Урок 34. Электромагнитные явления (Театрализованный повторительно-обобщающий урок-зачет). ч.3

♦ Очевидцы рассказывали, что идеи Ампера были столь новы, что многие члены Французской академии просто не поняли их революционного научного смысла. «Что же, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? - спросил на заседании один из них, обращаясь к Амперу. - Само собой ясно, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга?» За Ампера его оппоненту мгновенно ответил Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же они никак не действуют друг на друга.»

♦ В Германии создан новый тип аккумулятора. В нем вместо раствора кислоты, в который погружены электроды, применена паста, электродами служат листы фольги, а корпусом - пластмассовый мешочек. Новый аккумулятор легок и настолько компактен, что может разместиться в пластиковой карте для банкомата; кроме того, ему можно придать любую форму, а по электрическим параметрам он превосходит наиболее распространенные ныне литиевые аккумуляторы. И, что тоже немаловажно, новый аккумулятор безопасен в эксплуатации как для обслуживающего персонала, так и для окружающей среды. Первый действующий образец уже изготовлен.

♦ Даже на стреляных гильзах и патронах сохраняются отпечатки пальцев человека, вложившего их в оружие, - они могут быть выявлены по методике, разработанной специалистами Саратовского юридического института. Поместив гильзу или патрон в электрическое поле в качестве электрода, напыляют на него в вакууме тонкую металлическую пленку, и на ней становятся отчетливо видны отпечатки, которые вполне можно идентифицировать. Этот способ дает криминалистам возможность надежно установить личность преступника в достаточно сложных ситуациях, когда другие улики отсутствуют или сомнительны.

Отец. Выходит, электрические и магнитные явления тесно связаны между собой? А что произойдет, если проводник с током поместить в магнитное поле? (Ответ с места о действии силы Ампера и о правиле левой руки.)

4-й умник (поднимает руку). Можно мне рассказать о ряде исторических фактов, а также о последних достижениях, связанных с электромагнитными явлениями?

♦ Гэмфри Дэви стал профессором в 23 года. За свою долгую жизнь в науке он успел сделать очень много: открыл несколько новых химических элементов, сумел с помощью электрического тока выделить из расплава солей их составные части, в том числе очень чистые металлы, изобрел шахтерскую взрывобезопасную лампу, обнаружил обезболивающие свойства закиси азота и предложил применять ее во время хирургических операций, доказал, как полезно заменять воду в гальванических элементах кислотой, - это в несколько раз увеличивает силу электрического тока, получаемого от гальванического элемента, изобретенного Алессандро Вольтой. Дэви заслужил много научных и общественных наград, был избран президентом Лондонского Королевского общества.

Но на вопрос о самом большом открытии в жизни он ответил: «Самым великим моим открытием было открытие Фарадея». И он, несомненно, прав.

♦ Один из историков науки справедливо писал: «.работы других ученых - Кулона, Гальвани, Эрстеда, Араго, Ампера - представляли собой отдельные “пики”, тогда как Фарадей воздвиг “горную цепь” из взаимосвязанных работ». Фарадей сумел значительно опередить свое время не только сутью сделанных им открытий, но и цельным подходом к научному творчеству. Он считал, что необходимо искать общность разных процессов в природе, изучать «точки соприкосновения» областей знания, ибо на стыке наук можно обнаружить совершенно новые закономерности исследуемого явления.

♦ На стыке физики и химии сделаны работы Фарадея по изучению влияния электрического тока на осаждение и разложение веществ и были установлены два основополагающих закона электролиза. Изучая сходство и различие оптических и электрических явлений, Фарадей показал, что электрический ток может усиливать и ослаблять свет. И конечно, главное - Фарадей доказал окончательно, что электричество и магнетизм неразрывно связаны.

♦ Одиннадцать лет после открытий Эрстеда и Ампера размышлял Фарадей над этой проблемой. Электричество явно обладает магнитной силой, и теперь осталось подтвердить влияние магнитных явлений на электрические. Физическая природа их так близка! 29 августа 1831 г., как зафиксировано в лабораторном журнале Фарадея, был выполнен исторический эксперимент. На большую деревянную катушку ученый навил две электрические спирали, изолированные друг от друга хлопчатобумажной нитью. По одной из спиралей пропускался ток, который Фарадей резко включал и выключал, а другая была соединена с гальванометром - прибором, отмечавшим появление тока во второй спирали. «При замыкании цепи, - записал Фарадей в журнале, - удавалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометре, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить. действия на гальванометр.» Спирали из проводников, как доказал Ампер, подобны по своим свойствам магнитам, и Фарадей продолжал свои опыты, заменив одну из спиралей на магнит. Сильные всплески тока возникали, когда Фарадей двигал магнит в катушке со спиралью или, наоборот, перемещал катушку относительно магнита. Фарадей заметил основные особенности явления: ток возникает только при движении катушки и магнита относительно друг друга; направление тока, возникающего в момент, когда магнит входит в катушку, изменяется на противоположное при выходе магнита из катушки. Обнаруженное Фарадеем явление получило название электромагнитной индукции. Его недаром относят к наиболее выдающимся открытиям XIX в., ведь работа миллионов электродвигателей и генераторов электрического тока во всем мире основана на явлении электромагнитной индукции.

