МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 

ВІДОКРЕМЛЕНИЙ СТРУКТУРНИЙ ПІДРОЗДІЛ НАЦІОНАЛЬНОГО

АВІАЦІЙНОГО УНІВЕРСИТЕТУ СЛОВ’ЯНСЬКИЙ КОЛЕДЖ

НАЦІОНАЛЬНОГО АВІАЦІЙНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА  відкритого заняття

Постійний електричний струм

з дисципліни «Фізика»

для вищих навчальних закладів І-ІІ рівнів акредитації,

які здійснюють підготовку молодших спеціалістів  на основі базової загальної середньої освіти

2017

Методична розробка відкритого заняття з дисципліни «Фізика». Підготувала Балабаєва О.О. - викладач Відокремленого структурного підрозділу Національного авіаційного університету Слов’янського коледжу Національного авіаційного університету – 2017.  

Викладено методику проведення лекції, спрямованої на набуття теоретичних знань з теми «Постійний електричний струм»

Для викладачів фізики вищих навчальних закладів І-ІІ рівнів акредитації, які здійснюють підготовку молодших спеціалістів на основі базової загальної середньої освіти

Рецензенти: 

1.                 О.І. Чайченко - голова циклової комісії фундаментальних дисциплін Відокремленого структурного підрозділу Національного авіаційного університету Слов’янського коледжу Національного авіаційного університету, спеціаліст вищої категорії.

2.                 О.В. Котляров – директор Слов'янського хіміко-механічного технікуму, спеціаліст вищої категорії, викладач-методист.

Розглянуто та схвалено на засіданні циклової комісії фундаментальних дисциплін (протокол № 5 від 14 грудня 2017 р.)

Передмова

Методична розробка відкритого заняття з дисципліни «Фізика» присвячена темі «Постійний електричний струм» та пропонує варіант викладення матеріалу у формі лекції. Вивчення теми забезпечує формування наукового світогляду, розвиває в студентів здібність до аналізу, виховує усвідомлене відношення до свого здоров'я. 

Зазначена тема є складовою при вивченні розділу «Електромагнетизм». На її  вивчення відведено загалом 9 годин, з яких 1 година-самостійне вивчення. Задачі, які вирішуються при розгляді теми:

1.Опанування засобами й методами розв'язання конкретних завдань з поняттям «постійний струм», яке дуже поширено у фахових дисциплінах.

2.Створення й теоретичне обґрунтування фізичних методів дослідження об'єктів.

3.Ознайомлення з експериментальною методологією відтворення результату досліду та його пояснення, формування навичок проведення експерименту та аналізу отриманих результатів.

Актуальність теми полягає в тому, що електричний струм забезпечує комфортом життя сучасної людини. Технологічні досягнення цивілізації – енергетика, транспорт, радіо, телебачення, комп’ютери, мобільний зв’язок – засновані на використанні електричного струму. Також дана тема важлива для розуміння багатьох природних явищ: блискавка, полярні сяйва тощо.

Таким чином, вивчаючи вказану тему, викладач має реалізувати такі цілі:

Навчальна: формування поняття постійного електричного струму, вказуючи на експериментальні факти, які це доводять. Закріпити у студентів знання законів постійного струму.  Навчити студентів висувати гіпотези та робити висновки. Виховна: формувати основні світоглядні ідеї про єдність матеріального світу та багатоманітність його форм; сприяти формуванню охайності в роботі та дотриманню правил техніки безпеки; формувати дослідницькі якості під засобами виконання практичної роботи.

Розвиваюча: розвивати логічне мислення студентів, уміння порівнювати, використовувати опорні знання та життєвий досвід для опанування новими знаннями,

робити висновки, аргументовано доводити свою точку зору; розвивати зацікавленість природничими науками та пошуковий інтерес під час демонстрацій та виконання

дослідів.

ПЛАН ЗАНЯТТЯ

Тема заняття: Постійний електричний струм Мета заняття:

Методична – удосконалення методики проведення лекції з використанням евристичної бесіди, демонстрації дослідів і слайдів.

Навчальна – формування поняття постійного електричного струму, вказуючи на експериментальні факти, які це доводять. 

Виховна – формувати основні світоглядні ідеї про єдність матеріального світу та багатоманітність його форм; сприяти формуванню охайності в роботі та дотриманню правил техніки безпеки; формувати дослідницькі якості під засобами виконання практичної роботи.

Розвиваюча – формування та розвиток пізнавального інтересу студентів; сприяти розкриттю індивідуальних здібностей студентів; розвивати вміння самостійно працювати з додатковою літературою при підготовці повідомлень, доповідей; сприяти розвитку риторики.

Вид заняття:       лекція

Форма проведення заняття: викладення нового матеріалу за допомогою евристичної бесіди, демонстрації дослідів і слайдів.

