Аналогии в курсе физики средней школы

как при продолжающемся вращении Земли ось гироскопа будет перемещаться

параллельно самой себе, а прецессия наблюдается при попытке изменить

направление оси. Все вращающиеся тела, например маховые колеса двигателей,

стремятся повернуть свои оси по направлению к Полярной звезде.

A 1

экватор

2

Рис.3.

Тысячелетиями люди удивлялись чудесным свойствам магнита, но не могли

разгадать его тайну, так как не знали законов волчка и строение атома.

Первое научное сочинение о магнетизме принадлежит английскому врачу

Гильберту, написавшему в 1600 г. книгу «О магните, магнитных телах и

большом магните—Земле». Здесь впервые уточняется понятие полюсов магнита, а

также делается попытка понять строение магнита: если разделить магнит на

части, то получится множество маленьких магнитов. Следовательно, магнит

состоит из множества маленьких магнитиков.

Только в 1785 г. французский военный инженер Кулон, используя

изобретенные им крутильные весы, исследовал взаимодействие магнитных

полюсов и доказал, что оно подчинено закону обратных квадратов, расстояния.

Однако природа магнита продолжала оставаться таинственной. Только

аналогия притяжения и отталкивания магнитных полюсов и электрических

зарядов наводила на мысль о родстве этих двух явлений. Лишь после

обнаружения Эрстедом на опыте действия электрического тока на магнитную

стрелку и уточнения Ампером законов этого, действия мысль о взаимосвязи

электричества и магнетизма была подтверждена. Ампер выдвинул теорию, по

которой магнит состоит из маленьких, элементарных круговых токов, но

круговой ток. как известно, обладает магнитными полюсами (рис. 4). Фарадей

и Максвелл разработали учение о магнитном поле.

N

S

Рис.4.

Еще Фарадей установил, что все вещества можно разделить. на две группы —

парамагнитных и диамагнитных веществ и что нет материалов, безразличных к

магнетизму. Правда, магнитные свойства большинства тел очень слабо выражены

и для их обнаружения приходится воздействовать очень сильными магнитными

полями на маленькие и легкие образцы исследуемых материалов. Подвешивая

стержень из висмута между полюсами сильного электромагнита, можно увидеть,

что стержень устанавливается перпендикулярно направлению линий индукции

магнитного поля, тогда как стержень из алюминия располагается параллельно

этим линиям. Висмут диамагнитен, алюминий парамагнитен (в переводе с

греческого пара — значит вдоль, диа — поперек, через).

Лишь в наши дни явления диа- и парамагнетизма получили свое объяснение

в электронной теории. Начнем с диамагнетизма. Его происхождение связано с

движением электронов вокруг ядра атома по орбите (назовем это движение

орбитальным). Электрон, обращающийся вокруг ядра, можно уподобить волчку, и

подобно тому как поле тяготения вызывает прецессию волчка,

противодействующую силе тяжести, так внешнее магнитное поле вызывает

прецессию вращающегося вокруг ядра электрона, противодействующую магнитному

полю. Так как в любом атоме любого вещества происходит орбитальное движение

электронов, то диамагнетизм свойствен всем видам вещества. Но диамагнитные

свойства очень слабы и во многих случаях они перекрываются парамагнитными

свойствами. От чего же зависят парамагнитные свойства? Дело в том, что,

кроме орбитального движения, электронам присуще еще и вращательное движение

вокруг их собственной оси. Для наглядности принято сравнивать движение

электрона вокруг собственной оси с движением Земли вокруг оси (при

одновременном ее движении по орбите вокруг Солнца). Таким образом, электрон

уподобляется волчку, и его движение получило название «спин» (от

английского глагола to spin — запускать волчок). Надо при этом иметь в

виду, что это всего лишь полезный, наглядный образ. Современная физика

отказалась от представления об электроне, как о каком-то вращающемся

шарике, однако спин все-таки существует, и мы будем пользоваться этим

наглядным образом электрона-волчка, обладающего магнитными свойствами.

В зависимости от направления вращения условно различают положительный

спин и отрицательный. Два спина с противоположными знаками друг друга

«нейтрализуют» (рис. 5).

S

N

N N

S S

Рис.5.

