Реферат: Аналогии в курсе физики средней школы

Реферат: Аналогии в курсе физики средней школы

Выпускная квалификационная работа

''АНАЛОГИИ В КУРСЕ ФИЗИКИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ''

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................................3

                    ГЛАВА 1. Электромеханические аналогии

§1. Электромагнитные и механические колебания...............................................5

§2. Решение уравнений, описывающих свободные колебания...........................15

§3. Решение физических задач................................................................................18

§4. Изучение волновых процессов .........................................................................25

                ГЛАВА 2. Другие виды аналогий в школьном курсе физики

§5.Использование аналогии при изучении транзистора.......................................32

§6. Изучение электрических цепей с использованием аналогии.........................35

§7. Аналогии при изучении постулатов Бора.........................................................45

               ГЛАВА 3. Изучение аналогий на факультативах, кружках и спецкурсах.

§8. Волчок и магнит..................................................................................................52

§9. Свет и глаз............................................................................................................62

Заключение.................................................................................................................70

Список литературы....................................................................................................71

Введение.

Аналогия - один из методов научного познания, который широко применяется при изучении физики.

 В основе аналогии лежит сравнение. Если обнаруживается, что два или более объектов имеют сходные признаки, то делается вывод и о сходстве некоторых других признаков. Вывод по аналогии может быть как истинным, так и ложным, поэтому он требует экспериментальной проверки.

Значение аналогий при обучении связано с повышением научно-теоретического уровня изложения материала на уроках физики в средней школе, с формированием научного мировоззрения учащихся.

В практике обучение аналогии используется в основном для пояснения уже введенных трудных понятий и закономерностей.

Электромагнитные колебания и волны - темы школьного курса физики, усвоение которых традиционно вызывает большие затруднения у учащихся. Поэтому для облегчения изучения электромагнитных процессов используются электромеханические аналогии, поскольку колебания и волны различной природы подчиняются общим закономерностям.

Аналогии между механическими и электрическими колебательными процессами с успехом используются в современных исследованиях и расчетах. При расчете сложных математических систем часто прибегают к электромеханической аналогии, моделируя механическую систему соответствующей электрической.

Демонстрационный эксперимент при изучении переменного тока вскрывает лишь некоторые основные особенности процессов протекания тока по различным электрическим цепям. Здесь большое значение имеют аналогии, дающие возможность понять ряд явлений в цепях переменного тока, сущность которых трудно разъяснить в средней школе другими средствами. К таким вопросам в первую очередь относятся явления в цепях переменного тока с емкостью и индуктивностью, а также сдвиг фаз между током и напряжением.

Использование метода аналогии при решении задач может идти в двух направлениях:

1)   непосредственное применение этого метода;

2)   отыскание физической системы, которая аналогична данной в условии задачи.

В данной работе будут рассмотрены следующие аналогии, изучаемые в курсе физики средней школы: электромагнитные и механические колебания; решение уравнений, описывающих колебания в пружинном и математическом маятниках; решение физических задач; изучение волновых процессов; изучение электрических цепей с использованием аналогии; использование аналогии при изучении транзистора; аналогии при изучении постулатов Бора; волчок и магнит; свет и глаз.

Таким образом аналогии позволяют учащимся более глубоко понять известные физические явления, понятия и процессы.

ГЛАВА 1 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АНАЛОГИИ.

§ 1  Электромагнитные и механические аналогии.

В теме " Электромагнитные колебания " рассматривается электромагнитный процесс, возникающий при разрядке конденсатора через катушку индуктивности и делается вывод о колебательном характере этого процесса.

Электромагнитные колебания в контуре имеют сходство со свободными механическими колебаниями, например с колебаниями тела, закрепленного на пружине. Сходство относится не к природе самих величин, которые периодически изменяются, а к процессам периодического изменения различных величин.

При механических колебаниях периодически изменяются координата тела x и проекции его скорости , а при электромагнитных колебаниях меняются заряд конденсатора q и сила тока в цепи i. Одинаковый характер изменения величин (механических и электрических) объясняется тем, что имеется аналогия в условиях, при которых порождаются механические и электромагнитные колебания. Возвращение к положению равновесия тела на пружине вызывается силой упругости F , пропорциональной смещению тела от положения равновесия. Коэффициентом пропорциональности является жесткость пружины k. Разрядка конденсатора  (появление тока) обусловлена напряжением U между пластинами конденсатора, которое пропорционально заряду q. Коэффициентом пропорциональности является величина , обратная емкости, так как =q.

Подобно тому как вследствии инертности тело лишь постепенно увеличивает скорость под действием силы и эта скорость после прекращения действия силы не становится сразу равной нулю, электрический ток в катушке за счет явления самоиндукции увеличивается под действием напряжения постепенно и не исчезает сразу, когда это напряжение становится  равным нулю. Индуктивность контура L играет туже роль, что и масса тела m в механике. Соответственно кинетической энергии тела   отвечает энергия магнитного поля тока , а  импульсу тела  mv  отвечает поток магнитной индукции  Li .

Зарядке конденсатора от батареи соответствует сообщение телу, прикрепленному к пружине, потенциальной энергии  при смещении тела на расстояние  от положения равновесия (рис. 1,а).

Сравнивая это выражение с энергией конденсатора , замечаем, что жесткость k пружины играет при механическом колебательном процессе такую же роль, как величина , обратная емкости, при электромагнитных колебаниях, а начальная координата  соответствует заряду .

Возникновение в электрической цепи тока i за счет разности потенциалов соответствующих появлению в механической колебательной системе скорости  под действием силы упругости пружины (рис.1,б). Моменту, когда конденсатор разрядится, а сила тока достигнет максимума, соответствует прохождение тела через положение равновесия с максимальной скоростью (рис.1.в). Далее конденсатор начнет перезаряжаться, а тело смещаться влево от положения равновесия (рис.1,г). По прошествии половины периода Т конденсатор полностью перезарядится и сила тока станет равной нулю. Этому состоянию соответствует отклонение тела в крайнее левое положение, когда его скорость равна нулю (рис.1,д).

Рассмотренные выше колебания являются свободными. Здесь не учтено, что в любой реальной механической системе существуют силы трения.

Таким образом, соответствие между механическими и электрическими величинами при колебательных процессах можно представить в виде таблицы 1

Выведем уравнение свободных  незатухающих электромагнитных колебаний в контуре и колебаний горизонтального пружинного маятника. Применяя к пружинному маятнику закон сохранения энергии, получим равенство: + , где

,    ,   тогда имеем

(1)

Так как   

   и             получаем

 =const (2)

Следует заметить, что уравнение (2) так же следует из закона сохранения энергии. В уравнении (2)  i=q' - мгновенное значение силы тока, qmax - максимальный заряд на конденсаторе (он не должен вызвать пробоя). Делаем вы­вод о зависимости силы тока от величины за­ряда и находим значение максимальной силы тока:

;           Откуда

  при q=0.