Міжпредметні зв'язку:

Забезпечуючі - математика

Забезпечувані       –        основи        електротехніки,   комп’ютерна        схемотехніка, комп’ютерні мережі, проектування автоматизованих інформаційних систем Методичне забезпечення: рефлексивні картки, слайди.

Обладнання: амперметр, вольтметр, реостат, електрична лампочка, з’єднальні дроти, джерело струму.

Література:

Обов'язкова: 

1.   Гончаренко С.У. Фізика: Пробний навчальний посібник для шкіл ІІІ ступеня, гімназії і класів гуманітарного профілю. 10 кл.- К.: Освіта, 1995, с. 193-200.

2.   Зачек І.В. Курс фізики – Львів: Видавництво Бескид Біт. 2002.

3.   Бушок Г.Ф., Левандовський В.В., Півень Г.Ф. Курс фізики – К: Либідь. 2001 Додаткова:       

1.   Кудрявцев П.С. История физики.  2 том -М.: Просвещение, 1956

2.   Пушкарьов М.А., Чорний Є.П. Книга для читання з фізики. Частина ІІІ. – Київ: Видавництво «Радянська школа», 1959

Технічні засоби навчання:  мультимедійний проектор.

ХІД ЗАНЯТТЯ:

1.       Організаційний момент                                                              2  хв.

Вітання студентів. Викладач приймає рапорт чергового студента, вітається з навчальною групою студентів.

Підготовка аудиторії до заняття, перевірка наявності студентів. Викладач перевіряє наявність студентів на занятті, заповнює класний журнал.

2.       Ознайомлення студентів з темою та навчальними цілями заняття    2 хв. Тема заняття: Постійний електричний струм

Мета заняття: ідентифікувати закони постійного струму, сформувати вміння збирати електричні кола та розраховувати їх за допомогою законів послідовного і паралельного з’єднання провідників.

3.       Мотивація навчання                                                                    2 хв.

Щоб краще уявити значення електрики в нашому житті, подумайте, що могло б статися, якби вона раптом зникла. Відразу замовкнуть радіоприймачі й телефони, зникнуть зображення з екранів телевізорів та комп'ютерів, зупиняться верстати на заводах і фабриках, які приводяться в рух за допомогою електричних двигунів... Навіть звичний автомобіль не зможе рухатися, бо не працюватиме його стартер, за допомогою якого запускається двигун, система запалення, освітлення, контролю... Раптове зникнення електрики в сучасному світі спричинило б величезну катастрофу.

Зайве говорити про те, що сталося б, якби перестала працювати сучасна електронно-обчислювальна техніка, завдяки якій здійснюється керування величезною кількістю виробничих процесів.

Вирішальна роль електричної енергії у сучасному житті пояснюється її перевагами перед іншими видами енергії.

По-перше, електрична енергія найбільш універсальна, вона легко перетворюється в механічну, теплову, хімічну, світлову тощо.

По-друге, електричну енергію зручно розподіляти між найрізноманітнішими споживачами. Навіть у вашій квартирі від однієї електромережі живляться радіоприймач і телевізор, електрична лампа і холодильник, електрична праска і магнітофон.

По-третє, електричну енергію можна досить просто передавати на значні відстані без значних втрат. Це дає можливість за допомогою ліній електропередачі енергію подавати від гідравлічних електростанцій, що їх зводять на річках, чи теплових електростанцій, які можна будувати біля покладів палива.

Сьогодні і, мабуть, у найближчому майбутньому електрика залишається основою наукового і технічного прогресу суспільства.

4.   Актуалізація опорних знань 5 хв. 4.1. Проводиться в усній формі

Питання для актуалізації опорних знань:

5.   Коментар відповідей студентів. 2 хв.

Викладач визначає рівень засвоєння студентами матеріалу попередніх лекцій і відзначає студентів, які брали активну участь у відповідях і які допустили характерні неточності, дає рекомендації по відвідуванню консультацій тим, хто показав недостатні знання.

6.   Викладання та вивчення нового матеріалу …………………………. 65 хв.

План лекції

6.1. Поняття про електричний струм. Величина струму.

6.2. Закон Ома для ділянки кола. 

6.3. Закон Джоуля-Ленца.

6.4. Послідовне і паралельне сполучення провідників.

6.5. Температурний коефіцієнт електропровідності.

Хід викладання та вивчення програмних питань лекції 6.1. Поняття про електричний струм. Величина струму

Напрямлений потік носіїв заряду у вакуумі або речовині називають електричним струмом провідності, або просто електричним струмом.

Залежно від типу носіїв заряду в речовині розрізняють електронний та іонний механізми провідності. Всі метали, в яких електричний струм створюється напрямленим рухом вільних електронів, мають електронний механізм провідності. До речовин з електронним механізмом провідності належать також усі напівпровідникові матеріали, які використовуються в сучасній техніці для виготовлення діодів, транзисторів та інших приладів.

