WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 8 | 9 || 11 | 12 |   ...   | 15 |

Лабораторный практикум, понимаемый как иллюстрация лекционного курса, не может добавить реальных штрихов к рисуемой в теории электродинамической картины мира, у студентов легко утрачивается представление о том, каким образом создавалась эта картина и какие усилия потребовались для ее создания. Вследствие этого студенты не готовы к анализу реальных ситуаций, предлагаемых им в задачах на практических занятиях. Они достаточно быстро обнаруживают, что лабораторная практика с ее многочисленными источниками ошибок зачастую находится в противоречии с соотношениями, разработанными в теории.

Таблица Содержание тем практических занятий № Кол-во часов Содержание п/п 12 1. Закон Кулона.2. Напряженность электрического поля.3. Теорема Гаусса.4. Потенциал электрического поля.5. Проводники в электрическом поле.6. Конденсаторы.7. Диэлектрики в электрическом поле.8. Энергия электростатического поля.9. Основные законы постоянного тока.10. Электрический ток в различных средах.11. Однородные и неоднородные участки электрической цепи постоянного тока.

12. Работа и мощность в цепях постоянного тока.13. Правила Кирхгофа.14. Контрольная работа.15. Взаимодействие движущихся электрических зарядов.16. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции.17. Магнитное поле в магнетиках.12 18. Электромагнитная индукция. Закон Фарадея.19. Самоиндукция. Индуктивность.20. Переходные процессы в цепях с постоянной ЭДС.21. Метод векторных диаграмм.22. Символьный метод расчета цепей синусоидального тока.23. Контрольная работа.Чтобы добиться осознания студентами принципиальной важности введения модельных представлений, понимания их ограниченности, необходимо в центр внимания физического практикума поставить анализ причины различия экспериментальных результатов и выводов теории.

При выполнении физпрактикума студент должен исследовать реальные явления и объекты, на модели которых распространяются законы электродинамики. При таком проведении практикума у студентов вырабатывается умение оценивать и располагать влияющие на результаты эксперимента факторы по степени их важности.

3.5. Методологические знания Система методологических знаний и умений студентов при изучении классической электродинамики объединяется вокруг следующих компонент учебного материала:

1) методы экспериментального познания электромагнитных явлений, научный эксперимент в электродинамике;

2) теории и методы теоретического познания электромагнитных явлений;

3) стержневые методологические идеи, принципы классической электродинамики;

4) основные закономерности развития электродинамики как учения об электромагнитном взаимодействии.

Все фундаментальные физические теории разделяют на две группы — динамические и статистические теории. В динамических теориях величины подчиняются однозначным (динамическим) закономерностям; статистические теории основаны на вероятностных (статических) закономерностях. К динамическим теориям относятся классическая механика (она была создана в XVII-XVIII вв.), механика сплошных сред, т.е. гидродинамика (XVIII в.) и теория упругости (начало XIX в.), феноменологическая термодинамика (XIX в.), классическая электродинамика, включая волновую оптику (XIX в.), специальная и общая теория относительности (начало XX в.).

В этих теориях состояние физического объекта (системы) однозначно определяется заданием точных значений тех или иных величин. В классической механике, например, состояние системы задается значениями координат и проекций скоростей частиц. В механике сплошных сред вместо набора координат и скоростей частиц используют функции, описывающие распределение в пространстве определенных величин — плотности, давления, скорости и др. В термодинамике состояние системы описывают термодинамические параметры — объем, температура, давление и др. В электродинамике рассматриваются напряженности и индукции электрического и магнитного полей.

Во всех динамических теориях величины, определяющие состояние системы, являются непрерывными функциями пространственных координат и времени. Существенно, что знание значений этих величин в начальный момент времени позволяет, в принципе, однозначно определить значения величин в любой последующий момент. Почти все фундаментальные динамические системы были созданы в XVIIIXIX вв.; с ними связано становление физики как науки, охватывающей широкий круг явлений — механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических. Из динамических теорий лишь теория относительности создана в XX в. После ее создания в самом начале века новые динамические теории не появлялись.

Первая статистическая физическая теория — статистическая механика — возникла во второй половине XIX в. на основе фундаментальных работ Максвелла и Больцмана. Применение этой теории к тепловым процессам позволяет объяснить важнейшие положения феноменологической термодинамики.

На рубеже XIX и XX в. Лоренц заложил основы электронной теории вещества — микроскопической электродинамики. Это означало, что статистические методы начали распространяться на электрические и магнитные явления. В основе статистической механики лежало предположение, что вещество имеет дискретную структуру — состоит из молекул (во второй половине XIX в. это было далеко не общепризнанным); микроскопическая электродинамика основывалась на предположении о дискретности электрических зарядов.

