На чтение: ≈ 22 мин.Задачи урока: – обратиться к истории науки, чтобы увидеть как труден и длителен путь ученого к истине, которая фомулируется сегодня в виде короткого уравнения или закона; изучать биографии ученых и истории научных открытий.
В 10-м классе мы рассматривали электрические и магнитные поля, не изменяющиеся с течением времени, и выяснили, что электрическое поле создается неподвижными заряженными частицами, а магнитное движущимся, т.е. электрическим током. Силу тока измеряют в Амперах. Мы не удержались от искушения и написали эти красивейшие уравнения. В них заключено все учение об электричестве и магнетизме. (Зачитывает, снимая со стены, затем вешает на место). Давайте поразмыслим над выражениями: Я покажу вам алгоритм решения задач по теории электромагнитных волн. Давайте поразмышляем. Как радиоволны достигают обратной стороны Земли? о существовании давления, производимого электромагнитными волнами, проверил П.Н.Лебедев. Понимая, как трудно обнаружить давление света на газ, он начал с изучения давления света на твердое тело. Но и эта задача была чрезвычайно сложной. Вот как писал Лорд Кельвин Тимирязеву: Иллюстрация с сайта: http://www.nndb.com/people/419/000072203/
Учитель:
В 11-м классе мы перешли к знакомству с электрическим и магнитными полями, которые меняются со временем.
Ведущий: Мы поняли, что изменяющееся во времени магнтное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное. Без этой связи разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы столь обширным. Не существовало бы ни радиоволн, ни света.
Как эта связь была открыта?
План нашего исторического поиска таков:
1. Установление связи электричества и магнетизма как важнейший этап, подготовивший выдвижение идеи поля (Ганс Христиан Эрстед 15.02.1820 г. и Анри Ампер, 18.09.1820 г.).
2. Идея близкодействия в работах Майкла Фарадея, 29.08.1831 г.
3. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом, 1855-1873.
4. Утверждение теории Максвелла.
Выводы:
1. Подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.
2. Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется.
3. При анализе явления электромагнитной индукции Максвеллом был сделан вывод о порождении вихревого электрнического поля переменным магнитным полем. Затем Максвелл предложил, что аналогичным образом переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле. Отсюда следует, что в природе существует единое целое электромагнитное поле.
4. Процесс распространения электромагнитного возмущения равен скорости света в вакууме.
Свойства электромагнитным волн: (Т.Герц, А.С.Попов, П.Н.Лебедев)
– плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника;
б) интерференция волн и образование стоячей волны;
в) преломление волн;
г) отражение волн;
д) поляризация волн
е) скорость электромагнитной волны равна С = 3 х 10 м/с.
1895 г. – интерференция, поляризация, отражение, преломление, двойное преломление в кристаллах.
1899 г. – давление света.
1909 г. – давление света на газ.
Группа Эрстеда
Мы узнали, что честь установления связи электричества с магнетизмом принадлежит датскому ученому Гансу Христиану Эрстеду.
Диэлектрическая идея о взаимосвязи явлений, воспринятая Эрстедом из философии Гегеля, заставила его целенаправленно искать связь между электричеством и магнетизмом. За несколько лет до своего открытия он пишет: «Следует испробовать, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит». Но, видимо, он долго не смог понять, как проверить свою догадку.
15 февраля 1820 г. Эрстед на лекции демонстрировал нагревание проводника с током. Вблизи находилась магнитная стрелка. Все обратили внимание, что при прохождении тока стрелка поворачивалась. Эрстед тщательно изучил наблюдаемый эффект и опубликовал о нем сообщение.
Ведущий читает вывод, секретарь пишет его на доске, а ученики – в тетрадях.
Выводы Ампера
11 сентября Ампер наблюдал опыт Эрстеда, а 18 сентября сам выступил с докладом, в котором выдвинул мысль об этом. Поскольку ток вызывает ориентацию магнитной стрелки, значит, ориентация стрелки компаса под действием земного магнетизма вызвана токами, текущими в земле с востока на запад. Он предположил, что магнитное действие постоянного магнита обусловлено существованием круговых токов, циркулирующих в плоскостях магнита перпендикулярно его оси.
Амперу принадлежит идея гальванометра. Он ввел термины «напряжение» и «сила тока».
Ведущий: Силу тока измеряют в Амперах.
Давайте поразмыслим, что может рассказать Ампер о вихревых парадах и бунтах.
Дарования Ампера проявились очень рано. В 13 лет он прочел 20 томов энциклопедии Дидро, хотя официального образования не получил. Интересы его были чрезвычайно обширны: разные отрасли математики, биология, геология, философия, химия и, конечно, физика. Окружающим он казался человеком странным: близорукий, рассеянный, доверчивый, мало обращающий внимания на свой внешний вид, да к тому же имеющий неприятную привычку прямолинейно говорить собеседнику все то, что думал о нем. Его открытия многие коллеги не понимали и встречали скептическими усмешками. Приборы он покупал и изготовлял на свои деньги. Приходилось выпрашивать дополнительную работу у университетского начальства. Он был человеком редчайшей скромности. Немногие современники по достоинству оценили его заслуги. Слава пришла к нему лишь после смерти.
