Електричний струм в металах
Тема програми:Електродинаміка. Електричне поле і струм.
Тема уроку: Електричний струм у різних середовищах (металах). Його використання.
Мета уроку: розширити та поглибити знання учнів про електричний струм у різних середовищах, зокрема в металах, з’ясувати природу носіїв заряду в металах, показати практичну значущість набутих знань в побуті та техніці;
розвивати вміння робити аналіз фізичних і хімічних явищ, продовжувати формувати логічне мислення учнів, формувати пізнавальну компетентність учнів, інтерес до вивчення фізики;
виховувати уважність, вміння висловлювати власну думку, формувати навики трудової культури, виховувати повагу до співбесідника.
Обладнання: відеофрагменти до теми, портрети видатних вчених, картки-завдання.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
Методи і прийоми: репродуктивні методи (бесіда, усне опитування), проблемне викладення матеріалу, інтерактивні методи (вправа «Коло знань», «Логічний ланцюжок», «Ромашка»).
План уроку:
Організаційний момент. Перевірка наявності учнів і готовності до уроку (2хв.).
Актуалізація опорних знань(7 хв.).
Мотивація навчальної діяльності(4 хв.).
Повідомлення теми ,мети і задач уроку(2 хв.).
Сприйняття та засвоєння навчального матеріалу(19 хв.).
Закріплення отриманих знань(5 хв.).
Підсумок уроку(2 хв.).
Виставлення оцінок, домашнє завдання, рефлексія(4 хв.).
Хід уроку:
Організаційний момент.
Перевірка наявності учнів і готовності до уроку.
Викладач: - Доброго ранку, любі друзі! Перевірте будь-ласка наявність необхідного обладнання до уроку.
Актуалізація опорних знань:
Викладач: - На передостанньому уроці ми з вами повторили основні поняття, що характеризують електричний струм. Давайте перевіримо, як ви засвоїли ці поняття.
Учні отримують індивідуальні картки в залежності від рівня знань (дивись додаток):
Учні, що мають високий рівень навчальних досягнень –інтерактивна вправа «Логічний ланцюжок»;
Учні, що мають достатній рівень навчальних досягнень –інтерактивна вправа «Ромашка»;
Учні, що мають середній та низький рівень навчальних досягнень – інтерактивна вправа «Коло знань».
Після виконання завдань учні отримують «Лист правильних відповідей» для самоперевірки.
Мотивація навчальної діяльності.
Друзі, ви – майбутні водії. Водій повинен не тільки професійно вміти водити автомобіль, але й розбиратися в фізичних процесах, що відбуваються в кожній частині, в кожній деталі. Ось наприклад, якщо у вантажному автомобілі перегорить запобіжник? Що робити, як ліквідувати поломку?
Ось тут якраз знадобляться знання про природу електричного струму в металічних провідниках.
Як відомо, всі речовини в природі поділяються на 3 види в залежності від їх провідникових властивостей. А саме, в залежності від величини питомого опору:
Класс вещества
Удельное электрическоесопротивление,
Ом ·см
Проводники
< 10 -4
Полупроводники
10 -4 - 10 10
Диэлектрики
> 10 10
Про важливість металів в житті людини писав Георг Агрікола (вчений 16 століття): «Людина не може обійтися без металів....якби не метали чоловік жив би найогиднішим і найжалюгіднішим життям серед диких звірів». Ломоносов також присвятив металам натхненні рядки: «метали надають зміцнення і красу найважливішим речам, в суспільстві необхідним. Ними захищаємося від нападу ворога, ними затверджуються кораблі і силою їх пов'язані». Метали служать нам у вилові земних і морських тварин для прожитку нашого... і коротко сказати ні єдине мистецтво, ні єдине ремесло просте вживання металів оминути не може.
До провідників належать метали, розплави електролітів, гази, і навіть вакуум.
Повідомлення теми , мети і задач уроку.
Сприйняття та засвоєння навчального матеріалу::
Викладач: Природу електричного току ми будемо вивчати в різних середовищах, отже давайте ознайомимося з планом узагальнюючого характеру.
