бірдей зарядтар алатынын тәжірибе арқылы дәлелдеуге
болады.
Денелерді үйкегеннен кейін ұсақ бөлшектерді өзіне тарту қасиеті
байқалып, электрленетіндігіне оқушылардың назарын аудару қажет.
Электрленген денелердің тек жеңіл денелерді ғана емес, ауыр денелерді де
өзіне тартатындығын көрсету үшін мынадай тәжірибені жасауға болады: ұзын
металл түтікше алып, дәл ортасынан жіңішке жіпке байлап іліп қояды, егер
электрленген таяқшаны түтікшенің бір ұшына жақындатсақ, онда оның таяқшаға
тартылатындығын анық байқауға болады, металл түтікшенің орнына ағаш
таяқшаны да қолданады.
Денелердің электрленуін түсіндіргеннен кейін электрленген денелердің
өзара әсерлесуі бірдей болмайтынын көрсеткен дұрыс. Электрлену дәрежесінің
әр түрлі болатынын көрсету үшін электроскоп туралы айту керек.
Соңында денелерді екі түрлі әдіспен үйкеу және ықпал арқылы электрлеуге
болатынын қорытындылау қажет.
Тұйық жүйедегі зарядтардың алгебралық қосындысы өзгермейді деген электр
зарядының сақталу заңының орындалуының дәлелі ретінде денелерді тиістіру
арқылы электрлегенде денелердің қарама-қарсы таңбалы зарядтармен
электрленетіндігін келтіруге болады. Олай болса электрлеу дегеніміз
денедегі зарядтарды модулі жағынан тең, таңбалары қарама-қарсы зарядтарға
бөлу процесі екендігін түсіндіру қажет.
Электр зарядтарының өзара әсерлесуін сан жағынан сипаттайтын іргелі
заңдардың бірі 1785 жылы тәжірибе жүзінде Кулон тағайындаған заң болып
табылады.
Мұнда алдымен Кулон тәжірибесі айтылып, иірілмелі таразының құрылысы
мен онымен жұмыс істеу әдісі түсіндіріледі де заң былайша тұжырымдалады:
қозғалмайтын зарядталған екі нүктелік дененің вакуумдағы өзара әсерлесу
күші олардың зарядтарының модульдерінің көбейтіндісіне тура пропорционал
және ара қашықтықтың квадратына кері пропорционал болады. Кулон заңы
айтылғаннан кейін физика кабинетіндегі приборлардың мүмкіндігіне қарай сапа
жағынан болса да, электрленген екі дененің арасындағы әсерлесу күшінің
зарядтар шамасына және олардың ара қашықтығына тәуелді болатындығын
көрсететін тәжірибе ұйымдастырылғаны жөн.
Электростатикалық өзара әсерлесу заңы мен гравитациялық өзара әсерлесу
заңының бір-біріне ұқсастығын оқушылар бірден байқайды. Сондықтан
гравитациялық күшке қарағанда электрлік күштің басым екендігін түсіндіре
кету керек.
Одан кейін айтылатын нәрсе - электр зарядының өлшем бірлігі. Ток күші
бір ампер (А) болғанда өткізгіштің көлденең қимасы арқылы бір секундта
өтетін заряд мөлшері алынатындығы, оны Кулон (Кл) деп атайтындығы айтылады.
Осыған байланысты Кулон заңындағы k коэффициентінің мағынасы ашылып, оның
мәні беріледі ().
СИ жүйесінде k коэффициенті деп алынатындығы айтылуы қажет.
Қорытындысында элементар зарядтың сан мәні мен электронның тыныштықтағы
массасының сан мәнін берген орынды болар еді.
Кл, кг
Оқушылардың электр заряды жөніндегі алған мағлұматтарын қысқаша
қорытындылай келіп, зарядталған денелер бір-бірімен қалай әсерлеседі деген
сұрақ қоюға болады.
Бұл құбылысты түсіндіру үшін ғалымдар алыстан әсер ету теориясын
жасағанын, бұл теорияның түсіндіруі бойынша әсердің кез-келген қашықтыққа
лездік түрде берілетінін, негізінен бұл теорияның тәжірибеде
дәлелденбегенін айтуға болады. Содан соң Фарадей мен Максвеллдің жаңа
теория ұсынғандығы, жаңа теория бойынша электрленген денелердің айналасында
ерекше өріс пайда болатындығы, зарядталған денелердің бір-біріне жасайтын
әсері шекті жылдамдықпен берілетіндігі жөнінде айтылуы тиіс. Жаңа теорияны
жақыннан әсер ету теориясы деп, ал зарядталған дене айналасындағы өрісті
электр өрісі деп атайды.
Электр өрісі де зат сияқты, материяның бір түрі. Ол бір зарядтың екінші
зарядқа әсерін қамтамасыз етуші материялдық орта.
Электр өрісінің таралу жылдамдығын тәжірибе жасап көрсету мүмкін емес,
сондықтан оның мәнін дәлелсіз-ақ бере салуға болады. ( мс)
Электродинамиканың кейінгі тарауларында оқылатындығына қарамастан,
таныстыру мақсатында, магнит өрісінің тыныштықтағы зарядқа әсер етпейтінін,
ал қозғалыстағы зарядқа оның әсері болатындығын көрсеткен жөн. Сөйтіп,
қозғалыстағы зарядқа электр өрісі де әсер ететіндігі, ал тыныштықтағы
зарядқа тек электр өрісі ғана әсер ететіндігі жөнінде қорытындылап қою
керек.
Мұнан кейін оқушыларға электр және магнит өрісінің арасында тығыз
байланыс бар екендігін айту керек. Сондықтан да физикада бірыңғай
электромагниттік өріс жөнінде айтылады, ал электр және магнит өрістері
электромагниттік өрістің дербес жағдайлары болып табылады.
Электромагниттік өрістің материяның бір түрі екенін, оның өзіне тән
ерекшелігі ретінде тыныштықтағы зарядқа да, қозғалыстағы зарядқа да әсер
ететіндігін айту қажет.
Тыныштықта тұрған заряд өзінің айналасындағы кеңістіктің қасиетін
өзгертіп, электростатикалық өріс тудырады.
Электр өрісін зерттеу үшін белгілі бір сыншы зарядты пайдалану керек.
Өрістің қасиетін өзгертпес үшін сыншы заряд нүктелік болуы тиіс. Егер q
заряды тудыратын өріске q0 сыншы зарядын орналастырса, онда осы зарядқа
әсер етуші күш өрістің әр түрлі нүктелерінде түрліше болады, бірақ Кулон
заңына сәйкес, сыншы зарядтың шамасына пропорционал. Ал зарядқа әсер етуші
күштің сол зарядтың q0 шамасына қатынасы, яғни Fq0 зарядтың шамасына
байланысты болмай, тек өрістің берілген нүктесін сипаттайды. Осы қатынас
электростатикалық өрістің кернеулігі деп аталады.
Әсер етуші күш F-вектор, ал заряд q -скаляр болғандықтан электр
өрісінің кернеулігі E-вектор болатындығы ескертіледі. Электр өрісі
кернеулік векторының бағыты өріс нүктесіне енгізілген зарядтың таңбасы оң
болған кездегі оған әсер етуші күштің бағытымен бағыттас болатындығына
оқушылардың назарын баса аудару керек.
Оқушыларға мынадай мәселелерді жан-жақты түсіндіру қажет.
1) қатынасы өрістің қарастырылып отырған нүктесіндегі заряд
шамасына байланысты болмай отырғандықтан, оны осы заряд орналасқан
нүктедегі өріс сипаттамасы ретінде алуға болады.
2)Егер өрістің барлық нүктелеріндегі кернеуліктер бірдей болса, ондай
өрісті бір текті өріс деп атайды.
3)Егер өрістің берілген нүктедегі кернеулігі белгілі болса, онда осы
нүктеге орналастырылған зарядқа әсер ететін күшті білуге болады.
Егер өріс нүктесінде орналастыратын заряд оң болса, және
бағыттары бір-біріне сәйкес болады. Ал егер заряд теріс болса, онда ол
векторлар бір-біріне қарама-қарсы болады.
4)Егер өрісті бірнеше заряд q1, q2, q3,... qn туғызатын болса, онда
берілген нүктедегі қорытқы өріс кернеулілігі жеке зарядтардың сол нүктеде
тудыратын кернеуліктерінің геометриялық қосындысына тең болады. Бұл
қағиданы суперпозиция принципі деп атайды.
Нүктелік заряд өрісінің кернеулігі:
Электр өрісін көрнекі етіп кескіндеу үшін арнайы тәсіл - күш сызықтары
көмегімен кескіндеу тәсілі қолданылады. Ол үшін шартты түрде күш сызықтары
деп, кез-келген нүктесіне жүргізілген жанама өрістің сол нүктедегі
кернеулік бағытына сәйкес болатын сызықтарды айтады. Әрине, ондай
сызықтарды көптеп жүргізе беруге болады, бірақ күш сызықтары бағытына
перпендикуляр қойылған бір өлшем ауданша арқылы өтетін күш сызықтарының
саны сол жердегі өріс кернеулігінің сан мәніне тең болатындай ғана күш
сызықтарын жүргізу келісілген.
Қозғалмайтын зарядтардың маңында пайда болатын электростатикалық өріс
потенциалды өріс болып табылады. Электростатикалық өрістің потенциалдығын
көрсету үшін, біртекті электр өрісіндегі зарядтың бір нүктеден екінші
нүктеге орын ауыстырғанда өріс күштері жұмысының траекторияға байланысты
болмайтындығы дәлелденеді. Егер өріс күштерінің жұмысы жүрілетін жолдың
формасына байланысты болмайтын болса, ондай өрістерді потенциалдық өріс деп
атайтындығы айтылады. Сонымен электростатикалық өріс потенциалдық өріс
болып табылады.
Нүктелік заряд өрісінің потенциалдығын талдаудың тағы бір маңызды жағы
бар. Егер бір текті өрістің потенциалдығын ғана қарастырумен шектелсек,
онда оқушыларда біртекті өріс-потенциалдық деген ұғым қалыптасады да,
біртекті магнит өрісін өткенде, магнит өрісінің потенциалдық болмайтындығын
түсіндіруді қиындатып жібереді.
Электр өрісінің потенциалдығы түсіндірілгеннен кейін, өрістің белгілі
нүктесіне орналастырылған зарядтың потенциалдық энергиясы болатындығы
жөнінде айтуға болады. Мұны түсіндіру үшін электростатикалық өріске
ұқсастығын пайдаланып, біртекті электр өрісінің күш сызығы бойынан екі
нүкте алынады. Электр өрісінің әсеріне q заряды бірінші нүктеден екінші
нүктеге дейін қозғалады десек, онда әсер етуші күш F=qE болады да, орын
ауыстыру l болады.
Бұл кезде жасалған жұмыс:
Егер жұмыс қозғалыс траекториясына байланысты болмаса, онда ол жұмыстың
мәні дененің сол нүктелеріндегі потенциалдық энергияларының (Wp) теріс
таңбамен алынған айырмасына тең:
Соңғы жазылған екі формуланы салыстыра отырып, өріске орналасқан
зарядтың потенциалдық энергиясының өрнегін алуға болады.
Wp=qEl
Бұл жер өрісіндегі дененің потенциалдық (W=mgh) энергиясына ұқсас
екендігіне оқушылардың назарын аудару керек. Олай болса, электр өрісінде
энергияның белгілі қоры бар деп тұжырымдалады.