В рамках микроскопической электродинамики объяснялись учения о теплоте и электромагнетизме. Это позволило П.Ланжевену (1872—1946) построить в 1905 г. теорию парамагнетизма вещества.

В 1910 г. Эйнштейн создал теорию рассеяния света на микроскопических неоднородностях среды, обусловленных флуктуациями ее плотности; тем самым получили объяснение явления голубого цвета неба и красного цвета заходящего солнца.

Квантовая механика явилась решающим аргументом в пользу фундаментальности статистических закономерностей.

Современная концепция, утверждающая примат статистических закономерностей, была выдвинута Бором, Гейзенбергом, Борном, Ланжевеном и др.

Из фундаментальных статистических теорий, базирующихся на основе квантовой механики, отметим квантовую электродинамику, теорию слабых взаимодействий, квантовую хромодинамику. Более глубокое проникновение в сущность материи потребовало перехода от динамических теорий к статическим.

Некоторые из статических теорий возникли как своеобразные аналоги созданных ранее динамических теорий; можно сказать, что они создавались на базе соответствующих динамических теорий (статистическая механика на базе классической, микроскопическая электродинамика на базе электродинамики Максвелла). Однако большинство статических теорий с самого начала развивались как именно статистические; для них аналогия с динамическими теориями в принципе невозможна.

Итак, даже самый общий взгляд на историю возникновения фундаментальных физических теорий позволяет сделать вывод, что динамические теории соответствовали первому этапу в процессе познания, тогда как на следующем этапе главную роль стали играть статистические теории.

Отсюда видно, что вероятностные закономерности являются более глубокими, более фундаментальными по сравнению с динамическими.

На рис. 24 и в табл. 6, 7 мы представили фундаментальные и частные теории электродинамики. Концептуальные (или идеальные, теоретические) модели для одного и того же реального объекта могут быть различными (в разных физических теориях). Например, электромагнитное поле может быть представлено и как некоторая непрерывная среда (наподобие эфира), и как совокупность силовых линий (у Фарадея), и как совокупность волн, и как совокупность осцилляторов. Все это будут разные модели одного и того же реального объекта.

Фундаментальные физические теории электродинамики Cтатистическая Динамическая теория теория Электронная Теория теория строения электромагнитного вещества Лоренца поля Максвелла МикроскопичесМакроскопическая теория кая теория Электродинамика Максвелла-Лоренца Рис. Таблица Фундаментальные теории электродинамики Теория Электронная теория Название теории электромагнитного поля строения вещества Макроскопическая Микроскопическая Характеристики теории динамическая статистическая Имя ученого, разработавМаксвелл Лоренц шего теорию Время возникновения и XVIII-XIX вв. На рубеже XIX-XX вв.

развития теории (1860-1865) (1880-1909) Таблица Частные теории электродинамики Название Классическая Теория маг- Теория Теория диа- Теория Теория теории электронная нетизма потенциа- и ферро- антиферротеория (теория кру- ла парамагне- магнетизма магнетизма металлов говых элект- тизма (теория рических мопроводимости) лекулярных токов) Характе- Микроскопи- Микроскопи- Макрос- Микроскопи- Микроско- Микроскопиристики ческая ческая копичес- ческая пическая ческая теории кая статистическая Имя Друде, Дж. Дж. Ампер Гаусс Ланжевен Вейс Неель ученого, Томсон разрабо- (независимо тавшего друг от друга) теорию Время 1900 г. 1820 г. 1839 г. 1905 г. 1907 г. 1930 г.

возникновения теории В физике твердого тела до сих пор находит применение модель проводимости металлов, предложенная Друде в начале XX столетия. Эта модель была разработана Друде спустя три года после открытия в 1897 г. Томсоном электрона. Она часто используется, поскольку позволяет быстро построить наглядную картину и получить грубые оценки характеристик, более точное определение которых могло бы потребовать более сложного анализа.

3.6. Исторический материал при изучении классической электродинамики Исторические сведения о теории Х.А. Лоренца Джеймс Клерк Максвелл в 50-е годы XIX века объединил явления электричества, магнетизма и света, создав теорию электромагнитного поля. Так возник новый раздел физики, получивший название электродинамики.

Идеи Максвелла были развиты нидерландским физикомтеоретиком Хендриком Антоном Лоренцом. Объединив электромагнитную теорию Максвелла с представлениями об атомистическом характере электричества, он создал классическую электронную теорию. Электрические, магнитные и оптические явления Лоренц объяснял как движение дискретных электрических зарядов.

