Цель.
- Укрепление связи обучения с истоками культуры.
- Узнать о том вкладе, который внесли ученые разных стран в создание теории.
- Формировать интерес к самостоятельной деятельности обучающихся по нахождению и обработке нужных сведений из истории физики.
План урока.
- Вступительное слово учителя о цели «путешествия».
- Знакомство с маршрутом.
- Организация групп ассистентов-экспериментаторов и корреспондентов-журналистов, сопровождающих путешественников.
- Серия мини-сообщений обучающихся о важнейших исторических открытиях с демонстрацией опытов.
- Итоги путешествия.
Оформление.
- Географическая карта, на которой отмечены маршрут и основные пункты остановок: Франция – 1808 г., Дания – 1820 г., Франция – 1820–1826 гг., Англия – 1831 г.
- Карточки с описанием исторических экспериментов, которые во время остановок в том или ином пункте маршрута должны продемонстрировать ассистенты.
- Оборудование для осуществления опытов.
- Карточки для корреспондентов-журналистов.
- Выставка с научно-популярной литературой.
- На доске написано высказывание Луи де Бройля: «Современная наука – дочь удивления и любопытства, которые всегда были ее главными движущимися силами».
Подготовка урока.
1. Заранее по желанию обучающихся определяю группы из 2-3 человек, которые будут готовить мини-сообщения. Каждая группа получает свою тему, список нужной литературы, инструкцию к работе:
а) Четко и кратко расскажите об эксперименте, назвав
поставленную проблему, пути ее решения, ход опыта и его результат.
б) Дайте небольшую, но выразительную характеристику ученому,
который осуществлял данный эксперимент.
в) Расскажите, как встретил открытие научный мир.
г) Укажите практическое значение проделанной работы.
д) Постарайтесь привести отрывки из работ или записей самих
ученых, их рисунки, схемы установок.
е) Свое выступление рассчитайте на 5 минут.
Готовлю карточки для ассистентов-экспериментаторов и корреспондентов-журналистов, оборудование.
Ход урока
Учитель. Ребята, сегодня урок мы проведем с вами в форме «путешествия в пространстве и во времени» с целью определения логического и исторического процессов установления связи между электричеством и магнетизмом. Для этого класс был разбит на группы. Каждая группа получила свою тему и должна была подготовить мини-сообщение. А теперь я попрошу ваших ассистентов-экспериментаторов получить карточки с экспериментальными заданиями.
Во время путешествия в разные государства нам понадобятся журналисты, которые будут освещать в прессе все события. (Выбрать журналистов)
Определим наш маршрут: Франция – 1808 г., Дания – 1820 г., Франция – 1820–1826 гг., Англия – 1831 г. (показываю по карте).
Девизом нашего путешествия являются слова Луи де Бройля: «Современная наука – дочь удивления и любопытства, которые всегда были ее главными движущимися силами».
Итак, начинаем наше путешествие (звучит музыка Баха).
Первая остановка – Франция, 1808 год
Мини-сообщение 1-й группы обучающихся:
Наша экспедиция побывала во Франции. Мы работали в Парижской Академии наук, в том отделе, где собраны документы начала XIX века и заинтересовались французским ученым и политическим деятелем Домиником Франсуа Араго. Он родился в 1786 году, учился в Политехнической школе, а в 1813–1846 гг. в Парижской обсерватории. С 1830 г. по 1848 г. был членом Палаты депутатов. Он является автором очень многих открытий в области оптики и электромагнетизма. Этот великолепный ученый, ставший в 23 года академиком, заметил, что стрелки компасов морских кораблей перемагничиваются во время грозовых бурь. Вот один из примеров, который был опубликован в сочинении Араго «Гром и молния»:
«Около 1775 года два английских судна двигались параллельными курсами из Лондона в Барбадос. На широте Бермудских островов корабли разметало штормом – один из них был поражен молнией: она сломала мачту и изодрала в клочья паруса; другое судно не пострадало. Осматривая его палубу, капитан несказанно был удивлен увидев, что первое судно сменило курс и двинулось обратно в Англию. Однако вскоре с него прибыл матрос и с изумлением спросил, почему непострадавшее судно решило идти назад, в Англию?