Зарядтардың потенциалдық энергиясы туралы айтылған соң, энергияның
заряд шамасына қатынасы зарядқа байланысты болмайтындығы айтылады. Өрістің
берілген нүктесіндегі нүктелік оң зарядтың потенциалдық энергиясына тең
шама потенциал деп аталады.
Егер өрісті бірнеше нүктелік зарядтар туғызатын болса, онда мұндай
өрістің нүктесіндегі потенциал жеке зарядтар өрістерінің осы нүктедегі
потенциалдарының алгебралық қосындысына тең болатындығы түсіндірілуі қажет.
Өріс кернеулігі вектор, ендеше ол өрістің күштік сипаттамасы болып
табылады, өріс кернеулігі өрістің берілген нүктесінде q зарядқа әсер ететін
күшті анықтайды. Потенциал скаляр, ол өрістің энергетикалық
сипаттамасы болып табылады, ол өрістің берілген нүктесіндегі q зарядтың
потенциалдық энергиясын анықтайды.
Электр өрісін зерттегенде көбінесе потенциалдан гөрі потенциалдар
айырмасы жиі қолданылады. Потенциалдар айырмасы кернеу деп те аталады,
кернеу U әрпімен белгіленеді. Егер өрістің екі нүктесінің потенциалдар
айырмасы белгілі болса, онда өріс әсерінен сол екі нүктенің арсында q
заряды орын ауыстырғанда жасалатын жұмыс:
Бұдан кейін потенциалдар айырымының өлшем бірлігі берілуі тиіс. Ол СИ
жүйесінде, 1 Кулон зарядты электр өрісі бір нүктеден екінші нүктеге
қозғағанда жасалынатын жұмыс 1 Дж болса, ондай екі нүктенің потенциалдар
айырмасы 1 Вольт (В) деп аталатындығы түсіндіріледі.
Енді кернеулік пен потенциал электростатикалық өрістің сипаттамалары
екендігін білген соң, олардың арасындағы байланыс туралы айту керек.
Бұл байланысты табу үшін, біртекті өрісте заряд қозғалған кезде,
өрістің жасайтын жұмысының формуласына қайтадан оралу керек:
;
Олай болса:
Бұл формула электростатикалық өріс кернеулігі сан жағынан кернеудің бір
өлшем ұзындықтағы өзгерісіне тең екендігін көрсетеді.
Осыдан кейін өрісті көрнекті кескіндеу үшін потенциалдары бірдей
беттерді пайдаланатындығын айту керек. Потенциалдары бірдей беттер
эквипотенциал беттер деп аталады. Мынадай мәселелерді түсіндіре кеткен жөн:
1. Егер нүктелік заряд эквипотенциал беттің бойымен орын ауыстырса,
онда оның істеген жұмысы нольге тең болады;
2. Өрістің күш сызықтары әр уақытта эквипотенциал бетке нормаль болады;
3. Электростатикалық өрістегі электр өткізгіштігінің беті әр уақытта
эквипотенциал беттер болып табылады;
4. Өрістің күш сызықтары, өріс нүктелеріндегі потенциалдың жылдамырақ
өзгеру бағытын көрсетеді.
Сонымен корыта келе, дәлелсіз нүктелік зарядтың вакуумдағы
электростатикалық өріс потенциалының формуласын:
және екі нүктелік зарядтың өзара әсерлесуінің потенциалдық энергиясының
формуласын:
беруге болады, бұдан кейін потенциалдар айырмасын өлшеу әдістері айтылады.
1.4. Стационарлық электр өрісі. Потенциалдар айырмасы.
Электр қозғаушы күші
Он бір жылдық мектеп бағдарламасында стационарлық электр өрісі Тұрақты
ток тақырыбын өткенде оқытылады. Мұндағы негізгі түсініктердің бірі электр
қозғаушы күші.
Өткізгіште ұзақ уақыт ток жүруі үшін, үнемі электр өрісі болуы қажет.
Осы өріс өткізгіште зарядталған бөлшектердің үздіксіз қозғалысын тудырады.
Оқушылар білетін электростатикалық өріс қасиеттерінен, бұл өрістің
өткізгіштігі зарядтардың қозғалысын қамтамасыз ете алмайтынын көрсету
керек. Егер өткізгіштің ұштарында потенциалдар айырымын тудырсақ, онда
зарядтар қозғалысы потенциалдар теңелгенше болады. Тұрақты ток тізбегінің
кез-келген бөлігінде потенциалдар айырымы тұрақты болады. Олай болса,
өткізгіштегі электр өрісінің кернеулігі, осы өріс энергиясы да өзгермейді.
Ал өткізгіш арқылы ток өткенде жылу бөлінеді. Сонда өткізгіш қандай
энергияның әсерінен қызады деген орынды сұрақ туады. Бұл тізбекке электрлік
емес энергияны, электромагниттік өріс энергиясына айналдыратын қондырғыны
қосу арқылы жүзеге асырылады.
Тогы бар өткізгіштегі электр өрісі стационарлық өріс болып табылады.
Ток көзіне қосылған тізбекте пайда болған стационарлық электр өрісін
оқушыларға түсіндіру оңай емес. Электрлік тізбек арқылы тұрақты электр тогы
өткенде пайда болатын құбылысты түсіндіру ыңғайлы.
Біріншіден, оқушылар электр өрісі кернеулік векторының өткізгіш бетіне
перпендикуляр еместігін, яғни екі құраушыға өткізгіш бетіне нормаль En және
өткізгіш бойымен бағытталғын El-ге жіктелетінін білу керек.
Екіншіден, өткізгіште стационарлық электр өрісі орныққанда тұрақты ток
өтетін, яғни зарядтар бірқалыпты қозғалатынын білу керек.
Тұрақты токтың элетромагниттік өрісінің элетрлік және магниттік
құраушылары болады. Бұл құраушылар бір-бірімен байланысты емес, сондықтан
жекелеп қарастыруға болады. Тұрақты өріс үшін Максвелл теңдеулерінен бұл
құраушылардың тәуелсіздігі шығады.
Үшіншіден, оқушыларға стационарлық электр өрісі электростатикалық өріс
сияқты потенциалды екендігін хабарлау керек.
Стационарлық электр өрісінің күштік сипаттамасы электр өрісінің
кернеулігі :
ЕК - кулон күштер өрісінің кернеулігі, ЕТ - тосын күштер өрісінің
кернеулігі.
Стационарлық электр өрісінің энергетикалық сипаттамасы – кернеу болып
табылады.
Оқушылар кернеу мынадай формула арқылы анықтайтынын біледі:
Р - пайдаланылатын қуат, І- өткізгіштегі ток күші.
Бөлшектің алымы мен бөлімін t-ға көбейтіп Pt=A екенін ескерсек:
Анықтама бойынша электростатикалық өрістегі потенциалдар айырмасы:
- ток көзінің электр қозғаушы күші деп атайды. Олай болса
Сөйтіп, кернеу дегеніміз бірлік оң заряд тізбек бойымен орын
ауыстырғанда электростатикалық күштер мен тосын күштердің жасайтын жұмысы.
Кернеу стационарлық электр өрісін сипаттайды.
Потенциалдар айырмасы электростатикалық өрістің энергетикалық
сипаттамасы:
Электр қозғаушы күш тосын күштер өрісінің энергетикалық сипаттамасы.
Егер =0 болса, онда тізбек бөлігіндегі кернеу оның ұштарындағы
потенциалдар айырмасына тең болады.
Тізбектің біртекті бөлігі үшін Ом заңы:
Тұйық тізбек үшін Ом заңы:
Бұдан ток көзінің электр қозғаушы күші сыртқы және ішкі тізбек
бөлігіндегі кернеулердің қосындысына тең екендігі шығады. Мұндай жағдайда
кернеу Кулондық өрістің сипаттамасы болып табылады.
Кернуді әр түрлі жолмен түсіндіру, тізбекте Э.Қ.К. болған жағдайда
маңызды роль атқарады. Егер тізбек бөлігінде Э.Қ.К болмаса кернеу
потенциалдар айырмасына тең болады.
Сационарлық электр өрісін оқыту, кезінде оның электростатикалық өрістен
өзгешелігі айтылады. Өткізгіш ішіндегі стационарлық өрістің кернеулігі
нольден өзгеше, сондықтан да онда еркін зарядтар қозғаларда, кернеулік
сызықтары өткізгіш бетіне перпендикуляр емес, өткізгіш бетіндегі
зарядтардың бөлініп таралуы зарядтардың электростатикалық тепе-теңдігінен
өзгеше. Бұдан кейін электростатикалық және стационарлық өрістердің бірдей
қасиеттерін көрсету керек, яғни екі өрістің сипаты да потенциалды,
кернеулік сызықтары зарядтарда басталып, зарядтарда аяқталады тұйықталған
сызықтар емес. Сондықтан стационарлық электр өрісіне потенциал ұғымын
қолдануға болады.
Стационарлық электр өрісінің потенциалдық сипатын мынадай дәлелдер мен
көрсетуге болады. Тізбектің барлық қимасындағы тұрақты ток бірдей, зарядтар
жоғалмайды және еш жерде жинақталмайды, олай болса өткізгіш арқылы ток
өткенде зарядтар үнемі қозғалыста болғанымен зарядтардың бөлініп таралуы
уақытқа байланысты өзгермейді. Тұрақты ток құйынды емес сұйықтар
қозғалысына ұқсас. Ал зарядтардың кеңістіктегі бөлініп таралуының
өзгермейтіндігі өрістің потенциалдық белгісі болып табылады. Сөйтіп
зарядтар өрісінің потенциалдық сипаты, өткізгіш арқылы тұрақты ток өткенде
де орындалады. Олай болса, стационарлық өріс те потенциалды болып табылады.
ІІ ТҰРАҚТЫ ТОК ЗАҢДАРЫН ОҚЫТУ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
2.1 Тұйық тізбек үшін Ом заңын оқыту әдістемесі
Двигательдер, электр шамдары және әр түрлі ток тұтынушылардың қалыпты
жағдайда жұмыс істеулері ондағы ток күшінің белгілі бір мәнінде мүмкін
болады. Олай болса, ток көзіне приборларды қосқанда ток күші неге
байланысты болады деген орынды сұрақ туындайды.
Егер ток тұтынушылар ток көзіне қосылған болса, онда ондағы кернеу
белгісіз және оның шамасы ток көзіне әр түрлі тұтынушылар жалғанған болса
өзгеріп отырады. Мұны тәжірибеде көрсетуге болады.
1-суретте көрсетілген вольтметр тізбектегі кернеуді көрсетеді. Реостат
арқылы кедергіні арттырса соған сәйкес ток көзінің полюсіндегі кернеу де
өзгереді. Олай болса, кернеу ток көзіне ғана емес сыртқы кедергіге де
байланысты болады екен. Оқушылар алдына қойылған осы проблема Ом заңын
қорытуды қарастыруға алып келеді.
Тізбекті тұйықтаған сәтте электр зарядтарының қозғалысы басталады.
Тізбектің сыртқы бөлігінде электростатикалық өріс әсерінен оң зарядталған
бөлшектер ток көзінің оң полюсінен теріс полюсіне қозғалады.
Бұл жағдайда зарядталған бөлшектердің энергиясы сыртқы тізбектің
кедергісі салдарынан оны қыздыруға жұмсалады.
Тосын күштер әсер ететін ток көзінің ішінде оң зарядтар
электростатикалық өріске қарама-қарсы теріс полюстен оң полюске қарай
қозғалады. Тізбектің ішкі бөлігінің кедергісі болғандықтан энергия ток
көзінің ішінде жұмсалады.