Если каждому электрону с положительным спином соответствует в атоме

электрон с отрицательным спином, то магнитные свойства, зависящие от

спинов, нейтрализуются и остается лишь магнетизм, зависящий от орбитального

движения электронов. Вещества из таких атомов диамагнитны.

Но во многих случаях числа положительных и отрицательных спинов не

уравновешены, тогда атом обладает результирующим спином и соответствующим

магнитным моментом. Рисунок 6 иллюстрирует схему атома железа.

- электрон со спином

+

- электрон со

спином -

Рис.6.

Электроны на оболочках К, L, и N спарены (эти оболочки заселены парами

электронов с противоположно ориентированными спинами), тогда как на

оболочке М имеются непарные электроны, дающие нескомпонсированный спин —

спин атома. То же, только в более слабой степени, можно сказать и о любом

парамагнетике.

Рис.7.

Тепловое движение приводит спины атомов в беспорядочное расположение, и

парамагнитные свойства вещества обычно не проявляются (рис. 7 слева). Но

если поместить такое вещество во внешнее магнитное поле, то спины атомов в

результате прецессии ориентируются приблизительно вдоль линий индукции

внешнего магнитного поля (как гироскоп вдоль меридиана) и вещество

проявляет свойства парамагнетика (рис. 7 справа).

Особую группу составляет небольшой класс веществ — ферромагнетики,

названные по их главному представителю — железу. По современной теории

кристалл железа состоит из отдельных микроскопических областей (доменов), в

каждой из которых спины атомов уже расположены (без участия внешнего поля)

в направлении кристаллических осей (вспомните анизотропию кристаллов). В

ненамагниченном железе домены ориентированы так, что суммарное магнитное

поле их равно нулю (рис. 8).

[pic]

рис.8.

Поднося к куску железа магнит или помещая его в магнитное поле, мы

вызываем определенную ориентацию доменов и появление магнитных свойств —

железо становится магнитом. Неаккуратным обращением вы можете испортить

этот магнит, если будете, например, ронять его или ударять по нему, так как

при ударах наведенный порядок доменов нарушается. Наоборот, вы можете

усилить магнитные свойства магнита, если замкнете его полюсы железной

пластинкой, к середине которой подвесите маленькую коробочку, и будете

постепенно, день за днем, добавлять в коробочку грузы (песок). Так вы

сможете «воспитать» ваш магнит, и он будет поднимать значительные тяжести.

При нагревании магнит теряет свои магнитные свойства. Существует

температура (температура Кюри), при которой ферромагнетик совершенно

размагничивается и превращается в парамагнетик. Для железа эта температура

равна 770°C.

Магнитные качества ферромагнетиков в сильной степени зависят от примеси

других веществ к железу. Это свойство используется в технике, когда желают

получить более прочные постоянные магниты или, наоборот, материал,

способный легко терять свои магнитные свойства или перемагничиваться в

обратном направлении (сердечники трансформаторов, моторов, генераторов).

Технология ферромагнитных материалов использует еще особую группу

материалов, называемых ферритами. Они представляют собой полупроводники и

состоят из смеси оксидов железа с оксидами некоторых других металлов

(марганца, кобальта, никеля, меди, магния). Порошки этих оксидов тщательно

смешивают, спрессовывают и придают им .различную, форму (палочек, колец и

др.). Ферриты обладают очень большим электрическим сопротивлением и большой

магнитной проницаемостью — эти свойства и обуславливают их широкое

применение. Ферритова машина маленькая - палочка – позволяет заменять

длиннные антенны в портативных радиоприемниках, транзисторах. Ферритовы

кольца используют в «памяти» электронновычислительных машин.

§9. СВЕТ И ГЛАЗ

Немецкому физику и физиологу Гельмгольцу принадлежит фраза: «Если бы

оптик принес мне столь несовершенный инструмент, как человеческий глаз, я

бы тотчас выбросил его за дверь. С такой суровой оценкой можно было бы

согласиться лишь в том случае, если судить о глазе только как об оптическом

приборе. Совсем иное будет суждение, если мы будем рассматривать всю

совокупность зрительного органа и будем оценивать глаз как один из основных

анализаторов (в свете учения И. П. Павлова), воспринимающих действия

раздражителей внешнего мира на нашу нервную систему.

Сколько волнующих слов сказали поэты о глазах, черных, голубых...

