Обобщение опыта работа по теме «Возможности использования кейсового метода обучения на уроках физики»

Обобщение опыта работа по теме

«Возможности использования

кейсового метода обучения

на уроках физики».

Содержание.

Введение……………………………………………………………………...3

ГлаваI. Психолого-педагогические проблемы развития мышления……..5

1.1. Понятие "мышление", "интеллект", "развитие мышления"…………..5

1.2. Структура мыслительной деятельности……………………………….8

1.3. Задачи по физике с техническим содержанием как один из путей развития творческого мышления……………………………………………….11

Глава 2. Кейсовый метод обучения – один из путей развития творческого мышления учащихся в процессе обучения физики……………………………17

2.1. Понятие кейсового метода обучения…………………………………17

2.2. Кейс "Электризация"…………………………………………………..19

2.3. Кейс "Генераторы"……………………………………………………..36

2.4. Кейс "Электромагниты"……………………………………………….47

Заключение………………………………………………………………….66

Литература…………………………………………………………………..69

Введение.

Физика всегда была основой научно-технического прогресса, её достижения составляют базу таких главных направлений прогресса, как механизация, энергетика, автоматизация, создание новых материалов.

Выпускник средней школы или среднего профессионального училища в своей профессиональной деятельности имеет дело с орудиями труда и технологическими процессами, в основе которых лежат физические законы. Техническое перевооружение производства – комплексная механизация и автоматизация, внедрение вычислительной техники – требует от рабочих знания основ физической науки, владение определёнными умениями и навыками политехнического характера, которые могут быть сформулированы при обучении физике.

Кроме того, - в современных условиях произошла смена парадигм образования (со знаниево-ориентировочной на личностно ориентировочную). Исходя из новой парадигмы среднего образования в России – учитель не является основным источником новых знаний, он в первую очередь организатор познавательной деятельности учащихся. Учитель «строит» учебно-воспитательный процесс, исходя из поставленной цели, содержания учебного материала (определяемого программой курса), учебника (дающего основной учебный материал), заданий для учащихся (для организации их самостоятельной работы), средств обучения, необходимых для этого курса, находя наиболее эффективные формы организации обучения.

В связи с этим, требуют пересмотра методики обучения, модели деятельности и взаимодействия преподавателей и обучаемых.

До сих пор в общеобразовательной школе в условиях классно-урочной системы приоритет остаётся за объяснительно-иллюстративными и репродуктивными методами, т.к. они коррелируют со структурой обучения на уроке, которая включает в себя следующие этапы: введение нового материала (учителем), его закрепление (под руководством учителя), воспроизведение (запоминание) и применение. Такое соотношение видов деятельности было адекватно целям формирования послушных исполнителей.

Задача эффективного решения проблемы личностно-ориентированного обучения требует смещения приоритета на самостоятельные виды деятельности, самостоятельную активность учащихся по поиску, обработке, осмыслению и применению необходимой информации.

В настоящее время классно-урочная система занятий как единственная форма работы в школе вступает в противоречие с перспективными методами и средствами обучения, к которым относятся, например, работа в малых группах и работа над проектами. Требуются более гибкие формы организации учебных занятий.

Все вышеизложенное определяет актуальность исследуемой проблемы. Поэтому, цель дипломной работы – нахождение новых методов и приёмов решения задач с техническим содержанием.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

- рассмотреть психолого-педагогические проблемы развития творческого мышления;

- изучить кейсовый метод обучения, получивший широкое применение в бизнес-образовании за рубежом;

- разработать кейсы по темам «Электризация тел», «Электромагниты», «Генераторы» и использовать их на практике.

Объект исследования – организация педагогического процесса в современной школе.

Предмет исследования – кейсовый метод обучения при решении задач с техническим содержанием.

Дипломная работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы.

ГлаваI.

Психолого-педагогические проблемы развития мышления.

В данной главе рассматривается содержание и сфера действия понятия «мышление», основные черты творческого и технического мышления.

1.1. Понятие «мышление», «интеллекта», «развития мышления».

Обзор работ психологов [3; 13; 23] позволяет утверждать, что мышление– это деятельность по генериро­ванию и отбору информации, присущая разрешению проблем. Если мышление является деятельностью, то эта деятельность является совокупностью процессов, направленных на достижение результата. Мышление является внутренней деятельностью, которая протекает в человеческом разуме, и поэтому неявна.

Наиболее специфической характеристикой способно­сти мышления, которая отличает её от простой способности наблюдения и запоминания, является то, что она позволяет генерировать новую информацию о предметах. По мнению С.Л. Рубинштейна, «мышление прежде всего процесс творческий, который позволяет получать новые знания» [23].

Дж. Брунер также доказывает, что мышление является деятельностью, которая позволяет выходить за рамки полученной информации.

Процесс мышления, таким образом, основан на генерировании информации, а также на её селекции. Выдвигая идею, конструируя метод, либо формулируя гипотезу, человек должен провести их анализ и отбор. Мышление происхо­дит не только при решении проблемных ситуаций. Некоторые психологи, например Берлин, Мальцман, Шевчук разделяют мышление на два вида: мышление продуктивное и мышление репродуктивное.

Продуктивное мышление основано на генерировании информации в проблемных ситуациях, а репродуктивное - на использовании уже имеющихся знаний.

Продуктивное мышление, которое характерно для по­знавания новых взаимосвязей, называется творческим.

При репродуктивном мышлении субъект осуществляет знакомые ему действия со знакомым материалом, достигая знакомых результатов или приобретая новые результаты известными ему путями. Творческое мышление отличается тем, что субъект посред­ством особых процедур достигает в процессе самостоятель­ного поиска новых для себя результатов.

Между тем, в процессе обучения порой невозможно четко разделить эти типы мышления, так как при воспроиз­ведении в несколько измененных условиях содержится эле­мент творчества; в свою очередь, любой акт творческой деятельности невозможен без репродуктивной. Так, О. Зельц указывает, «...путем актуализации психических операций или методов решения, т.е. путем процессов репродуктивного характера, могут возникнуть продуктивные духовные достижения» [9].

Мышление является осно­вой познавательной деятельности, переходом от окружаю­щей действительности к знанию, от одних элементов знания к другим, и опять же от знания к действительности - к действию.

Мышление включается тотчас же, как человек попадает в ситуацию, которая становится для него подлежащей решению задачей, а он не располагает готовым способом её решения. Именно в такой ситуации может оказаться человек, которому предложено рассчитать расстояние от Земли до Луны либо от Земли до Солнца, когда не знает нужных правил и формул.

Остановимся на определении и содержании понятия «интеллект».

В современной психолого-педагогической литературе можно встретить сравнительно большое количество различных определений интеллекта. Например, «интеллект - это способность решать задачи», «интеллект - это процесс переработки информации», «интеллект - это обучаемость, то есть способность усваивать и самостоятельно добывать но вые знания» и т.п. Эти определения, как видим, называют способности, позволяющие человеку решать задачи обрабатывать информацию, и характеризуют его способность к обучению. На наш взгляд, перечисленные, а так же некоторые другие способности являются следствием того, что человек обладает интеллектом - феноменом, который не определен в перечисленных утверждениях.

Существует определение интеллекта, предложенное Векслером, которое является более общим, чем перечисленные. С этим определением, как утверждает Ж. Годфруа, согласны большинство психологов. Интеллект - «спо­собность индивидуума адаптироваться к окружающей среде». Данное определение называет именно тот феномен, ко­торый имеют в виду, говоря об интеллекте. Человек, обладающий названной способностью, скорее всего способен к решению задач (проблем), переработке информации, обучению и так далее. Однако мы не можем принять это определение как рабочее, поскольку из него не следуют возможные пути развития интеллекта.

Наиболееподходящим, с точки зрения путей и возможностей развития, нам показалось следующее определение интеллекта: интеллект - «уровень способности человека пользоваться механизмами мышления».

Междуинтеллектом и мышлением осуществляется постоянное взаимодействие: мышление является процессом функционирования интеллекта, а развитие интеллекта обусловлено качеством мыслительной деятельности. Таким образом, развитие интеллекта зависит от его же функционирования, поскольку он может совершенствоваться только через свою деятельность - через мышление.

Таким образом, деятельность и ее результаты не только можно, но и нужно рассматривать как функционирование интеллекта. В.Ю. Крамаренко выделил три условия организации интеллекта, здравый смысл, рассудок, разум.

Однако следует подчеркнуть, что развитие интеллекта должно идти по такому пути, где три уровня функционируют в полную силу.

В работе В.Ю. Крамаренко, посвящённой уровням развития интеллекта, чётко разграничиваются понятия «интеллект» и «мышление». Автор доказывает, что между реальной основой, которая выступает в форме интеллекта, и её актуализацией, проявляющейся в форме мыслительной деятельности, нет и не может быть однозначного соответствия. Наличие умственных способностей, достаточных для решения той или иной задачи, не означает её автоматического решения.

1.2. Структура мыслительной деятельности.

Рассмотрим структуру мыслительной деятельности.

Можно выделить четыре принципа развития мышления:

1. Принцип объединения мышления и знаний практического характера с мышлением теоретическим: переход от мышления и познания конкретно-практического, основанного на наблюдениях и воображении, а также аналогии между ними, к мышлению и познанию абстрактно-теоретическому, основанному на научных определениях и формальных связях между ними и наоборот.

2. Принцип систематизации полученных знаний и умение использовать их на практике, в особенности для про­движения на пути приобретения новых знаний, предвидения и объяснения явлений, а также доказательства и проверки утверждений, опираясь на полученные знания и опыт.

3. Принцип соединения науки с техникой, переход от законов науки к основам техники.

4. Принцип соединения знания с действием, планирование и выполнение различного рода деятельности, связанной с обучением.

Одним из центральных в проблеме развития мышления является вопрос об организации активной мыслительной деятельности учащихся. «Научные понятия не усваиваются и не заучиваются ребенком, не берутся памятью, а возникают и складываются с помощью величайшего напряжения всей активности его собственной мысли» - писал Л.С.Выготский. Без разрешения проблемы активизации мышления невозможно не только решение, но даже постановка отдельных частных проблем, связанных с формированием естественнонаучного мышления школьников.

Проблема активизации учения давно привлекает к себе пристальное внимание ученых.

В психологии известно, что отдельные функции сознания и мышления связаны друг с другом. Каковы же важнейшие факторы, влияющие на активность мыслитель­ного процесса, и какова связь между ними? «Мышление, как и всякая деятельность человека, всегда исходит из каких-то побуждений: где их нет, нет и деятельности, которую они могли бы вызвать... для того чтобы он вообще совершался, нужны какие-то мотивы, побуждающие человека думать» [23].

Проблема мотивации занимает в психологии мышления, познания обучения большое место.

Для того чтобы учебная проблема служила стимулом активизации мышления, цель, которая может быть достигнута путем ее решения, должна быть для ученика субъективно важной и значительной.

Очень большое значение роли установки, потребности, готовности к восприятию придает Дж. Брунер. Он утверждает, что индивид, готовый к восприятию, в состоянии пользоваться своей познавательной готовностью не только для решения стоящих перед ним задач, но и для предвидения тех, что могут перед ним оказаться. Более того, он высказывает гипотезу о связи степени обобщения информации индивидом с наличием у него некоторого оптимального мотивационного состояния.