Тізбектің сыртқы бөлігіндегі электростатикалық өріс күштерінің жұмысы
ток көзінің ішіндегі өріске қарсы істелетін жұмысқа тең, таңбасы жағынан
қарама-қарсы болады. Тізбектің барлық бөлігіндегі электростатикалық өріс
күштерінің толық жұмысы нольге тең екені оқушыларға белгілі. Сондықтан
тізбекте ешқандай өзгерістер болмаса, онда ток көзіндегі тосын күштердің
жұмысы тізбекте бөлініп шығатын жылу мөлшеріне тең ((Q
Тізбекте ток өткенде онда бөлініп шығатын жылу мөлшері
Q=J2Rt
Ток көзіндегі тосын күштердің жұмысы
(=J2Rтt
Электр қозғаушы күшінің анықтамасы бойынша
Е =Aт q
Олай болса q Е =J2 Rт t. q=J t екенін ескерсек
Е = J Rт, J = Е Rт
Rт - толық кедергі Rт = R + r
r – тізбектің ішкі кедергісі, R - тізбектің сыртқы кедергісі
J = Е (R+r)
Тұйық тізбек үшін Ом заңын қорытқан соң, тізбектегі ток күшінің неге
байланысты екеніне жауап беруге болады.
Көпшілік жағдайда оқушылар Ом заңының формуласын білгенімен, тізбектегі
ток Э.Қ.К. ішкі кедергіге және тізбектің сыртқы кедергісіне тәуелді екенін
дұрыс біле бермейді.
Сонымен қатар оқушылар ток көзінің ішкі кедергісінің маңызын, полюстер
арасындағы кернеудің тұрақты емес екенін және оның алдын - ала
берілмейтінін, тізбектің сыртқы кедергісіне едәуір байланысты болатынын
жақсы түсінбейді. Мысалы, 3,5 В кернеуге есептелген лампочка қалта
фонарының батарейкасына қосқанда, батарейканың ұшындағы кернеу 4,5 В
болғанымен оның не себепті әлсіз жанатынын түсіндіре алмайды.
Ток көзінің электр қозғаушы күші мен сыртқы тізбекпен тұйықталған
полюстер арасындағы кернеудің айырмашылығын білу үшін мынадай тәжірибе
көрсету қажет.
Индукциялық генераторға 127 В кернеуге есептелген, қуаты 10-15 Вт
жарықтандырғыш лампаны жалғайды. Лампа жанады. Содан кейін, бұл лампаны 3,5
В есептелген қалта фонарымен алмастырғанда ол жанбайды.
Кез-келген ток тұтынушылар (берілген жағдайда лампа) өздеріне
есептелген ток өткен кезде ғана қалыпты режимде жұмыс істейді. Сыртқы
тізбектегі ток күші ондағы кернеуге байланысты. Лампадағы кернеу ток
көзінің Э.Қ.К. және кедергісі белгілі жағдайда төмендегідей анықталады.
Е = J R + J r
J R = Е - J r
Мұндағы JR - сыртқы тізбекті кернеудің түсуі, ал Jr - ток көзінің ішкі
кедергісіндегі кернеудің түсуі. Егер R((r болса JR(Jr болады.
Жоғарыда бірінші жағдайда лампаның кедергісі R1(r, сондықтан лампаның
жануы үшін ондағы кернеу жеткілікті.
Екінші жағдайда қалта фонары лампасының кедергісі R2((r, сондықтан
ондағы кернеу лампаның жануы үшін жеткіліксіз.
Кернеудің едәуір бөлігі тізбектің ішкі бөлігіне сәйкес келеді. Бұл
жағдайда тізбектің ішкі бөлігіндегі кернеудің түсуі ток көзінің Э.Қ.К. тең
болады. Мұнда оқушылар ток көзінің ішкі кедергісі қаншалықты маңызды роль
атқаратынын көреді.
Ток көзі бірдей болғанда тізбектегі ток шамасы тек тізбектің сыртқы
кедергісіне байланысты болады. Егер R(0 ток күші максимум, R(( болса ток
күші минимум болады.
R(O қысқаша тұйықталуға сәйкес келеді.
Jmax = Е r
Формуладан қысқаша тұйықталу кезінде ток күші ток көзінің Э.Қ.К. арқылы
ғана емес ішкі кедергісі арқылы да анықталатынын көріп отырмыз. Ішкі
кедергісі үлкен ток көздері үшін қысқаша тұйықталу тогы көп болмайды,
сондықтан ол қауіп төндірмейді. Егер ток көзінің ішкі кедергісі аз болса,
қысқаша тұйықталу тогы үлкен болады да ток көзі істен шығып қалады.
Екінші шекті жағдайға тізбектің тұйықталмауы сәйкес келеді. Бұл
жағдайда ток күші нольге тең болады, ток көзінің ішкі кедергісі болмайды,
ток көзінің полюстерінің ұштарындағы кернеу Э.Қ.К. тең болады.
2.2. Кернеуді және электр қозғаушы күшін өлшеу
Оқушылар тұйық тізбек үшін Ом заңын оқығанда ток көзінің электр
қозғаушы күші мен ішкі кедергісін анықтайтын лабораториялық жұмыс жасау
керек.
Бұл жұмысты орындағанда тізбекті тұйықтамай тұрып, ток көзінің
полюстеріне вольтметрді жалғап, Э.Қ.К. өлшейді.
Тұйық тізбек үшін Ом заңынан Е = J (R+r)
Егер R((r болса, онда ішкі кедергіні ескермеуге болады, сонда Е = JR.
Тізбек бөлігі үшін Ом заңынан JR - кедергісі R тізбек бөлігі үшін кернеуді
береді. Олай болса, сыртқы тізбектің ұштарындағы кернеуді өлшеу арқылы ток
көзінің Э.Қ.К. өлшейді. Ток көзінің ішкі кедергісіне қарағанда тізбектің
сыртқы кедергісі неғұрлым көп болса, өлшеу нәтижесі соғұрлым дәлірек
болады. Егер тізбек тұйықталмаған болса, Э.Қ.К. дәл өлшенеді. Сонымен
тізбек тұйықталмаған кезде ток көзінің полюстерінің арасындағы кернеу
Э.Қ.К. тең.
Бұл кернеуді қалай өлшеуге болады деген орынды сұрақ туындайды. Ток
көзінің полюстеріне вольтметрді жалғағанда тізбек вольтметр арқылы
тұйықталады. Вольтметрдің кедергісі неғұрлым үлкен болса, оның көрсетуі
соғұрлым көбірек ток көзінің Э.Қ.К. жуықтайды.
Оқушыларға ток көзінің Э.Қ.К. осылайша дәл өлшеуге болатындығын көрсету
үшін төмендегі көрсетілген есепті шығарту қажет.
Егер ток көзіне жалғанған вольтметрдің көрсетуі 4В болса, онда Э.Қ.К.
өлшеуде қандай қателік жіберілген? (r(0,5 Ом; R(200 Ом)
Вольтметрді ток көзінің полюстеріне жалғағанда тізбек тұйықталады да
оның көрсетуі Э.Қ.К. Jr шамасына кем болады.
Тізбектегі ток күші
Онда U0=0,02*05=0,01 В
Е =U+U0=4+0,01=4,01 В
Сөйтіп Э.Қ.К. өлшегендегі салыстырмалы қателік 0,25( болады.
Вольтметрдің бір бөлігінің құны 0,2 В. Олай болса, 0,01 В қателік ол
приборда байқалмайды.
Бұл есепті шығарған соң оқушылардың назарын мынадай мәселеге аудару
қажет. Вольтметр мен амперметрдің жұмыс істеу принциптері бірдей
болғандықтан вольтметр тізбектегі ток шамасын өлшейді. Тізбектің кез-келген
бөлігіндегі кернеуді өлшеу үшін вольтметрді осы бөлікке параллель жалғау
қажет.
Тұрақты ток заңдарын оқушыларға пысықтау үшін өткізгіштерді тізбектей
және параллель жалғауға тұрақты токтың жұмысы мен қуатына, тізбекте ток
өткенде бөлініп шығатын жылу мөлшеріне есептер шығару керек.
2.3. Тұрақты электр тогы тарауын қайталау
Әр сабақтың жоспарлануы сынып оқушыларының ерекшеліктеріне,
мектептің ішкі мүмкіндіктеріне сай жасалынады. Жан-жақты ойластырылған
сабақта білім тереңділігі, әсерлілігі қамтамасыз етіледі, оқушының
ойлануына, шығармашылықпен жұмыс дасауына мүмкіндік береді.
Сондықтан әр сабақта оқушылардың оқуын тиімді ұйымдастыру, сабақты
жоспарлауға байланысты.
Сабақтың тақырыбы: Тұрақты электр тогы тарауы бойынша қорытынды
қайталау.
Сабақтың мақсаты: Тарау бойынша алған білімдерін қорытындылап,
қайталау, эксперименттік , сандық, сапалық есептер шығару.
Сабақтың типі: Қорытынды қайталау
Сабақтың әдісі Сайыс, зерттеу, тексеру, бағалау.
Қажетті құралдар: амперметр, вольтметр, өткізгіш, сым, шам, кілт,
жалғағыш сымдар, ток көзі
Көрнекілігі: Физик ғалымдарының порттері, рефераттар, кітаптар,
кесте.
Пән аралық байланыс: алгебра, әдебиет, биология.
Сабақтың барысы:
I. Ұйымдастыру кезеңі. Сыныпты екі топқа бөлу керек.
1. Эксперимент қоюшылар-2
1. Аналитиктер-2
1. Теоритиктер-2
1. Эрудиттер-2
1. Физика тарихының білгірлері
1. Дәрігер-1
1. Экономист-1
Ампер, Вольта, Ом, Ленцтердің өмірбаяны мен ашқан жаңалықтарын оқып
келу.
Тұрақты электр тогы тарауы бойынша сөзжұмбақтар құрастырып келу.
II Эксперименттік сайыс Диссертация қорғау
Лабороториялық құралдарды қолдана отырып,
1. Өткізгіштің меншікті кедергісін өлшеу,
1. Өткізгіштерді тізбектей жалғау зерттеу жұмыстарын жүргізіп, тақтаға
талдау.
Эксперимент жасаушылар жұмыс ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
1.1. Электродинамика бөлімінің мазмұны
1.2. Электродинамиканы оқытудың кейбір педагогикалық принциптері
1.3. Электростатика бөліміндегі негізгі ұғымдар электр өрісінің кернеулігі
мен потенциалды оқыту әдістемесі
1.4. Стационарлық электр өрісі. Потенциалдар айырмасы.
Электр қозғаушы күші
ІІ ТҰРАҚТЫ ТОК ЗАҢДАРЫН ОҚЫТУ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
2.1 Тұйық тізбек үшін Ом заңын оқыту әдістемесі
2.2. Кернеуді және электр қозғаушы күшін өлшеу
2.3. Тұрақты электр тогы тарауын қайталау
ІІІ МАГНИТ ӨРІСІН ОҚЫТУДЫҢ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
3.1. Электр және магнит өрістерін салыстыру арқылы оқыту
3.2. Вакуумдағы магнит өрісін оқыту әдістемесі
3.3. Токтардың өзара әсері. Магнит өрісі
3.4. Лоренц күші. қозғалыстағы зарядтардың өзара әсері
3.5 "Магниттік индукция" түсінігін енгізудің екі тәсілін талдау
3.6. Магнит өрісі тақырыбын оқытуда сатылай кешенді талдау технологиясын
қолдану
Кіріспе
Оқытудың негізгі мақсаты өз бетінше дами алатын жеке адамды
қалыптастыру болғандықтан оқушылар өз бетінше танымдық әрекет етудің
әдістері мен дағдыларын меңгеруі тиіс.
