Урок фізики для 11-го класу "Закони постійного струму"

Помічнянська загальноосвітня школа І – ІІІ ступенів № 1

ім. Героя України Березняка Є.С.

Закони постійного струму.

Умови існування електричного струму.

Конспект відкритого уроку

Підготувала і провела

Скороход С.В.

Дата проведення:

30.01.2004.

Помічна, 2004

Урок № 2

ТЕМА: Закони постійного струму. Умови існування електричного струму.

МЕТА: Поглибити і закріпити знання учнів про умови виникнення електричного  

              струму, силу струму, напругу, опір провідника, закон Ома для ділянки кола.

  Продовжити формування знань учнів про форми руху матерії, розширити їх кругозір на прикладах застосування електричного струму, створення джерел електричної енергії.

 З метою розвитку мислення учнів узагальнити матеріал пропедевтичного курсу та виділити нові компоненти знань з теми; продовжити формування вміння проводити спостереження, робити аналіз та узагальнення на основі спостережень та висновків.

Обладнання: 1)джерело живлення на 12В, провідники, вимикач, демонстраційні амперметр та вольтметр, реостат, прилад “Розряд – 3”, у прозорих ізоляційних посудинах розчини солі, вода, лампочка на підставці, фотоелементи з гальванометром, катушка, замкнена на гальванометр, магніт.

 2) комплекти приладів на партах: лабораторне джерело живлення, лабораторний амперметр, лабораторний вольтметр,  лампочка, резистор, провідники.

Демонстрації: струм в різних середовищах, виникнення струму в напівпровідниках під дією світла,  явище електромагнітної індукції.

Структура уроку.

І.  Організаційний момент.      2 хв

ІІ.  Актуалізація знань.       20 хв

ІІІ.  Мотивація вивчення нової теми.     3 хв

ІV.  Вивчення нової теми.       15 хв

5.                   Закріплення вивченого теоретичного матеріалу.  5 хв
6.   Закріплення на прикладах розв’язання задач.   25 хв
7.   Виконання письмової роботи.     10 хв
8.   Самоперевірка.          5 хв

ІХ.   Висновки та підведення підсумків уроку.    3 хв

Х.   Домашнє завдання.        2 хв

Зміст та методи роботи.

І. Організаційний момент.

ІІ Актуалізація опорних знань.

Вчитель: у 8-му класі ми вчили розділ «Електричні явища». Тоді ми познайомилися з поняттями: електричне поле, електричний заряд, електризація, вивчили основні характеристики електричного поля, познайомилися з електричним струмом , законами його протікання на ділянці кола. Перш, ніж переходити до вивчення нової теми, давайте пригадаємо основні моменти, на які ми будемо опиратися в нашій подальшій роботі на сьогоднішньому уроці:

• Що ми вивчаємо на уроках фізики?
• З чого складається Природа?
• Які форми існування матерії ми знаємо?
• Які поля ми розглядали?
• Яке поле ми називаємо електричним?
• Що таке електричний заряд?
• Що ви розумієте під електричною взаємодією?
• Що ми розуміємо під електризацією?
• Які основні характеристики електричного поля?
• Що ми називаємо напруженістю електричного поля?
• Що ми називаємо потенціалом?
• Що ми називаємо напругою?
• А чи зустрічались ми раніше, вивчаючи фізику, з поняттям “напруга”? Під час вивчення яких тем?

На даному етапі вивчення фізики ми підійшли до того моменту, коли нам потрібно на більш глибокому рівні,  більш осмислено підійти до вивчення поняття електричного струму та його законів. Тому з сьогоднішнього дня ми приступаємо до вивчення нового розділу електродинаміки “Закони постійного струму” і почнемо вивчати цей розділ, пригадавши основні закони постійного струму, які  ми вивчили у 8-му класі. Але крім цього на сьогоднішньому уроці ми повинні будемо сформулювати умови існування електричного струму. Тому й тема уроку звучить саме так. (вчитель разом з учнями робить запис теми уроку на дошці.)

• Отже, пригадаємо, що ми називали електричним струмом?

( учні дають відповідь: електричний струм – це впорядкований, напрямлений рух заряджених частинок)

Вчитель: Тема нашого уроку – закони постійного струму. Тому зробимо уточнення. Що ми будемо розуміти під постійним електричним струмом?

Постійним електричним струмом називають впорядкований рух заряджених частинок – електричних зарядів – з постійною швидкістю. За напрям струму обирають напрям позитивних зарядів.

