О целесообразности изучения процессов излучения электромагнитных волн движущимися зарядами в средах в курсе электродинамики средней школы

ционная форма контроля // Русский язык в школе. - 1996. - № 6.

2. Валгина Н. С. Теория текста: Учеб. пособие. -М.: Логос, 2004.

3. Сборник материалов для подготовки выпускников IX классов к государственной (итоговой) аттестации в 2009/2010 учебном году в новой форме: Рус-

ский язык / Отв. ред. Л. Е. Курнешова. - М.: Московский центр качества образования, 2009.

4. Методика подготовки школьников к ГИА 9 по русскому языку: Сб. методич. статей лаборатории рус. яз. и литературы МИОО / Под ред. Н. А. Нефедовой. - М.: МИОО, ОАО «Московские учебники»,2010.

О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ДВИЖУЩИМИСЯ ЗАРЯДАМИ В СРЕДАХ В КУРСЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ

ON EXPEDIENCY OF STUDYING PROCESSES OF MOVING CHARGES RADIATING ELECTROMAGNETIC WAVES IN DIFFERENT ENVIRONMENTS IN THE ELECTROMAGNETICS COURSE AT SECONDARY SCHOOL

Ю. В. Бобылев, А. Т. Намазова

В статье обосновывается целесообразность изучения в средней школе, наряду с традиционным процессом излучения электромагнитных волн движущимися зарядами в вакууме, также черенковского и переходного излучений, возникающих при движении заряженных частиц в средах. Кратко рассмотрено черенковское излучение: механизм его образования, механические аналогии и практическое использование.

Ключевые слова: электромагнитные волны, излучение, методика.

U. V. Bobylev, A. T. Namazova,

In this article the authors explain the expediency of studying at secondary school Cherenkov's radiation and transitional radiation that happen when charged particles move in different environments, alongside with the traditional process of moving charges radiating electromagnetic waves in vacuum. The article presents a brief overview of Cherenkov's radiation: the mechanism of its formation, its mechanical analogies and practical use.

Keywords: electromagnetic waves, radiation, methodology.

При изложении темы «Электромагнитные волны» в курсе физики средней школы достаточно подробно рассматриваются свойства волн и их различные приложения. Описание же самого процесса их излучения в большинстве учебников ограничивается более или менее подробным рассказом об опытах Герца и основных принципах работы вибратора Герца. Здесь же говорится о том, что главным условием излучения является наличие ускорения у заряженных частиц (например [1; 2]),то есть движущийся с постоянной скоростью заряд электромагнитные волны излучать не должен. При этом никак не поясняется, что данный вывод относится только к вакууму. Это обстоятельство приводит к формированию у учащихся несколько одностороннего и ограниченного представления о самом процессе рождения электромагнитных волн, поскольку в случае движения заряженных частиц в среде возникают иные, отличные от опи-

48

санного, механизмы излучения. А именно, при движении в однородной среде заряженной частицы со сверхсветовой для данной среды скоростью возникает так называемое излучение Вавилова - Черенкова, или просто черенковское излучение [3]. Отметим, что оно имеет большое практическое значение, поскольку на его основе работают черенковские счетчики -чувствительные приборы, позволяющие измерить многие свойства регистрируемых частиц и широко востребованные в настоящее время.

Помимо черенковского излучения, в случае движения заряженной частицы, причем с произвольной скоростью, в пространственно-неоднородной среде, например, при пересечении границы двух сред, возникает так называемое переходное излучение. На основе этого явления, открытого в 1950-х гг. нашими соотечественниками В. Л. Гинзбургом и И. М. Франком [4], работают также широко используемые в настоящее время счетчики

Рис. 1

переходного излучения. Приведем лишь один пример. Основным элементом регистрирующей установки, созданной для работы на Большом адронном коллай-дере, запущенном в конце 2008 г. в Женеве, является детектор переходного излучения, предназначенный для регистрации следов ультрарелятивистских частиц и

их классификации по рентгеновскому излучению.

Учитывая сказанное, считаем, что обсуждение различных механизмов излучения электромагнитных волн движущимися зарядами, реализующихся помимо вакуума, еще и в среде, поможет сформировать у учащихся более глубокое понимание процесса излучения волн. Рассмотреть данный материал можно, например, кратко на уроке, более подробно на факультативе или в рамках соответствующего элективного курса, как это делается авторами в лицее при ТГПУ им. Л. Н. Толстого.

В настоящей статье остановимся более подробно на излучении Вавилова - Черенкова. Рассмотрим кратко механизм его образования. При движении заряженной частицы в среде помимо вакуумного поля существует вторичное поле, формируемое средой, представляющее собой коллективный эффект излучения множества атомов, электроны которых ускоряются полем проходящей частицы. Если средой является однородный диэлектрик, свойства которого характеризуются диэлектрической проницаемостью 8, то рождаемая электромагнитная волна будет распространяться в нем с фазовой скоростью v6 = С V8. При этом волновые фронты будут представлять собой сферические поверхности с центрами в каждой точке траектории частицы. Так, на рис. 1 изображена последовательность волновых фронтов для движущейся частицы при ее скорости v < v6. Если скорость частицы v становится большей фазовой скорости волны v > v6, то отдельные сферические волновые поверхности интерферируют. Огибающая этих фронтов представляет собой поверхность кругового конуса, ось которого совпадает с траекторией источника, вершина в каждый момент совпадает с источником, а угол 9 между нормалью к конусу и направлением скорости v определяется, как видно из рис. 2, соотношением cos9 = v6 jv.