Дидакты и психологи выделяют разные мотивы учеб­ной деятельности: социальные, моральные, познавательные, мотивы общения, мотивы самовоспитания. Для интересующей нас проблемы активизации мышления наиболее благо­приятным мотивом является познавательный интерес, «благодаря которому создается внутренняя среда, содействующая расположенности школьника к учебному процессу, к действиям учителя, к заданиям, которые он выполняет, к учебным действиям и своей деятельности в целом».

Проблема познавательного интереса в педагогике ис­следована Г.И.Шукиной. Она показала, что под влиянием познавательного интереса активизируются все процес­сы познания; обостряется работа памяти, воображения, вос­приятия. Дж. Брунер считает, что при поддержании у ребенка интереса к предмету, сам предмет вознаграждает учащегося, давая эффект растущего понимания.

Психологи утверждают, что интерес новизны возникает там, где новое может вступить в связь с прошлым опытом. Не вызывает интереса непонятное и слишком хорошо знакомое. И в том, и в другом случае не устанавливаются должные связи между новыми раздражителями и следами прежних возбуждений. Наибольший интерес возникает то­гда, когда раскрываются новые стороны в том, что нам в тои или иной мере известно и понятно. В психологии различают эпизодический, или ситуативный, и стойкий интерес.

Ситуативный интерес возникает и сохраняется лишь во время какой-то увлекающей ученика деятельности. Так при обучении физике он возникает при демонстрации занимательных опытов, увлекательном рассказе учителя, доступном самостоятельном эксперименте, демонстрации от дельных кинофрагментов и т.п. Особенность этого вида интереса та, что после прекращения увлекающей ученика деятельности интерес угасает. Стойкий же интерес является чертой личности. Именно он является познавательным интересом и играет большую роль в формировании познавательной активности. Постоянный интерес к учению и создает условие, при котором внутренние условия школьника совпадают с внешними воздействиями учителя, что и обеспечивает оптимальный уровень активности и приводит к развитию мышления учащихся.

1.3. Задачи по физике с техническим содержанием как один из путей развития творческого мышления.

Высшим уровнем интеллектуального развития является творчество человека.

Творчество – это «деятельность, порождающая нечто качественно новое, никогда раньше не бывшее». Достаточно полно исследован вопрос определения творчества А.В. Агеевым. Он определил признаки творчества следующим образом:

Изменение чего-либо в ходе деятельности.

Научное мышление.

Техническое мышление.

Воображение.

Обладание техническими умениями и навыками.

На основе признаков можно сформулировать определение интеллектуального творчества: интеллектуальное творчество – это процесс изменения чего-либо в ходе умственной деятельности на основе научного (и технического) мышления, в основном за счет воображения.

Рассмотрим, какими чертами обладает творческое мышление.

Во-первых, оно пластично (творческие люди предлагают множество решений в тех случаях, когда обычный человек может найти лишь одно или два).

Во-вторых, творческое мышление подвижно: для него не составляет труда перейти от одного аспекта проблемы к другому, не ограничиваясь одной точкой зрения.

В-третьих, творческое мышление оригинально.

Основными чертами творческой личности являются неожиданные, небанальные и непривычные решения, а также стремление к самореализации, поглощенность делом как призванием, аутентичность личности, независимость в суждениях, уверенность в своих силах, инициативность и гибкость, критичность и высокая степень рефлексии, восприимчивость и открытость по отношению к новому. Может показаться, что все перечисленные качества присущи и интеллектуальной личности. Однако это не так. В таблице 1. показано, что школьники в различной степени обладают интеллектом и творческими способностями.

Таблица 1.

Психологические характеристики школьников с различным соотношением интеллектуальных и творческих качеств

Творчество и интеллект – это две различные характеристики личности.

Актуализация задачи формирования мышления учащихся связана с тем, что в условиях быстрого развития науки и техники меняется характер труда людей. Развитие мышления учащихся в процессе обучения физике происходит уже потому, что изучение самой физической науки способствует этому.

Важной задачей обучения физике является нахождение дидактических путей формирования научных знаний, которые привели бы учащихся к изменений стиля мышления, к пониманию физики как науки развивающейся, раскрывающей качественные особенности различных областей материального мира.

Физика как учебный предмет обладает большими возможностями для создания условий творческого саморазвития школьников. Такие условия могут быть созданы при включении в учебный процесс по физике задач с техническим содержанием.

Рассмотрим понятие задачи с техническим содержанием.

Физическая учебная задача – это ситуация, требующая от учащихся мыслительных и практических действий на основе использования законов и методов физики, направленных на овладение знаниями по физике, умениями применять их на практике и развитие мышления.

Под физической задачей с производственно-техническим содержанием понимается такая задача, в которой обеспечивается в органическом единстве решение физических, технических и производственных вопросов. Содержанием этой задачи является физическое явление или закон, положенные в основу действия механизмов и машин современной техники или технологии промышленных процессов.

Такая задача выполняет в процессе обучения следующие функции:

- способствует сознательному усвоению учащимися изучаемого материала,

- расширяет их политехнический кругозор,

- создаёт условия для профессиональной ориентации школьников.

Задачи с производственно-техническим содержанием знакомят учащихся с физическими законами и явлениями, лежащими в основе развития современной техники и технологии производственных процессов, со свойствами материалов, применяемых в технике и производстве; сообщают сведения об экономической эффективности используемых механизмов и машин в данной отрасли народного хозяйства; способствуют подготовке учащихся к труду в условиях современного научно-технического прогресса.

Наиболее эффективным подходом к решению задачи развития мышления школьников является организация про­блемного обучения на уроке. Особенности проблемного обучения и пути его реализации раскрывает Г. Лехнер. Автор особо подчеркивает значение гипотез учеников на этапе решения проблемы. Он отмечает, что выдвинутые гипотезы дают учителю представление о знаниях учащихся, а также об их типичных ошибках. Г. Лехнер об­суждает вопрос о том, как организовать деятельность уча­щегося на занятиях по естественным наукам, чтобы осуществлялся продуктивный способ обучения. Главными, по мнению автора, являются два вопроса:

- какое содержание даёт возможность вырабатывать творческое мышление;

- как учитель может на уроках развивать такой способ мышления.

Интересно мнение автора о необходимости для учителя «знать, как думает ученик». Автор полагает, этому может помочь руководство учителя в решении учащимися проблем. Он обращает внимание учителя на весьма тонкие вопросы управления познавательной деятельностью учащихся. Так, подчёркивается необходимость активного вмешательства учителя в познавательный процесс с помощью знаний, оценки ответов учащихся и т.п. Грубыми ошибками автор считает, например, заявления учителя такого типа: «Это неправильно!», «Ты не обратил внимание на условие!», если эти восклицания прерывают ход размышления учащегося.

Научить мыслить - значит научить понимать противоречивость явлений природы, научить делать выводы на основании теории, устанавливать связи между количественными и качественными сторонами явлений, а это означает научиться применять полученные знания на практике, превращать знания в убеждения, а также научиться ставить под сомнение выдвигаемые истины и проверять их, одним словом, научиться ставить проблемы.

Развивать учащихся следует на материале конкретного предмета, широко используя ло­гику самого предмета и стремясь своими средствами раскрыть эту сторону процесса обучения учащихся содержанию предмета.

Школа должна учить мыслить, а не просто вооружать молодёжь знаниями. Умеющий мыслить может сам добыть знания, что и является основой самостоятельной творческой деятельности, тогда как развитие представляет собой очень сложную динамическую систему качественных и количест­венных изменений, которые происходят в мышлении человека под влиянием опыта, возраста, изменения общественно-исторических условий, в которых он живёт, индивидуальной эволюции его психики.

Основное противоречие процесса обучения как межсубъектного обмена деятельностей учителя и ученика – несоответствие опыта самореализации ученика и возможностей педагогического воздействия, направленных на усиление потребности ученика в самореализации за счёт обогащения её социально-ценностным содержанием и новыми способами деятельности. Разрешение этого противоречия ведёт к развитию субъектов и позволяет рассматривать личностно-ориентировочный процесс обучения как творческий

Процесс саморазвития как интеллектуального, так личностного и социального будет полным, если учащиеся сразу в процессе обучения будут иметь условия для реализации полученных знаний и проверки своих идей. Наи­большее удовлетворение даёт та деятельность, к которой человек более способен, т.е. когда совпадают направленность личности, познавательный интерес, склонности и способности, которые во многих случаях при совпадении развиваются в тесной взаимосвязи.

Познавательный интерес и творческая деятельность являются важнейшими факторами, взаимосвязанными и взаимодополняемыми, в процессе самореализации лично­сти, так как подпитываются их такие нормативные характе­ристики, как мышление, способность к социальной адаптации, саморегуляция. Последние качества развиваются в процессе деятельности, в данном случае, учебного процесса.

Результативность такой формулы, как интерес + творчество = самореализация, выражается в усилении проявления основной функции учебного процесса – развития личности ученика, которое выражается в возрастании тесноты этих показателей, регулируемых, вследствие свойственной старшеклассником рефлексии, самооценкой. Успешное выполнение задач самореализации в обучении стимулирует рост притязаний ученика. В результате возникает противоречие более высокого порядка как источник его дальнейшего развития.

Как показывают исследования ученых в области методики преподавания физики, деятельность учителя продуктивна, если направлена на создание таких условий на уроке, чтобы каждый ученик мог выбрать определённую форму предъявления усвоенных знаний, раскрывающую индивидуальную сущность личности, сильные стороны стиля познавательной деятельности, ведущие к достижению успеха и помогающие ученику в осознании присущих ему личностных качеств и способов деятельности.

На наш взгляд, одним из способов организации творческой деятельности на уроке может стать кейсовый метод обучения.

Глава 2.

Кейсовый метод обучения – один из путей развития творческого мышления учащихся в процессе обучения физики.

2.1. Понятие кейсового метода обучения.

В мировой практике под понятием кейс подразумевают описание, а также решение конкретной, проблемной ситуации.

Основная идея кейса – продемонстрировать учащимся широкий спектр выходов из проблемных ситуаций, похожих друг на друга.

В целом кейсовый метод позволяет решать следующие задачи:

- научиться принимать верные решения в условиях неопределённости;

- разрабатывать алгоритм принятия решений;

- применять полученные теоретические знания для решения практических задач;

- учитывать другие мнения при принятии окончательного решения.

Ситуационное обучение относится к активным методам обучения, подобно деловым играм, тренингу, дистанционному образованию. Кейс – один из таких инструментов.

Структура содержания кейса включает в себя такие основные разделы, как:

I. Краткое описание задачной ситуации.

II. Истоки и содержание проблемной ситуации.

III. Вопросы для обсуждения кейса.

IV. Конспект учителя.

V. Дополнительная информация за рамками проблемной ситуации.

Кейс должен содержать в себе так называемые «открытые» задачи.

Для более точного разделения понятий «закрытая» и «открытая» задачи уделяем им некоторое внимание и определимся в терминологии.

Закрытая задача – «классическая» учебная задача, в которой обязательно оговаривается что дано и что не известно. Ставится чёткий вопрос:

Что требуется найти?

Действия и решения производятся в соответствии с алгоритмом, освоенного на уроке, и имеется чаще всего единственный ответ.