Основы электронной теории Лоренц заложил в 1880 году.

Окончательно она оформилась в 1909 году, после открытия электрона. Согласно этой теории, атомы состоят из электронов и положительно заряженных частиц, которые их нейтрализуют. При движении этих зарядов возникают электрические и магнитные поля. Исходя из этих представлений, Лоренц объяснил ряд электрических и оптических явлений и даже предсказал явления, которые тогда не наблюдались. В частности, он указал, что спектральные линии излучения (которое обусловлено движением электронов) должны расщепляться под действием электрических и магнитных полей, поскольку поля влияют на движение электронов.

Предсказание Лоренца было подтверждено в августе года его соотечественником, молодым нидерландским физиком Питером Зееманом.

В своем эксперименте Зееман поместил пламя газовой горелки между полюсами электромагнита. При добавлении обычной поваренной соли пламя окрашивалось в желтый цвет — спектральная линия излучения натрия. При включении магнитного поля спектральные линии расширялись в полном соответствии с теорией Лоренца. Это означало огромный успех теории Лоренца.

В этот же период времени Томсон исследовал катодные лучи, и данные, полученные им в опытах, никак не связанных с экспериментами Зеемана, послужили убедительным доказательством реального существования электронов.

Идея Лоренца и открытия Зеемана были шагом вперед в изучении теории излучения. Уже в 1902 году их работы получили признание Нобелевского комитета, принявшего решение о присуждении двум нидерландским ученым премии по физике.

Б. Исторические сведения об изучении магнитных явлений (теории магнетизма) В истории физики важное место занимают исследования магнетизма. Это известное с древнейших времен явление стало объектом научных экспериментов еще в XVII веке. За два последующих столетия явление магнетизма было изучено достаточно полно и всесторонне; в частности, была выявлена связь магнетизма и электричества. Полученные данные легли в основу созданной Максвеллом в 1865 г. теории электромагнитного поля. Новый этап в исследовании магнитных явлений связан с созданием в 1880 г. Х.А. Лоренцом электронной теории. На ее основе было предсказано и затем обнаружено явление расщепления спектральных линий в сильном магнитном поле.

Выделены три этапа в истории становления понятия электромагнитного поля: I — Фарадеевский; II — Максвелловский; III — Эйнштейновский.

В основу этой градации положены качественные скачки, связанные с изменением представлений о физической сущности электромагнитного поля. Этапы названы, соответственно, именами физиков, исследования которых привели к новым знаниям об электромагнитном поле.

Таблица Классификация исторических этапов становления понятия электромагнитного поля Физическая сущность Название Основное содержание этапа, обобщенные понятия поля этапа выводы начало этапа конец этапа 1. Экспериментальное обоснование взаимо- Поле как рас- Поле как посI связи и взаимообусловленности электри- четно-матема- редник взаимоФараде- ческих и магнитных явлений. тическая действия.

евский 2. Признание близкодействия. конструкция Атрибут эфира 3. Идея реального физического поля 1. Теоретическое доказательство реальности Поле как пос- Поле как чиссуществования динамического элекромаг- редник взаимо- тая непрерывII нитного поля, способного распространяться действия заря- ность, состояМаксвел- в виде волн. дов и токов ние эфира ловский 2. Поле связано с зарядом.

3. Характер движения заряда определяет проявления поля.

1. Электромагнитное поле существует как Состояние Поле – вид маединое в любой системе отсчета. эфира, его ат- терии, сущест2. Электрическое и магнитное поля, их рибут реально вует объективIII компоненты. Разделение поля на существую- но, непосреЭйнштейкомпоненты определяется условиями его щий. дственно взаиновский рассмотрения. модействует с 3. Эфира нет. Поле – не атрибут какой-либо веществом.

среды. Оно самостоятельно.

В результате анализа фундаментальных работ физиков, в первую очередь М.Фарадея, Д.К.Максвелла, А.Эйнштейна, философской литературы определено содержание понятия электромагнитного поля как вида материи, существующего в классической электродинамике, которое сводится к следующему:

а) в природе существует единое электромагнитное поле, и является оно таковым независимо от наблюдения его в каком-либо конкретном состоянии;

б) электрическое и магнитное поля — его компоненты, не представляющие собой независимых материальных сущностей;

в) поле — целостный материальный объект, обладающий сложной внутренней структурой: имеет компоненты, связи, свойства, характеристики; подчиняется законам и принципам природы;

Pages:     | 1 |   ...   | 8 | 9 || 11 | 12 |   ...   | 15 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.