Методический материал на тему Электрические явления (8 класс)

В 1870 году французский фантаст Жюль Верн устами капитана Немо восхвалял электрическую энергию как великую силу, способную приносить человеку свет, тепло и приводить в движение механизмы. Тогда подобные заявления были восприняты скептически, ведь электричество считалось просто бесполезной игрушкой для научных выставок. Полтора века спустя мы легко можем назвать писателя пророком, а сами давно не представляем свою жизнь без электричества. Но так ли много мы знаем о той силе, которую используем каждый день?
Мы используем землю как проводник. Для протекания тока нужен замкнутый электрический контур, и в некоторых случаях земля отлично подходит как составная часть этого контура. Главным образом это сделано в целях безопасности. Напряжение в любом современном жилище достаточно велико и представляет угрозу для человека. А многие предметы быта, хоть они и не предназначены для этого, очень хорошо проводят электрический ток. При каком-либо повреждении проводки напряжение может «растечься» по окружающим вещам. Любое прикосновение к таким предметам грозило бы человеку серьезными травмами, а иногда — летальным исходом. Это произошло бы по той причине, что человек замкнет собой контур, в котором есть электростанция, но больше нет никаких других замкнутых контуров. Вот если бы абсолютно все проводящие вещи в доме можно было соединить проводами с электростанцией, так, чтобы ток пошел «мимо» человека?
К счастью, такие «провода» есть: это наша планета. Теоретически возможность передавать по ней электричество есть всегда, но это не очень выгодно, потому что металлические проводники делают это лучше. Однако один из выводов электростанции, как правило, соединен с землей. В домах железные трубы, батареи, стальной каркас и прочие проводники также соединяются с землей. В случае пробоя, например, на батарею электричество идет по контуру: электростанция – провод – батарея – земля – электростанция. Прикосновение к такой батарее для человека относительно безопасно.
В общем случае нам нужно два провода между электростанцией и розеткой, чтобы вместе они составляли замкнутый контур. Но один из них, как упоминалось выше, обычно соединен с землей. Этот провод называется нулевым проводником, и прикосновение к нему ничем нам не грозит. Поэтому в один из двух контактов обычной электрической розетки можно совать пальцы, не боясь удара. Впрочем, угадать, в какой именно, не всегда получается, так что не советую проверять.
Более современные розетки стандарта «евро» обладают двумя «нулевыми» контактами и одним — под напряжением. Третий контакт используется в целях безопасности вместо земли (о чем говорилось выше), чтобы сделать защиту еще эффективнее. Как правило, он просто соединен с корпусом оборудования и не входит в электрическую часть. В нормальном режиме по нему вообще не идет ток.
В истории был период, который известен под условным названием «война токов». Главными действующими лицами тогда были небезызвестные Никола Тесла и Томас Эдисон. Первый увидел потенциал и удобство использования переменного тока, второй настаивал на том, что следует пользоваться постоянным электричеством (точка зрения, которая была тогда общепринятой). Эдисон даже проводил публичные демонстрации, довольно жестокие. Дело в том, что переменный ток, несмотря на свои преимущества, представляет большую опасность для живых существ. Томас Эдисон использовал этот факт, чтобы создать в народе страх и недоверие к идеям Теслы: он прилюдно убивал животных с помощью переменного тока. Один раз даже провели демонстрацию на слоне: огромное многотонное существо на глазах изумленной публики было помещено в специальный корсет из электрических проводников, который подключили к переменному напряжению. Пара секунд — и могучее животное упало замертво.
К счастью, экономика взяла свое. Необходимость иметь дешевый и удобный способ доставки энергии до потребителей стала определяющим критерием, поэтому в настоящее время переменный ток используется повсеместно. Впрочем, у постоянного тока есть свои преимущества, так что разработка этого вопроса продолжается.
