А.Ф.Зарипова,школа № 47, ЗАТО, пос. Свободный, Свердловская обл.
А.Ф.Зарипова,Цель урока: обобщая темы «Электродинамика», «Электромагнитные колебания и волны», показать, как ученые всех времен и поколений, народов и стран обеспечивали прогресс науки и техники.
Ход урока
Часть I
Учитель. Со времени наблюдения в 1791 г. итальянским физиком Луиджи Гальвани сокращений мышц лапки препарированной лягушки при ее контакте с металлическими проводниками до уникальных радиолокационных станций, способных отслеживать искусственные спутники на расстоянии 40 тыс. км прошло чуть более двух веков. В развитие электродинамики внесли свой вклад ученые, изобретатели, инженеры различных национальностей и верований. Как же это происходило? Как сотрудничали эти люди друг с другом? Что помогало им, что мешало? Вот именно об этом мы и поговорим с вами сегодня. Сейчас учащиеся расскажут об ученых, об их изобретениях, открытиях, сопровождая свои сообщения демонстрацией опытов (показом видеофильмов).
(Для наглядности и объективности оценки – оценивают, кстати, сами учащиеся – выставляются на доске напротив фамилии ученика. Отмечается каждый правильный ответ, учитываются и дополнения, и помощь при демонстрации фильмов и опытов, дружелюбие, терпимость к ответу одноклассника, тактичность при исправлении ошибок, внесении дополнений. Отмечаем, как открытие одного ученого приводило к пониманию явлений, до той поры казавшихся совершенно необъяснимыми, затем к новым открытиям, усовершенствованиям приборов, а в целом – к развитию всей науки и внедрению нововведений в технику, промышленность, быт. Отмечаем, что только сотрудничество, доброе отношение ученых к коллегам из разных стран, разных верований, только взаимопонимание привело к прогрессу науки и техники.)
Краткое содержание сообщений учащихся
1. Луиджи Гальвани (1737–1798). Родился, жил и работал в г. Болонье (Италия). Обнаружил воздействие электрического тока на мышцы («животное электричество») и возникновение разности потенциалов при контакте электролита и металла.
2. Алессандро Вольта (1745–1827). Родился в г. Комо (Италия), вблизи Милана, где и сделал свои первые работы, затем переехал в Павию. Создал в 1800 г. первый химический источник постоянного тока, назвав его гальваническим элементом (позже его называли вольтовым столбом). В 1775 г. изобрел смоляной электрофор. Объяснил природу электричества, полученного Л.Гальвани, построил электроскоп, открыл контактную разность потенциалов. (Позже в его честь была названа единица напряжения – 1 вольт.) Поставил в известность о своем открытии Лондонское королевское общество (письмо А.Вольта президенту общества Дж.Бэнку).
Демонстрируется опыт «Картофельный элемент»: в картофелину втыкают медный провод и железный гвоздь и присоединяют проводами к гальванометру. Стрелка гальванометра отклоняется [1, с. 58, № 248].
3. Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1764). Родился в д. Холмогоры (вблизи Архангельска) (Россия). Жил и работал в Москве и Петербурге. Учился в Германии, в Марбурге и Фрейберге. Российский ученый-энциклопедист, первый русский естествоиспытатель мирового уровня. Способствовал развитию науки в России. Организовал первое русское высшее учебное заведение – Московский университет (1755). Открыл атмосферу Венеры (26 мая 1761 г.). Совмест-но с Георгом Рихманом изучал электричество, в частности грозовые разряды.
4. Георг Вильгельм Рихман (1711–1753). Родился в г. Пярну (Эстония). Жил и работал в Германии (г. Галле) и в России (г. Петербург). Профессор Петербургской академии наук. Изучал электрические явления. По его чертежам для физического кабинета Академии изготовлялись приборы. Друг и соратник М.В.Ломоносова. Погиб 26 июля 1753 г. во время эксперимента от удара шаровой молнии диаметром около 10 см.
5. Бенджамин Франклин (1706–1790). Родился в г. Филадельфии (США). Работал в США (Пенсильванский университет), Великобритании, Франции. Государственный и политический деятель, изобретатель и первый американский физик. Исследовал электричество, изобрел плоский конденсатор, молниеотвод, экономную печь («печь Франклина»), своими экспериментами в 1752 г. установил электрическую природу молнии.
Демонстрируется опыт с молниеотводом: подготавливают бумажный макет дома (на металлической подставке) с молниеотводом из проволоки. Молнию моделируют при помощи электрофорной машины. Подносят разрядник к молниеотводу – домик остается невредимым. Затем проволоку (молниеотвод) убирают, и при электрическом разряде через домик он вспыхивает [1, с. 56, № 242].
