Великосеверинівська загальноосвітня школа І-ІІІ ступенів

11 клас

УРОКИ ФІЗИКИ

По темі:«ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ»

Вчитель: Голота Л.О.

2012 рік

1

Урок 1Тема: Електричний струм. Електричне коло. Джерела та споживачі електричного струму. Мета уроку: поглибити знання учнів про електричний струм; розширити зміст поняття сили струму на основі електронних уявлень; розглянути принцип роботи різних джерел електричного струму та основних елементів електричного кола; розширити кругозір учнів на прикладах застосування джерел струму.Тип уроку: засвоєння нових знань.Обладнання: джерело струму, амперметр, вольтметр, резистор, з’єднувальні провідники, комп’ютер. Хід урокуІ. Оголошення теми та завдань уроку.ІІ. Актуалізація опорних знань.Запитання для організації повторення раніше засвоєних знань:

1. Що називають електричним струмом?2. Рух яких частинок приймають за напрям електричного струму?3. Чи можна вважати тепловий рух електронів у провіднику електричним

струмом?4. Чи є блискавка електричним струмом?5. Які частинки можуть бути носіями електричного струму?6. На підставі чого можна робити висновок про наявність струму у

провіднику?7. Яку дію електричного струму використовують у лампочці

розжарювання?8. Наведіть приклади практичного використання теплової дії струму?9. У яких речовинах проявляється хімічна дія струму?10.Чому компас дає неправильні показання поблизу провідника зі

струмом?ІІІ. Вивчення нового матеріалу.Електричним струмом називається напрямлений рух вільних зарядів у провіднику За напрям електричного струму вважають напрям руху позитивних зарядів.Умови виникнення електричного струму (пропонується учням назвати самостійно):

1. Наявність вільних носіїв електричного заряду;2. Наявність у середовищі причин, що спонукають рухатися вільні

частинки в певному напрямі, наприклад наявність електричного чи магнітного полів, прискорений рух провідника, тощо;

3. Замкнуте електричне коло.Запитання:1. Назвіть основні елементи найпростішого електричного кола. Демонстрація найпростішого електричного кола з ввімкненими

2

амперметром та вольтметром.2. Які фізичні величини вимірюють з допомогою амперметра та вольтметра для характеристики електричного струму?3. Чим відрізняється електричне поле, яке існує в замкнутому електричному колі, коли по ньому тече постійний електричний струм, від електростатичного поля, створюваного нерухомими електричними зарядами?Сила струму – скалярна фізична величина, яка характеризує швидкість руху заряджених частинок у провіднику і чисельно дорівнює відношенню перенесеного заряду q до інтервалу часу t, протягом якого відбувалося це перенесення: I = .Запитання: Який струм називається постійним? Постійним струмом називається електричний струм сила і напрям якого не змінюється з часом.Одиниця сили струму: . (повторити таблицю кратних і частинних одиниць).Густина електричного струму j – фізична величина, яка характеризує розподіл електричного струму в провіднику. У випадку постійного струму з рівномірним розподілом струму густина струму дорівнює

. Одиниця густини струму: .

Розгляд питання «Джерела та споживачі електричного струму» в ході обговорення питань:

1. Яку функцію в електричному колі виконують джерела струму?2. Види джерел електричного струму: гальванічні елементи і

акумулятори, електрофорна машина, турбогенератори електростанцій, фото- і термоелементи ( демонстрація на комп’ютері слайдів джерел електричного струму).

3. Які види енергії в даних джерелах перетворюються в електричну енергію?

4. Демонстрація: у склянку з водою опускаємо цинкову та мідну пластини й приєднуємо їх до гальванометра. Стрілка приладу залишається на нулі. У воду вичавлюємо сік лимона – стрілка відхиляється, з’являється електричний струм.

5. Коротка характеристика сфер споживання електричного струму ( демонстрація на комп’ютері слайдів застосування електричного струму).

ІV. Закріплення нового матеріалу.Розв’язування задач ( учні працюють в парах).1. Як визначити, не розриваючи кола, чи йде по провіднику струм?2. Який напрям електричного струму електронного променя в кінескопі телевізора: до екрана чи від нього?3. Сила струму в колі 1,5А. Який електричний заряд проходить через поперечний переріз спіралі плитки за 20хв.? ( Відповідь: 1800 Кл.)

3

4. Сила струму електронного променя кінескопа дорівнює 100 мкА. Скільки електронів кожної секунди потрапляє на екран кінескопа? ( Відповідь: 6,25∙10 )

V. Підсумок уроку.1. Що таке електричний струм?2. Які величини характеризують електричний струм?3. Назвіть умови для існування електричного струму.4. Обидва кінці провідника мають однаковий потенціал. Чи проходить

струм по цьому провіднику?5. Між кінцями провідника підтримується постійна різниця потенціалів.

Який струм проходить по провіднику?VI. Домашнє завдання:

1. К. Ф-11. §116.2. Зарядка автомобільного акумулятора тривала 5 год. Який заряд

пройшов по колу, якщо сила струму дорівнювала 10 А?

Урок 2Тема уроку: Електрорушійна силаМета уроку: ввести поняття електрорушійної сили; розглянути природу сил, діючих усередині джерела струму.Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.Обладнання: 1. Прилади для демонстрації механічної моделі електричного кола; 2. Таблиця «Джерела струму».Хід урокуІ. Актуалізація опорних знань учнів.Фронтальне опитування:1. Що таке електричний струм?2. Що таке сила струму?3. Які умови необхідні для існування електричного струму в провіднику?4. Який струм називають постійним електричним струмом?5. Наведіть приклади джерел електричного струму.ІІ. Викладення нового матеріалу1. Джерела струму. Для наявності струму в провіднику необхідно, щоб у ньому існувало електричне коло, яке характеризується різницею потенціалів на кінцях провідника. У цьому випадку вільні заряди, які є в ньому, беруть участь у напрямленому русі. Проте для тривалого існування струму треба підтримувати сталою різницю потенціалів на кінцях провідника. Це й роблять так звані джерела струму. Для того щоб струм був постійним , необхідно, щоб потенціали φ і φ не змінювалися з часом, не дивлячись на те , що кожної секунди певне число електронів йде з полюса 2 і стільки ж приходить на полюс 1. Очевидно,

4

усередині джерела повинні діяти сили, які б за секунду переносили всі електрони, що прийшли на полюс 1 , назад, на полюс 2. Ці сили повинні діяти проти сил електричного поля, створюваного зарядами полюсів. Звідси ясно, що природа цих сил повинна бути не електростатичною. Тому ці сили називають сторонніми. Роль електростатичної сили в електричному полі: напрямляти електричні заряди проти електростатичних сил, відділяти негативні заряди від позитивних. Сторонні сили своєю роботою замикають коло й забезпечують постійність струму. Ці сили в різних джерелах струму мають однакове походження. Наприклад, у гальванічних елементах це сили, що виникають у результаті хімічних процесів; в електрофорній машині – це сили пружності м'язів руки, що обертає диск машини.2. Аналогія між електричним струмом і струменем рідини. На будь-якій ділянці горизонтальної труби рідина тече за рахунок різниці тисків на кінцях ділянки. Вона переміщується в бік зменшення тиску. Течія рідини супроводиться втратами енергії внаслідок дії сил тертя. Для циркуляції води потрібний насос. Завдяки постійній різниці тисків на вході й виході насоса рідина тече по трубі. Насос і є аналогом джерела струму, а роль сторонніх сил відіграє сила, що діє на воду зі сторони рухомого поршня. Різниця тисків на кінцях труби аналогічна різниці потенціалів на кінцях провідника.3. ЕРС та її фізичний зміст. Кожне джерело струму характеризується роботою діючих у ньому сторонніх сил із переміщення одиниці позитивного заряду, тобто певною електрорушійною силою (ЕРС). ЕРС в замкнутому колі називають фізичну величину, яка чисельно дорівнює роботі сторонніх сил із переміщення одиничного позитивного заряду по всьому замкнутому колу:

E = .

У системі СІ = = 1 В. Будь-яке джерело струму по суті є перетворювачем енергії: в ньому один вид енергії перетворюється на електричний. З цієї точки зору сторонні сили й здійснюють роботу із розділення зарядів. Якщо ці заряди перебувають у спокої ( у випадку розімкнутого джерела), то вони мають найбільший запас потенціальної енергії , різниця потенціалів на полюсах джерела максимальна й дорівнює його ЕРС.ІІІ. Розв'язування задач ( учні працюють в парах ):1. До батареї підключена лампочка. Чи є правильним твердження: усередині батареї струм рухається від її позитивного полюса до негативного?2. У замкнутому колі сторонні сили здійснили роботу 5 Дж. Яку роботу здійснили за цей же час кулонівські сили?3. Під час живлення лампочки від елемента з ЕРС 1,5 В сила струму кола дорівнює 0,2 А. Знайдіть роботу сторонніх сил в елементі за 1 хв. ( Відповідь: 18 Дж. )

5

ІV. Підсумок уроку.Запитання до учнів:1. Чи може тривалий час існувати електричний струм у колі, якщо на рухомі носії струму діють тільки кулонівські сили?2. Чому електричне поле заряджених частинок не здатне підтримувати постійний електричний струм у колі?V. Домашнє завдання:1. К.§ 18; запитання для контролю 1-5 ( ст. 52-54);2. Повторити: 1)Що називають електричною напругою?

2)Яка природа електричного опору? 3)Який зв'язок між величинами, що характеризують електричний струм, встановлює закон Ома для ділянки кола?

Урок 3Тема уроку: Закон Ома для повного кола.Мета уроку: узагальнити закон Ома для ділянки кола, яка містить ЕРС. Роз'яснити учням зміст закону Ома для повного кола.Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.Обладнання: схема для демонстрації закону Ома для повного кола.Хід урокуІ. Актуалізація опорних знаньФізичний диктант:1. Які сили прийнято називати сторонніми?2. Що називають електрорушійною силою?3. Що означає напис на батарейці « 1,5 В»?4. Чи може існувати постійний струм в замкнутому колі, якщо в ньому не діють сторонні сили, тобто нема ЕРС?5. З яких ділянок складається найпростіше замкнуте електричне коло?6. Наведіть приклади джерел електричного струму.7. Що називають електричною напругою?8. Яка природа електричного опору?9. Який зв'язок між величинами, що характеризують електричний струм, встановлює закон Ома для ділянки кола?ІІ. Викладення нового матеріалу1. Вступне слово вчителя: тепер ми знаємо, що ЕРС визначає силу струму в замкнутому електричному колі з відомим опором. За допомогою закону збереження енергії знайдемо залежність сили струму від ЕРС та опору.

6

2. Закон Ома для повного кола. Розглянемо найпростіше повне коло, що складається з джерела струму і резистора опором R. Джерело струму має ЕРС E і внутрішній опір r.

У генераторі r – це опір обмоток, а в гальванічному елементі – опір розчину електроліту й електродів. Нехай за час t через поперечний переріз провідника пройде заряд q = Іt. Тоді робота сторонніх сил з переміщення заряду q дорівнює А = q Е = ЕІt. За рахунок цієї роботи на зовнішньому і внутрішньому опорах виділяється кількість теплоти Q = І ( R + r ) t. Згідно із законом збереження енергії А = Q або Е І t = І ( R + r ) t, звідси

Е = І R + І r.

Таким чином, ЕРС дорівнює сумі спадів напруг на зовнішньому і внутрішньому опорах замкнутого кола. Звідси випливає співвідношення:

І = . Це співвідношення виражає закон Ома для повного (замкнутого ) кола: Сила струму в замкнутому колі прямо пропорційна ЕРС джерела і обернено пропорційна сумі зовнішнього і внутрішнього опорів.

3. Вимірювання ЕРС джерела. Зі збільшенням опору зовнішнього кола R сила струму згідно із законом Ома зменшується. Напруга ж на зовнішньому колі U = Е – І r зростає. Якщо R >> r, то внутрішнім опором джерела можна знехтувати і сила струму в колі І ≈ . Але тоді напруга на зовнішньому колі U (або на затискачах джерела) приблизно дорівнює ЕРС: U = І R ≈ Е. Якщо R = ∞, тобто зовнішнє коло розірване, то І = 0, спад напруги всередині джерела відсутній, а напруга на затискачах джерела дорівнює його ЕРС. На цьому ґрунтується наближене вимірювання ЕРС джерела. Вольтметр приєднують до полюсів джерела при розімкнутому зовнішньому колі. При цьому вольтметр показує спад напруги ІR на самому собі. А оскільки опір вольтметра звичайно дуже великий, то при цьому R>> r і U = ІR ≈ Е. Чим більший опір вольтметра порівняно з внутрішнім опором джерела струму, тим точніше значення ЕРС.

r

I

R

7

4. Коротке замикання. Зі зменшенням опору зовнішнього кола R сила струму І збільшується , а спад напруги на зовнішньому колі зменшується. Внаслідок короткого замикання ,коли всі прилади вимкнуті і полюси джерела з'єднані провідником, опір якого мізерно малий порівняно з внутрішнім опором самого джерела ( R << r ), сила струму в колі досягає максимального значення І = . Таким чином, сила струму під час короткого замикання визначається не тільки ЕРС джерела, а й його внутрішнім опором. Для джерел з порівняно великим внутрішнім опором (наприклад, гальванічні елементи) сила струму короткого замикання невелика, і тому він не такий вже й небезпечний для них. У випадках джерел, де порівняно малий внутрішній опір ( наприклад, у свинцевих акумуляторах r ≈ 0,1 – 0,001 Ом ), сила струму може досягти дуже великих значень. Провідники можуть розплавитись, а саме джерело вийти з ладу. Особливо небезпечні короткі замикання в освітлювальних мережах, які живляться від трансформаторних підстанцій, ЕРС яких вимірюється сотнями вольтів. Сила струму короткого замикання в них може досягати кількох тисяч амперів.5. Якщо коло містить декілька послідовно ввімкнених елементів із ЕРС Е , Е , Е і т. д., то повна ЕРС кола дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС окремих елементів. Загальний опір кола дорівнює сумі всіх опорів: R = R + r + r + r.

У разі паралельного з'єднання елементів із однаковою ЕРС електрорушійна сила батареї дорівнює ЕРС одного елемента.

ІІІ. Закріплення нового матеріалуЗапитання до учнів:1. Чому дорівнює напруга на клемах гальванічного елемента з ЕРС, що дорівнює Е, якщо коло розімкнуте? ( U = Е ).2. ЕРС батареї кишенькового ліхтарика дорівнює 4,5 В. Чому ж у цьому ліхтарику використовують лампочку, розраховану на напругу 3,5 В? ( U = Е – Іr ).3. Від чого залежить знак ЕРС в законі Ома для замкнутого кола? ( Якщо в повному колі є кілька джерел струму, то знак їх ЕРС залежить від вибору позитивного обходу. Якщо при обході кола переходять від негативного полюса джерела до позитивного, то ЕРС Е > 0. )Розв'язування задач:1. ЕРС джерела 2,17 В, внутрішній опір 1 Ом. До джерела послідовно підключили резистор опором 2 Ом і амперметр. Яку силу струму покаже амперметр, якщо його опір 0,1 Ом? ( Розв'язання: І = = = 0,7 А ).2. Гальванічний елемент з ЕРС Е= 5 В і внутрішнім опором r = 0,2 Ом замкнуто на провідник опором R = 40 Ом. Чому дорівнює напруга U на цьому провіднику?

8

( Розв'язання: за законом Ома, для відрізка кола U = І R. Сила струму в замкнутому колі І = . Звідси U = ≈ 4,97 В. )

ІV. Підсумок урокуФронтальна бесіда:1. Зв'язок яких величин відображає закон Ома для ділянки кола?2. Яка природа внутрішнього опору джерела?3. Як можна виміряти ЕРС джерела? Від чого залежить точність такого вимірювання?4. Для чого джерела струму з’єднують послідовно?5. Для чого джерела струму з’єднують паралельно?6. Що таке струм короткого замикання?7. Як розрахувати струм короткого замикання?8. Чому дорівнює напруга на полюсах джерела струму при розімкнутому колі?

V. Домашнє завдання: 1.К. §19; Вправа 12 ( 1-3 ); запитання для контролю №1-6 ( ст.. 54-56 )2. Задача: ЕРС батареї акумуляторів дорівнює 6 В, а внутрішній опір батареї 0,25 Ом. Знайдіть силу струму короткого замикання.

Урок 5Тема уроку: Електричні кола. Послідовне і паралельне з'єднання провідників.

9

Мета уроку: закріпити й поглибити знання учнів під час розрахунків найпростіших електричних кіл.Тип уроку: комбінований урок.Обладнання: 1. Роздатковий матеріал для самостійної роботи. 2.Таблиці: «Послідовне з'єднання провідників», «Паралельне з'єднання провідників».

Хід урокуІ. Організаційний етапОголошення плану та завдань уроку.ІІ. Самостійна роботаВ-ІПочатковий рівень1. Чи є блискавка електричним струмом?2. Записати закон Ома для ділянки кола.Середній рівень1. Опір алюмінієвого проводу завдовжки у 0,9 км і перерізом 10 мм² дорівнює 2,5 Ом. Визначте його питомий опір. (Відповідь: 0,028 Ом∙мм²/м.)2. Чому дорівнює напруга в ділянці кола, в якій здійснюється робота 800 Дж у разі проходження по ділянці 50 Кл електрики? (Відповідь: 16 В.)Достатній рівень1. Уразі перенесення 240 Кл електрики з однієї точки електричного кола в іншу за 16 хв здійснюється робота 1200 Дж. Визначте напругу й силу струму в колі.(Відповідь: 5В; 0,25 А .)2. Визначте питомий опір провідника, якщо його довжина 1,2 м, площа поперечного перерізу 0,4 мм², а опір 1,2 Ом. (Відповідь: 0,4 Ом∙мм²/м.)Високий рівень1. Визначте число електронів, що проходять за 1 с через переріз металевого провідника за сили струму в ньому, яка дорівнює 0,8 мкА. (Відповідь: 5∙10 .)2. Сила струму в провіднику 500 мА. Наскільки великою є напруга, підведена до провідника, якщо він споживає 1,2 кДж за 2 хв? (Відповідь: 20 В.) В-ІІПочатковий рівень1. Чому висока напруга небезпечна для життя?2. Записати формулу, що виражає залежність електричного опору провідника від його геометричних розмірів та матеріалу.Середній рівень1. Опір срібного дроту довжиною 150 см і перерізом 0,1 мм² дорівнює 0, 24 Ом. Визначте його питомий опір. (Відповідь: 0,016 Ом∙мм²/м.)2. Яка кількість електрики проходить по ділянці кола, в якій здійснюється робота 1000 Дж при напрузі 25 В? (Відповідь: 40 Кл.)Достатній рівень1. Напруга на кінцях провідника 5 В. Якою є сила струму в провіднику, якщо за 40 с здійснюється робота 500 Дж? (Відповідь: 2,5 А.)

10

2. Константа новий дріт завдовжки у 3 м і перерізом 0,25 мм² має опір 6 Ом. Чому дорівнює питомий опір константана? (Відповідь: 0,5 Ом∙мм²/м.)Високий рівень1. Через поперечний переріз провідника за 1 с проходить 6∙10 електронів. Якою є сила струму в провіднику? (Відповідь: 9,6 А.)2. Потрібно виготовити провід завдовжки у 100 м і опором 1 Ом. У якому випадку провід вийде легшим: якщо його зробити з алюмінію чи міді? У скільки разів? (Відповідь: з алюмінію, у 2 рази.)ІІІ. Вивчення нового матеріалуПояснення матеріалу здійснюється з допомогою таблиць.1. Послідовне з'єднання провідників. У разі послідовного з'єднання електричне коло не має розгалужень. Усі провідники вмикають у коло по черзі один за одним. Сила струму у всіх провідниках однакова, оскільки електричний заряд у них не нагромаджується й через будь-який поперечний переріз провідника за певний час проходить один і той же заряд, тобто І =І=…=І. Напруга на кінцях даної ділянки кола складається з напруг у кожному провіднику: U=U + U +…+U . Застосовуючи закон Ома для ділянки кола, можна довести, що R=R + R +…+R .2. Паралельне з'єднання провідників. Оскільки в точці розгалуження електричний заряд не накопичується, то заряд, який надходить за одиницю часу до вузла, дорівнює заряду, що йде з вузла за цей же час. Отже: І = І + І +…+І . Напруга на кінцях провідників, з'єднаних паралельно, одна й та сама: U = U = U. Застосовуючи закон Ома для ділянки кола, можна довести, що

= + +…+ .

Вчитель пропонує учням в зошитах скласти таблицю для двох провідників, з'єднаних один раз послідовно, другий – паралельно:

З'єднанняпослідовне паралельне

U=U + U , = U =U =U

І =І =І І = І = І , =

R = R + R = +

IV. Закріплення матеріалу1. Колективний розбір питань

11

1. Три провідники, опори яких R, 2R і 3R, увімкнули в коло послідовно. Чи однакової сили струми пройдуть по цих провідниках? Чи однакова напруга в кожному з них?2. Три провідники, опори яких R, 2R, і 3R, увімкнули в коло паралельно. Чи однакова напруга в кожному з них? Чи однакової сили струм пройде по цих провідниках?3. Чому лампи в квартирі з'єднують паралельно, а лампочки в ялинковій гірлянді послідовно?4. Ялинкова гірлянда спаяна з лампочок для кишенькового ліхтарика. У разі ввімкнення цієї гірлянди в мережу на кожну лампочку припадає напруга 3 В. Чому ж небезпечно, викрутивши одну з лампочок, совати в патрон палець?2. Розв'язування задач ( учні працюють індивідуально та в парах).1. ДО джерела сталої напруги 48 В підключили три резистори, з'єднані послідовно. Сила струму, який проходить через перший резистор, дорівнює 1 А, опір другого становить 12 Ом, а напруга на третьому дорівнює 18 В. Якими є опори першого й третього резисторів? (Відповідь: 18 Ом; 18 Ом. )2. На скільки рівних частин розділили провідник опором 16 Ом, якщо після з'єднання всіх частин паралельно під напругою 2 В сила струму в усьому колі становила 2 А? (Відповідь: на 4 частини.)3. П'ять резисторів з'єднані так, як показано на рисунку. Визначте загальний опір кола, якщо R = 1 Ом, R = 1 Ом, R = 10 Ом, R = 8 Ом, R = 1 Ом. (Відповідь: 6 Ом.)

ІІІ. Підсумок уроку.Підсумок уроку проводиться з використанням таблиць.ІV. Домашнє завдання: Г: §60;1) Вправа 20 (1);2) Які опори можна здобути за допомогою двох резисторів, опори яких 2 і 3 кОм?3) Автомобільну лампу, розраховану на напругу 12 В і силу струму 8 А, потрібно ввімкнути в мережу з напругою 172 В. Який додатковий опір і як потрібно підключити до лампи?

Урок 6Тема уроку: Розв’язування задач

R R

R R

R

12

Мета уроку: закріпити знання учнів про різні з'єднання провідників і сформувати їх уміння розраховувати параметри комбінованих кіл.Тип уроку: комбінований урок.Обладнання: таблиці: «Послідовне з'єднання провідників», «Паралельне з'єднання провідників»; дидактичні картки.

Хід урокуІ. Актуалізація опорних знань учнів1. Перевірка домашнього завдання: три учні виконують з коментарієм на дошці домашні задачі.2. Фізичний диктант

1. Записати формулу для розрахунку опору провідника, отриману із закону Ома.2. Чому ця формула не має фізичного змісту?3. Необхідно вдвічі збільшити силу струму в колі. Як це можна зробити?4. Як обчислити силу струму, напругу та опір в колі, що містить два

провідники з'єднані: а) послідовно; б) паралельно.5. Як зміниться опір кола, якщо опір одного з резисторів з'єднаних

послідовно збільшиться?6. Як зміниться опір електричного кола, якщо підключити до будь-якої

ділянки кола ще один резистор паралельно?7. Шматок дроту розрізали на дві частини й скрутили по всій довжині

разом. Як змінився опір дроту?8. Чому паралельне з'єднання провідників – найпоширеніше з'єднання на

практиці?ІІ. Розв'язування розрахункових задачУчні працюють у 3-х групах по 4-5 чоловік. Кожній групі даються рівневі задачі на картках:І група.1. На рис. зображено схему з'єднання провідників. Знайдіть опір кола, якщо R =R =R = 2 Ом. ( Відповідь: Ом. )

2. На скільки рівних частин треба поділити однорідний провідник з опором R = 36 Ом, щоб опір його частин, з'єднаних паралельно, був R = 1 Ом? ( Відповідь: п = 6. )

3. Визначте опір ділянки АВ, зображеної на рисунку, якщо R= 1 Ом. ( Відповідь: 1,5 Ом.)

R R

R

13

ІІ група.1. Визначити опір кола, зображеного на малюнку, якщо R = R = R = R = 4 Ом. ( Відповідь: 4 Ом. )

2. Як отримати опір 25 Ом, використовуючи мінімальну кількість однакових резисторів опором по 10 Ом? Намалюйте схему відповідного з'єднання.3. Обчисліть опір кола, поданого на рисунку, якщо опір кожного резистора 1 Ом.( Відповідь: Ом. )

ІІІ група.1. Визначити опір кола, зображеного на малюнку, якщо R = R = R = 2 Ом.( Відповідь: 3 Ом.)

2. Як отримати опір 14 Ом, використовуючи мінімальну кількість однакових резисторів опором по 6 Ом? Намалюйте схему відповідного з'єднання.

R R

2R

B

R

R R

R

R R

R

R

R

14

R R

3RA

R

R

R

3. Визначити опір електричного кола, зображеного на малюнку, якщо R = R=R = 6 Ом. ( Відповідь: 2 Ом )

ІІІ. Підсумок уроку.ІV. Домашнє завдання:

1. Г. §60; Повторити К. §18,19.2. Задачі:

1)Які опори можна отримати за допомогою трьох резисторів по 12 кОм?; 2) Визначити опір кола, якщо R =R =R =R =3 Ом, R = 20 Ом, R = 24Ом.

Урок 7Тема уроку: Робота та потужність електричного струму. Мета уроку: з'ясувати характер залежності між енергією, що виділяється в ділянці кола, електричним струмом і опором цієї ділянки кола; розглянути формули розрахунку роботи і потужності постійного струму, та їх застосування при розв'язуванні задач.Тип уроку: комбінований урок.Обладнання: 1. Електричний вентилятор, електроплитка. 2. Таблиця «Робота і потужність струму.» 3. Набір приладів для вимірювання потужності в електричному колі за допомогою амперметра й вольтметра.

Хід урокуІ. Організаційний етап.ІІ. Актуалізація опорних знань. Самостійна робота. (7 – 10 хв. )Перевірка знань з теми «Закон Ома для повного кола»:І варіант

R

R R

R R

RR

15

R R

1 п. Як називається фізична величина, що характеризує роботу сторонніх сил із розділення заряду 1 Кл усередині джерела струму? Виберіть правильну відповідь.А. Напруга.Б. Сила струму. В. Електрорушійна сила.2 с. До джерела з ЕРС 12 В і внутрішнім опором 1 Ом підключений реостат, опір якого 5 Ом. Знайдіть силу струму в колі й напругу на затискачах джерела. (Відповідь: 2 А; 10 В.)3 д. Джерело струму з ЕРС 2 В і внутрішнім опором 0,8 Ом замкнуто нікеліновим дротом завдовжки у 2,1 м і перерізом 0,21 мм . Визначте напругу на затискачах джерела струму. (Відповідь: 1,68 В.)4 в. При опорі споживача 4 Ом у колі проходить струм 0,2 А, а при 7 Ом – 0,14 А. Визначте ЕРС джерела. (Відповідь: 1,4 В.)ІІ варіант1 п. Яка фізична величина називається відношенням ЕРС у колі до повного опору цього кола? Виберіть правильну відповідь.А. Напруга.Б. Робота електричного струму.В. Сила струму.2 с. ЕРС батареї 6 В. Зовнішній опір кола дорівнює 11,5 Ом, а внутрішній – 0,5 Ом. Знайдіть силу струму в колі й напругу на затискачах батареї. ( Відповідь: 0,5 А; %,75 В.)3 д. Напруга на затискачах генератора 36 В, а опір зовнішнього кола в 9 разів більший від внутрішнього опору. Якою є ЕРС генератора? (Відповідь: 40 В.)4 в. Яку мінімальну кількість джерел струму необхідно з'єднати послідовно, щоб отримати напругу 30 В при силі струму 1 А, якщо ЕРС джерела Е = 1,5 В, а його внутрішній опір r = 0,5 Ом. (Відповідь: 30.)

ІІІ. Викладення нового матеріалу.1. Вступне слово вчителя. Електричний струм набув такого широкого застосування тому, що він несе з собою енергію. Ця енергія може бути перетворена в будь-яку форму.Запитання: які дії струму ви знаєте?Демонстрація: Дія вентилятора та електроплитки. При впорядкованому русі заряджених частинок у провіднику електричне поле виконує роботу. Нагадаємо відомості про роботу і потужність струму з курсу фізики 9 – го класу.2. Робота струму. Розглянемо довільну ділянку кола, наприклад, нитку лампи розжарювання. Нехай за час ∆t крізь поперечний переріз провідника проходить заряд ∆q. Тоді електричне поле виконує роботу А = ∆qU. Оскільки сила струму І = ∆q∕∆t, то ця робота дорівнює: А = ІU∆t. = 1 А ∙ 1 В ∙ 1 с = 1 Дж .

16

Запитання: як на практиці можна визначити роботу електричного струму в колі? Які для цього потрібні прилади? Згідно із законом збереження енергії ця робота повинна дорівнювати зміні енергії (наприклад, механічної або внутрішньої) даної ділянки кола. Тому енергія, що виділяється в даній ділянці кола за час ∆t, дорівнює роботі струму. У випадку, якщо в ділянці кола не здійснюється механічна робота й струм не робить хімічних дій, відбувається тільки нагрівання провідника. Нагрітий провідник віддає теплоту навколишнім тілам.3. Закон Джоуля – Ленца. Вчитель дає історичну довідку. Кількість теплоти, що виділяється провідником зі струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму на опір провідника й час проходження струму по провіднику: Q = І²Rt .

Якщо в даній ділянці відсутні сторонні сили, то в ній вся енергі перетворюється тільки на теплову. Отже, А = Q і ІR = U . Тоді

А = Q = І²Rt = ІUt = .

Якщо вділянці кола є сторонні сили, то ІR ≠ U і А > Q .4. Потужність струму. Будь-який електричний прилад ( лампочка, електродвигун) розрахований на використання певної енергії за одиницю часу. Тому поряд з роботою струму важливе значення має поняття потужності струму. Потужність струму дорівнює відношенню роботи струму за час ∆t до цього інтервалу часу: Р = = ІU . = 1 А ∙ 1 В = 1 Вт . Якщо використати закон Ома для ділянки кола, то можна записати:

Р = ІU = І R = .

На більшості приладів зазначено потужність, яку вони споживають.Запитання: 1. Якими приладами й як можна виміряти потужність електричного струму в якій-небудь ділянці? ( Демонстрація вимірювання потужності струму в електричній лампі . ) 2. Які ви знаєте одиниці потужності й роботи, що використовуються в електриці? ( Демонстрація таблиці «Потужність різних електричних пристроїв». )ІV. Розв'язування задач на закріплення ( переважно колективна форма роботи).1. Збільшиться чи зменшиться споживана ялинковою гірляндою потужність, якщо зменшити кількість лампочок на одну?2. Мідний і алюмінієвий проводи однакових розмірів ввімкнені паралельно. У якому з них виділяється більша кількість теплоти за один і той же час? У скільки разів?

17

3. На двох електричних лампочках написано «220 В, 60 Вт» і «220 В, 40 Вт». У якій із них буде менша потужність струму, якщо обидві лампи ввімкнуті послідовно? (Відповідь: з формули Р = І²R випливає, що менша потужність струму в разі послідовного ввімкнення буде в тій лампі, в якій опір менший, тобто розрахований на потужність 60 Вт .)4. Якими є ЕРС і внутрішній опір джерела, якщо за сили струму 6 А потужність у зовнішньому колі дорівнює 90 Вт, а за сили струму 2 А ця

потужність знижується до 60 Вт? (Розв'язання: U = = 15 В, U = =30 В,

Е = U + І r , Е = U + І r r = = 3,75 Ом . Е = U + І r = 37,5 В . ) V. Підсумок уроку. Проводиться за таблицею «Робота і потужність струму»; оцінюється робота учнів під час розв’язування задач.VІ. Домашнє завдання: 1. К. §17; Повторити Г.§ 60-62;2. Р: №794-796;3. Підготувати повідомлення на тему: «Дії електричного струму на організм людини»

Урок 8Тема уроку: Міри та засоби безпеки під час роботи з електричними пристроями. Розв’язування задач. Мета уроку: ознайомити учнів з основними процесами дії електричного струму на організм людини; з питаннями мір та засобів безпеки під час роботи з електричними пристроями; формувати в учнів вміння розв’язувати задачі із теми «Закони постійного струму».Тип уроку: урок закріплення знань.Обладнання: 1.Компютер. 2.таблтця «Закони постійного струму». 3.роздатковий матеріал (тести). 4. прилади для складання комбінованих електричних кіл.

Хід урокуІ. Організаційний етап.ІІ. Актуалізація опорних знань. Фізичний диктант:

1. Закон Ома для ділянки кола має вигляд…

18

2. Електричний опір провідника визначають за формулою…3. При послідовному з’єднанні сталою є фізична величина…4. Загальний опір при послідовному з’єднанні дорівнює…5. Амперметр в коло вмикають…6. Напругу вимірюють…7. Вольтметр вмикають у коло…8. Потужність електричного струму можна обчислити за формулою…9. Закон Ома для повного кола має вигляд…10.Літерою r позначають…11.Для збільшення межі вимірювань вольтметра до нього під’єднують …12.Амперметр для цього…13.Якщо коло містить декілька послідовно ввімкнених елементів із ЕРС,

то повна ЕРС дорівнює…14.При послідовному з’єднанні джерел струму їх загальний опір

дорівнює…Після виконання диктанту учні перевіряють роботу за відповідями записаними на дошці і самостійно виставляють бали.Відповіді: 1) І = . 2) R = . 3) сила струму. 4) R = R + R + … + R .

5) послідовно. 6) вольтметром. 7) паралельно. 8) Р = = ІU = I R = .

9) І = . 10) внутрішній опір. 11) додатковий опір. 12) шунтують. 13) алгебраїчній сумі ЕРС окремих елементів. 14) r = R + r + r + … + .

ІІІ. Вивчення нового матеріалу1. Вступне слово вчителя. Повсякденне життя людини тісно пов’язане з використанням електричних установок і приладів. Тіло людини є добрим провідником електричного струму, який може спричинити біологічну дію, небезпечну для життя людини. Дія електричного струму на живу тканину має своєрідний і різнобічний характер. Механізм ураження людини електричним струмом складний і супроводжується термічним, електролітичним та біологічним впливами і залежить від основних параметрів струму: сили струму, напруги, роду струму ( постійний чи змінний ), частоти. Навіть за порівняно незначної напруги людина може зазнати важких ушкоджень організму, якщо вона знаходиться, наприклад, у вологому приміщенні, на вологій землі, торкнулася оголених проводів обома руками тощо.2. Виступи учнів із повідомленнями про дії струму на організм людини:1-й учень. Найпоширенішою є термічна дія струму. У цьому разі жива тканина і весь організм людини розглядаються як звичайний провідник електричного струму з певним опором. Опір тіла людини змінюється в широких межах: від 1 до 100 кОм. Це залежить психологічного та фізичного станів людини, поверхні шкіряного покриву, що контактує з електропровідником. Наприклад, опір людини з вологою шкірою і людини, що інтенсивно пітніє, значно менший. Відомо, що кількість теплоти, яка виділяється провідником ( живою тканиною) під час проходження

19

електричного струму, визначається законом Джоуля-Ленца: Q=I²Rt і залежить, в основному, від значення сили струму. Таким чином, термічний вплив струму на організм людини характеризується нагріванням тканини тіла, кровоносних судин, нервів , серця та інших органів, через які проходить струм. Найпоширеніші електротравми, які трапляються у 60-65% потерпілих від ураження електричним струмом – це електричний опік та електричні знаки на шкірі в місцях її щільного контакту зі струмопровідником. Дуже важливим є шлях проходження струму крізь тіло людини. Якщо струм проходить через невеликі ділянки тіла, наприклад, однієї руки, електричний опік виникає лише на цій ділянці. Але якщо струм проходить майже через усе тіло, наприклад, між двома руками і ногами, під термічний опік потрапляють життєво важливі органи. Найнебезпечніший шлях струму скрізь тіло людини – вздовж осі тіла. За великої сили струму, що проходить крізь тіло, людина майже вся згорає. Від значення сили струму, що проходить крізь тіло людини, залежить і електролітична дія, в результаті якої розкладається кров та інші рідини в організмі.2-й учень. Крім зазначення сили струму, на організм людини впливає і значення напруги. Особливо цей вплив відчутний для змінного струму. Це пов'язано з біологічною дією електричного струму. Змінний струм викликає скорочення м'язів, що виявляється у порушенні біологічних процесів в організмі. Це супроводжується подразненням нервових та інших тканин, аж до повного припинення діяльності органів дихання і кровообігу. За низької напруги (30-40 В), коли амплітуда коливань струму невелика, амплітуда скорочення м'язів відповідно мала. Це викликає в людині лише неприємні та больові відчуття. За високої напруги велика амплітуда скорочення м'язів може призвести до шокового стану людини, порушення роботи серця, паралічу дихання. Звичайно, значення напруги менш впливає на ураження людини постійним струмом. Однак, за високої напруги (в момент доторкання до струмопровідних частин) виникає скорочення м'язів з відповідними наслідками. Найнебезпечнішим видом електротравми є електричний удар. Він супроводжується ураженням організму, при якому спостерігається параліч м'язів опорно-рухового апарату, м'язів грудної клітки (дихальних), м'язів шлуночків серця. У цьому разі через 5-6 хвилин гинуть клітини центральної нервової системи, від чого наступає «клінічна (уявна) смерть». Якщо в цей час зробити штучне дихання і масаж серця, людину можна врятувати.3-й учень. Від значення напруги й опору тіла людини, згідно із законом Ома, залежить сила струму. Наприклад, за напруги 30 В і мінімального опору тіла 1 кОм сила струму, що про ходить крізь тіло, буде: I=U/R=300 В / 1000 Ом = 0,03 А = 30 мА. За напруги, наприклад, 220 В сила струму становить уже 220 мА. Людина не відчуває струму, замикаючи рукою електроди звичайної батарейки на 3 В. Але якщо торкається цих електродів вологим язиком, струм за такої напруги відчувається. Акумуляторна автомобільна батарея з напругою 12 В

20

забезпечує під час запуску автомобіля стум у кілька десятків і сотень амперів. Але замикання її електродів сухими руками для людини безпечне. Струм, який виникає за напруги побутової мережі 220 В, небезпечний навіть при великому опорі тіла людини. Тобто, сила струму, яка проходить крізь тіло, є головним чинником, що зумовлює ступінь ураження людини. Встановлені такі порогові значення сили струму:а) поріг відчуття струму - найменша відчутна сила струму, яка складає для змінного струму 0,5-1,5 мА, для постійного струму 5-7 мА;б) поріг невідпускаючого струму – найменша сила струму, за якої людина вже не може керувати м'язами, крізь які проходить струм, і самостійно звільнитися від захоплених руками предметів (10-15 мА змінного і 50-80 мА постійного струму);в) порогів фібриляцій ний струм, за якого виникають хаотично швидкі та різночасові скорочення серцевого м'яза, серце перестає працювати, настає клінічна смерть (100мА-5А змінного і зо ома-5А постійного струму).3. Виступ вчителя Для запобігання ураження електричним струмом треба дотримуватися певних правил:

1. Не користуватися несправними приладами і обладнанням.2. Не використовувати електричні прилади ( праски, фени, плойки,

обігрівачі) у ванних кімнатах чи вологих приміщеннях.3. Не перебувати тривалий час під лініями електропередач.4. Під час експериментів з електричними схемами, використовувати

джерела струму ЕРС не вище 36 В.5. При виконанні лабораторних робіт вмикати електричне коло установки

лише після перевірки і дозволу вчителя.6. Не торкатися оголених частин електричних установок.7. Якщо товариш отримав ураження електричним струмом, у першу чергу

необхідно, дотримуватись правил безпеки, відєднати джерело струму, викликати лікаря і за можливості надати першу допомогу.

Розповідь вчителя супроводжується демонстрацією слайдів по електробезпеці.

ІV. Розв’язування задачУчні працюють в 3-х групах, виконуючи тестові завдання:Завдання І групи. На рис. 1 наведено схему електричного кола. Відзначте, які з наведених нижче тверджень правильні, а які – неправильні.А. При розімкнутому ключі опір зовнішнього кола дорівнює нулю.Б. При замкнутому ключі вольтметр показує 6 В.В. При замкнутому ключі амперметр показує більше 4 А.Г. При короткому замиканні джерела сила струму через джерело більша за 12 А.Завдання ІІ групи. На рис. 2 зображено схему електричного кола. Відзначте, які з наведених тверджень правильні, а які – неправильні.

21

А. При короткому замиканні сила струму через джерело менша за 8 А.Б. При замкнутому ключі показання амперметра дорівнює 4 А.В. При замкнутому ключі показання вольтметра менше за 12 В.Г. При замкнутому ключі вольтметр показує напругу на джерелі Е = 12 В.Завдання ІІІ групи. На рис. 3 зображено схему електричного кола. У зовнішньому колі виділяється одна й та сама потужність, як при замкнутому ключі, так і при розімкнутому. Відзначте, які з наведених нижче тверджень правильні, а які – неправильні.А. Внутрішній опір джерела менший за 30 Ом.Б. У зовнішньому колі виділяється потужність, більша за 100 Вт.В. При розімкнутому ключі в джерелі виділяється більша потужність, ніж у зовнішньому колі.Г. Сила струму в колі одна й та сама – як при замкнутому ключі, так і при розімкнутому.

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3Правильні відповіді учні обґрунтовують за схемами, зображеними на дошці.ІV. Підсумок урокуПовторення правил безпеки при роботі з електроприладами.Оцінювання роботи учнів у групах.ІV. Домашнє завдання:1. Г. Висновки до Розділу 4. 2. Розв’язати задачі:1. До нагрівача, що споживає струм 5 А від мережі з напругою 220 В, послідовно ввімкнено резистор опором 8 Ом. Знайдіть потужність, споживану нагрівачем.( Відповідь: 900 Вт. )

V

A

3 Ом 2 Ом

r = 1 Ом

=18В

V

A

3 Ом

6 Ом

=12В

r = 1 Ом

20 Ом

20 Ом

=40В

22

2. Довжину спіралі резистора збільшили на 0,5 її початкової довжини. У скільки раз при цьому збільшилась потужність струму , споживана резистором? (Відповідь: . )3. До джерела струму з ЕРС 4,5 В і внутрішнім опором 1,5 Ом приєднане коло, зображене на малюнку. Чому рівні покази амперметра і вольтметра, якщо R =R = 10 Ом, R = 2,5 Ом? (Відповідь: І = 0,5 А; U = 1,25 В .)

Урок 9Тема уроку: Електричний струм у металах та його застосування. Мета уроку: ознайомити учнів із природою електричного струму в металах; розглянути: залежність опору провідника від температури, явище надпровідності, застосування електричного струму в техніці та промисловості.Тип уроку: урок засвоєння нових знань.Обладнання: 1.Компютер. 2. Відеофрагмент фільму «Електричний струм у металах».

Хід урокуІ. Організаційний етап.Оголошення теми та завдань уроку.ІІ. Актуалізація опорних знань.1. Назвіть речовини, що є провідниками електричного струму.2. Які потрібні умови для існування електричного струму в провідниках?3. Що називають електричним струмом ?4. Які заряджені частинки в речовинах ви знаєте?ІІІ. Вивчення нового матеріалу.

У металах носіями електричного струму є вільні електрони. Їх концентрація приблизно дорівнює концентрації атомів (n   10 28 м - 3), оскільки кожний атом одновалентного металу вже при кімнатній температурі віддає один електрон провідності. Ці електрони між собою не взаємодіють, а отже, ведуть себе подібно до атомів одноатомного ідеального газу.

Якщо немає зовнішнього електричного поля, електрони провідності здійснюють хаотичний тепловий рух із середньою квадратичною швидкістю, що залежить від температури металу. Якщо до металу прикладено зовнішнє

r

VAR

R

23

R

електричне поле, електрони провідності починають рухатися впорядковано (здійснюють дрейф) із середньою швидкістю , тобто в металевому провіднику виникає електричний струм.

Сила струму в провіднику: I = = = =enS .

де e - модуль заряду електрона, n – концентрація вільних електронів у металі, S – площа поперечного перерізу провідника.

Сила струму пропорційна середній швидкості дрейфування електронів.Підраховано середню швидкість напрямленого руху електронів у мідному провіднику ( концентрація 9∙10 м ) площею поперечного перерізу 1 мм за сили струму 10 А: = 7∙10 ( ).

Швидкість упорядкованого руху електронів під дією поля набагато менша від середньоквадратичної швидкості їх хаотичного теплового руху і для міді має значення близько 1000 км/с.

Провідність металів, зумовленої рухом вільних електронів експериментально довели вчені Мандельштам і Папалексі (1913 р.), а також Стюарт і Толмен (1916 р.). У цих дослідах було встановлено, що відношення заряду електрона до його маси: e/m  1,8·1011 Кл/кг.

Дослідами було встановлено, що опір металевих провідників з підвищенням температури збільшується. Це зумовлено тим, що під час нагрівання металевого провідника збільшується середня квадратична швидкість теплового руху електронів провідності і енергія коливань іонів кристалічних ґраток, тому збільшується частота зіткнень електронів з іонами.Опір провідника змінюєтmся в основному за рахунок зміни його питомого опору: R=R (1+ ), де , - питомі опори провідника відповідно за температури T = 273 К й за даної температури Т; - температурний коефіцієнт опору.

Температурний коефіцієнт опору характеризує залежність опору речовини від температури й  чисельно дорівнює відносній зміні опору провідника під час нагрівання на 1 К. Для чистих металів .

Від нагрівання геометричні розміри провідника мало змінюються. Його опір змінюється переважно внаслідок зміни питомого опору. Сплави з високим питомим опором (наприклад, сплаву міді з нікелем та константану r   10 -6 Ом·м) використовують для виготовлення еталонних опорів, тобто у тих випадках, коли потрібно, щоб опір помітно не змінювався у разі зміни температури.

Залежність опору металів від температури використовують у термометрах опору.

Деякі метали і сплави під час охолодження до критичної температури повністю втрачають здатність чинити опір напрямленому рухові електронів провідності. Це явище називають надпровідністю. Уперше його спостерігав 1911 року голландський фізик Камерлінг-Оннес. Він виявив, що під час

24

охолодження ртуті у рідкому гелії її опір спочатку змінюється поступово, а при температурі 4,1 К різко спадає до нуля .

Якщо в замкнутому провіднику, що перебуває в надпровідному стані, створити електричний струм, то струм у провіднику буде існувати без підтримки джерела струму необмежений час.

Ці та інші властивості надпровідників відкривають широкі можливості їх застосування в техніці й промисловості. Тільки створення надпровідних ліній електропередач заощадить 10-15% електроенергії.

Надпровідники знаходять широке практичне застосування: компактні потужні електромагніти з надпровідними обмотками; потужні прискорювачі елементарних частинок; реактори керованого термоядерного синтезу; МГД – генератори; електронні мікроскопи; квантові підсилювачі; створення елементів памяті ЕОМ тощо.

Зараз учені працюють над одержанням надпровідникових матеріалів, що зберігають свої властивості за кімнатної температури. Високотемпературна надпровідність має призвести до нової технічної революції в електротехніці, радіотехніці, конструюванні ЕОМ.

Демонстрація відео фрагментів «Електричний струм у металах».IV. Закріплення вивченого матеріалу.1. Якісні питання1. Чи рухаються заряджені частинки в провіднику, коли в ньому не йде струм?2. Як швидкість спрямованого руху електронів у металевому провіднику залежить від напруги на кінцях провідника?2. Розв’язування задач (колективна робота).1. Знайдіть швидкість v впорядкованого руху електронів у мідному проводі ( вважати, що на кожний іон міді припадає два електрони провідності ) з площею поперечного перерізу S = 0,5 мм за сили струму І = 2,5 А.Розв’язання. За умовою концентрація електронів провідності дорівнює

подвоєній концентрації іонів міді: n=2 . Із співвідношення I=envS

v= = 0,19 мм/с.

Відповідь: v= 0,19 мм/с.2. Електричне коло складається із джерела струму, міліамперметра, опір якого 20 ом, і реостата, виготовлено із залізного проводу. За температури 0ºС міліамперметр показує 30 мА. Опір реостата за цієї температури дорівнює 200 ом. Якими будуть покази міліамперметра, якщо реостат нагріється на 50ºС? Температурний коефіцієнт опору заліза становить 6∙10 К . Внутрішнім опором джерела, а також зміною опору міліамперметра й сполучених проводів внаслідок нагрівання знехтувати.Розв’язання. До нагрівання реостата сила струму за законом Ома для

повного кола дорівнює I = . Після нагрівання реостата - I = . При

R=R ( 1+ t) і =I (R 0 +R ), остаточно одержуємо:

25

I = = 24∙10 (А).