Іонний механізм провідності мають усі електроліти, як рідкі, так і тверді (наприклад, кристали хлористого    натрію).

Характерною       ознакою      іонної провідності         є        перенесення речовини між електродами при проходженні постійного струму.

Зрозуміло, що     речовина електроліту    при    цьому розкладається. Через це тверді напівпровідники з        іонним механізмом провідності в сучасній техніці       для виготовлення радіотехнічних приладів     не використовують.

Електропровідність, зумовлену напрямленим рухом вільних електронів та іонів, називають мішаною. Мішану провідність має, зокрема, плазма.

Величиною струму називається скалярна фізична величина, яка вимірюється кількістю електрики, що переноситься через поперечний переріз провідника за одиницю часу. Якщо за однакові проміжки часу через довільні перерізи провідника переносяться однакові кількості електричного заряду, то

такий струм називається постійним (за величиною і напрямом). Тоді I  ^q , де t q – заряд, що переноситься через переріз S за час t. Одиниця величини струму [I] = Кл/с = А (ампер). Оскільки заряд  q і час  t – скаляри, то й величина струму – скалярна величина.

Історично склалось так, що за напрям електричного струму умовно прийняли напрям руху позитивних електричних зарядів, хоч у металевих провідниках електричний струм створюється рухом електронів у протилежному напрямі. Хоч струм має напрям, але він не є векторного величиною бо струми не можна додавати як вектори, тобто за правилом паралелограма.

В електродинаміці доводиться користуватись поняттям вектора густини струму. Цей вектор збігається з напрямом струму і вимірюється електричним зарядом, що проходить за одиницю часу через одиничну площинку, перпендикулярну до напряму струму, тобто

                                         q        I

                              j              .

                                      S t     S

Візьмемо однорідний циліндричний провідник довжиною l і поперечним перерізом   S.       Нехай         в одиниці    об’єму        цього провідника буде n елементарних       зарядів (густина   зарядів).     Тоді заряд в об’ємі провідника дорівнюватиме     q  enSl , і густина струму I       q          tnSl

j     env , де S St St

v  l /t –    середня    швидкість    упорядкованого    руху    носіїв    струму,    е    -

                                                                                                                                  r       r

елементарний заряд. Вектор густини струму j  env (для негативних носіїв rj  envr ). Одиниця вимірювання густини струму [j] = А/м2.

6.2. Закон Ома для ділянки кола

Німецький фізик Георг Ом у 1827 р. експериментально довів, що сила струму I в провіднику прямо пропорційна напрузі U на його кінцях:

I  GU .

Коефіцієнт пропорційності G називають електричною провідністю провідника. Він залежить від розмірів провідника, матеріалу, з якого виготовлено провідник, і умов, у яких він перебуває (температура, механічне напруження тощо). Одиниця вимірювання електропровідності – [G] = А/В =См

(сименc). На практиці частіше користуються оберненою до електропровідності величиною, яку називають опором провідника і позначають літерою R. Таким чином,

R 1/G.

Одиниця вимірювання опору [R] = В/А = 1/См = Ом. Тоді закон Ома можна записати ще й так:                            I U / R.   

Опір однорідного провідника з незмінним перерізом прямо пропорційний його довжині l і обернено пропорційний площі поперечного перерізу S, тобто 

R  l / S ,

де  – коефіцієнт пропорційності, який називається питомим опором матеріалу. Одиниця вимірювання питомого опору [ρ] = Омм. Найменший питомий опір мають срібло (16 нОмм) і мідь (17 нОмм). В електротехніці провідники виготовляють з міді або алюмінію. При однакових опорах алюмінієвий провідник буде товстіший від мідного, але алюміній має меншу питому вагу (8,910³ кг/м³ для міді і 2,710³кг/м³ для алюмінію) . Тому в деяких випадках доцільніше брати алюмінієвий провідник ( = 26 нОм_м).

6.3. Закон Джоуля - Ленца

Електричний струм виконує на будь-якій     ділянці        кола певну роботу. Візьмемо довільну ділянку кола,      між    кінцями     якої   існує напруга       U.      За     означенням електричної напруги робота, яка виконується       при    переміщенні одиниці заряду         між    кінцевими точками ділянки кола, дорівнює U. Якщо величина струму на ділянці кола дорівнює I, то за час t через поперечний переріз проводу пройде заряд It, і тому робота електричного

струму на цій ділянці дорівнюватиме: A UIt.

Якщо величина струму визначається законом Ома (в нерухомому металевому провіднику), то з урахуванням закону Ома можна знайти кількість теплоти, виділеної на ділянці кола

Q  IUt  I²Rt U²t / R.

