Проблемное изучение электромагнитных явлений

Для успешного решения задачи активизации учебно-воспитательного процесса в школе учитель должен иметь в своем арсенале много новых прогрессивных форм и методов обучения школьников. К числу последних можно отнести проблемное обучение. Однако для организации проблемного обучения учитель должен владеть дополнительными умениями:

• • проводить научно-методический анализ учебного материала для планирования и разработки системы проблемных уроков;
• • планировать и разрабатывать отдельный проблемный урок;
• • создавать проблемные ситуации и формулировать учебные проблемы;
• • управлять познавательной деятельностью учащихся при решении учебных проблем.

Следует отметить, что не все вопросы школьного курса физики можно и нужно изучать проблемно. Такое изучение целесообразно тогда, когда в учебном материале раскрывается связь между явлениями, понятиями и физическими величинами; когда необходимо выяснить условия протекания физических процессов, их микромеханизм на различных уровнях строения вещества; если требуется определить области применения физических законов, перейти от фактов к теоретическим обобщениям.

Рассмотрим использование системы проблемных заданий при изучении электромагнитных явлений.

Явления электромагнетизма, как показывает опыт работы, сложны для усвоения в своих обобщениях. Учебный материал быстро забывается, уровень применения знаний в несколько измененной ситуации, по сравнению с изученной, у школьников самый низкий именно по этому разделу. Между тем глубокое усвоение учебного материала, связанного с электромагнитными явлениями, очень важно. Эти явления широко распространены в природе. Знание их имеет большое значение и для развития политехнического кругозора учащихся.

Одним из путей, способствующих глубокому и сознательному усвоению учениками вопросов электромагнетизма, служит использование системы проблемных заданий.

Проблемное задание — это любое учебно-познавательное задание, в котором содержится несоответствие между тем, что в нем представлено, и тем, что известно ученику. В зависимости от того, когда, как и какому коллективу учеников дано такое задание, оно может либо выполнить свои функции (быть проблемным), либо нет. Задание можно считать проблемным, если при его выполнении ученик приобретает новые для себя знания или усваивает новый способ действия на основе собственной активной интеллектуальной деятельности.

При анализе учебной информации, содержащейся в проблемном задании, ученик обнаруживает ее несоответствие с имеющимися у него прежними знаниями. В результате возникает проблемная ситуация (она определяется как состояние интеллектуального затруднения). Проводя анализ проблемной ситуации, учитель формулирует учебную проблему.

Для решения учебной проблемы и ее проверки школьники по указанию учителя выполняют определенные задания, в том числе не проблемные. Учитель может даже преднамеренно предложить учащимся задания, анализ которых приведет к возникновению проблемной ситуации. В любом случае оба процесса выполнения проблемного задания и решение учебной проблемы идут почти одновременно.

При составлении системы проблемных заданий по электромагнетизму ставится задача отразить: принципы относительности движения и принцип близкодействия, материальность магнитного поля, всеобщность закона сохранения и превращения энергии, существование границ применения физических законов и теорий.

Как и какие конкретные задания можно предлагать учащимся на уроках по электромагнетизму? Рассмотрим это на конкретных примерах.

В курсе физики есть явления, при изучении которых непосредственное чувственное восприятие затруднено или вовсе невозможно. К ним относятся электромагнитные явления и связанное с ними формирование понятия магнитного поля. Изучение электромагнитных явлений рекомендуется начать с демонстрации опыта Эрстеда. На этой основе формулируется проблемное задание, которое позволяет создать проблемную ситуацию.

Не объявляя темы урока, учитель проводит демонстрационный опыт. Обращаем внимание класса на положение магнитной стрелки относительно проводника с током. Предлагаем учащимся пронаблюдать изменение этого положения при включении (выключении) тока. Ставится вопрос: чем можно объяснить поворот магнитной стрелки? Возникает проблемная ситуация. Внешняя сторона вопроса школьникам ясна. Они отвечают, что отклонение стрелки вызвано включением тока. На основе анализа проблемной ситуации необходимо подвести учеников к пониманию принципа близкодействия, к тому, что в наблюдаемом опыте на магнитную стрелку действует магнитное поле, создаваемое электрическим током.