Відповідь: показання міліамперметра 24 мА.V. Підсумок уроку.Бесіда «Що ми дізналися на уроці»:

1. Які положення покладено в основу класичної електронної теорії провідності металів?

2. Від яких характеристик руху електронів залежить сила струму в провіднику?

3. Як залежить опір провідника від температури?4. У чому полягає явище надпровідності?

VI. Домашнє завдання: Г. Ф-10 §75-77, Впр. 24(1), 25(1,3).

Урок 10Тема уроку: Електричний струм у вакуумі та його застосування. Мета уроку: розглянути фізичну природу електричного струму у вакуумі з точки зору електронної теорії; розглянути будову і принцип дії електронних ламп, ознайомитись із основними властивостями електронних пучків іїх застосування у електронно-променевій трубці.Тип уроку: урок засвоєння нових знань.Обладнання: 1. Демонстраційні плакати: “Вакуумні лампи», «Електронно- променева трубка». 2. Електронний осцилограф.

Хід урокуІ. Організаційний етап.Оголошення теми та завдань уроку.ІІ. Актуалізація опорних знань. Фізичний диктант1. Чим зумовлено електропровідність металів?2. Який експеримент підтвердив існування в металах вільних електронів? Поясніть його суть.3. Що називають питомим зарядом носія струму? 4. За якою формулою визначають силу струму в провіднику?5. Який характер залежності опору металів від температури?.6. Наведіть формулу залежності питомого опору провідника від температури.7. Що називають температурним коефіцієнтом опору? Який його фізичний зміст?8. У чому полягає явище надпровідності?9. Наведіть приклади практичного застосування надпровідників.

ІІІ. Вивчення нового матеріалу.

26

1. Поняття вакууму. Коли говорять про вакуум, то мають на увазі високий вакуум. Для створення такого вакууму необхідне розрідження, за якого в газі, що залишився, середня довжина вільного пробігу молекул більша за розміри посудини або відстані між електродами в посудині. Отже, якщо в посудині створений вакуум, то молекули в ньому майже не стикаються між собою й пролітають вільно міжелектродний простір. При цьому вони зазнають зіткнення лише з електродами або зі стінками посудини.Слід підкреслити, що навіть при досягненні високого вакууму, наприклад при р = 10 мм рт. ст., в 1 см газу ще міститься декілька мільярдів молекул. У наш час вдалося досягти надвисокого вакууму, за якого тиск повітря, яке залишилося в посудині, становить приблизно 10 мм рт. ст.2. Умови існування струму у вакуумі. Коли в розрідженому газі молекул стає так мало, що вони пролітають між електродами, не зазнаючи зіткнення одна з одною, електричний струм можна здобути, лише вносячи в посудину джерело заряджених частинок. Частіше за все дія такого джерела заснована на властивості тіл, нагрітих до високої температури, випускати електрони. Цей процес називається термоелектронною емісією.

Явище термоелектронної емісії приводить до того, що нагрітий металевий електрод безперервно випускає електрони. Енергію, яку необхідно затратити електрону, щоб покинути поверхню металу, називають роботою

виходу: = A .

Електрони утворюють навколо електрода електронну хмару. Електрод при цьому заряджається позитивно, й під впливом електричного поля зарядженої хмари електрони з хмари частково повертаються на електрод.

У рівноважному стані число електронів, які покинули електрод за секунду, дорівнює числу електронів, які повернулися на електрод за цей час.

У разі підключення електродів до джерела струму між ними виникає електричне поле. Під дією цього поля електрони покидають електронну хмару й рухаються від катода до анода. Електричне коло замикаяється, й у ньому встановлюється електричний струм. 3.Двоелектродна лампа. (Пояснення проводиться з допомогою демонстраційного плакату).

Найпростішим електронним приладом, в якому використовується явище термоелектронної емісії, являється двохелектродна електронна лампа – вакуумний діод.

Сучасний вакуумний діод складається зі скляного або металокерамічного балона, з якого відкачане повітря до тиску 10 мм рт. ст. У балон упаяно два електроди, один із яких — катод — має вигляд вертикального металевого циліндра, виготовленого з вольфраму й покритого звичайно шаром оксидів лужноземельних металів. Усередині катода розташований ізольований провідник, що нагрівається змінним струмом. Нагрітий катод випускає електрони, які досягають анода. Анод лампи є круглим або овальним циліндром, що має загальну вісь із катодом.

27

Властивості будь-якого електронного пристрою відображає його вольт-амперна характеристика, тобто залежність сили струму від напруги на клемах цього пристрою.

Якщо помістити між катодом і анодом ще один електрод (сітку), то навіть незначна напруга між сіткою і катодом істотно впливатиме на анодний струм. Така електродна лампа – тріод дозволяє підсилювати слабкі електричні сигнали. Тому певний час ці лампи були основними елементами електронних пристроїв.4. Будова й принцип дії електронно-променевої трубки та її застосування. (Пояснення проводиться з допомогою демонстраційного плакату та електронного осцилографа).

Електронно-променевою трубкою називається вакуумний електронний прилад, який дозволяє перетворювати електричні сигнали у видиме зображення. Трубка являє собою вакуумний балон, одна із стінок якого є екраном. У вузькому кінці трубки міститься джерело швидких електронів – електронна гармата. Вона складається з катода, діафрагми і анода. За допомогою діафрагми з електронів, які випускає катод, виділяється вузький електронний пучок. В електричному полі, створюваному між катодом і циліндричним анодом, електрони розганяються до швидкості порядку 104 км/с. Коли електрони потрапляють на екран, він починає світитися. Керувати потоком електронів можна за допомогою вертикальних або горизонтальних пластин конденсаторів.

Властивості електронних пучків і їх застосування:1. Електронний пучок потрапляючи на тіла, викликає їх нагрівання

(використовується для електронної плавки у вакуумі надчистих металів).

2. Під час гальмування швидких електронів, що потрапляють на речовину, виникає рентгенівське випромінювання (використовується в рентгенівських трубках).

3. Деякі речовини (скло, кадмій,цинк сульфіди), що бомбардуються електронами, світяться (на світлову енергію перетворюється до 25% енергії світлового пучка).

4. Електронні пучки відхиляються електричним і магнітним полями (управління електронним пучком у електронно-променевій трубці).

Електронно-променева трубка є основною частиною електронного осцилографа, який широко використовується у науці й техніці під час вивчення різноманітних швидкоплинних процесів.

Електронно-променеві трубки застосовуються в телевізійних і радіолокаційних установках, в електронно-обчислювальних машинах, у вимірювальній апаратурі тощо. IV. Закріплення вивченого матеріалу.

1. Якісні питання1. Для якої мети в електронних лампах створюють високий вакуум?2. Як залежить термоелектронна емісія від температури?

28

3. Чи працюватиме в космосі радіолампа з розбитим склом?4. У який спосіб можна: а) збільшити швидкість електронів у пучку; б)

змінити напрямок руху електронів; в) зупинити рухомі електрони?2. Розвязування задач 1. Максимальний анодний струм у вакуумному діоді 50 мА. Скільки

електронів вилітає з анода щосекунди?Розв’язання. I = = ; n = = 31,25 ∙ 10 .2. (Колективна робота)Пучок електронів, що розганяють напругою U = 5кВ, влітає в плоский конденсатор посередині між пластинами й паралельно до них. Довжина конденсатора l = 10 см, відстань між пластинами d = 10 мм. За якої напруги U на конденсаторі електрони не будуть вилітатиз нього?Розвязання. Рух електрона нагадує рух тіла, кинутого горизонтально.

Горизонтальна складова v швидкості електрона не змінюється, вона збігається зі швидкістю електрона після прискорення. Цю швидкість можна

визначати, скориставшись законом збереження енергії: = eU . Тут e –

елементарний електричний заряд, m - маса електрона. Вертикальне прискорення a передає електрону сила F, що діє з боку електричного поля конденсатора. Відповідно до другого закону Ньютона,

a = = = , де E = - напруга електричного поля в конденсаторі.

Електрони не будуть вилітати з конденсатора, якщо вони змістяться на

відстань . Отже, , де t = - час руху електрона в

конденсаторі. Звідси U = = 100 В.

V. Підведення підсумків уроку.Бесіда «Що ми дізналися на уроці»:

1. Що називають вакуумним діодом?2. Якою є вольт-амперна характеристика вакуумного діода?3. Що таке струм насичення?4. Для чого призначена електронно-променева трубка?5. Яким є призначення електронної гармати?

d

l

v

29

6. Як можна керувати електронним пучком в електронно-променевій трубці?

VI. Домашнє завдання: § 86-87 С. У. Гончаренко “Фізика 10”.

Урок 11Тема уроку: Електричний струм у напівпровідниках. Мета уроку: сформувати уявлення про вільні носії електричного заряду в напівпровідниках і про природу електричного струму в напівпровідниках з точки зору електронної теорії, розглянути види провідності.Тип уроку: урок засвоєння нових знань.Обладнання: 1. плакати: «Власна і домішкова провідність напівпровідників»; «Елктронно-дірковий перехід». 2. фрагмент відеофільму «Струм у напівпровідниках».

Хід урокуІ. Організаційний етап.Оголошення теми та завдань уроку.ІІ. Актуалізація опорних знань.

1. Пояснити механізм провідності газів.2. Який розряд у газах називають несамостійним? самостійним?3. Коротко охарактеризувати типи самостійного розряду.4. Назвати засоби безпеки від ураження блискавкою.

ІІІ. Вивчення нового матеріалу.1. Початкові відомості про напівпровідники.

Ми розглянули як поводить себе електричний струм проходячи через метали, газ та вакуум. Сьогодні розглянемо як поводить себе електричний струм проходячи через напівпровідники.

Залежність провідності напівпровідників від зовнішніх факторів:1) після підвищення температури питомий опір напівпровідників зменшується.2) питомий опір деяких напівпровідників зменшується відповідно до збільшення освітленості.3) уведення домішок може різко зменшити питомий опір напівпровідників.Напівпровідники - речовини, які за своєю електропровідністю займають проміжне місце між провідниками і діелектриками.

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного зв'язку. В утворенні цього зв'язку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону, які відщеплюються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами. Їх негативний заряд утримує позитивні іони один поблизу одного.

Кожний атом утворює чотири зв'язки із сусідніми, й будь-який валентний електрон може рухатися по одному з них. Дійшовши до сусіднього атома, він може перейти до наступного, а потім далі вздовж усього кристала. Валентні електрони належать усьому кристалу.

30

Ковалентні зв'язки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються. Тому напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм. Валентні електрони, що беруть участь у зв'язках атомів, міцно прив'язані до кристалічних решіток, і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух.2. Власна провідність напівпровідників.

У разі нагрівання напівпровідника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається розрив окремих зв'язків. Деякі електрони стають вільними, подібно до електронів у металі. В електричному полі вони переміщаються між вузлами решіток, утворюючи електричний струм. Провідність напівпровідників, що зумовлена наявністю в них вільних електронів, називається електронною провідністю.

У тій парі атомів, звідки зовнішнім впливом — нагріванням або освітленням — електрон був переведений у вільний стан, з'являється надлишковий позитивний іон. Тепловий рух атомів кристала призводить до того, що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до даного іона. Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом, звідки був “захоплений” електрон. Такий процес відбувається багато разів, і тому переміщення позитивного заряду всередині кристала, яке відображає насправді рух зв'язаних електронів від одного атома до іншого, називають рухом дірок. Легко побачити, що поява дірок у кристалі створює додаткові можливості для перенесення заряду. Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі, куди рухалися б позитивні заряди.

Провідність напівпровідника, обумовлену рухом дірок, називають дірковою провідністю.

( Розгляд власної провідністі напівпровідників на основі уявлення про будову типового напівпровідника — германію за таблицею.)

У чистому напівпровіднику (без домішок) електричний струм створює однакову кількість вільних електронів і дірок. Таку провідність називають власною провідністю напівпровідників.3. Домішкова провідність напівпровідників.

Якщо в чистий напівпровідник додати незначної кількосьі домішки, то механізм провідності різко зміниться.

Домішки типу миш'яку (As), атоми яких легко віддають електрони, називають донорними. (Розгляд за таблицею чотиривалентного кристалу кремнію (Si) із незначною кількістю домішки п'ятивалентного миш'яку (As).

Напівпровідники, у яких основними носіямизарядів є електрони, називають напівпровідниками п – типу.

Діркова провідність виникає тоді, коли в кристал кремнію введені атоми тривалентного індію. Індій «позичить» електрон у сусідніх атомів, у результаті чого кожний атом індію утворить одне вакантне місце – дірку.

Домішки, які «захоплюють» електрони атомів кристалічної решітки напівпровідників, називаються акцепторними.

31

Напівпровіднитки, у яких основними носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками р – типу.

Практично всі напівпровідники містять акцепторній донорні домішки.4. Електронно-дірковий перехід.

Цікаві явища спостерігаються в місці контакту напівпровідників п - і р-типів. Контакт таких двох напівпровідників називають р—п-переходом.З'єднаємо два напівпровідники: один з донорною, а другий з акцепторною домішкою. Відразу ж почнеться рух через контакт: електрони переходитимуть із напівпровідника п-типу (де їх багато) у напівпровідник р-типу, а дірки – навпаки.

У результаті дифузії у приконтактній ділянці основних носіїв заряду меншає. Тому опір приконтактної ділянки вявляється дуже значним.Дійсно, внаслідок такого переміщення п -область заряджається позитивно, а р-область - негативно. Виникає контактна різниця потенціалів. Електричне поле перешкоджає дальшій дифузії основних носіїв через межу, відкидаючи основні носії назад у свої області. Крім того, оскільки частина електронів, що перейшли в р-область, рекомбінувала з дірками і відповідна рекомбінація відбулась у п -області, то утворився шар, збіднений носіями заряду, опір якого досить великий, - запірний шар.

Тонкий шар речовини на межі двох приведених у контакт напівпровідників n- і p-типів провідності з властивостями, відмінними від властивостей основної маси напівпровідників, називають р-n-переходом.

Якщо подати напругу на напівпровідник з р-п-переходом так, щоб до напівпровідника р-типу під'єднувався позитивний полюс батареї, а до напівпровідника п-типу - негативний, то поле в переході буде ослаблене, запірний шар звузиться або й зникне, і дифузійні потоки основних носіїв (дірок з р-області і електронів з n-області) прямуватимуть через перехід.Такий перехід називають прямим . Сила струму зі збільшенням напруги зростає дуже швидко, і закон Ома не ви¬конується.

Під'єднаємо полюси батареї навпаки . У цьому разі зовнішня напруга збігається за знаком з контактною різницею потенціалів. Зовнішнє поле підсилює поле p-n-переходу, і дифузійні потоки основних носіїв струму через перехід значно зменшуються. Струм в колі стане незначним за тієї ж напруги U, оскільки струм через р- n -перехід забезпечується неосновними носіями заряду, провідність зразка стає незначною, а опір великим. Цей перехід називають зворотним.

Отже, через межу розподілу напівпровідників n–типу й p–типу електричний струм іде тільки в одномунапрямку – від напівпровідника p– типу до напівпровідника n-типу.ІV. Закріплення вивченого матеріалу.1. Якісні питання.1. Чому опір напівпровідникових матеріалів залежить від температури?2. Який зв’язок називають ковалентним?3. Як змінюється питомий електричний опір напівпровідників: а) під час нагрівання? б) у разі освітлення?

32

4. Чому опір напівпровідників дуже сильно залежить від наявності домішок?5. Яку провідність (електронну чи діркову) має кремній з домішкою галію? індію? фосфору? сурми?2. Задачі.1. Як зміниться опір зразка кремнію з домішкою фосфору, якщо ввести в нього домішку галію? Концентрація атомів Фосфору й Галію однакова.2. Мізерно малі кількості домішок, доданих до напівпровідника, можуть різко змінити його електропровідність. Чому навіть у багато разів більші кількості домішок не роблять помітного впливу на електропровідність металів.3. Що треба зробити, щобелектропровідність германія й кремнію стала такою самою, як електропровідність металу (діелектрика)? Чи збережуться при цьому їхні напівпровідникові властивості? V. Підсумок урокуФронтальна бесіда у формі «Закінчи речення»:1. Напівпровідники — речовини, питомий опір яких дуже швидко зменшується з …2. Провідність напівпровідників, що зумовлена наявністю в них вільних електронів, називають …3. Провідність напівпровідників, що зумовлена рухом дірок, називають …4. У напівпровідниках п-типу електрони основними носіями заряду є …5. У напівпровідниках р-типу основними носіями заряду є …6. Електронно-дірковий перехід має практично однобічну провідність: він пропускає струм від …VІ. Домашнє завданняС.У.Гончаренко "Фізика 10", § 78—81, 83 (до «напівпровідниковий діод).

33