Как видно формально с точки зрения математики уравнения (1) и (2) являются одинаковыми.

Решаем уравнение (2): производная полной энергии по времени равна нулю, так как энергия постоянна.

 Следовательно, равна нулю сумма производных по времени от энергий магнитного и электрического полей.

      или

   (3)

Физический смысл уравнения (3) состоит в том, что скорость изменения энергии магнитного поля по модулю равна скорости изменения энергии электрического поля; знак “минус” указывает на то, что, когда энергия электрического поля возрастает, энергия магнитного поля убывает (и наоборот). Поэтому полная энергия не меняется.

Вычисляя обе производные получаем:

так как , тогда

 и

получаем

  (4)

Уравнение (4)  является основным уравнением, описывающем процессы в колебательном контуре.

Рассмотрим колебания вертикального пружинного и математического маятников.

  Выведем груз из положения равновесия, рас­тянув пружину на длину Хm (рис.2) и от­пустим. (Амплитудное растяжение пружины Xm должно быть таково, чтобы был справедлив закон Гука  и выводимая на его основе формула потенциальной энергии пружины.)

   Рис.2

 Мгновенные значения координаты груза х в процессе колебаний лежат в пределах -xm£x£xm .  По закону сохраненья энергии имеем:

          (5)

где X0=mg/k - статическое растяжение пру­жины (потенциальную энергию груза в поле силы тяжести отсчитываем от уровня равно­весия груза, обозначенного на рис. 2 пункти­ром). Учитывая, что  и ,  получим уравнение колебаний

=соnst                          (6)

Как видно уравнения колебаний горизонтального и вертикального пружинных маятников одинаковы.

Ускорение свободного падения g, имеющееся в уравнении (5), отсутствует в полученном уравнении колебаний. Следовательно, колеба­ния груза на пружине не зависят от g и оди­наковы, например, на Земле и Луне.

Хотя в дифференциальные уравнения (1) и (6) входят разные величины, математически они эквивалентны.

По аналогии с уравнением (4) описывающем процессы в колебательном контуре, запишем уравнение колебания пружинного маятника:

;      ;             

получим

,                  (7)

Отклоним теперь математический маятник длиной l (рис. 3) от положения равновесия на длину дуги sm<<l и отпустим. Мгновен­ная высота подъема маятника

рис.3

так как при a<<1 можно считать , а s=la. По закону сохранения энергии имеем:

,   где       

или

=const                                    (8)

По аналогии с формулами (4) и (7)  x®q®s;  ;  получаем:

S``= -  (9)

Различие уравнений (1), (6) и (9) состоит только в обозначениях и физическом смысле входящих в них величин.

Если не предполагать sm<<l (соответственно am=<<1 рад.), то получится слож­ное уравнение, решить которое в рамках школьного курса невозможно. Оно будет опи­сывать колебания, период которых зависит от амплитуды. Строго говоря, период колебаний маятника всегда зависит от am, однако при sm<<l рад. этой зависимостью можно пре­небречь.

Процессы в колебательном контуре станут понятнее учащимся при рассмотрении преобразований энергий, которые происходят при колебаниях, используя таблицу 2.

§ 2.  Решение уравнений, описывающих колебания в пружинном и математическом маятниках.

Найдем решение уравнения:

    (1)

Нельзя считать, что    или   , так как вместо   получилось бы равенство

Чтобы в выражении второй производной был множитель   запишем уравнение (1) в виде:

   (2)

Найдем первую и вторую производные:

Функция (2) есть решение исходного уравнения (1). Функция

  есть также решение исходного уравнения.

Обозначим постоянную величину , зависящую от свойств системы, через :                     

Тогда решение уравнения (2) можно записать:

 (3)

Тогда уравнение (1), описывающее свободные электромагнитные колебания примет вид:

(4)

Из курса математики известно, что наименьший период косинуса равен 2π. Следовательно, ω0=2π,

.  Так как       ,  тогда период колебаний равен

 - формула Томсона.

Аналогично этим рассуждениям решим уравнение для колебаний вертикального пружинного маятника:

 (5)

Запишем уравнение (5) в виде:

 (6)

Найдем первую и вторую производные:

Функция (6) есть решение исходного уравнения. Функция   есть также решение исходного уравнения. Обозначим постоянную величину

 через w0 получим

                                   (7)

Тогда уравнение (5) будет иметь вид:

 (8)

  Период коле­баний для пружинного маятника по аналогии с формулой Томсона

где    ;                 получим

     (9)

Аналогично выше изложенным рассуждениям решим уравнение для колебаний математического маятника:

                                  (10)

Запишем уравнение (10) в виде:

                                    (11)

Найдем первую и вторую производные уравнения (11):

Функция (11) есть решение уравнения (10). Обозначим постоянную величину  ,зависящую от свойств системы, через w0 получим:

(12)

Тогда уравнение (10) примет вид:

 (13)

По аналогии с формулой(8) и формулой Томсона, для математического маятника период колебаний равен:

;            ;          

   (14)

Уравнения (4), (8) и (13) являются решениями уравнений, описывающих колебания в пружинном и математическом маятникам.

§ 3  Решение физических задач.

Рассмотрим несколько задач, решение которых методом аналогии возможно на уроках и факультативных занятиях в 11 классах (после изучения раздела "Электрические колебания) и при повторении материала.

Задача1. Изобразите механические системы, аналогичные электрическим цепям, схематически изображенными на рис.1,а,б

Решение. Аналогичная механическая система  соответствующая рис.1,а,б должна содержать тело массой m и две пружины с разными жестокостями и

а) Общая емкость системы конденсаторов (рис.1,а) равна

Используя аналогию механических и электрических величин, найдем что общая жесткость пружин искомой механической системы находится из соотношения

Это соответствует последовательному соединению двух пружин.        Учитывая, что один конденсатор заряжен, искомую механическую систему можно представить в виде одной сжатой пружины жесткость и одной недеформированной пружины жесткостью (рис.2,а).

б) Аналогично рассмотрим вторую схему.

Общая емкость системы конденсаторов (рис.1,б) равна

Используя аналогию механических и электрических величин, найдем что общая жесткость пружин искомой механической системы находится из соотношения

Это соответствует параллельному соединению двух пружин(рис.2,б).

рис.2.

Задача2На рис.3,а,б  изображены колебательные контуры. Придумайте механические аналоги им.

рис.3,а

О т в е т. Аналогичная механическая система соответствующая рис.3,а,б должна содержать два тела массами и , и пружину жесткостью k.

а) Общая индуктивность системы при последовательном соединении катушек равна

Используя аналогию механических и электрических величин найдем, что общая масса

А это соответствует рис.4,а

Рис. 4.а

б) Аналогично рассматриваем вторую схему.