Физика пәні мұғалімнің негізгі міндеттерінің бірі – оқушылардың ғылыми,
диалектика – материалистік көзқарасын қалыптастыру болып табылады.
Электродинамиканың техникадағы сан алуан қолданулары электр
энергиясын өткізгіш сымның бойымен алысқа жеткізуге болатынына, оны
тұтынушыларға бөліп тарату және онша күрделі емес құрылғылардың көмегімен
энергияның бір түрін кез-келген басқа түрге, жарық энергиясына түрлендіру
тоғы басқа мәселелерге негізделген.
Қазіргі кезде электрлік жарықтандыру, қыздырғыш электр құралдары,
телеграф, радио, теледидар және басқа да физикалық құралдар тұрмыста
кеңінен қолданыс табуда. Фабрика мен зауыттарда, шахта мен рудниктерде
электрлік двигательдер әр түрлі станоктар мен механизмдерді қозғалысқа
келтіреді. Электр тогы қала транспортында, темір жолдарда, әрине ауыл
шарушылығында кеңінен қолданылады.
Жұмыстың өзектілігі: Мектепте электродинамика бөлімін оқыту электр
өрісі тақырыбынан басталады. Бұл тақырыпты оқытудың басты мақсаты мен
маңызы сол-оқушылар тақырыпты оқу нәтижесінде алғаш рет материяның екінші
түрі болып табылатын өріс ұғымымен танысады. Электр өрісі тақырыбын оқу
арқылы олардың диалектика-материалистік көзқарасы кеңейе түседі.
Электростатикалық өріс ұғымымен оқушылардың танысуы – электромагниттік
өріс ұғымын енгізудің бірінші сатысы.
Электр тогының магнит өрісі электродинамика бөлімінің негізгі
тарауларының бірі болып табылады. Сондықтан да электр тогының магнит өрісін
оқыту әдістемесінің ғылыми деңгейінің жоғары болуы ғылыми мәселелерді
әлеуметтік және жеке тұлғалық мәні бар міндеттер тұрғысынан сапалы түрде
қарастыра алатын, табиғат және өмір құбылыстарын тереңірек түсінетін,
ақпаратпен сапалы түрде жұмыс жасайтын жан-жақты дамыған, ой-өрісінен
азаматты тәрбиелеуде маңызы өте зор.
Электр тогының магнит өрісін өз дәрежесінде оқыту нәтижесінде
оқушылар зарядтар мен токтар арасындағы өзара әсерлерді жүзеге асыратын
магнит өрісінің пайда болу фактілерін; Био-Савар-Лаплас, Ампер заңдарын,
Ампер және Лоренц күштерінің бағытын анықтауға арналған ережелерді магнит
өрісінің электр өрісінен өзгешелігін,яғни магнит өрісінің күш сызықтарының
тұйықталған, сипаты құйынды екендігін, табиғатта магниттік зарядтардың
болмайтындығын, магнит күштері индукция векторының бойымен емес, оған
перпендикуляр бағытталатынын, магнит өрісі тек қозғалыстағы зарядтарға әсер
ететінін толығымен ұғынады
Жұмыстың мақсаты: Электростатика бөлімінің ғылыми және оқыту әдістемесі
деңгейінің жоғары болуы алда тұрған көптеген мәселелерді шешуге мүмкіндік
берді. Электростатика бөлімін оқыту барысында оқушылар электродинамикадағы
ең іргелі ұғымдардың бірі-электр зарядымен, электр өрісінің негізгі
сипаттамаларымен, электр зарядының сақталу заңымен, зарядтардың өзара
әсерлесу заңы-Кулон заңымен т.с.с. танысады.
Сонымен қатар, жоғарыда көрсетілген тақырыптарды оқу барысында
оқушыларда магнит өрісінің материялығы жөнінде ұғым қалыптасады. Тағы бір
ескертетін жағдай, мұнда электродинамика мен Ньютон механикасын салыстыра
отырып, электродинамиканың ерекшеліктері ашылып көрсетіледі. Мысалы,
параллель токтардың өзара әсерлесуін бақылау нәтижесінде, оқушылар
өткізгіштер арқылы өтетін токтың бағыты бірдей болғанда олардың бір-біріне
тартылуын, қарама-қарсы болғанда тебілуінің себебін түсіндіре алмайды. Бұл
жерде механикада қарастырылмайтын табиғаты электромагниттік күштердің пайда
болатындығы, жақыннан әсер ету принципі жөніндегі оқушының көзқарасы
қалыптасады.
Тұрақты ток заңдарын жоғары ғылыми-әдістемелік деңгейде оқытудың
нәтижесінде электр тогы, электр қозғаушы күш, кернеу ұғымдарын, токтың әр
түрлі әсерлері фактілерін, тізбек бөлігіне және толық тізбекке арналған Ом
заңын, өткізгіштерді тізбектей және параллель қосу заңдылықтарын, токтың
жұмысы мен қуатын, Джоуль-Ленц заңын пайдаланып, тұрақты электр тогы
тізбегіне арналған есептер шығаруға, амперметр, вольтметр авометр өлшегіш
приборларын қолдана білу іскерліктері мен дағдылары қалыптасады.
Сондықтан, “Тұрақты ток заңдары”, Электр тогының магнит өрісі,
электродинамика бөліміндегі ерекше маңызы зор тараулардың бірі болғандықтан
оны оқытудың әдістемелік ерекшеліктері қарастырылады.
І. ЭЛЕКТРОСТАТИКА БӨЛІМІН ОҚЫТУДЫҢ ӘДІСТЕМЕЛІК ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
1.1. Электродинамика бөлімінің мазмұны
Қазіргі кездегі физика курсының сипаттық ерекшелігіне барлық оқу
материалдарын бірнеше фундаменталдық теориялардың айналасында топтастыру
жатады.
Электродинамика бөлімінде ондай теорияларға Максвеллдің
электромагниттік өрісі жөніндегі түсінігі және классикалық электрондық
теория жатады.
Мектептегі физика курсының Электродинамика бөлімінің оқу материалдары
осы бөлімнің ғылыми негіздерінен тұрады.
Орта мектепте классикалық электродинамика негіздерін оқыту жөнінде
әңгіме болуы мүмкін. Бұл теорияны меңгеру үшін екі сұрақтың топтамаларын
зерттеу қажет: электр және магнит өрістерінің қасиеттері, тұрақты ток
заңдары, әр түрлі ортадағы электр тогының заңдылықтары.
Мектептегі физика курсының оқу материалдарын сараптаудағы дидактикалық
талаптарды еске ала отырып бөлімнің құрамына кіретін сұрақтар топтарын
қарастырайық.
Бірінші сұрақтар тобында оқушылар Максвеллдің электромагниттік өрісі
туралы түсініктің идеясымен танысу тиісті.
Бұл ілімнің құрамын қысқа түрде Максвелл теңдеуі көрсетеді, ол
электротехника негіздерін, радиотехникалы және электромагниттік құбылыстар
теориясын құрайды.
Максвелл теңдеуін түсіну үшін қолданылатын күрделі математикалық
өрнектер оны орта мектепте оқуға мүмкіндік бермейді. Сонымен бірге
оқушыларды электромагниттік өріс жөніндегі ілім идеяларымен таныстыруға
болады.
Теңдеудің құрамын сапалы сипаттау үшін осы теңдеулерді қарастырайық:
Бірінші теңдеу қозғалыстардағы зарядтар мен айнымалы электр өрісі
магнит өрісінің көзі екендігін көрсетеді.
Екінші теңдеу электромагниттік индукция заңын өрнектейді. Ол құйын
тәріздес электр өрісінің көзі магнит өрісінің уақытқа байланысты өзгеруі
екенін көрсетеді.
Соңғы екі теңдеу магнит және электр өрістері үшін Гаусс теоремасын
көрсетеді. Бұл теңдеулерден электр өрісінің кернеулік сызықтары зарядпен
басталып зарядпен аяқталады, ал магнит өрісінің индукция сызықтары барлық
уақытта тұйық екендігі шығады.
Электр және магнит өрістері зарядталған бөлшектерге әсер етумен
байқалады. Электр өрісінің кернеулігін және магнит өрісінің индукциясын
біле отырып осы өрістердегі q заряды бар жылдамдығымен қозғалыстағы
бөлшекке әсер ететін күшті Лоренц формуласымен анықтауға болады:
Әсер ететін күшті бастапқы жағдайын және бөлшектің массасын біле отырып
оның қозғалысының сипатын білуге болады. Сондықтан Лоренц күшінің формуласы
да электродинамиканың негізгі теңдеулеріне жатады. Қарастырылған
заңдылықтарды оқушыларға түсінікті түрде жеткізуге болады, сонымен бірге
оның кейбіреулерін сандық қатынастар ретінде көрсетуге болады. Бұған
электромагниттік индукция заңы, Ом заңы, Ампер және Лоренц күштерінің
формулалары жатады.
Электродинамиканың екінші сұрақтар тобына әр түрлі ортадағы электр
тогының заңдылықтары жатады. Электролиз заңын қоспағанда бұл сұрақтар
классикалық электрондық теорияның негіздерінде қарастырған тиімді және де
сапалық жағынан қарастырған жөн.
Бұл бөлімде белгілі бір физика идея – қозғалыстың салыстырмалылығы ары
қарай қарастырылады. Бұл жерде электр және магнит өрістері электромагниттік
өрісті құрайтыны көрсетіледі.
Заттардың электрлік және магниттік қасиеттерін, әртүрлі ортадағы электр
тогын оқыту оқушылардың заттардың құрамы жөніндегі білімін тереңдете түседі
және де атомдар құрамына кіретін бөлшектер, олардың қозғалыстары мен өзара
әсерлері жөнінде көзқарастарын қалыптастырады. Электр және магнит өрістері
жөніндегі оқушылардың алған ілімдері электромагниттік өрістің материалды
екенін түсінуге мүмкіндік береді.
Зарядтардың сақталу заңын оқыту табиғаттағы өзгерістер мен
сақталулардың бірлігі жөніндегі оқушылардың көзқарастарын қалыптастырады.
Табиғаттағы құбылыстарды танып білу барысындағы көзқарастарды
қалыптастыру үшін, теория негіздерінде құрылған модельдерді қолдану үлкен
роль атқарады. Бұл жерде нүктелік заряд, шексіз біркелкі зарядталған
жазықтың модельдері жөнінде айтуға болады.
Методикалық ерекшеліктері туралы қорытындыны электр және магнит
өрістерінің материалдылығы, дүниені танып білу, оның қасиеттерінің
сарқылмастығы, тану процесінің негіздігі және т.б. материалдарды оқытылған
соң жасалғаны дұрыс.
Электродинамика бөлімінде оқушыларға политехникалық білім алуға
мүмкінділігі қарастырылуы қажет. Барлық бөлімді оқыған кезде, әсіресе
Электромагниттік индукция тақырыбын оқыған кезде электр энергиясын
шығару, тасымалдау және қолдану негіздерін түсіндіреді.
Әр түрлі ортадағы токты зерттеу криогендық генераторларда асқын
өткізгіштікті қолданудың физикалық негіздерін, түсті металдарды алудағы
электролизді қолдануды, ұшқын разрядтарды металлургияда және металдарды
өңдеу технологиялық процестерінде пайдалануды, тәжі разрядты
электрофильтрлерде қолдануды, күшті электрондық шоқтарды металдарды
вакуумде балқытуды және өңдеуді түсіндіреді. Вакуумдағы, газдағы және
жартылай өткізгіштегі токтарды оқыту оқушыларға радиоэлектрондық
қондырғылардың мынадай бөліктерімен танысуға мүмкіндік береді: вакуумдық
диод пен триод, электронды сәулелі түтікше, және де микроцессорлық
техниканың құрылымына кіретін жартылай өткізгішті диод, терморезистор,
фоторезистор, транзистор.
