"Особенности изучения закона Ома для участка цепи"

Особенности изучения

закона Ома для участка цепи

                                                                             Автор:         Белик Никита  Сергеевич

                                                          МБОУ «Федоровская СОШ №5», 7 класс

                                                  Сургутский район, г.п. Федоровский

                                                                              Научный руководитель:

                                                            Редько Наталья Николаевна,

                                                            учитель      математики   МБОУ

                                                           «Федоровская    СОШ№5»,    

                                                           г.п. Федоровский, Сургутского района

Г. П. Федоровский

2014 год

 Аннотация

    Настоящая работа посвящена изучению зависимости силы тока от электрического напряжения и сопротивления проводника и качественной проверки закона Ома для участка цепи с помощью собранного макета, позволяющего наглядно продемонстрировать эту зависимость.  

Проблема: многие учащиеся не понимают физического смысла закона Ома для участка цепи и испытывают трудности применения при решении задач по физике. (По результатам опроса и итогам написанной контрольной работы в 2012-2013 учебном году).

Причины:

1. Учащиеся не проявляют интереса к изучению теоретического материала по учебнику физики.

2. Учащиеся затрудняются в выражении неизвестной  величины из формулы закона Ома для участка цепи.

3. Наглядный материал школьного учебника не позволяет сформировать навыки применения закона Ома при решении практических задач.

Актуальность и важность: исследовательская работа имеет большую практическую значимость для старшеклассников и моих сверстников, при изучении электрических явлений. Изготовленный мною стенд, позволяет экспериментально проверить закон Ома для участка цепи и повысить уровень обученности учащихся по физике и их навыков решения экспериментальных задач.

Цель.  К концу I учебной четверти  2013-2014 учебного года  изготовить и апробировать макет для наглядного представления зависимости силы тока от напряжения и электрического сопротивления, позволяющий  повысить уровень знаний и навыков решения задач учащихся 8-х классов по теме «Закон Ома для участка цепи».

Задачи:

1. Изучить теоретический материал по теме «Закон Ома для участка цепи».
2. Изготовить наглядный стенд, используя материалы, согласно плану, который расширит демонстрационный материал школьной лаборатории.  

3. Экспериментально продемонстрировать зависимость силы тока от электрического напряжения и сопротивления различных проводников.

4.  Обобщить полученные результаты и сделать выводы.      

Предмет исследования: зависимость силы тока от электрического напряжения и сопротивления участка цепи для различных проводников.

Методы исследования: технологический, экспериментальный, аналитический, графический, социологический опрос.  

Результаты работы: создание  стенда, позволяющего наглядно продемонстрировать закон Ома для участка цепи, который в дальнейшем можно использовать в качестве наглядного пособия при изучении темы «Электрические явления» в 8-х, 10-х классах и оформление буклета с рекомендациями по его изготовлению.  

Критерии успешности. Повышение мотивации учащихся к исследовательской деятельности и изучению теоретического материала по физике.  

Новизна. Впервые в нашей школе изготовлен стенд - прибор, позволяющий не только проверить законы электрического тока, но и повысить уровень мотивации и уровень обученности учащихся не только нашей школы.

СОДЕРЖАНИЕ

 Введение.  …………………………………………………..……....…….….1

I.   Теоретическая часть

1. Электрический ток в металлах    .……………………….……...…..….2
2. Сопротивление металлического проводника    .………………………3
3. Зависимость силы тока от электрического напряжения и сопротивления проводника…………………………..………………………………….….4 

 II.  Практическая часть:

1. Результаты  анкетирования учащихся 9-х классов……………………4
2.   Описание установки для изучения зависимости силы тока от электрического напряжения и сопротивления металлического проводника. План проекта ..…………………………….……………….. .5
3. Изучение зависимости  силы тока от электрического напряжения….6
4. Изучение зависимости  силы тока от сопротивления  металлического проводника  …………………………………...………... ………………. ..7
5. Результаты анкетирования учащихся после апробации стенда………8
6. Бюджет проекта..………………………………………………………...8

Заключение..………..........……………………………..………………..…….9

Список литературы …………………………….………………………..…..10

Приложения  …………………………………………………………….…..11

Введение

   Основной задачей модернизации образования в России является обновление качества образования (это мера соответствия образовательного результата запросам личности, общества и государства). В ситуации динамичного социально-экономического развития страны анализ  запроса учащегося и изменившегося заказа государства позволяет выявить потребность в новых результатах образования. Таким образом, в наше время возникает новое понимание качества образования.