Ця формула виражає закон Джоуля - Ленца, до якого незалежно один від одного експериментальне прийшли Джоуль і Ленц.

Потужність струму, тобто робота за одиницю часу, дорівнює P  A/t UI  I²R U² / R.

Одиниця потужності [P] = Вт , одиниця роботи [A] = Дж. Оскільки Дж = Вт·с, то роботу в один джоуль називають ще ват-секундою. Користуються також такими одиницями, як ват-година (3600 Дж) і кіловат-година (3,6 МДж).

6.4. Послідовне і паралельне сполучення провідників

В електротехніці та радіотехніці використовують спеціальні елементи електричного кола, які мають великий опір при невеликих розмірах. Такі елементи називають резисторами. Це може бути, наприклад, довгий тонкий дріт із матеріалу з великим питомим опором, намотаний на керамічний циліндр і вкритий захисною фарбою. На схемах резистор зображається довгастим прямокутником. Опір провідників, що з’єднують резистори та інші елементи кола, порівняно малий і його звичайно не беруть до уваги.

                При       послідовному       сполученні

(резисторів) з опорами R₁, R₂, R₃,… через всі провідники тече однаковий струм I. Напруга на кінцях ділянки кола дорівнює сумі напруг на окремих провідниках:

U U₁ U₂ U₃ ... I(R₁  R₂  R₃ ...)  IR.

Звідcи робимо висновок, що повний опір ділянки кола при послідовному сполученні провідників (резисторів) дорівнює сумі опорів окремих провідників (резисторів).

При паралельному сполученні провідників (резисторів) з опорами R₁, R₂, R₃, … напруга U на всіх провідниках однакова. Величина струму I в нерозгалужених кінцевих ділянках дорівнює сумі струмів через провідники з опорами R₁, R₂, R₃, …, тобто 

                                                                                                                                              1      1      1          U

I  I₁ I₂ I₃ ...U /R₁ U /R₂ U /R₃ ...U_R  R  R₃ ..._ R .

                                                                                                                                              _{ 1               2}

Таким чином, повний опір R паралельно сполучених провідників (резисторів) можна знайти з формули

6.5. Температурний коефіцієнт електропровідності

Залежність опору провідників від температури зумовлена двома факторами. В одних випадках підвищення температури призводить до збільшення кількості зіткнень електронів з атомами і молекулами, внаслідок чого сповільнюється їх напрямлений рух і, отже, опір зростає. В інших випадках збільшення температури зумовлює збільшення кількості вільних електронів і іонів в одиниці об’єму провідника, тобто збільшення струму, а отже зменшення опору. Залежно від того, яка з цих причин переважає, із збільшенням температури опір провідника може збільшуватись (метали), зменшуватися (електроліти, вугілля) або практично залишатися незмінним (сплави міді, марганцю та нікелю - манганін і константан).

Дослід показує, що з достатньою точністю в межах від 0 °С до 100 °С відносне збільшення опору металевих провідників можна вважати прямо пропорційним температурі, тобто (R  R₀)/ R₀ t , де R₀ – опір провідника при температурі 0 °С, R – при температурі t, - температурний коефіцієнт опору.

Звідси                                           R  R₀(1t) .

Як бачимо, температурний коефіцієнт опору дорівнює відносній зміні опору провідника з підвищенням температури на один градус: R R⁰ .



R₀t

Для питомого опору формула

 ₀(1t).

Як свідчать результати досліджень значний вплив на електричні властивості кристалічних провідників та напівпровідників мають дефекти кристалічної структури типу дислокацій і точкових дефектів. Причому вказані дефекти структури в основному поліпшують фізичні властивості кристалів. Регулюючи певним чином кількість дефектів у кристалах, можна змінювати фізичні властивості останніх у потрібному напрямку.

7. Закріплення знань студентів………………………………………………10 хв

Проводиться завдання на закріплення знань студентів.

1.   Накреслити схему кола

2.   Обрати одну правильну відповідь

8.       Коментар роботи студентів       2 хв Викладач визначає рівень засвоєння студентами матеріалу лекції і відзначає прізвища студентів, які брали активну участь у відповідях і які допустили характерні неточності, дає рекомендації по відвідуванню консультацій тим, хто показав недостатні знання.

9.       Підсумок заняття –                                                                                1 хв

Викладач підводить загальний підсумок по проведеному заняттю. Відмічає в цілому роботу групи і прізвища активних та пасивних студентів. Уразі необхідності призначає консультації для окремих студентів. 

Викладач вказує, що на наступному занятті буде продовження вивчення питань цієї теми.

10.   Домашнє завдання  -                                                                             1 хв

1. Гончаренко С.У. Фізика: Пробний навчальний посібник для шкіл ІІІ ступеня, гімназії і класів гуманітарного профілю. 10 кл.- К.: Освіта, 1995, с. 193-200, вправа № 15.