6. Василий Владимирович Петров (1761–1834). Родился в г. Обояни (Россия). Жил и работал в России (Барнаул, Харьков, Петербург). Русский физик, действительный член Петербургской академии наук. Впервые в 1802 г. получил электрический дуговой разряд и предложил его практическое применение. Создал источник тока – батарею из 2100 элементов. Открыл зависимость силы тока от площади поперечного сечения проводника. Изобрел приборы для изучения электричества. Многое сделал в области практического применения электричества.
Демонстрируется опыт «Батарея элементов В.В.Петрова»: чередуют кружки из меди (латуни) и цинка, а между ними помещают бумагу, пропитанную раствором нашатыря или поваренной соли. При подключении батареи к гальванометру он обнаруживает ток [1, с. 60, № 256].
7. Франц Ульрих Теодор Эпинус (1724–1802). Родился, жил и работал в г. Петербурге (Россия). Действительный член Петербургской академии наук. Работал в области электричества, искал сходство между электричеством и магнетизмом. Сделал воздушный конденсатор. Предположил, что электрические «жидкости» взаимодействуют с силами, прямо пропорциональными величинам их зарядов, т.е. F»q1•q2, и, по аналогии с законом тяготения, обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними.
Английский физик Генри Кавендиш (1731–1810) в 1771 г. обосновал это предположение экспериментально, но не опубликовал.
8. Шарль Огюстен Кулон (1736–1806). Родился жил и работал в г. Париже (Франция). Военный инженер, действительный член Парижской академии наук. Изобрел крутильные весы и как бы заново открыл закон взаимодействия зарядов, экспериментально доказав его справедливость в 1785 г. Это открытие позволило судить об электричестве количественно.
9. Георг Симон Ом (1787–1854). Родился в г. Эрлангене (Германия). Работал учителем сначала в Эрлангене, Нюрнберге, Мюнхене (Германия), затем в Готштадте (Швейцария). Открыл количественный закон электрического тока, применив метод крутильных весов Кулона. Опубликовал свои результаты в 1827 г. Пришел к известной формуле сопротивления проводника. Применил термоэлемент как источник тока. В честь Ома названа единица сопротивления – 1 Ом.
Демонстируется опыт «Термоэлемент из электролампы»: электрическую лампу без стеклянного баллона присоединяют к гальванометру. Горящей спичкой нагревают место соединения спирали с проволочкой и наблюдают возникновение тока [1, с. 66, № 279].
10. Эрстед Ханс Кристиан (1777–1851). Родился в г. Рудкебинге (Дания). Жил и работал в Копенгагене. Открыл действие электрического тока на магнитную стрелку в 1820 г., тем самым установив взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. Эрстед предположил, что вокруг проводника с током существует магнитное поле. Открыл термоэлектрический эффект (независимо от Зеебека и Фурье). Высказал в 1821 г. гипотезу об электромагнитной природе света. С 1830 г. был почетным членом Петербургской академии наук. В честь Эрстеда названа единица напряженности магнитного поля – эрстед.
Демонстрируется «Опыт Эрстеда» [2, с. 118, рис. 90].
11. Андре Мари Ампер (1775–1836). Родился в г. Лионе (Франция). Жил и работал в Брук-ан-Бресе и Париже. Физик и математик. Высказав гипотезу, что магнитные явления порождаются электрическими токами, он экспериментально подтвердил ее. Тем самым Ампер продолжил исследования Эрстеда, открыл взаимодействие прямых токов, двух соленоидов, показал, что они ведут себя как магниты. Установил количественно закон взаимодействия токов, построил первую теорию магнетизма. Ввел понятие силы тока. (Позже в его честь назовут единицу силы тока – 1 ампер.) В 1821 г. Ампер предложил теорию происхождения магнитного поля Земли, связав его с существованием внутренних токов в земном шаре.
Между знаменитыми опытами Эрстеда и Ампера прошло всего два месяца. С работами Эрстеда ознакомился французский физик Араго (1786–1853), находившийся по делам в Женеве. Вернувшись в Париж, он сделал сообщение об этом на заседании Парижской академии наук, где был и Ампер. С того дня Ампер усиленно занимается электричеством, разрабатывает новый раздел – электродинамику.
Демонстрируется опыт «Взаимодействие проводников с током» [2, с. 77, рис. 59].
12. Майкл Фарадей (1791–1867). Родился в г. Лондоне (Англия), там же в основном и работал, но бывал также во Франции, Италии, Швейцарии.