Открытая задача – характеризуются тем, что у неё нет конкретного условия, отсутствует чётко сформулированный вопрос. Нет алгоритма и чаще всего в задаче, присутствует противоречие, которое ещё больше «мешает» её решить; нет известного заранее решения и нет единственно правильного ответа.

Перечислим три основных требования к условию учебной (изобретательской или исследовательской) задачи:

1) достаточность условия,

2) корректность вопроса,

3) наличие противоречия.

Открытую задачу можно сделать почти из любого интересного факта.

Практическая направленность раздела III позволяет решить задачи, поставленные перед кейсом, а именно – развить у учащихся логическое мышление, научить самостоятельно работать с дополнительными данными кейса. И как итог – принятие нестандартных решений.

РазделIV. Конспект учителя.

Данный раздел должен учителю ответить на вопросы:

1. Для кого и для чего написан кейс?

2. Какими знаниями и навыками должен овладеть учащийся?

3. Что из этого извлекут учащиеся?

4. Какие проблемы позволяют решить?

5. Как работать с кейсом в учебном процессе?

Технология разработки и использования кейса включает в себя следующие основные этапы:

I. Выбор идеи, концепции кейса.

II. Определение источников накопления и обработка материалов для кейса.

Ш. Процесс становления кейса, его структура, связь с конкретной проблемной ситуацией.

IV. Составление практического руководства для учителя.

V. Разработка папки учителя:

- план, цели, задачи;

- методы обучения;

- средства обучения;

- литература.

VI. Процесс использования кейса в обучении:

- индивидуальное изучение кейса;

- анализ проблемы и возможные варианты её решения;

- работа в малых группах, дискуссии;

- презентация решений проблемной ситуации, их обсуждение;

- преподавательская оценка и экспертиза альтернативных групповых решений.

Основная, таким образом, цель написания кейса и групповой работы учащихся с ним является не столько поиск конкретного решения, сколько процесс выявления учащимися оптимального варианта решения проблемной ситуации, помогающий приобрести определённые навыки и умения выхода из неё, развития творческого мышления у учащихся.

Рассмотрим в дипломной работе следующие кейсы.

2.2. Кейс Электризация.

Опасное электричество.

Электризация тел может быть и вредной и полезной.

Взаимодействие наэлектризованных тел затрудняет выполнение многих технологических операций. Например, электризация волокон вызывает их взаимное отталкивание, что мешает работе ткацких станков. Заряженную ткань трудно раскраивать. Такая ткань, кроме того, сильно загрязняется вследствие притяжения к ней частичек пыли.

В типографиях электризуются бумажные листы, что мешает их движению и укладке.

Особенно опасна электризация при транспортировке и перекачке легковоспламеняющихся жидкостей.

«Было уже за полночь, когда рабочий одной из нефтебаз в Удмуртской АССР И. Третьяков, заправив восемь цистерн авиационным бензином, перевёл резиновый наливной шланг очередную порожнюю ёмкость. Едва металлический наконечник шланга коснулся горловины цистерны, как вверх взметнулся пятнадцати метровый яркий столб огня. Мощной взрывной волной Третьякова отбросило от цистерны…»

(Газета «Известия», 03.10.68)

«Когда я переливал бензин из ведра через пластмассовую воронку в топливный бак мотоцикла, неожиданно из горловины бака возник огненный факел…»

(Журнал «За рулём», №3, 1987 г.)

Бензин перевозят в автоцистернах (бензовозах). В результате всплесков бензин может наэлектризоваться одним зарядом, а корпус цистерны – другим. Электризация может быть столь большой, что возникнут условия для искрового разряда, а это повлечёт за собой воспламенение бензина. Возникает угроза взрыва. Как можно предотвратить взрыв бензовоза?

Статическое электричество.

В настоящее время увеличился интерес к «электричеству от трения» - статическому электричеству (от латинского «находящийся в покое»).

Электризация происходит и в быту, и при любом технологическом процессе, где происходит взаимодействие движущихся тел, которые состоят из материалов, являющихся диэлектриками. Такое взаимодействие происходит при смещении, разделении, механической обработке и т.д. Чем больше скорость технологического процесса, тем значительнее электризация. Накопление зарядов продолжается до тех пор, пока не произойдёт искровой разряд.

Для получения искрового разряда можно использовать электрофорную машину.

Электростатическая машина Вимшерста.

Рассмотрим более подробно машину Вимшерста, которую используют для опытов по электростатике в школе.

Назначение и устройство.

Основные части машины рис.1 .

1.Деревянная подставка 1,на которой смонтированы все части прибора.

2.Две металлические стойки 2,укрепленные на подставке; в нижней части стоек имеется отверстие для установки оси шкивов, а в верхней части - для оси дисков.

3. Ось 3 с двумя насажанными на ней шкивами и с рукояткой для вращения. Рукоятка отвертывается.

4. Ось дисков 4,укрепленная с помощью винтов, входящих через отверстие стоек.

5.Два покрытых шеллачным лаком стеклянных или изготовленных из органического стекла диска 5 с 28 секторами из порошка алюминия. Диски удерживаются на оси с помощью ступиц и шайб, свинченных вместе и стягивающих диски; каждый диск со ступицей и шайбой может свободно вращаться вокруг своей оси. Между стеклянными дисками и ступицами имеются картонные прокладки. На внешних поверхностях ступиц выточены канавки для ремней.

6.Два щеткодержателя 6 с двумя щетками каждый, укрепленный на шайбах, надетых на ось дисков непосредственно рядом со ступицей. Стержни щеткодержателей кончаются металлическими щетками, касающимися стеклянных кругов (касание без нажима - необходимое условие работы машины). Щеткодержатели при сборке должны быть установлены таким образом, чтобы между ними получился угол, близкий к прямому углу; очень важно, чтобы щетки были расположены так, как это показано на рис 14, где машина изображена со стороны разрядников. В этом случае гребенки 8 с остриями будут находиться в зоне одинаковых (на том и другом круге) зарядов; стержни щеткодержателей при этом образуют с горизонтальной осью дисков угол, близкий к 45⁰.

7.Изолирующая горизонтальная планка 7, укрепленная на металлической стойке при помощи винта с шайбой. У концов изолирующей планки перпендикулярно к ней расположены 2 металлических цилиндра, на которых установлены гребенки и разрядники.

8.Две гребенки 8 с остриями, охватывающие (без касания) диски. Гребенки укреплены у концов металлических цилиндров при помощи зажимных винтов.

9.Два разрядника - кондукторы 9, на одном конце у которых имеются по два шарика, а на другом - изолирующая ручка. Разрядники удерживаются трением в изолирующей планке; благодаря этому их можно установить в требуемом положении.

10.Две лейденские банки 10,стержни которых касаются металлических цилиндров изолирующей планки; поверхность стекла банок покрыта шеллачным лаком.

11.Две клеммы 11 с соединительной пластинкой сообщаются внутренней проводкой с внешними обкладками банок.

12.Передача 12, состоящая из двух шкивов, двух кольцеобразных канавок на ступицах и 2-х ремней, из которых один надет накрест; благодаря этому при вращении нижней оси стеклянные диски приходят во вращение в противоположных направлениях.

Лейденские банки установлены на жестяных кружках, соединенных проводником с клеммами, закрепленными на подставке. Клеммы соединяются одна с другой при помощи металлической пластины (откидной), которая закрепляется этими же клеммами.

При желании разъединить внешние обкладки той и другой банки следует ослабить клеммы и отвести пластинку влево. Соединение внешних обкладок увеличивает общую емкость кондукторов, а, следовательно, и количество электрических зарядов, участвующих в разряде. Искра в этом случае более яркая. Диск диаметром 275мм дает искру не менее 50 мм.

Работа электростатической машиной Вимшерста.

Рассмотрим принцип действия машины Вимшерста. Пусть на одной из обкладок диска случайно возник положительный заряд . Опыт показывает, что на секторах или диске машины обычно имеются незначительные заряды, которые вполне достаточно для возбуждения машины. Поэтому для получения зарядов на кондукторах нужно только вращать рукоятку машины в направлении часовой стрелки.

В начале вращения несколько сближают шарики разрядников и дожидаются появления искры; только после этого устанавливают разрядники на требуемое расстояние.

Соединим находящуюся против него обкладку диска проводником с металлической метелкой с диаметрально противоположной обкладкой. Положительный заряд с левой верхней обкладки уйдет на правую нижнюю обкладку, при этом знаки электрических зарядов на обкладках будут противоположными (явление электростатической индукции). Повернем диск на пол-оборота по часовой стрелке. В результате вся правая верхняя часть будет заряжена отрицательно, а левая нижняя – положительно. Соединим таким же проводником с метелками две противоположные обкладки диска.Теперь там произойдет явление электростатической индукции под действием поля зарядов диска. Но разделение зарядов будет более значительным, так как влияет не одна, а несколько заряженных обкладок. После поворота диска против часовой стрелки заряды распределятся.

Если повернуть диск опять по часовой стрелке, то на нем возникнут ещё большие заряды. Диски приводят во вращение в противоположных направлениях. При этом механическая энергия преобразуется в электрическую.

Там, где на дисках возникли одинаковые заряды, расположим проводники с остриями, не касающимися обкладок (гребёнки). При накоплении больших зарядов они начнут стекать на острия. Эти гребёнки и будут полюсами электростатической машины для внешней цепи. Для накопления заряда они соединены с конденсаторами большой электрической прочности, хотя и небольшой ёмкости.

Следует помнить, что прикосновение к кондукторам работающей машины вызывает сильное физическое действие, поэтому, устанавливая шарики разрядника, надо прикасаться только к изолирующим ручкам разрядников.

Рис.1

Опыт 2. Электризация цветка.

Объяснение электризации.

Как происходит электризация тел при трении? Тела, состоящие из нейтральных частиц (атомов и молекул), в обычных условиях не обладают зарядом. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы, может перейти с одного тела на другое. Электроны, находящиеся на периферии атома, сравнительно легко отрываются от атомов. Рассмотри рисунок и ответь на вопросы.

- В каком случае тело заряжено отрицательно?

- В каком случае тело заряжено положительно?

Сделай вывод, когда же тело электризуется, т.е. получает электрический заряд.

В электризации всегда участвуют два тела, при этом оба тела электризуются.

Проведи опыт. Воспользуйся двумя пластинками – эбонитовой и стеклянной – и электрометром с шаровым кондуктором. Наэлектризовав пластинки, трением друг о друга, внеси одну из них внутрь полого кондуктора электрометра, заряди его. Затем сними заряд и проделай то же со второй пластинкой.

Сделай вывод.

Затем внутрь кондуктора соединенного с незаряженным электрометром, внеси одновременно две заряжённые пластинки. Обнаруживает ли электрометр в этом случае электрический заряд?

Сделай вывод.

Электризация через влияние.

Задание. Определи, какое действие будет оказывать наэлектризованная палочка на подвешенный металлический шарик в случаях, изображённых на рисунке.

Правильность решения проверь путём опыта.

Используя знания об электроне и о строении атома объясни явление: притяжение ненаэлектризованных тел к наэлектризованным (случай а) и б)).

