АКТИВИЗАЦИЯ УЧЕБНО-ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ПРОЦЕССЕ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ В ОБЩЕМ КУРСЕ ФИЗИКИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ НЕФИЗИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ В ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЯХ

Дембицкая София Витальевна, кандидат педагогических наук, доцент, Винницкий национальный технический университет, Винница (Украина)

Кузьменко Ольга Степановна, кандидат педагогических наук, доцент, Кировоградская летная академия Национального авиационного университета, Кировоград (Украина)

В статье рассматривается целесообразность внедрения методики обучения общего курса физики в процессе изучения фундаментального понятия симметрии в высших учебных заведениях для студентов нефизических специальностей, что позволяет активизировать познавательную деятельность студентов в процессе изучения физики.

Ключевые слова: общий курс физики; симметрия; электродинамика; оборотность процессов; активизация учебно-познавательной деятельности.

In the article expedience of introduction of method of teaching of flat rate of physics is examined in the process of study of fundamental concept of symmetry in higher educational establishments for the students of unphysical specialities, that allows to activate cognitive searching activity of students in the process of study of physics.

Keywords: general course of physics; symmetry; electrodynamics; circulating of processes; intensification of educational and informative activities.

Введение. Фундаментальная теоретическая и практическая подготовка расширяет профессиональный кругозор студентов, позволяет целостно видеть любую учебную или научную проблему, находить ее оптимальное решение. Обстоятельные знания из теории обучения физики помогают студенту определять стратегию и тактику практических действий при решении профессиональных заданий, переводить теоретические идеи в плоскость практических действий, вооружают эффективными способами самоподготовки и самоконтроля в учебном процессе.

Однако в современных условиях сокращения аудиторных часов и увеличение объема самостоятельной работы студента решающую роль для обеспечения качества учебного процесса, по нашему мнению, имеет именно активизация учебно-познавательной деятельности студентов.

В связи с этим возникает проблема разработки методики обучения общего курса физики для высших учебных заведений, в которой фундаментальные физические понятия, в частности симметрия, занимали бы в учебном процессе по физике важное место в разных физических теориях.

Фундаментальное понятие (от лат. fundamentum – основа) – категория науки, которая доказана экспериментально и теоретически, и на основании которой развиваются новые направления в науке, в частности в физике [1].

Понятия симметрии рассматривались в работах B.С. Готта, Ф.М. Землянского, мировоззренческие вопросы в контексте теории симметрии рассмотрены Р.М. Ганиевим [2]. Проблеме симметрии в физике посвященные работы Дж. Эллиота, П. Добера [3]. Дж. Бирман [4] рассматривал пространственную симметрию и оптические свойства твердых тел. Г.Л. Бир и Г.Е. Пикус осветили в монографии [5] симметрию в деформационных эффектах в полупроводниках. Е. Вигнер отмечал в своих работах важнейшие проблемы философского и естественно научного характеру, связанные с симметрией и теорию групп [6; 7]. М.И. Садовый [8] рассматривал симметрии элементарных частиц.

Цель статьи заключается в раскрытии особенностей изучения электродинамики с использованием фундаментального понятия – симметрии при изучении общего курса физики студентами нефизических специальностей для активизации учебно-познавательной деятельности.

В разделе «Основы электродинамики» изучается самый распространенный тип взаимодействия между телами и частицами. Важным результатом этого изучения является установление существования двух взаимосвязанных и взаимопревращаемых видов материи – вещества и поля. Но физические поля, в том числе электрическое и магнитное поля – это особенные поля. Это – новый вид материи, с которым студенты встречались, еще при изучении физики в 7 классе средней школы.

Главное задание раздела – сформулировать четкие представления об электрическом и магнитном поле как виде материи, и их взаимосвязи. Изучение электромагнитного поля начинается с самого простого его вида – электростатического поля. Источником этого поля являются заряженные тела. Основные характеристики которого – напряженность, потенциал, плотность энергии, определяются распределением заряженных тел, а также средой, в которой создается поле. Для установления такой связи между распределением зарядов и характером полей мы будем пользоваться положением учения о симметрии.