Сколько художников пытались передать их очарование. Но разве не связан с

глазом весь раздел «Геометрическая оптика». Основное понятие геометрической

оптики - луч. Пронизывающие чащу леса или вырывающиеся из-за туч потоки

света действительно создают представление о лучах. В темном зрительном зале

кинотеатра из окошечка кинобудки вырывается сноп света, воспринимаемый нами

как расходящийся конус лучей. Но, конечно, это не собрание лучей, это пучки

света, а луч - это идеализированное понятие, геометрическая линия. Пучок

света - это физика, луч - геометрия. Геометрическое понятие прямой линии

тесно связано с понятием луча, a значит, со свойством нашего глаза. Когда

плотник проверяет прямолинейность кромки оструганной доски, он смотрит

вдоль нее по лучу зрения. Образование теней и солнечных пятен связано с

прямолинейным распространением световых пучков.

Солнечные пятна представляют собой изображения Солнца, получившиеся при

прохождении пучка света через малые отверстия. Камера-обскура — исстари

известный оптический прибор. Для получения четких изображений необходимо

только подобрать размер отверстия. Уменьшение его ведет к получению более

отчетливых изображений, так как узкие пучки света от отдельных точек

предмета не накладываются друг на друга. При чрезмерном уменьшении

отверстия изображение снова становится туманным. Здесь кончается

геометрическая оптика и проявляется волновая природа света. Речь идет о

дифракции.

Человеческий глаз тоже представляет собой устройство, по принципу

действия схожее с фотоаппаратом. Через зрачок-отверстие в радужной

(окрашенной) оболочке глаза, которое, подобно диафрагме фотоаппарата, может

сужаться или расширяться, в зависимости от яркости освещения, лучи света

проходят через хрусталик и дают изображение на сетчатой оболочке глаза.

Как изменится изображение на фотографической пластинке или на экране

при показе диапозитивов при помощи проекционного фонаря, если закрыть

половину объектива?

Диафрагма позволяет получить более резкое изображение, способствует

увеличению резкости изображения на сетчатке, а следовательно, и более

отчетливому видению и сужению зрачка нашего глаза. Вот интересное

подтверждение этому: не прибегая к лупе, можно разобрать мелкую печать,

если страница ярко освещена солнцем. Яркое освещение заставляет зрачок

суживаться, и изображение становится более резким. Люди, читающие обычно в

очках (дальнозоркие), могут в случае необходимости прочитать написанное без

очков. Оставив маленькую дырочку между сжатыми пальцами, надо смотреть

одним глазом на страницу, зажмурив при этом другой. Тогда из туманных

строчек страницы выступит отчетливо видимая часть строки.

Если посмотреть сбоку на человеческий глаз, то видна выпуклость. Это

роговая оболочка. За ней расположена радужная оболочка. Между роговой и

радужной оболочкой находится «водянистая жидкость», далее хрусталик, и,

наконец, студенистое «стекловидное тело», которые образуют оптическую

систему глаза. Подобно фотоаппарату, глаз наводится на резкость, и на

сетчатке получается четкое изображение рассматриваемого предмета. Это

достигается изменением кривизны хрусталика (рис. 1).

Рис.1

Окружающие хрусталик мышцы могут сжимать или растягивать хрусталик и

тем самым изменять в известных пределах, его фокусное расстояние.

Сходство в получении зрительных изображений в глазу с фотографическим

процессом мы находим и в химических явлениях на сетчатке. Они аналогичны

процессам, которые происходят в светочувствительной эмульсии пленки. На

фотографической пленке световое изображение снимаемого предмета вызывает

разложение бромида серебра в светочувствительном слое. В глазу под

действием света происходит разложение (обесцвечивание) особого вещества -

зрительного пурпура, приготовляемого светочувствительным слоем сетчатки

(пигментным эпителием). Более яркие места светового изображения вызовут

большее разложение пурпура, темные - меньшее. Вследствие этого на сетчатке,

как и на фотопленке, получается изображение.

На задаваемый обычно вопрос, почему мы не видим предметы «вверх

ногами», раз изображение на сетчатке получается обратное, можно было бы и

не отвечать, так как этот вопрос содержит в себе ошибку. Самый короткий

ответ был бы тот, что мы видим не изображение на сетчатке (которое

действительно обратное), а предметы во внешнем мире. Что такое верх и низ?

