Цели:
Образовательная: формирование представления о проводниках и диэлектриках; ознакомление учащихся со строением проводников и диэлектриков и их поведением в электростатическом поле; демонстрация тесной связи теории с практикой.
Развивающая: развитие мышления, внимания и умения анализировать полученную информацию.
Воспитательная: приобретение навыков общения и самоорганизациию
Оборудование: персональный компьютер, мультимедийный проектор, экран, электрометр с набором тел, гильза на штативе, пластина из оргстекла, калориметр, лист пластика.
Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, практический.
План урока.
- Организационный момент (цели, задачи урока, подготовка учащихся к восприятию информации).
- Активизация знаний.
- Лекция (сопровождение презентацией и беседой).
- Итог урока.
- Домашнее задание.
ХОД УРОКА
Организационный момент:
На предыдущих уроках по теме “электростатика” мы увидели много опытов, демонстрирующих электрические взаимодействия. Сегодня, изучив новую тему, мы найдём объяснение увиденному.
Перед изучением новой темы нам необходимо вспомнить, что мы знаем об электрическом поле. (Слайд № 1)
Объявление темы урока: (слайд № 2)
Ребята, запишите в тетради тему урока: “Проводники и диэлектрики в электростатическом поле”.
Вашему вниманию предлагается лекционная подача материала, в тетради необходимо сделать краткие записи, которые помогут в подготовке по теме.
Учащимся предлагается план лекции.
1. Проводники и диэлектрики (слайд № 3).
Проделаем опыт. Зарядим электрометр и прикоснёмся к нему поочерёдно сначала изолирующей ручкой, а потом металлическим стержнем. Мы видим, что во втором случае электрометр разрядился. Следовательно, металл проводит заряды, а пластмасса нет. Таким образом, вещества по проводимости зарядов бывают двух видов. (Слайд № 4)
2. Проводники в электростатическом поле.
Разберёмся, откуда берутся заряды в проводниках? Хорошими проводниками тока являются металлы. Рассмотрим строение типичного металла - натрия. (Cлайд № 5)
Посмотрим, где находится натрий в таблице Менделеева. (гиперссылка: Na)
Учащиеся выясняют, что у натрия одиннадцатый порядковый номер, и он находится в 1 группе. Следовательно, у натрия 11 электронов, которые распределены по трём энергетическим уровням. (Вспоминаем, как распределяются электроны по энергетическим уровням.) Из рисунка видно, что последний электрон слабо притягивается к ядру. Выясняем, почему, и делаем вывод.
Атом, потерявший электрон, становится положительным ионом. Следовательно, металлы состоят из положительно заряженных ионов, которые участвуют в тепловом движении, (слайд № 6) и свободных электронов, которые могут перемещаться по всему проводнику. (Cлайд № 7)
Проведём опыт. Поднесём незаряженную гильзу к заряженной стеклянной пластине. Гильза притянется к пластине. А ведь в электрические взаимодействия вступают только заряженные тела! Посмотрим, как такое возможно. (Cлайд № 8)
Когда мы подносим гильзу к заряженной пластине, то под действием её электрического поля свободные электроны металлической гильзы приходят в направленное движение и собираются на левой стороне гильзы. Поэтому гильза притягивается к пластине.
Правая сторона гильзы, с которой “сбежали” электроны, заряжается положительно. Поэтому внутри гильзы возникает своё электрическое поле, направленное против внешнего поля. И как только внутреннее поле станет равным внешнему полю, движение электронов прекратится. (Cлайд № 9)
Этот вывод наглядно продемонстрировал английский физик Майкл Фарадей. Он провёл следующий опыт. Оклеил большую деревянную клетку листами станиоля (оловянной бумагой) и изолировал её от Земли. При помощи электрической машины Фарадей очень сильно зарядил клетку, а сам поместился в неё с чувствительным электроскопом. При этом электроскоп не показывал никакого отклонения.
Можно провести подобный опыт. (Демонстрируется опыт)
Возьмём электрометр, на стержне которого укреплена малая сфера, и поднесём к нему положительно заряженную стеклянную пластину. Под действием поля пластины стрелка электрометра отклонится от стержня. Накроем теперь сферу калориметром и так же поднесём заряженную пластину. Стрелка отклоняться не будет. Калориметр оказывает экранирующее действие. Внутри него электрического поля нет.
Это явление лежит в основе электростатической защиты. Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их заключают в металлические ящики.
3. Диэлектрики в электростатическом поле.