Электрическая энергия имеет одну специфическую черту: ее очень трудно запасать. Наши аккумуляторные батареи пока что несовершенны, поэтому произведенная энергия должна быть сразу потрачена. В течение суток электричество потребляется неравномерно: днем, когда включено оборудование на заводах, электроэнергии тратится в разы больше, чем ночью, когда все спят. Электростанции строят таким образом, чтобы они могли обеспечивать максимальные нужды, то есть суточный пик нагрузки. Для этого (в случае с гидроэлектростанцией) перекрывают реку огромной плотиной, устанавливают нужное количество турбин и генераторов.
Проблема в том, что река течет всегда и электростанция всегда производит много мощности. Можно, конечно, выключить турбину, но это, по сути, не позволит ничего сэкономить: станция уже построена, деньги уже потрачены, а дополнительные расходы почти не зависят от количества работающих генераторов. Кроме того, остановка и запуск турбины — весьма трудоемкий и опасный процесс.
Получается, что по ночам электричество просто некуда девать, оно производится впустую. Сейчас предлагаются разные решения, позволяющие ослабить этот эффект неравномерности. Например, есть тип электростанций, которые по ночам тратят электричество, чтобы накачивать воду насосами в огромные многотонные емкости. Днем эта вода сливается, «помогая» электростанции произвести мощность достаточную для того, чтобы обеспечить суточный пик нагрузки.
Для протекания электрического тока нужен замкнутый контур. Чтобы выключить ток, достаточно каким-то образом разорвать этот контур, что и делает обычный выключатель: нажимая на клавишу, мы отодвигаем друг от друга две металлические пластинки, к которым подключены провода. Контур разорван, ток не идет.
На электростанции все несколько сложнее. Напряжение там в тысячи раз выше, чем в розетке. В таких условиях ток способен течь прямо по воздуху (именно так «работает» молния). Ток настолько сильный, что при простом отодвигании двух пластинок друг от друга ничего не меняется: он продолжает течь по воздушному промежутку между этими пластинами. Такой эффект называется электрической дугой.
Для преодоления этого препятствия используют специальные выключатели. Это конструкции высотой несколько метров и стоимостью в сотни тысяч долларов каждая. Вся их задача состоит в том, чтобы разорвать электрическую цепь. Это достигается сразу несколькими способами.
Во-первых, контакты раздвигаются очень быстро. Мощные пружины предварительно натягиваются двигателем, а в нужный момент резко распрямляются, разрывая контакт за миллисекунды.
Во-вторых, такой разрыв происходит либо в вакууме, либо в специальном непроводящем веществе (газе или масле). А весь механизм находится внутри герметичного контейнера, выдерживающего высокое давление. Только таким способом удается достичь нужного результата и обесточить цепь.
Человечество подчинило себе одну из самых могущественных природных сил, которая, однако, до сих пор скрывает множество тайн. Исследования в области электроэнергетики ведутся непрерывно. Каждый год появляются новые открытия и предлагаются свежие решения. Кто знает, возможно, в скором времени мы исполним мечту Николы Теслы: электричество будет передаваться без проводов в каждый уголок планеты, станет дешевым или вовсе бесплатным.
А пока что — уходя, гасите свет.
ГРУППА 1
ЗАДАНИЕ 1. Прочитайте текст, подготовьте пересказ.
«МОЛНИЕОТВОД (ГРОМООТВОД)»
На территории Свердловской области, в центре города Невьянске находится одна из достопримечательностей Урала- Невьянская наклонная башня. В башне очень много металла: дверные и оконные коробки отлиты из чугуна, полы и балконы выстланы чугунными плитами. Внутри башни — металлический каркас, места выхода которого скреплены на стенах чугунными шайбами, каркас является заземлением. Венчает Невьянскую башню колокольня со старинными колоколами, а на самой крыше – 40-сантиметровый шар с шипами – первый в мире громоотвод (молниеотвод-устройство воспринимающее удар молнии и отводящее ток в землю), установленный в начале XVIII века – за несколько десятилетий до того, как он был изобретен Бенджамином Франклином.