План узагальнюючого характеру:
1.Хімічна будова речовини.
2.Носії електричного заряду в речовині.
3.Фізичний закон.
4.Залежність опору від температури.
5.Застосування.
Викладач: Найдавніше з відомих визначень металів дав в середині XVIII століття М.В. Ломоносов: «Метал – це світле тіло, яке можна кувати. Таких тіл тільки шість: золото, срібло, мідь, олово, залізо, свинець». Зараз до металів відносять більш, ніж 75% всіх елементів таблиці Менделєєва.
Давайте згадаємо внутрішню будову металів. З чого вони складаються?
Відеоролик (будова металів)
Учень: валентні електрони в атомах металів зв’язані з ними слабо, тому при утворенні кристалічної решітки, електрони легко відриваються від атомів і хаотично рухаються в проміжках поміж іонами. Позитивно заряджені іони, у свою чергу, коливаються у вузлах кристалічної ґратки. Якщо помістити метал у електричне поле, то електрони почнуть рухатися спрямовано.
Викладач: Давайте зробимо висновок, що ми маємо.
Учень: Ми маємо спрямований рух електронів в металах, тобто електричний струм в металах обумовлений рухом електронів.
Викладач: Таким чином, носіями електричного заряду в металах є вільні електрони, або електрони провідності. Але ж фізика – це експериментальна наука, тому кожна гіпотеза повинна бути підкріплена дослідом. Експериментальним доказом того, що саме вільні електрони, а не іони кристалічної ґратки є дослід , проведений у 1901 р. німецьким фізиком Карлом Рікке.
Опис досліду: три циліндра були попередньо зважені і включені в коло
постійного струму. Протягом 1 року через них пройшов електричний заряд 3,5 млн.кулон. Вторинне зважування з точністю до 0,03мг показало,
що маса циліндрів не змінилася.
Викладач: Діти, а яке явище могло б спостерігатися в
даному досліді?
Учні: дифузія.
Викладач: При дослідженні дотичних поверхонь не було виявлено проникнення
одного металу в інший, тобто іони не беруть участь у перенесенні заряду.
Викладач: прямим експериментальним доказом того, що електричний струм в металах створюється саме вільними електронами, є дослід Стюарта і Толмена (1916р.).
Цьому експерименту передували спостереження вчених Мандельштама і Папалексі (1912-1913р .): якщо різко загальмувати провідник, що рухається, то в ньому виникає короткочасний електричний струм. Чим викликане таке явище?
Учні: Після гальмування вільні електрони ще деякий час рухаються по інерції.
Викладач: однак цей дослід не дав ніяких кількісних даних і праці
Мандельштама і Папалексі не були опубліковані.
Дослід Стюарта і Толмена (відеоролик).
Катушка з великою кількістю витків тонкого дроту приводилась в швидке обертання навколо своєї осі. Кінці котушки за допомогою гнучких дротів були приєднані до чуттєвого гальванометра Г.Розкручена котушка різко гальмувалась і в колі виникав короткочасний струм, зумовлений інерцією носіїв заряду. Повний заряд, що протікав по колу, вимірювався за відхиленням стрілки гальванометра.
Напрям струму говорить про те, що він створюється рухом негативно заряджених частин. Заряд, що переноситься, пропорційний відношенню заряду частинок, які створюють струм, до їх маси. Тому, вимірюючи заряд, який проходить через гальванометр за час існування струму в ланцюзі, вдалося визначити це відношення. Воно виявилося рівним 1,8.1011 Кл/кг. Ця величина співпадає з відношенням заряду електрона до його маси (питомий заряд електрона), що вже було доведено раніше.
Викладач: який висновок зробили вчені за результатами досліду?
Учні: Носіями електричного заряду в металах є електрони.
Викладач: тепер, коли доведено, що електричний струм в металах – це спрямований рух вільних електронів, можна вивести закон Ома для ділянки металічного провідника:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
где I - сила тока в проводнике, e - модуль заряда электрона, n0 - концентрация электронов проводимости, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] - средняя скорость упорядоченного движения электронов, S - площадь поперечного сечения проводника.
