Konoval O.А. [konovaloa@gmail.com]
Kryvyi Rih State Pedagogical University, Ukraine
Download in PDF: http://fmo-journal.fizmatsspu.sumy.ua//journals/2018-v1-15/2018_1-15-Konoval_Scientific_journal_FMO.pdf

DEBATABLE TASKS IN THE TRADITIONAL METHOD OF ELECTRODYNAMICS TEACHING 

Abstract. The article deals with the theoretical analysis of the traditional approaches to electrodynamics teaching. The author has paid attention to the contradictions arising in the process of application of the classical Biot-Savart`s law and the neutrality conditions of the conductor with a constant current. It is foremost marked that there are different points of view as for the status of Biot-Savart`s law, which is unacceptable during interpretation of the electrodynamic phenomena and at the study of electrodynamics by  future physics teachers. Contradictions to principle of relativity, arising at joint application of Biot-Savart and Coulomb`s laws are described and analysed in detail. These contradictions arise as a result of the fact that in the analysis of electromagnetic phenomena the relativistic correction in the expression of the intensity of the electric field of a uniformly mobile charged particle is neglected. Despite of the meagerness of the magnitude of such an amendment, it should be taken into account for the correct and adequate description of the phenomena.  is charge density of the conduction electrons in the reference system (RS)  , where  Three neutrality conditions of the conductor with a constant current proposed in the scientific and methodological literature are discussed. It is shown that a traditional neutrality condition of the conductor with a constant current   is the drift velocity of the conduction electrons;  ;  is the speed of light in vacuum;  ,   are the charge densities of the conduction electrons and positive ions, respectively, in their own reference systems, is inconsistent and contradicts to principle of relativity. The noncontradictory neutrality condition of the conductor with a constant current is offered.
The conclusion about some limited nature of traditional teaching methods of electrodynamics is drawn. Biot-Savart`s law and the formula   (which is obviously a consequence of Coulomb's law) are not compatible for simultaneous use in the analysis of the same electrodynamic problem because they lead to principally false conclusions and contradictions. At the same time in standard textbooks and scientific and methodological publications these two formulas are used together, which is, from our point of view, the physical error.
Key words: Biot-Savart`s law, neutrality condition of the conductor with a constant current, teaching methods of electrodynamics, principle of relativity.

ДИСКУСІЙНІ ЗАДАЧІ В ТРАДИЦІЙНІЙ МЕТОДИЦІ НАВЧАННЯ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ
О. А. Коновал
Криворізький державний педагогічний університет, м. Кривий Ріг, Україна

Анотація. У статті здійснено теоретичний аналіз традиційних підходів до вивчення електродинаміки. В статті звернута увага на протиріччя, що виникають при застосуванні класичного закону Біо-Савара і вибору умови нейтральності провідника з постійним струмом. Перш за все наголошено на існуванні різних точок зору щодо статусу закону Біо-Савара, що є неприйнятним при інтерпретації електродинамічних явищ й при вивченні електродинаміки майбутніми вчителями фізики. Детально проаналізовані суперечності з принципом відносності, що виникають при сумісному застосуванні закона Біо-Савара та закону Кулона. Ці суперечності виникають внаслідок того, що при аналізі електромагнітних явищ нехтують релятивістською поправкою у виразі напруженості електричного поля рівномірно рухомої зарядженої частики. Незважаючи на мізерність величини такої поправки її слід враховувати обов’язково для коректного та адекватного опису явищ.  Обговорюються, запропоновані в науково-методичній літературі, три умови нейтральності провідника, по якому протікає постійний струм. Показано, що загальноприйнята умова нейтральності провідника з постійним струмом дрейфова швидкість електронів провідності; ;    – швидкість світла у вакуумі;  ,   – густини зарядів електронів провідності і позитивних іонів у власних системах відліку відповідно є непослідовною та суперечить принципу відносності. Запропоновано несуперечлива умова нейтральності провідника з постійним струмом.
Зроблено висновок щодо певної обмеженості методики навчання електродинаміки. Дійсно, закон Био-Савара и формула   (очевидно являющейся следствием закона Кулона), несовместимы между собой для одновременного использования при анализе одной и той же электродинамической задачи, поскольку приводит к принципиальным ложным выводам и противоречиям. В то же время в стандартных пособиях и в научно-методических публикациях эти две формулы используются вместе, что является, с нашей точки зрения, физической ошибкой.
Ключові слова: закон Біо-Савара, умова нейтральності провідника з постійним струмом, методика навчання електродинаміки, принцип відносності.

