Do you want to support owner of this site? Click here and donate to his account some amount, he will be able to use it to pay for any of our services, including removing this ad.

Методика вивчення теми “ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ”

4. Методика вивчення основних питань теми

А. Умови існування електричного струму. Стаціонарне електричне поле.

Нагадуємо спочатку деякі основні поняття, що описують електричний струм. Взагалі під електричним струмом розуміють впорядкований рух (для постійного струму – напрямлений рух) заряджених частинок або тіл. Розрізняють струм провідності, інерційний та конвекційний струми. У даній темі вивчають струм провідності. Проходження струму в провідниках супроводжується магнітною, тепловою та хімічною діями.

Магнітна дія струму є універсальною, вона має місце для будь-якого струму, теплова дія струму відсутня у надпровідниках, хімічна дія спостерігається для струмів у розчинах та розплавах електролітів.

Потрібно розрізняти напрям руху заряджених частинок (електронів, йонів) та напрям струму. За напрям струму беруть напрям руху вільних позитивно заряджених частинок.

Інтенсивність дії струму може бути різною, тому для характеристики струму вводять поняття сили струму, яке характеризує швидкість перенесення заряду частинками через поперечний переріз провідника і визначається за формулою:

У Міжнародній системі одиниць сила струму вимірюється в амперах (А). Якщо сила струму з часом не змінюється, то струм називають постійним.

Розподіл струму у провіднику характеризується густиною струму яка є векторною величиною, напрям якої збігається з напрямом струму. Сила струму є скалярною величиною. Оскільки електричний струм – це напрямлений рух вільних заряджених частинок, то для існування струму перш за все потрібно, щоб існували вільні заряджені частинки (носії заряду). Вільні носії заряду під час напрямленого руху зіштовхується з молекулами, атомами та йонами провідника і втрачають частину своєї енергії.

Тому для підтримання їх неперервного напрямленого руху необхідно, щоб на них весь час діяли сили, тобто, щоб у провіднику існувало електричне поле. Обґрунтувати це положення на досліді можна таким чином. Беруть два електрометри і заряджають один із них до деякого потенціалу. Потім з’єднують електрометри провідниками, між якими як індикатор ввімкнена неонова лампочка (мал. 30). Спалах лампочки свідчить (дослід проводять у затемненому приміщенні), що по ній пройшов короткочасний струм. Електрометри виявляються зарядженими до однакового потенціалу, різниця потенціалів між ними дорівнює нулю, лампочка не світиться, струму в провіднику нема.

Мал. 30

Щоб струм у провіднику існував тривалий час, потрібно на його кінцях підтримувати різницю потенціалів, тобто підтримувати електричне поле у провіднику. Для підтвердження цього висновку неонову лампочку приєднують до полюсів високовольтного випрямляча або до кондукторів електрофорної машини. При обертанні ручки машини неонова лампочка світиться неперервно, що доводить існування електричного поля і постійного електричного струму, який виникає під його дією.

З попередньої теми учні знають, що у випадку нерухомих зарядів поверхня провідника еквіпотенціальна, а електричне поле всередині провідника відсутнє. У випадку постійного струму між кінцями провідника існує різниця потенціалів, а у провіднику існує електричне поле відмінне від електростатичного. Його називають стаціонарним полем.

Відмінність стаціонарного поля від електростатичного можна продемонструвати так. Між двома ізолюючими штативами натягують дві товсті нитки, трохи зволожені мокрими пальцями. Одні кінці ниток приєднують до полюсів високовольтного випрямляча. Потенціали ниток вимірюються за допомогою електрометра (мал. 31). Для цього корпус електрометра заземлюють, а до стержня приєднують гнучкий провідник, до другого кінця якого приєднують пробну кульку на ізольованій ручці. Спочатку показують, що при відсутності струму (кінці ниток не з’єднані) заряджені нитки мають однаковий потенціал по всій довжині. Для цього пробною кулькою дотикаються до однієї нитки в різних її точках і переконуються, що покази електрометра однакові. Потім кінці ниток з’єднують і знову вимірюють потенціали вздовж всієї лінії. Тепер потенціали у різних точках нитки неоднакові, тобто поверхня провідника, в якому існує електричний струм, уже не є еквіпотенціальною. Спад потенціалу вздовж провідника з струмом означає, що існує складова напруженості електричного поля, яка напрямлена вздовж провідника; лінії напруженості уже не перпендикулярні до поверхні провідника, а мають деякий нахил у напрямку струму. Це можна підтвердити за допомогою досліду.