Общая индуктивность параллельно соединенных катушек находится из соотношения

Используя аналогию механических и электрических величин, найдем что общая масса катушек равна

Это соответствует рис.4,б

Задача3. Придумайте механическую систему, которая была бы аналогична электрической цепи, состоящей из конденсатора емкостью С и резистора сопротивлением R (рис. 5). Первоначальный заряд конденсатора равен qм. Ключ К замыкается в некоторый момент времени принимаемый за начальный.

Рис. 5.

О т в е т. Электрическую цепь, состоящую из емкости и сопротивления, можно представить как предельный случай электрического колебательного контура, в котором индуктивность настолько мала, что ею можно пренебречь.

Поэтому аналогичная механическая система будет представлять собой прикрепленное к пружине (жесткость К) тело с очень малой массой, но с значительным объемом, находящееся в поле действия силы вязкого трения с коэффициентом ß.

Задача4. Придумайте механическую динамическую аналогию электрической цепи, представленной на рис. 6. В начальный момент катушка индуктивностью L и резистор сопротивлением R отключены от источника постоянного тока с ЭДС.

Рис. 6.

О т в е т. Аналогичная механическая система состоит из тела, находящегося в поле тяжести Земли и расположенного внутри жидкости с коэффициентом вязкости Р. Если отпустить это тело, то оно падает в жидкости под действием силы тяжести FT= mg.

Задача5. Рассчитайте максимальное значение силы тока в цепи, изображенной на рис.7. До замыкания ключа заряд на конденсаторе  равен q, второй конденсатор не заряжен. Воспользуйтесь электромеханической аналогией.

рис. 7.

 Решение.

Здесь происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую или в соответствии с аналогией энергия электрического поля конденсатора превращается в энергию магнитного поля катушки.

так как      и 

тогда

.

Отсюда значение максимальной силы тока равно

Задача 6. Найти максимальную скорость груза на пружине в вязкой среде при действии на него переменной силы F=10sin10t(H) (рис. 8). Масса - груза 0,1 кг, жесткость пружины 2 Н/м, вязкость среды 1 Н. м/с.

Рис.8

Р е ш е н и е. В связи с тем что такой более сложный процесс, какой представлен в условии этой задачи, в школьном курсе физики не изучается, снова обратимся к аналогии. Аналогичная электрическая система выглядит как колебательный контур, содержащий внешний источник   переменного   тока (рис. 9).

Рис.9

Из закона Ома для переменного то­ка (обозначения традиционные) максимальная сила тока

Установим соответствия характеристик механической  и электрической    систем: fU: ßR :mL:K1/C.

Учитывая аналогичность систем, полу­чаем:

=

При подстановке следующих данных:

F=10Н, =10с-1, ß=1 Н•м/с, w=0,1кг, K=2 Н/м окончательно получаем vm 1,28 м/с.

Задача 7. Источник с ЭДС  и нулевым внутренним сопротивлением соединен последовательно с катушкой индуктивности L и конденсатором С (рис. 10). В начальный момент времени конденсатор не заряжен. Найти зависимость от времени напряжения на конденсаторе после замыкания ключа.

рис.10.

Решение. Искать нужную зависимость, используя законы электромагнетизма, довольно сложно и не наглядно, поэтому целесообразно использовать механическую аналогию. На рис.11 приведена аналогичная механическая колебательная система. Аналогом источника с ЭДС может служить поле силы тяжести. При выдергивании подставки из-под прикрепленного к пружине груза начинаются его колебания. Он совершает гармоническое колебание около точки Xm, график которого дан на рис. 12. а. Уравнение координаты имеет вид:

xm-x(t)=xm cos wot,

или

x(t)=xm (1 - cos wot).

Рис. 11

Рис. 12

 Аналогичное электрическое колебание (график дан на рис. 12, б) описывается следующими уравнениями:

q (t)=qм (1 – cos wot);

qм =С,                     q (t)=C (1 — cos wot) ,

U(t)= ,                   U(f)= (1 — cos wot).

Здесь wo =.

В заключение отметим, что рассмотренные нами аналогии широко используются в научных исследованиях. Интересно, что принцип работы аналого-вычислительной машины основан на «поразительной анало­гичности» механического и электрического процессов.

§4.Изучение волновых процессов.

Рассматривая вопроссы излучения и распространения любых волн, следует сформулировать условия, необходимые для образования и излучения волн:

1)   наличие источника колебаний в некоторой точке;

2)   возможность передачи колебаний от данной точке к соседним (роль среды);

3)   наличие достаточной связи источника колебаний с передающей средой.

Рассмотрим следующие волновые процессы: излучения и распространения электромагнитных волн, интерференция света, дифракция света и поляризация света.

1.   Излучение и распространение электромагнитных волн.

При изучении вопросов излучения и распространения электромаг­нитных волн целесообразным аналогом будут акустические волны, факт распространения которых в окружающем пространстве легко устанавливается. Если взять простейший источник акустических волн (камертон без резонансного ящика), то связь его со средой малая и излучение звуковых волн незначительно. Поставив камертон на резонирующий ящик, замечают, что излучение звука значительно усилилось, так как связь со средой стала большей. Если рядом со звучащим камертоном поставить другой камертон, имеющий ту же частоту, то такой камертон возбуждается. Здесь наблюдают явление резонанса. Камертон, имеющий другую частоту собственных коле­баний, не возбудится. Излучение камертона возможно только в среде, обладающей определенными физическими свойствами.

Как известно, излучение энергии замкнутым колебательным кон­туром незначительно, так как электрическое поле в этом случае ло­кализовано между обкладками конденсатора, а магнитное поле — вокруг катушки. Чтобы подчеркнуть это свойство замкнутого коле­бательного контура, уместно воспользоваться аналогией с колеблю­щимся камертоном (без резонансного ящика), излучение которого незначительно. Открытый колебательный контур излучает энергию значительно лучше, так как в этом случае магнитное и электрическое поля совмещены и занимают окружающее контур пространство. Чтобы проиллюстрировать данный факт, уместна аналогия с камер­тоном на резонансном ящике, хорошо излучающем энергию благо­даря связи со средой.

Явление резонанса при звуковых процессах является хорошей аналогией для объяснения приема электромагнитных волн. В антенне приемного устройства возникают колебания всевозможных частот, но приемник «выбирает» из всех колебаний только те, на частоту ко­торых он настроен. Это аналогично возбуждению камертона, имею­щего ту же частоту, что и излучающий. При излучении электромагнитных волн возникают возмущения в электромагнитном поле, так же как возникают возмущения в упругой среде вокруг камертона. Природа же распространяющихся при этом волн различна.

2.Интерференция света.

Интерференция света представляет собой сложное явление, объяснение которого требует рассмотрения вопроса о наложении волн, об условиях усиления и ослабления колебаний и т. д. Здесь применяют аналогию с поверхностными волнами на воде.