Для установления симметрии поля неподвижных зарядов пользуются графическим описанием поля (линии напряженности, эквипотенциальные поверхности). Предварительно объясняют студентам, что картина поля, его симметрия определяется такими факторами: 1) величинами и взаимным размещением зарядов; 2) свойствами среды, в которой создается поле.

Потом формулируем принцип симметрии для электростатического поля: совокупность элементов симметрии электростатического поля обязательно включает в себя те общие элементы симметрии, которые имеют отдельно система зарядов и среда. Эта симметрия поля – минимальная.

Воспользовавшись понятиям теории множественных чисел, показываем переход от симметрии причин к симметрии последствий. Когда множественное число элементов симметрии системы зарядов есть Мз, а множественное число элементов симметрии среды есть Мс, то множественное число элементов симметрии электростатического поля этой системы зарядов является перерезом этих двух множеств, то есть МП=Мс∩Мз. Геометрически этот факт можно изобразить диаграммой Эйлера (рис.1).

Диаграмма ЭйлераРис. 1 Диаграмма Эйлера

Теперь рассматриваем поля простых систем электрических зарядов.

Точечный заряд. Этот заряд имеет такие элементы симметрии: центр симметрии, множество осей и плоскостей симметрии. Среда однородна, а потому в нем все направления симметричны.

Такая среда имеет те же множественные элементы симметрии. Поэтому среда не изменяет симметрию заряда. Следовательно, поле точечного заряда имеет следующие элементы симметрии (рис. 2, а): центр симметрии (совпадает с зарядом), бесконечное количество осей бесконечного порядка (пересекаются в центре), множество плоскостей симметрии (пересекаются в центре). Такое поле называется центрально симметричным.

Подводим итоги: 1) линии напряженности начинаются или заканчиваются на точечном заряде, потому что иначе он не будет центром симметрии; 2) напряженность поля в произвольной точке направлена к заряду или от него из тех же причин (рис. 2, б); 3) заряд – центр симметрии поля. Поэтому в точках, которые лежат на одинаковом расстоянии от заряда, величина напряженности и потенциала одинакова, потому что эти точки физически симметричны.

Элементы симметрии электростатического поля

Рис.2. Элементы симметрии электростатического поля

Два точечных заряда. Студенты легко делают выводы, что при внесении в поле данного заряда другого точечного заряда симметрия этого поля нарушается. Такая система вообще не имеет центра симметрии. Она имеет ось симметрии бесконечного порядка, то есть наблюдается коническая симметрия. Далее устанавливают свойства поля такой системы.

Однородное электрическое поле – это поле, что создается между двумя бесконечными параллельными металлическими пластинками, которые заряжены равными по величине разноименными зарядами. Студенты самостоятельно устанавливают, что эта система зарядов имеет: 1) ось симметрии бесконечного порядка, перпендикулярную к плоскости поверхности пластинки; 2) множество плоскостей симметрии, которые проходят через эту ось; 3) пластинки безграничны, поэтому осей симметрии множество и все они параллельны между собой. Отсюда получаем выводы о свойствах однородного электростатического поля, определяем направление линий напряженности поля, их плотность, величину напряженности поля в каждой точке.

Поле заряженного металлического шара или равномерно заряженного диэлектрического шара. Сначала определяем симметрию зарядов данной системы. Потом определяем симметрию поля, по ней определяется картина поля, это поле сравнивается с полем точечного заряда, величина и знак которого совпадает с величиной и знаком заряда шара. Соответственно в области вне шара эти поля полностью совпадают, так как здесь симметрия полей одинакова. Отсюда получается формула для вычисления напряженности поля металлического заряженного шара или произвольного шара, заряженного равномерно.