Мал. 31

У плоску прозору кювету наливають трансформаторне мастило або рицинову олію і насипають трохи манної крупи, кристаликів гіпосульфіту або дрібно порізаного волосся. У кювету занурюють дві дерев’яні палички, що слугують електродами, і приєднують їх до високовольтного випрямляча або електрофорної машини. У проекції на екран спостерігають картину електростатичного поля (мал. 32а). потім дерев’яні електроди сполучають третьою паличкою і спостерігають стаціонарне поле (мал. 32 б).

Мал. 32

Його лінії напруженості не перпендикулярні до поверхні електродів. Це означає, що при наявності струму існує напруга між окремими точками провідника, внаслідок чого напруженість поля має повздовжню складову, яка створює напрямлений рух зарядів у провіднику.

Зауважимо, що стаціонарним полем називають електромагнітне поле постійного струму, яке має як електричну, так і магнітну складові. Ці складові не зв’язані між собою і можуть вивчатися окремо.

Стаціонарне поле як і електростатичне є потенціальним.

Б. Закон Ома для однорідної ділянки кола. Послідовне і паралельне з’єднання провідників.

Ці питання досить повно вивчалися в базовому курсі фізики, тому їх треба згадати і повторити, до того ж учні будуть виконувати дві фронтальні лабораторні роботи: “Визначення питомого опору провідника” та “Послідовне і паралельне з’єднання провідників”.

Залежність сили струму в провіднику від прикладеної до нього напруги експериментально визначив німецький учений Георг Ом. Для однорідної ділянки кола сила струму прямо пропорціональна прикладеній напрузі U обернено пропорціональна опору провідника R:

Цю залежність називають законом Ома для ділянки кола. Залежність сили струму від напруги також називають вольт-амперною характеристикою провідника. Для металевих провідників вона найпростіша (мал. 33).

Мал. 33

Добуток I*R=U називають спадом напруги. Опір є основною електричною характеристикою провідника. Його можна обчислити за допомогою закону Ома: R=U/I

Провідник має опір 1 Ом, якщо при напрузі 1 В сила струму в колі 1 А.

Опір провідника залежить від матеріалу і його геометричних розмірів. Він обчислюється за формулою:

де ρ – питомий опір матеріалу. Він чисельно дорівнює опору провідника, який має форму куба з ребром 1 м, якщо струм напрямлений уздовж нормалі до двох протилежних граней куба. Одиницею питомого опору є Ом•м.

Для практичних розрахунків зручно користуватися одиницею Ом*мм2

Послідовне з’єднання провідників. При послідовному з’єднанні електричне коло не має розгалуджень (мал. 34) Сила струму в обох провідниках однакова: I1 = I2 = I.

Мал. 34

Напруга на кінцях ділянки кола дорівнює сумі напруг на першому і другому провідниках: U1 + U2 = U. Загальний опір послідовного з’єднання провідників визначається за формулою:

Напруги на провідниках пропорціональні їх опорам: R1 + R2 = R.

Паралельне з’єднання провідників. Таке з’єднання трьох провідників показано на малюнку 35.

Мал. 35

Ознакою паралельного сполучення провідників є розгалуження електричного струму. Напруга на паралельно з’єднаних провідниках однакова. Сила струму І у з’єднанні дорівнює сумі сил струмів у провідниках:

Опір паралельного з’єднання обчислюється за формулою:

Сили струму у провідниках обернено пропорціональні їх опорам:

Застосування паралельного і послідовно з’єднання провідників можна показати на конкретних прикладах розрахунку шунтів до амперметра і додаткових опорів до вольтметра.

В. Робота і потужність струму

При напрямленому русі вільних зарядів у провіднику сили електричного поля виконують роботу, яку називають роботою струму. Напруга на кінцях провідника визначається роботою, що виконується при перенесенні одиниці заряду

З цього виразу одержимо, що робота струму обчислюється за формулою

Врахувавши, що одержимо: . Потужність струму обчислюється за формулою: P=UI.

Роботу струму можна обчислити за відомою потужністю: A=P*Δt

На практиці користуються такою одиницею роботи як кіловат-година. Потрібно встановити її зв’язок з джоулем:

1 кВт год = 1000 Вт*3600 с = 3600000 Вт*с = 3600000 Дж.