«Смерть Ампера – несчастье национальное» – сказал Доминик Араго. И это, конечно, была потеря не одной Франции.
Идеи Фарадея
Опыты Эрстеда и работы Ампера, доказавшие связь электричества и магнетизма, вызвали у Фарадея глубокий интерес к электромагнитизму. И это понятно, ведь идея взаимосвязи явлений, единства сил природы была ведущей в мировоззрении Фарадея. Не удивительно поэтому, что уже в 1821 г. он записал в своем дневнике в качестве задачи: «Превратить магнетизм в электричество». После этого он все время носил в кармане магнит и проволоку.
Соображения симметрии невольно наталкивают на мысль: если за счет электричества создается магнетизм, то должно быть справедливым и обратное суждение.
Мысли Фарадея 11 лет были заняты этой проблемой, но способ ее решения долго не давался в руки.
24 сентября Фарадей возбуждает ток в катушке, манипулируя постоянным магнитом.
17 октября подобные опыты приводят к выводу:
(Читает вывод ведущий, а секретарь пишет его на доске).
Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле.
28 октября Фарадей получает индукционный ток, снимает с оси обода медного диска, вращающегося между полюсами дугообразного магнита. Эта установка представляет собой первый генератор электрического тока.
Биография Фарадея
Фарадей родился в семье лондонского кузнеца. В 13 лет начал работать в книжной лавке. Интерес к знаниям побудил его посещать публичные лекции Хемфрида Дэви. Он написал письмо Дэви с просьбой предоставить любую работу в лаборатории. Дэви отказал, но Фарадею помог несчастный случай. Взрывом колбы в лаборатории был поврежден глаз Дэви, и он взял Фарадея к себе секретарем. Позднее он скажет: «Самым важным моим открытием было открытие Фарадея». Фарадей не был математиком. Все свои опыты он записывал в дневнике, который затем издали в виде «экспериментальных исследований по электричеству». Всего он опубликовал 220 работ. Это был очень порядочный, добрый и честный человек.
Идеи Максвелла
Казалось бы, идеи Фарадея должны были сразу дать мощный толчок развитию теоретических исследований. Фарадея очень высоко ценили как экспериментатора, но к его теоретическим идеям относились с недоверием. Р.Милликен писал: «Формалисты школы Ампера-Вебера с тайным, а иногда и явным презрением смотрели на грубые материальные силовые линии и трубки, порожденные фантазией переплетчика и лабораторного сторожа Фарадея».
Теория поля Фарадея не соответствовала идеалу физической теории – она не была выражена на языке математики. Максвелл поставил перед собой задачу выразить идеи Фарадея языком математики и в конце концов блестяще ее решил. По выражению Р.Милликена, он облек плебейские обнаженные представления Фарадея в аристократические одежды математики.
Ведущий: Мы не удержались от искушения и написали эти красивейшие уравнения. В них заключено все учение об электричестве и магнетизме. (Зачитывает, снимая со стены, затем вешает на место).
Уравнения максвелла
В природе отсутствуют свободные магнитные заряды. значит, линии магнитного поля замкнуты (они нигде не начинаются и нигде не кончаются).
Вихревое магнитное поле создается при движении электрических зарядов и при изменении во времени электрического поля в вакууме.
Ток проводниковый может отсутствовать там, где магнитное поле будет создаваться только переменным электрическим полем.
Изменяющееся во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
(3акон электрической магнитной индукции).
Электрическое поле неразрывно связано с электрическими зарядами. Силовые линии поля начинаются или заканчиваются на зарядах.
Биография Максвелла
Максвелл – выходец из состоятельной шотландской семьи клерков в Эдинбурге. Он окончил школу и университет, а затем продолжил образование в Кембридже. Максвелл отличался большой простотой, мягкостью, искренностью в общении с людьми, никогда не проявлял обидчивости и себялюбия. Не стремился к славе, спокойно принимал критику в свой адрес, ценил юмор. Самообладание и выдержка всегда были его спутниками. Он умер в возрасте 48 лет, из которых 18 лет изучал электромагнитное поле.
Ведущий зачитывает вывод, а секретарь пишет:
1. Вихревое электрическое поле порождается переменным магнитным полем. А переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле. То есть в природе существует единое целое электромагнитное поле.
2. Процесс распространения электромагнитного возмущения равен скорости света в вакууме.
Под руководством учителя ребята проводят опыт с катушкой Томсона.
Ведущий: Давайте поразмыслим над выражениями:
1. Поле – стремительный гонец.
2. Двуликий Янус электромагнитизма. О чем это?
Теории Максвелла еще предстояло утвердить себя. Поначалу ее мало кто понимал. Даже Больцман считал ее «тайной за семью печатями» и в качестве эпиграфа к курсу лекций по теории Максвелла взял фразу из Фауста: «Я должен пот тяжелый лить, чтоб объяснить вам то, чего я сам не понимаю».