Пригадаємо:

• Де струм існує? (в електричному колі)
• Які фізичні величини характеризували електричний струм та електричне коло? ( учні повинні  дати відповіді про силу струму, напругу на ділянці кола, опір ділянки кола, закон Ома)

Я попрошу 4 – х бажаючих вийти до дошки і пригадати нам формули і означення фізичних величин, про які йшла мова. В цей час всі інші спробують пригадати навики і вміння складати електричні кола та вимірювати силу струму та напругу на певній його ділянці.

 Всі учні, крім відповідаючих біля дошки, складають елементарне електричне коло і вимірюють силу струму та напругу на ділянці – на резисторі або лампочці, роблять записи вимірювань, враховуючи похибки.

За цей час відповідаючі біля дошки  роблять записи:

1)   сила струму I =   або  I =  (І.1)    

              [ I ] = 1A = 1 Кл/с;

 2)    напруга U =  (І..2)  

              [U ] = 1 В = 1 Дж/Кл;

  3)   опір              R =   (І.3) ρ – питомий опір, [ρ  ] = 1 Ом·м

              [R ] = 1 Ом = 1 В/А;  де  

  4)   Закон Ома: I =   (І.4)

Для  кращого запам’ятання  закону Ома можна користуватися трикутником струмів та напруг.

Вчитель просить учнів занотувати записи, зроблені учнями на дошці , а відповідаючих проаналізувати свої записи.  При цьому робляться акценти на слідуючих моментах:

Електричний струм у колі характеризується:

1. силою струму – фізичною величиною, яка характеризує швидкість перенесення заряду через поперечний переріз провідника; одиницею вимірювання сили струму є 1 Ампер – 1 Кулон, ділений на секунду; вимірюється сила струму амперметром, який вмикається в коло послідовно; з приладами,
2. ділянку кола характеризує напруга – фізична величина, що визначає роботу електричного поля по переміщенню одиничного позитивного заряду на даній ділянці кола; одиницею напруги є 1 Вольт – це 1 ДЖоуль, поділений на Кулон; для вимірювання напруги Вольтметр вмикають в коло паралельно тій ділянці, напругу на якій потрібно виміряти;
3. фізична величина опір є характеристикою провідника, що характеризує здатність провідника протидіяти протіканню струму і визначається лише параметрами провідника – довжиною, площею поперечного перерізу та матеріалом, з якого він виготовлений; одиницею сили струму є 1 Ом, що рівний 1 Вольту, поділеному на  Ампер;
4. Всі ці величини взаємопов’язані між собою законом Ома, який вперше експериментально був встановлений у 1827р. німецьким вченим Георгом Омом: сила струму на ділянці кола прямо пропорційна напрузі на цій ділянці та обернено пропорційна до опору даної ділянки кола.

Після пригадування означень основних фізичних величин, які характеризують струм у колі, вчитель просить вийти одного з учнів та зробити записи вимірювань, вказавши похибки. Орієнтовна форма запису:

С_А = 0,1 А/под; I =  (0,3 ± 0,15) А  при ε= 50%.

С_V = 0,2 В/под; U = ( 3 ± 0,3) В при ε = 10%.

Можна запропонувати учням зробити  вимірювання опору провідника, користуючись законом Ома:

R_обч= 3B/0,3 A= 10 Ом  при  ε = 75%, отже

Результат :    R= (10 ± 7,5) Ом  при  ε = 75%.

ІV.  Вивчення нової теми.

Вчитель: Ми пригадали фізичні величини, що характеризують електричне коло та струм у ньому, формули та означення. Склали коло, в якому існує електричний струм . Пригадаємо і виділимо основні складові цього кола:

1. джерело (пристрій з двох заряджених тіл – електродів – між якими підтримується постійна напруга;
2. провідники (речовини, в яких є наявні вільні заряджені частинки);
3. вимикач (пристрій, за допомогою якого можна розмикати і замикати коло);
4. споживач (пристрій, в якому електрична енергія перетворюється в інші види енергії).

Але давайте уточнимо питання: коли існує електричний струм?

Що визначає силу струму, напругу?

Звернемося до дослідів:

Дослід 1. Вчитель демонструє явище електромагнітної індукції.

Мал.1. Явище ЕМІ.          

Ви всі бачили, що струм існував тоді, коли магніт наближався до котушки. Джерела електроенергії ви явно не бачите. Але ви зрозуміли, що якісь магнітні сили (незабаром ми вивчимо, що це дія так званих сил Лоренца) заставляють рухатись заряди.

Дослід 2. Явище фотоструму.

Мал.2. Явище виникнення фотоструму.

Аналогічна ситуація.  Знову ми спостерігаємо відхилення стрілки гальванометра, що свідчить про те, що  існує струм. Чи постійний він? Що потрібно для того, щоб існував постійний електричний струм?