Чтобы разобраться, почему в диэлектрике нет свободных зарядов, рассмотрим его строение на примере типичного диэлектрика - поваренной соли. (Cлайд №10)
Мы уже видели, что у натрия во внешней оболочке один валентный электрон, слабо связанный с атомом. Посмотрим, сколько валентных электронов у хлора (гиперссылка: таблица Менделеева – приложение 4).
У хлора семь валентных электронов и для завершения энергетического уровня ему не хватает одного электрона. Хлор захватывает недостающий электрон у натрия. Натрий, отдавая электрон, заряжается положительно, а хлор, забрав электрон, заряжается отрицательно. Получается система из двух разноимённых зарядов, связанных между собой. Такая система связанных зарядов называется электрическим диполем. Диэлектрики же, состоящие из таких диполей, называют полярными. (Слайд № 11).
(Гиперссылка: Строение полярного диэлектрика – приложение 2)
К полярным диэлектрикам относятся поваренная соль, спирты, вода и др. Есть ещё другие диэлектрики, их называют неполярными. У этих диэлектриков нет диполей, они состоят из молекул, у которых совпадают центры положительных и отрицательных зарядов.
Внесём полярный диэлектрик в электростатическое поле и посмотрим, что при этом произойдёт. (Слайд № 12)
Как только мы помещаем диэлектрик в электростатическое поле, на каждый диполь будет действовать пара сил. Под действием этих сил диполи начнут разворачиваться отрицательными полюсами влево, а положительными вправо. При этом с левой стороны окажется больше положительных полюсов диполей, а справа - отрицательных.
Внутри диэлектрика возникнет своё, внутреннее поле, направленное против внешнего. Тепловое движение молекул не даёт им выстроиться ровно вдоль силовых линий, поэтому внутреннее поле будет меньше внешнего. Следовательно, общее поле внутри диэлектрика будет меньше внешнего
Вывод: диэлектрик ослабляет внешнее электрическое поле.
Убедимся в этом на опыте.
Возьмём электрометр с металлическим диском и зарядим его положительно. Поднесём к диску лист пластика, стрелка электрометра приблизилась к стержню. Значит, диэлектрик ослабляет поле диска.
Для того чтобы описать, как сильно ослабляет диэлектрик электрическое поле, вводят величину, которую называют диэлектрической проницаемостью. (Слайд № 13)
Разные диэлектрики по-разному уменьшают поле. (Гиперссылка: Диэлектрическая проницаемость среды – приложение 3)
Учащиеся знакомятся с таблицей.
Мы помним, что закон Кулона справедлив только для зарядов, находящихся в вакууме. Как изменится сила взаимодействия в диэлектрике? (Слайд № 14)
Мы разобрались, что происходит внутри диэлектрика, когда он попадает в электростатическое поле. Такое же действие на диполи оказывает и другие электрические поля.
А теперь эти знания нам помогут выяснить, как микроволновая печь разогревает продукты. (Слайд № 15)
Поместим для подогрева в микроволновую печь стакан с водой. Вода – полярный диэлектрик, состоящий из диполей. (Слайд № 16)
Как только мы включим микроволновку, в ней появится электрическое поле, под действием которого диполи развернутся.
В следующее мгновение направление электрического поля изменится, и под действием поля диполи развернутся на 180 градусов.
Так как частота микроволнового излучения 2450 МГц, то за одну секунду каждая молекула развернётся на 180 градусов 4 900 000 000 раз! Под действием микроволнового излучения диполи будут “кувыркаться” и толкать другие молекулы. А наша вода, или другие продукты будут нагреваться. Так нагревается поверхностный слой, а вглубь продуктов тепло передаётся за счёт теплопроводности. (Слайд № 17)
Мы все пользуемся мобильными телефонами и не раз слышали, что излучение наносит вред нашему организму. Компании же сотовой связи утверждают обратное. (Слайд № 18)
Рассмотрите внимательно таблицу. О чём говорит вам сухой язык цифр и здравый смысл?
Сегодня на уроке мы разобрали поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле. На следующем уроке мы будем применять полученные знания для объяснения электрических явлений и занимательных опытов.
Домашнее задание: §§ 95–97 по учебнику Г.Я.Мякишева, Б.Б.Буховцева 10; конспект лекции.
Используемая литература
1. Коляда В.Прирученные невидимки. Всё о микроволновых печах.// Наука и жизнь. – 2004. № 10, 11.2.. Г.С.Лансберг. Элементарный учебник физики, “Наука”, 1985.