Фарадей глубоко верил в единство электрических и магнитных явлений. Первым из ученых он предложил понятия об электрическом и магнитном полях, окружающих магниты и проводники с током. Эти поля переносят в пространство, как считал Фарадей, электромагнитные сигналы. Эта мысль оказалась настолько важной для всего последующего развития физики, что Альберт Эйнштейн назвал человека, которого она впервые посетила, «избранником».

♦ Несколько десятилетий спустя Джеймс Кларк Максвелл разовьет идею Фарадея, облечет ее в ясную и точную математическую форму, и электромагнитное поле займет положенное ему по праву важнейшее место во всех разделах физики.

♦ В тех регионах России, где бывают сильные морозы, зимой возникает проблема слива нефтепродуктов из железнодорожных цистерн, ибо их вязкость при низкой температуре слишком мала. Для того чтобы извлечь из цистерны прилипшую к ее стенкам массу, приходится пользоваться паром. Но это дорого: для разогрева одного железнодорожного резервуара сжигается до 15 т топлива. Ученые дальневосточных институтов разработали технологию электроиндукционного нагрева цистерн, позволяющую значительно сократить энергозатраты. С небольшими изменениями эта технология эффективна для извлечения замерзших нефтепродуктов из резервуаров океанских танкеров. Для аварийных ситуаций, когда замерзают системы отопления и водоснабжения, разработан ручной электроиндукционный инструмент, обеспечивающий быстрый разогрев трубопроводов и высокую безопасность работ. Технология защищена патентом РФ.

♦ Там, где происходит торговля с лотков, в палатках, возникает необходимость в подключении осветительных, нагревательных или охладительных электроприборов. И вот от ближайших домов к лоткам и киоскам тянутся провода, нарушая опрятный вид улиц и мешая продавцам, покупателям, прохожим. Чтобы избежать этого, французская фирма «Стев Инженери» предложила прокладывать под площадкой, предназначенной для торговли, электрокабель, к которому через определенные промежутки подключены индукционные катушки, представляющие собой первичные обмотки трансформаторов. Торговец ставит на асфальт над такой катушкой небольшую портативную колонку с катушкой, служащей вторичной обмоткой, и через розетку получает обычное сетевое напряжение. Такая распределительная система позволяет получать «через асфальт» электрический ток мощностью до 4 кВт.

Отец. А какие явления сопровождают протекание электрического тока?

(5-й умник просит слова для сообщения о действии электромагнитных полей на человека и об их применении.)

♦ Наука накапливает все больше данных о влиянии переменных магнитных полей на человека и животных. Установлено, например, что к действию этих полей чувствителен эпифиз - расположенная в мозге железа, вырабатывающая мелатонин - вещество, регулирующее, в частности, обмен веществ и адаптацию организма к неблагоприятным условиям. Исследования показали, что после воздействия переменных магнитных полей, как естественного (магнитные бури), так и искусственного происхождения, уровень мелатонина в крови снижается. У некоторых особо чувствительных людей такой эффект наступает даже после длительного лежания под электроодеялом. Между тем уменьшение мелатонина нарушает его нормальную функцию в организме и увеличивает риск появления некоторых недугов. Переменные магнитные поля естественного и искусственного происхождения могут нарушать и биоритмы организма (они в какой-то мере контролируются эпифизом). Ученые предполагают, что в организме человека и животных эпифиз - не единственный орган, подверженный влиянию магнитных полей, но пока о магниточувствительности этого и других органов известно очень мало.

♦ Состояние биосферы во многих регионах таково, что грядущая экологическая планетарная катастрофа кажется неизбежной. «И Весна. и Весна встретит новый рассвет, не заметив, что нас уже нет», - эти знаменитые строки Р. Брэдбери настраивают на серьезный лад, побуждая разобраться в окружающей действительности. Развитие мобильных средств радиотелефонной и космической связи, сети персональных компьютеров приводит к тому, что все большее число людей подвергается воздействию электромагнитных излучений. Ученые предупреждают об электромагнитной опасности для человека, предполагая, что техногенные электромагнитные излучения могут оказывать неблагоприятное воздействие на организм. Электромагнитное излучение - физический фактор загрязнения окружающей среды. Пока данных мало, проблема требует изучения. Особое внимание следует уделить влиянию электромагнитных полей и излучений, создаваемых дисплеем компьютера и сотовыми телефонами, т. к. эти источники широко распространены.