Осы айтылған сұрақтарды оқыту сыныптың физика курсына маңызды
практикалық бағыт береді. Егерде осы сұрақтар курстық тиісті тақырыптарында
ғылыми-техникалық прогрестік маңызды бағыттары ретінде жүйелендіріп және
қорытындыландырып отырса, оқытудың тиімділігін әлдеқайда арттыруға болар
еді.
1.2. Электродинамиканы оқытудың кейбір педагогикалық принциптері
Оқытылатын материалдың құрамын ойдағыдай игеру сабақ беру кезінде
оқушының танымдық әрекеттерін көтеретін дидактикалық әдістерді кеңінен
пайдаланылғанына байланысты. Бұған ерекшеліктері ұқсас түсініктерді,
құбылыстарды, заңдылықтарды салыстыру әдістері, анологтар мен модельдерді,
демонстрциялық тәжірибелерді қолдану және т.б. жатады. Ұқсастық және
айырмашылық белгілерін салыстыру, іздестіру білімді игеру процесінің
маңызды бөлігі болып есептеледі. Сұрақтарды игеру үшін ерекше маңызы бар
салыстыру әдістері электродинамика бөлімінде көптеп кездеседі. Мысалы,
Кулон заңын және бүкіл әлемдік тартылыс заңын, магнит және электр
өрістерін, әр түрлі ортада электр токтарын салыстыру.
Жоғарыда айтылғандай, электродинамиканы оқыту әдістемесінде анологтар
мен модельдерді қолдану үлкен орын алады. Ғылым саласында аналогтарды көп
ғалымдар қолданады. Аналогияны қолдана отырып Максвелл электромагниттік
өріс жөніндегі ілімнің негізгі болатын тамаша теңдеуін алған. Ол өзінің
атымен аталған ток күшімен кернеуліктің арасындағы байланыстығын анықтайтын
заңды алу үшін электр тогымен су ағысының аналогиясын қолданған.
Күрделі құбылыс пен заңдылықтарды түсіндіру үшін оқыту барысында
аналогтар қолданылады. Бақылау арқылы түсіне алмайтын құбылыстарды
зерттеуде аналогты қолдану ерекше пайдалы. Электр тогын көлбеу винттік науа
арқылы, қозғалған шариктің аналогы арқылы ток көзінің ролі, ЭҚК түсінігін
енгізу және ток тізбегін қарастырғанда кездеседі. Магнит өрісін оқу
барысында көп түсініктер аналогиясы арқылы жеткізіледі. Аналогия
термоэлектрондық эмиссияны (сұйықтың булануы), өздік индукция құбылысын
(инерция), ЭҚК пайда болуын, тізбекті ажыратқандағы өздік индукцияны
(гидравликалық соғу) оқыту барысында қолданылады.
Электродинамиканы оқытуда модельдерді қолданудың ерекше маңызы бар. Бұл
атомдардағы, электрондардағы, иондардағы анық бақыланбайтын бөлшектер
туралы ұғымдарды көрсететін модельдер. Мысалы, металдағы токтарды
қарастырғанда электрондық газ көрінісінің моделі қолданылады, ол жерде
электрондарды электр заряды бар материалдық нүкте ретінде қарастырады.
Сонымен бірге бұл модельде металдағы электрондардың қасиеттерін түсіндіруге
ескерілмейтін жағдайларды оқушыларға түсіндіру қажет.
Тікелей бақылауға жатпайтын құбылыстарды аналог пен модельдерден басқа
оқу кинофильмдері қолдану арқылы түсіндіріледі.
Адамның ойлау процесі белгілі бір проблемалық жағдайлар кезінде дәлел
түсетіні белгілі. Бұл маңызды жағдайды оқыту процесі кезінде естен шығармау
қажет. Электродинамиканы оқыту барысында проблемалық жағдай жасаудың тиімді
әдісіне кейбір тәжірибелер мен эксперименттік есептер жатады. Мұндай
тәжірибелерде көрсетілген құбылыстар бір қарағанда оқушылардың бұрын алған
ілімдеріне қарама-қайшы болып көрінуі мүмкін не болмаса алған білімдерінің
негізінде түсініктеме қажет етеді. Мысалы, қыздыру лампасы үшін тәжірибе
арқылы алынған вольт-амперлік сипаттамасы қисық сызық болады, металл
өткізгіштегідей түзу болмайды. Қарама-қайшы болып көрінген құбылысты
анықтау үшін оқушылардың алдында өткізгіштер кедергісінің температураға
тәуелділігін оқу керектігін кою керек.
Электродинамика оқытудағы тәжірибелер.
Физиканы оқу барысында оқушылар негізгі құбылыстарды, заңдарды,
теорияларды және оны қолдануды игеріп қана қоймай, сонымен бірге ғылымның
тәжірибелік және теориялық әдістерімен танысуы қажет. Осы әдістер оқу
процесінде сәтті үйлестірілсе ең жақсы педагогикалық нәтижелер береді.
Физика курсының барлық бөлімдерінің ішінде тәжірибелер кеңінен
қолданылатын бөлім – электродинамика. Бұл оқытушыға электродинамика сабағын
жүргізу кезінде түрлі құбылыстарды, жаңа ұғымдарды, заңдарды көрсеткен
кезде тәжірибелерге сүйене өткізуге болады. Ғылымның дамуында іргелі
тәжірибелер орны ерекше. Мұндай тәжірибелерді оқытуға ерекше көңіл аударылу
қажет.
Электродинамика бөлімін оқыту барысында мынадай іргелі тәжірибелік
жұмыстар қарастырылу қажет:
-зарядтардың өзара әсерлесу жөніндегі Кулон тәжірибесі;
-электр тогының магнит стрелкасына әсері туралы Эрстед тәжірибесі;
-тогы бар өткізгіштердің өзара әсері жөніндегі Ампер тәжірибесі;
-Ом тәжірибесі негізінде анықталған ток күшінің кернеуге
байланыстылығы.
-электромагниттік индукция және электролиз туралы Фарадей тәжірибесі;
-электронның зарядын Милликен тәжірибесі арқылы өлшеу және электрдің
атомдық құрылысын көрсететін Иоффе тәжірибесі;
-металдардың өткізгіштігінің электрондық табиғатын дәлелдейтін Толмен-
Стюарт және де Мандельштам мен Папелекси тәжірибелері;
Бұл тәжірибелердің көпшілігін мектептегі зертхана қондырғыларында
көрсетуге болады. Мектеп зертханаларында көрсетуге мүмкіндігі болмайтын
Милликен, Толмен-Стюарт тәжірибелерін оқу кинофильмдері, плакаттар және
тағы басқа көрнекті құралдар арқылы түсіндірілуі қажет. Сабақта көрсетілген
тәжірибелер:
-алдын-ала проблемалық сұрақтар қойылса;
-осы тәжірибе арқылы тексерілетін гипотеза дәлелденсе;
-тәжірибелердің нәтижелері интерпретация жасалса;
-тәжірибелердің нәтижелері талдап қорытылса;
ол қойылған мақсатына жетті деуге болады.
Тәжірибелерді көрсетумен бірге кеңінен кинофильмдер, диафильмдер,
диапозитивтер, кестелер қолданылуы қажет. Бұлар әсіресе тікелей бақылауға
болмайтын құбылыстарды түсіндіру кезінде қолданылады. Электродинамика
бөлімінде мұндай сұрақтарға ортадағы электр тоғы мен заттардың магниттік
қасиеттері туралы тақырыптар жатады.
1.3. Электростатика бөліміндегі негізгі ұғымдар электр өрісінің кернеулігі
мен потенциалды оқыту әдістемесі
Электр өрісі тақырыбын оқытудың басты мақсаты мен маңызы - оқушылар
тақырыпты оқу нәтижесінде алғаш рет материяның бір түрі болып табылатын
өріс ұғымымен танысады. Тақырыпты оқу арқылы олардың диалектика
материалистік көзқарасы кеңейте түседі.
Электродинамикалық өріс ұғымымен оқушылардың танысуы-электромагниттік
өріс ұғымын енгізудің бірінші сатысы.
Электр өрісі-бұл өрістердің ішіндегі ең қарапайымы, оның көмегімен
өрістің сипаттамаларын жеңіл түсіндіре аламыз. Осы тақырыпта өріс жөніндегі
білімнің негізі қаланып, әрі қарай ол дамытылады. Электродинамиканың қалған
мәселелерін оқыту осы тақырыпта өтілетін ұғымдар мен заңдылықтарға
сүйенеді.
Электр заряды массадан кейінгі элементар бөлшектердің екінші маңызды
сипаттамасы, ол электродинамикадағы ең іргелі ұғымдардың бірі. Зарядтың
анықтамасын оқушыларға бұрыннан белгілі ұғымдар көмегімен беру мүмкін емес.
Заряд ұғымы электродинамика курсын оқу барысында электромагниттік өріс
ұғымымен қалыптасады, оның мәні электродинамиканың барлық заңдарын оқу
нәтижесінде ашылады. Олай болса, заряд ұғымын оқушылар біртіндеп түсінеді.
Денелерде зарядтың бар екендігі ерекше өзара әсер арқылы білінеді, оны
электромагниттік өзара әсерлесу деп атайды. Қозғалмайтын зарядталған
денелердің өзара әсерлесу сипаты Кулондық болады да, ал қозғалыстағы
зарядтардың өзара әсерлесуі олардың салыстырмалы жылдамдықтарының модулі
мен бағытына тікелей байланысты. Осыған орай электромагниттік өзара
әсерлесу электрлік және магниттік өзара әсерлесуден тұрады.
Зарядталған екі дененің өзара әсерлесуі жалпы жағдайда электромагниттік
болып табылады. Олай болса, заряд денелердің электромагниттік өзара
әсерлесуінің сандық және сапалық сипаттамасы.
Зарядты өлшеудің әр түрлі тәсілдері бар, ол үшін электромагниттік өзара
әсерлесудің түрлі жағдайы қолданылады.
Физика курсын оқу барысында оқушылар олардың біразымен танысады:
электростатикалық әдіс (Милликен-Иоффе тәжірибесі), электромагниттік әдіс
(Лоренц күші негізінде электронның меншікті зарядын анықтау), ток күші мен
уақытты өлшеуге байланысты әдіс, электролиз құбылысына байланысты әдіс және
т.б. Осы кезге дейін жасалған тәжірибелердің бәрі электр зарядының табиғаты
дискретті, корпускулалық, атомдық екендігін толық дәлелдеп берді.
Табиғаттағы ең аз зарядтың мөлшерін элементар зарядпен атайды. Элементар оң
заряд протон зарядына, ал элементар теріс заряд электрон зарядына (-е) тең.
Кез-келген дененің заряды элементар зарядқа бүтін еселі болады ().
Зарядтың дискреттілігін оқыту зат қасиеттерінің дискреттілігі жөніндегі
оқушылардың көзқарасын қалыптастыруды жалғастырып, микродүниенің маңызды
ерекшелігінің бірін түсінуге негіз болады, оқушыларды атомдық және ядролық
физикадағы кванттау идеясын терең түсінуге дайындайды.
