Статья для учителей физики «Использование сведений из истории на уроках физики»

Изучение на уроках основополагающих открытий в физике немыслимо без исторического анализа событий, без рассмотрения жизни и деятельности выдающихся ученых. Как показывает опыт, если при объяснении учебного материала учитель обращается к событиям прошлых времен, судьбам крупнейших исследователей, то ученики с большим вниманием и интересом воспринимают его рассказ, а их знания становятся более глубокими и прочными.

Необходимый исторический материал может быть подан ученикам в самых разнообразных формах. Здесь и ознакомление школьников с идеями классиков в их современном толковании, и чтение фрагментов из первоисточников, и изучение принципа действия экспериментальных установок, с помощью которых были проведены фундаментальные исследования, и анализ творческого пути выдающегося ученого с современных позиций, и, наконец, экскурсии в музеи истории физики, политехнические музеи истории физики, политехнические музеи, физические кабинеты при университетах, на выставки.

Обратимся к разделу электромагнитных явлений и на примерах открытий Г.Х. Эрстеда и особенно М. Фарадея продемонстрируем возможную методику построения исторической части объясняемого материала.

1.Прежде чем приступить к изучению вопроса о магнитном поле тока, мы предварительно знакомим учеников с открытием Эрстеда и с той обстановкой, в которой оно произошло. Такое вступление не занимает много времени (5-7 минут), но помогает осознать школьникам органическую связь нового материала с предыдущим и настраивает их на глубокое изучение магнитных свойств электрического тока. Свое сообщение учитель строит так:

«До начала XIX в.среди учены существовало убеждение в том, что электрические явления в своей основе не связанны с магнитными. Однако, со временем стали обнаруживаться факты, противоречащие этому. Так, английский химик Х. Деви наблюдал смещение электрической дуги близи полюсов магнита, а французский физии Д.Ф. Араго - намагничивание железный частей кораблей и перемагничивание корабельных компасов, если в корабли попадала электрическая молния. Следовательно, связь между электричеством и магнетизмом все же существует и ее надо было только выявить в лабораторных условиях. Здесь удача сопутствовала датскому профессору химии Г.Х. Эрстеду. В феврале 1820г. он впервые наблюдал действие проводника с током на магнитную стрелку »

Затем мы показываем портрет Г.Х. Эрстеда, кратко освещаем основные этапы его жизни и деятельности и особо останавливаемся на его известном опыте, который воспроизводим перед учениками. После этого знакомим их со знаменитой статьей Эрстеда «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку», с тем чтобы осветить основные положения открытия Эрстеда. Делаем это так:

«Свое открытие Эрстед изложил на четырех страницах латинского текста в русском переводе их насчитывается шесть. Сейчас вы увидите эту статью, положившую начало целой серии крупных исследований в электромагнетизме»

Показываем статью и зачитываем те отрывки, в которых говорится :

• о создании электрическим током магнитного поля и действии его на магнитную стрелку.

(«…Магнитная стрелка отклоняется от своего положения равновесия под действием вольтаического аппарата и… этот эффект проявляется, когда контур замкнут….» [1, c. 433]);

• О передачи действия поля через различные материалы.

(«Действие соединительной проволоки на магнитную стрелку передается сквозь стекло, металлы, дерево, воду, смолу, гончарные сосуды и камни» [1, c. 435]);

• О том что магнитное поле по своей структуре является вихревым.

(«Кроме того, из сделанных наблюдений можно заключить, что этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки» [1, c. 438]);

Обращаем внимание на ошибочность утверждения датского ученого, будто магнитное поле тока наблюдается лишь при нагретом состоянии проводника [1, c. 434]. Опытом доказываем необязательность такого условия.

Фрагменты из сочинений подбираем так, чтобы без лишних слов передать ученикам самую суть открытия, встречающиеся непонятные термины комментируем. В данном случае мы объясним им, что «Вольтаический аппарат» - это обычный гальванический элемент, что термином «Конфликт» Эрстед назвал само явление возникновения магнитного поля тока, а термином «Вихрь» хотел указать на замкнутость его в отличие от электрического.

В заключение мы говорим, что открытие Г.Х. Эрстеда и последовавшие за ним исследования магнитного поля тока очень скоро нашли применение сначала в виде электромагнитов (Первый был сконструирован англичанином В Стэрдженом в 1825 г.), а затем и электродвигателей (Практически применимый был построен в 1834 г. русским ученым Б.С. Якоби). Эти изобретения явились основой развития радиотелефонии, приборостроения и промышленного электрооборудования.

Такое вступление к уроку о магнитном поле тока всегда увлекает учеников, возбуждает их интерес к физической стороне самого открытия и настраивает на сознательное восприятие опытов.

2. открытию явления электромагнитной индукции мы посвящаем целый урок с тем, чтобы подробно опираясь на исторические факты, познакомить учеников с фундаментальными опытами Фарадея, одновременно рассказав им о личности великого английского исследователя. Объяснение начинаем с характеристики той обстановки, в которой был сделано это открытие.

