Использование материалов ЕГЭ при организации учебного процесса на примере темы: "Электрический ток"

· Электрический ток. Сила тока. Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике.

· Условия, необходимые для возникновения и существования тока в веществе.

· Вольт-амперная характеристика. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление.

· Электрическая цепь: законы последовательного и параллельного соединения проводников. Механическая аналогия электрической цепи. Шунт к амперметру. Дополнительное сопротивление к вольтметру. Потенциометр.

· Работа тока. Закон Джоуля-Ленца. Мощность тока.

· Сторонние силы, их природа. Электродвижущая сила.

· Закон Ома для полной цепи. Короткое замыкание. Правила Киргхофа. Мостик Уинстона.

· Электронная проводимость металлов. Доказательства существования свободных электронов в металлах. Движение электронов в металле. Вольт-амперная характеристика металлов. Вывод закона Ома из электронной теории.

· Зависимость сопротивления проводника от температуры. Недостатки классической теории проводимости металлов. Сверхпроводимость. Технические применения высокотемпературных сверхпроводников.

· Электрический ток в полупроводниках. Полупроводники. Строение полупроводников. Электронная и дырочная проводимость. Зависимость сопротивления полупроводников от внешних условий.

· Проводимость полупроводников при наличии примесей. Донорные и акцепторные примеси.

· Электрический ток через контакт полупроводников p- и n-типа. Полупроводниковый диод. Транзистор. Усилительное действие транзисторов. Применение транзисторов. Микроэлектроника.

· Электрический ток вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Односторонняя проводимость. Диод. Триод. Свойства электронных пучков и их применение. Электронно-лучевая трубка. Открытие электрона. Опыты Милликена.

· Электрический ток в жидкостях. Электролитическая диссоциация. Ионная проводимость. Электролиз. Применение электролиза.

· Закон Фарадея для электролиза. Определение заряда электрона. Значение закона Фарадея в развитии представлений об электроне.

· Электрический ток в газах. Электрический разряд в газе. Ионизация газов. Рекомбинация. Несамостоятельный и самостоятельный разряды. Ионизация электронным ударом. Термическая ионизация. Фотоионизация. Искровой разряд. Коронный разряд. Электрофильтр. Дуговой разряд. Тлеющий разряд.

· Плазма и её свойства. Плазма в космическом пространстве.

*Курсивом выделен материал, предназначенный для изучения в профильных классах.

Т.к. в VIII классе учащимися уже были рассмотрены основные характеристики электрического тока и параметры электрических цепей, в Х классе все эти величины просто повторяют. Но наряду с этим, вводится важное понятие электродвижущей силы и закон Ома для полной цепи. На основе свойств электростатического поля, с которым учащиеся уже знакомы, показывают, что данный вид электрического поля не может поддерживать ток в проводнике, ведь без восполнения энергии статическое поле не может постоянно двигать заряды, совершая при этом работу. Но также известно, что разность потенциалов на любом участке цепи остается неизменной. Школьникам не представляется возможным элементарное изложение процессов преобразования энергии в проводнике при протекании тока, но факт существования поля внутри и вне проводника при протекании тока необходимо продемонстрировать экспериментально! Так как введение понятия ЭДС и дальнейший вывод закона Ома для полной цепи основывается на ранее изученном материале, то в зависимости от того, насколько хорошо были усвоены учащимися те или иные вопросы VIII класса, следует уделить больше или меньше времени на их обзорное повторение в X классе.

Понятие напряжения весьма трудно усваивается в курсе физики базовой школы, но в старших классах оно обычно не вызывает затруднений. Необходимо лишь обратить внимание учеников на терминологию: что есть разность потенциалов, падение напряжения, при каком условии разность потенциалов на участке цепи равна падению напряжения. В заключение изучения стационарного электрического поля в проводниках необходимо кратко повторить основные отличия и сходства его с электростатическим полем.

Говоря о задачах изучения рассматриваемой темы, следует иметь в виду, что без понимания закона Ома для полной цепи и понятия ЭДС невозможно усвоение закона электромагнитной индукции и ряда других вопросов электродинамики.