ЗАДАНИЕ 2. Поделитесь фактами об электричестве и интересных источниках электроэнергии.
#1. Первые данные об электрических рыбахПервые сведения о людях, получивших удары от электрических рыб ученые нашли еще в древнеегипетских текстах, датированных 2750 г. до н.э..#2. Как в Древнем Риме использовали электрических рыбДревние Римляне рекомендовали прикасаться к электрическим рыбам с целью лечения головной боли или подагры.#3. Первые попытки вырабатывания электроэнергииПриблизительно в 600 г. до н.э. греческий философ Фалес из Милета стал первым, который начал экспериментировать с электроэнергией, полученной путем трения кусков янтаря.
ЗАДАНИЕ 3. Изобразите на листочке «Правила безопасного обращения при работе с электроприборами».
ГРУППА 2
ЗАДАНИЕ 1. Прочитайте текст, подготовьте пересказ.
«МОЛНИИ И КЛАДЫ»
Древние греки считали, что больше всего янтаря можно найти на побережье Северного моря, хотя никогда там не были. Основываясь на мифах, а именно на побережье Северного моря сын бога солнца Гелиоса Фаэтон был поражен молнией, поразившей его, они, по всей видимости, видели связь между молнией и свойствами янтаря вырабатывать статическое электричество.
Разряды молнии в землю указывали кладоискателям, что именно здесь зарыты сокровища. Понятно, что молнии бьют в курганы, содержащие большое количество металла.
На Руси место, куда попала молния, считалось лучшим для закладки колодца. Естественно — ведь вода притягивает электричество. Следовательно, вероятность близкой воды была очень высока! Но попутный вопрос – удобно ли жить в таком месте хозяевам, как они будут относиться к связке электричество, молния и магнетизм.
ЗАДАНИЕ 2. Поделитесь фактами об электричестве и интересных источниках электроэнергии.
#4. Первое литературное упоминание электричестваПервое использование слова "электрический" в печати было в 1646 году (от греческого "elektron", что означало "янтарь").#5. Одно из изобретений Томаса ЭдисонаЭдисон изобрел электрический стул не как средство казни, а для демонстрации опасности переменного тока. Но, к сожалению, чтобы довести свою теорию с помощью изобретения он убил слона.#6. Первая улица с электрическим освещениемПервой улицей в мире, которую начали освещать электрическими лампочками, стала Мосли-стрит, Ньюкасл-апон-Тайн (Англия, 1879 г.).
ЗАДАНИЕ 3. Изобразите на листочке «Правила безопасного обращения при работе с электроприборами».
ГРУППА 3
ЗАДАНИЕ 1. Прочитайте текст, подготовьте пересказ.
«ЛЮДИ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО»
При дворе Людовика XV проводились опыты с электричеством и магнетизмом, при которых на площади ставили не менее 180 взявшихся за руки солдат и через них пропускали разряд от Лейденской банки (Ле́йденская ба́нка — первый электрический конденсатор, изобретённый голландским учёным Питером ван Мушенбруком и его учеником Кюнеусом в 1745 в Лейдене. Изобретение лейденской банки стимулировало изучение электричества, в частности, скорости его распространения и электропроводящих свойств некоторых материалов. Выяснилось, что металлы и вода (кроме дистиллированной) — лучшие проводники. Благодаря Лейденской банке удалось впервые искусственным путём получить электрическую искру).
Весь двор с огромным любопытством наблюдал за «массовым содроганием» от прохождения тока через такую импровизированную электрическую цепь.
Скорость электрического тока почти равна скорости света. В 1746 году, когда это ещё не было известно, французский священник и физик Жан-Антуан Нолле захотел измерить скорость тока экспериментально. Он расставил 200 монахов, соединённых друг с другом железными проводами, по окружности длиной свыше полутора километров, а затем разрядил в эту цепь батарею из лейденских банок, изобретённых годом ранее. Все монахи среагировали на ток в одно мгновение, что убедило Нолле в очень высоком значении искомой величины.