После бурной сцены объяснений компасы обоих судов были подвергнуты тщательной проверке. В результате ее выяснилось, что на судне, пораженном молнией, полярность стрелки компаса изменилась на противоположную, и капитан судна поплыл на восток (обратно в Англию), будучи в полной уверенности, глядя на свой компас, что плывет на запад» [1].
Приводит Араго и примеры "сухопутные". Он рассказывает, что когда-то молния ударила в лавку одного шведского сапожника. Все его немудрящие сапожные инструменты и гвозди так намагнитились, что то и дело в неподходящие моменты прилипали друг к другу. И пришлось сапожнику распрощаться со своими любимыми инструментами. Рассматривая эти факты, Араго чувствовал, что находится на пороге открытия. Но…открытие не состоялось.
Учитель. Да, жаль, что открытие не состоялось. Но нам пора опять в путь. Ведь «идущий побеждает дорогу» (звучит музыка Баха).
Вторая остановка – Дания, 1820 год
Учитель. Мы находимся в лаборатории датского профессора химии Ганса Христиана Эрстеда (1777–1851). Ребята, а что вы здесь делаете?
Ученик. Изучаем работу Эрстеда.
Учитель. Расскажите нам, пожалуйста, что вы узнали об Эрстеде.
Мини-сообщение 2-й группы обучающихся:
Ганс Христиан Эрстед родился 14 августа 1777 года в семье датского аптекаря. Учился Эрстед в Копенгагенском университете на медицинском факультете. В 1797 году получил диплом фармацевта, а в 22 года степень доктора философии. В 1806 году он становится профессором Копенгагенского университета.
В 1820 году он сделал свое знаменитое открытие, описанное им в брошюре «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». Брошюра была издана на латинском языке в Копенгагене и датирована 21 июнем 1820 года. Это открытие обессмертило имя ее автора в истории физики. Работа быстро была разослана и через несколько дней оказалась в Женеве, где в это время находился Араго. Познакомившись с работой Эрстеда, он понял, что загадка, мучавшая его, решена. И Араго, не выезжая из Женевы, повторяет опыты Эрстеда. «Господа, происходит переворот!» – под таким впечатлением вернулся Араго в Париж и 4 сентября 1820 года на заседании Парижской академии наук сделал устное сообщение об опытах Эрстеда. Как и предполагал Араго, сообщение очень заинтересовало членов академии, и они попросили его уже на следующем заседании 11 сентября показать им опыты Эрстеда. Мы тоже решили собрать установку и повторить опыты Эрстеда по отклонению магнитной стрелки вблизи проводника с током.
Карточка для ассистента-экспериментатора №1.
Задание. Собрать установку и повторить опыт Г.Х. Эрстеда по отклонению магнитной стрелки вблизи проводника с током.
Оборудование. Источник тока, электрическая лампочка на подставке, магнитная стрелка, соединительные провода.
Указания.
1. Собрать цепь, руководствуясь описанием опыта из работы Эрстеда [5]: «Противоположные концы гальванического аппарата (источника тока) соединяют при помощи металлической проволоки (гибкой)…Предположим, что прямолинейный участок этой проволоки протянут над магнитной стрелкой параллельно направлению последней…». Ввести в цепь дополнительно лампочку на подставке.
2. Провести опыт, проделав те же действия, что и Эрстед:
а) расположить вначале гибкий провод параллельно магнитной
стрелке, над ней;
б) увеличивать, а потом уменьшать расстояние от провода до
стрелки;
в) провод расположить горизонтально под стрелкой;
г) помещать между проводом и стрелкой последовательно
пластинки из стекла, дерева, металла»
д) заменить магнитную стрелку подобной, но из картона;
е) сделать вывод.
Ассистент-экспериментатор проводит опыт.
