Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

обзорные лекции / МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

.doc
Скачиваний:
80
Добавлен:
07.06.2015
Размер:
43.52 Кб
Скачать

26. Анализ научного содержания и методика изучения электромагнитных волн в курсе физики средней школы. Модель урока «Электромагнитные волны. Свойства электромагнитных волн»

I. Введение электромагнитных волн и их свойства.

При изучении электромагнитных волн в курсе физики средней школы рассматривается большой круг вопросов: электромагнитные волны и их свойства, вопросы радиосвязи, световые волны и электромагнитные излучения разных длин волн.

1. Изучение понятия электромагнитной волны начинается с рассмотрения взаимосвязи переменного электрического и переменного магнитного полей. Рекомендуется исторический подход к изучению этой темы: от гипотезы Максвелла о токах смещения к экспериментальному доказательству ее справедливости, теории Максвелла о едином электромагнитном поле, понятию электромагнитной волны, опытам Герца и, наконец, к физическим основам радиосвязи.

При изучении электромагнитных волн в средней школе не дается волновое уравнение и его решение. Не вводится квантовое число. Изучение электромагнитных волн проводится на качественном уровне. Школьникам приводятся основные выводы из теории Максвелла и экспериментальные факты. При объяснении материала следует подчеркнуть, что совпадение скорости электромагнитной волны со скоростью света дало возможность Максвеллу предположить, что свет имеет электромагнитную природу.

Для электромагнитных волн характерны те же свойства, что и для механических – отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Все они могут и должны быть продемонстрированы при изучении электромагнитных волн. Эти явления свойственны волнам любой природы, поэтому можно воспользоваться знаниями учащихся, полученными в базовом курсе физики при изучении механических волн. Если при изучении механических волн эти свойства были изучены достаточно подробно, то целесообразно лишь продемонстрировать их проявление. В противном случае следует записать условия максимума и минимума интерференционной картины, ввести понятие периода дифракционной решетки и записать связь между периодом дифракционной решетки и максимумами дифракционной картины. Введя понятие фазы, когерентности и разности хода двух волн, записывают условия максимума и минимума интерференционной картины:

Для максимумов ;

Для минимумов , где k= 0, 1, 2, ….

Выделяют наиболее важные моменты:

  1. Устойчивая картина интерференции будет в том случае, если а) частота источников одинакова; б) разность фаз между ними не изменяется во времени; в) интерферирующие волны одинаково поляризованы. Источники электромагнитных волн, удовлетворяющие этим условиям, называют когерентными.

  2. Полная энергия системы волн в отсутствии затухания должна в соответствии с законом сохранения энергии остаться неизменной. В интерференционной картине происходит лишь ее перераспределение в пространстве.

  3. Положение максимумов и минимумов в интерференционной картине зависит от частоты колебаний источников волн и расстояний между ними: при увеличении частоты колебаний источников волн максимумы сближаются, при уменьшении расстояния между источниками когерентных волн, расстояние между максимумами увеличивается.

  4. Показывают, что для получения когерентных источников можно использовать различные способы: использование двух независимых источников; разделение импульсов одного источника.

Изучение дифракции проводят также на качественном уровне с использованием рисунков и эксперимента.

Поперечность электромагнитных волн демонстрируют двумя способами: генератором сантиметровых волн и генератором УВЧ.

II. Физические основы радиосвязи.

При изучении этой темы учащихся, прежде всего, необходимо познакомить с работами Г. Герца и А.С. Попова, положившими начало развитию радиосвязи.

Обычно в при раскрытии процесса излучения электромагнитных волн идут одним из следующих путей:

  1. Вначале рассматривают распространение электромагнитной волны вдоль двухпроводной линии, затем, развертывая концы этой линии, переходят к диполю, излучающему электромагнитные волны.

  2. Рассматривают задачу о поле излучения точечного диполя (диполя Герца), а затем – сам вибратор Герца как систему точечных диполей, излучения которых складываются и дают излучение всего вибратора в целом.

  3. Вскрывают недостатки закрытого колебательного контура как излучателя и, постепенно изменяя емкость его конденсатора и индуктивность катушки, переходят к открытому контуру – вибратору.

Последний подход наиболее доступен учащимся. Прежде всего вскрывают причину слабого излучения закрытого колебательного контура (разделение магнитного и электрического полей в разных частях контура). Затем предлагают проанализировать изменение ситуации при раздвижении пластин конденсатора и уменьшении числа витков катушки. При этом делается вывод. Что при уменьшении индуктивности и емкости колебательного контура частота колебаний увеличивается, а следовательно увеличивается и интенсивность излучения, которая пропорциональна четвертой степени частоты излучения. При распространении колебаний в упругой среде в приемном колебательном контуре возбуждаются колебания той же частоты. Излучение и прием электромагнитных волн открытым колебательным контуром демонстрируют с помощью генератора УВЧ и дипольной антенны.

Далее знакомят школьников с принципами радиосвязи.

Сначала формулируется сам принцип: переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты. На которой работает передатчик.

Затем учащимся представляют блок-схему радиовещательного тракта:

Опираясь на представленную схему, рассматривают основы радиосвязи в несколько этапов:

  1. Выясняют причины, по которым необходимо использовать достаточно мощные высокочастотные колебания:

  • чем выше диапазон частот, тем больше независимых радиостанций можно в нем разместить;

  • интенсивность излучения пропорциональна четвертой степени частоты;

  • интенсивность излучения пропорциональна квадрату амплитуды.

  1. Выясняют необходимость модуляции колебаний в передатчике и демодуляцию в приемном устройстве. Изучение модуляции можно провести в следующем порядке:

  • необходимость модулирования колебаний и способы его осуществления;

  • амплитудная модуляция, демонстрационные опыты, позволяющие уяснить ее сущность;

  • спектр амплитудно-модулированных колебаний;

  • условия, необходимые для амплитудной модуляции колебаний;

  • детектирование, демонстрационные опыты, показывающие сущность детектирования.

Завершить изучение принципов радиосвязи можно демонстрацией простейшего детекторного радиоприемника.

Заканчивают изучение раздела обсуждением развития средств связи в России.