В 1831 г. в результате упорного десятилетнего труда открыл закон электромагнитной индукции. Предположил, что магнитные явления должны порождать электрические, если, согласно исследованиям Ампера, электрические порождают магнитные. Фарадей формирует идею магнитных и электрических полей, окружающих проводники с током и магниты. Фарадей предположил, что поля эти распространяются с конечной скоростью. Он же установил законы электролиза. Открыл диа- и парамагнетизм. Путешествуя по Европе вместе с Деви Гэмфри, профессором Королевского института, Фарадей знакомится и сотрудничает с А.Вольта, химиком Дюма, Гей-Люссаком.
Демонстрируются опыты «Магнитные линии катушки с током» [2, с. 121, рис. 95] и «Действие силы Ампера на проводник с током в магнитном поле» [2, с. 128, рис. 113].
13. Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889). Родился в г. Манчестере, Англия, где впоследствии жил и работал. Физик-экспериментатор. Изобрел электромагнитные аппараты. Ставя опыты с индукционным током, пришел в 1841 г. к количественному закону теплового действия тока: Q = I2Rt (ныне – закон Джоуля–Ленца).
14. Ленц Эмилий Христианович (1804–1865). Родился в г. Дерпте (ныне г. Тарту) (Эстония). Жил и работал в России (г. Петербург, Кавказ, Крым). Независимо от Джоуля в 1824 г. нашел тот же закон теплового действия тока. В 1833 г. проанализировал опыты Фарадея, сопоставил их с законом взаимодействия токов Ампера и пришел после проверок опытами к выводу: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его причине (ныне – правило Ленца).
15. Борис Семенович Якоби (1801–1874). Родился в г. Потсдаме (Германия). Жил и работал в Геттингене (Германия), а с 1837 г. – в Петербурге (Россия) и Кенигсберге (Германия). Сконструировал первый в мире электрический двигатель и поставил его на судно (р. Нева, 1838 г.). Изобрел гальванопластику, внедрил ее в типографское и монетное дело, в производство художественных изделий. Разработал телеграфные аппараты различных типов, несколько типов гальванических элементов и электроизмерительных приборов. Строил кабельные линии телеграфной связи, организовал первое в России производство электротехнических установок. Один из основоположников электротехники. Состоял в переписке с Фарадеем. В 1840 г. ему была присуждена Демидовская премия за работу по гальванопластике.
Демонстрируется опыт «Модель электродвигателя» [2, с. 129, рис. 115].
16. Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879). Родился в г. Эдинбурге (Шотландия). Жил и работал в Лондоне (Англия) и Эдинбурге. Разработал теорию электромагнетизма. С помощью уравнений описал эволюцию электромагнитного поля и чрезвычайно широкий круг явлений, протекающих в природе, – в масштабах Вселенной, внутри звезд и планет, в микромире, внутри атома. Конструировал приборы и экспериментальное оборудование. Предсказал возможность существования давления электромагнитных волн, что экспериментально подтвердил с помощью оригинальной установки российский ученый Петр Николаевич Лебедев (в 1899 г. – на твердые тела, а в 1909 г. – и на газы).
В 1868 г. вывел формулу для расчета скорости распространения электромагнитных волн и получил значение v»2,779•108 м/с, что мало отличалось от измеренного в 1862 г. французом Жаном Бернаром Леоном Фуко (1819–1868) значения v»2,980 • 108 м/с. Отсюда Максвелл сделал вывод: свет – это электромагнитная волна.
Демонстрируются опыты «Свойства электромагнитных волн» [3, с. 83, рис. 82–84].
17. Генрих Рудольф Герц (1857–1894). Родился в г. Гамбурге (Германия). Жил и работал в Дрездене, Мюнхене, Бонне, Берлине. Экспериментально доказал существование электромагнитных волн (1886–1889), распространяющихся в пространстве, и тем самым подтвердил справедливость теории Максвелла. В 1890 г. эксперименты Г.Герца повторил французский изобретатель Эдуард Бранли (1844–1940). для обнаружения волн он применил радиокондуктор. Англичанин О.Лодж усовершенствовал радиокондуктор и назвал его когерером (от латинского значения этого слова – быть связанным).
Можно проследить интернациональную цепочку открытий: немецкий физик Г.Герц (вибратор и резонатор электромагнитных волн) є французский инженер Э.Бранли (радиокондуктор) є английский ученый О.Лодж (приемный элемент когерер) є русский ученый и изобретатель А.С.Попов (радиоприемник, 1895 г.) и итальянский изобретатель Гульельмо Маркони (радиоприемник, принципиально ничем не отличавшийся от приемника Попова, 1896 г., но более усовершенствованный технически).