Вначале, возбудив в волновой ванне две волны, наблюдают результат их наложения и объясняют полученную картину(рис.1).

Рис.1.

В любой точке М на поверхности воды будут складываться колебания, вызванные двумя волнами (от источников O1 и О2). Амплитуды колебаний вызванных в т.М будут отличаться друг от друга, так как волны проходят различные пути D1  и D2 .

Но если расстояние  l между источниками много меньше этих путей (l <<D1и l<<D2), то обе амплитуды можно считать одинаковыми. Результат сложения волн в точке М зависит от разности фаз между ними. Пройдя различные расстояния, волны имеют разность хода ΔD=D2-D1

Если разность хода равна длине волны l, то вторая волна запаздывает по сравнению с первой ровно на один период. Следовательно, в этом случае гребни (впадины) обеих волн совпадают.

Сложение волн в зависимости от разности их хода объясняют на специально вычерченных графиках, показывая, как складываются колебания при условии совпадения фаз и в случае когда колебания происходят в противофазе.

Зависимость от времени смещения х1 и х2  вызванных двумя волнами при   DD=l. Разность фаз колебаний равна нулю, так как период синуса равен 2p (рис.2).

Рис. 2

 В результате сложения этих колебаний  возникает результирующее колебание с удвоенной амплитудой. Колебания результирующего смещения x показаны пунктиром. То же самое будет происходить, если на отрезке DD укладывается не одна, а любое целое число длин волн:   

DD=kl,   k=0, 1, 2…. – условие максимума.

Пусть теперь на отрезке DD укладывается половина длины волны (рис.3).

Рис.3.

 Вторая половина отстает от первой на половину периода. Разность фаз оказывается равной p, то есть колебания будут происходить в противофазе. В результате сложения этих колебаний амплитуда результирующего колебания равна нулю, то есть в рассматриваемой точке колебаний нет. Тоже самое происходит если на отрезке укладывается любое нечетное число полуволн.

DD=( 2k+1 )l/2, k=0,1,2...  - условие минимума.

Аналогично интерференции поверхностных водяных волн происходит и интерференция световых волн, но осуществить это явление значительно сложнее. Необходимо учитывать, что условия излучения и природа этих волн различны, а общее между ними только в периодичности процессов. Перед демонстрацией опытов по интерференции света следует рассмотреть вопрос  о когерентных источниках волн. Когерентность поверхностных волн на воде легко осуществляют в волновой ванне с помощью двух связанных между собой вибраторов.

Два обычных источника света не являются когерентными. Учащимся необходимо пояснить, что для получения устойчивой картины интерференции света надо использовать специальные установки, в которых заставляют интерферировать два пучка одной и той же волны, излучаемые одним источником, но идущие к точке наблюдения различными путями.

После этого демонстрируют интерференцию света и по аналогии объясняют интерференционную картину. Проводя аналогию между световыми и поверхностными водяными волнами, показывают сходство и различие явлений различной природы.

3.Дифракция света.

Явление дифракции света рассматривают по аналогии с дифракцией поверхностных волн на воде. Для этой цели в волновой ванне показывают явление дифракции волн (отклонение волн от прямолинейного распространения), ставя на пути волн препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Получают дифракцию на препятствии и на щели.

Когда явление дифракции с помощью поверхностных водяных волн разъяснено, переходят к дифракции света. Но перед демонстрацией соответствующих опытов останавливаются на различии дифракции света и дифракции длинных поверхностных волн. Так как поверхностные водяные волны иллюстрируют огибание волнами препятствий, без последующего распределения максимумов и минимумов, то есть поверхностные волны подчиняются принципу Гюйгенса – Френеля. В случае световых волн имеет место не только огибание препятствий, но и сложение волн. Поэтому, наблюдая дифракцию света, видят проявление максимумов и минимумов освещенности, что является результатом интерференции (наложении) волн.

При рассмотрении дифракции света можно использовать таблицу 3, в которой сопоставляются дифракционные картины от освещенной щели и в волновой ванне при различной ширине щели.

Таблица 3.

4.Поляризация света.

Как известно,  электромагнитные волны поперечны. Так как свет имеет электромагнитную природу, то световые волны также поперечны. Чтобы разобраться в опытах по поляризации света необходимо уяснить понятие плоско поляризованного света и действие поляризатора, и анализатора.

Плоскополяризованными волнами называют поперечные волны, колебания в которых происходят в одной плоскости вдоль прямой, перпендикулярной направлению распространения.

Такими являются волны на шнуре, поэтому свойства плоскополяризованных волн можно наглядно объяснить.

Для этой цели берут щель между двумя досками. Если эту щель расположить  вертикально, то волны бегущие по шнуру, раскачиваемому в вертикальной плоскости, свободно пройдут через щель (рисю.4,а). Если  же щель повернуть на 90 , то волны через щель не пройдут и будут полностью погашены (рис.4,б).

Рис.4           а)                                             б)

Естественный свет не поляризован, но его поляризацию можно осуществить с помощью приборов – поляризаторов, действие которых аналогично действию щели в опыте со шнуром.  В поляризатор пропускают лишь лучи с определенной плоскостью колебаний светового вектора Е. Обнаруживают поляризацию света  с помощью анализаторов, действие которых аналогично действию указанной щели, плоскость которых параллельна щели.

Применение этой аналогии делает явление поляризации света понятным и доступным.  

ГЛАВА 2 Другие виды аналогий в школьном курсе физики.

§ 5   Использование аналогии при изучении транзистора.

В настоящее время транзистор как полупроводниковый прибор нашел широкое применение во всех сферах человеческой деятельности. Популярность прибора повышает интерес учащихся к нему и его техническому приложению.  Модель транзистора, как и всякая аналогия, является приближением прибора и имеет свои границы применимости (например, с ее помощью невозможно показать собственную и примесную проводимость; перемещение дырок и электронов и т. д.). Однако в главном модель и оригинал схожи: это тождественность включения их схем и аналогичность работы основных частей и, кроме того, равенство нулю тока коллектора при отсутствии тока в базе.

рис.1

После ознакомления учащихся с основными элементами транзистора p-n-p-типа (эмиттером, базой и коллектором) и механизмами правого и левого p-n-переходов, учащимся предлагается  пронаблюдать данные процессы на модели. Для этого собирается установка, показанная на рис. 1. (предложенная В.С. Данюшенковым и С.Е. Каменецким) Она состоит из аналога транзистора 1, двух центробежных водяных насосов с электродвигателями 2 и стеклянных переходников 3, соединенных между собой резиновыми трубками.

В качестве аналога берут модель водоструйного насоса, имеющаяся в арсенале кабинета физики.

