Методична розробка "Закони постійного струму. Словесні аналогії"

Шановні колеги.

Щойно закінчив курс EdEra    BR101 Бери й роби. Оскільки в форматі екзамену неможливо було представити на широкий загал свою роботу, ділюся з Вами ідеєю на майданчику «На урок».

Інструмент «Словесні аналогії»

1. Аналогії в процесі вивчення фізики застосовую давно і часто, бо, наприклад, гравітаційне і електричне поля, механічні і електричні величини проявляють себе подібним чином, а закономірності часто виражені, з точки зору математики, аналогічними співвідношеннями. Тому співставляння процесів з різних розділів фізики через відповідні аналогії полегшує сприйняття нового навчального матеріалу.

2. У 8 класі в розділі «Електричні явища. Електричний струм» при вивченні законів послідовного і паралельного з’єднання провідників, а саме законів для сили електричного струму і електричної напруги, застосовую аналогію між перетіканням рідин і електричного струму. Всі закони даю за один урок, а на наступних займаємося деталями.

План такий:

1) Процес поливу рослин, коли від резервуара з водою доводиться стикувати кілька шлангів і труб різного перерізу; якщо з резервуару в трубу входить 1 л/с, то виливається з неї, незалежно від наявних перерізів, теж 1 л/с. Робиться висновок: через довільний поперечний переріз труби в даному випадку потік води становить 1 л/с.

2) В послідовному електричному колі в різних місцях приєднуються 3 амперметри. При замиканні кола вони показують однакове значення сили струму. Робиться висновок і записується відповідний закон.

3) Закон для напруги «з водою» не настільки очевидний, тому аналогія ґрунтується на факті, що ялинкова гірлянда, що живиться від напруги 220 В, може складатися з лампочок, розрахованих, наприклад, на напругу 3,5 В, які при цьому нормально працюють. Тобто, загальна напруга при такому з’єднанні поділяється на частини відповідно до електричних властивостей наявних провідників.

4) Якщо взяти приклад річки, що має острів, і на цій ділянці русла немає жодних струмків, що в річку впадають, то кількість води, що проходить за 1 с, однакова вище острова і нижче нього по течії. Отже, через 2 утворені рукави протікає в сумі така  ж кількість води, бо її не стає ані менше, ані більше. А острів не є провідним середовищем для води.

5) В нерозгалуженій частині кола і в кожному плечі паралельного з’єднання підключаються амперметри. Сума сил струму в плечах порівнюється з загальною силою струму. Робиться висновок, записується закон.

6) Для напруги при паралельному з’єднанні. Попередньо з’ясовуємо куди і чому тече вода по трубі. Переходимо до розгляду системи опалення в кабінеті. З урахуванням попереднього висновку і закону Паскаля робимо висновок, що різниця тисків на вході й виході батарей однакова. А для створення тиску потрібен насос.

7) При паралельному з’єднанні роль «труб» для електрики виконують дроти, а дослідні резистори виступають в ролі «батарей опалення». В ролі «різниці тисків» виступає напруга. Джерело енергії – «насос», що приводить в рух потік електронів. Вимірювання напруги на паралельних навантаженнях показує їх рівність. Робиться висновок, записується закон.

8) Що ж стосовно опорів в обох типах з’єднань – окремі аналогії «без води», але теж обов’язкові.

Спочатку, хоча в програмі цього немає, пояснюю взаємозв’язок понять опір і провідність: R i 1/R, краща провідність – менший опір, і навпаки. Наголошую, що в інститутських спецкурсах поняття провідності застосовується широко.

Послідовне з’єднання.

Для подолання електричного опору потрібна відповідна робота поля.

Якщо людина просто йде рівною доргою, організм виконує невелику роботу. Якщо ж людина переміщує сани з вантажем, то на всьому шляху по рівному ущільненому снігу доведеться виконати більшу роботу, бо з’явиться додатковий опір (тертя) з боку снігу. Якщо ж на тому самому відрізку доведеться подолати кілька метрів, посипаних піском, а далі - засмічених уламками гілок, а ще - оголеного бетонного покриття тощо, то витрати енергії зростуть значно. Те ж саме – з електричним опором послідовно з’єднаних провідників з різною провідністю. Формулюється і записується закон.

Паралельне з’єднання.

Якщо на огороджений з усіх боків стадіон 30000 глядачів пропускати через одну рамку по 5 людей за хвилину, це займе 100 год. На матч встигнуть не всі=). Огорожа – великий опір,  1 рамка – мала провідність. Якщо ж паралельно поставити 20 рамок, провідність зросте 20-кратно, і глядачі пройдуть за 5 год., бо провідність зросте. Тому закон легше сприймається не через алгебру, як це є в підручнику, а через аналогію з сумою провідностей.

Якщо комусь стане в нагоді – користуйтеся на здоров’я!