(Учні мають зробити висновок про те, що для існування струму потрібне  так зване джерело постійного струму.)

Так, ми  уточнюємо першу умову існування електричного струму в колі: наявність постійного джерела живлення. Яку ж функцію здійснює постійне джерело живлення?

Джерело живлення забезпечує за рахунок постійного накопичення зарядів на електродах силами не електричного походження наявність  сталої різниці потенціалів – напруги  між електродами, тобто полюсами джерела. Тому, в провідниках, приєднаних до джерела, існує електричне поле з напруженістю

Е= U/l (*)

Саме тому, в провідниках, приєднаних до джерела електричного струму створюється впорядкований рух заряджених частинок із сталою швидкістю під дією сил Кулона  F_k= q E. (**).  Розглянемо ділянку такого провідника, площею поперечного перерізу S  та довжиною l, до якого прикладена різниця потенціалу, тобто напруга  U.

        Δl       

Мал.3.

За означенням  сили  струму 

I =   (1)

Заряд q, який буде переноситися за проміжок часу Δt   через поперечний переріз провідника S визначатиметься концентрацією заряджених частинок n в об’ємі V та швидкістю їх руху V  

Δq= q₀N  (2)

N = nV= nSl=  nSV Δt     (3)

Підставимо формулу (3)    в (2), а потім в (1) . Отримаємо

Отже, сила струму в провідниках визначається типом зарядів, що створюють струм, швидкістю їх руху ( це визначається  значенням сили Кулона, а отже напруженістю  та напругою в електричному колі, а отже, в кінцевому рахунку, енергетичними можливостями джерела електричного струму, тобто потужністю джерела), їх концентрацією та  характеристиками самого провідника – чим товщий провідник, тим більша сила струму в ньому. Це зрозуміло навіть з такої простої алегорії, як порівняння струму в провіднику з течією води в річці.

Для металів формула (4) буде мати запис :  I= еnSV (5)

Чому саме такий вигляд?

Давайте ще раз пригадаємо і уточнимо, які речовини є провідниками? В яких середовищах існує електричний струм та які частинки є носіями електричних зарядів у різних середовищах.

• У металах носіями зарядів є електрони;
• у розчинах електролітів носіями зарядів є йони (якщо в учнів виникають труднощі, то можна продемонструвати провідність води та розчинів);
• у газах носіями зарядів є йони та електрони;
• у напівпровідниках носіями зарядів є дирки та електрони;
• у вакуумі носіями зарядів є електрони.

Хотілося б актуалізувати ваші знання про знаходження концентрації частинок з молекулярної фізики.  n =  N/V, де  N= N_A·ν , а кількість моль  ν= m/M.

Знаходження концентрації зарядів відрізняється від знаходження концентрації атомів чи молекул тим, що на кожен атом приходиться один, два або декілька електронів валентності – тобто електронів провідності.

V. Закріплення вивченого теоретичного матеріалу.

Далі вчитель пропонує виділити основні важливі моменти, розглянуті на уроці. Фронтально повторюються означення сили струму, напруги та опору, формулюється закон Ома, називаються складові елементи електричного кола, перераховуються умови існування електричного струму, вказуються носії зарядів у різних середовищах.

6. Закріплення на прикладах розв’язання задач.

Розв’язуються задачі:

а) усно за таблицею: 

 б) із збірника Римкевичів:

• усно № 781;

Чи можна ввімкнути в мережу з напругою 220 в обмотку реостата, на якому написано: а) 30 Ом; 5 А?  б) 2 000 Ом; 0,2 А?

Відповідь: а) U =I·R = 5 А · 30 Ом = 150 В – можна.

        б) U =I·R = 0,2А· 2 000 Ом = 400 В – не можна.

• біля дошки рівень В - №774;

Дано:    СІ:  Розв’язання:

С = 100 мкФ  С = 10^-4 Ф  вважатимемо, що  струм розрядки

U = 500 В     протікає рівномірно. За означенням  

Δt= 0,5 с     сили струму  I =   (1)

I - ?      Під час розрядки конденсатора по

провідникам пройде  заряд       Δq = CU (2)

Тому кінцевий вираз для визначення сили струму   розряджання конденсатора:                                  I = CU /Δt  (3)

Обчислюємо:           I  = 10^-4 Ф·500 В/0,5 с = 0,1 А.

Відповідь: І= 0,1 А.

• біля дошки  рівень С - №783.