Источником переменного «напряжения» для модели (см. рис- 1) служит вход 4, который подключают к водопроводному крану. Меняя с помощью крана скорость течения жидкости в установке, регулируют давление (напор) в ней. В этой установке давление жидкости служит аналогом напряжения в электрической цепи транзистора. Насосы выполняют роль источников постоянного тока, трубки с водой — соединительных проводов, а стеклянная трубка 5 - постоянного резистора R, включенного в цепь, показанную на рис. 3.

Рис. 3.

Работу основных элементов модели необходимо показать учащимся.

Сначала объясняют роль токов в пра­вом и левом p-n-переходах и их влияние на работу транзистора. Для этого открывают кран и создают постоянный напор воды в системе «эмиттер — база». Жидкость через «эмиттерный» вход поступает в полость аналога транзистора и сливается в отверстие «базы». Источник постоянного напряжения (насос) левого перехода включают в таком направлении, чтобы поток воды из «базового» отверстия всасывался в «эмиттерную» цепь и создавал прямой ток, который   зависит только от источника напряжения. Показывают соответствующую демонстрацию, изменяя напор воды в системе с помощью крана и насоса (меняют число оборотов двигателя). При этом  часть воды поступает в «коллектор». Это иллюстрирует диффундирование нерекомбинированных в базе дырок в коллектор.

Затем показывают значение базы в транзисторе. Включают правый и левый насосы аналога так, чтобы потоки жидкости в них циркулировали по часовой стрелке. Тогда по «базе» будут протекать два встречных потока жидкости.  На языке аналогии это означает, что значения силы тока в цепях базы Iб, эмиттера Iэ и коллектора Iк связаны соотношением: Iб=Iэ-Iк. О соотношении значений силы тока в транзисторе учащиеся судят путем наблюдения за показаниями расходомеров жидкости, включенных в «эмиттерную» и «коллекторную» цепи модели. Расходомер представляет собой устройство для измерения скорости течения воды  и аналогичен амперметру. Поскольку скорость движения жидкости в «эмиттере» приближенно равна скорости движения жидкости в «коллекторе», можно сделать вывод об отсутствии ее движения в «базе», т. е. о том, что Iб=0. Действительно, так как концентрация инжектируемых дырок с эмиттера много больше их концентрации на границе с базой (ширина базы очень мала), то дырки интенсивно диффундируют к коллектору. В то же время обратный ток коллекторного перехода много меньше тока, создаваемого дырками эмиттера. Поэтому силу тока в цепи коллектора можно считать равной силе тока в цепи эмиттера (IкIэ). Это равенство лежит в основе усиливающего действия транзистора.

Затем рассматривается использование транзистора как усилителя мощности. При этом рассматривают два случая: включение транзистора по схеме с общей базой (рис. 3, а) и общим эмиттером (рис. 3, б). Схему с общим коллектором не рассматривают, поскольку она мало чем отличается по действию от схемы с общим эмиттером. Поясняют распределение си­лы тока между эмиттером, базой и коллектором.

Усиление мощности можно осуществлять двумя способами:

 а) при постоянном напряжении увеличивать силу тока,

 б) при постоянной силе тока увеличивать напряжение.

Сначала рассматривают усиление мощности транзистора по току в схеме с общей базой (рис.3,а).  Механизм этого процесса обсуждался   при изучении правого p-n-перехода и поэтому усилительное действие в данном случае основано на равенстве Iк=Iэ. Затем переходят к изучению усиления по току в схеме с общим эмиттером, рис3,б (Iк=Iэ+Iб). Сущность процесса состоит в усилении рекомбинации дырок в базе путем подачи напряжения на эмиттерный и базовый входы транзистора. Демонстрацию осуществляют следующим образом. Насос «эмиттерного перехода» переключают так, чтобы он перемещал жидкость против часовой стрелки. Тогда одна часть жидкости от крана поступит по каналу «эмиттера» в полость «транзистора», а другая часть начнет всасываться насосом и перемещаться к «базе». Далее включают насос «коллекторного перехода» (перемещают воду по часовой стрелке) так, чтобы токи в «базе» были направлены в сторону аналога транзистора. Таким образом, возникнет значительный поток воды на выходе из «базы», который будет воздействовать на струю жидкости, вытекающую из «эмиттера», направляя ее в «коллекторный переход».

Усиление мощности по напряжению основано на различии сопротивлений коллекторного и эмиттерного p-n-переходов, включенных в противоположных направлениях. Эмиттерный переход, на который подано прямое напряжение смещения, имеет малое сопротивление, и падение напряжения на нем Us мало. На коллекторный же переход подается обратное напряжение смещения, и сопротивление его значительно больше, поэтому в коллекторную цепь может быть включена высокоомная нагрузка, сопротивление которой Rн значительно больше сопротивления эмиттерного перехода. Поскольку Iк и Iэ одинаковы, то падение напряжения на высокоомной коллекторной нагрузке Uн=IкRIэRн окажется много больше падения напряжения на эмиттерном переходе.

Для демонстрации явления можно воспользоваться моделью, собранной так, чтобы насосы вращались в одну сторону. Поочередно беря трубки 5 разного диаметра, демонстрируют роль нагрузки в цепи коллектора для усиления мощности.

§ 6   Изучение  электрических цепей с использованием аналогии.

1.   Цепь постоянного тока.

При введении понятия об электрическом токе полезна аналогия с течением воды в турбине. Аналогия становится особенно образной, если к этому времени введено понятие об электроне, тогда электрический ток представляется как упорядоченное движение электронов в проводнике. Весьма полезна гидродинамическая аналогия и при знакомстве с источникоми тока. На полюсах источника тока создается напряжение. Заряды (электроны, ионы), которые перемещаются в проводниках (металлах, электролитах), имеются в самих проводниках. Они движутся хаотически, но если проводник присоединить к полюсам источника тока, то заряды придут в упорядоченное движение, то есть появится ток.

          Поэтому здесь целесообразна аналогия источника тока с насосом. В гидродинамической системе (рис.1) насос не создает воду, а лишь вызывает ее перемещение.

рис.1

Аналогично насосу и действие источника тока в электрической цепи. Насос создает разность давлений (напор), что может быть аналогом напряжения. Турбина аналогична потребителю, насос - источнику тока, трубки с водой – соединительным проводам, а кран – выключателю.

Приведем схему установки и ее работу, предложенную С. Е. Каненецким и Н.Н. Солодухиным.

Установка для демонстрации гидродинамической аналогии электрической цепи состоит из центробежного насоса с электродвигателем 1, водяной турбины 2, манометра 3, расходомера 4, соединительных резиновых трубок 5 и кранов 6 и 7 (рис.2).

рис.2.

    В начале установку собирают без расходомера и манометра. Число оборотов двигателя регулируют реостатом, в результате центробежный насос создает разный напор воды.

Водяная турбина состоит из плексигласа (рис.3).