При проходженні струму провідник нагрівається і віддає в навколишнє середовище певну кількість теплоти. Закон, що визначає цю кількість теплоти, називають законом Джоуля-Ленца. Він формулюється так: кількість теплоти, яку виділяє провідник зі струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника і часу проходження струму:

Використовуючи закон Ома для ділянки кола виразу для роботи струму можна надати різних виглядів:

З’ясуємо, за яких умов так можна поступити. Якщо струм проходить металевим нерухомим провідником, то вся робота струму іде на нагрівання провідника, закон Ома для ділянки кола має вигляд I=U/R і вище наведені форми еквівалентні. Але електрична енергія може перетворюватися не тільки у внутрішню, а й в механічну (в електродвигунах) і енергію хімічних зв’язків (при проходженні струму через розчини електролітів). У цих випадках закон Ома в звичайному вигляді не застосовний, бо треба враховувати ЕРС індукції (в електродвигунах) та ЕРС поляризації в електролітах, а, отже, формули, про які йшлося вище, не еквівалентні. Перший вираз враховує всі перетворення електроенергії в інші види енергії, другий вираз враховує лише перетворення електричної енергії у внутрішню, тобто визначає кількість виділеної теплоти, а третій вираз взагалі не визначений.

Г. Електрорушійна сила. Закон Ома для повного кола

При з’ясуванні умов, необхідних для існування струму, зазвичай, не аналізуються перетворення енергії, які при цьому мають місце, хоча це питання має важливе значення.

Як відомо, електричне поле не може постійно приводити вільні заряди в рух, виконуючи при цьому роботу без поповнення енергії. Адже при проходженні струму в провіднику виділяється певна кількість теплоти. Різниця потенціалів на будь-якій ділянці кола при постійному струмі залишається незмінною, отже, і напруженість електричного поля в провіднику і його енергія залишаються сталими. Ця енергія постачається у коло електромагнітним полем.

Щоб струм у провіднику був тривалим, провідник має бути замкненим, інакше електричні заряди накопичувалися б на кінцях провідника і струм припинився б.

Для з’ясування цього питання розглядають два заряджені провідники А і В (мал. 36). Провідник А має вищий потенціал, ніж провідник В. Якщо з’єднати ці провідники третім провідником АСВ, то позитивні заряди будуть рухатись під дією кулонівських сил від провідника А до провідника В. Але такий рух швидко припиняється, бо потенціали провідників А і В вирівнюються.

Мал. 36

Щоб рух не припинявся, потрібно якимось чином переносити позитивні заряди від провідника В до провідника А, наприклад, за допомогою провідника BDA. Але на позитивні заряди у провіднику BDA будуть діяти кулонівські сили у напрямі від А до В. Отже, щоб позитивні заряди переміщалися від В до А, потрібно щоб на ділянці BDA діяли якісь сили, спрямовані проти кулонівських сил і більші за них за модулем. Сили, що діють на позитивні заряди у напрямі від В до А, мають бути не кулонівські (не електростатичні), їх називають сторонніми силами. Пристрої, у яких виникають стороні сили, називають джерелами струму. З енергетичної точки зору у джерелі струму виконується робота сторонніми силами, тобто відбувається перетворення різноманітних видів енергії в енергію електричного поля. Так, наприклад, у хімічних джерелах струму за рахунок хімічних реакцій в електричну енергію перетворюється внутрішня енергія речовин, що реагують між собою, в індукційних генераторах в електричну енергію перетворюється механічна енергія двигунів тощо.

Після з’ясування цих питань вводиться основна фізична величина, що характеризує роботу сторонніх сил – електрорушійна сила (ЕРС).

Електрорушійною силою називають фізичну величину, що характеризує електричне коло і дорівнює роботі сторонніх сил у джерелі при переміщенні одиничного позитивного заряду у замкнутому колі:

Електрорушійна сила є характеристикою джерела і не залежить від того, з чого складається зовнішня частина кола. При розімкненому колі розподіл зарядів у джерелі відбувається доти, поки дія на заряд сил електричного поля не зрівноважиться дією сторонніх сил. Тоді різниця потенціалів між полюсами джерела досягає найбільшого значення. Отже, можна говорити, що різниця потенціалів на полюсах джерела струму при розімкнутому колі дорівнює ЕРС цього джерела.

Вираз закону Ома для повного кола можна одержати з енергетичних міркувань. При замиканні кола позитивно заряджені частинки у зовнішній частині кола під дією електричного поля рухається від позитивного полюса до негативного. Оскільки зовнішня частина кола має опір, то в ній виділяється певна кількість теплоти. Всередині джерела струму діють сторонні сили і позитивні заряди рухаються від негативного полюса до позитивного. Внутрішня частина кола також має опір і в ній теж виділяється певна кількість теплоти. Якщо у колі немає ніяких інших змін крім нагрівання, то робота, виконувана сторонніми силами у джерелі, дорівнює кількості теплоти, що виділяється у всьому колі А=Q. Оскільки A=ξ*q=ξIt, а Q=I2(R+r)t , то ξIt = I2(R+r)t. Звідси ξ=IR+Ir.

Добуток IR називають спадом напруги на зовнішньому опорі, Ir – спадом напруги на внутрішньому опорі джерела струму. Останню рівність записують у вигляді:

Це і є закон Ома для повного кола.

Продемонструвати ЕРС, внутрішній опір джерела струму та закон Ома для повного кола можна за допомогою електролітичної ванни. Ці досліди детально описані у посібнику [26].

Електричне коло у певному розумінні аналогічне замкненій гідродинамічній системі, у якій циркулює вода (мал. 37).

Мал. 37

Насос 2 є аналогом джерела струму, вертушка 4 – споживача енергії, труби 3 – з’єднувальних провідників, кран 1 – вимикача. Трубами вода тече завдяки різниці тисків, у насосі вона рухається від точки, де тиск менший, до точки, де тиск більший. Отже, рух води в середині насоса зумовлений не різницею тисків, а силами пружності, що діють з боку лопатей насоса, які деформуються при прокачуванні води.

З’ясуванню фізичної суті явищ, що відбуваються в електричному полі, допомагає і механічна модель електричного кола (мал. 39), детально описана у посібнику (Мирг 9.) Зміст закону Ома для повного кола потрібно проаналізувати. Сила струму в колі залежить від трьох величин: ЕРС і внутрішнього опору, які характеризують джерело струму, та зовнішнього опору.

Мал. 38

5. Типові задачі

Задачі з даної теми можна умовно поділити на такі групи:

На обчислення величин, які характеризуютьелектричне коло

Мал. 39
- У колі (мал. 39) R1=10 Ом, R2 =15 Ом, R3 =25 Ом, R4 = 50 Ом, R5 =5 Ом і сила струму I1= 2 А. Визначити силу струму в колі і його розгалудженнях, а також загальну напругу.
- Знайти значення сили струму і напруги на ділянках зовнішнього кола (мал. 40), якщо кожний із трьох елементів має ЕРС =1,5 В і внутрішній опір r1 =0,5 Oм. У зовнішньому колі ввімкнені резистори з опорами R1 =0,73 Ом, R2=4 Ом, R3=0,8 Ом і R4=1,58 Ом.

Мал. 40

На обчислення роботи та потужності струму

ЕРС джерела струму 2 В, внутрішній опір 1 Ом. Визначити силу струму, якщо зовнішнє коло споживає потужність 0,75 Вт. Пояснити зміст двох відповідей.

6. Організація контролю та обліку знань учнів

Оскільки на вивчення теми відводиться незначна кількість годин, давати контрольну роботу на весь урок не варто. Основне питання, по якому проводиться перевірка знань учнів, це закон Ома для повного кола. У контрольну роботу потрібно включати завдання на супутній матеріал, а саме: закон Ома для ділянки кола; послідовне і паралельне з’єднання провідників, залежність опору провідників від матеріалу та їх розмірів, робота і потужність струму.

Наводимо приклад такого завдання

Коло складається із джерела струму, ЕРС якого 7,5 В і внутрішній опір 0,3 Ом, та двох паралельно з’єднаних провідників з опорами відповідно 3 Ом і 2 Ом (мал. 41). Визначити силу струму в другому провіднику.

Мал. 41

Для оперативного контролю знань та закріплення матеріалу варто використати також тести з вибором відповіді. Робота з тестами не вимагає великих затрат часу і часто дає кращі результати, ніж завдання на одержання однієї відповіді, адже вибір правильної відповіді з декількох правдоподібних стимулює учнів до більш глибокого аналізу фізичних ситуацій.

Значну користь учням в опануванні матеріалом може принести робота зі структурною схемою матеріалу теми, яка наведена на початку лекції. Учням пропонують у клітинки схеми (вона має бути більших розмірів) вписати означення, поняття, закони, формули.

Питання для самоконтролю

1. Які фронтальні роботи мають виконати учні під час вивчення теми?
2. Проведення яких демонстрацій вимагає програма при вивченні теми?
3. Які умови необхідні для існування постійного струму? Як це довести учням?
4. Проведіть науково-методичний аналіз поняття “електрорушійна сила”.
5. Порівняйте властивості стаціонарного електричного поля з властивостями електростатичного.
6. За яких умов робота струму дорівнює кількості теплоти, що виділяється у провіднику?
7. За яких умов формули IUΔt, I2RΔt і U2Δt/R дають однаковий результат?
8. Як вивести закон Ома для повного кола, виходячи із закону збереження енергії?

Попередня сторінка На початок сторінки Наступна сторінка

  •     
Веб-сайт btblady - здесь отборные советы на разную тематику для нее.

































© 2003-2019 Методика навчання фізики в середній школі | Хостинг: RCHosting