Заряд жөніндегі іргелі екі заң оқылуы тиіс: біріншісі - электр
зарядтарының өзара әсерлесу жөніндегі Кулон заңы, екіншісі - зарядтың
сақталу заңы. Кулон заңының орындалатындығы көптеген тәжірибелер көмегімен
дәлелденген болса, зарядтың сақталу заңын осы кезге дейін бақыланып жүрген
барлық құбылыстар дәлелдеп беріп отыр: денені үйкеу арқылы электрлегенде
денелерде бір мезгілде модульдері жағынан өзара тең, таңбалары қарама-қарсы
зарядтардың пайда болуы.
Мұнда оқушыларға зарядтың тағы бір қасиетін түсіндіру керек. Ол
зарядтың абсалюттігі, яғни зарядтың санақ жүйесіне байланыссыздығы.
Зарядтың бұл қасиетін зарядтың инварианттығы деп атайды. Оны мынадай
құбылыстар дәлелдейді: иондалған атомдар мен молекулалардың бейтараптығы,
қызған металдардың зарядталмайтындығы және т.б.
Заряд туралы айтқан кезде, үнемі зарядтардың өзара өріс арқылы
әсерлесетіндігін ескертіп отыру қажет.
Электр заряды мен олардың арасындағы өзара әсер туралы сұрақты
қарастырғанда денелердің электрленуін тәжірибе арқылы көрсетуден бастайды.
Әдетте үйкеліс арқылы электрлену жөнінде айтады. Егер құрғақ шашты тарақпен
тараса, онда ең қозғалғыш заряталған бөлшектер - электрондардың біразы
шаштан тараққа ауысады да, оны теріс зарядтайды, ал шаш оң зарядталады.
Үйкеліспен электрленген кезде екі дене таңба жағынан қарама-қарсы, бірақ
модульдері жағынан бірдей зарядтар алатынын тәжірибе арқылы дәлелдеуге
болады.
Денелерді үйкегеннен кейін ұсақ бөлшектерді өзіне тарту қасиеті
байқалып, электрленетіндігіне оқушылардың назарын аудару қажет.
Электрленген денелердің тек жеңіл денелерді ғана емес, ауыр денелерді де
өзіне тартатындығын көрсету үшін мынадай тәжірибені жасауға болады: ұзын
металл түтікше алып, дәл ортасынан жіңішке жіпке байлап іліп қояды, егер
электрленген таяқшаны түтікшенің бір ұшына жақындатсақ, онда оның таяқшаға
тартылатындығын анық байқауға болады, металл түтікшенің орнына ағаш
таяқшаны да қолданады.
Денелердің электрленуін түсіндіргеннен кейін электрленген денелердің
өзара әсерлесуі бірдей болмайтынын көрсеткен дұрыс. Электрлену дәрежесінің
әр түрлі болатынын көрсету үшін электроскоп туралы айту керек.
Соңында денелерді екі түрлі әдіспен үйкеу және ықпал арқылы электрлеуге
болатынын қорытындылау қажет.
Тұйық жүйедегі зарядтардың алгебралық қосындысы өзгермейді деген электр
зарядының сақталу заңының орындалуының дәлелі ретінде денелерді тиістіру
арқылы электрлегенде денелердің қарама-қарсы таңбалы зарядтармен
электрленетіндігін келтіруге болады. Олай болса электрлеу дегеніміз
денедегі зарядтарды модулі жағынан тең, таңбалары қарама-қарсы зарядтарға
бөлу процесі екендігін түсіндіру қажет.
Электр зарядтарының өзара әсерлесуін сан жағынан сипаттайтын іргелі
заңдардың бірі 1785 жылы тәжірибе жүзінде Кулон тағайындаған заң болып
табылады.
Мұнда алдымен Кулон тәжірибесі айтылып, иірілмелі таразының құрылысы
мен онымен жұмыс істеу әдісі түсіндіріледі де заң былайша тұжырымдалады:
қозғалмайтын зарядталған екі нүктелік дененің вакуумдағы өзара әсерлесу
күші олардың зарядтарының модульдерінің көбейтіндісіне тура пропорционал
және ара қашықтықтың квадратына кері пропорционал болады. Кулон заңы
айтылғаннан кейін физика кабинетіндегі приборлардың мүмкіндігіне қарай сапа
жағынан болса да, электрленген екі дененің арасындағы әсерлесу күшінің
зарядтар шамасына және олардың ара қашықтығына тәуелді болатындығын
көрсететін тәжірибе ұйымдастырылғаны жөн.
Электростатикалық өзара әсерлесу заңы мен гравитациялық өзара әсерлесу
заңының бір-біріне ұқсастығын оқушылар бірден байқайды. Сондықтан
гравитациялық күшке қарағанда электрлік күштің басым екендігін түсіндіре
кету керек.
Одан кейін айтылатын нәрсе - электр зарядының өлшем бірлігі. Ток күші
бір ампер (А) болғанда өткізгіштің көлденең қимасы арқылы бір секундта
өтетін заряд мөлшері алынатындығы, оны Кулон (Кл) деп атайтындығы айтылады.
Осыған байланысты Кулон заңындағы k коэффициентінің мағынасы ашылып, оның
мәні беріледі ().
СИ жүйесінде k коэффициенті деп алынатындығы айтылуы қажет.
Қорытындысында элементар зарядтың сан мәні мен электронның тыныштықтағы
массасының сан мәнін берген орынды болар еді.
Кл, кг
Оқушылардың электр заряды жөніндегі алған мағлұматтарын қысқаша
қорытындылай келіп, зарядталған денелер бір-бірімен қалай әсерлеседі деген
сұрақ қоюға болады.
Бұл құбылысты түсіндіру үшін ғалымдар алыстан әсер ету теориясын
жасағанын, бұл теорияның түсіндіруі бойынша әсердің кез-келген қашықтыққа
лездік түрде берілетінін, негізінен бұл теорияның тәжірибеде
дәлелденбегенін айтуға болады. Содан соң Фарадей мен Максвеллдің жаңа
теория ұсынғандығы, жаңа теория бойынша электрленген денелердің айналасында
ерекше өріс пайда болатындығы, зарядталған денелердің бір-біріне жасайтын
әсері шекті жылдамдықпен берілетіндігі жөнінде айтылуы тиіс. Жаңа теорияны
жақыннан әсер ету теориясы деп, ал зарядталған дене айналасындағы өрісті
электр өрісі деп атайды.
Электр өрісі де зат сияқты, материяның бір түрі. Ол бір зарядтың екінші
зарядқа әсерін қамтамасыз етуші материялдық орта.
Электр өрісінің таралу жылдамдығын тәжірибе жасап көрсету мүмкін емес,
сондықтан оның мәнін дәлелсіз-ақ бере салуға болады. ( мс)
Электродинамиканың кейінгі тарауларында оқылатындығына қарамастан,
таныстыру мақсатында, магнит өрісінің тыныштықтағы зарядқа әсер етпейтінін,
ал қозғалыстағы зарядқа оның әсері болатындығын көрсеткен жөн. Сөйтіп,
қозғалыстағы зарядқа электр өрісі де әсер ететіндігі, ал тыныштықтағы
зарядқа тек электр өрісі ғана әсер ететіндігі жөнінде қорытындылап қою
керек.
Мұнан кейін оқушыларға электр және магнит өрісінің арасында тығыз
байланыс бар екендігін айту керек. Сондықтан да физикада бірыңғай
электромагниттік өріс жөнінде айтылады, ал электр және магнит өрістері
электромагниттік өрістің дербес жағдайлары болып табылады.
Электромагниттік өрістің материяның бір түрі екенін, оның өзіне тән
ерекшелігі ретінде тыныштықтағы зарядқа да, қозғалыстағы зарядқа да әсер
ететіндігін айту қажет.
Тыныштықта тұрған заряд өзінің айналасындағы кеңістіктің қасиетін
өзгертіп, электростатикалық өріс тудырады.
Электр өрісін зерттеу үшін белгілі бір сыншы зарядты пайдалану керек.
Өрістің қасиетін өзгертпес үшін сыншы заряд нүктелік болуы тиіс. Егер q
заряды тудыратын өріске q0 сыншы зарядын орналастырса, онда осы зарядқа
әсер етуші күш өрістің әр түрлі нүктелерінде түрліше болады, бірақ Кулон
заңына сәйкес, сыншы зарядтың шамасына пропорционал. Ал зарядқа әсер етуші
күштің сол зарядтың q0 шамасына қатынасы, яғни Fq0 зарядтың шамасына
байланысты болмай, тек өрістің берілген нүктесін сипаттайды. Осы қатынас
электростатикалық өрістің кернеулігі деп аталады.
Әсер етуші күш F-вектор, ал заряд q -скаляр болғандықтан электр
өрісінің кернеулігі E-вектор болатындығы ескертіледі. Электр өрісі
кернеулік векторының бағыты өріс нүктесіне енгізілген зарядтың таңбасы оң
болған кездегі оған әсер етуші күштің бағытымен бағыттас болатындығына
оқушылардың назарын баса аудару керек.
Оқушыларға мынадай мәселелерді жан-жақты түсіндіру қажет.
1) қатынасы өрістің қарастырылып отырған нүктесіндегі заряд
шамасына байланысты болмай отырғандықтан, оны осы заряд орналасқан
нүктедегі өріс сипаттамасы ретінде алуға болады.
2)Егер өрістің барлық нүктелеріндегі кернеуліктер бірдей болса, ондай
өрісті бір текті өріс деп атайды.
3)Егер өрістің берілген нүктедегі кернеулігі белгілі болса, онда осы
нүктеге орналастырылған зарядқа әсер ететін күшті білуге болады.
Егер өріс нүктесінде орналастыратын заряд оң болса, және
бағыттары бір-біріне сәйкес болады. Ал егер заряд теріс болса, онда ол
векторлар бір-біріне қарама-қарсы болады.
4)Егер өрісті бірнеше заряд q1, q2, q3,... qn туғызатын болса, онда
берілген нүктедегі қорытқы өріс кернеулілігі жеке зарядтардың сол нүктеде
тудыратын кернеуліктерінің геометриялық қосындысына тең болады. Бұл
қағиданы суперпозиция принципі деп атайды.
Нүктелік заряд өрісінің кернеулігі:
Электр өрісін көрнекі етіп кескіндеу үшін арнайы тәсіл - күш сызықтары
көмегімен кескіндеу тәсілі қолданылады. Ол үшін шартты түрде күш сызықтары
деп, кез-келген нүктесіне жүргізілген жанама өрістің сол нүктедегі
кернеулік бағытына сәйкес болатын сызықтарды айтады. Әрине, ондай
сызықтарды көптеп жүргізе беруге болады, бірақ күш сызықтары бағытына
перпендикуляр қойылған бір өлшем ауданша арқылы өтетін күш сызықтарының
саны сол жердегі өріс кернеулігінің сан мәніне тең болатындай ғана күш
сызықтарын жүргізу келісілген.
Қозғалмайтын зарядтардың маңында пайда болатын электростатикалық өріс
потенциалды өріс болып табылады. Электростатикалық өрістің потенциалдығын
көрсету үшін, біртекті электр өрісіндегі зарядтың бір нүктеден екінші
нүктеге орын ауыстырғанда өріс күштері жұмысының траекторияға байланысты
болмайтындығы дәлелденеді. Егер өріс күштерінің жұмысы жүрілетін жолдың
формасына байланысты болмайтын болса, ондай өрістерді потенциалдық өріс деп
атайтындығы айтылады. Сонымен электростатикалық өріс потенциалдық өріс
болып табылады.
Нүктелік заряд өрісінің потенциалдығын талдаудың тағы бір маңызды жағы
бар. Егер бір текті өрістің потенциалдығын ғана қарастырумен шектелсек,
онда оқушыларда біртекті өріс-потенциалдық деген ұғым қалыптасады да,
біртекті магнит өрісін өткенде, магнит өрісінің потенциалдық болмайтындығын
түсіндіруді қиындатып жібереді.