Викладач: Учні, давайте тепер на основі знань про природу електричного струму в металах, спробуємо пояснити, чим обумовлений опір металічних провідників?
Учні: Електричний опір обумовлено тим, що вільні електрони при дрейфі взаємодіють з позитивними іонами кристалічної решітки металу. При підвищенні температури частішають зіткнення електронів з іонами, тому опір провідників залежить від температури.
Викладач: Провідник, який має опір, створює протидію напрямленому руху зарядів у ньому, і при цьому частина електричної енергії перетворюється на внутрішню енергію провідника аналогічно тому, як сила опору в механіці протидіє механічному рухові тіл і при цьому частина механічної енергії перетворюється на внутрішню.
Викладач: Залежність питомого опору
· від температури виражається формулою
· =
·0(1 +
· t), де
·0 - питомий опір при 0 ° C; t - температура (за шкалою Цельсія);
· - температурний коефіцієнт опору, що характеризує відносну зміну опору провідника при нагріванні його на 1 ° C або 1 K.
Таким чином, з поняття про провідності провідника випливає, що чим менше опір провідника, тим більше його провідність. При нагріванні чистих металів їх опір збільшується, а при охолодженні - зменшується.
У 1911 р. голандський фізик Камерлінг-Оннес провів досліди з ртуттю, яку можна отримати у чистому вигляді. Він зіткнувся з новим, зовсім несподіваним явищем. Питомий опір ртуті при температурі 4,2 K (близько -269 ° C) різко впало до такої малої величини, що його практично стало неможливо виміряти. Це явище звернення електричного опору в нуль Камерлінг-Оннес назвав надпровідністю.
Рух електронів в металі, що перебуває у стані надпровідності, є настільки впорядкованим, що електрони, переміщаючись по провіднику, майже не зазнають зіткнень з атомами та іонами решітки. Повне пояснення явища надпровідності можна дати з позицій квантової механіки.
Застосування напровідників:
Застосування надпровідників - створення підшипників і опор без тертя. Якщо над металевим кільцем з струмом помістити надпровідну сферу, то на її поверхні індукується надпровідний струм, що призводить до появи сил відштовхування між кільцем і сферою, і сфера може нависнути над кільцем. Подібний же ефект може спостерігатися, якщо над надпровідним кільцем помістити постійний магніт. На це може бути засноване створення, наприклад, нових видів транспорту. Мова йде про створення потягу на магнітній подушці, в якому будуть повністю відсутні втрати на тертя об колію дороги.
Томографи,електровимірювальні прилади.
Закріплення отриманих знань.
З якого провідникового металу виготовляють дроти у провідці автомобіля? Чому?
Електричні характеристики кабелю відповідають як за втрати електроенергії, так і за безпеку. Два важливих параметри - діаметр жили кабелю і матеріал жили. Вони зумовлюють конкретне значення опору на метр довжини. Чим опір менше, тим краще: менше енергії втрачається по дорозі від акумулятора до місця призначення і кабель менше нагрівається. Краще використовувати кабель з мідною жилою, ніж з алюмінієвої. Ще ефективніше жила з безкисневої міді. Її опір ще менше, однак такий кабель дорожче. Що стосується діаметру жили, то його краще вибирати побільше.
2. Чому не можна торкатися до неізольованих дротів вологими руками?
Відповідь:волога на руках - це розчин солі, яка є електролитом, а це рідкий провідник електричного струму. Про природу електричного струму в рідинах ми поговоримо на наступному уроці.
7. Підсумок уроку.
Викладач: Ось і добіг кінця наш урок, давайте підсумуємо, що ми дізналися про особливості електричного струму в металах?
- Що ми дізналися про електричний струм в металах?
- Чим обумовлений опір провідників?
- Як залежить опір провідників від температури?
Виставлення оцінок, домашнє завдання, рефлексія.
Д/з: повторити конспект, підготувати повідомлення щодо використання залежності опору провідників від температури.
Рефлексія : учні складають у кошик емблеми, що виражають їх ставлення до уроку.
15