Теоретичні і методичні засади вивчення електродинаміки як релятивістської теорії у вищих педагогічних навчальних закладах

Abstract

Дисертаційне дослідження присвячене теоретичному обґрунтуванні основних законів електродинаміки методами спеціальної теорії відносності й теоретичному та методичному об-ґрунтування методики навчання електродинаміки як релятивістської теорії у вищих педагогіч-них начальних закладах. Уперше показано, що закон Біо-Савара, закон Ампера, закон електромагнітної індукції, вираз для сили Лорентца та інші є наслідками принципу відносності, принципу суперпозиції і закону Кулона. Розроблена методична концепція вивчення законів і властивостей електромагнітного поля постійних і квазістаціонарних струмів в контексті теорії відносності та з дотриманням принципів фундаментальності і наочності та компетентісного, дедуктивного, проблемного та задачного підходів до вивчення класичної електродинаміки. Експериментальне упровадження розробленої методики у практику навчання класичної електродинаміки студентів вищих педагогічних навчальних закладів позитивно вплинуло на мотиваційні, когнітивні, діяльнісні, особистісні та оцінно-рефлексивні характеристики якості підготовки майбутніх вчителів фізики.

Диссертационное исследование посвящено теоретическому обоснованию основных за-конов электродинамики методами специальной теории относительности и теоретическому и методическому обоснованию методики изучения электродинамики как релятивистской теории в высших педагогических учебных заведениях. Впервые показано, что закон Био-Савара, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, выражение для силы Лорентца и другие являются следствиями принципа относительности, принципа суперпозиции и закона Кулона. В модели проводника с постоянным током, которая широко используется в дидактике физики, предложено объяснение опытной ненаблюдаемости непотенциального электрического поля линейной процессии заряженных частиц. Впервые дано детальное и последовательное релятивистское описание силы взаимодей-ствия 2-х параллельных проводников с токами. Впервые в научно-методической литературе по классической электродинамики предста-влено описание метода обоснования уравнений Максвелла в системе единиц СИ на основе принципа наименьшего действия. В результате проведенных исследований можно констатировать (в отличие от утвержде-ний Р. Фейнмана об отсутствии единого глубокого принципа, который лежит в основе закона электромагнитной индукции), что найден такой фундаментальный принцип. Это представление закона электромагнитной индукции в форме . Показана необходимость обязательного учета релятивистских эффектов для корректного описания электромагнитных явлений, даже если они и бесконечно малые. В контексте заданий исследования предложены и апробированы новые оригинальные способы обоснования формул преобразования компонент электромагнитного поля при перехо-де от одной системы отсчета к другой, в которых не используется понятие тензора электромаг-нитного поля. Эти способы обоснования формул преобразования компонент электромагнитного поля позволяют не только обосновать формулы преобразования, но и более обстоятельно объяснить ученикам и студентам законы электромагнетизма и методику применения принципа относи-тельности. Показано, что имеющиеся в научно-методической литературе объяснения релятивист-ских причин появления «заряда проводника с током» противоречивые и нуждаются в уточне-ниях; предложено непротиворечивое условие нейтральности проводника с постоянным током. Предложена и разработана методическая концепция изучения законов и свойств элек-тромагнитного поля постоянных и квазистационарных токов в контексте теории относительности и с соблюдением принципов фундаментальности, наглядности, дедуктивного, проблемного и задачного подходов к изучению классической электродинамики, которая включает: – детальное изучение свойств электромагнитного поля движущейся заряженной части-цей; – обоснование закона Био-Савара в релятивистской форме; – применение его для расчетов индукции магнитного поля, взаимодействия токов в кон-кретных электродинамических явлениях; – рассмотрение предельных случаев и иллюстрацию принципа соответствия; – анализ электромагнитного поля подвижной заряженной частицы, которая приводит к последовательному и непротиворечивому обоснованию фундаментальных уравнений и ; – обоснование закона электромагнитной индукции на основе принципа от-носительности и закона Кулона; – детальное описание (на конкретных задачах) физического механизма порождения маг-нитного поля постоянных и квазистационарных токов – физической причиной возникновения магнитного поля вокруг проводника с током является только ток смещения; – активное использование созданных нами компьютерных программ: а) «Компонент» для моделирования относительности электрического и магнитного по-лей; б) для имитационного моделирования зависимости параметров электромагнитного поля заряженной частицы, которая движется равномерно и прямолинейно, от скорости движения частицы и угла наблюдения; в) для имитационного моделирования распределения в пространстве токов смещения равномерно движущейся заряженной частицы и линейной процессии заряженных частиц; г) для компьютерного моделирования опытов Био и Савара. Экспериментальное внедрение разработанной методики в практику учебы классической электродинамики студентов высших педагогических учебных заведений положительно повлияло на когнитивные, деятельностные и личностные характеристики качества подготовки будущих учителей физики. Ключевые слова: , , , методика обучения электродинамики

Dissertation research is devoted theoretical ground of basic laws of electrodynamics by the methods of the special theory of relativity and to theoretical and methodical ground of technology of study of electrodynamics as a relativism theory in higher pedagogical educational establishments. Law of Biot-Savart, law of Ampere, law of electromagnetic induction, expression for force of Lorentz et al lose status of fundamental, are the consequences of principle of relativity, principle of superposition and law of Coulomb. Methodical conception of study of laws and properties of the electromagnetic field of direct and quasistationary currents is developed in the context of theory of relativity and with the observance of principles of solidity and evidentness and deductive, problem and task going near the study of classic electrodynamics. Experimental introduction of the developed method in practice of studies of classic electrody-namics of students of higher pedagogical educational establishments positively influenced on the level of knowledges and personality descriptions of quality of preparation of future teachers of physics.