рис.3.

Вода в нее поступает через сопло 1 вверху турбины, приводит в движение ротор 2 и выходит через отверстие 3. Ось ротора установлена в подшипниках и вращается с малым трением. При увеличении числа оборотов двигателя увеличивается напор воды и ротор турбины вращается быстрее. К турбине присоединяют манометр через специальные трубки 4, имеется кран 5. Сбоку турбины укреплен металлический стержень 6, с помощью которого ее устанавливают на лабораторном штативе. Для герметичности турбины между корпусом и крышкой поставлена резиновая прокладка.

В расходомере (изготовленном из плексигласа) имеется канал, по которому протекает вода, приведенная в движение насосом. В канале перпендикулярно дв

ижущемуся потоку расположена площадка, соединенная со стрелкой расходомера. Укрепляют расходомер на специальном штативе с помощью вертикального стержня. С другими приборами он соединен резиновыми трубками. Вверху расходомера имеется отверстие, закрепленное винтом, необходимым для выпуска воздуха при заполнении системы водой.

Демонстрации с установкой сводятся к следующему. Когда установка состоит из насоса и трубки (рис.4) демонстрируют циркуляцию воды, аналогичную движению зарядов в электрической цепи.

рис.4.

Поочередно закрывая краны, показывают, что краны можно установить в любом месте. Аналогично этому в электрической цепи можно установить где угодно выключатель.

   Когда установка собрана с расходомером (рис.5) изменяют число оборотов двигателя (меняют напор воды) и стрелка расходомера сильно отклоняется. Сжимая в любом месте резиновую трубку, показывают изменение потока воды при одном и том же напоре.

рис.5.

Когда установка собрана целиком (см. рис. 2), обращают внимание на показания манометра, который аналогичен вольтметру в электри­ческой цепи. Одновременно демонстрируют величины, аналогичные электродвижущей силе и напряжению. Действительно, если открыть кран 6, а кран 7 закрыть, то циркуляции воды не будет, и манометр покажет максимальную разность давлений при таком числе оборо­тов. Это показание манометра аналогично электродвижущей силе. Если же кран 7 открыть, то вследствие движения воды турбина при­ходит в движение и показания манометра уменьшаются. (Показания манометра аналогичны напряжению, а показания расходомера — току.)

Изменяя сопротивление трубок (набор трубок различного поперечного сечения и длины) движению воды, показывают за­висимость между напором и сопротивлением движению воды, кото­рая аналогична закону Ома для полной цепи.

Познакомив учащихся с отдельными элементами электрической цепи, надо собрать простейшую электрическую цепь (потребитель — лампа накаливания, источник тока - батарея элементов, соедини­тельные провода и выключатель),

 а рядом с ней расположить соот­ветствующую установку для демонстрации гидродинамической ана­логии (рис.2).     Видно, что при работе насо­са создается разность давлений (напор), под действием которого во­да перемещается по трубкам и приводит в движение турбину. Вода в системе циркулирует. Аналогично происходит направленное пере­мещение зарядов в электрической цепи. Разрыв цепи (в любом мес­те) нарушает это движение. Последнее дает возможность исключить часто встречающуюся ошибку: учащиеся полагают, что ключ в цепи ставят не в любом месте, а обязательно между положительным полю­сом источника тока и потребителем. Одновременно с этим объясняют, что в системе происходят определенные превращения энергии и что основным потребителем энергии является турбина.

Затем рассматривают явления в цепях переменного тока с емкостью и индуктивностью, а также сдвиг фаз между током и напряжением.

2.   Цепь переменного тока с емкостью.

В электростатике было изучено устройство конденсатора и его основные свойства. При этом отмечалось, что постоянный ток не проходит в цепи с емкостью, так как диэлектрик конденсатора разрывает цепь. Иначе обстоит дело в цепи переменного тока. Чтобы показать это, составляют цепь с батареей конденсаторов и последовательно включенной с ней лампой накаливания (рис.7).

Лампа горит-значит, в цепи есть ток. При изменении емкости батареи конденсаторов изменяется накал волоска лампы. Это говорит о том, что в данной электрической цепи есть особое (емкостное) сопротивление, которое зависит от емкости.

Для разъяснения этого факта полезны гидродинамические аналогии показанные на рис.8.

рис.8

На этих моделях рассматривают возвратно-поступательное движение насоса (или вращение насоса) то в одну, то в другую сторону; при этом упругая перепонка прогибается в соответствующие стороны. Происходит перемещение жидкости в трубах (ток), но жидкость не проходит через перепонку, так же как и заряды в электрической цепи не проходят через диэлектрик конденсатора.

3. Цепь переменного тока с индуктивностью.

Наличие индуктивного сопротивления в цепи переменного тока можно продемонстрировать на опыте. Составим цепь из катушки большой индуктивности и электрической лампы накаливания (рис.9).

Рис.9.

С помощью переключателя можно подключить эту цепь либо к источнику постоянного напряжения, либо к источнику переменного напряжения. При этом постоянное напряжение и действующее значение переменного напряжения должны быть равны между собой. Опыт показывает, что лампа светится ярче при постоянном напряжении. Действующее значение силы переменного тока в рассматриваемой цепи меньше силы постоянного тока. Это объясняется явлением самоиндукции. При подключении катушки к источнику постоянного напряжения сила тока в цепи нарастает постепенно. Возникающее при нарастании силы тока вихревое электрическое поле тормозит движение электронов и при прошествии некоторого времени сила тока достигает наибольшего   значения, соответствующего данному постоянному напряжению. Если напряжение быстро меняется, то сила тока не будет успевать достигать тех значений, которые она бы приобрела с течением времени при постоянном напряжении. Следовательно, максимальное значение силы переменного тока ограничивается индуктивностью цепи и будет тем меньше, чем больше индуктивность и частота приложенного напряжения.

Для индуктивного сопротивления полезна аналогия между индуктивностью в цепи переменного тока и массой материального тела. В случае переменного тока электродвижущая сила самоиндукции имеет место в цепи все время, а не возникает лишь в момент включения и выключения тока, как это было в случае постоянного тока. Наличие этой э.д.с. и объясняет появление индукционного сопротивления.

Обычно рассмотрение цепи переменного тока с индуктивностью проходит без больших затруднений, и аналогия между массой и индуктивностью носит лишь иллюстративный характер. С помощью аналогии объясняют между катушкой индуктивности и источником тока, появление индуктивного сопротивления, а также сдвиг фаз между током и напряжением в данной цепи.

К сожалению, более наглядно гидродинамическую аналогию для этого привести не удается.

4.   Сдвиг фаз между колебаниями тока и напряжения в цепях переменного тока.

Рассмотрим колебания пружинного маятника ( рис.10 ).

            Верхнее положение                         x=A, v=0, a=am

                                                                     x=0, v=vm, a=0

            Нижнее положение                          x= - A, v=0, a=am

Рис.10.