Ответь на следующие вопросы:

1. К электроскопу поднеси (но не касайся стержня) заряженное тело, например расчёску. Листочки разошлись! Почему? Ведь электроскоп не заряжён, касания – то не было! Разберите два случая:

а) тело заряжено положительно;

б) тело заряжено отрицательно.

Свои рассуждения иллюстрируй рисунком.

2. Почему металлические незаряжённые опилки притягиваются к заряжённому телу?

Проводники и диэлектрики.

По способности проводить электрические заряды вещества делятся на проводники и непроводники электричества. Непроводники электричества называют диэлектриками.

Заполни таблицу.

Отличие металлов от диэлектриков.

В металлах часть электронов легко отделяется от атомов и образует своеобразное электронное облако внутри металла. Эти электроны практически свободны, очень подвижны. В электрическом поле они свободно движутся от ядра к ядру. Такие электроны получили название электроны проводимости, или свободными электронами.

В диэлектриках практически все электроны прочно связаны с ядрами атомов. Свободно перемещающихся заряжённых частиц практически нет.

Проведи и объясни опыт.

Металлический стержень расположи на изолирующей подставке горизонтально. Около одного края стержня подвесь лёгкий шарик или гильзу так, чтобы шарик и стержень соприкасались. Прикоснись к другому концу стержня заряжённым телом.

Замени металлический стержень эбонитовым (или стеклянным) и повтори опыт.

Задачи:

1. При соединении повреждённых проводов монтёр надевает резиновые перчатки. Зачем он это делает?

2. Зачем стержень электроскопа всегда делают металлическим?

Заземление.

Если заряд передают от заряжённого тела к незаряженному и размеры тел одинаковы, то заряд разделится пополам. Но если второе, незаряженное тело больше, чем первое, то на него перейдёт больше половины заряда. Чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдёт. На этом основано заземление-передача заряда земле. Земной шар - грандиозный «поглотитель» или источник электронов. Если вы соедините заряженное отрицательно металлическое тело с землёй, то все лишние электроны очень быстро уйдут в землю и тело станет электрически нейтральным, незаряженным. При соединение с землёй положительно заряженного тела из земли в него перейдет недостающая для равновесия часть электронов, и тело также становится электрически нейтральным.

Задание 1. Укажите направление движения и знак зарядов, движущихся по проводнику, соединяющему тело А с землёй.

Задание 2. Укажите направление движения и знак зарядов, движущихся по проводнику АВ, когда к металлическому телу С подносят заряженное

тело Д.

Проделай опыт. Зарядите электроскоп, не прикасаясь к нему заряженным телом. Проверьте знак заряда на электроскопе. Объясните наблюдаемое явление.

Полезная электризация.

Не следует считать, что с электризацией тел в основном приходится бороться. Как и подавляющее большинство научных открытий, она поставлена и на службу человеку.

Например, исследование установили, что электризация синтетического белья, возникающая во время носки, оказывается даже полезной. Известно, что поливинил-хлоридное бельё помогает при лечении некоторых болезней.

В технике применяют метод, сущность которого заключается в следующем. Мельчайшие твёрдые или жидкие частицы материала поступают в электрическое поле, где их поверхность «оседают» электроны и ионы, т.е. частицы приобретают заряд и далее движутся под действием электрического поля. В зависимости от назначения аппаратуры можно с помощью электрических полей по-разному управлять движением частиц в соответствии с необходимым технологическим процессом. Эта технология уже пробила себе дорогу в различные отрасли народного хозяйства.

Например, движущиеся на конвейере окрашиваемые детали (скажем, корпус автомобиля) заряжают положительно, а частицам краски придают отрицательный заряд, и они стремятся к положительно заряженной детали. Слой краски на ней получается тонкий, равномерный и плотный. Действительно, одноимённо заряженные частицы отталкиваются друг от друга – отсюда равномерность окрашивающего слоя. Частицы, разогнанные электрическим полем, с силой ударяются об изделие – отсюда плотность краски. Расход краски снижается, так как она осаждается только на детали.

Используют явление электризации и в процессе копчения. Копчение – это пропитывание пищевого продукта древесным дымом; частицы дыма не только придают продуктам особый вкус, но и предохраняют их от порчи. При электрокопчении частицы коптильного дыма заряжаются положительно, а отрицательно – тушку рыбы (см. рис.). Заряженные частицы дыма оседают на поверхности тушки и частично поглощаются ею. Всё электрокопчение продолжается лишь несколько минут; прежде же копчение считалось весьма длительным процессом.

Чтобы получить в электрическом поле слой ворса на каком – либо материале, надо материал заземлить, поверхность покрыть клеящим веществом, а затем через заряженную металлическую сетку, расположенную над этой поверхностью, пропустить порцию ворса. Ворсинки быстро ориентируются в поле и, распределяясь равномерно, оседают на клей строго перпендикулярно поверхности. Так получают покрытия, похожие на замшу или бархат. Легко получить разноцветный узор, заготовив порции разноцветного по цвету ворса и несколько шаблонов, которыми в процессе электроворсования прикрывают поочерёдно отдельные участки изделия. Так можно сделать, например, многоцветные ковры.

Электризация помогает бороться с пылью. Чистый воздух нужен не только людям и особо точным производствам. Все машины из-за пыли преждевременно изнашиваются, а каналы их воздушного охлаждения засоряются. Кроме того, часто пыль, улетающая отходящими газами, представляет собой ценное сырьё. Очистка промышленных газов стала необходимостью. Практика показала, что с этим хорошо справляется электрическое поле.

Электрические фильтры на крупных тепловых электростанциях улавливают 99% золы, содержащей в выходных газах.

Наконец, если мелкие частицы одного вещества зарядить положительно, а другого – отрицательно, то легко получить их смесь, где частицы распределены равномерно.

Например, на хлебозаводе не приходится совершать большую механическую работу, чтобы замесить тесто. Заряженные положительно крупинки муки воздушным потоком подаются в камеру, где они встречаются с отрицательно заряженными капельками воды, содержащей дрожжи. Крупинки муки и капельки воды, притягиваясь, друг к другу образуют однородное тесто.

Можно привести много других примеров полезного применения статической электризации. Основанная на этом явлении технология удобна: потоком заряженных частиц можно управлять, изменяя электрическое поле, а весь процесс легко автоматизировать.

Борьба с вредной электризацией

Ещё в 19 веке были известны вредные действия статического электричества.

Например, кожаные и прорезиненные ремни, наэлектризовавшись на вращающихся шкивах, могут стать источником искрового разряда. Он особенно опасен, если в воздухе висит мелкая горючая пыль (скажем, мука): проскочившая от наэлектризованного тела искра может вызвать взрыв и пожар.

На клеепромазочной машине, которая смазывает резиновым клеем материалы, в результате трения материала о валики происходит их электризация. Если не снять эти заряды, то даже небольшая искра может тканевые вызвать пожар, так как окружающий воздух насыщен парами бензина. Причиной взрыва может стать человек, так как при контакте с заряженной тканью электризуется и тело оператора.

При движении жидкости – диэлектрика внутри труб (например, при перекачке горючего из бензозаправщика в баки самолёта) происходит электризация и перенос зарядов. Чтобы не произошло искрового разряда и взрыва, повышают электропроводность бензина, добавляя в него соединения хрома. Сам самолёт электризуется о воздух в течении полёта, поэтому после посадки к самолёту нельзя сразу же приставлять электрический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолёт разряжают: опускают на землю металлический трос, соединённый с обшивкой самолёта, и разряд проходит между землёй и концом троса.

Для избежания вредных последствий электризации тел в технике применяют различные меры борьбы с этим явлением. Основной метод уменьшения электризации – заземление оборудования. Однако, заземление не помогает, если применяется оборудование из материалов, являющихся диэлектриками. Чтобы поверхность таких материалов лучше проводила электричество, её подвергают обработке. Например, приводные ремни и ленты транспортёров покрывают графитом или бронзовым порошком. С той же целью увеличивают влажность воздуха в помещении; тогда на материалах, не проводящих электричество, образуется тонкая плёнка воды. Вода содержит примеси, поэтому является проводником электричества. Иногда ионизируют воздух. Ионы под действием сил притяжения движутся к заряженным поверхностям, уменьшая их заряд. В быту при стирке одежды, для иных целей применяют различные антистатики.

Задачи:

1. Авиационное топливо электризуется при фильтровании. Изображение фильтра, при прохождении через который жидкость почти бы не заряжалась, является важной проблемой. Почему такой фильтр должен быть изготовлен из двух различных материалов? Какими электрическими свойствами должны обладать эти материалы по отношению к топливу?

2. С какой целью на взрывоопасном производстве приводные ремни должны быть обработаны антистатической (проводящей) пастой, а шкивы заземлены?

3. Может ли в ременной передаче электризовываться только ремень, а шкив оставаться незаряженным? Почему? Считать, что шкив не заземлён.

4. Трущиеся части механизмов, например, ременная передача, типографская бумага в ротационной машине, пряжа на ткацком станке и т. д., наэлектризовываясь, могут вызывать аварии и неполадки. Для устранения статических зарядов вблизи таких механизмов устанавливают нейтрализаторы, испускающие лучи, под действием которых молекулы воздуха расщепляются на частицы – ионы, одни из которых заряжены положительно, а другие – отрицательно (рис). Объясните принцип действия такой защитной установки.

2.3. Кейс «Генераторы».

Постановка проблемы.

В настоящее время для получения переменного тока на электростанциях используют в основном электромеханические индукционные генераторы, т.е. устройства, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую. Индукционными они называются потому, что их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Ротор такого генератора вращается с помощью паровой турбины на тепловых электростанциях, с помощью водяной турбины – на гидроэлектростанциях. В результате их применения возникают проблемы экономического характера и охраны окружающей среды. Выясните причины возникновения проблем, их содержание. Создайте новый тип генератора, который будет экономически и экологически выгодней, чем индукционные генераторы тока.

Таким образом, в результате ознакомления с материалом этого параграфа учащиеся должны понять основные принципы использования сверхвысоких частот в технике,

Электромеханический индукционный генератор переменного тока.

Генератором переменного тока называют устройство, преобразующее механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока.

Рис. Трехобмоточный генератор:

А — статор; В — ротор; 1, 2, 3 — обмотки.

Генератор переменного тока состоит из неподвижной части — статора (якоря) (А на рис.) и вращающейся части — ротора (индуктора) (В на рис.). На внутренней поверхности статора в осевых впадинах (пазах) расположены проводники (обмотка переменного тока). Статор генератора изготовляют из тонких (до 0,35 мм толщиной) спрессованных листов специальной стали, изолированных лаковой пленкой или бумагой. Стальные листы статора укрепляются в станине машины. Ротор располагается внутри статора. Для специальных целей применяют роторы различной конструкции. В турбогенераторах, которые вращаются с большой скоростью, ротор представляет собой весьма массивный стальной цилиндр с осевыми пазами, в которых размещаются обмотки возбуждения постоянного тока (1, 2, 3 на рис.). В тихоходных машинах (гидрогенераторах) ротор имеет форму звезды, на внешней поверхности которой укрепляются электромагниты чередующейся полярности, возбуждаемые постоянным током. В генераторах малой мощности применяют иногда конструкции, в которых обмотка переменного тока располагается на роторе, а обмотка возбуждения — на статоре.