  Исследовательская работа имеет большую практическую значимость для старшеклассников и моих сверстников, при изучении электрических явлений. Изготовленный мною стенд, позволяет экспериментально проверить закон Ома для участка цепи, повысит уровень обученности учащихся по физике и заинтересует их решать экспериментальные задачи. Предметом исследования стала зависимость силы тока от электрического напряжения и сопротивления участка цепи для различных проводников. Оформлен буклет с рекомендациями по его изготовлению.   

Проблема. Многие учащиеся не понимают физического смысла закона Ома для участка цепи и испытывают трудности его применения при решении задач (по результатам опроса и итогам контрольной работы в 2012-2013 учебном году).

Причины:

1.Учащиеся не проявляют интереса к изучению теоретического материала по учебнику.

2.Учащиеся затрудняются в выражении неизвестной  величины из формулы закона Ома для участка цепи.

3.Наглядный материал школьного учебника не позволяет сформировать навыки применения закона Ома при решении практических задач.

Цель. К концу I учебной четверти  2013-2014 учебного года  изготовить и апробировать макет для наглядного представления зависимости силы тока от напряжения и электрического сопротивления, позволяющий  повысить уровень знаний и навыков решения задач учащихся 8-х классов по теме «Закон Ома для участка цепи».

Задачи:

3. Изучить теоретический материал по теме «Закон Ома для участка цепи».
4. Изготовить наглядный стенд, используя материалы, согласно плану, который расширит демонстрационный материал школьной лаборатории.  

3. Экспериментально продемонстрировать зависимость силы тока от электрического напряжения и сопротивления различных проводников.

4.  Обобщить полученные результаты и сделать выводы.      

Методы исследования: технологический, экспериментальный, аналитический, графический, социологический опрос.  

Результаты работы. Впервые в нашей школе изготовлен стенд, позволяющий не только проверить законы электрического тока в 8-х, 10-х классах, но и повысить уровень мотивации и уровень обученности учащихся школы.

Электрический ток в металлах.

   Экспериментальное доказательство того, что ток в металлах создается свободными электронами, было дано в опытах Л.И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (приложение 1). Они обнаружили, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводнике катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами — электронами (приложение 1). Металлический проводник состоит из:  положительно заряженных ионов, колеблющихся около положения равновесия, и  свободных электронов, способных перемещаться по всему объему проводника. Таким образом, электрические свойства металлов обусловлены наличием в них свободных электронов. Эти электроны (электроны проводимости) образуются путем отрыва от атомов металлов и способны перемещаться по всему объему тела. В металле в отсутствие электрического поля электроны проводимости хаотически движутся и сталкиваются  с ионами кристаллической решетки (рис. 1).

Рисунок 1

Ионы кристаллической решетки металла не принимают участие в создании тока. Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов (в отличие от их беспорядочного теплового движения, всегда имеющегося в проводнике). Электрический ток в металлах возникает под действием внешнего электрического поля. На электроны проводимости, находящиеся в этом поле, действует электрическая сила, сообщающая им ускорение, направленное в сторону, противоположную вектору напряженности поля. В результате электроны приобретают некоторую добавочную скорость, которая возрастает до тех пор, пока электрон не столкнется с атомом кристаллической решетки металла. При таких столкновениях электроны теряют свою избыточную кинетическую энергию, передавая ее ионам. Скорость распространения тока равна скорости распространения электрического поля в пространстве, т.е. 300000 км/с.

Сопротивление  металлического проводника

   Высокая проводимость металлов связана с тем, что в них имеется большое количество носителей тока — электронов, находящихся в непрерывном тепловом движении между атомами и положительными ионами металла. Внутри металла свободные электроны окружены со всех сторон положительными ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки.  Когда к металлу приложено внешнее электрическое поле, электроны начинают двигаться, образуя электрический ток. С точки зрения электронной теории сопротивление металлов объясняется столкновениями электронов проводимости с ионами кристаллической решетки. При этом очевидно, чем чаще происходят такие столкновения, тем больше удельное сопротивление металла. При столкновении с ионами электроны проводимости передают часть кинетической энергии  ионам, что приводит к увеличению энергии движения ионов кристаллической решетки, а, следовательно, и к нагреванию проводника. Прохождение тока через металлы не сопровождается химическим изменением их. Это обстоятельство заставляет предполагать, что атомы металла при прохождении тока не перемещаются от одного участка проводника к другому. Сопротивление проводника при прочих равных условиях зависит от его геометрии и от удельного электрического сопротивления материала, из которого он состоит. Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и вычисляется по формуле (1):

где ρ — удельное сопротивление вещества проводника, l — длина проводника, а S — площадь сечения. Удельное сопротивление  характеризует способность вещества препятствовать прохождению электрического тока.   Чем большим сопротивлением обладает проводник, тем меньшую он имеет проводимость, тем хуже он проводит электрический ток, и наоборот.  К материалам высокой проводимости относят серебро, медь и алюминий. Железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм 2 обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления, нужно взять 7,7 м такой проволоки.

Зависимость силы тока от электрического напряжения и сопротивления проводника

   Закон Ома – один из основополагающих законов физики.  Представление об этом законе – это не удел исключительно инженеров-электронщиков, а необходимая часть базовых знаний любого мало-мальски образованного человека.  

  Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению:

I = U / R;

  Для проводника, обладающего определённым сопротивлением, можно заметить, что при увеличении напряжения в несколько раз, сила тока в этом участке тоже увеличится во столько же раз. Если поддерживать неизменным напряжение сети, то: чем больше сопротивление участка цепи, тем меньше будет значение силы тока.

  Однако, при решении физических задач, ученики часто путают «эту зависимость» и неправильно записывают формулу для нахождения неизвестной величины. Кроме того, современный школьник не любит сидеть за учебниками, а предпочитает увидеть «всё» своими глазами.

Практическая часть

Результаты  анкетирования учащихся 9-х классов.

    При написании контрольной работы в 2012- 2013 учебном году ученики 8 класса показали низкий уровень знаний по теме «Закон Ома для участка цепи» (58 % получили оценку «2»или «3»). Я решил выяснить причину этой проблемы и провёл анкетирование в 9-х классах с вопросами:

1. Знаешь ли ты закон Ома для участка цепи? Если «да», то запиши формулу.
2. Часто ли ты ошибаешься при выражении неизвестной величины из формулы?
3. Что помогло бы тебе запомнить формулу закона Ома для участка цепи?

  Результаты анкетирования оказались таковы: лишь 32 % всех опрошенных верно записали формулу (Это очень низкий результат, а ведь многим из них сдавать экзамен по физике!). Большинство учеников – 18 % затрудняются правильно выразить неизвестную величину из формулы. 62% девятиклассников ответили на третий вопрос так: если бы они увидели это зависимость экспериментально, то обязательно бы запомнили.    Своим проектом, я решил помочь ребятам в запоминании формулы закона Ома для участка цепи, установив экспериментально функциональные зависимости между силой тока и напряжением, силой тока и сопротивлением проводника, а так же заинтересовать слушателей своим экспериментом. С целью определения уровня знаний учащихся 9-х классов (ведь им сдавать выпускные экзамены) была составлена небольшая проверочная работа, состоящая из 4-х вопросов:

1. Определить сопротивление проводника, если при силе тока 2А напряжение на нем составило 24 В?
2. Вычислить напряжение участка цепи, если его сопротивление 40 Ом, а сила тока 5 А.
3. Определите силу тока на участке цепи, сопротивлением 30 Ом, если напряжение составляет 36 В.
4. Чему равно сопротивление сплава, если при напряжении 220В, сила тока составила 5 А?

     Описание установки для изучения зависимости силы тока от электрического напряжения и сопротивления металлического проводника.   План проекта.

   Для реализации проекта был составлен план, с помощью которого решались поставленные задачи (приложение 3).  

  Для определения зависимости силы тока от электрического напряжения и сопротивления металлического проводника  я изготовил стенд, на котором использовал проводники с разным удельным сопротивлением (алюминий, медь и нихром) и различными значениями их длин и сечений (приложение 2). Из эстетических соображений мне пришлось сначала просверлить каркас в местах крепления клемм и приборов, затем установить клеммы и закрепить образцы (заранее подобранные по длине). Для  включения каждого образца в электрическую цепь была выполнена пайка на каркасе, с помощью которой можно легко подключить исследуемый образец в электрическую цепь из последовательно соединенных: источника постоянного тока, амперметра, металлического образца и ключа (приложение 5). Для измерения напряжения  к клеммам параллельно включается вольтметр. Принципиальная схема изображена на рисунке (приложение 4).  

 Для проверки  формулы закона Ома для участка цепи нужно было измерить с помощью амперметра силу тока на участке проводника, напряжение на его концах с помощью вольтметра и, вычислив сопротивление каждого проводника по его параметрам, установить функциональные зависимости силы тока от приложенного напряжения и от сопротивления проводника.  

Изучение зависимости  силы тока от электрического напряжения

   Уровень напряжения я менял с помощью лабораторного автотрансформатора. Для установления зависимости силы тока ток в цепи от приложенного напряжения  необходимо было сопротивление цепи оставлять неизменным. Для каждого образца были определены значения силы тока при различных значениях напряжения. Результаты эксперимента приведены в таблице:  

 Из таблицы видно, что при увеличении напряжения в 2 раза сила тока для каждого образца увеличивалась в два раза. Это прямо пропорциональная зависимость силы тока от приложенного напряжения.

По значениям силы тока и соответствующего напряжения из таблицы построены графики функциональной зависимости силы тока от напряжения для каждого металлического образца:

Изучение зависимости  силы тока от сопротивления  металлического проводника

 Сопротивление проводника вычислялось по формуле:            

Для этого измерялись линейкой длина проводника, штангенциркулем его диаметр и радиус (для вычисления площади поперечного сечения по формуле S=πR2), значения удельного сопротивления каждого металлического образца определялись по таблице.                В момент замыкания цепи ключом, для каждого металлического образца измерялись значения силы тока (напряжения поддерживалось одинаковым и постоянным для каждого образца). Все измерения и вычисления занесены в таблицу (см выше). Из таблицы видно, что при увеличении  сопротивления, сила тока уменьшались, а при уменьшении сопротивления, сила тока увеличивалась (значения силы тока и напряжения выделены синим цветом).  Это обратно пропорциональная зависимость. По полученным расчетам был построен график зависимости силы тока  от сопротивления металлического образца:    

   Для доказательства справедливости закона Ома для участка  цепи достаточно было рассчитать сопротивление проводника по формуле  R = U / I, и сравнить его значение с уже вычисленным значением сопротивления по геометрии проводника.  Таким образом, было доказано экспериментально, что закон Ома для участка цепи выполняется.

Результаты анкетирования учащихся после апробации стенда.

   Для того чтобы оценить значимость моего проекта я познакомил учащихся 9-х классов с результатами проекта и наглядно продемонстрировал на уроке физики зависимость силы тока в проводнике от приложенного напряжения и сопротивления участка. После чего был проведён социологический опрос учащихся (на вопросы нужно было ответить «да» или «нет») (приложение 6):

1. Позволил ли вам изготовленный стенд наглядно установить зависимость силы тока от приложенного напряжения и сопротивления в участке цепи?
2. Будете ли вы теперь правильно выражать неизвестную величину из закона Ома?
3. Пригодятся ли вам знания, полученные после апробации стенда при сдачи экзаменов?

     Ответы на вопросы распределились следующим образом: 92% и 88% утвердительно сказали «да» на 1 и 2 вопросы соответственно и «нет»- ответили 8% и 12% учащихся (из 100 опрошенных). Наиболее важным оказался третий вопрос, на который 85 % ответили «да» и 15% - «нет».  При ответе на третий вопрос можно оценить значимость проекта, так как похожие задания встречаются в модуле «Реальная математика» при сдаче ОГЭ по математике.

  По результатам анкетирования я выяснил: мои старания не прошли бесследно – изготовленный мною стенд помог учащимся 9-х классов вспомнить и понять  смысл закона Ома для участка цепи, безошибочно выражать  из формулы неизвестную величину. Эти навыки позволят учащимся  9-х классов безошибочно справиться с заданием из модуля «Реальная математика» при сдаче ОГЭ по математике (приложение 7).

Бюджет проекта

   Настоящий стенд позволит исследовать различные виды соединения проводников и сможет заменить микро – лабораторию по электричеству. За 1322 рубля такого плана лабораторию приобрести нельзя.

 Заключение

   С электропроводностью металлов связано очень многое в нашей жизни: от горения электрической лампочки  до работы автомобилей, плееров  и мобильных   телефонов.   Основным законом электричества является закон Ома для участка цепи. Знания, полученные учащимися на уроках физики  важны учащимся не только для успешной сдачи итоговой аттестации, но и  для  совершенствования технологических процессов в науке и технике. К сожалению, наглядный материал школьного учебника не позволяет сформировать навыки применения закона Ома при решении практических задач в полной мере. В результате работы:

1. Изготовлен стенд, позволяющий не только экспериментально продемонстрировать зависимость силы тока от электрического напряжения и сопротивления различных проводников, но и повысить уровень мотивации  учащихся 8-х и 9–х классов нашей школы к исследовательской деятельности.
2. Этот стенд апробирован на уроках физики и наглядно представил учащимся зависимость силы тока от напряжения и электрического сопротивления, что доказывает справедливость закона Ома для участка цепи.
3.  По результатам анкетирования многим учащимся 9-х классов эксперимент позволил не просто вспомнить формулу закона Ома для участка цепи, но и научиться правильно выражать неизвестную величину из этой формулы, что повысило уровень  навыков уч-ся при решения экспериментальных задач по физике и уровень обученности  по математике при выражении неизвестной величины из формулы (из модуля «Реальная математика» при сдаче ОГЭ) (приложение 7). При написании повторной проверочной работы результаты успеваемости и качества знаний учащихся 9-х классов увеличились в 3 раза. Эти навыки позволят учащимся 9-х классов успешно выполнить некоторые задания при сдаче экзамена по математике.
4. Продукт эксперимента, наглядный стенд, расширил демонстрационный материал школьной лаборатории, который в дальнейшем можно использовать в качестве наглядного пособия при изучении темы «Электрические явления» и проверки законов электрического тока в 8-х, 10-х классах (оформлен буклет с рекомендациями по его изготовлению и применению).  

Список литературы:

1. Гуревич А. Е. «Физика. Электромагнитные явления. 8 класс» Москва, Издательский дом «Дрофа». 1999 год.
2. «Элементарный учебник физики под редакцией академика Г. С. Ландсберга -Том II – электричество и магнетизм». Москва, «Наука» 1972 год.
3. Кабардин О.Ф. Физика: Справ. материалы. Учеб. пособие для учащихся. – 5-е изд., переработан. и доп. – М.: Просвещение, 2003.
4. Маляров О.В. Физика в таблицах и схемах издание 3-е. СП в ООО «Виктория плюс», 2007.  
5.  Горячев А.В. Работа над темой. Методические рекомендации. – М.: ТОО «Гендальф», 1999.
6. Гуманистические воспитательные системы вчера и сегодня (в описании их авторов и последователей)/ Под ред. Н.Д.Селивановой. - М.: Педагогическое общество России, 2000.
7. Казакова Е.И. Познавательные проблемы в учебниках // На путях к новой школе. СПб., 2000/2001, №4. С. 4-6.
8. Кларин М. В. Педагогическая технология в учебном процессе. Анализ зарубежного опыта. – М.: Знание, 1989.
9. Крылова О. Освоение Амазонии, или Использование метода проектов в преподавании //Директор школы. 1999, № 2. С .71-76.
10. Левитес Д.Г. Практика обучения: современные образовательные технологии. – М.: Издательство «Институт практической психологии», Воронеж: НПО «МОДЭК», 1998.
11.  Махмутов М.И. Организация проблемного обучения в школе. - М.: Педагогика, 1981.
12.  Новые педагогические и информационные технологии в системе образования. - М., 1999.
13.  Современные подходы к компетентностно-ориентированному образованию: Материалы семинара/ Под ред. А.В.Великановой. – Самара: Изд-во «Профи», 2001.
14. Чеглакова Л.М. Консультирование в практике работы учителя// Компетентностно-ориентированный подход к образованию. Образовательные технологии. Вып. №3. - Самара: Изд-во "Профи", 2003.

Приложение 1.

Приложение 2.

Результаты проверочной работы для учащихся 9-х классов (сентябрь 2013г.)

Результаты проверочной работы для учащихся 9-х классов (декабрь 2013г.)