♦ Физики никогда не успокаиваются. Новые особенности обнаруживаются не только в движении планет, новыми свойствами наделен и космический вакуум. Привычное для нас представление о вакууме как о совершенной пустоте сменилось вполне обоснованной гипотезой, что вакуум при определенных условиях может рождать на свет элементарные частицы.

♦ Кристаллы различных веществ, пристально рассмотренные под ярким «светом» частиц высоких энергий, оказались отнюдь не похожими на холодное царство неподвижно застывших геометрически правильных рядов атомов. Под влиянием вводимых примесей, температуры, давления, электрического и магнитного полей в столь «невозмутимых» внешне кристаллах могут происходить удивительные превращения: например, в одних при увеличении температуры исчезают металлические свойства, в других наблюдается обратная картина - изолятор становится металлом. Советский физик Э.Л. Нагаев теоретически предсказал, что при определенных условиях только отдельные области кристаллов будут изменять свои свойства. Некоторые полупроводники становятся при этом похожими на. пудинги с изюмом: изюминки - проводящие шарики - разделены диэлектрическими прослойками, и в целом такой кристалл не пропускает электрический ток. Тепло и магнитное поле могут заставить шарики соединяться друг с другом, изюминки будто растворяются в пудинге - кристалл превращается в проводник электрического тока. Эксперименты вскоре подтвердили возможность осуществления в кристаллах подобных переходов.

♦ Не все удается предсказать и рассчитать заранее. Часто толчком для создания новых теорий служат непонятные результаты экспериментов или странные явления, которые внимательному наблюдателю удается подметить в природе.

♦ Очень важное свойство роднит физику с философией, из которой она вышла, - физика может убедительно, с помощью цифр и фактов, ответить на вопрос любознательного человека: велик или мал мир, в котором мы живем? Философия отвечает на вопрос-близнец: велик или мал человек? Блез Паскаль называл человека «мыслящим тростником», подчеркивая, что человек хрупок, слаб и беззащитен перед явно превосходящими силами неживой природы; единственное оружие и защита человека - его мысль. Вся история физики убеждает, что обладание этим неосязаемым и невидимым оружием дает возможность проникнуть необычайно глубоко в мир бесконечно малых элементарных частиц и достичь самых далеких уголков нашей необъятной Вселенной. Физика показывает, как велик и в то же время близок мир, в котором мы живем. Физика позволяет почувствовать человеку свое величие, необыкновенную силу мысли, которая делает его самым могущественным существом на свете.

«Я не становлюсь богаче, сколько бы ни приобретал земель. - писал Паскаль, - а вот с помощью мысли я охватываю Вселенную».

(К доске выходит художник и показывает всем свою картину - как он представляет электромагнитные явления, -рассказывает о грозе, читает стихи А. С. Пушкина)

Последняя туча рассеянной бури!

Одна ты несешься по ясной лазури,

Одна ты наводишь унылую тень,

Одна ты печалишь ликующий день.

Ты небо недавно кругом облетала,

И молния грозно тебя обвивала,

И ты издавала таинственный гром,

И алчную землю поила дождем.

Учащийся. А у меня стихи о грозе Ф. И. Тютчева, но более жизнерадостные, ведь не всегда в грозу бывает страшно.

Люблю грозу в начале мая,

Когда весенний, первый гром,

Как бы резвяся и играя,

Грохочет в небе голубом.

Гремят раскаты молодые,

Вот дождик брызнул, пыль летит,

Повисли перлы дождевые,

И солнце нити золотит.

Бизнесмен. А вот вам загадка: «Гаркнул гусь на всю Русь». Что это? (Ответ с места: Гром.)

Учащиеся (загадывают загадки):

• Нашумела, нагремела, все промыла и ушла. И сады, и огороды всей округи полила. (Ответ: Гроза.)

• Два брата родных: одного всяк видит, да не слышит; другого все слышат, да не видят. (Ответ: Гром и молния.)

• Летит огненная стрела, никто ее не поймает: ни царь, ни царица, ни красная девица. (Ответ: Молния.)

Отец. Спасибо. Молодцы!

Дочь. Папа, теперь я поняла, как делается обобщение по электромагнитным явлениям и как решить задачу.

• Как вынуть стальной шарик из бутылки, не опрокидывая бутылки? (Ответ: Магнитом.)

Пап, теперь я не получу двойку!

Отец. Я рад за тебя. Видишь, мы с ребятами смогли тебе помочь. Всем спасибо.

Учитель. Подведем итоги урока.