Это понятия относительные. Люди, находящиеся на противоположной стороне

земного шара, по отношению к нам ходят «вверх ногами». Бесспорным,

выработанным всей практикой жизни будет определение направления «вниз» как

направления силы тяжести. Поднимая руку и совершая при этом работу против

силы тяжести, мы указываем рукой вверх. Практика позволяет нам всегда

устанавливать, где верх, а где низ предметов. Это одна из тех поправок,

которые опыт и мозговая деятельность вносят в расшифровку зрительных

впечатлений.

Изучая различные оптические системы, мы схематически изображаем ход лучей и

делаем построение предмета и его изображения. При этом нередко говорят о

том, что через оптическую систему мы рассматриваем мнимое изображение

предмета. Вспомним привычное объяснение получения изображения от предмета,

помещенного между главным фокусом и линзой. Мнимое изображение в этом

случае получится там, где пересекутся продолжения расходящихся лучей,

попадающих в глаз (рис. 2).

мнимое изображение объекта

b

B

a .F A

объект

Рис.2.

Рассмотрим подробнее ход лучей от предмета. Расходящиеся после

прохождения линзы световые лучи фокусируются оптической системой глаза на

сетчатке (рис. 3).

А

F В

Рис.3.

В результате мы получаем зрительное впечатление. При изменении

положения предмета оптическая система глаза все равно будет фокусировать

лучи на сетчатке. Только для этого хрусталику потребуется изменить свою

кривизну (это делают мышцы, окружающие хрусталик). Такое приспособление

глаза к разным расстояниям до рассматриваемых предметов называется

аккомодацией.

Но как быть с изображением в плоском зеркале? В любом учебнике физики

приводится чертеж образования мнимого изображения за плоским зеркалом.

Чертеж правилен. Но вы сейчас смотрите только на чертеж, а не в зеркало. На

чертеже получилось мнимое изображение. Значит, его нельзя получить на

экране, на фотографической пластинке, на сетчатке глаза. Рассмотрим

следующий опыт.

Поставим против окна зеркало, между зеркалом и окном — двояковыпуклую

линзу. Передвигая лист белой бумаги, вы очень скоро сумеете получить

перевернутое изображение окна; если хотите получить свой автопортрет, вы

можете сфотографироваться в зеркале. А так как глаз подобен фотокамере, то,

следовательно, и на сетчатке глаза получается действительное, а не мнимое

изображение предметов, отражающихся в зеркале. Ход лучей, поясняющий

сказанное, вы увидите на рисунке 4.

Необходимо сделать еще несколько замечаний, касающихся геометрической

оптики. Допустим, вы рассматриваете в лупу мелкую печать. Вы приближаете

глаз и лупу к бумаге до тех пор, пока не получите наиболее ясное

изображение. В этот момент хрусталик аккомодирован на «расстояние

наилучшего зрения». Это расстояние обычно принимают равным 25 см, хотя у

разных лиц и в разном возрасте способность к аккомодации различна. Хотите

знать, во сколько раз увеличивает лупа? Если хрусталик аккомодирован на

расстояние наилучшего зрения, то ответ дает формула:

[pic]

где Г - увеличение лупы, F - фокусное расстояние, измеряемое в сантиметрах.

При ненапряженном глазе увеличение, даваемое лупой, равно

[pic]

Но как определить F? В солнечный день это можно сделать, собрав лучи солнца

в фокус и измерив расстояние от лупы до него. Если солнца нет, то надо

навести линзу на далекий предмет (ландшафт за окном) и получить резкое его

изображение на бумаге. Расстояние от линзы до изображения можно считать

практически равным фокусному расстоянию. Действительно, в формуле линзы

[pic]

для далеких предметов (d=() дробь исчезающе мала, и тогда [pic]

или f=F (расстояние до изображения равно фокусному расстоянию линзы).

Описанный прием нахождения фокусного расстояния двояковыпуклой линзы

позволит решить еще одну интересную и полезную задачу. Пусть вы задумали

построить себе самодельный телескоп из очковых стекол. Но тогда понадобится

прежде всего знать номер очков (для дальнозорких). Номер очков показывает

их оптическую силу, или величину, обратную фокусному расстоянию:

[pic]

Оптическая сила выражается в диоптриях. 1 дптр — это оптическая сила линзы,

у которой F==1 м.