Как известно, заметное влияние на мировоззрение естествоиспытателей Европы в начале XIX в. Имела натурфилософия немецкого философа Ф.В.Й. Шеллинга, провозглашавшая иеди всеобщей связи, единства и развития. Поэтому свой рассказ мы начинаем так:

«Одновременно с обнаружением того факта, что электрический ток создает магнитное поле, возникало предположение о существовании в природе обратного явления: возможности с помощью магнитного поля воспроизвести электрический ток. Эта проблема была не только теоретической. В ее разрешении оказалась заинтересованной промышленность того времени, поскольку применявшиеся паровые машины уже не удовлетворяли требования жизни. Поэтому над проблемой работали многие ученые 30-х готов XIX в. И среди них Д.Ф. Араго, А.М. Ампер и Ж.Д. Колладон. Однако «превращение магнетизма в электричество» после десятилетних размышлений и опытов впервые удалось осуществить английскому ученому М. Фарадею, а затем американскому - Дж. Генри»

После этих слов мы рассказываем ребятам о жизненном и творческом пути М. Фарадея, его исследованиях по электромагнитной индукции. При этом останавливаемся на фактах, особенно убедительно характеризующих М.Фарадея как ученого и человека и требующих для своего изложения минимум времени, подробнее всего освещая период становления М. Фарадея как исследователя, поскольку это представляет для юных слушателей наибольший интерес (его работу учеником в переплетенной лавке, пристрастие к чтению, первые опыты, начало сотрудничество с Х. Деви)

Рассказываем о том, что серьезная самостоятельная исследовательская деятельность Фарадея началась, когда ему было 24 года. Она изобиловала выдающимися открытиями. Здесь работы по химии (получение бензола и бутилена, сжижение некоторых газов), по электричеству (осуществление вращение проводника с токов вокруг магнита, конструирование своеобразной модели первого электродвигателя изучения явления электромагнитной индукции, законов электролиза, открытие парамагнетизма и диамагнетизма, введения представлений о силовых линиях и трактовка понятия поля). Научные заслуги Фарадея были отмечены всеми академиями мира.

Обращаем внимание учащихся на душевные качества этого выдающегося ученого: Простоту и скромность к себе, поэтичность и в то же время рационализм, умение угадывать ей тайны, энтузиазм и неугасаемую веру в науку.

После того как учитель увидит, что ученики заинтересовались личностью Фарадея, его работами и, следовательно, настроились на знакомство с его идеями и открытиями он приступает к изложению опытов ученого по электромагнитной индукции. Мы это делаем следующим образом:

«Вот один из томов сочинений М.Фарадея, который, по существу, является его лабораторным дневником Он может рассказать нам о том, в каких условиях приходилось работать этому ученому (отсутствовали необходимые электроматериалы, измерительные проборы, многое приходилось изготовлять ему самому), о каждом шаге подготовки и выполнение опытов, последующих анализах полученных данных. В этом томе изложено самое крупное открытие прошлого века, положившее начало эпохе промышленного электричества, - явление электромагнитной индукции».

Далее читаем отрывок, рассказывающий об опыте 29 августа 1931 г. (кстати, вольный перевод этого фрагмента приведен в учебном пособии «Физика-9»):

«Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были проложены в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был везде устранен посредством шнурка. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая - с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин в четыре квадратных дюйма с двойными медными пластинами. При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей. Но в дальнейшем, при прохождении гальванического тока по одной из спиралей, не удавалось обнаружить отклонения гальванометра…»

После зачитывания этих строк ученикам, даем необходимые пояснения, чтобы они зримо представили себе опыт, о котором пишет ученый.

Далее объявляем ребятам, что сейчас мы до некоторой степени повторим знаменитый опыты Фарадея. Готовя эксперимент, обращаем внимание на те несущественные отличия от описанного опыта, которые имеются у нас (две катушки от универсального трансформатора, иной конструкции гальванометр, иные источники электроэнергии). Ставим опыт - ученики убеждаются в справедливости наблюдений Фарадея. (Заметим, что повторение опыта, выполненного когда-то Фарадеем, производит на учеников огромное впечатление.) Анализируем результаты выполненного эксперимента и выявляем условия возникновения электромагнитной индукции.

Сообщаем, что М. Фарадей в течение месяца произвел целый ряд опытов, желая выявить различные стороны наблюдаемого явления. Показываем фотографии знаменитых катушек Фарадея, описание которых имеется в книге. А затем выполняем опыт Фарадея с постоянным магнитом и даем ему объяснение. Устанавливаем, что если катушка пронизывается переменным магнитным полем, то в ней наводится э.д.с. индукции и появляется индукционный ток. Последним ставим опыт современного образца: в катушку от универсально трансформатора с сердечником внутри подаем переменный ток, на сердечник же надеваем проволочное кольцо с низковольтной лампочкой. Обращаем внимание учеников на то, что кольцо находится в переменном магнитном поле, следовательно, в замкнутом проводнике должен протекать индукционный ток, о чем и свидетельствует свечение лампочки. Так постепенно мы приводим учащихся к выводу: электрическое поле создается переменным магнитным полем. В этом заключается суть явления электромагнитной индукции.

В конце объяснения мы говорим ученикам, что открытие Фарадея явилось значительным и для промышленного производства, так как оно ускорило возникновение и развитие радиосвязи и электроэнергии. С этого периода в жизни человечества наступил век электричества. Сегодня мы не мыслим своего существования без электрических машин, преобразователи энергии, без радио и телевидения. А ведь в основе их работы лежит явление электромагнитной индукции!

Использовании сведений из истории науки позволяет эффективно решать многие задачи воспитательного и общеобразовательного характера: показать ученикам логическую последовательность изучаемого материала, необходимость и закономерность рождения того или иного открытия, познакомить школьников с жизнью и творческой деятельностью классиков науки. Все это развивает ученика трудолюбие и преданность избранному пути, целеустремленность и настойчивость, гражданственность и патриотизм. Когда выдающийся ученый со своими поступками и привычками, со своей судьбой как бы приходи из прошлого в сегодняшний день и через свои работы рассказывает о сделанных им открытиях, то все это оказывает на ребят огромное эмоциональное воздействие. Именно в такие моменты закладываются основы увлеченности и устойчивого интереса к физике.