Место и значение темы

Тема “Постоянный электрический ток” является частью раздела “Электродинамика” в курсе физики средней (полной) школы наряду с темой “Электростатика”.

Закономерности постоянного тока первоначально изучаются в VIII классе в темах “Сила тока, напряжение, сопротивление”, “Работа и мощность тока”. На изучение этого материала отводится значительно больше времени, чем на изучение законов постоянного тока в X или XI классе. Уже тогда политехнические знания школьников пополняются знаниями физических основ электрификации и электроэнергетики, учащиеся приобретают навыки и умения обращения с некоторыми электроприборами. Определенное значение изучение законов постоянного тока имеет и для трудового воспитания учащихся, ведь на любом промышленном производстве, сельском хозяйстве, в быту ребята встречаются с использованием электрической энергии. Также важно упомянуть о значении изучаемого материала для воспитания интернационализма и патриотизма, ведь в данной теме есть много ярких примеров, показывающих интернациональный характер науки и иллюстрирующих существенных вклад русских ученых в развитие электродинамики и использование достижений этого раздела.

Изучение процессов электропроводности различных сред знакомит учащихся с физическими основами электроники — одним из наиболее эффективных и перспективных направлений научно-технического прогресса. Рассматривается устройство и действие вакуумного диода, электронно-лучевой трубки, полупроводникового диода, транзистора и др. Изучение этих приборов подготавливает учащихся к пониманию их использования в микропроцессорной технике. Это определяет большое политехническое значение данной темы. Изучение электрического тока в различных средах имеет не только политехническое значение, но и большое воспитательное и мировоззренческое значение: здесь изучаются явления, служившие источником суеверий и страхов (молния, огни св. Эльма и т.п.), учащихся фактически знакомят с четвертым состоянием вещества – плазмой.

Также при изучении тока в различных средах закладываются основы для понимания устройства и действия ряда приборов и установок, которые учащиеся будут изучать в курсе физики XI класса, таких, как вакуумный фотоэлемент, рентгеновская трубка, газоразрядный счетчик элементарных частиц, радиоприемник, генератор незатухающих колебаний, радиолокационная установка и др.

И, наконец, изучение темы “Постоянный электрический ток” способствует дальнейшему развитию логического, теоретического мышления (благодаря четкой системе темы, опоре на аналогию, анализ, синтез и т.д.), научно-творческого мышления (благодаря знакомству с разнообразными электроприборами, выполнению лабораторных работ и экспериментов).

Структура и содержание темы

Существуют различные варианты структуры данной темы: некоторые авторы разделяют её на 2 взаимосвязанные главы: “Законы постоянного тока” и “Электрический ток в различных средах” (Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Синяков А.З., Пинский А.А. и др.). Громов С.В. и Шаронова Н.В. предлагают несколько отличное от предыдущего разделение внутри темы: они выделяют главы “Постоянный ток в металлах” и “Электрический ток в полупроводниках, вакууме, газах, электролитах”. Есть

· (прод11а)Мощность тока(Мощность электрического тока - работа электрического тока за 1 секунду) С торонние силы, их природа.(Сторонние силы совершают работу по разделению зарядов и поддержанию разности потенциалов на концах цепи. В цепи, в котоpой действуют только электpостатические силы, постоянный ток (см. ПОСТОЯННЫЙ ТОК) возникнуть не может.) Э лектродвижущая сила(физическая величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока; в замкнутом проводящем контуре равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.) З акон Ома для полной цепи(Закон Ома для полной цепи - сила тока в цепи пропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений цепи и внутреннего сопротивления источника. )