В истории американских тюрем имеется два случая, когда подсудимым изменяли меру наказания со смертной казни на пожизненное заключение, но смерть от электричества все равно находила их. В 1989 году Майкл Андерсон Годвин сам себе устроил электрический стул, сидя на металлическом унитазе в своей камере и одновременно ремонтируя телевизор. Замыкание произошло, когда он перекусил проводок. В 1997 году похожее происшествие случилось с Лоуренсом Бейкером — он тоже сел на металлический унитаз, смотря телевизор в самодельных наушниках.
ЗАДАНИЕ 2. Поделитесь фактами об электричестве и интересных источниках электроэнергии.
#7. Первые электрические приборыПервыми бытовыми предметами, работающими от электричества, стали швейная машина, вентилятор, чайник и тостер.#8. Весьма интересный мексиканский законВ мексиканском городе Торреон за использование электрической бритвы во время вождения светит штраф в 30 долларов США.#9. Альтернативные источники электроэнергии в ИсландииНа данный момент Исландия это единственная страна, которая получает электроснабжение исключительно из возобновляемых и альтернативных источников.
ЗАДАНИЕ 3. Изобразите на листочке «Правила безопасного обращения при работе с электроприборами».
ГРУППА 4
ЗАДАНИЕ 1. Прочитайте текст, подготовьте пересказ.
«МАГНЕТИЗМ И СТАТИЧЕСКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО»
Статического электричество и магнетизм начали изучать с помощью простейшего прибора — металлический диск со стеклянной ручкой, сургучная подушка, кошка и палец. Именно с этим набором инструментов работал Александр Вольт.
Многие единицы физических величин в электротехнике носят имена учёных изучавших электричество и магнетизм. Но лишь один из них, имеющий в своей фамилии всего две буквы, был удостоен дважды такой чести. Это немец Георг Ом. Нам всем знакома единица измерения сопротивления «Ом», но, наверное, мало кто помнит, что физическую величину, обратную сопротивлению – «электропроводимость», измеряют в величинах, называющихся «мо».
При всем этом, в 1827 году Георг Ом, не сдал экзамен и не был допущен к преподаванию основ физики и магнетизма в школе, из-за очень низкого уровня знаний и полного отсутствия педагогических способностей.
Луиджи Гальвани, называли, когда-то волшебником за то, что он заставлял шевелиться трупы телят, мышей, кошек и лягушек! И именно в его честь названы химические источники тока — гальванические элементы.
Первая батарейка в 4 вольта была найдена в Египте и состояла она из медного цилиндра и вложенного в него железного стержня. В цилиндр заливалась жидкость, но стержень при этом не прикасался к стенкам сосуда.
ЗАДАНИЕ 2. Поделитесь фактами об электричестве и интересных источниках электроэнергии.
#10. Опасность ударов электрического угряУдары электрического угря могут достигать до 600 вольт, которые животное использует, как для самозащиты, так и для охоты. #11. Скорость передвижения электричестваЭлектричество движется со скоростью света или же более 300 тысяч километров в секунду.#12. Формирование статического электричестваИскра статического электричества может достигать 3000 вольт.
ЗАДАНИЕ 3. Изобразите на листочке «Правила безопасного обращения при работе с электроприборами».
ГРУППА 5
ЗАДАНИЕ 1. Прочитайте текст, подготовьте пересказ.
«ЖИВОТНЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО»
Знаете ли вы, что в некоторых районах Африки и Южной Америки, где до сих пор нет электричества в домах, жилища освещают с помощью светлячков. Их помещают в закрытые стеклянные банки! При этом банки, наполненные светлячками, дают довольно яркий свет!
Электрический угорь из Амазонки бьёт током с напряжением более 500 вольт. Местные жители перед тем, как ловить их, загоняют в реку стадо коров, чтобы угри истратили на них весь свой заряд.