Изучение механизма проводимости в различных средах также имеет специфические трудности. Невозможно показать учащимся ни самих носителей зарядов, ни характера их движения. Эти трудности можно частично преодолеть, если максимально использовать учебные фильмы, интерактивные модели, в которых условно показан характер движения носителей зарядов в различных средах, и кроме того, показаны многие примеры применении приборов и устройств, основанных на этих закономерностях. Изучение темы должно широко опираться на демонстрационный и лабораторный эксперимент.

В основу изучения тока в различных средах положена единая методическая концепция, основанная на сопоставлении зависимости силы тока от напряжения и механизма проводимости в этих средах. Электрический ток в металлах, газах, полупроводниках и других средах существенно различается как носителями зарядов, так и характером их движения. В то же время электрический ток во всех средах имеет общую черту: он представляет собой упорядоченный поток заряженных частиц. В связи с этим необходимо при изучении тока в каждой новой среде сравнивать его с током в других средах. Это определяет единый план изучения тока в каждой среде: выясняют природу носителей зарядов; характер их движения; зависимость силы тока от напряжения (вольт-амперную характеристику); принцип действия приборов, устройств, основанных на закономерностях тока в этих средах; технологические процессы.

Рассмотрение основных закономерностей начинается с тока в металлах. Обусловлено это рядом причин: во-первых, это позволяет осуществить преемственную связь с курсом физики VIII класса; во-вторых, вольт-амперная характеристика для металлов наиболее простая. Но дальнейшая последовательность изложения темы определяется методическими соображениями. Например, А.А. Пинский: металлы, жидкости, газы, вакуум, полупроводники - изучение материала в таком порядке отражает исторический путь изучения и использования в технике особенностей прохождения тока через различные среды. В учебнике Б.Б. Буховцева: металлы, полупроводники, вакуум, жидкости, газы - здесь изучение полупроводников идет после изучения проводимости металлов, что подчеркивает важность полупроводников в современной технике - именно такую последовательность предлагает программа общеобразовательной средней школы.

Наиболее подробно изучается электрический ток в металлах и электролитах, здесь даются количественные зависимости, решают задачи. Весь остальной материал изучают фактически на качественном уровне.

При изучении электрического тока в растворах электролитов главное внимание уделяют закону Фарадея - при этом нельзя забывать о тесной связи с курсом химии.

При изучении особенностей прохождения тока в полупроводниках необходимо уделить внимание достижениям современной науки в области применения полупроводников. Целесообразно начать изучение с демонстрации их характерных свойств, а уже затем на основе введенного в химии понятия ковалентной и парно-электронной связи выяснить механизм протекания тока и объяснить свойства полупроводниковых материалов.

Основные методические подходы к изучению темы

Как было упомянуто ранее, различные авторы учебников предлагают различную последовательность и структуру изучения темы “Постоянный электрический ток”.

Можно выделить 3 основных подхода к делению материала темы:

<Рисунок 1>

На мой взгляд, наиболее целесообразными являются 1 и 3-й подходы, которые реализуются в комплектах учебников Мякишева Г.Я., Буховцева Б.Б. (базовый уровень, 10 класс), МякишеваГ.Я., Синякова А.З. (профильный уровень, 10-11 класс), учебник под ред. Пинского А.А. (профильный уровень, 10 класс), а также в учебнике Громова С.В. под ред. Шароновой Н.В. (базовый уровень, 10 класс). Связано это с тем, что во 2-м варианте недостаточно полно раскрываются закономерности протекания тока в различных средах, у учащихся невозможно сформировать целостную картину представлений о постоянном электрическом токе, в силу незавершенности материала темы и отнесении некоторой его части в другие разделы (например, в учебнике Касьянова А.В. материал о полупроводниках дается в главе “Электромагнетизм”, в учебнике Л.Э. Генденштейна и Ю.И. Дика темы “Электрический ток в различных средах” как таковой нет вообще).

Отличие 1го и 3го подхода состоит в соединении или отделении материала об электрическом токе в металлах от остальных сред. С одной стороны, отделение этого материала оправдано, т.к. оно имеет более широкое применение, чем всё остальное, и первоначальное рассмотрение электронной теории, а уже затем основных законов протекания тока в металлах вполне логично. Но с другой стороны, в этом случае металлы выносятся в обособленную группу веществ, и нарушается целостность восприятия картины протекания тока в различных средах, затрудняется возможность сравнения их характеристик и закономерностей, хотя это также важно для полного усвоения материала темы.