Электр өрісінің потенциалдығы түсіндірілгеннен кейін, өрістің белгілі
нүктесіне орналастырылған зарядтың потенциалдық энергиясы болатындығы
жөнінде айтуға болады. Мұны түсіндіру үшін электростатикалық өріске
ұқсастығын пайдаланып, біртекті электр өрісінің күш сызығы бойынан екі
нүкте алынады. Электр өрісінің әсеріне q заряды бірінші нүктеден екінші
нүктеге дейін қозғалады десек, онда әсер етуші күш F=qE болады да, орын
ауыстыру l болады.
Бұл кезде жасалған жұмыс:
Егер жұмыс қозғалыс траекториясына байланысты болмаса, онда ол жұмыстың
мәні дененің сол нүктелеріндегі потенциалдық энергияларының (Wp) теріс
таңбамен алынған айырмасына тең:
Соңғы жазылған екі формуланы салыстыра отырып, өріске орналасқан
зарядтың потенциалдық энергиясының өрнегін алуға болады.
Wp=qEl
Бұл жер өрісіндегі дененің потенциалдық (W=mgh) энергиясына ұқсас
екендігіне оқушылардың назарын аудару керек. Олай болса, электр өрісінде
энергияның белгілі қоры бар деп тұжырымдалады.
Зарядтардың потенциалдық энергиясы туралы айтылған соң, энергияның
заряд шамасына қатынасы зарядқа байланысты болмайтындығы айтылады. Өрістің
берілген нүктесіндегі нүктелік оң зарядтың потенциалдық энергиясына тең
шама потенциал деп аталады.
Егер өрісті бірнеше нүктелік зарядтар туғызатын болса, онда мұндай
өрістің нүктесіндегі потенциал жеке зарядтар өрістерінің осы нүктедегі
потенциалдарының алгебралық қосындысына тең болатындығы түсіндірілуі қажет.
Өріс кернеулігі вектор, ендеше ол өрістің күштік сипаттамасы болып
табылады, өріс кернеулігі өрістің берілген нүктесінде q зарядқа әсер ететін
күшті анықтайды. Потенциал скаляр, ол өрістің энергетикалық
сипаттамасы болып табылады, ол өрістің берілген нүктесіндегі q зарядтың
потенциалдық энергиясын анықтайды.
Электр өрісін зерттегенде көбінесе потенциалдан гөрі потенциалдар
айырмасы жиі қолданылады. Потенциалдар айырмасы кернеу деп те аталады,
кернеу U әрпімен белгіленеді. Егер өрістің екі нүктесінің потенциалдар
айырмасы белгілі болса, онда өріс әсерінен сол екі нүктенің арсында q
заряды орын ауыстырғанда жасалатын жұмыс:
Бұдан кейін потенциалдар айырымының өлшем бірлігі берілуі тиіс. Ол СИ
жүйесінде, 1 Кулон зарядты электр өрісі бір нүктеден екінші нүктеге
қозғағанда жасалынатын жұмыс 1 Дж болса, ондай екі нүктенің потенциалдар
айырмасы 1 Вольт (В) деп аталатындығы түсіндіріледі.
Енді кернеулік пен потенциал электростатикалық өрістің сипаттамалары
екендігін білген соң, олардың арасындағы байланыс туралы айту керек.
Бұл байланысты табу үшін, біртекті өрісте заряд қозғалған кезде,
өрістің жасайтын жұмысының формуласына қайтадан оралу керек:
;
Олай болса:
Бұл формула электростатикалық өріс кернеулігі сан жағынан кернеудің бір
өлшем ұзындықтағы өзгерісіне тең екендігін көрсетеді.
Осыдан кейін өрісті көрнекті кескіндеу үшін потенциалдары бірдей
беттерді пайдаланатындығын айту керек. Потенциалдары бірдей беттер
эквипотенциал беттер деп аталады. Мынадай мәселелерді түсіндіре кеткен жөн:
1. Егер нүктелік заряд эквипотенциал беттің бойымен орын ауыстырса,
онда оның істеген жұмысы нольге тең болады;
2. Өрістің күш сызықтары әр уақытта эквипотенциал бетке нормаль болады;
3. Электростатикалық өрістегі электр өткізгіштігінің беті әр уақытта
эквипотенциал беттер болып табылады;
4. Өрістің күш сызықтары, өріс нүктелеріндегі потенциалдың жылдамырақ
өзгеру бағытын көрсетеді.
Сонымен корыта келе, дәлелсіз нүктелік зарядтың вакуумдағы
электростатикалық өріс потенциалының формуласын:
және екі нүктелік зарядтың өзара әсерлесуінің потенциалдық энергиясының
формуласын:
беруге болады, бұдан кейін потенциалдар айырмасын өлшеу әдістері айтылады.
1.4. Стационарлық электр өрісі. Потенциалдар айырмасы.
Электр қозғаушы күші
Он бір жылдық мектеп бағдарламасында стационарлық электр өрісі Тұрақты
ток тақырыбын өткенде оқытылады. Мұндағы негізгі түсініктердің бірі электр
қозғаушы күші.
Өткізгіште ұзақ уақыт ток жүруі үшін, үнемі электр өрісі болуы қажет.
Осы өріс өткізгіште зарядталған бөлшектердің үздіксіз қозғалысын тудырады.
Оқушылар білетін электростатикалық өріс қасиеттерінен, бұл өрістің
өткізгіштігі зарядтардың қозғалысын қамтамасыз ете алмайтынын көрсету
керек. Егер өткізгіштің ұштарында потенциалдар айырымын тудырсақ, онда
зарядтар қозғалысы потенциалдар теңелгенше болады. Тұрақты ток тізбегінің
кез-келген бөлігінде потенциалдар айырымы тұрақты болады. Олай болса,
өткізгіштегі электр өрісінің кернеулігі, осы өріс энергиясы да өзгермейді.
Ал өткізгіш арқылы ток өткенде жылу бөлінеді. Сонда өткізгіш қандай
энергияның әсерінен қызады деген орынды сұрақ туады. Бұл тізбекке электрлік
емес энергияны, электромагниттік өріс энергиясына айналдыратын қондырғыны
қосу арқылы жүзеге асырылады.
Тогы бар өткізгіштегі электр өрісі стационарлық өріс болып табылады.
Ток көзіне қосылған тізбекте пайда болған стационарлық электр өрісін
оқушыларға түсіндіру оңай емес. Электрлік тізбек арқылы тұрақты электр тогы
өткенде пайда болатын құбылысты түсіндіру ыңғайлы.
Біріншіден, оқушылар электр өрісі кернеулік векторының өткізгіш бетіне
перпендикуляр еместігін, яғни екі құраушыға өткізгіш бетіне нормаль En және
өткізгіш бойымен бағытталғын El-ге жіктелетінін білу керек.
Екіншіден, өткізгіште стационарлық электр өрісі орныққанда тұрақты ток
өтетін, яғни зарядтар бірқалыпты қозғалатынын білу керек.
Тұрақты токтың элетромагниттік өрісінің элетрлік және магниттік
құраушылары болады. Бұл құраушылар бір-бірімен байланысты емес, сондықтан
жекелеп қарастыруға болады. Тұрақты өріс үшін Максвелл теңдеулерінен бұл
құраушылардың тәуелсіздігі шығады.
Үшіншіден, оқушыларға стационарлық электр өрісі электростатикалық өріс
сияқты потенциалды екендігін хабарлау керек.
Стационарлық электр өрісінің күштік сипаттамасы электр өрісінің
кернеулігі :
ЕК - кулон күштер өрісінің кернеулігі, ЕТ - тосын күштер өрісінің
кернеулігі.
Стационарлық электр өрісінің энергетикалық сипаттамасы – кернеу болып
табылады.
Оқушылар кернеу мынадай формула арқылы анықтайтынын біледі:
Р - пайдаланылатын қуат, І- өткізгіштегі ток күші.
Бөлшектің алымы мен бөлімін t-ға көбейтіп Pt=A екенін ескерсек:
Анықтама бойынша электростатикалық өрістегі потенциалдар айырмасы:
- ток көзінің электр қозғаушы күші деп атайды. Олай болса
Сөйтіп, кернеу дегеніміз бірлік оң заряд тізбек бойымен орын
ауыстырғанда электростатикалық күштер мен тосын күштердің жасайтын жұмысы.
Кернеу стационарлық электр өрісін сипаттайды.
Потенциалдар айырмасы электростатикалық өрістің энергетикалық
сипаттамасы:
Электр қозғаушы күш тосын күштер өрісінің энергетикалық сипаттамасы.
Егер =0 болса, онда тізбек бөлігіндегі кернеу оның ұштарындағы
потенциалдар айырмасына тең болады.
Тізбектің біртекті бөлігі үшін Ом заңы:
Тұйық тізбек үшін Ом заңы:
Бұдан ток көзінің электр қозғаушы күші сыртқы және ішкі тізбек
бөлігіндегі кернеулердің қосындысына тең екендігі шығады. Мұндай жағдайда
кернеу Кулондық өрістің сипаттамасы болып табылады.
Кернуді әр түрлі жолмен түсіндіру, тізбекте Э.Қ.К. болған жағдайда
маңызды роль атқарады. Егер тізбек бөлігінде Э.Қ.К болмаса кернеу
потенциалдар айырмасына тең болады.
Сационарлық электр өрісін оқыту, кезінде оның электростатикалық өрістен
өзгешелігі айтылады. Өткізгіш ішіндегі стационарлық өрістің кернеулігі
нольден өзгеше, сондықтан да онда еркін зарядтар қозғаларда, кернеулік
сызықтары өткізгіш бетіне перпендикуляр емес, өткізгіш бетіндегі
зарядтардың бөлініп таралуы зарядтардың электростатикалық тепе-теңдігінен
өзгеше. Бұдан кейін электростатикалық және стационарлық өрістердің бірдей
қасиеттерін көрсету керек, яғни екі өрістің сипаты да потенциалды,
кернеулік сызықтары зарядтарда басталып, зарядтарда аяқталады тұйықталған
сызықтар емес. Сондықтан стационарлық электр өрісіне потенциал ұғымын
қолдануға болады.
Стационарлық электр өрісінің потенциалдық сипатын мынадай дәлелдер мен
көрсетуге болады. Тізбектің барлық қимасындағы тұрақты ток бірдей, зарядтар
жоғалмайды және еш жерде жинақталмайды, олай болса өткізгіш арқылы ток
өткенде зарядтар үнемі қозғалыста болғанымен зарядтардың бөлініп таралуы
уақытқа байланысты өзгермейді. Тұрақты ток құйынды емес сұйықтар
қозғалысына ұқсас. Ал зарядтардың кеңістіктегі бөлініп таралуының
өзгермейтіндігі өрістің потенциалдық белгісі болып табылады. Сөйтіп
зарядтар өрісінің потенциалдық сипаты, өткізгіш арқылы тұрақты ток өткенде
де орындалады. Олай болса, стационарлық өріс те потенциалды болып табылады.
ІІ ТҰРАҚТЫ ТОК ЗАҢДАРЫН ОҚЫТУ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ
2.1 Тұйық тізбек үшін Ом заңын оқыту әдістемесі
Двигательдер, электр шамдары және әр түрлі ток тұтынушылардың қалыпты
жағдайда жұмыс істеулері ондағы ток күшінің белгілі бір мәнінде мүмкін
болады. Олай болса, ток көзіне приборларды қосқанда ток күші неге
байланысты болады деген орынды сұрақ туындайды.