Сидящая на проводе высоковольтной ЛЭП птица не страдает от тока, потому что её тело — плохой проводник тока. В местах прикосновения птичьих лап к проводу создаётся параллельное соединение, а так как провод гораздо лучше проводит электричество, по самой птице бежит очень малый ток, который не может причинить вреда. Однако стоит птице на проводе коснуться ещё какого-нибудь заземлённого предмета, например, металлической части опоры, она сразу погибает, ведь тогда уже сопротивление воздуха по сравнению с сопротивлением тела слишком велико, и весь ток идёт по птице.
У рыб отряда гимнотообразных (Отряд морских лучепёрых рыб, населяют пресноводные водоёмы Южной Америки, имеют удлинённые тела и плавают с помощью анального плавника. Эти ночные рыбы способны производить электрическое поле для навигации и связи), самцы заявляют о своём превосходстве электрическим сигналом с более высокой, чем у конкурентов, частотой, позволяющие выявить доминирующего самца без проведения боя.
ЗАДАНИЕ 2. Поделитесь фактами об электричестве и интересных источниках электроэнергии.
#13. Длительность и напряжение удара молнииНапряжение удара молнии может достигать до 3 млн. вольт, но длиться менее одной секунды.#14. Скорость и температура, которую вырабатывает молнияМолния представляет собой разряд электричества в атмосфере. Молнии могут путешествовать на скорости до 210 тыс. км/час, и достигать температуры почти 30000° C.#15. Способы выработки электроэнергииЭлектричество можно выработать из ветра, воды, солнца и даже экскрементов животных.
ЗАДАНИЕ 3. Изобразите на листочке «Правила безопасного обращения при работе с электроприборами».
ГРУППА 6
ЗАДАНИЕ 1. Прочитайте текст, подготовьте пересказ.
«КАКИМ ОБРАЗОМ ПАУКИ ИСПОЛЬЗУЮТ СИЛУ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ДЛЯ ЛОВЛИ ЖЕРТВ?»
Клей, которым пауки покрывают нити паутины, не просто удерживает пролетающих насекомых. Благодаря своим электростатическим свойствам он способствует ещё и тому, что нити паутины сами вытягиваются к насекомым, которые в процессе полёта и трения о воздух накопили на себе статический заряд (неважно, положительный или отрицательный). Нити могут отклоняться до 2 мм, но с огромной скоростью — 2 м/с. Также было обнаружено, что клейкие спирали паутины деформируют электростатическое поле Земли на расстоянии нескольких миллиметров. Могут ли насекомые, например, пчёлы, заблаговременно чувствовать эту деформацию и корректировать свой курс, чтобы не стать жертвой паука, ещё предстоит выяснить.
ЗАДАНИЕ 2. Поделитесь фактами об электричестве и интересных источниках электроэнергии.
#16. Кто создал первую электростанцию в мире?В 1882 г. Томас Эдисон открыл первую электростанцию в Нью-Йорке.#17. Первый концепт аккумулятораПервый электрический аккумулятор разработал Алессандро Вольта около 200 лет назад. Он обнаружил, что, когда две полоски из разных металлов поместить в раствор серной кислоты и соединить с проводом, то начнется движение электричества.#18. Простое объяснение электрического напряженияНапряжение можно объяснить, как электрическое давление. Этот процесс можно сравнить с давлением, которое двигает воду через шланг. Чем выше напряжение, тем больше электроэнергии протекает через линию.#19. Почему птицы, сидящие на линии электропередачи, не страдают от ударов током? Если птица сидит только на одной линии электропередачи – ей ничего не угрожает. Однако, если она касается другой линии крылом или клювом, это замыкает цепь и электричество будет проходить через тело животного, что и приводит к поражению электрическим током.
ЗАДАНИЕ 3. Изобразите на листочке «Правила безопасного обращения при работе с электроприборами».