Ученик. Эрстед в своей работе сделал следующий вывод: «Действия, которые происходят в этом проводнике и в окружающем его пространстве, мы назовем электрическим конфликтом… Электрический конфликт, по – видимому… имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки» [5]. Под «электрическим конфликтом» в сочинении Эрстеда понимается электрический ток и связанное с ним магнитное поле.
Учитель. А какие отклики были в научном мире на работу Эрстеда?
Ученик. Открытие Эрстеда вызвало широкий резонанс в научном мире. Ампер так писал об этом: «Датский физик, профессор, своим великим открытием проложил физикам новый путь исследований. Эти исследования не остались бесплодными; они привлекли к открытию множества фактов, достойных внимания всех, кто интересуется прогрессом».
Учитель. Спасибо вам ребята, а мы продолжаем наше путешествие (звучит музыка Баха).
Третья остановка – Франция, 1820 – 1826 гг
Учитель. Араго, знакомясь с работой Эрстеда, очевидно, как и другие, понимал ее несколько поверхностный и поспешный характер. Как секретарь академии Араго, вероятно, прикидывал, кто же из его коллег внесет в это дело свой вклад. Но он, видимо, не предполагал, что всего лишь через несколько дней после рождения электромагнетизма станет свидетелем появления нового раздела физики – электродинамики и что творцом ее станет Ампер.
Третья группа ребят была отправлена во Францию с заданием, узнать как можно больше об Андре Ампере и его открытиях.
Мини-сообщение 3-й группы обучающихся:
Мы узнали, что Андре-Мари Ампер родился 22 января 1775 года, в семье лионского коммерсанта. Отец его имел хорошую библиотеку, и еще 14 – летним мальчиком Ампер прочитал с большим увлечением все 20 томов знаменитой энциклопедии Дидро и Даламбера. Когда библиотека отца была исчерпана, Ампер стал ездить в городскую библиотеку, чтобы изучать труды великих ученых. В течение нескольких недель он освоил латинский язык, чтобы читать произведения в подлинниках. Впоследствии он в совершенстве овладел греческим и итальянским языками. Ампер увлеченно изучал математику и естественные науки по трудам Эйлера, Бернулли и других ученых.
Но жизнь его была тяжелой, его все время преследовали несчастья: казнь отца, потеря первой жены, неудачный второй брак, несложившаяся жизнь сына, смерть матери.
25 сентября 1820 года 45-летний Ампер, поднявшись на кафедру академии (в Париже) демонстрирует взаимодействие спиралевидных и прямых токов. А так же формулирует никому до сих пор не известный закон: «Два электрических тока притягиваются, когда они идут параллельно в одном направлении; они отталкиваются, когда идут в противоположных направлениях»[3]. Еще не успевает пройти изумление аудитории, а Ампер продолжает: «Все явления, которые представляют взаимодействие тока и магнита, открытые Эрстедом, входят как частный случай в законы притяжения электрических токов»[3]. Так было сделано новое великое открытие.
Ампер так же обнаружил, что катушка с током эквивалентна магниту и выдвинул гипотезу об электрической природе магнетизма разных веществ, объясняя магнитные свойства вещества намагничиванием круговых токов в нем.
Карточка для ассистента-экспериментатора №2.
Задание. Собрать установку для изучения движения проводника с током в магнитном поле и повторить опыт Ампера.
Оборудование. Источник тока, катушка – моток, магнит дугообразный, ключ, штатив, соединительные провода.
Указания.
- Собрать электрическую цепь для изучения движения проводника с током в магнитном поле.
- Поднести дугообразный магнит к катушке и замкнуть цепь. В какую сторону отклонилась катушка с током?
- Повторить опыт, изменив направление тока в цепи. Для этого поменяйте местами концы проводов, подключенных к источнику тока. Зависит ли направление силы, действующей на проводник с током, от направления тока?
- Поменяйте местами полюсы магнита, не изменяя направление тока в цепи. Зависит ли направление силы, действующей на проводник с током от направления магнитных линий магнитного поля?