Дано:          Розв’язання:

S = 1,4 мм²      Якщо в провіднику довжиною l існує електричне поле

І= 1 А.    з напруженістю Е, то Е= U/l (1),

ρ = 2,8·10^-2 Ом·мм²/м де  напруга на кінцях провідника визначається за

Е - ?    законом  Ома: U =I·R  (2)

    Опір провідника, довжиною l, площею поперечного перерізу S, виготовленого з речовини, яка має питомий опір ρ визначається

R = (3)

Тому після підстановки (3) в (2), а потім в (1), маємо:

(4)

Обчислення:   Е = 1 А · 2,8·10^-2 Ом·мм²/м  /  1,4 мм² = 0,02 В/м.

Відповідь: Е = 0,02 В/м.

7. Самостійна робота.

Учні підписують свої прізвища на  отриманих бланках для відповідей та заповнюють їх, не відкриваючи складеного листка, де містяться правильні відповіді на завдання:

І варіант

1. Вкажіть позначення сили струму та одиниці її вимірювання:

а)  І, А;   б) U,  В;  в)  R, Ом;  г)  q, Кл.

2. Знайдіть запис, який виражає  означення напруги:

а)  І = ; б) U =I·R  ;  в)  U = ;  г)Е= U/l.

3. Що є складовими компонентами електричного кола?

а)  джерело, лампочка, конденсатор, провідники;

б) джерело, споживач, вимикач, провідники;

в)  споживач, вимикач, провідники;

г)  вимикач, джерело,  лампочка, провідники.

4. Який струм ми називаємо постійним?

а)  впорядкований рух заряджених частинок;

б) впорядкований рух вільних  частинок;

в) впорядкований рух частинок, які рухаються зі сталою  швидкістю.

г) впорядкований рух заряджених частинок, які рухаються зі сталою     швидкістю.

5. На цоколі лампочки нанесено напис: 12 В; 1,5 А. який опір має лампочка  в

     робочому стані?

а) 8 Ом;   б) 18 Ом;  в)  0,125  Ом;  г)  інша відповідь.

ІІ варіант

1. Вкажіть позначення напруги та одиниці її вимірювання:

а)  І, А;   б) U,  В;  в)  R, Ом;  г)  q, Кл. 

2. Вкажіть формулу, що виражає закон Ома для ділянки кола:

а) R = ; б)   I =  ; в)  U = ;  г)U=I·R 

3.  Які   заряджені частинки є носіями зарядів у металах?

 а) електрони і протони;    б) нейтрони;

в)  позитивні та негативні йони;  г)  вільні електрони.

4. Вказати правильне твердження:

а)  для вимірювання напруги на ділянці електричного кола паралельно до неї підключають вольтметр;

б) для вимірювання сили струму в коло послідовно вмикають вольтметр;

в)  для вимірювання сили струму в колі до однієї з його ділянок паралельно вмикають вольтметр;

г)  для вимірювання напруги  в коло послідовно вмикають вольтметр.

5. Розрахувати опір мідного провідника завдовжки 100 м, якщо його площа

      поперечного перерізу дорівнює 1 мм².

а)100 Ом;   б) 1,7 Ом;  в)  17  Ом;  г)  170.

VIII.  Самоперевірка самостійної  роботи.

На цьому етапі уроку учні, відкривши закритий листочок бланку відповіді, по правильним відповідям самі оцінюють свою роботу.

ІХ. Підсумки уроку.

Піводячи підсумки, вчитель враховує роботу учнів протягом всього уроку і оцінює по різним видам робіт. Для  цього до уроку вчитель повинен мати підготовлений бланк оцінювання учнів:

Х.  Домашнє завдання:

§69, № 773 (А,Б), № 782 (С).

ЛІТЕРАТУРА:

1. Гончаренко С.У. Фізика : Пробн. Навчальний посібник для ліцеїв та класів  природничо-наукового профілю. 10 клас. – К.: Освіта, 1995.- .42-45.
2. Методика преподавания физики в средней школе: частные вопросы: Учебное пособие./С.В.Анофрикова, М.А.Бобкова и др; Под ред С.Е.Каменецкого – М.: Просвещение,1987. – с.190 -211.
3. Фізика (рівень стандарту, за навчальною програмою авторського колективу під керівництвом В. М. Локтєва). Підручник для 11 класу закладів загальної середньої освіти (автори Бар’яхтар В.Г., Довгий С.О., Божинова Ф.Я., Кірюхіна О.А.), ТОВ «Видавництво «Ранок», 2019.
4. Шахмаев Н.М., Шилов В.Ф. Физический эксперимент в средней школе: Механика.Молекулярная физика. Электродинамика. – М.:Просвещение,1989.