Поэтому, измерив F выше описанным путем, вы определите и номер очков.

Например, если F=50 см==0,5 м, то D =2 дптр, или номер очков +2.

Для изготовления телескопа вам понадобится для объектива стекло +2 или

+1, т. е. линза с фокусным расстоянием 50 или 100 см. Можно вместо очкового

стекла приобрести в магазине фототоваров соответствующую насадочную линзу

для фотоаппарата. Для окуляра надо взять какую-нибудь сильную линзу с

фокусным расстоянием равную примерно 2 см. Тогда телескоп будет увеличивать

в

[pic]

Объектив и окуляр укрепите в раздвижной картонной трубке (рис. 5),

внутреннюю поверхность которой надо вычернить тушью. Исключительно важно

сделать для телескопа держатель (можно использовать штатив для

фотоаппарата).

Для суждения о размерах предмета и для лучшего различения его подробностей

важен «угол зрения»—угол между лучами, проведенными от крайних точек

предмета к центру хрусталика. Чтобы сделать видимыми неразличимые ранее

детали, надо подойти ближе к предмету. Тогда угол зрения и изображение на

сетчатке увеличатся. Насколько близко можно подойти к предмету? Для

нормального глаза это определяется расстоянием наилучшего зрения — 25 см.

При меньших расстояниях глаз с трудом аккомодирует, а без аккомодации он

видит лишь размытое изображение. Но выпуклость глаза можно усилить,

поставив перед ним двояковыпуклою линзу. Это позволит приблизить глаз к

предмету и получить резкое изображение без аккомодирующего усилия. В этом и

состоит назначение лупы — она позволяет увеличить угол зрения.

Заключение.

Рассмотренные аналогии позволяют более глубоко проникнуть в процесс

обучения физики средней школы, что в свою очередь дает учащимся лучше

понимать физические законы и процессы.

В данной работе рассмотрена лишь небольшая часть аналогий, которые

можно использовать на уроках физики и на факультативных занятиях в средней

школе.

Я считаю, что аналогии лучше всего рассматривать не только на уроках

физики, но и придавать им так же большое значение на факультативных

занятиях, кружках, спецкурсах для учащихся, которым трудно поддается

изучаемый материал и для учащихся, которые хотят более глубоко понять

физические процессы, явления и понятия.

Таким образом метод аналогии рассматривает новые вопросы,

сопоставляемые с изученными ранее.

Список литературы.

1. Аванесов Ю. Г. Использование аналогий при изучении постулатов Бора .

//Физика в школе// №2, 1983 г.

2. Блудов М. И. Беседы по физике. М. “ Просвещение “, 1985 г.

3. Ванюшенков И. С., Каненецкий С. Использование аналогии при изучении

транзисторов. //Физика в школе// №3, 1991 г.

4. Дроздов В. Г. Аналогии при изучении колебательных систем в 10 классе .

//Физика в школе// №3, 1991 г.

5. Каненецкий С. Е., Солодухин Н. Н. Модели и аналогии в курсе физики

средней школы . М. “ Просвещение “, 1982 г.

6. Мукусиев Б. А. Использование аналогии при решении физических задач.

//Физика в школе// №6, 1991 г.

7. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика 11: учебник для 11 класса средней

школы. М. “ Просвещение “, 1991 г.

8. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика 10: учебник для 10 класса средней

школы. М. “ Просвещение “, 1990 г.

9. Родина Н. А. Световые явления . М. “ Просвещение “, 1986 г.

10. Физика 11: учебное пособие для 11 класса школ и классов с углубленным

изучение физики, под редакцией Пинского А. А. М. “ Просвещение “, 1995 г.

-----------------------

О1

О2

М

D1

D2

l

?D

t

x1

x2

x

0

x

x1

x2

x

0

x

t

n=1

n=2

n=?

n=4

n=3

0

-3,4

-1,5

-13,53

Е5

Е1

Е2

Е3

Е4

h?15

h?21

h?54

h?42

h?51

A

A

A

t

x

v

F

m1

m2

N

Страницы: 1, 2