- Сделайте вывод.
Ассистент-экспериментатор проводит опыт.
Ученик. Ампер в работе «О взаимодействии между электрическим проводником и магнитом» писал: «В зависимости от направления, в котором пропускают ток через такую спираль, она действительно с силой притягивается или отталкивается полюсом магнита, который подносят к ней таким образом, чтобы направление его оси было перпендикулярно к плоскости спирали. Притяжение или отталкивание зависит от того, направлены ли электрические токи спирали и магнитного полюса одинаково или противоположно» [5].
Ученик. Работа Ампера над созданием электродинамики продолжалась вплоть до 1826 года, когда вышел в свет его основной. Обобщающий все опыты труд под названием «Теория электродинамических явлений, выведенная из опытов». В этой работе Ампером была разработана не только качественная теория, но и количественный закон для силы взаимодействия токов. Это один из основополагающих законов электродинамики, из которого вытекает целый ряд следствий.
Учитель. А как научный мир встретил открытие Ампера?
Ученик. Пожалуй, наиболее емкую и точную характеристику открытий Ампера дал основоположник теории электромагнитного поля Максвелл: «Исследования Ампера, в которых он установил законы механического взаимодействия электрических токов, принадлежат к числу самых блестящих работ, которые были проведены когда – либо в науке. Теория и опыт как будто в полной силе и законченности вылились сразу из головы этого «Ньютона электричества». Его сочинение совершенно по форме, не досягаемо по точности выражений, и, в конечном счете, приводит к одной формуле, из которой можно вывести все явления, представленные электричеством и которая навсегда останется основной формулой электродинамики» [3].
Учитель. Трудно представить себе более высокую оценку, чем та которую дал английский физик своему французскому коллеге. Спасибо вам ребята, а мы продолжаем наше путешествие (звучит музыка Баха).
Четвертая остановка – Англия, 1831 г.
Учитель. Последний, переломный этап классической физики связан с именем Майкла Фарадея. В истории естествознания это был период возникновения нового метода, нового подхода к явлениям природы. Если господствующей методологией в естествознании 18 века был метафизический материализм, расчленяющий мир на отдельные, несвязанные области, то открытия физики 19 века привели к необходимости отказа от этого подхода. И привели к идее всеобщей связи явлений материального мира. К деятелям нового типа, стихийно использующим идею всеобщей связи явлений, принадлежал и М. Фарадей.
Мини-сообщение 4-й группы обучающихся:
Так же как Эрстед, английский физик Майкл Фарадей верил, что между «силами» природы должна существовать связь. Зная об исследованиях Ампера, который показал, что электрические явления порождают магнитные, он пришел к мысли о том, что должно существовать и обратное явление. Фарадей сделал такую запись в своей записной книжке: «превратить магнетизм в электричество». С решением этой задачи была, по существу, связана вся его дальнейшая жизнь.
Он ставит множество опытов, ведет педантичные записи каждого эксперимента, каждой мысли. О громадной работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф «Дневника» был записан под номером 16041!
Но вот упорный, 10 летний, труд Фарадея вознагражден: 17 октября 1831 года триумфальный эксперимент – открыто явление электромагнитной индукции. Это был хорошо подготовленный и продуманный опыт. Вот как об этом писал сам Фарадей: «Я взял цилиндрический магнитный брусок и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки, соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался. Это значит, что электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое» [3].
Карточка для ассистента-экспериментатора №3.
Задание. Собрать установку и повторить опыт М. Фарадея по обнаружению явления электромагнитной индукции.
Оборудование. Гальванометр, катушка, полосовой магнит, соединительные провода.
Указания.
1. Собрать электрическую цепь, руководствуясь описанием опыта из работы М. Фарадея [3]: «Я взял … магнитный брусок и … спираль, соединенную с гальванометром».
2. Провести опыт проделав те же действия, что и М. Фарадей:
а) Ввести магнит в катушку. Что происходит со стрелкой
гальванометра?
