Тақырыбы: Кулон заңын оқыту әдістемесі

Электр заряды мен олардың арасындағы өзара әсер жөніндегі мәселені бастағанда оқушылардан бұрын 8-сыныпта денелердің электрлену құбылысымен танысқанын, зарядтар таңбасының екі түрлі болатындығына тәжірибеде көз жеткізгенін, атомның құрылысы туралы алғашқы ұғым алғандығын және бірқатар құбылыстарды зарядтардың өзара әсері арқылы түсіндіруге болатынын оқығандығын ескеру қажет. Мұғалім оқушылардың сол алған білімдерін жаңғырып, жаңа мағлұматтармен толықтырылып, дамыта және тереңдете түсуі тиіс.

Көзделіп отырған мақсатқа жету үшін тақырыпты түсіндіруді мынадай жоспармен жүргізу қолайлы деп есептейміз.

Денелердің электрленуі. Бірнеше тәжірибелер көрсету арқылы электрленген денелердің жеңіл денелерді өзіне таттатындығы қорытындыланды. Электрленген денелердің тек жеңіл денелерді ғана емес, ауыр денелерді де өзіне тартатындығын көрсету үшін мынадай тәжірибені жасауға болады: ұзын металл труба (түтікше) алып ( 2м), дәл ортасынан жіңішке жіпке байлап, іліп қояды; егер электрленген таяқшаны трубаның бір ұшына жақындатсақ, онда оның таяқшаға тартылатындығын анықтауға болады; металл трубаның орнына ұзын ағаш таяқшаны да қолданады.

Электрленген денелердің өзара әсерлесуі. Денелердің электрленуін көрсеткеннен кейін электрленген денелердің өзара әсерлесуі бірдей болмайтындығын анықтап алған жөн: кейде- электрленген денелер бірін-бірі тартады, кейде олар бірін-бірі тебеді. Бұл құбылысты демонстрациялау үшін алдын-ала сәйкес тәжірибелерді таңдап алу керек. Осыған байланысты электрлену дәрежесінің әртүрлі болатындығын көрсету керек, ол үшін электроскопты пайдаланамыз. Екі электроскоптың бірін электрлеп, екіншісімен зарядник арқылы жалғастырып,денелердің электрлену қасиеті бір денеден екінші денеге берілетіндігіне оқушылар заряд ұғымына жақындата түседі.

Электр зарядының екі таңбасы. Электрленген денелерді зарядталған, заряды бар деп айту қалыптасып кеткен. Қарама-қарсы зарядпен электрленген денелер бірін-бірі тебеді. Бұл қорытындыны тәжірибелермен дәлелдеу керек. Мұнан соң қарама-қарсы таңбалы зарядтардың бір-бірін бейтараптап жіберетіндігі айтылып, тәжірибе көрсетіледі.

Денелерді электрлеудің әдістері. Жоғарыда көрсетілген тәжірибелерге сүйеніп және жаңадан тәжірибелер көрсету арқылы денелерді екі түрлі әдіспен электрлеуге болатындығы жөнінде қорытынды жасауға болады: денелерді тиістіру арқылы және ықпал арқылы. Кейбір әдіскерлер, механизмін түсіндірмей-ақ гальвани элементтері батареясы және жарық әсері көмегімен электрлеу әдістерін де көрсетуді қолайлы деп есептейді. әсіресе электроскоптың жарық әсерінен разрядталуы оқушыларда жақсы әсер қалдырады.

Элементар заряд. Оқушылардың алған осы мәліметтері элементар заряд ұғымын ендіруге жеткілікті. Ең бастысы – зарядтың денемен немесе бөлшекпен байланысты екендігін, кейбір элементар бөлшектердің (электр, протон және т.б.) ол ажырамас қасиеті екендігін түсіндіре білу. Табиғатта бейтарап элементар бөлшектер (нейтрон және т.б.) болғанымен материалдық тасушылар заряд болмайтындығы айтылуы тиіс. Электрондық және протондық тұрғыдан жоғарыда көрсетілген тәжірибелерді қайта түсіндіру қажет.

Келесі қозғалатын мәселе – зарядтың дискреттілігі. Оқушыларға осы кездегі физиканың зарядтың атомы – элементар заряд – болатындығын көптеген тәжірибелер арқылы дәлелдеп беріп отырғандығы айтылуы тиіс. Бұл мақсатта әдетте Милликен тәжірибесі айтылады, кейде әдіскерлер электролиз құбылысын пайдаланғанды жөн көреді. Физика курсын оқу барысында оқушылар ондай әртүрлі тәжірибелермен танысады. Онан соң кез-келген дененің зарядының сол элементар зарядтың бүтін санына тең болатындығы түсіндіріледі. Қалыпты жағдайларда денелерді құрайтын бөлшектердің оң және теріс зарядтары тең, сондықтан дене бейтарап күйде болатындығы, ал денелер электрленгенде қандай джа бір зарядты бөлшектердің саны артып кететіндігі айтылуы тиіс.