Часть II
Викторина
1. Почему гром слышен позднее, чем видна
вспышка молнии?
2. Кто изобрел плоский конденсатор?
Ответ. Американский физик Бенджамин
Франклин.
3. Что означает слово антенна?
Ответ. В переводе с латинского antenna –
рей-мачта.
4. Какая радиостанция возвестила о революции в
октябре 1917 г. в России?
Ответ. Радиостанция крейсера «Аврора».
5. Какие природные сигналы регистрировал
приемник А.С.Попова?
Ответ. Электромагнитные волны от
грозовых разрядов.
6. Что такое «радиоточка»?
Ответ. Трансляционный
громкоговоритель.
7. Почему мы смогли увидеть обратную
поверхность Луны, а футбольный матч на стадионе
«Лужники» в Москве можем и не увидеть?
Ответ. Телесигнал распространяется
прямолинейно, в пределах прямой видимости.
Увидеть московский матч, находясь в Зауралье,
можно с помощью ретрансляторов –
спутников связи системы «Орбита».
8. Кто является лауреатом Нобелевской премии
из ученых и инженеров в области радиосвязи?
Ответ. Гульельмо Маркони и Карл
Фердинанд Браун удостоены звания лауреатов в 1909
г.
9. Когда и по какой причине радиостанции всего
мира прервали передачу?
Ответ. В день похорон Г.Маркони, 21 июля
1937 г.
10. Чей портрет изображен на стодолларовой
купюре?
Ответ. Бенджамина Франклина,
американского физика, который ввел термины
положительный и отрицательный заряды.
11. Какой диапазон частот и длин волн занимают
радиоволны?
Ответ. 2 кГц–300 кГц,
соответственно 100 км–1 мм.
12. Какое физическое явление используется для
преобразования оптического изображения в
электрические сигналы в телеприемнике?
Ответ. Явление фотоэффекта, открытое
Г.Герцем и исследованное А.Г.Столетовым.
13. Как измерили наиболее точно расстояние до
ближайших планет?
Ответ. Радиолокационным способом.
14. Почему в УКВ-диапазоне связь на земной
поверхности обеспечивается не всегда, но для
связи со спутниками этот дипазон удобен более
всего?
Ответ. УКВ распространяются по прямой,
практически не отражаясь от ионосферы, они не
способны огибать поверхность Земли.
15. Какие волны используются для мобильной
связи?
Ответ. УКВ. Они распространяются
прямолинейно от мобильного телефона до базовой
станции, а потом сигнал передается на проводную
телефонную сеть.
16. Почему мобильный телефон назвали сотовым?
Ответ. [Ретрансляторы, или базовые
станции, размещаются так, что примерно круговые
зоны их действия перекрываются, образуя как бы
пчелиные соты. – Ред.]
17. К какому виду обработки сигналов относятся
и амплитудная, и частотная модуляции?
Ответ. К аналоговому – от греч. analogia, что значит аналогия, сходство,
соответствие [т.к. форма огибающей высокочастной
несущей повторяет форму сигнала. – Ред.].
18. В чем сущность цифрового способа передачи
информации?
Ответ. Система дискретизации и
оцифровки превращает аналоговый (непрерывный)
сигнал в цифровой (последовательность
импульсов): с определенной периодичностью
величина сигнала измеряется и сравнивается со
стандартным значением, затем полученные числа
переводятся в двоичный код и передаются в виде
комбинации импульсов (единиц) и пробелов (нулей).
Этот способ обеспечивает больший объем и лучшее
качество передачи информации.
Литература
1. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике в 6–7-м кл. средней школы. – М.: Просвещение, 1985.
2. Перышкин А.В., Родина Н.А. Физика: Учебник для 8-го кл. – М.: Просвещение, 1989.
3. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учебник для 11-го кл. – М.: Просвещение, 1995.
4. Хрестоматия по физике./Под ред. Б.И.Спасского. – М.: Просвещение, 1982.
5. Книга для чтения по физике./Составитель И.Г.Кириллова. – М.: Просвещение, 1987.
6. Блудов М.И. Беседы по физике. Ч. II. – М.: Просвещение, 1985.
7. Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов. – М. : Просвещение, 1987.
8. Энциклопедия для детей. Т. 8. Астрономия. – М.: Аванта+, 1997.
9. Энциклопедия для детей. Т. 16. Ч. 1, 2. Физика. – М.: Анванта+, 2000.
10. Энциклопедия для детей, Т. 14. Техника. – М.: Аванта+, 1999.