References

1. Feynman R. Feynmanovskie lektsii po fizike [Feynman lectures on Physics]:v 9 t. // R. Feynman, R. Leighton, M. Sands. – T.5 : Elektrichestvo i magnetism [Electricity and magnetism]. M: Mir, 1966. 290 s. (in Russian)
2. Konoval O.A. Teoretychni ta metodychni osnovy vyvchennya elektrodynamiky na zasadah teorii vidnosnosti : monografiya [Theoretical and methodological fundamentals of Electrodynamics studying on the base of the theory of relativity] // O.A.Konoval ; Mіnіsterstvo osvіty i nauky Ukrainy; Kryvorіzky derzhavny pedagogіchny unіversytet. Kryvyy Rig : Vydavnychy dim, 2009. 346 s. (In Ukrainian).
3. Irodov I. E. Elektromagnetizm. Osnovnyye zakony [Electromagnetism. The main laws ] / I. E. Irodov [4-e Izd., ispr.]. M. : BINOM. Laboratoriya znaniy, 2003. 320 s. (in Russian)
4. Konoval O.A.Osnovy elektrodynamіky [Fundamentals of Electrodynamics] : navch. posib. dlya  stud. vysch. ped. navch. zakl. // O.A.Konoval ; Mіnіsterstvo osvіty i nauky  Ukrainy; Kryvorіzky derzhavny pedagogіchny unіversytet. Kryvyy Rig : Vydavnychy dim, 2008. 347 s. (In Ukrainian)
5. Ugarov V.A. Spetsialnaya teoriya otnositelnosti [Special theory of relativity] // V. A. Ugarov. M : Nauka, 1977. 384 s. (in Russian)
6. Becker R. Elektronnaya teoriya [Electronic theory ] // R. Becker. L. : ONTI, 1936. 416 s. (in Russian)
7. Nikolaev G.V. Paradoks Feynmana i asimmetriya laboratornoy I dvizhuscheysya sistem otscheta [Paradox of Feynman and asymmetry of the laboratory and moving frames of reference] // G.V. Nikolaev. M. , 1975 . 20 s. Statya dep. v VINITI , reg. № 1937-75. (in Russian)
8. Martinson M.L. O plotnosti zaryada vnutri provodnika s tokom [On the density of the charge inside the conductor with a current] // ML Martinson, A.V. Nedospasov // Uspehi fizicheskih nauk [Successes of Physical sciences]. 1993. V. 163. № 1. S. 91-92 . (in Russian)
9. Konoval O. A. Elektrychne pole providnyka zi strumom [ Electrical field of the conductor with a current ]. Dydaktyka dystcyplin fizyko-matematychnoi ta tehnologichnoi osvitnih galuzey [Didactics  of the disciplines of Physics and Mathematics and technological educational branches ]: Zbіrnyk  nauk. pr. Kamianets-Podіlskogo derzh. ped. un-tu. Serіya pedagogіchna. Kamianets-Podіlsky : K- PDPU , іnf. vyd.vid., 2002. Vyp . 8. S. 265-275. (In Ukrainian).
10. Konoval O. A Osnovy spetsialnoi teorii vidnosnosti [Fundamentals of special theory of relativity] navch.-metod. posib. dlya samost. rob. stud. vyshch. ped. navch. zakl. / O. A. Konoval ; KPI DVNZ «KNU».  Kryvyy Rig: Vyd. R.A. Kozlov, 2014. 272 s. (In Ukrainian).
11. Fock V.A. Teoriya Einsteina I fizicheskaya otnositelnost [Einstein's theory and physical relativity] // V.A.Fock. M.: Znanie, 1967.  45s. (in Russian)