Электр зарядының сақталу заңы. Бұл заң – іргелі табиғи заңдарының бірі, сондықтан оған айрықша көңіл аудару қажет. 10-сыныпта бұл заң екі тұрғыдан берілуі мүмкін. Оның біріншісінде электр зарядының атомистік құрылымы ескеріледі: тұйық жүйеде барлық бөлшектердің зарядтарының алгебралық қосындысы өзгермейді, зарядтар пайда болғанда қарама-қарсы таңбалы элементар зарядтар жұбымен пайда болады да, ал бейтараптанғанда – жұбымен бейтараптанады. Заңның айтылуының бұл түрімен қатар екінші айтылу түрі бар, ол макроскопиялық немесе зарядты өлшеуге болатындығы тұрғысынан айтылады: тұйық жүйедегі зарядтардың алгебралық қосындысы өзгермейді.

Заңның орындалуының дәлелі ретінде денелерді тиістіру арқылы электрленгенде денелердің қарама-қарсы таңбалы зарядтармен электрленетіндігін келтіруге болады. Олай болса, электрлеу дегеніміз денедегі зарядтарды модулі жағынан тең, таңбалары қарама-қарсы зарядтарға бөлу процесі екендігін түсіндіру қажет.

Осы тұста зарядтың тағы бір қасиетіне тоқтала кеткен жөн, ол – зарядтың инвариантығы. Ескерте кететін бір жайт- оқушылар көп жағдайда “шаманың сақталуы” және “шаманың инвариантығы” ұғымдарын баса ажырата алмайды, сондықтан мұғалім бұл мәселеге көңіл аударғаны дұрыс. Заряд- абсолют шама, ол тасымалдаушы бөлшек жылдамдығына байланыссыз, басқаша айтқанда санақ жүйесіне тәуелді шама емес.

Кулон заңы. Кулон заңы да электродинамикадағы іргелі заңның бірі, ол электр зарядтарының өзара әсерлесуін сан жағынан сипаттайды. Заңды 1785ж тәжірибе жүзінде Ш.Кулон (1736-1806ж) тағайындаған болатын.

Кулон заңы жөніндегі материалды әңгіме ретінде бастаған дұрыс. Алдымен Кулонның тәжірибесі айтылып, иірілмелі таразының құрылысы мен онымен жұмыс істеу әдісі түсіндіріледі. Әңгіме барысында сынып тақтасына мынадай жазулардың түскені дұрыс:

 

 

Айтылуы: тыныштықтағы зарядталған екі нүктелік дененің вакуумдағы өзара әсерлесу күші олардың зарядтарының модульдерінің көбейтіндісіне тура пропорционал және ара қашықтықтарының квадратына кері пропорционал болады, ол күш сол денелердің центрлерін қосатын түзу бойымен бағытталған.

Осыдан кейін физика кабинетіндегі приборлардың мүмкіндігіне қарай сапа дағынан болса да, электрленген екі дененің арасындағы әсерлесу күшінің зарядтар шамасына және олардың ара қашықтығына тәуелді болатындығын көрсететін тәжірибе ұйымдастырылғаны жөн. Ондай тәжірибелер әр түрлі, қолайлы тәжірибені әдістемелік әдебиеттерден таңдап алуға болады.

Электростатикалық өзара әсерлесу заңы мен гравитациялық өзара әсерлесу заңының бір-біріне ұқсастығынг оқушылар бірден байқайды. Сондықтан гравитациялық күш пен электрлік күштекрді өзара салыстырып, электрлік күштің өте басым екендігін түсіндіре кету керек.

Келесі тоқталатын нәрсе – электр зарядының бірлігі. Онымен оқушылар 8-сыныптан таныс. СИ жүйесінде алдымен ток күшінің бірлігі ампер енгізілетіндігін, оның бұл жүйеде метр, килограмм және секунд сияқты шаманың бірі болатындығын тағы ескерткен жөн. Сонан соң барып ток күші бір ампер (А) болғанда өткізгіштің көлденең қимасы арқылы бір секундте өтетін заряд мөлшері заряд бірлігі ретінде алынатындығы, оны Кулон (Кл) деп атайтындығы айтылады. Осыған байланысты Кулон заңындағы к коэффициентінің физикалық мағынасы ашылып, оның мәні беріледі:

Бірақ СИ жүйесінде к коэффициенті мына түрде алынатындығы айтылуы қажет:

 

мұндағы – электр тұрақтысы деп аталады, оның сан мәні мынадай болып шығады:

 

Қорытындысында элементар зарядтың сан мәні мен электронның тыныштықтағы массасының сан мәнін берген орынды болған болар еді:

 

Ең соңында зарядталған денелер (бөлшектер) өзара, қасиеттері бізге әлі таныс емес, өріс арқылы әсерлесетіндігін ескерте кету керек.