 Легко установить, что между смещением, скоростью и действующей силой имеется сдвиг фаз (рис.11).

Аналогия между механическими и электрическими колебаниями дает возможность показать, что сдвиг фаз между током и напряжением естественен. Вполне допустимо при этом вычертить график и установить соответствие между величинами, характеризующими процессы в электрической цепи (I и U), и величинами, характеризующими процессы в пружинном маятнике (x и v).

Графики аналогичны графику представленным на рис.11, только вместо величин x, v, F ставятся аналогичные им величины q, i, U,то есть  . Для них

i=q';   

Затем поясняют, что при максимальном значении напряжения сила тока в цепи равна нулю и наоборот. Для этого на механической аналогии показывается, что при максимальном значении действующей силы скорость равна нулю, а когда скорость максимальна, равна нулю действующая сила.

§7.  Аналогии при изучении постулатов Бора.

Формирование и развитие у учащихся модельных представлений атома как структурной единицы вещества имеет важное научно – познавательное и мировоззренческое значение.

     В курсе физики 7 класса учащиеся узнают об атомах как о мельчайших частицах вещества, из которых состоят более крупные образования – молекулы.

В курсе электричества 8 класса картина меняется: модель атома становится доминирующей. Здесь у учащихся формируется представление об атоме как о сложной динамической системе, состоящей из сконцентрированной в небольшом объеме положительной части – ядра и электронов, движущихся относительно ядра и несущих отрицательный заряд.

Планетарную модель атома доказывают опытом Резерфорда по рассеянию α – частиц металлическими пластинками. Известно несколько моделей этого опыта. Например, при описании опыта Резерфорда использована аналогия с зондированием кипы сена с помощью пуль. При этом по траектории пуль можно определить, где спрятаны куски металла.

При рассказе о ядерной модели атома применяют аналогию с солнечной системой. Здесь важны образные сравнения – аналогии: масса ядра атома в несколько тысяч раз больше массы электрона (например, масса ядра атома водорода больше массы электрона в 2000 раз), так же как и масса Солнца больше массы отдельной планеты в несколько сотен тысяч раз (например, больше массы Земли в 333000 раз). Другое сравнение : диаметр ядра примерно в 10000 раз меньше диаметра атома; аналогично, диаметр Солнца (13000 км) во много миллионов раз меньше размеров солнечной системы. 

Эти сравнения помогают учащимся создать представление о масштабах ядерной модели атома. Но движение электронов относительно ядра более сложнее, чем орбитальное движение планет и оно подчиняется другим законам. Ядерную модель атома затем используют для объяснения электризации тел, явления электропроводности, при изучении электрического тока в металлах и электролитах. О дальнейшем развитии планетарной модели атома рассказывают после изучения фотоэффекта.

Для объяснения закономерностей фотоэффекта вводят представление о дискретности светового излучения, а также понятие о фотоне как элементарной частице света с энергией Е=hν. Отсюда возникает вопрос: является ли дискретность энергетических состояний свойством, характерным лишь для излучающих твердых тел, или же эта дискретность присуща любым атомным системам?

Подобные рассуждения привели в 1913 году И. Бора к предположению о неприменимости максвелловской электродинамики к электронам, движущимся в атомах. В основу своей теории Н. Бор положил следующие постулаты:

1)   в атоме происходят движения электронов по некоторым стационарным круговым орбитам без излучения;

2)   стационарными будут те орбиты, для которых момент количества движения электрона mvR равен целому кратному величины h/2π, то есть

            mvnRn=nh/2π ,        где n=1, 2, 3….

3)   излучение и поглощение света атомами происходит при переходе электронов с одних стационарных орбит на другие.

Планетарная модель атома в теории Бора “модернизирована”, то есть электроны могут перескакивать с орбиты на орбиту, когда атом переходит из одного стационарного состояния в другое.

Так, при изложении вопроса об излучении света атомом существует аналогия с реальным макропроцессом—вылетом стрелы из лука.

 Оба процесса возможны только в том случае, если уча­ствующие в них объекты (атом, лук) нахо­дятся в возбужденном состоянии (в послед­нем случае под «возбуждением» понимается натяжение тетивы). Тетива и атом в конечном счете возвращаются в невозбужден­ное состояние (ему соответствует наименьшее из возможных значение энергии);  при этом соблюдается закон сохранения энергии (потенциальная энергия упруго деформиро­ванной тетивы переходит в кинетическую энергию стрелы, а энергия возбуждения ато­ма «уносится» фотоном: Е2-Е1=hν.

Однако между этими явлениями есть различие:

1)   при натяжении тетивы ей может быть со­общена любая энергия, т. е. ее энергия мо­жет изменяться непрерывно; для возбужде­ния атома ему нужно сообщить определен­ную порцию (квант) энергии, соответствую­щую разности уровней энергии, между кото­рыми осуществляется «переход» электрона в рамках модели Резерфорда—Бора;

2)    воз­вращаясь в «невозбужденное» состояние, те­тива «проходит» все промежуточные состоя­ния (значения энергии),, таких состояний, очевидно, бесчисленное множество; электрон же в атоме переходит из любого возбужден­ного состояния в нормальное либо одним, либо несколькими последовательными  скач­ками, минуя промежуточные значения энер­гии;

3)   стрела, символизирующая световой квант, существовала до возбуждения тетивы и до вылета покоилась относительно лука, при вылете она постепенно набирала ско­рость от нуля до какого-то максимального значения; фотон “рождается” лишь благодаря переходу атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, т.е. переходу электрона на более низкую орбиту; покоящегося же (относительно любой системы отчета) фотон не существует: фотон сразу приобретает скорость света.

Постулаты Бора дают возможность вычислить полную энергию атома исходя из уравнений:

mvR=nh/2π  (1)

   (2)

   (3)

V=nh/2πmR;    n2h2/4π2mR3=Ze2/R2

R=n2h2/Ze24π2m

E=-   (4)   где n =1, 2, 3…..

Полную энергию атома при определенном стационарном состояии называют энергетическим уровнем. Вычисляя значения E при n=1, E при n=2 и т. д., получаем ряд значений энергии:

  Е1=-13,53 эВ;    Е2=-3,4 эВ;     Е3=-1,5 эВ;  Е4=-0,8 эВ и т.п.

При n=∞    Е∞=0.

После вычислений строим график (рис.5.):

Рис.5.

Ось энергии в этом графике берут вертикальной, за начало отсчета выбирают энергию атома, когда его электрон удален в бесконечность – это нулевой уровень энергии атома. Так как энергия атома орбитальна, то все последующие значения энергии будут ниже нулевого уровня. Минимум энергии (E1=-13,53эВ) атома соответствует невозбужденному его состоянию, когда электрон находится на наиболее близкой к ядру орбите. Выбирают масштаб таким образом, чтобы потом легко было разделить отрезок, соответствующий расстоянию между уровнями   E∞ и E1  на 4, 9, 16 и т. д., равных частей. Построенное таким образом изображение значений энергии атома в различных его состояниях называют энергетической моделью атома.