б) Удалить магнит из катушки. Что происходит со стрелкой
гальванометра?
3. Сформулировать вывод, который сделал Фарадей.
Ассистент-экспериментатор проводит опыт.
Ученик. Вслед за открытием электромагнитной индукции Фарадей проверяет новую идею. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то видимо движение проводника относительно магнита должно приводить к тому же следствию. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, обеспечив непрерывное относительное движение проводника и магнита.
Одним из первых, кто по достоинству оценил Фарадея и его открытие, был Максвелл. Он писал: «…Фарадей является и навсегда останется творцом того общего учения об электромагнетизме, которое рассматривает с единой точки зрения все явления, изучавшиеся прежде в отдельности, не говоря уже о тех явлениях, которые открыл сам Фарадей, следуя своему убеждению о единстве науки»[3].
Учитель. Спасибо вам ребята. Максвелл не только оценил, но и дальше развил идеи Фарадея: в 1865 году им была создана теория электромагнитного поля. А теперь, предлагаю корреспондентам, сопровождающих нас в путешествии, зачитать свои путевые заметки.
Карточка корреспондента-журналиста.
1. Ведя в каждом пункте маршрута запись «впечатлений», придерживайтесь таких двух схем:
а) где – когда – кто – что открыл;
б) вопрос (научная задача) – опыт – вывод – новый вопрос.
2. Готовя свой «репортаж» с маршрута, постарайтесь раскрыть хотя бы один из перечисленных вопросов:
а) Ради чего ученый занимался своими исследованиями?
б) Какие последствия для человечества имело это открытие?
в) Какова связь данного открытия с предшествующими ему
научными достижениями?
Отчет корреспондентов-журналистов:
В 1808 году во Франции Доменик Француа Араго собрал множество фактов о перемагничивании стрелок компасов на суше и на море. Араго чувствовал, что находится на пороге открытия. Но…открытие не состоялось.
В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед издает брошюру «Опыты относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку», где описывает свое знаменитое открытие, которое устанавливает связь между электричеством и магнетизмом. Открытие Эрстеда вызвало широкий резонанс в научном мире. Ампер писал: «Эти исследования не остались бесплодными, они привлекли к открытию множество фактов».
1820– 1826 гг. Ученый Андре Мари Ампер установил, что электрические токи взаимодействуют и высказал гипотезу, что это связано с магнитными явлениями. Он обнаружил, что катушка с током эквивалентна магниту и выдвинул так же гипотезу об электрической природе магнетизма разных веществ, объясняя магнитные свойства вещества наличием круговых токов в нем. Открыл, что катушка с током является эквивалентом постоянного магнита.
Майкл Фарадей прочитав статью Эрстеда поставил перед собой цель «превратить магнетизм в электричество». Сотни опытов последовали за этим. Результат был получен лишь в 1831 году. Одним из первых кто оценил работы Фарадея, был Максвелл. Он назвал его «творцом учения об электромагнетизме».
Максвелл не только оценил, но и дальше развил идеи Фарадея: в 1865 году им была создана теория электромагнитного поля.
Учитель. Сегодня мы с вами познакомились с учеными 19 века и ознакомились с опытами и открытиями в области магнетизма. В этой области работала плеяда ученых из разных стран. И наука рождалась их совместными усилиями. Без них невозможны были бы следующие открытия.
Литература
- Карцев В.П. Приключение великих уравнений – Москва: Знание, 1978 – с.224
- Голин Г.М., Филонович С.Р. Классики физической науки. – М.: Высшая школа, 1989 – 576 с.
- Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов. – М.: Просвещение, 1987 – 256 с.
- Блудов М.И. Беседы по физике. Ч. 2. Изд. 3-е, переработ. – М.: Просвещение, 1985 – 207 с.
- Под ред. Б.И. Спасского. Хрестоматия по физике. – М.: Просвещение,1987 – 288 с.
- Импульс. Альманах для учителей, преподающих физику. Выпуск 1 «Нетрадиционные уроки» Ассоциация учителей физики 1993.