Совершенствование лекционного курса Электричество и магнетизм на основе применения компьютерных (стр. 8 из 14)

Электронный конспект позволяет программно совместить слайд-шоу текстового и графического сопровождения (фотоснимки, диаграммы, рисунки) с компьютерной анимацией и численным моделированием изучаемых процессов, с показом документальных записей натурного эксперимента. ЭКЛ совмещает технические возможности компьютерной и мультимедийной техники в предоставлении учебного материала с живым общением лектора с аудиторией. Его практическое использование предполагает наличие TV-выхода в лекционном компьютере (или внешнего TV-кодера), видеопроектора или телевизоров с большой длиной диагонали экранов. Для демонстраций фрагментов видеосопровождения дисциплины (видеолекций, научно-познавательных фильмов и т. д.) необходим видеомагнитофон (если видеоплейер, то лучше со счетчиком пленки).

Основной единицей ЭКЛ является слайд, или кадр предоставления учебной информации, учитывающий эргономические требования визуального восприятия информации. Требования касаются разборчивости шрифтов обозначений и надписей, отсутствия агрессивных полей и неприятных ощущений при динамическом воспроизведении графических материалов, правильного расположения информации в поле восприятия, отсутствия цветового дискомфорта, оптимизации яркости графиков по отношению к фону.

Как показывают исследования при использовании информационных технологии восприятие учебного материала повысилось. Более 70% студентов считают необходимым использование, время от времени видеолекций. Практически все положительно оценили использование компьютерного практикума наряду с физическими лабораторными работами. Около 75% студентов отметили улучшение эмоционального состояния на лекции и повышение интереса к изучаемому предмету. При этом всегда успевали конспектировать лекцию около 78% слушателей, постоянные трудности с конспектированием отметили примерно 6% студентов. Ни один из респондентов не хотел бы вернуться к традиционной форме лекции. Просмотр конспектов у всего потока студентов показал, что значительно возросло их качество, что сказалось и на повышении успеваемости. Критические замечания студентов касались размера используемых шрифтов в текстовом комментарии и фона слайдов, пожелания - большего количества компьютерных анимаций и виртуальных моделей.

Применение информационных технологий подготовки ЭКЛ требует новых подходов и к эстетике лекционного процесса. Оформление лекции-презентации с показом видеофрагментов и компьютерной виртуальной реальности не должно заметно отставать от уровня дизайна web-страниц Интернета и телепрограмм. В таких условиях повышаются профессиональные требования к преподавателям физики, химии, математики и других дисциплин в плане владения современными программными средствами и (или) организации совместной работы над курсом лекций предметников и компьютерных дизайнеров.

Глава II. Использование информационных технологий при изучении темы «Электричество и магнетизм»

§2.1. Общие вопросы методики преподавания темы «Электричество и магнетизм»

Важность изучения электромагнитных явлений обусловлена тем, что из всех известных типов физических взаимодействий электромагнитные взаимодействия играют наиболее важную роль. Они включают в себя все атомные, молекулярные, химические и биологические процессы, а также все процессы, связанные со светом, радиоизлучением и рентгеновским излучением. Невозможно объяснить сразу все электромагнитные явления. Поэтому в первой части курса "Электричество и магнетизм" рассматривается взаимодействие неподвижных друг относительно друга и относительно наблюдателя электрических зарядов. Этот раздел называется "Электростатика". Во второй части, которая называется "Электрический ток", изучаются явления, связанные с движением электрических зарядов с постоянной скоростью. Далее в разделе "Магнитное поле" делается переход к изучению магнитных явлений и их связи с электрическими явлениями.

Электростатика. Электрическое поле

Тему "Электростатика" нужно начать с доказательства существования двух типов зарядов. Безусловно, это следует сделать с помощью простейших опытов. Например, если потереть эбонитовую палочку о шерсть (например, о кошачью) и поднести палочку к шарику бузины, подвешенному на шелковой нити, то шарик притянется к заряженной палочке (рис. 1). Однако если шарик коснется палочки, то он тут же оттолкнется. Предложите ученикам подумать, почему это происходит, и потом объясните опыт.

Далее следует перейти к анализу характера взаимодействия зарядов и на опыте показать, что одинаковые электрические заряды отталкиваются, а противоположные - притягиваются. Для этого можно зарядить эбонитовую палочку, потерев ее о шерсть, а затем прикрепить ее на подставке так, чтобы она смогла поворачиваться. Точно так же следует зарядить конец другой такой же палочки и поднести ее к первой. Два заряженных конца отвернутся друг от друга, указывая на то, что заряженные одинаково тела отталкиваются (рис. 2). Повторите эксперимент, потерев две стеклянные палочки о шелк.