Т.к. в VIII классе учащимися уже были рассмотрены основные характеристики электрического тока и параметры электрических цепей, в Х классе все эти величины просто повторяют. Но наряду с этим, вводится важное понятие электродвижущей силы и закон Ома для полной цепи. На основе свойств электростатического поля, с которым учащиеся уже знакомы, показывают, что данный вид электрического поля не может поддерживать ток в проводнике, ведь без восполнения энергии статическое поле не может постоянно двигать заряды, совершая при этом работу. Но также известно, что разность потенциалов на любом участке цепи остается неизменной. Школьникам не представляется возможным элементарное изложение процессов преобразования энергии в проводнике при протекании тока, но факт существования поля внутри и вне проводника при протекании тока необходимо продемонстрировать экспериментально! Так как введение понятия ЭДС и дальнейший вывод закона Ома для полной цепи основывается на ранее изученном материале, то в зависимости от того, насколько хорошо были усвоены учащимися те или иные вопросы VIII класса, следует уделить больше или меньше времени на их обзорное повторение в X классе. Понятие напряжения весьма трудно усваивается в курсе физики базовой школы, но в старших классах оно обычно не вызывает затруднений. Необходимо лишь обратить внимание учеников на терминологию: что есть разность потенциалов, падение напряжения, при каком условии разность потенциалов на участке цепи равна падению напряжения. В заключение изучения стационарного электрического поля в проводниках необходимо кратко повторить основные отличия и сходства его с электростатическим полем. Говоря о задачах изучения рассматриваемой темы, следует иметь в виду, что без понимания закона Ома для полной цепи и понятия ЭДС невозможно усвоение закона электромагнитной индукции и ряда других вопросов электродинамики. Изучение механизма проводимости в различных средах также имеет специфические трудности. Невозможно показать учащимся ни самих носителей зарядов, ни характера их движения. Эти трудности можно частично преодолеть, если максимально использовать учебные фильмы, интерактивные модели, в которых условно показан характер движения носителей зарядов в различных средах, и кроме того, показаны многие примеры применении приборов и устройств, основанных на этих закономерностях. Изучение темы должно широко опираться на демонстрационный и лабораторный эксперимент. В основу изучения тока в различных средах положена единая методическая концепция, основанная на опоставлении зависимости силы тока от напряжения и механизма

(прод11б)проводимости в этих средах. Электрический ток в металлах, газах, полупроводниках и других средах существенно различается как носителями зарядов, так и характером их движения. В то же время электрический ток во всех средах имеет общую черту: он представляет собой упорядоченный поток заряженных частиц. В связи с этим необходимо при изучении тока в каждой новой среде сравнивать его с током в других средах. Это определяет единый план изучения тока в каждой среде: выясняют природу носителей зарядов; характер их движения; зависимость силы тока от напряжения (вольт-амперную характеристику); принцип действия приборов, устройств, основанных на закономерностях тока в этих средах; технологические процессы.

Рассмотрение основных закономерностей начинается с тока в металлах. Обусловлено это рядом причин: во-первых, это позволяет осуществить преемственную связь с курсом физики VIII класса; во-вторых, вольт-амперная характеристика для металлов наиболее простая. Но дальнейшая последовательность изложения темы определяется методическими соображениями. Например, А.А.Пинский: металлы, жидкости, газы, вакуум, полупроводники – изучение материала в таком порядке отражает исторический путь изучения и использования в технике особенностей прохождения тока через различные среды. В учебнике Б.Б. Буховцева: металлы, полупроводники, вакуум, жидкости, газы – здесь изучение полупроводников идет после изучения проводимости металлов, что подчеркивает важность полупроводников в современной технике – именно такую последовательность предлагает программа общеобразовательной средней школы.

Наиболее подробно изучается электрический ток в металлах и электролитах, здесь даются количественные зависимости, решают задачи. Весь остальной материал изучают фактически на качественном уровне.

При изучении электрического тока в растворах электролитов главное внимание уделяют закону Фарадея – при этом нельзя забывать о тесной связи с курсом химии.

При изучении особенностей прохождения тока в полупроводниках необходимо уделить внимание достижениям современной науки в области применения полупроводников. Целесообразно начать изучение с демонстрации их характерных свойств, а уже затем на основе введенного в химии понятия ковалентной и парно-электронной связи выяснить механизм протекания тока и объяснить свойства полупроводниковых материалов.

Опыты:

Поднесем наэлектризованную палочку или расческу к струе воды, вытекающей из крана. Струя притянется к палочке. Следовательно, жидкости также электризуются. Электризация горючих жидкостей из-за трения при их перевозке опасна, поэтому топливные баки заземляют.

(прод11)учебники, авторы которых предлагают изучение этой темы как единого целого (Касьянов А.В., Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.) – но при этом, изучению проводимости различных сред уделяется очень мало внимания.

По существу, в VIII классе рассматриваются почти все понятия, характеризующие ток, и параметры электрических цепей. В сравнении с материалом, рассмотренным на первой ступени курса физики, в X (XI) классе изучается лишь несколько новых вопросов, но они имеют существенное значение для понимания закономерностей электрического тока. К ним относятся: условия, необходимые для существования постоянного тока; закон Ома для полной цепи.

В программу X (XI) класса включены вопросы, позволяющие одновременно повторить закон Ома дли участка цепи и законы последовательного и параллельного соединения проводников.