Пользуемся аналогией: напоминаем о явлении взаимодействия наэлектризованных тел, находящихся на расстоянии друг от друга. Взаимодействие электрических зарядов объяснялось в свое время существованием вокруг электрически заряженных тел электрического поля. Под действием электрического поля наблюдается направленное движение свободных заряженных частиц, которое, как известно, называется электрическим током. Электрический ток обнаруживается по различным действиям: тепловому, химическому и, наконец, магнитному. Далее ставим вопросы: «Какое действие электрического тока проявляется в нашем опыте? Какой еще опыт показывает, что электрический ток оказывает магнитное действие?».

Ранее, при изучении действий электрического тока, ученики наблюдали такой опыт: медный проводник, покрытый изоляцией и намотанный на гвоздь, подключали к источнику тока — гвоздь притягивал мелкие железные предметы. При отключении тока происходило размагничивание гвоздя. Учащиеся вспоминают этот опыт.

Ученикам предлагают сравнить рассмотренные опыты и сказать, в результате какого действия тока железные опилки притягиваются к гвоздю и происходит поворот магнитной стрелки.

Предположения ребят сводятся к тому, что в обоих опытах проявляется магнитное действие электрического тока. Вспомнив, что собой представляет электрический ток в металлах, обращаем внимание школьников на то, что при этом проявляется новое свойство заряженных частиц: упорядоченно движущиеся заряды действуют на стальные тела иначе, чем покоящиеся. Затем предлагаем классу вопрос: как было названо «новое» действие заряженных частиц? Ученики отвечают, что это магнитное действие.

Далее спрашиваем: каким образом осуществляется магнитное действие упорядоченно движущихся заряженных частиц (электрического тока) на стальное тело (гвоздь)?

Ожидаемый ответ следующий: магнитное действие электрического тока осуществляется через магнитное поле. Затем сообщаем, что впервые влияние электрического тока на магнитную стрелку было установлено датским ученым Г. X. Эрстедом в 1820 г. и дальнейшее развитие физики доказало существование неразрывной связи между электрическими и магнитными явлениями.

После рассмотрения на уроке магнитных полей различных контуров с током и ознакомления с правилом буравчика еще раз обращаем внимание учащихся на то, что магнитное поле всегда связано с порождающим его электрическим током. Конфигурация магнитного поля зависит от формы проводника; силовые линии магнитного поля изображают магнитное поле графически; направление силовых линий зависит от направления тока в проводнике.

Для проведения обобщающего повторения изученного материала учащимся предлагается система вопросов: «Как расположены силовые линии магнитного поля прямого тока? Кругового тока? Катушки с током? В какой катушке с током силовые линии магнитного поля внутри нее будут направлены параллельно? От чего зависит направление силовых линий магнитного поля? Как это направление определить? Как узнать, что катушка с током, подобно магнитной стрелке, имеет два магнитных полюса? Как с помощью правила буравчика определить, какой из этих полюсов „северный“, какой „южный“? Как по густоте расположения силовых линий можно судить о значении магнитного поля? Как по направлению силовых линий можно определить направление тока в проводнике?».

Активное обсуждение вопросов, сопровождаемое демонстрацией опытов, самостоятельным выполнением учащимися фронтальных лабораторных заданий, выполнением в рабочих тетрадях схематических рисунков, коллективным обсуждением полученных результатов, позволяет закрепить изученный материал и перевести знания учащихся об электромагнитных процессах на более высокий уровень усвоения.

При такой последовательности формирования понятия магнитного поля существование неразрывной связи между ним и током учащиеся устанавливают почти самостоятельно. Они сами открывают для себя новые знания. По действиям магнитного поля выясняют, что оно материально, знакомятся с принципом близкодействия, с механизмом возникновения магнитного поля (исходя из движения заряженных частиц).

Использование проблемных заданий в сочетании с объяснительноиллюстративным обучением имеет определенное значение в развитии творческих способностей учащихся. При систематическом выполнении проблемных заданий у учащихся формируются творческие приемы и навыки учебной работы, повышается обучаемость, которая является одним из показателей умственного развития учащихся, и, что особенно важно, воспитывается потребность в творческом труде и учителя.