Егер ток тұтынушылар ток көзіне қосылған болса, онда ондағы кернеу
белгісіз және оның шамасы ток көзіне әр түрлі тұтынушылар жалғанған болса
өзгеріп отырады. Мұны тәжірибеде көрсетуге болады.
1-суретте көрсетілген вольтметр тізбектегі кернеуді көрсетеді. Реостат
арқылы кедергіні арттырса соған сәйкес ток көзінің полюсіндегі кернеу де
өзгереді. Олай болса, кернеу ток көзіне ғана емес сыртқы кедергіге де
байланысты болады екен. Оқушылар алдына қойылған осы проблема Ом заңын
қорытуды қарастыруға алып келеді.
Тізбекті тұйықтаған сәтте электр зарядтарының қозғалысы басталады.
Тізбектің сыртқы бөлігінде электростатикалық өріс әсерінен оң зарядталған
бөлшектер ток көзінің оң полюсінен теріс полюсіне қозғалады.
Бұл жағдайда зарядталған бөлшектердің энергиясы сыртқы тізбектің
кедергісі салдарынан оны қыздыруға жұмсалады.
Тосын күштер әсер ететін ток көзінің ішінде оң зарядтар
электростатикалық өріске қарама-қарсы теріс полюстен оң полюске қарай
қозғалады. Тізбектің ішкі бөлігінің кедергісі болғандықтан энергия ток
көзінің ішінде жұмсалады.
Тізбектің сыртқы бөлігіндегі электростатикалық өріс күштерінің жұмысы
ток көзінің ішіндегі өріске қарсы істелетін жұмысқа тең, таңбасы жағынан
қарама-қарсы болады. Тізбектің барлық бөлігіндегі электростатикалық өріс
күштерінің толық жұмысы нольге тең екені оқушыларға белгілі. Сондықтан
тізбекте ешқандай өзгерістер болмаса, онда ток көзіндегі тосын күштердің
жұмысы тізбекте бөлініп шығатын жылу мөлшеріне тең ((Q
Тізбекте ток өткенде онда бөлініп шығатын жылу мөлшері
Q=J2Rt
Ток көзіндегі тосын күштердің жұмысы
(=J2Rтt
Электр қозғаушы күшінің анықтамасы бойынша
Е =Aт q
Олай болса q Е =J2 Rт t. q=J t екенін ескерсек
Е = J Rт, J = Е Rт
Rт - толық кедергі Rт = R + r
r – тізбектің ішкі кедергісі, R - тізбектің сыртқы кедергісі
J = Е (R+r)
Тұйық тізбек үшін Ом заңын қорытқан соң, тізбектегі ток күшінің неге
байланысты екеніне жауап беруге болады.
Көпшілік жағдайда оқушылар Ом заңының формуласын білгенімен, тізбектегі
ток Э.Қ.К. ішкі кедергіге және тізбектің сыртқы кедергісіне тәуелді екенін
дұрыс біле бермейді.
Сонымен қатар оқушылар ток көзінің ішкі кедергісінің маңызын, полюстер
арасындағы кернеудің тұрақты емес екенін және оның алдын - ала
берілмейтінін, тізбектің сыртқы кедергісіне едәуір байланысты болатынын
жақсы түсінбейді. Мысалы, 3,5 В кернеуге есептелген лампочка қалта
фонарының батарейкасына қосқанда, батарейканың ұшындағы кернеу 4,5 В
болғанымен оның не себепті әлсіз жанатынын түсіндіре алмайды.
Ток көзінің электр қозғаушы күші мен сыртқы тізбекпен тұйықталған
полюстер арасындағы кернеудің айырмашылығын білу үшін мынадай тәжірибе
көрсету қажет.
Индукциялық генераторға 127 В кернеуге есептелген, қуаты 10-15 Вт
жарықтандырғыш лампаны жалғайды. Лампа жанады. Содан кейін, бұл лампаны 3,5
В есептелген қалта фонарымен алмастырғанда ол жанбайды.
Кез-келген ток тұтынушылар (берілген жағдайда лампа) өздеріне
есептелген ток өткен кезде ғана қалыпты режимде жұмыс істейді. Сыртқы
тізбектегі ток күші ондағы кернеуге байланысты. Лампадағы кернеу ток
көзінің Э.Қ.К. және кедергісі белгілі жағдайда төмендегідей анықталады.
Е = J R + J r
J R = Е - J r
Мұндағы JR - сыртқы тізбекті кернеудің түсуі, ал Jr - ток көзінің ішкі
кедергісіндегі кернеудің түсуі. Егер R((r болса JR(Jr болады.
Жоғарыда бірінші жағдайда лампаның кедергісі R1(r, сондықтан лампаның
жануы үшін ондағы кернеу жеткілікті.
Екінші жағдайда қалта фонары лампасының кедергісі R2((r, сондықтан
ондағы кернеу лампаның жануы үшін жеткіліксіз.
Кернеудің едәуір бөлігі тізбектің ішкі бөлігіне сәйкес келеді. Бұл
жағдайда тізбектің ішкі бөлігіндегі кернеудің түсуі ток көзінің Э.Қ.К. тең
болады. Мұнда оқушылар ток көзінің ішкі кедергісі қаншалықты маңызды роль
атқаратынын көреді.
Ток көзі бірдей болғанда тізбектегі ток шамасы тек тізбектің сыртқы
кедергісіне байланысты болады. Егер R(0 ток күші максимум, R(( болса ток
күші минимум болады.
R(O қысқаша тұйықталуға сәйкес келеді.
Jmax = Е r
Формуладан қысқаша тұйықталу кезінде ток күші ток көзінің Э.Қ.К. арқылы
ғана емес ішкі кедергісі арқылы да анықталатынын көріп отырмыз. Ішкі
кедергісі үлкен ток көздері үшін қысқаша тұйықталу тогы көп болмайды,
сондықтан ол қауіп төндірмейді. Егер ток көзінің ішкі кедергісі аз болса,
қысқаша тұйықталу тогы үлкен болады да ток көзі істен шығып қалады.
Екінші шекті жағдайға тізбектің тұйықталмауы сәйкес келеді. Бұл
жағдайда ток күші нольге тең болады, ток көзінің ішкі кедергісі болмайды,
ток көзінің полюстерінің ұштарындағы кернеу Э.Қ.К. тең болады.
2.2. Кернеуді және электр қозғаушы күшін өлшеу
Оқушылар тұйық тізбек үшін Ом заңын оқығанда ток көзінің электр
қозғаушы күші мен ішкі кедергісін анықтайтын лабораториялық жұмыс жасау
керек.
Бұл жұмысты орындағанда тізбекті тұйықтамай тұрып, ток көзінің
полюстеріне вольтметрді жалғап, Э.Қ.К. өлшейді.
Тұйық тізбек үшін Ом заңынан Е = J (R+r)
Егер R((r болса, онда ішкі кедергіні ескермеуге болады, сонда Е = JR.
Тізбек бөлігі үшін Ом заңынан JR - кедергісі R тізбек бөлігі үшін кернеуді
береді. Олай болса, сыртқы тізбектің ұштарындағы кернеуді өлшеу арқылы ток
көзінің Э.Қ.К. өлшейді. Ток көзінің ішкі кедергісіне қарағанда тізбектің
сыртқы кедергісі неғұрлым көп болса, өлшеу нәтижесі соғұрлым дәлірек
болады. Егер тізбек тұйықталмаған болса, Э.Қ.К. дәл өлшенеді. Сонымен
тізбек тұйықталмаған кезде ток көзінің полюстерінің арасындағы кернеу
Э.Қ.К. тең.
Бұл кернеуді қалай өлшеуге болады деген орынды сұрақ туындайды. Ток
көзінің полюстеріне вольтметрді жалғағанда тізбек вольтметр арқылы
тұйықталады. Вольтметрдің кедергісі неғұрлым үлкен болса, оның көрсетуі
соғұрлым көбірек ток көзінің Э.Қ.К. жуықтайды.
Оқушыларға ток көзінің Э.Қ.К. осылайша дәл өлшеуге болатындығын көрсету
үшін төмендегі көрсетілген есепті шығарту қажет.
Егер ток көзіне жалғанған вольтметрдің көрсетуі 4В болса, онда Э.Қ.К.
өлшеуде қандай қателік жіберілген? (r(0,5 Ом; R(200 Ом)
Вольтметрді ток көзінің полюстеріне жалғағанда тізбек тұйықталады да
оның көрсетуі Э.Қ.К. Jr шамасына кем болады.
Тізбектегі ток күші
Онда U0=0,02*05=0,01 В
Е =U+U0=4+0,01=4,01 В
Сөйтіп Э.Қ.К. өлшегендегі салыстырмалы қателік 0,25( болады.
Вольтметрдің бір бөлігінің құны 0,2 В. Олай болса, 0,01 В қателік ол
приборда байқалмайды.
Бұл есепті шығарған соң оқушылардың назарын мынадай мәселеге аудару
қажет. Вольтметр мен амперметрдің жұмыс істеу принциптері бірдей
болғандықтан вольтметр тізбектегі ток шамасын өлшейді. Тізбектің кез-келген
бөлігіндегі кернеуді өлшеу үшін вольтметрді осы бөлікке параллель жалғау
қажет.
Тұрақты ток заңдарын оқушыларға пысықтау үшін өткізгіштерді тізбектей
және параллель жалғауға тұрақты токтың жұмысы мен қуатына, тізбекте ток
өткенде бөлініп шығатын жылу мөлшеріне есептер шығару керек.
2.3. Тұрақты электр тогы тарауын қайталау
Әр сабақтың жоспарлануы сынып оқушыларының ерекшеліктеріне,
мектептің ішкі мүмкіндіктеріне сай жасалынады. Жан-жақты ойластырылған
сабақта білім тереңділігі, әсерлілігі қамтамасыз етіледі, оқушының
ойлануына, шығармашылықпен жұмыс дасауына мүмкіндік береді.
Сондықтан әр сабақта оқушылардың оқуын тиімді ұйымдастыру, сабақты
жоспарлауға байланысты.
Сабақтың тақырыбы: Тұрақты электр тогы тарауы бойынша қорытынды
қайталау.
Сабақтың мақсаты: Тарау бойынша алған білімдерін қорытындылап,
қайталау, эксперименттік , сандық, сапалық есептер шығару.
Сабақтың типі: Қорытынды қайталау
Сабақтың әдісі Сайыс, зерттеу, тексеру, бағалау.
Қажетті құралдар: амперметр, вольтметр, өткізгіш, сым, шам, кілт,
жалғағыш сымдар, ток көзі
Көрнекілігі: Физик ғалымдарының порттері, рефераттар, кітаптар,
кесте.
Пән аралық байланыс: алгебра, әдебиет, биология.
Сабақтың барысы:
I. Ұйымдастыру кезеңі. Сыныпты екі топқа бөлу керек.
1. Эксперимент қоюшылар-2
1. Аналитиктер-2
1. Теоритиктер-2
1. Эрудиттер-2
1. Физика тарихының білгірлері
1. Дәрігер-1
1. Экономист-1
Ампер, Вольта, Ом, Ленцтердің өмірбаяны мен ашқан жаңалықтарын оқып
келу.
Тұрақты электр тогы тарауы бойынша сөзжұмбақтар құрастырып келу.
II Эксперименттік сайыс Диссертация қорғау
Лабороториялық құралдарды қолдана отырып,
1. Өткізгіштің меншікті кедергісін өлшеу,
1. Өткізгіштерді тізбектей жалғау зерттеу жұмыстарын жүргізіп, тақтаға
талдау.
Эксперимент жасаушылар жұмыс ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz