При изучении электрических явлений в 8 классе, переходя от темы “Электризация тел” к теме “Постоянный электрический ток”, необходимо продолжать сообщать исторические сведения о развитии науки в этой области. Из предыдущих уроков ученики уже знают, что первую электрическую машину в 1650 г построил немецкий ученый Отто Герике [7].
На уроке “Источники электрического тока”, рассказываю, что прообразом электростатической машины, является электрофор Александро Вольтf [9]. Электростатическую машину изобрел Уимшерстон в 1870 г [7].
В 1790 г Луиджи Гальвани (1737 – 1798 г), известный итальянский физиолог, исследуя препарированную мышцу лягушачьей лапки, заметил, что она сокращается, если к ней прикоснуться одновременно двумя предметами, сделанными из разных металлов. Почему так происходит, объяснил другой замечательный итальянский ученый – Александро Вольта (1745 – 1827 г). Он доказал, что две пластинки из разнородных металлов в растворе соли (в данном случае его роль играла кровь) рождают электричество. [8], [9].
В 1799 г Вольта создал первый искусственный источник электрического тока. Он представлял собой медные и цинковые кружки с суконными прокладками между ними. Прокладки были пропитаны слабым раствором кислоты. Свое изобретение Вольта назвал в честь Л. Гальвани – гальваническим элементом. Чтобы получить более или менее приличную электрическую мощность, элементы приходилось последовательно соединять в батареи (их именовали “вольтовыми столбами”). В дальнейшем гальванические элементы Вольта были усовершенствованы, и появились всем знакомые батарейки. Сам Вольта не знал ничего о химических превращениях, которые вызывает его столб в жидкости. Велика его заслуга в том, что он создал первый в мире источник постоянного электрического тока и обратил внимание на условие существования тока, и что цепь должна быть замкнута. [7].
Немецкий физик Томас Зеебек (1770-1831) в 1821 г открыл явление термоэлектричества (в паре “медь – висмут”), построил термопару.
(Данный рассказ, конечно же, сопровождаю показом опытов по учебнику [4] и проводим фронтальный эксперимент [2]: цинковый и угольный электроды опускаем в стакан с раствором соли, к зажимам через ключ подсоединяем лампу, наблюдаем её свечение).
На уроке “Действие электрического тока” также использую исторические сведения об изучении химического действия – 1800 г англичане Никольсон и Карлейль разложили воду с помощью электрического тока на водород и кислород; тепловое и световое действие изучал Василий Владимирович Петров; магнитное действие обнаружил Эрстед в 1819 г. [5]. При возможности проводим фронтальный эксперимент по наблюдению действий электрического тока [2]. Демонстрационный эксперимент по учебнику [4] обязателен.
На уроке знакомства с амперметром, рассказываю, что Вольта для оценки силы тока использовал свой собственный язык, т.к. при возникновении тока на языке появлялся кислый привкус, а чем больше ток, тем сильнее вкусовые ощущения, а немецкий ученый Георг Ом в 1826 г. определил силу тока по действию тока на магнитную стрелку, подвешенную на нити над проволокой, идущей от источника тока [1], [6], об этом подробнее будет рассказано на следующем уроке.
После урока, на котором объясняю понятие электрического напряжения, знакомлю с вольтметром; провожу уроки в такой последовательности:
а) “Электрическое сопротивление проводников. Единицы сопротивления”. Лабораторная работа “Измерение напряжения на различных участках цепи”
б) “От чего зависит сопротивление проводников”.
Рассказ ученика. Годы жизни Георга Симона Ома — 1787—1854. Отец Ома, слесарь в Эрлангене, сумел передать своим детям трудовые традиции фамилии Омов, потомственных вестфальских кузнецов. Барельеф на постаменте памятника Ому в Мюнхене символически изображает вручение отцом своему сыну орудий своей наследственной профессии. Насколько понимал отец Ома роль образования, видно из того знаменательного факта, что он счел необходимым изучить высшую математику, чтобы следить за учением своих сыновей: старшего, Мартина — впоследствии известного математика — и младшего, Георга — физика, установившего основной закон электрического тока.
Георг Ом окончил университет в родном городе и стал учителем математики. Начиная свою трудовую деятельность, жил в большой бедности и переезжал из одного города в другой, пока наконец не обосновался в иезуитской коллегии в Кельне в качестве учителя математики и физики. За девять лет учительства в Кельне произошло превращение Ома из математика в физика. Здесь проведены им многочисленные эксперименты, здесь сложились его основные воззрения на закономерности электрического тока.
С 1825 г. Ом начинает заниматься исследованиями гальванизма. Георг Ом, начавший свои работы в 1825 г., был в очень сложных условиях. Всего четверть века назад был открыт источник постоянного тока – “вольтов столб”, только что в качестве источника начала использоваться термопара. Что такое электрический ток, еще никто сказать не мог, считалось просто, что это нечто, порождаемое источником. Неизвестную причину тока называли электродвижущей силой. Не существовало чётких понятий “сила тока” и “сопротивление” - их в расплывчатой форме ввел сам Ом. Не было хороших приборов, оценивающих силу тока.
Я рассказываю ребятам о собственноручно изготовленным им вольтовом столбе и гальваноскопе, проецируя кодограмму.
Зачитываю из работы Г. Ома “Определение закона проводимости контактного электричества металлами…”: “Я брал куски цилиндрической проволоки произвольной длины из различных материалов и помещал их поочередно в цепь. Когда я ставил эти опыты, я повторял каждый из них несколько раз в измененных условиях и получал постоянно те же результаты с очень небольшими отклонениями”. Так Ом выяснил, как различные проводники влияют на силу тока в цепи. Попробуем и мы определить, как размеры проводников влияют на ток в цепи.
Проводим фронтальную лабораторную работу [2] стр. 95, в которой ребята сравнивают длины проводов спиралей сопротивлением 1 и 2 Ом, подсчитав число их витков, полагая, что обе спирали изготовлены из одного и того же материала; предполагают, какая спираль обладает большим сопротивлением. Затем собирают электрическую цепь из источника тока, ключа, лампочки и поочередно включают в цепь то одну, то другую спираль. Делают вывод: т.к. накал лампочки больше, когда подключена спираль с меньшим числом витков, то она обладает меньшим сопротивлением, из этого следует, сопротивление спирали зависит от её длины: чем меньше длина, тем меньше сопротивление.
Затем ученики сравнивают длины проводов, из которых сделаны спирали сопротивлением 2 и 4 Ома. Оценивают сечение проводов. Предполагают, какой провод обладает большим сопротивлением, включают его в электрическую цепь с лампочкой и по яркости свечения лампочки делают вывод, что чем меньше сечение, тем больше сопротивление.
в) “Знакомство с устройством реостата и потенциометра, их применение”. Из предыдущего урока следует, что, создав прибор, которым можно менять длину провода, включаемого в цепь, можно будет изменять силу тока в цепи, изучаем устройство реостата.
Знакомство с потенциометром. Так как в нашей школе с обычным старым лабораторным оборудованием, имеется и радиоэлектронный набор Головина П. П., то дальнейшие работы мы проводим, используя этот набор.
Рассказываю, что переменные сопротивления (резисторы), могут иметь три вывода, один из которых связан с подвижным контактом, скользящим по поверхности проводящего слоя. Сопротивление между любым крайним выводом переменного резистора и подвижным контактом зависит от положения движка. Схематическое изображение:
Ученики проводят работу 6-3-1 [3], стр. 43,
а затем 6-3-2 [3],
и выясняют, что при любом положении движка резистора соблюдается равенство: напряжение участка 1-3 равно сумме напряжений участка 1-2 и участка 2-3. Ранее на уроках они выяснили, что чем больше сопротивление участка, тем больше напряжение на нем. Следовательно, потенциометром можно регулировать напряжение.
г) “Закон Ома для участка цепи” (2 урока).
1 урок. “Зависимость силы тока от напряжения”. (Исследовательская работа учеников)
Рассказ о новой установке Ома (кодограмма) “Рис. 5” Ом стал применять установку с термоэлементом.
Он составил термоэлемент из согнутых под прямыми углами висмутовой и медной полосок, концы которых скреплялись винтами. Один конец термоэлемента окружался кипящей водой, другой обкладывался тающим льдом. От полюсов шли проволоки, опускавшиеся в чашечки с ртутью. Цепь замыкалась проволоками разной длины, присоединявшимися к тем же чашечкам. Сила тока определялась действием тока на магнитную стрелку, подвешенную на нити над проволокой, идущей от термоэлемента. Закручивая нить в сторону, противоположную отклоняющему действию тока, удавалось вернуть её в первоначальное положение, в плоскость магнитного меридиана. [6]. Выводы, которые сделал Ом из своих опытов, мы узнаем позже, когда вы проделаете аналогичные опыты, используя современное оборудование. Какие основные элементы были в установке Ома и соответственно нужны будут нам для эксперимента? Из беседы выясняем: термоэлемент заменим на источник тока на 4,5 В. Ом изменял напряжение, создавал различные разности температур на концах термоэлемента, мы воспользуемся потенциометром. Ом силу тока определял по закручиванию нити, мы воспользуемся миллиамперметром. Половина класса будет использовать проводник Х1(10 Ом), остальные проводник Х3 (30 Ом). Собираем электрическую цепь по схеме,
чертим таблицу,
проводим измерения, меняя напряжение. Кто первый выполнил, идет к доске строить график зависимости силы тока от напряжения.