Известно, что вокруг любых неподвижных зарядов существует электрическое поле. Но если эти заряды заставить упорядоченно двигаться, т. е. создать электрический ток, то вокруг упорядоченно движущихся зарядов возникнет магнитное поле. Очевидно, что между электрическим и магнитным полями существует теснейшая связь.

Электрический ток, идущий по проводнику, способен намагнитить железный стержень. Учащимся задается вопрос: не может ли магнит вызвать появление электрического тока в проводнике?

Проведем эксперимент. Возьмем полосовой магнит, вокруг которого, как известно, существует магнитное поле, и катушку-проводник с включенным последовательно с ним гальванометром. Установим магнит рядом с катушкой. Однако гальванометр не фиксирует появление тока (рис. 2.2). Почему?

Видоизменяем опыт. Вносим магнит в катушку, а потом соединяем гальванометр к выводам катушки. Тока нет. Почему?

Рис. 2.2. Электрическая схема для демонстрации явления электромагнитной индукции.

При анализе возникших вопросов говорим учащимся, что до 29 августа 1831 г. ученым, так же как и нам сейчас, не удалось обнаружить связь тока и магнитного поля. Почти одновременно с М. Фарадеем получить электрический ток в катушке с помощью магнита пытался швейцарский физик Ж.-Д. Колладон. Индикатором тока служила легкая магнитная стрелка. Чтобы на нее не влиял постоянный магнит, который вдвигался в катушку, эта стрелка была вынесена экспериментатором в соседнюю комнату, туда же были протянуты и провода от катушки. Вставив магнит в катушку, Колладон шел в соседнюю комнату и с огорчением убеждался, что гальванометр и стрелка ничего не показывают.

Видоизменим эксперимент. Попробуем соединить катушку с гальванометром, а затем внести магнит в катушку и вынести его из катушки. Видим, что в катушке появился ток!

Почему он не появился в первых двух случаях и появился сейчас? Потому что магнит был неподвижен, а теперь он движется. Трудно было додуматься до главного, а именно: только движущийся магнит или меняющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в катушке. Почему Колладон не наблюдал появление тока в катушке? Во время движения магнита он должен был находиться у гальванометра, а он в это время был в другой комнате.

Появление в катушке электрического тока можно наблюдать в другом эксперименте (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Электрическая схема для демонстрации явления электромагнитной индукции.

Одна катушка, подключенная к источнику питания, создает магнитное поле, а во второй, во время включения и выключения источника тока в первой цепи, появляется электрический ток.

Обобщая результаты проведенных опытов, говорим учащимся о том, что мы с ними «открыли» явление электромагнитной индукции. Сущность явления электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического поля в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что значение и направление магнитного поля, пронизывающего контур, постоянно меняются. В замкнутом проводящем контуре это поле создает ток, который и фиксируется включенным в цепь гальванометром.

После сделанного обобщения приступаем к изучению некоторых свойств возникающего индукционного тока. Обращаемся к первому опыту. При внесении магнита в катушку разными полюсами видим, что направление возникающего в катушке индукционного тока зависит от того, каким полюсом мы вносим магнит — «южным» или «северным».

Изменяем скорость внесения и вынесения магнита. Учащиеся замечают: чем быстрее перемещаем магнит относительно катушки, тем больше значение индукционного тока. Причина — различная скорость изменения магнитного поля, пронизывающего витки катушки. При этом совершенно безразлично, что двигать — магнит или катушку.

Если изменять силу тока в первой катушке с помощью реостата, то будет меняться и магнитное поле вокруг нее. Это изменение также вызовет индукционный ток во второй катушке, который и показывает гальванометр.

На основе обобщения результатов проведенных опытов делаем следующие выводы:

• • направление индукционного тока зависит от ориентации полюсов движущегося магнита;
• • значение индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного поля, пронизывающего контур, и не зависит от способа этого изменения.

В заключение говорим, что более подробно свойства индукционного тока будут изучаться на следующих уроках.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Назовите основные затруднения учителей при разработке и проведении проблемного урока.
• 2. Что такое проблемное задание?
• 3. Почему усвоение понятий теории электромагнитного поля вызывает у учащихся затруднения?
• 4. В чем сущность явления электромагнитной индукции?