Равномерно заряжена бесконечная тонкая пластинка. Поле этой системы зарядов изучается по той же схеме, что и раньше рассмотренные поля. Студенты это изучение проводят самостоятельно, делают на основании ранее указанного выводы о свойствах поля такой плоскости.

Все особенности симметрии полей разных систем зарядов, о которых шла речь выше, можно проиллюстрировать на примере спектров электрических полей.

Для глубокого изучения электрического и магнитного полей пользуемся методом сравнения их свойств. Определяя общие черты и выделяя разные стороны этих полей, у студентов формируется способность к сравнению, которое является важной операцией мышления.

Изучая тему «Магнитное поле» ставим цель: сформировать у студентов четкие представления о природе магнитного поля, о том, что магнитное поле может создаваться подвижными электрическими зарядами, ввести характеристики магнитного поля. Хотя магнитное поле может существовать самостоятельно, все же следует обратить внимание, что электрический ток – причина, а магнитное поле – следствие.

Потом формулируем принцип симметрии – это совокупность общих элементов симметрии системы проводников с током. Изучение симметрии магнитного поля начинаем изучать с однородного поля (рассматривается поле цепного тока в его центре). Следует показать спектр этого поля и нарисовать картину линий магнитной индукции. Потом устанавливаем основные элементы симметрии поля этого тока, исходя из принципа симметрии: 1) ось симметрии бесконечного порядка, который совпадает с осью кольца; 2) плоскость симметрии, которая проходит через цепной ток; 3) центр симметрии – центр цепного тока.

Следует обратить внимание на то, что плоскостей симметрии, которые проходят через ось, не существует. Это обусловлено тем, что таких плоскостей симметрии не имеет цепной ток, потому что он течет в определенном направлении.

Демонстрируя спектр поля соленоида с током, определяем симметрию однородного магнитного поля (это поле имеет такую же симметрию, как и поле цепного тока). Обращаем внимание студентов на то, что наличие перпендикулярной к индукции поля плоскости симметрии – это особенность магнитного поля.

Объясняем эту особенность магнитного поля тем, что оно создается цепными токами, которые имеют такую плоскость симметрии. Индукция магнитного поля – аксиальный вектор, направление которого определяется по договоренности.

После того, как будет рассмотренная гипотеза Ампера о цепных молекулярных токах, сопоставляем еще раз свойства электрического и магнитного полей, а также их отличия. Эти силовые поля передают силовое взаимодействие между электрическими зарядами. Их силовые характеристики – векторы индуктивности магнитного поля и электрической напряженности.

Линии напряженности электрического поля начинаются и заканчиваются на зарядах, иногда идут на бесконечность. Линии индукции магнитного поля – замкнуты. Это потому, что первое поле статическое, а второе динамическое.

Поля отличаются симметриями. Для показа этой разницы рассматриваем поля цилиндрического магнита и цилиндрического поляризуемого диэлектрика. Следует показать, что цилиндровый магнит вместе с полем, которое его окружает, имеет симметрию оборотного цилиндра. Цилиндровый поляризуемый диэлектрик, вместе с полем, которое его окружает, имеет симметрию неподвижного конуса.

Студенты убеждаются, что магнитное поле не имеет продольных плоскостей симметрии, зато имеет поперечную плоскость симметрии.

Электростатическое поле не имеет поперечной плоскости, зато имеет множество продольных плоскостей симметрии.

Особенное внимание следует обратить на то, что замкнутые токи на обоих полюсах магнита текут в одинаковом направлении, только наблюдаются они из разных сторон. После этого подводим студентов к выводу, что вращение электрических зарядов есть одновременно как правым, так и левым, то есть правое вращение такое же как и левое, и наоборот.

Студенты убеждаются в том, что северный полюс магнита нельзя отличить от южного и наоборот, что эти полюса отделить один от другого нельзя, а потому никаких магнитных полюсов, магнитных масс нет. Магнитное поле создается только подвижными электрическими зарядами и переменным электрическим полем.