Из графиков делаем вывод:
1) Во сколько раз увеличивают напряжение, во столько раз увеличивается сила тока;
2) наклон графиков разный.
Вычислите отношение напряжения к силе тока для каждого опыта. Выясняется, что в первом случае оно постоянно и равно 10, а во втором – постоянно и равно 30. Эта постоянная величина характеризует свойство проводника, раз она не изменяется в опытах. Вместо Х2 в электрической цепи, схема которой на “рис. 4”, подсоединим лампочку. В какой цепи она ярче горит, где Х1 или Х3? – где Х1. Там где лампа горит ярче, сопротивление меньше (ученики это уже знают), значит Х1 и Х3 – сопротивление данных проводников.
Из урока делаем вывод: 1. Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке. 2. Отношение напряжения на участке цепи к силе тока есть величина постоянная для этого участка и определяет его сопротивление. “Рис. 9”. Решаем качественные, количественные и графические задачи.
Задача. Проверим соотношение а)
на опыте. На демонстрационным столе собрана электрическая цепь, состоящая из демонстрационных амперметра и вольтметра, источника тока ВС-6, ключа, потенциометра, магазина сопротивлений на 10 Ом.
1) Из каких приборов она состоит и для какой цели каждый из них служит?
2) Как проверить при помощи этой электрической цепи, что соотношение а) верно?
Будем при R = const (например R = 2 Ом), менять U (значение определяем по шкале вольтметра). Прогнозируем, как будет меняться сила тока при увеличении напряжения в 1,5; 2; 3 раза. Предположения сверяем с показаниями амперметра, шкала которого в начале каждого опыта закрыта. Еще раз убеждаемся, что а). Каждый раз проверяем, действительно ли отношение напряжения к силе тока остается постоянной и в нашем опыте равно 2 м. Решаем задачи № 1277, № 1268 [10].
2 урок. “Зависимость силы тока от сопротивления” (Исследовательская работа учеников)
Выясняем с учениками, что теперь необходимо напряжение оставлять неизменным, чтобы вывести зависимость силы тока от сопротивления. Собираем электрическую цепь по схеме “Рис. 6”, чертим таблицу.
Половина класса потенциометром поддерживает напряжение 3 В, остальные – 2 В. Ученики, первыми выполнявшие экспериментальную работу, на доске чертят зависимость силы тока от сопротивление.
Из графиков по результатам опыта делаем вывод: сила тока уменьшается с увеличением сопротивления. Зависимость полученная на графиках называется обратно пропорциональной. Делаем вывод: Сила тока в участке цепи обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.
Учитывая формулы “рис. 9” приходим к выводу “рис. 12”: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению. Это и есть тот закон, который установил экспериментально, а затем вывел теоретически Георг Ом в 1827 г, а следом за ним и мы с вами.
“Да будут святы те,
кто в творческом пылу,
исследуя весь мир,
открыли в нем законы”.
Э. Верхарн.
Решение качественных, количественных и графических задач.
Задача № 1. Проверим соотношение “рис. 12.а” на опыте. На демонстрационном столе собрана электрическая цепь (состоит из тех же приборов, что на предыдущем уроке). При помощи какого прибора можно поддерживать напряжение на вольтметре постоянным? (Потенциометра, который подключаем параллельно источнику и делит напряжение) Будем поддерживать U = 2 B, менять сопротивление участка и прогнозировать, как при этом будет меняться сила тока. Предположения сверяем с показаниями амперметра, ещё раз убеждаемся, что “рис. 12.а”. Решаем задачи № 1275, №1278, №1281, № 1283. [10]
Список литературы.
1. Блудов М. И. Беседы по физике. Москва. “Просвещение”, 1973 г.
2. Буров В. А., … Фронтальные экспериментальные задания по физике в 6-7 классах средней школы. Москва, “Просвещение”, 1981 г.
3. Головин. П. П. Учимся радиоэлектронике. Ульяновск. РИЦ “Реклама” 1999 г.
4. Перышкин А. В. Физика 8. Москва. “Дрофа”. 2000 г.
5. Спасский Б. И.. История физики. Москва. “Высшая школа”. 1977 г.
6. Хрестоматия по физике. Москва “Просвещение”. 1982 г.
7. Шабловский В. Занимательная физика. Серия “Нескучный учебник”. Тригон. Санкт-Петербург, 1997 г.
8. Энциклопедия для детей Аванта +. Техника Том 14. “Издательский центр “Аванта+”, 1999 г.
9. Энциклопедия для детей Аванта +. Физика Том 16. “Издательский центр “Аванта+”, 2001 г.
10. Лукашин В. И., Иванова Е. В. “Сборник задач по физике 7 – 9”. Москва. Просвещение 2001 г.