Применение 3го подхода наиболее целесообразно в классах технического профиля, 2-го - в гуманитарных классах, и 1-го - в классах биолого-химического профиля.

Изучение темы “Постоянный электрический ток”, как и других тем, имеет свои особенности. Так, главной проблемой, на мой взгляд, является невозможность демонстрации учащимся внутренних механизмов протекания тока, при том, что “внешние проявления” протекания электрического тока учащимся хорошо известны, и они сталкиваются с ними каждый день. При изучении закономерностей протекания электрического тока в различных средах (будь то металл, жидкость, газ, вакуум или полупроводник) учащимся невозможно показать ни самих носителей зарядов, о которых так много говорится, ни тем более характера их движения. Эти трудности можно частично преодолеть, если максимально использовать учебные фильмы, различные интерактивные модели, в которых хотя бы условно показан характер движения носителей зарядов в различных средах. К тому же, на данный момент подобных электронных образовательных ресурсов великое множество. Также учащимся полезно будет познакомиться с устройством различных приборов, использующих закономерности протекания тока в различных средах, и посмотреть на их непосредственное применение, что опять же невозможно сделать в связи с отсутствием подобного оборудования в школе. Подобные видеоролики существуют, причем как в виде натурных съемок, так и смоделированных на компьютере. И ещё в этой теме разработано большое количество интерактивных опытов и лабораторных работ, которые не могут быть заменены натурным физическим экспериментом, опять же в связи с отсутствием соответствующего оборудования, позволяющего проводить эти исследования из-за его опасности, несовместимости со школьным кабинетом физики.

В связи с тем, что всё вышеперечисленное имеет отношение к реализации общеметодического принципа наглядности в обучении, а интерактивная доска - уникальное средство для реализации этого принципа, считаю необходимым применение интерактивных технологий при изучении данной темы. Демонстрация опытов, принципиальных схем приборов, механизмов возникновения и протекания тока через картинки и видеозаписи на интерактивной доске, с учетом возможности остановки кадра и внесения пометок, поправок, позволит учащимся лучше и глубже понять материал темы.

Также, интерактивная доска поможет здесь в плане экономии времени урока за счет простого и быстрого создания рисунков, электрических схем, вольтамперных характеристик и т.д., которых в данной теме очень много, и фактически, они являются одними из основных элементов знаний наряду с математическими выражениями законов. Причем, всё это потребуется как при изучении нового материала, так и на этапах закрепления и контроля знаний.

На мой взгляд, при изучении данной темы необходима опора на аналогии и нахождение общих черт в закономерностях протекания тока в различных средах, а использование интерактивной доски даёт прекрасную возможность коллективного обсуждения результатов экспериментов, группировки различных явлений и процессов по общим признакам, составления обобщающих таблиц, блок-схем и т.д.

И, конечно же, тема “Постоянный электрический ток” не является исключением в плане использования присущих всем предметам преимуществ изучения материала с интерактивной доской.

В школе-семилетке при изучении электричества вопрос ставится не о познании существа электрических явлений как формы движения частиц электричества, а о рассмотрении основных свойств электрического тока и, главное, о преобразовании электрической энергии в механическую, тепловую, химическую и обратно. Круг сведений, получаемых учащимися в первом концентре, как бы соответствует достижениям физики XIX века; новые же представления об электрической природе вещества, являющиеся достоянием науки XX века, в программе школы-семилеткй не затрагиваются. В основу изложения принимается, что электрический ток является одним из видов энергии что для получения этой энергии необходима затрата других видов энергии и что электрическая энергия может быть в свою очередь превращена в другие виды. Иными словами, электрические явления рассматриваются с энергетической стороны, и, таким образом, изложение ведётся с помощью понятия энергии. По этой причине изучение электричества возможно только после рассмотрения элементов механики, в том числе и после введения понятий о механической энергии, а также после рассмотрения основных вопросов теплоты.

Так как применение электрического тока в быту, промышленности, транспорте, связи, медицине, военном деле и вообще народном хозяйстве имеет исключительно важное значение, то на изучение электрических явлений отводится больше времени, чем на любой другой из разделов физики.

В соответствии с приведёнными установками учащиеся должны получить следующие знания и навыки:

Представление об электрическом токе, как движении электрических зарядов, и о действиях тока.

Понятие о простейших электрических цепях, их составных частях и принципе их составления.

Знание принципов устройства генераторов тока -- химического и механического (электромагнитного).

4) Понятие об основных величинах электрического тока (силе тока и напряжении) и цепи (сопротивлении), знание единиц, служащих для измерения этих величин, и уменье произвести соответствующие измерения.

Знание зависимости между током, напряжением и сопротивлением и уменьем производить соответствующие расчёты.

Знание способов преобразования электрической энергии в другие виды (теплоту, свет, химическую и механическую энергии) или, что то же, принципов устройства приёмников, т. е. приборов, преобразующих электрическую энергию в другие виды.

Понятие о работе тока и мощности и единицах для их измерения и уменье произвести расчёты работы и мощности тока.

Представление о к. п. д. при некоторых преобразованиях электрической энергии в другие её виды и обратных процессах.

9) Знание применения электрической энергии в технике и значения этого применения для народного хозяйства.

10) Представление об электрических явлениях в атмосфере.

11) Понятие об электрификации и её значении для нашей страны социализма.

Все эти знания отнюдь не могут быть формальными и должны быть построены на основе широкого применения демонстрационного эксперимента. Эти знания должны вооружить учащихся рядом навыков практического характера (составление электрической цепи, пользование источниками электрического тока, управление током посредством выключателей и реостата, применение электрических измерительных приборов, включение приёмников1 и управление ими). Не менее важно, чтобы учащиеся могли использовать свои знания и навыки в своей практической жизни для выполнения простейшего ремонта -- электрического освещения (соединение проводов, изолировка, зарядка простейшей арматуры, устранение короткого замыкания, замена предохранителей) и некоторых бытовых электроприборов (звонок, плитка и т. п.).

Конкретное содержание учения об электричестве и соответствующие методические советы приведены*в методических указаниях к отдельным темам программы.

О введении основных понятий в учении об электричестве

Наибольшие затруднения при изучении отдела электричества возникают при разъяснении большинства основных понятий. Эти затруднения в отношении понятий о движении зарядов, силе тока и сопротивлении сравнительно легко преодолимы. Однако, для формирования первых двух из указанных понятий приходится прибегать к введению понятия об электрических зарядах, как о некоторой величине -- «количестве» электричества, что требует предварительного изучения основных сведений из электростатики. Только при помощи опытов с электрическими зарядами можно убедить учащихся, что заряды реально существуют и по своей величине могут быть больше или меньше 1.

Однако, электростатика, при изучении которой приходится вводить понятие о двух родах электричества, ставит некоторый трудно разрешаемый в школе-семилетке вопрос о том, движение каких зарядов -- положительных или отрицательных -- представляет электрический ток. Кроме того, некоторая путаница возникает у учащихся вследствие единообразия обозначений (знак -(- и --) различных видов электричества и полюсов у источника тока. Поэтому точка зрения некоторых методистов, заклю-г чающаяся в рекомендации введения начал электронных представлений, заслуживает серьёзного внимания (§ 88).

Наибольшие затруднения возникают при введении понятий о работе и мощности электрического тока и ещё более значительные-- при введении понятия о напряжении тока 2.

Недаром же методическая мысль в течение нескольких десятков лет ищет правильных путей к разрешению этих затруднений. Несмотря на многочисленные работы и на огромный практический опыт, эти вопросы нельзя признать разрешёнными. Среди многочисленных вариантов наибольшее применение получили два пути для введения указанных понятий и установления основных зависимостей между величинами.

В одном из этих путей энергетический смысл понятия напряжения должным образом не выясняется; напряжение в таком случае рассматривают как нечто, аналогичное силе (причина существования тока в цепи). Единица напряжения -- вольт -- определяется через ампер и ом из закона Ома, введённого на основе опыта. Формулы же работы и мощности тока приходится вводить оторванно, почти догматически, иногда по аналогии с механикой. Подобный путь принят, например, в учебнике Фалеева и Пёрышкина.