Ротор генератора переменного тока вращается двигателем (паровой турбиной, гидротурбиной и т. д.).

Обмотки ротора питаются постоянным током от генератора постоянного тока (так называемого возбудителя), который обычно размешается на общем валу с генератором, а иногда от выпрямительного устройства, которое само питается от зажимов этого же генератора переменного тока.

Следует подчеркнуть, что преимущества использования переменного тока для передачи и распределения электроэнергии связаны с удобством трансформации напряжения переменного тока. По сравнению с машинами постоянного тока генераторы и двигатели переменного тока при равной мощности надежнее в эксплуатации, меньше по габаритам и дешевле. Важно и то, что переменный ток может быть выпрямлен, а затем с помощью специальных устройств (инверторов) преобразован в переменный ток другой частоты.

По принципу действия генераторы и двигатели переменного тока разделяют на синхронные и асинхронные. В синхронных машинах магнитное поле создается постоянным током, а ротор вращается синхронно с частотой переменного тока. Наоборот, в асинхронных машинах переменного тока в общем случае частота вращения ротора не совпадает с частотой тока в обмотке статора. Достоинством асинхронных машин является простота их конструкции и высокая надежность в работе, однако их трудно (а часто и невозможно) использовать в тех случаях, когда требуется большой пусковой момент или плавная регулировка числа оборотов в больших пределах. И синхронные и асинхронные машины обладают свойством обратимости, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Генераторы переменного тока выпускаются самой различной мощности: от долей ватта до 500 МВт (генераторы такой мощности установлены на Красноярской ГЭС). Столь мощные генераторы весьма совершенны, их КПД близок к 100%.

МГД – генератор.

Действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы используется в технике для преобразования кинетической энергии плазменной струи в электрическую. Такие генераторы называют магнитогидродинамическими генераторами или сокращенно — МГД - генераторами. Опытный образец МГД - генератора в СССР был построен в 1965 г.

Схематично действие МГД - генератора иллюстрирует рисунок. В результате сгорания топлива образуются находящиеся при высокой температуре сильно ионизованные газы — плазма. Поток плазмы направляется в поперечное 'магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы (электроны и ионы) с силой Лоренца направленной перпендикулярно к скорости их движения. В результате этого положительные ионы отклоняются вверх (по рисунку), а электроны и отрицательные ионы — вниз. Поэтому верхний электрод (Л) электризуется положительно, а нижний (К) — отрицательно. Выводы от этих электродов и являются полюсами генератора.

Между электродами ток течет снизу вверх. Применив правило левой руки, мы находим, что магнитное поле действует на этот ток с силой F, направленной против движения плазменной струи. Поэтому при прохождении плазменной струи в магнитном поле между электродами происходит ее торможение, т. е. уменьшение скорости течения и, следовательно, кинетической энергии этой струи. Таким образом, в МГД - генераторе кинетическая энергия плазменной струи преобразуется непосредственно в электрическую энергию.

Совместное использование на тепловых электростанциях гидродинамического метода преобразования энергии и обычных паротурбинных установок позволяет значительно повысить экономическую эффективность электростанций. Плазма, выходящая из рабочего канала МГД- генератора, еще имеет высокую температуру. Тепло этой плазмы используется для нагрева паровых котлов: вырабатываемый пар приводит в действие турбогенераторы. В нашей стране уже действует экспериментальная энергетическая установка с МГД- генератором, дающая ток в электросеть Москвы.

Тепловые двигатели и охрана природы.

Велика роль двигателей внутреннего сгорания в сельскохозяйственной и строительной технике (тракторы, комбайны, тягачи, автомашины, бульдозеры, экскаваторы и многие другие машины).

Можно без преувеличения утверждать, что тепловые двигатели в настоящее время — основные преобразователи энергии топлива в другие виды энергии и без них была бы невозможна современная цивилизация.

Все существующие виды тепловых двигателей преобразуют энергию топлива в механическую. А поскольку все виды топлива не сгорают полностью, а кроме того, содержат в качестве примесей серу (уголь — примерно 2%, нефть — 2,5%, газ — 0,05%) и другие примеси, то выбрасываемые ими в атмосферу отработанные газы загрязняют атмосферу вредными для животного и растительного мира веществами.

В настоящее время ежегодно в результате сжигания топлива в атмосферу поступает около 200 млн. т оксида углерода (II), 150 млн. т. оксида серы (IV), около 50 млн. т оксида азота (II), 250 млн. т пыли, 70 млн. м³ соединений свинца и других металлов.

Выброшенные в атмосферу продукты неполного сгорания вступают в химические реакции с водяными парами, содержащимися в воздухе. Так, например, некоторые соединения (СО2,SO2,H2S и др.) вступают в реакцию с водой и в виде мельчайших капелек растворов кислот переносятся на сотни и тысячи километров. На поверхность Земли выпадают так называемые кислотные дожди, которые оказывают пагубное влияние на здоровье людей, растительный и животный мир, ускоряют коррозию металлов, разрушают сооружения из мрамора и известняка, закисляют почвы и водоемы. Столь же вредное влияние на окружающую нас среду оказывают выбрасываемые тепловыми двигателями в атмосферу оксиды азота и углерода.

В последние годы охране окружающей среды во всех странах мира уделяется большое внимание. Для того чтобы уменьшить загрязнение окружающего воздуха работающими тепловыми двигателями, необходимо обеспечить:

а) более полное сгорание топлива;

б) более тщательную очистку газов, выделяющихся топками электростанций и двигателями внутреннего сгорания;

в) поиск более «чистого» горючего.

Размышления об экологии.

Речь идет об экологической проблеме — проблеме загрязнения атмосферы нашей планеты.

По имеющимся оценкам, ежегодно в атмосферу Земли в результате сжигания природного топлива выбрасывается около 150 млн.т золы, 100 млн.т оксидов серы, 60 млн.т оксидов азота, 300 млн.т оксида углерода. Существенная часть этих загрязняющих атмосферу веществ (многие из которых могут существовать там довольно длительное время) приходится на долю тепловых электростанций, где сжигается огромное количество органического топлива.

Но это еще не все. Увеличение до грандиозных размеров производства энергии за счет использования природного топлива может привести в конечном счете к повышению средней температуры земного шара, а следовательно, и атмосферы. Возникает новая проблема — тепловое загрязнение атмосферы, т.е. попросту говоря, ее нагревание. Это обусловлено тем, что поверхность Земли должна излучать в мировое пространство энергию, полученную не только от Солнца, но и от дополнительных источников. Хотим мы этого или нет, почти вся произведенная человеком энергия, в конечном счете, превращается в тепло. Сегодня в электрическом балансе Земли энергия, произведенная человеком, составляет около 0,01%. Многие специалисты считают, что увеличение этой цифры до 1%, т. е. в 100 раз, может привести к повышению температуры Земли на 1 °С. Даже такие небольшие изменения температуры могут привести к весьма нежелательным последствиям. Из-за потепления, например, смогут частично растаять льды океанов, а также ледники. В результате уровень воды в Мировом океане может существенно повыситься, что станет причиной затопления (возможно, катастрофического) части суши.

Как стабилизировать тепловой баланс планеты? Одни ученые предлагают затормозить, пока не поздно, рост промышленности. Другие предлагают регулировать тепловой режим планеты техническими средствами. Уже известны проекты устройства энергетических туннелей через атмосферу для вывода избыточного тепла в космос. Проектов много, но сам вопрос изучен еще недостаточно полно. Необходимы дальнейшие исследования в этой области.

Что такое плазма?

Газ, в котором все или значительная часть молекул (атомов) ионизованы, называется плазмой. Плазма — это смесь положительных ионов, электронов и не ионизованных молекул (атомов). В зависимости от степени ионизации различают слабо ионизованную (ионизованы доли процента молекул), умеренно ионизованную (ионизовано несколько процентов молекул) и полностью ионизованную плазму. В зависимости от скорости движения заряженных частиц в плазме различают низкотемпературную и высокотемпературную плазму.

Низкотемпературной или холодной называется плазма с температурой, не превосходящей 105 К. Плазма с температурой, превосходящей 105 К, называется высокотемпературной или горячей.

Газоразрядная плазма обычно является низкотемпературной.

В горячей плазме молекулы движутся с большими скоростями и обладают кинетической энергией, достаточной для их ионизации.

Плазма обладает рядом интересных свойств. Каким бы способом газ ни ионизовался, по закону сохранения заряда число положительных зарядов равно числу отрицательных зарядов и поэтому плазма в целом электронейтральна.

Электроны и ионы плазмы, двигаясь, редко подходят друг к другу близко. В случае одноименно заряженных частиц этому мешают их собственные электрические поля, а в случае разноименно заряженных частиц (электрона и иона) этому мешают электрические поля соседних частиц. Поэтому траектории движения ионов и электронов в плазме представляют собой плавные кривые линии.

По образному выражению академика Л. А. Арцимовича — одного из крупнейших специалистов в области плазменных явлений, траектория движения заряженной частицы в плазме похожа на траекторию человека, заблудившегося в степи (рис.).

Электропроводность плазмы зависит от степени ионизации и колеблется в широких пределах. Электропроводность горячей плазмы близка к электропроводности металлов, а электропроводность слабо ионизованной плазмы меньше электропроводности металлов в десятки тысяч раз.

Плазма — наиболее распространенное состояние вещества в природе. Солнце и звезды — это гигантские сгустки плазмы. Верхние слои земной атмосферы, подверженные непрерывному воздействию внешних ионизаторов (ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца и звезд, космические лучи и др.), также являются слабо ионизованной плазмой и называются ионосферой.

С плазмой мы достаточно часто встречаемся и в повседневной жизни. Пламя костра, светящийся столб газа в рекламных газосветных трубках, лампах дневного света, в медицинских «кварцевых лампах» — это все примеры плазмы.

Урок – конференция.

«Изобретение генератора нового типа».

Цель урока. Усвоение следующих знаний: носители электрического тока и тип проводимости в различных средах, основные области применения, принцип действия и устройство генератора переменного тока, преимущества и недостатки, экологические проблемы, назначение, принцип действия и устройство МГД генератора и применение этих знаний на практике.

Необходимый комментарий:

За несколько дней учащимся даётся задание подготовить доклады (сообщения) по следующим темам:

Проводники электричества.

Твёрдые тела (металлы)

Жидкости

Газы

Плазма

Сообщения готовятся учащимися самостоятельно с использованием обобщённого плана по теме «Электрический ток в различных средах»:

Вид носителей

Тип проводимости

Основные области применения.

Изложение теоретического материала сопровождается показом демонстраций.

Электромеханический индукционный генератор.

Преимущества и недостатки электромеханических индукционных генераторов.

Электростанции. Экологические проблемы, возникающие при их использовании.

Одному из учеников класса даётся сообщение. Этот ученик является лидером группы, которую он формирует из оставшихся учеников.

Ход урока.

Учитель: Явление электромагнитной индукции было открыто в 1831г. Майклом Фарадеем. Открытие этого явления вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники.

Суть явления электромагнитной индукции состоит в том, что изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток.

Какие же вещества являются проводниками электрического тока, мы узнаем из сообщений учащихся.