· Электрический ток в различных средах изучают на основе представлений о микроструктуре вещества и элементов классической электронной теории. Изучение механизма проводимости различных сред, природы носителей зарядов, характера их движения в этих средах дает возможность углубить представление о строении вещества, полученное учащимися при изучении молекулярной физики. Содержание темы “Постоянный электрический ток” Э лектрический ток (Электрический ток, упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел.) С ила тока.(Силой тока в проводнике называют физическую величину, равную количеству электричества, проходящему через сечение проводника за единицу времени.) У словия, необходимые для возникновения и существования тока в веществе (Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо, во-первых, наличие свободных заряженных частиц. Если положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом в атомах или молекулах, то их перемещение не приведет к появлению электрического тока. Но наличия свободных зарядов еще недостаточно для возникновения тока. Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима, во-вторых, сила, действующая на них в определенном направлении. Если эта сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за электрического сопротивления, оказываемого их движению ионами кристаллической решетки металлов или нейтральными молекулами электролитов.) В ольт-амперная характеристика(Вольтамперная характеристика, зависимость напряжения от тока или тока от напряжения на участке электрической цепи). З акон Ома для участка цепи.(сила тока в проводнике пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению проводника: С опротивление(физ. величина, характеризующая противодействие проводника или электрич. цепи электрическому току.) Э лектрическая цепь: законы последовательного и параллельного соединения проводников. Р абота тока(Работа электрического тока показывает, какая работа была совершена электрическим полем при перемещении зарядов по проводнику.).

З акон Джоуля-Ленца.(определяет количество тепла Q, выделяющегося в проводнике при прохождении через него электрического тока: Q пропорционально сопротивлению R проводника, квадрату силы тока I в цепи и времени прохождения тока t, Q = aI2Rt)

(прод10)определенных условиях (прохождение через газы, нагретые до высокой температуры).

Состав ядра атома, энергетические связи атомных ядер, ядерные силы В этой главе учащиеся знакомятся с составом ядра, с взаимным превращением атомных ядер, знакомятся с ядерными силами и с физическими свойствами ядерной энергетики. Необходимо отметить, что английский ученый Чедвик в 1932 году открыл нейтрон, который был предсказан Резерфордом. Это дало возможность ученым Иваненко и Гейзенбергу предложить протонно-нейтронную модель ядра. Согласно этой модели ядро атома состоит из p и n.При знакомстве с p-n моделью ядра необходимо решать задачи по нахождению числа p и n, входящих в состав ядра. Говоря о свойствах протона и нейтрона необходимо ввести современные представления о существовании лишь одной ядерной частицы - нуклона, находящейся в разных зарядовых состояниях: нейтральном (n), заряженном (p), что дает возможность объяснять механизмы p-распада. Энергия связи атомных ядер. Ядерные силы.

Энергия связи, удельная энергия связи - это новые понятия для учащихся, поэтому им необходимо уделять большое внимание. Для того, что бы учащиеся лучше поняли вопрос о энергии связи, необходимо повторить следующие моменты:

потенциальная энергия - это энергия взаимодействия тел (земля - тело, электрон - ядро).

Существует устойчивая система обладающая энергией связи.

Дают определение: Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны.

На основе закона сохранения энергии можно утверждать, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Затем выдвигается вопрос: "Как найти энергию связи?"

Обращают внимание, что очное измерение масс ядер показывает, что масса покоя ядра всегда меньше суммы масс покоя слагающих его протонов и нейтронов. [M_я<Zm_p+Nm_n]

Существует дефект масс:. Уменьшение массы при образовании ядра из нуклонов означает, что при этом уменьшается энергия этой системы нуклонов на величину энергии связи.

Заметим, что элементы, находящиеся в средней части периодической системы А=50..60, т.е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы, имеют максимальную удельную энергию связи 9МэВ/нуклон. Поэтому ядра всех этих элементов наиболее устойчивы.

Затем переходят к ядерным силам. Т.к. ядро весьма устойчиво, то p и n должны удерживаться внутри очень большими силами. Ядерные реакции. Основным средством получения радиоактивных изотопов являются ядерные реакции.

Ядерными реакциями называются изменение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом. Ядерные реакции обычно протекают в два этапа:

частица "снаряд" проникает в ядро - "мишень" в результате чего образуется составное ядро, находящееся в возбужденном состоянии. Ядро переходит в менее возбужденное состояние и испускает при этом частицы. Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 году.

Первый атомный реактор был построен в США в 1942 году группой ученых под руководством Ферми.

Термоядерные реакции - это реакции слияния легких ядер при высокой температуре.