В процессе повторения учебного материала рассматриваем связь и схожесть магнитных и электрических полей. Напоминаем студентам, что закон индукции Фарадея показывает связь между переменным электрическим полем и переменным магнитным, причем первое является следствием, а второе – причиной.

Такая связь является односторонней. Для устранения этой асимметрии между полями Максвелл сформулировал закон магнитоэлектрической индукции: всякое переменное во времени электрическое поле создает в окружающем пространстве магнитное поле.

Сравниваем оба закона индукции, указывая на наличие симметрии связи между полями. Обращаем внимание на типы симметрии этой связи: каждый из двух законов индукции является зеркальным сохранением другого с одновременной заменой электрического поля на магнитное и наоборот. Например, при зеркальном отражении «левый винт» закона Фарадея переходит в «правый винт» закона Максвелла. Эта симметрия свидетельствует и о том, что в действительности существует единственное электромагнитное поле.

Далее изучаем принцип оборотности. Для этого показываем, что движение заряда в электрическом поле является оборотным движением, потому что сила, которая действует на заряд в этом поле, не изменяется при замене знака времени. Изучая движение зарядов в магнитном поле, показываем, что уравнение движения не изменяется. Нужно лишь подчеркнуть, что при выполнении этого превращения одночасовой изменяется направление скорости движения частиц, а также направление индукции магнитного поля. Делаем вывод, что с помощью электрического и магнитного полей нельзя определить знак времени, то есть рассматривается Т-симметрия.

Вывод. Таким образом, пути повышения качества знаний по физике мы видим в разработке и внедрении педагогических технологий и активизации учебно-познавательной деятельности, что должно найти свое отражение в учебных планах, программах и учебниках. Учебно-педагогический процесс должен содержать в первую очередь проблемность структуры учебной информации по физике. Целесообразность подчинения содержания учебного материала по общему курсу физики базируется на фундаментальных понятиях, одним из которых есть симметрия. Соответственно ознакомление и изучение студентами данного понятия будет способствовать формированию современного научного мышления, а также будет обеспечивать систематизацию знаний из общего курса физики в ВУЗЕ и формированию научного мировоззрения.

Перспективы последующих поисков в направлении исследования заключаются в детальном анализе понятия симметрии в процессе изучения общего курса физики студентами в высших учебных заведениях и разработке методики обучения общего курса физики с использованием данного понятия.

Список использованных источников

  1. Кульчицький В.І. Формування фундаментальних фізичних понять в учнів профільних класів у процесі вивчення електродинаміки: автореф. дис. … канд. пед. наук. Київ, 2010. 20 с.
  2. Ганиев Р.М. Групповая симметрия в множестве мировоззренческих высказываний. Владикавказ: Северо-Осетинский гос. ун-т им. К.Л.Хетагурова, 2001. 108 с.
  3. Элиот Дж. П. Добер Симметрия в физике. Соч. в 2-х т. Т.1. М., 1983. 364 с.
  4. Бирман Дж. Пространственная симметрия и оптические свойства твердых тел. Соч. в 2-х т. Т.1.М.: Наука, 1978. 387 с.
  5. Бир Г.Л. Пикус Г.Е. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках: Монография. М.: Наука, 1972. 584 с.
  6. Вигнер Е. Этюды о симметрии. М.: МИР,1971. 318с.
  7. Вигнер Е. Теория групп и ее приложения к квантово- механической теории атомных спектров. М.: Иностр. лит-ра, 1961. 132 с.
  8. Садовий М.І. Трифонова О.М. Окремі питання сучасної та традиційної фізики: Навч. пос. для студентів педагогічних навчальних закладів освіти. Кіровоград: В-во ПП «Каліч О.Г.», 2007. 307 с.

 

Post a comment

Book your tickets