Пусть теперь ученики подумают, что произойдет, если одним из заряженных тел будет стеклянная палочка, а другим - эбонитовая. Пусть ученики попробуют сами сделать вывод. Можно показать и другие опыты.

Например, можно взять два совершенно одинаковых электроскопа и один из них зарядить с помощью стеклянной палочки, потертой о шелк. Затем с помощью проводника с изолирующей ручкой шарики электроскопов соединить. Если электроскопы совершенно одинаковы, то после соединения лепестки расходятся на один и тот же угол. Это говорит о том, что полный заряд распределяется между двумя электроскопами поровну. Если потом один электроскоп зарядить с помощью стеклянной палочки, потертой о шелк, а другой - с помощью эбонитовой палочки, потертой о шерсть, до одинакового отклонения лепестков, а потом соединить шарики проводником, то лепестки обоих электроскопов опадут. Это свидетельствует о том, что взятые в равных количествах заряды стеклянной и эбонитовой палочек компенсируют (нейтрализуют) друг друга.

В математике при сложении двух равных величин, имеющих разные знаки, получается нуль. По аналогии условились считать заряды, возникающие на стекле, положительными, а на эбоните - отрицательными. Подчеркните, что так приняли, можно было условиться, наоборот, считать заряды, возникающие на стекле - отрицательными. Важно другое: существование двух видов электрических зарядов. Можно задать вопрос: когда вы расчесываете волосы пластмассовой расческой, какие заряды приобретают волосы - одноименные или разноименные? Одинаковы ли по знаку заряды на расческе и волосах?

Часть энергии, затраченной на взаимное трение нейтральных тел, переходит в энергию движения некоторого числа электронов. Тело, которое менее прочно удерживает входящие в его состав электроны, отдает при трении больше электронов, чем получает, поэтому оно заряжается положительно. Например, шерсть удерживает входящие в ее состав электроны менее прочно, чем эбонит. Поэтому электроны переходят в большем количестве с шерсти на эбонитовую палочку, а не наоборот.

Часто школьники не понимают роль трения при электризации трением. Поясните, что основной причиной является не само трение, а факт тесного соприкосновения тел. В результате тесного соприкосновения двух разных тел часть электронов переходит с одного тела на другое. В результате одно тело всегда приобретает отрицательный заряд, другое - положительный. Под тесным соприкосновением понимается такое сближение тел, когда расстояния между атомами или молекулами, лежащими на поверхности этих тел, становятся такого же порядка, что и расстояния между ними внутри тел (~10-8 м). Реальные тела не бывают идеально гладкими. Поэтому при их соприкосновении такие расстояния достигаются только в отдельных точках и число электронов, переходящих с одного тела на другое, мало. Трение же увеличивает число участков "тесного" соприкосновения, и в результате увеличивается общий заряд, который окажется на каждом из тел при их разъединении.

При изучении закона взаимодействия электрических зарядов нужно рассказать об опытах Кулона и Кавендиша. Обсуждая закон Кулона, следует подчеркнуть, что он установлен для неподвижных электрических зарядов. Экспериментально измерить величину движущегося заряда невозможно, но на основании косвенных соображений можно утверждать, что величина заряда не зависит от скорости движения носителя заряда. То есть величина заряда является инвариантом и не изменяется при переходе от одной системы отсчета к другой. Справедливость закона Кулона неоднократно проверялась впоследствии. С высокой точностью он выполняется и при больших расстояниях, порядка размеров Вселенной, и при малых расстояниях, порядка размеров атома. Можно напомнить о законе всемирного тяготения Ньютона и провести сравнение этих законов. Важно отметить, что оба закона установлены на основе теории дальнодействия. Современная теория считает, что всякое взаимодействие осуществляется через поле. Взаимодействие покоящихся электрических зарядов осуществляется посредством электрического поля: каждый заряд создает электрическое поле, и это поле действует на другой заряд, помещенный в это поле. Поэтому закон Кулона можно формулировать следующим образом: сила, действующая в вакууме на покоящийся точечный заряд со стороны поля, создаваемого другим, также покоящимся и точечным зарядом, прямо пропорциональна величине этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль линии, соединяющей эти заряды.