Нужно отметить, что при рассмотрении излучения электромагнитных волн в среде равномерно движущимся в ней точечным зарядом можно весьма эффективно использовать механические аналогии, поскольку с описанной выше формой фронта волны мы сталкиваемся во всех случаях движения тел со сверхзвуковой скоростью - снарядов, ракет, реактивных самолетов. При этом потери энергии на излучение для сверхзвуковых самолетов (помимо потерь на преодоление сил трения) весьма

существенны. Особенно же наглядна гидродинамическая аналогия черенковского излучения. Вероятно, многим приходилось наблюдать красивую систему волн, образованную движущейся лодкой или кораблем. На первый взгляд она кажется очень сложной. Но на самом деле это всего лишь черенковское излучение волн телом, движущимся со скоростью, большей фазовой скорости волн на поверхности воды, а вся сложность картины возникает исключительно из-за дисперсии. Для реализации описанных механических аналогий можно использовать современные компьютерные технологии. Действительно, мультимедийные возможности современных ЭВМ позволяют создавать модели различных физических процессов, а компьютерные программы для получения анимационных эффектов дают возможность проиллюстрировать более наглядно то или иное явление [5]. Так, например, можно смоделировать процесс формирования фронта ударной волны (переход от рис. 1 к рис. 2), происходящий при увеличении скорости частицы.

Практическое применение, как уже говорилось, че-ренковское излучение находит в черенковских счетчиках, используемых во многих современных лабораториях, например, на нейтринном детекторе в Лос-Аламосе (США). Он представляет собой емкость, в которую заливается 167 т минерального масла с примесью сцинтиллятора. При взаимодействии нейтрино с атомами вещества образуются электроны высокой энергии, скорость которых больше скорости света в среде. При их движении возникает свечение, распространяющееся в виде конуса. Его регистрируют 1220 фотоумножителей на стенках емкости.

Заметим, что весьма подробная информация о че-ренковских счетчиках и счетчиках переходного излучения имеется в Интернете. Кроме того, доступное и достаточно хорошо иллюстрированное описание различных детекторов частиц можно найти, например, в [6]. Составленный на основе данных материалов рассказ о различных механизмах излучения электромагнитных волн движущимися зарядами в среде, а также об использовании на практике данных механизмов излучения, будет интересен и полезен учащимся, позволит значительно расширить их кругозор.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мякишев Г. ЯБуховцев Б. Б. Физика: Учеб.

для 11 кл. общеобразовательных учреждений. -

М.: Просвещение, 2006.

Рис. 2

49

2. Мякишев Г. Я., Синяков А. З. Физика: Колебания и волны. 11 кл.: Учеб. для углубл. изуч. физики. - М.: Дрофа, 2002.

3. Франк И. М. Развитие представлений об излучении Вавилова - Черенкова // УФН, 1984. -Т. 143 - № 2.

4. Гинзбург В. Л. Теоретическая физика и астрофизика. - М.: Наука, 1981.

5. Каменецкий С. Е., Пурышев Н. С. Теория и методика обучения физике в школе: Общие вопросы. - М.:Академия, 2000.

6. Лучко Б. Детекторы частиц // Наука и жизнь, 2004. - № 11.

ОРГАНИЗАЦИЯ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ПРОЕКТОВ УЧАЩИХСЯ СТАРШИХ КЛАССОВ

ORGANIZING HIGH-SCHOOLERS' PEDAGOGICAL RESEARCH PROJECTS

Е. А. Слепенкова

В статье обобщаются результаты многолетней экспериментальной работы автора по апробации исследовательских педагогических проектов старшеклассников в системе педагогической профориентации и научного общества учащихся в школах г. Нижнего Новгорода. Представлены поэтапное описание организации учебных исследовательских педагогических проектов и более подробно содержание и ход подготовки одного из них.

E. A. Slepenkova

In the article the author sums up the results of her experimental work which has lasted for many years. The work covered testing high school students' pedagogical research projects within the system of professional orientation and scientific society of students at schools of N. Novgorod. The author presents step-by-step description of organizating pedagogical research projects and a detailed account of contents and preparation of one of them.

Ключевые слова: педагогический исследовательский проект учащихся старших классов, технология организации учебных проектов.

Keywords: high-schoolers' pedagogical research project, organizing study projects.

Проектные образовательные технологии как одна из наиболее удачных модификаций проблемного развивающего обучения в общеобразовательной школе получили сейчас широкое распространение во всем мире. Они описываются в числе наиболее эффективных в дидактических монографиях и учебных пособиях последних лет [1-3]. В последние годы интенсивно разрабатываются различные концепции организации проектной и исследовательской деятельности школьников в обучении и внеурочной деятельности [4-6]. Ученые выделяют несколько видов учебных проектов, наиболее часто применяемых в школе, в том числе и исследовательские, наиболее близкие к логике научного исследования.

В нашем эксперименте, проводимом более 25 лет в школах Нижнего Новгорода, изучались возможности исследовательских проектов в системе профориентацион-ной работы, в организации пропедевтического педагогического образования в педагогических классах и педагогической секции научного общества учащихся. (Автор на

50

протяжении длительного времени был руководителем педагогической секции НОУ и вел спецкурс «Педагог-исследователь» в нескольких педагогических классах Нижнего Новгорода.) Предлагаем читателям некоторые теоретические выводы из нашего многолетнего опыта работы. Предварительно заметим, что довольно часто приходится сталкиваться с сомнениями по поводу возможности организации такой деятельности со старшеклассниками. Доводы оппонентов обычно сводятся к следующему: «О какой исследовательской деятельности можно говорить, если они не знают основ педагогической науки и сами еще дети?» Однако наш многолетний эксперимент позволяет утверждать, что при условии разработки теоретической концепции и соответствующей ей технологии возможна успешная организация педагогических исследовательских проектов старшеклассников, которые могут иметь позитивный воспитательный, развивающий и про-фориентационный эффект.

Определим исходное понятие. Под учебным исследовательским педагогическим проектом мы понимаем