В ходе изложения докладов заполняется таблица:

Учитель: Получить электрический ток при помощи изменяющегося магнитного поля можно двумя способами: вращением замкнутого проводника в магнитном поле или вращением магнитного поля относительно неподвижного проводника.

Сообщение на тему «Электромеханический индукционный генератор» с использованием таблицы и модели.

Учитель обращается к классу с просьбой выделить основные компоненты, без которых этот технический объект не может существовать.

Учитель:Во вращение ротор на тепловых электростанциях приводит паровая турбина, на гидроэлектростанциях – водяная турбина. Чаще всего используется паровая турбина, которая представляет собой двигатель, преобразующий внутреннюю энергию пара в механическую работу.

С использованием на электростанциях паровых машин возникают экологические проблемы, о которых мы узнаем из следующих сообщений.

Сообщение на тему: «Электростанции. Экологические проблемы, возникающие при их использовании».

Учитель:Для полной оценки какого-либо технического объекта требуется обязательно выявить все преимущества и недостатки.

Сообщение на тему: Преимущества и недостатки электромеханических индукционных генераторов.

Учитель: Представьте, что вы – учёные и инженеры, перед вами стоит задача: создать новый вид генератора, который будет экономически и экологически выгоден.

Работа в парах: предлагается наработать как можно больше возможных решений. Анализ и защита идей.

Учитель предлагает свой вариант решения этой задачи, выполняя на доске рисунок (неполную схему МГД генератора).

Учитель:Если использоватьявление электромагнитной индукции, то необходимо электроды замкнуть проводником и привести его во вращение для получения индукционного тока, тогда мы получаем электромеханический индукционный генератор. Но, это уже существующий генератор, а для создания генератора нового типа постарайтесь вспомнить другие свойства магнитного поля.

Короткая дискуссия.

Учитель:В настоящее время учёными и инженерами разработан и в будущем найдёт своё широкое применение магнитогидродинамический генератор (или сокращённо МГД генератор). Принцип его работы заключается в следующем: струя плазмы направляется в поперечное магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы (электроны и ионы) с силой Лоренца, направленной перпендикулярно к скорости их движения. В результате этого, положительные ионы отклоняются к одному из электродов, а электроны и отрицательные ионы – к другому.

Задание: Определить направление тока в МГД генераторе.

Опрос – итог: В конце урока учитель задаёт вопросы, побуждающие к рефлексии урока.

2.4 Кейс «Электромагниты».

Магнитное поле катушки с током.

У человека нет магнитного органа чувств; поэтому о существовании магнитных сил, которые окружают магнит, мы можем судить лишь по косвенным данным. Однако картину распределения этих сил нетрудно обнаружить и пронаблюдать. Проще всего сделать это с помощью мелких железных опилок. Насыпьте опилки тонким ровным слоем на кусок гладкого картона или на стеклянную пластинку, подведите под картон или пластинку обыкновенный магнит и встряхните опилки легким ударом. Магнитные силы свободно "проходят" сквозь картон и стекло; следовательно, железные опилки под действием магнита намагнитятся; когда мы встряхиваем их, они на мгновение отделяются от картона и могут под действием магнитных сил легко повернуться, заняв то положение, которое приняла бы в данной точке магнитная стрелка, т.е. вдоль магнитной "силовой линии". В результате опилки (см. рис.) располагаются изогнутыми рядами, наглядно обнаруживая распределение невидимых магнитных линий. Они лучисто расходятся от каждого полюса магнита, образуя то короткие, то длинные дуги между полюсами. Железные опилки воочию показывают здесь то, что мысленно рисует перед собой физик и что невидимым образом присутствует вокруг каждого магнита. Чем ближе к полюсу, тем линии опилок гуще и четче; напротив, с удалением от полюса они разрежаются и утрачивают отчетливость, наглядно доказывая ослабление магнитных сил с расстоянием.

Магнитное поле Земли.

Для нас, жителей Земли, магнитные явления имеют одну привлекательную сторону, которой не существовало бы, живи мы наMapсе или Луне. Эти небесные тела не имеют собственного магнитного поля, а у Земли оно есть. Магнитная стрелка, или компас, на Луне не работает; на Земле же это свойство указывать строго на магнитный полюс Земли, расположенным неподалеку от северного географического полюса, привело к тому, что компас стал первым магнитным прибором, примененным человеком для своих нужд. Древняя летопись повествует, что более 4 тыс. лет назад в Китае использовалась повязка, на которой, поворачиваясь на оси, стояла магнитная фигурка человека, показывающего рукой на юг. В китайской энциклопедии находят и первое упоминание об использовании магнитной стрелки на кораблях в 262—419 годах нашей эры. Позже ее стали применять индийцы, арабы, греки, помещая магнит на плавающий в воде тростник.

В начале XIV века итальянец Флавий Джойа ввел в употребление компас с картушкой (шкалой). Она была связана с магнитом и разделена на 32 части (румбы). В таком виде без значительных изменений компас сохранился и до наших дней. Слово "компас", по-видимому, изошло от старинного английского слова "compas", означавшего в XIV веках "круг". В морских путешествиях компас играл чрезвычайно важную роль, позволяя определять курс корабля в открытом море.

Долгое время люди были убеждены, что магнитная стрелка испыты­вает притяжение со стороны Полярной звезды. Вильям Гильберт, о книге которого мы уже упоминали, сумел это представление разрушить; он полагал, что Земля сама подобна намагниченному шару. Сделав стальной шар, Гильберт намагнитил его так, чтобы в диаметрально противоположных точках были ярко выраженные полюсы. Перемещая магнитную стрелку вдоль меридиана, он наблю­дал, как наклонение ее концов убывает от одного полюса к другому, а на экваторе становится равным нулю. И Гильберт сделал вывод, что магнитные силы сосредоточены в самой Земле. В наше время магнитное поле Земли уже объясняется процессами, которые должны происходить в ее ядре. Земля — гигантский магнит. Магнитные стрелки устанавливаются вдоль незримых лини, которые идут над повер­хностью Земли от одного магнитного полюса к другому, и в каждой точке стрелка направлена по касательной к такой линии.

ВXVII веке было замечено, что магнитное поле Земли претерпевает заметные изменения во времени. Происходит постепенное изменение магнитного поля (вековой ход) и суточное его изменение. Магнитная стрелка находится в непрерывном движении. В XVIII-XIX веках количество магнитных наблюдений на земном шаре все более увеличивалось.

Изменения (вариации) магнитного поля Земли магнитологи изучают с помощью высокочувствительных приборов — вариометров. Главная деталь вариометра — маленький магнитик в виде стрелки, снабженный зеркальцем. Магнитик подвешен на тонкой кварцевой нити. На зеркальце направляют луч света, который отражается от него и падает на чувствительную фотобумагу, намотанную на вращающийся барабан. Благодаря такому устройству малейшее колебание магнитика изображается на фотобумаге в виде кривой — магнитограммы.

В "спокойный" день магнитограмма — почти прямая линия (слегка волнообразная). Но иногда магнитограммы имеют довольно сложный пикообразный вид—протекает магнитная буря. В настоящее время для магнитных измерений стали применять сложные электронные приборы очень высокой чувствительности.

Магнитологам нередко приходится работать в трудных походных условиях: на дрейфующих льдинах вблизи вулканов и т.д. Доступность, скорость и точность магнитной съемки значительно увеличились после того, как в 1934 году был сконструирован прибор, позволяющий измерять магнитное поле Земли с борта самолета. Катушка аэромагнитометра быстро вращается в магнитном поле Земли, и в ней возникает электрический ток. Сила этого тока изменяется пропорционально изменению магнитного поля Земли.

Позже был сконструирован более совершенный азромагнитометр. Его датчик помещают в немагнитную оболочку и буксируют на тросе длиной около 50 метров. На таком расстоянии магнитное поле, создаваемое самолетом, практически равно нулю. Остальные части прибора и его питание находятся внутри самолета. На медленно движущейся ленте вычерчивается магнитограмма, на основании которой составляются затем магнитные карты — магнитного склонения, магнитного наклонения и других элементов магнитного поля. Магнитные карты широко применяются прежде всего в морской и воздушной навигации и при разведке земных недр.

Сильные магнитные аномалии создаются железнорудными породами, поэтому способ разведки, основанный на магнитных измерениях (магниторазведка), является главным при поисках железных руд.

Некоторые вещества, например, медь, золото, каменная соль и другие, под действием магнитного поля намагничиваются в направлении, обратном этому полю. Залежи таких веществ вызывают ослабление магнитного поля Земли, т.е. отрицательные магнитные аномалии. Поэтому магниторазведку с успехом используют при поисках многих полезных ископаемых.

Начиная с XVII века и, особенно, в XX веке было высказано множество гипотез для объяснения природы земного магнетизма, но до сих пор ни одна не может считаться завершенной. По-видимому, можно допустить, что часть магнитного поля Земли (примерно 30%) создается за счет намагничивания соединений железа, в изобилии содержащегося в земной коре и оболочке (мантии), а часть создается электрическими токами в металлическом ядре Земли.

Ученым удалось установить причину суточных изменений (вариаций) магнитного поля Земли и магнитных бурь. Изучая намагниченность образцов пород, слагающих земную кору, ученые пришли к выводу, что около 570 миллионов лет назад магнитные полюса Земли были распо­ложены в районе экватора. На рисунке показано смещение магнитного полюса в северном полушарии нашей планеты.

Выход человека в космос открыл новые возможности для изучения магнитного поля Земли и космического пространства. Магнитные съемки с искусственных спутников Земли позволят изучить характер и вариации магнитного поля планеты, выявить крупные аномалии. Магнитные измерения с помощью космических ракет установили границу, где кончается магнитное поле Земли и начинается магнитное поле космического пространства. Эта граница находится на расстоянии 150-200 тысяч километров от нашей планеты.

Реле.

Слово "реле" по-французски означает "перепряжка". Откуда пошло такое название? Когда понадобилось передавать телеграфные сигналы на значительные расстояния, стало ясно, что при протяженной длине проводов, соединяющих станции, возрастет их сопротивление, а сила тока уменьшится так, что телеграфирование станет невозможным. Поэтому телеграфную линию разделили на участки, причем каждый участок имел свой собственный источник тока. В конце такого участка ставили электромагнит, который при передаче телеграфного сигнала, притягивая якорь, включал цепь следующего участка. Такое устройство напоминало перепряжку уставших лошадей, и его назвали электромагнитным реле. Электромагнитное реле может служить усилителем сигналов.

Поясним это на примере. На рисунке изображена схема включения электрической лампочки с помощью реле. Замыкая контакт, подают напряжение 9 В от батареи на обмотку реле, сопротивление которой 600 Ом.

Реле срабатывает и включает электрическую лампочку мощностью 100 Вт. На срабатывание реле расходуется в данном случае мощность 9 • 9 : 600 = 0,13 Вт, а какой мощностью управляет реле? В нашем примере — 100 Вт. Значит, реле усиливает сигнал управления почти в 800 раз! Эту цифру легко увеличить до десятков тысяч раз, если использовать реле с более мощными контактами, способными пропускать большой ток. Подобные усилительные схемы применяют, например, в мощных электрических системах, на электростанциях.

Электромагнитное реле применяют не только для усиления сигналов, но и для разнообразных переключений в сложных цепях автоматики.

Сепаратор.