При другом пути напряжение определяют через работу, которую производит каждый кулон протекающего электричества. Определение вольта делается через кулон и джоуль (§ 97). Тогда на основании простых рассуждений нетрудно установить выражения для работы и мощности тока. Закон Ома вводится позднее, на основе опыта1.

Второй путь является более трудным для учащихся, Но он приводит к более правильному и более полному уяснению понятия о напряжении, в то время как первый, не будя мысли учащихся, решает вопрос чисто формально. Учитывая, что формирование особенно сложных понятий происходит весьма постепенно и длительно, наиболее правильно дать, как можно раньше, первое представление о напряжении, как причине, вызывающей электрический ток, с тем, чтобы в дальнейшем, углубляя понятие, ввести его определение через работу.

При введении всех основных понятий из области учения об электричестве огромную пользу принесёт использование различных аналогий (§ 89).

Аналогии в преподавании электричества

1. Значение аналогий. Значение аналогий не только в процессе обучения, но и научного познания общеизвестно. Особенно велика роль аналогии при введении понятий об электрических токе, цепи и основных величинах -- силе тока, сопротивлении и напряжении. Сравнение некоторых электрических явлений и величин с соответствующими механическими позволяет приблизить учащихся к уяснению сущности электрических процессов и величин, их характеризующих. Однако, при введении аналогии необходимо помнить, что всякая аналогия является не чем иным, как уподоблением только в известной мере и до некоторой степени, но отнюдь не отождествлением сравниваемых явлений.

Об этом основном положении надо поставить в известность учащихся во избежание отождествления ими механических и электрических процессов и, главное, во избежание приложения аналогии ко всем без исключения сторонам явления, а не только к тем строго определённым, для которых аналогия правомерна.

Наибольшего внимания заслуживают аналогии, в которых электрический-ток сравнивается с потоками жидкости или газа1. Наибольшие возможности открываются при сравнении некоторых электрических явлений с явлениями в сжатом или движущемся газах.

2. Аналогия в электростатике. Для объяснения электрических явлений полезными могут оказаться такие аналогии:

1) Два сосуда с водою помещены на различных высотах, т. е. один выше другого (рис. 3.). Верхний сосуд, в котором уровень воды выше, чем в другом, является аналогом заряженного тела. Количество воды уподобляется величине заряда или количеству электричества.

Рис. 3. Аналогия электрического заряда и причины возникновения электрического тока

При соединении сосудов трубкой происходит вытекание воды из верхнего сосуда в нижний, что в аналогии соответствует электрическому току. Разница между запасами потенциальной энергии жидкости в верхнем и нижнем сосудах аналогична разности электрических потенциалов или напряжению тока. Учащимся такая аналогия может быть дана только в самой упрощенной форме.

Возникновение электрического тока не только между разноимёнными, но и одноимёнными зарядами, лишь бы между ними существовало электрическое напряжение, т. е. они имели бы различные потенциалы. Действительно, для возникновения воздушного тока между сосудами необходима разность давлений между заключёнными в них газами, вне зависимости от того, являются:

Методические замечания. Изучением электрической цепи заканчивается первый круг сведений об электричестве. При рас смотрении данной темы: 1) подытоживаются и уточняются все по лученные ранее сведения об электричестве; 2) производится изу чение принципа составления электрической цепи и конкретного назначения её отдельных чавтей; 3) изучается устройство подсоб ных частей (клеммы, провода, выключатели и т. п.) и 4) вводятся первые представления q напряжении тока.

В результате изучения темы учащиеся должны раз и навсегда овладеть знаниями о составлении цепи, выучиться не только чертить' её схемы, но и твёрдо усвоить практические навыки по её составлению. Посколькуэти знания и навыки весьма важны для дальнейшего изучения курса, Постольку данную тему надо рассматривать как одну из наиболее важных и ответственных. Поэтому на её изучение необходимо обратить самое серьёзное внимание.

4.1 К вопросу об изучении электронной проводимости металлов

Изучение проводимости металлов

Компьютерная лабораторная работа. 10-й класс. Базовый курс

Предлагаю описание компьютерной лабораторной работы на основе созданной мною программы provod, предусматривающей два режима работы: изучение поведения проводника во внешнем электрическом поле и изучение электронной проводимости. Полную программу, а также описание работы с ней можно бесплатно получить через Интернет по адресу: http://web.ic.tsu.ru/~rain/er/index.html в разделе «Электромагнетизм».

