« Электрический ток в различных средах. Электронная проводимость металлов ».
план-конспект урока по физике (10 класс)

Урок физики в 10 классе

на тему « Электрический ток в различных средах. Электронная проводимость металлов ».

Цель урока: разъяснить физическую природу электрической проводимости  веществ с точки зрения электронной теории; привить интерес к науке физике: история открытий, классические опыты и учёные-физики; воспитывать самостоятельность, ответственное отношение  к учёбе, стремление к самообразованию.

План урока:

1. Объяснение нового материала по опорному конспекту.
2. Игровой момент «Орешек знаний»: тестирование в виде презентации за компьютером.
3. Рассказы учеников об истории и авторах открытий, описание опытов.
4. Продолжение лекции.
5. Работа у доски с логической цепочкой, вписывание формул.
6. Объяснение графиков с ВАХ двух металлов: различия, вывод.
7. Разбор и решение задачи по предложенному алгоритму.
8. Оценки.
9. Домашнее задание.

Материалы и оборудование: раздаточный материал с опорным конспектом и алгоритмом решения задачи, компьютер, доска.

Ход урока:

1. Объяснение нового материала (лекция):

Ученики работают с опорным конспектом, представленным в виде таблицы.

Учитель:

1. Электрическая проводимость представляет собой способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля. Обозначается σ=1/ρ. Единица измерения (Ом*м)-1.

По физической природе зарядов – носителей электрического тока электропроводность подразделяют на:

а) электронную (чисто электронную, чисто дырочную и электронно-дырочную);

б) ионную (катионную, анионную, смешанную анионную и катионную);

в) смешанную (электронно-ионную).

2. Для каждого вещества при заданных условиях характерна определённая зависимость силы тока от разности потенциалов (ВАХ).

3. По удельному сопротивлению вещества принято делить на:

а) проводники ( ρ <10-6 Ом*м),

б) диэлектрики ( ρ >108 Ом*м),

в) полупроводники ( 108 Ом*м > ρ > 10-6 Ом*м).

 Однако такое деление условно, так как под воздействием ряда факторов (нагревание, облучение, примеси) удельное сопротивление веществ и их вольт-амперная характеристика изменяются, и иногда очень существенно.

4) Поговорим подробнее о проводимости металлов.

2.Игровой момент  «Орешек знаний» : 

Учитель: Прежде, чем продолжить свою лекцию, я хочу убедиться в том, что у вас хорошая память, и вы  способны воспринять дальнейший материал.

«Орешек знаний твёрд, но мы не привыкли отступать,

И расколоть его поможет блиц-игра «Хочу всё знать».

 Ученики за компьютерами работают с презентациями «Орешек знаний».

     Если на все вопросы даны правильные ответы – удары по «Ореху», то внутри «Ореха» откроется фамилия учёного. Нужно кратко рассказать о его научных открытиях.

Если ответы неверные, то ученик продолжает «бить» по «Ореху», пока не отколется вся «скорлупа», попросив помощь у других учеников, уже справившихся со своими «Орехами».

В одном «Орехе» спрятана фамилия учёного К.Рикке, в другом – Мандельштам, в третьем – Ом.

Ученик 1: опыт К.Рикке (1901 год):

Три предварительно взвешенных цилиндра (два медных и один алюминиевый) Рикке сложил отшлифованными торцами так, что алюминиевый оказался между медными. Затем цилиндры были включены в цепь постоянного тока: через них в течение года проходил большой ток (ток, питавший городскую трамвайную сеть). За это время через цилиндры прошёл электрический заряд, равный приблизительно 3,5 млн Кл. Вторичное взвешивание цилиндров, показало, что масса цилиндров в результате опыта не изменилась. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом было установлено, что имеются лишь незначительные следы проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твёрдых телах. Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе зарядов в металлах ионы не участвуют.

Ученик 2: опыты Мандельштама Л.И. и Папалекси Н.Д. (1913 год – Советский Союз) и Т.Стюарт и Р.Толмен (1916 год - США):

Суть опытов сводится к тому, что на катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр. Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается. Направление тока говорит о том, что он создаётся движением отрицательно заряженных частиц. В этих опытах учёным удалось измерить удельный заряд частиц, создающих ток. Он оказался равным 1,8*1011 Кл/ кг. Эта величина совпадает с отношением заряда электрона к его массе  е/m, найденным ранее из других опытов.

Ученик 3.Ом Георг Симон (1787-1854) немецкий физик. Работал школьным учителем. Он открыл закон зависимости силы тока от напряжения для участка цепи, а также закон, определяющий силу тока в замкнутой цепи. Чувствительный прибор для измерения силы тока он изготовил сам. В качестве источника напряжения Ом использовал термопару: два спаянных вместе проводника из различных металлов. Увеличивая разность температур спаев, Ом менял напряжение, которое пропорционально этой разности температур. Кроме того Ом нашёл зависимость сопротивления проводника от длины и площади его поперечного сечения.

Учитель (продолжение лекции): 

5. Основы электронной теории электропроводности металлов.

На основе этих и других опытов П.Друде в 1900 году создал теорию электропроводности металлов, в основе которой лежат следующие допущения:

а) свободные электроны в металле ведут себя как молекулы идеального газа; «электронный газ» подчиняется законам идеального газа;

б) движение свободных электронов в металле подчиняется законам классической механики Ньютона;

в) свободные электроны в процессе их хаотического движения сталкиваются не между собой (как молекулы идеального газа), а с ионами кристаллической решётки;

г) при столкновениях электронов с ионами электроны передают ионам свою кинетическую энергию полностью.

6. Вывод закона Ома из электронной теории.

Надо сказать, что теория П.Друде – весьма упрощённое представление об электронной проводимости в металле как об идеальном электронном газе, потому что она:

 во-первых, не раскрывает природу зависимости электрического сопротивления от абсолютной температуры,

 во-вторых, классическая механика Ньютона также не может здесь применяться, иначе по закону сохранения энергии (m*v2/2=3*k*T/2) мы получим температуру порядка 105 – 106 К. Такая температура существует внутри звёзд, а движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики.

 Тем не менее, используя эту теорию, можно теоретически получить основной закон, связывающий силу тока в металлическом проводнике с напряжением на его концах.

Электроны под влиянием постоянной силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определённую скорость упорядоченного движения. Эта скорость в дальнейшем со временем не увеличивается, так как со стороны ионов кристаллической решётки на электроны действует некоторая тормозящая сила. В результате получаем такую логическую цепочку взаимосвязанных физических величин:

Таким образом, сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника I~U. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.

Ученик у доски подписывает формулы под знаками пропорциональностей.

7. Вольт-амперная характеристика металлов.

 Вольт-амперная характеристика металлов выглядит как прямая линия, исходящая из начала координат с определённым углом наклона к оси напряжений, зависящим от сопротивления проводника:

ctg α = U/ I = R.

R2>R1.

3.Закрепление знаний, умений, навыков.

Решение задачи:

Катушка намотана из медного провода массой 1 кг и сечением 0,1 мм2. Разность потенциалов на её концах 110 В. Определите скорость дрейфа электронов проводимости и среднюю силу, с которой электрическое поле действует на один электрон. Сравните скорость дрейфа электронов со скоростью распространения электромагнитного взаимодействия в вакууме.

Алгоритм решения задачи:

Дано:

m=1 кг

S= 0,1 мм2

U=110 B

ρус=1,7*10-2 Ом*мм2/м

m(Cu)=64 а.е.м.

|е|=1,6*10-19 Кл

с=3*108м/с

NA=6,02*1023 моль-1

ρпл= 8,9*103 кг/м3

v=?

F=?

Оценки за урок.

Д/З: §111, 112, вопросы после параграфов.

Литература:

1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н.Сотский. Физика. Учебник для 10 класса. М., «Просвещение», 2003.
2. Г.В.Маркина. Физика 10 класс (поурочные планы).Изд-во «Учитель».Волгоград, 2002.
3. Е.А. Демченко. Нестандартные уроки физики 7-11 классы, Волгоград, «Учитель-АСТ», 2005.

Приложение. Опорный конспект по теме: «Электрическая проводимость различных веществ».