Речь идет о так называемых магнитных сепараторах. Принцип действия состоит в том, что смесь полезного вещества и "пустой породы" подается по конвейеру проходит мимо полюсов магнита. Если пустая порода магнитна, то она будет извлечена из смеси. Принцип сепаратора был предложен еще в 1792 году, т.е. до изобретения электромагнита.

Магнитный метод разделения полезной и пустой породы применяют сейчас во многих отраслях горнодобывающей промышленности, в частности при добыче угля: многие вредные примеси в угле магнитны, ходу движения ленты с размельченной породой устанавливают магнитный ребристый ролик, который захватывает вредные примеси и выносит их из породы. Такой метод очистки позволяет снизить примеси в угле с 12-17 до 7-8%, т.е. практически в два раза.

А как очистить породу, например, от пирита, магнитные свойства, которого очень слабы? Здесь ученые тоже нашли выход: пирит обраба­тывают в паровоздушной среде при 270-300°С и покрывают слоем магнитных оксидов.

Другой тип сепаратора был изобретен в восьмидесятых годах про­шлого века Эдисоном.

Говорят, что это произошло во время ежедневной утренней прогул­ки Эдисона. Гуляя по берегу Лонг-Айленда, Эдисон заметил, что песок пляжа содержит частички оксида железа. Если просыпать такой песок между двумя полюсами магнита, можно легко отделить оксид железа от немагнитных частиц. Эта идея Эдисона решила одну из проблем того времени — что делать с залежами руды, которой невелико содержание железа.

Эдисон предложил обработать руду таким образом, чтобы она была похожа на легко разделяемый песок пляжа, попросту говоря, размолоть ее. После размельчения в дробилке руда поступает в башню и ссыпает­ся с ее вершины. При падении частицы руды встречают все усиливаю­щиеся магнитные поля нескольких мощных электромагнитов. Оксид железа оседает на магнитах; его периодически снимают с их наконеч­ников, а пустая порода беспрепятственно падает вниз.

Неудивительно, что город, возникший на месте "бедных" залежей железных руд, был назван Эдисон-сити.

Магнитные сепараторы применяют и в сельском хозяйстве для отделения семян клевера, льна, люцерны от семян сорняков. Инженеры воспользовались здесь "оружием врага" и обратили его против него самого. Дело в том, что семена сорняков — горчака, плевела, — как правило, шероховаты, их поверхность покрыта миниатюрными зацепками, позволяющими этим семенам прикрепляться к коже животных, одежде и т.д., что помогает сорнякам в их быстром распространении и в борьбе за существование. Если засыпать загрязненные сорняками семена мелкими железными опилками, на семенах сорняков скопится их большое количество, в то время как гладкие семена злаков останутся чистыми. Теперь можно с легкостью очистить зерно от сорняков в устройстве типа магнитного сепаратора.

Магнитная мина.

Используют электромагниты и в военном деле. В период вторе мировой войны большую роль играли магнитные мины. Их обычно сбрасывали на парашюте с самолета в различных местах моря. После попадания в воду парашют автоматически отделялся от мины, и он погружалась на дно, где и "поджидала" корабль.

Принцип действия магнитных мин заключается в следующем. Кор­пус, машины и многие другие детали современного корабля делают преимущественно из стали. Все эти части корабля намагничиваются под действием магнитного поля Земли, и корабль, по существу, становится огромным плавучим магнитом. На расстоянии 10-15 метров от корабля чувствительная магнитная стрелка отклоняется на некоторый угол. Такая стрелка или специальная электрическая схема, чувствительная к магнитному полю, может быть связана с запальным приспособлением, воспламеняющим заряд взрывчатого вещества. Иногда магнитная стрелка связывается со специальным реле, которое срабатывает под воздействием магнитного поля, в результате чего мина всплывает и взрывается вблизи корпуса корабля.

Для очистки прибрежных районов от магнитных мин был создан специальный тип корабля — электромагнитный тральщик.

Простейшая модель магнитной мины (см. рис.) состоит из магнитной стрелки 1, вращающейся в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси, чашечки с электролитом 2, лампочки 3 и аккумулятора.

Присоединим к клеммам модели мины аккумулятор (или батарейку) и поднесем к ней вплотную железную модель корабля. Магнитная стрелка наклонится, опустится в чашечку с электролитом (замкнет цепь), и лампочка загорится — произойдет взрыв "мины", и находящийся вблизи "корабль" может погибнуть.

"Мину" можно обезвредить, т.е. заставить взорваться тогда, когда "корабль" находится от нее еще на значительном расстоянии. Именно Для этой цели и предназначен электромагнитный тральщик. Обмотаем железную модель корабля проводом (противоминный пояс). Этот про­ход присоединим к другому аккумулятору. Если теперь "корабль" при­ближать к "мине", то магнитная стрелка замкнет цепь (т.е. произойдет “взрыв”) тогда, когда "корабль" еще будет на большом расстоянии от Него. "Мина" будет обезврежена, а "корабль" останется цел и невредим.

Задача 1.

Южный конец магнитной стрелки, помещённый под проводом, отклонился при замыкании ключа по направлении к наблюдателю, смотрящему на рисунок. Какая из пластин гальванического элемента Е угольная и какая - цинковая? Поставьте соответственно знаки "+" и "-".

Задача 2.

Познавательная задача: в 1856г. на гастроли в Алжир приехал французский фокусник Роберт Уден. Он выполнял тайное задание своего правительства: поразить воображение алжирцев, убедить их в могуществе европейцев и тем самым помочь в колонизации страны французами. Вот Уден, небрежно поймав брошенный из-за кулис пустой сундучок, устанавливает его на возвышение. Кто поднимет? Богатырь-алжирец, подбадриваемый криками зрителей, рванул вверх так, что хрустнули доски сцены. Но сундучок даже не сдвинулся с места. Сам же Р. Уден после "волшебных заклинаний" поднял его двумя пальцами. Выясните, в чём секрет фокуса.

Задача 3.

Найдите в учебнике описание установки для сборки электромагнита. Начертите по этому описанию схему. Объясните, почему при движении ползунка реостата в одну сторону магнитное поле становится сильнее, а в другую слабее?

Задача 4.

Каким электромагнитом можно поднять больший груз - полосовым или дугообразным, если они сделаны из одного материала и одинакового размера? Почему?

Задача 5.

Предложите, как построить сильный электромагнит, потребляющий малую силу тока?

Задача 6.

При переносе груза электромагнитным краном бывает так, что груз не отрывается от сердечника при выключении тока. Крановщик в таком случае пускает по обмотке электромагнита ток обратного направления и груз сразу падает. Объясните явление.

Задача 7.

Из гвоздя, проволоки и батарейки от карманного фонарика изготовлен электромагнит. Если к одному и тому же полюсу магнитной стрелки поднести его сначала одним, а потом другим концом, то стрелка в обоих случаях будет отталкиваться. Объясните, как сконструирован этот магнит. Изготовьте его и проверьте действие.

Задача 8.

Как вы думаете, поднимет ли электромагнит стальные гвозди, находящиеся в закрытой пластмассовой коробке?

Задача 9.

Ещё один фокус: перед слоном доска с числами от 10 до 100, а в хоботе указка со стальным наконечником. "Семью девять ?" -- вопрошает зритель. "63,"-- уверенно показывает указкой слон. В чём секрет?

Задача 10.

В арабской сказке "Тысяча и одна ночь" говорится:

"А завтра к концу дня мы достигнем горы из чёрного камня, которую называют Магнитная гора (вода насильно влечёт нас к ней), и наш корабль распадётся на части, и все гвозди корабля полетят к этой горе и пристанут к пей, так как Аллах великий вложил в магнитный камень тайну, что к нему стремится все железное." В чём "тайна" магнита, почему он притягивает железные предметы? Какие ещё металлы притягивает магнит?

Задача 11.

Даны два одинаковых стержня, один из которых намагничен. Как, не имея ничего, кроме этих стержней, определить, какой из них намагничен?

Задача 12.

К одному из полюсов магнита притянулись 2 иголки.

Почему отталкиваются их свободные концы?

Задача 13.

Почему корпус компаса делают из меди, алюминия, пластмассы и других материалов, но не из железа?

Задача 14.

Как будет направлена стрелка компаса на магнитных полюсах Земли?

Задача 15. Гальваноскопом пользуются в тех случаях, когда нужно обнаружить слабые токи. Самодельный гальваноскоп (см. рис.) состоит из коробки с двумя последовательно соединенными обмотками, имеющими большое число витков. В коробку помещают компас. От чего зависит чувствительность такого прибора? Какое положение относительно витков обмоток стремится занять стрелка компаса при прохождении по ним тока? Первоначальное положе­ние стрелки изображено на рисунке.

Задача 16. Электромагнитная муфта состоит из ведущего и ведомого 3 дисков, сделанных из мягкой стали (см. рис.). В пазах ведущего диска расположена обмотка 2. Муфта служит для плавного соединения ведущего вала 5 с ведомым 4, а также для их разъединения в случае необходимости. Как действует муфта? Каким образом движение от одного вала передается другому? Как можно подводить ток к обмотке, которая вращается вместе с диском? Каким образом можно изменять силу, с которой сцепляются диски?

Задача 17. На рисунке изображено электромагнитное реле, состоящее из катушки К, сердечника С, якоря Я, толкателя Т, пружины П и шести контактов. Изучите устройство реле и взаимодействие его частей. Ответьте на вопросы:

а) В каком состоянии изображено реле — протекает ли ток по обмотке катушки, или она обесточена?

б) Если ток в обмотке отсутствует, то какие явления должны произойти при замыкании ее цепи?

в) К каким клеммам должна подключаться управляющая цепь? К каким — управляемая?

Задача 18. В чем преимущество электромагнитного реле, используемого для управления цепью большой мощности, по сравнению с рубильником, с помощью которого включают и выключают эту цепь?

Задача 19. На рисунке приведена схема устройства автомати­ческого выключения внутришлифовального станка. После закрепления шлифуемой детали в патроне следящую лапку Л устанавливают так, чтобы она касалась обрабатываемой поверхности под действием пружины 2. Затем начинают шлифование. К и К1, — контакты, 1— рычаг следящей лапки, П—пружина. Изучите схему. Как происходит автоматическое выключение станка, когда деталь обточена до заданного диаметраD?

Задача 20. Устройство, схема которого приведена на рисунке, подает сигнал, когда температура достигает предельного значения. Оно имеет ртутный термометр Т, называемый контактным. В верхней части канала термометра имеется проводник, являющийся частью цепи. Изучите схему и объясните принцип действия устройства.

Задача 21. При помощи контактного термометра Т (см. предыдущую задачу), включенного в цепь с нагревательным элементом — со спиралью С, можно поддерживать постоянную температуру в аквариуме, инкубаторе и т.д. (рис.). Изучите схему и объясните принцип действия устройства.

Задача 22. Устройство, схема которого изображена на рисунке, автоматически включает и выключает рабочую цепь, например уличные фонари или бакены, в зависимости от освещенности. Основной частью устройства является фоторезистор ФР, сопротивление которого уменьшается под действием света. Изучите схему. Из каких частей состоит управляющая цепь? Из каких — управляемая? Какова роль электромагнитного реле в этой схеме? Как оно срабатывает? Как включается и выключается рабочая цепь?