Привожу описание работы с этой программой в первом режиме - изучение (или закрепление, если материал изучался ранее) электронной проводимости металлов.

Установите курсор на файл provodnk.exe и нажмите клавишу «enter» или дважды щелкните левой кнопкой «мыши». При появлении титульного листа программы нажмите «пробел», затем клавишу «z».

На вопрос, какова температура изучаемого проводника в кельвинах, наберите число 300 и нажмите «enter». Появится схема электрической цепи с источником тока и разомкнутым ключом, причем верхняя часть проводника изображена в увеличенном виде, что позволяет видеть его внутреннее строение. Приведенные на экране условные обозначения поясняют, что ионы, образующие кристаллическую решетку металла, изображаются красными шариками, а электроны - голубыми.

· Задание 1. Рассмотрев картинку на экране, ответьте на вопросы:

а) Каково строение металла?

б) Как ведут себя ионы в металле?

в) В каком состоянии находятся в металле электроны? Постоянна ли их скорость? Если не постоянна, то что меняется: величина скорости, ее направление или то и другое? При каком условии меняется скорость каждого электрона?

При ответе на последний вопрос нажмите клавишу «с» - в этом случае один из электронов будет выделен желтым цветом, за ним и проследите.

г) Происходит ли в среднем перенос электрического заряда в каком-либо определенном направлении? Чтобы дать обоснованный ответ, проследите за выделенным электроном в течение одной-двух минут. Проверьте, совершил ли в среднем электрон перемещение в каком-либо определенном направлении. Вышел ли он за пределы выделенного участка проводника? Является ли такое движение упорядоченным или беспорядочным (хаотическим)?

· Задание 2. Измените температуру металла. Для этого нажмите клавишу «s», затем введите число, обозначающее более высокую температуру (например 500) и нажмите «enter». Опишите, какие изменения произошли при повышении температуры. Как сказалось повышение температуры на движении электронов? движении ионов? Почему беспорядочное (хаотическое) движение электронов еще называют «тепловым»?

· Задание 3. Подключите к проводнику источник тока. Для этого нажмите клавишу «1». При этом замкнется ключ, и на выделенной крупным планом части проводника появится напряжение, имеющее условное значение 1 вольт (значение 1 В появляется в левом верхнем углу экрана). Значит, внутри проводника появилось электрическое поле. Опишите, к чему это привело. Изменилось ли (если да, то как) движение электронов? ионов? Прекратилось ли при этом хаотическое движение электронов? Появился ли в среднем перенос электрического заряда в определенном направлении? (Пронаблюдайте за выделенным электроном.) Если да, то в каком направлении: влево или вправо? к положительному полюсу источника тока или от него? Какое из движений электронов происходит с большей средней скоростью - хаотическое или направленное?

С помощью часов с секундной стрелкой или секундомера определите, сколько времени в среднем понадобится выделенному электрону, чтобы пройти по проводнику. Для этого три раза измерьте, за какое время выделенный желтым цветом электрон пройдет от левого конца проводника до его правого конца, и найдите среднее арифметическое значение этого времени (сложите результаты и сумму разделите на число измерений).

Рассчитайте среднюю скорость направленного движения электронов по формуле v = s / t, где s - длина выделенного участка проводника, равная 0,2 мм, t -измеренное вами среднее время.

· Задание 4. Измените напряжение, приложенное к проводнику, нажав клавишу «2». При этом вдвое увеличится количество источников тока в цепи, значит, увеличится и напряжение, а также напряженность электрического поля в проводнике. Ответьте на вопросы:

а) Какие изменения произошли в выделенном участке проводника?

б) Изменилось ли состояние ионов?

в) Изменилось ли движение электронов? Если изменилось, то как, какое именно - хаотическое, направленное или оба?

г) Определите теперь среднюю скорость направленного движения электронов, как это делалось в задании 3.

· Задание 5. Нажав клавишу «3», установите напряжение 3 В (при этом в цепь окажутся включены три источника тока). Ответьте на те же вопросы, что и в задании № 4. Сравните средние скорости направленного движения электронов при напряжениях 1 В, 2 В, 3 В и сделайте вывод.