Энергетическая модель атома дает ряд объяснений:

а) объяснение происхождения линейчатых спектров.

Линейчатый спектр испускания объясняют переходом атома, находящегося в возбужденном состоянии, с высшего энергетического уровня на более низкий. Например, при переходе со второго энергетического уровня на первый энергия атома уменьшается на Е2-Е1=1,77 эВ; при этом испускается фотон света с длиной волны, равной

                                λ=

Линии поглощения в спектре атома образуются в результате перехода атома с энергетического уровня, соответствующего невозбужденному состоянию атома, на более низкий уровень за счет энергии получаемой из вне. Так как атом обладает вполне определенными, дискретными значениями энергии, то и длины волн излучаемого или поглощаемого света вполне определены. Чем больше разность энергий уровня атома, тем меньшей длины волны испускается свет.

б) Объяснение люминесценции.

Механизм флюоресценции показан на рис.6.

                                               Рис.6.

Фотон с энергией  hν15 поглощается молекулой, переводя ее из состояния с энергией  Е в возбужденное состояние Е1  . Обратный переход может идти прямо (пунктирная линия) или в виде каскадного процесса, когда испускаются различные фотоны с энергиями  hν54  , hν42  , hν21  , причем энергия поглощенного фотона (hν0) может оказаться меньше суммарной энергии испускаемых фотонов (hν) . Часть энергии фотона (А) передается соседним молекулам и затрачивается на различные внутримолекулярные процессы. Поэтому справедливо равенство:

                         hν = hν0 –A

Откуда   ν < ν 0, λ > λ0 ,то есть длина волны испускаемого света при люминесценции меньше длины волны падающего света.

Фосфоресценцию наблюдают в кристаллах, где центрами свечения являются атомы, ионы или группы их. Электрон, возбужденный поглощаемым светом, нередко отделяется от центра свечения. При возвращении электрона на прежнее место свечение возобновляется. Так как скорость перемещения электрона в кристалле мала, то свечение может продолжаться длительное время.

Поэтому при изучении энергетических диаграмм полезно сопоставить их с планетарной моделью Резерфорда – Бора, обратив внимание на важные моменты:

1.    В энергетической модели орбит нет, указываются лишь энергии атомов в определенных состояниях.

2.    В соответствии с этим речь идет не о перескоках с орбиты на орбиту, а о переходе атомов из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией (при излучении) или же наоборот (при возбуждении).

      3.  Расстояние между орбитами имеют геометрический смысл, а между уровнями – энергетический; поэтому говорить о скачках электрона с уровня на уровень недопустимо.

Таким образом данная аналогия помогает учащимся лучше разобраться и понять постулаты Бора и энергетическую модель атома.

ГЛАВА 3. Изучение аналогий на факультативах,

кружках и спецкурсах.

§ 8. Волчок и магнит.

Рассмотрим пример, который заключается в запуске волчка. При запуске волчка, мы любуемся его кружением, удивляемся его устойчивости и нам хочется разгадать его тайну. Почему неподвижный волчок не может стоять на острие своей оси, а приведи его в быстрое движение – и, словно перед тобой совсем другой предмет, он стойко держится, вращаясь вокруг вертикальной оси. Мало того, волчок упорно сопротивляется попыткам упорно вывести его из этого положения. Если попытаться толкнуть его, вывести волчок из вертикального положения, опрокинуть, но волчок и после толчка продолжает кружиться, описывая своей осью кони­ческую поверхность (рис. 1).

Рис.1.

    Если рассмотреть опыт с вращающейся цепью и  заставить ее стоять, как твердый обруч, покажется смеш­ной фантазией, но сообщите цепи быстрое вращение, надев ее на вращающийся шкив, и затем сдвиньте в сторону, дайте ей со­скользнуть на стол, и она «побежит» по столу так же, как если бы была твердым кольцом.

Механика дает объяснение этому удивительному явлению. Для этого надо знать закон сохранения момента импульса.  Для вращательного движения справедлив закон сохранения момента импульса: L = Iw = const. где L — момент импульса; I — момент инерции, характеризующий инерцию вращательного движения, w — угловая скорость. Только под действием внешних сил, например трения, катящаяся цепочка может уменьшить скорость враще­ния и тогда, потеряв форму, упадет на стол. То же относится и к волчку.

Мы познакомились с одним свойством волчка—сохранением направления оси волчка. Обратимся ко второму важному его свойству. Лучше всего оно обнаруживается в следующем опыте (рис. 2).

Рис.2.

    Сплошная латунная шайба К. с утолщенным ободом надета на стальную ось А, вокруг которой она может вращаться внутри латунного кольца . Если намотать на ось шнурок и бы­стро потянуть его, то шайба придет в быстрое вращение. При­лив D на кольце R имеет снизу углубление, которым весь волчок может быть надет на стальное острие штатива. Если при этом не поддерживать прибор рукой, то он под действием силы тяже­сти опрокинется и упадет. Если же, прежде чем убрать руку, привести прибор во вращение, то ось волчка с его кольцами как бы повиснет в горизонтальном положении, причем вся система будет поворачиваться вокруг вертикальной оси штатива. Это вращение получило название прецессии. Прецессия возникла как результат действия силы тяжести и стремления вращающегося волчка сохранять направление оси.

В 1852 г. французский физик Фуко обнаружил, что горизон­тальная ось вращающегося волчка устанавливается в направле­нии север — юг, подобно магнитной стрелке компаса. С той раз­ницей, что ось волчка устанавливается в плоскости географиче­ского меридиана, а стрелка компаса в плоскости магнитного ме­ридиана, который, как известно, не совпадает с географическим.

Объясним это удивительное свойство волчка. Для простоты представим, что наш гироскоп расположен на экваторе в точке А (рис. 3), причем его ось ориентирована с востока на запад. Так как Земля вращается, то через некоторое время точ­ка А перейдет из положения 1 в положение 2. Ось гироскопа, как мы знаем, стремится сохранить прежнее направление, но действие силы тяжести приводит ее снова в горизонтальное по­ложение. Совместное действие силы тяжести и вращения вызы­вает прецессию. Ось поворачивается до тех пор, пока не устано­вится параллельно земной оси, в плоскости меридиана с севера на юг. После этого прецессия прекращается, так 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).

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:

где Г - увеличение лупы, F - фокусное расстояние, измеряемое в сантиметрах. При ненапряженном глазе увеличение, даваемое лупой, равно

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

для далеких предметов (d=¥) дробь   исчезающе мала, и тогда 

 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:

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

 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.