Цель урока:
Обобщить и систематизировать знания учащихся об электрическом токе в различных средах путем анализа опытов, демонстрирующих проводимость в различных средах, выявить природу носителей зарядов в средах, сравнить зависимости сопротивления различных сред от температуры, сопоставить вольтамперные характеристики приборов.
Применять знания об основных положениях электродинамики для объяснения электропроводимости различных сред.
Оборудование:
- вольтметр, амперметр, выпрямитель, лампочка,
- таблицы:
“Электрический ток в вакууме”,
“Электрический ток в полупроводниках”.
Обобщение знаний:
- Опыты, демонстрирующие электропроводимость различных сред.
- Носители электрических зарядов в различных средах.
- Вольтамперные характеристики приборов.
- Зависимость сопротивления металлов, электролитов, газов и полупроводников от температуры.
- Практическое применение тока в различных средах.
- Задание на дом.
Сегодня на уроке мы с вами вспомним закономерности прохождения тока в различных средах, сравним физическую природу тока в них и механизм образования свободных носителей тока.
На столе у каждого ученика лежит заготовленная таблица, которую необходимо заполнить во время урока. (Приложение 1.)
Вспомним, какие опыты помогли установить электропроводность металлов – Мандельштама и Папалекси. (Ученики поясняют схему постановки опыта, учитель на доске рисует эту схему.)
Рис.1
Какие опыты мы проводили, чтобы показать электропроводимость жидкостей и газов?
(Ученики поясняют схемы соответствующих опытов, учитель делает зарисовки схем опытов, учащиеся аналогичную работу проводят в тетрадях.)
Рис.2
Далее разбираем опыт с вакуумным диодом.
(Ученик поясняет опыт, учитель чертит схему.)
(Полупроводники от металлов можно отличить по характеру зависимости их проводимости от температуры. Если температура полупроводника повышается, то его сопротивление уменьшается. Если собрать цепь из источника тока, полупроводникового терморезистора и амперметра, то можно заметить, что показания амперметра будут увеличиваться при нагревании терморезистора.)
Итак, носители зарядов в различных средах:
(В металлах свободными носителями зарядов являются свободные электроны, в жидкостях – положительные и отрицательные ионы, в газах – ионы и электроны, в полупроводниках – электроны и дырки (или свободные и связанные электроны).)
Какова концентрация свободных носителей зарядов в разных средах? От чего она зависит?
(В металлах концентрация электронов 1022 – 1023см-3 остается почти постоянной при разных температуpax, в жидкостях концентрация ионов зависит от содержания в водном растворе кислот, солей и щелочей, т. е. от концентрации самих растворов. В газах концентрация ионов и электронов определяется свойствами самого ионизатора. В вакууме концентрация электронов в электронном облаке повышается при увеличении температуры нити накала и, кроме того, в значительной мере зависит от оксидного покрытия катода.
В полупроводниках концентрация носителей определяется наличием примесей, создающих преимущественно электронную или дырочную проводимость, и зависит от температуры и освещенности полупроводника.)
Далее вычерчиваем вольтамперные характеристики для металлов, жидких проводников; сравниваем их.
Задаю ряд дополнительные вопросы:
1. Почему в отличие от металлического проводника характеристика диода нелинейная?
2. Когда наступает явление насыщения тока? От чего зависит сила тока насыщения?
Итак, мы убедились, что изучение вольтамперных характеристик позволяет сделать важные выводы о прохождении тока в различных средах.
Можно ли по виду вольтамперных характеристик сделать какие-либо выводы о сопротивлениях сред? Обратите внимание: одни характеристики являются линейными, другие – нет.
(Вольтамперные характеристики для металлов и электролитов показывают прямую пропорциональную зависимость силы тока от напряжения, потому что сопротивление проводников постоянно. Нелинейность других характеристик показывает, что сопротивление изменяется.)
Какова зависимость сопротивления сред от температуры? От каких факторов зависит сопротивление?
(Ученики отвечают. У металлов и жидкостей сопротивление при постоянной температуре не изменяется с ростом напряжения; кроме того, оно прямо пропорционально длине проводника, удельному сопротивлению и обратно пропорционально поперечному сечению. Различие в том, что сопротивление металлов с повышением температуры увеличивается, а у жидкостей, наоборот, уменьшается.)
(На демонстрационном столе собрана электрическая цепь, состоящая из выпрямителя, амперметра, вольтметра и электрической лампы: 10 Вт, 220 В)
Измеряем напряжение на выходе выпрямителя, учащиеся следят за показаниями приборов. Показания приборов (значения силы тока и напряжения) записываются в таблицу
| U,В | 0 | 1 | 7 | 20 | 38 | 58 | 90 |
| I,А | 0 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1 | 1,2 |
Как можно объяснить такую зависимость?
(Так как при увеличении напряжения и силы тока растет температура нити накала лампы и сопротивление ее увеличивается, то зависимость силы тока от напряжения нелинейная.
Учащиеся рассказывают об использовании металлических проводников, о технических применениях электролиза и различных типов газового разряда, поясняют устройства вакуумного диода и электроннолучевой трубки, приводят примеры полупроводниковых приборов. Во время рассказа учащиеся используют учебные таблицы.)
Мы еще раз убедились, что объяснить эти явления можно с точки зрения электронной теории. Мы упоминали о таком явлении, которое нельзя объяснить классической электронной теорией. Напомните это явление.
(Это явление сверхпроводимости.)
Обратимся еще раз к таблице. (Приложение 2) В верхней строчке ее отражены опыты, с помощью которых мы выяснили природу свободных носителей электрических зарядов. Затем мы рассматривали основные положения электронной теории, объясняющие причины возникновения носителей зарядов, а также вольтамперные характеристики. Далее выяснили, от чего зависят сопротивления сред. Завершили тему изучением вопросов о техническом применении электрического тока в различных средах. Приборы, технические устройства и другие примеры практического применения тока в различных средах основаны на использовании выводов и следствий электронной теории. Таким образом, экспериментально подтверждается истинность теоретических следствий, а следовательно, и самой теории.
Заключение:
После повторения всех вопросов плана и заполнения таблицы учащиеся еще раз просматривают материал и делают вывод о том, в какой последовательности развивались научные знания об электрическом токе в различных средах.
Для развития познавательной активности школьников проводится демонстрационный эксперимент. По его результатам строится график зависимости силы тока от напряжения. Учащиеся сравнивают полученную характеристику тока, проходящего через лампу накаливания, с другими, рассмотренными ранее.
Задание на дом: Итоги гл.10, стр.200
Литература:
- Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учеб. Для 10 кл. сред. шк.– 3-е изд.-М.; Просвещение,1994.
- П.И. Самойленко, Е.И. Огородникова, Г.И. Рябоволов. – М.; “Высшая школа”, 1984.
- Современный урок физики в средней школе/ В.Г. Разумовский, Л.С. Хижнякова, А.И. Архипова и др. – М.; Просвещение,1983.