Герц и его опыты
1. Точно следуя теории Максвелла, Генрих Герц в 1887 году ставит опыты, используя открытый колебательный контур. Он находит способ генерирования самых высокочастотных в то время колебаний.
Это были первые в мире передатчик и приемник.
Пользуясь своим диполем, он обнаружил следующие свойства электромагнитных волн:
1. Токи смещения и проводимости эквиваленты.
2. Интерференция электромагнитных волн и образование стоячей волны.
3. Отражение волн.
4. Преломление волн.
5. Поляризация волн.
Герц рассчитал и вычислил скорость электромагнитных волн, придал уравнениям Максвелла современный вид.
Ведущий: Я покажу вам алгоритм решения задач по теории электромагнитных волн.
Биография Герца
Генрих Герц уже в ранние годы проявил блестящие способности в разных отраслях знаний. Он с одинаковым успехом изучал физику и арабский. К тому же имел хорошие ремесленные навыки, так что когда Герц стал знаменитым ученым, мастер, учивший его, сказал: «Жаль, из него мог бы получиться отличный токарь».
Опыты Попова
Получив сообщение об опытах Герца, А.С.Попов сразу же воспроизвел их и догадался о возможности практического использования электромагнитных волн.
Используя когерер, Попов создал свой знаменитый «грозоотметчик» – приемник радиосигналов, впервые использовав для увеличения чувствительности приемника антенну.
7 мая 1895 г. Попов продемонстрировал на заседании русского физико-химического общества свои приемники первой конструкции.
24 марта 1896 г. Попов осуществил первую в мире радиопередачу. Его первая телеграмма состояла из двух слов. Эта передача велась на расстоянии 250 м.
В 1897 г. аппаратура Попова использовалась в спасательных работах в Финском заливе. Таким образом, есть полное основание утверждать, что радио – это детище гения русского человека.
Включается радио, звучит музыка и вопрос: из каких двух слов состояла телеграмма Попова.
Биография Попова
Попов, сын священника, не удовлетворившись образованием, полученным в духовном училище, поступил в Петербургский университет. Работал преподавателем электротехники в Кронштадте, затем стал директором Петербургского электротехнического института.
Умер в 1905 г. от кровоизлияния в мозг после отказа ввести в институт полицию и внедрить тайных агентов.
Ведущий: Давайте поразмышляем. Как радиоволны достигают обратной стороны Земли?
Открытие А.С.Попова вместе с опытами Герца и Лебедева явилось убедительным доказательством того, что предсказанное в работах Фарадея и Максвелла электромагнитное поле есть объективная реальность, а не гипотеза. Как же можно не верить в существование того, что человек не только воспроизвел в эксперименте, но и поставил себе на службу?!
В 1891 г., продолжая проверку выводов теории Максвелла, П.Н.Лебедев разработал гипотезу о световом давлении, строго объясняя с этих позиций причину образования хвостов комет.
В 1899 г. Лебедев сообщил о наличии светового давления, хорошо согласующегося с выводом Максвелла.
В 1909 г. он рассчитал давление света на газ. В 46 лет Лебедев умер. Проводить дорогого учителя собрались все ученики, друзья и толпы молодежи. Ученики плакали над гробом учителя, как плачут дети над гробом своих родителей. И это понятно – ушел из жизни человек, необычайно преданный науке.
Биография Лебедева
Идеи Максвелла о существовании давления, производимого электромагнитными волнами, проверил П.Н.Лебедев. Понимая, как трудно обнаружить давление света на газ, он начал с изучения давления света на твердое тело. Но и эта задача была чрезвычайно сложной.
Для преодоления всех этих трудностей потребовалось много времени, сил, терпения, выдумки, мастерства – и любви к науке. Петру Николаевичу приходилось все делать своими руками. Работал он часто по ночам, т.к. днем проезжавшие мимо здания лаборатории повозки и экипажи вызывали сотрясение почвы, влияющие на крыльчатку.
В 1899 г. он измерил световое давление на тела.
В 1909 г. измерил давление света на газ. Огромное напряжение подорвало его здоровье.
Труд в Московском университете не был легким. Ученый с мировым именем долгое время не имел элементарных условий для научной работы. И тем не менее Лебедев организовал лабораторию и создал лучшую в России того времени школу физиков. О каждом из своих учеников он трогательно заботился, каждому помогал словом и делом, надеясь на то, что русские физики смогут занять достойное место в мировой науке.
Опыты Лебедева
Ведущий: Вот как писал Лорд Кельвин Тимирязеву:
«Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытом». Пашен писал Лебедеву: «Я считаю ваш результат одним из важнейших достижений физики начала XX века».
И в заключение давайте поразмыслим над пословицей «Сполох красиво играет, да не греет». Какое наблюдаемое на севере явление описано в этой пословице?
Любовь Леднева, учитель физики СШ № 9, г. Кумертау, Республика Башкирия, участница конкурса «Сто друзей»
Выбор читателей
Комментарии