Задача 23. Магниты можно использовать как опору для подвешивания маховика, вращающегося с большой частотой. Такая опора состоит из двух кольцеобразных магнитов, между которыми есть промежуток (рис.). Изучите устройство опоры и ответьте на вопросы:

а) Какова роль магнитной опоры?

б) В чем ее преимущество по сравнению с другими?

в) Как должны быть намагничены кольца, чтобы действовала опора?

Задача 24. Магнитный сепаратор, используемый для обогащения ру­ды, состоит из двух транспортер­ных лент, внутри одной из которых находятся магниты. На другую ленту подается раздробленная ру­да. Сепаратор отделяет куски пус­той породы в одну кучу, а частицы руды в другую (рис.). Изучите устройство и принцип действия сепаратора. В какой бункер должна собираться пустая порода, а в какой — руда? Как это происходит?

Задача 25. Жидкий металл перекачивают магнитным насосом (рис.). Такой насос представляет собой пару магнитных полюсов и пару электродов (пластин), расположенных в некоторых местах трубопровода. Почему при пропускании электрического тока жидкий металл перемещается вдоль трубы? Под действием какой силы и в каком направлении при положении магнитных полюсов и электродов, изображенных на рисунке?

Урок на тему: «Применение электромагнитов».

Цель урока: усвоение знания о магнитном поле постоянных магнитов и электромагнитов на уровне применения в конкретной и нестандартной ситуациях.

Ход урока.

Проблемная ситуация:

Представьте, что вы находитесь на дворе завода, где свалены груды железного лома. Вы работаете на этом заводе и перед вами стоит задача – убрать весь металлолом. Подумайте и выскажите свои предложения для решения этой проблемы.

Наработанные учащимися идеи фиксируются на доске:

Использовать электромагнит или магнит в качестве «крюка» при переноске и погрузке металлолома.

Учитель:Почему выбор преимущественно выпал на электромагниты, а не на постоянные магниты? В чём преимущества электромагнитов перед постоянными магнитами?

(Подъёмную силу электромагнита можно регулировать, не изменяя конструкции, т.е. можно регулировать его магнитное действие, меняя силу тока в катушке.)

Далее учитель просит продемонстрировать свойства электромагнита на конкретном примере. (в качестве металлолома – гвозди, различные металлические предметы)

Учитель: Электромагнитный подъёмный кран переносит железный груз или груз, состоящий из веществ, подобных железу по магнитным свойствам. Этот кран поднимает железные предметы и тогда, когда они находятся в деревянных ящиках, т.к. магнитные силы действуют через различные немагнитные материалы. Однако, прослойки из таких материалов очень ослабляют действие магнита, т.к. магнитные линии магнитного поля крана, идущие от одного полюса к другому, замыкаются через притягиваемый железный груз. Поэтому электромагнитный кран, способный поднять сплошные стальные плиты весом до 16 тонн, принимает за один раз не более 200 кг. железной стружки.

Проводится демонстрация: притягивание булавок, гвоздей к руке человека, приложенной к полюсам электромагнита.

Учитель: Вообще, электромагниты занимают в нашей жизни гораздо больше места, чем мы думаем. Ими снабжены многие привычные нам бытовые и общественные приборы – телеграф, телефон, электромеханический дверной замок, электрический звонок и т.д. Электромагнит – одна из основных деталей многих технических приборов.

Сообщение на тему: «Электромагнитное реле».

Решение задач: № 20, 21, 22 из кейса.

Сообщение на тему: «Магнитный сепаратор».

Решение задач: № 24.

Учитель:используют электромагниты и в военном деле. В период второй мировой войны большую роль играли магнитные мины. Их обычно сбрасывали на парашюте с самолета в различных местах моря. После падения в воду парашют автоматически отделялся от мины, и она погружалась на дно, где и «поджидала» корабль.

Но для того, чтобы изобрести мину, необходимы знания физики. Существенным является знание о том, что вокруг Земли существует магнитное поле.

Сообщение на тему: «Магнитное поле Земли».

Демонстрация модели мины.

Простейшая модель магнитной мины состоит из магнитной стрелки, вращающейся в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси, чашечки с электролитом, лампочки и аккумулятора. Эта специальная электрическая схема может быть связана с запальным приспособлением, воспламеняющим заряд взрывчатого вещества. Принцип действия магнитных мин заключается в следующем. Корпус машины и многие другие детали современного корабля делают преимущественно из стали. Все те части корабля намагничиваются под действием магнитного поля Земли, и корабль, по существу, становится огромным плавучим магнитом. На некотором расстоянии от корабля чувствительная магнитная стрелка отклоняется на некоторый угол. Цепь замыкается, срабатывает запальное приспособление – произойдёт взрыв мины, и находящийся вблизи корабль может погибнуть.

Проблемная ситуация: мину нужно обезвредить, подумайте и предложите способы обезвреживания мины.

Высказывание идей, которые фиксируются на доске:корпус корабля изготовить из другого материала; размагничивать корабль, водолаз с компасом или с миноискателем, нахождение мины по звуку.

Возможные вопросы: можно ли заставить взорваться мину тогда, когда корабль находится от неё ещё на значительном расстоянии?

Демонстрация одного из решений, которое было использовано во время второй мировой войны. Для очистки прибрежных районов от магнитных мин был создан специальный тип корабля – «электромагнитный тральщик». Обмотаем железную модель корабля проводом (противоминный пояс). Этот провод присоединим к другому аккумулятору. Если теперь корабль приближать к мине, то магнитная стрелка замкнёт цепь тогда, когда корабль ещё будет на большом расстоянии от неё. Мина будет обезврежена, а корабль останется цел и невредим.

Итог. Оценивается работа учащихся.

Анкета.

Что на уроке было интересным?

Что на уроке было главным?

Что нового сегодня узнали?

Чему научились?

Заключение.

Метод изучения кейса – учебной ситуации - один из современных проблемно-ориентированных методов обучения.

Метод кейса-ситуация иногда расценивается как загадочный и сложный, но основные принципы метода изучения случая фактически очень просты. Главный принцип для ситуации заключается в том, что рассматриваемый материал должен иметь дело с конкретными и практическими проблемами. Это подразумевает, что ситуации-кейсы должны содержать конкретную эмпирическую информацию.

Специфические особенности метода исследования следующие:

центральный пункт – проблема, а не предмет;

кейс должен иметь дело с конкретным объектом, а не только с общей теорией;

учащиеся обязаны активно участвовать в процессе обучения, а не только быть пассивными слушателями;

возможно не одно решение проблемы.

Эти характеристики предполагают специальные требования к учителю. Некоторым учителям может не понравиться тот факт, что имеется больше чем одно возможное решение кейса. Учитель по этому положению большую часть времени действует как консультант группы учащихся, а не как учитель в традиционном понимании.

Использование ситуации – кейса в процессе обучения в разных странах различно. В некоторых американских колледжах считается нормальным использовать ситуации – кейсы почти для всего процесса обучения. В европейской традиции метод ситуации – кейса используется как второстепенный, но, тем не менее, существенный приём в обучении.

Объёмы ситуаций – кейсов различны. Абсолютно естественно, что различным группам учащихся требуются различные типы ситуаций. Для учащихся – новичков рекомендуют небольшие по содержанию кейсы, чтобы сделать процесс обучения более лёгким. Для более подготовленных учащихся можно использовать более объемные и сложные ситуации.

В условиях современной парадигмы образования кейсовый метод , на наш взгляд, может выступать одной из стратегий личностно-ориентированного обучения.

Материалы дипломной работы могут быть использованы студентами во время прохождения педагогической практики и учителями физики.

Библиография.

1. Архипов А.И. Восхождение на пик знаний – обучающие игры. Краснодар, 1991 г.

2. Балашов М.М. О природе. Книга для учащихся 8 класса. М: Просвещение, 1991 г.

3. Выгодский Л.С. Мышление и речь. Проблемы психологического развития ребёнка. Избранные психологические исследования. М: АПН РСФСР, 1956 г.

4. Гин А.А. Приёмы педагогической техники: пособие для учителя. – М: Вита-Пресс, 1999 г.

5. Глазунов А.Т. Техника в курсе физики средней школы. М: Просвещение, 1997 г.

6. Громов С.В. Родина Н.А. Физика. Учебник для 9 класса. М: Просвещение, 2000 г.

7. Гутник Е.М., Шаронина Е.В., Доронина Э.И. Физика. 9 кл. Тематическое и поурочное планирование к учебнику А.В. Пёрышкина, Е.М. Гутник. Физика 9 кл. М: Дрофа, 2001 г.

8. Демонстрационные опыты по физике в 6-7 классах. Под ред. А.А. Покровского. М: Просвещение, 1974 г.

9. Зельц О. Законы продуктивной и репродуктивной духовной деятельности. В кн.: Хрестоматия по общей психологии: Психология мышления. М: МГУ, 1981 г.

10. Кейс – метод активного обучения. Менеджмент, маркетинг, финансы. Учебное пособие под ред. А.А. Лаптева. – Петрозаводск: Карелия, 2000 г.

11. Кларин М.В. Инновационные модели обучения в зарубежных педагогических поисках. М: Арена, 1994 г.

12. Лаптев А.А. Кейс – метод активного обучения. Менеджмент, маркетинг, финансы. Петрозаводск: Карелия, 2000 г

13. Лернер И.Я. Развитие мышления учащихся в процессе обучения истории. М: Просвещение, 1982 г.

14. Лукашик В.И. Сборник вопросов и задач по физике. М: Просвещение, 1981 г.

15. Методика преподавания физики в 7-8 классах средней школы. Под ред. А.В. Усовой. М: Просвещение, 1990 г.

16. Мнеян М.Г. Сверхпроводники в современном мире. Книга для учащихся. – М: Просвещение, 1991 г.

17. Низамов И.М. Задачи по физике с техническим содержанием. М: Просвещение, 2001 г.

18. Пёрышкин А.В., Родина Н.А., Рошовская Х.Д. Преподавание физике в 6-7 классах средней школы. М: Просвещение, 1985 г.

19. Пёрышкин А.В., Родина Н.А. Физика. Учебник для 8 класса средней школы. М: Просвещение, 1993 г.

20. Пёрышкин А.В., Физика. Учебник для 8 класса. М: Дрофа, 2002 г.

21. Пёрышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. Учебник для 9 класса. М: Дрофа, 2002 г.

22. Рубинштейн С.Л. О мышлении и пути его исследования. Изд. АН СССР М, 1958 г.

23. Теория и методика обучения физике в школе. Под ред. С.Е. Каменецкого. М: Академия, 2000 г.

24. Усова А.В., Вологодская З.А. Дидактический материал по физике для 6-7 классов. М: Просвещение, 1983 г.

25. Усова А.В., Вологодская З.А. Самостоятельная работа учащихся по физике в средней школе. М: Просвещение, 1981 г.

26. Хорошавин С.А. Физический эксперимент в средней школе. М: Просвещение, 1983 г.

27. Кизовски Ч. Проблема управления развитием мышления учащихся на уроках физики. С-Пб.: РГПУ им. А.И. Герцена, 2000 г.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/212497-obobschenie-opyta-rabota-po-teme-vozmozhnosti