§ 98. Закон Ома
Демонстрационные опыты и лабораторные работы — см. т. II, §§ 45, 4, 10—13 и 68, 5. Упрощенные приборы — см. т. III, §44. Рисунки и чертежи на уроках — см. т. IV, § 62, 3.
1. Содержание: а) Зависимость силы тока от напряжения и сопротивления. б) Закон Ома. в) Лабораторная работа: Измерение сопротивления и мощности. г) Вычисления по формулам — закона Ома и мощности.
1. Методические замечании. Закон Ома в школе-семилетке рассматривается только для участка цепи; распространение его на всю цепь потребовало бы значительного времени и, главное, оказалось бы сложным для учащихся.
Введение закона Ома на основе экспериментальных данных затруднений не представляет. Учащиеся обычно легко усваивают зависимость силы тока от напряжения и сопротивления и пользуются ею для вычислений. В отношении косвенных выражений закона Ома, т. е. определения напряжения и сопротивления, учащиеся нередко допускают ошибки математического характера, искажая зависимость, что надо преподавателю заранее иметь в виду.
При изучении закона Ома важна не столько вычислительная сторона сама по себе, сколько применение этого закона для решения различных конкретных физических вопросов. Поэтому необходимо обращать особое внимание на содержание задач, подбирая такие, в которых ставятся вопросы по отношению к конкретным объектам и случаям, в той или иной мере знакомым учащимся или представляющим интерес для них.
Если закон Ома изучается раньше введения понятия мощности тока, то установление единицы напряжения (вольта) делается через ампер и ом. Однако, и при рекомендуемом нами определении понятия о напряжении через работу тока необходимо в соответствующее время подчеркнуть, что при напряжении в 1 вольт в цепи с сопротивлением в 1 ом устанавливается сила тока в 1 ампер, т. е., иными словами, дать определение вольта через ампер и ом.
3. Закон Ома. Руководствуясь указаниями, приведёнными в т. II, § 45, 10—12 и рис. 327—329, на опытах обнаруживают зависимость силы тока сначала от напряжения и затем от сопротивления. На подготовку эксперимента следует обратить самое серьёзное внимание; надо подобрать источники тока и сопротивления цепи так, чтобы отсчёты на вольтметре и амперметре выражались целыми числами; в связи с этим надо напряжение и сопротивление изменять (увеличивать и уменьшать) в целое число раз (2 или 3). На опыте сначала устанавливается, что величина тока прямо пропорциональна напряжению, и проводится устное решение нескольких тренировочных задач, например, таких типов:
I. Напряжение увеличилось в 6 раз. Как изменилась величина тока? II. При напряжении в 120 в величина тока равна 6 а. Какая cила тока возникает в той же цепи при напряжениях в 240 в, 60 в и 12 в?
При установлении прямой пропорциональности между величиной (силой) тока и напряжением весьма существенное значение имеет построение графика, связывающего эти величины (см. т. IV, рис. 410). График строится на основании конкретных числовых данных, полученных из опыта. Такой график позволяет подвести учащихся к первым представлениям о функциональной зависимости между величинами. В частности, надо ознакомить учащихся с графическим способом нахождения величины (силы) тока по напряжению и впоследствии — напряжения по величине (силе) тока.
Во втором этапе по введению закона Ома на опыте обнаруживается, что величина тока обратно пропорциональна сопротивлению, и проводятся тренировочные упражнения, подобные указанным выше. На основании соответствующих числовых данных строится график зависимости величины (силы) тока от сопротивления (см. т. IV, рис. 114). Только после этого даётся формулировка закона Ома в его обычном виде, и производятся записи:
и затем формулой
После решения нескольких тренировочных задач на вычисление величины (силы) тока по данным напряжению и сопротивлению вводится соотношение U=I*R, и решаются задачи вида:
III. Какое напряжение нужно приложить к электрической лампочке, имеющей сопротивление 8 омов , чтобы через неё потёк нормальный для её накала ток силою в 0,5 а?
При подборе такого типа задач для упрощения следует избегать термина падение напряжения и говорить о напряжении на данном участке (приборе).
В заключение предпринимается решение нескольких задач на определение сопротивления по формуле R=U/I , например, в виде:
IV. Какое сопротивление имеет электрическая плитка, если через неё при напряжении в 120 в течёт ток, равный 5 а?
Относительно введенного соотношения R=U/I надо выяснить учащимся, что сопротивление есть качество, присущее проводам цепи и никоим образом не зависящее от напряжения и величины тока. Поэтому, как было уже указано ранее в § 38, 3, некоторые методисты утверждают, что нельзя сопротивление цепи считать прямо пропорциональным напряжению и обратно пропорциональным величине тока. Рассматриваемое соотношение, по их мнению, является формулой, по которой можно лишь определить величину сопротивления цепи на основании числовых данных напряжения и величины тока, полученных измерениями на опыте.
Установленное соотношение R=U/I используется также для объяснения вопроса, ранее оставленного открытым и заключающегося в том, почему единица сопротивления - ом - выбрана соответствующей сопротивлению ртутного столба длиной в 106,3 см
4. Усложнённые задачи на закон Ома. Когда учащиеся овладеют техникой вычисления на закон Ома, следует перейти к задачам, при решении которых приходится использовать ещё формулу мощности тока, К числу таких задач, имеющих практическую значимость, относятся, например, такие:
V. Какое сопротивление имеет электрическая лампочка в 40 вт, предназначенная для напряжения в 120 в?
VI. Какую мощность имеет плитка с сопротивлением в 20 омов при напряжении в 120 в? Сколько метров нихромового проводника с площадью сечения в 0,8 мм2 надо взять для её изготовления?
Задачи решаются раздельно в отношении применяемых формул и сопровождаются постановкой соответствующих вопросов (§ 39).
В заключение, поскольку учащиеся 7 класса имеют элементарные сведения из алгебры, весьма желательно подвести учащихся к выводу выражения мощности тока через его величину (силу) и сопротивление на участке:
Эта формула оказывается полезной для её последующего использования в законе Джоуля-Ленца.
5. Исторические сведения. Биография Ома особого интереса не представляет; учащихся, однако, надо познакомить, что этому замечательному учёному принадлежит открытие двух зависимостей: сопротивления от материала и геометрических размеров проводника и величины (силы) тока от напряжения и сопротивления. Кроме того, необходимо показать значёние закона Ома, являющегося без преувеличения основным законом в учении об электрическом токе.
6. Лабораторная работа. В лабораторной работе учащихся, прежде всего, следует ознакомить с измерением напряжения вольтметром, если это не было сделано ранее при изучении предыдущей темы (§ 97, 10). Учащимся предлагают произвести измерения напряжения у одного, двух и трёх элементов, соединённых последовательно. Кроме того, включая к электрической лампочке сначала один, два и затем три элемента, надо дать учащимся убедиться в увеличении силы тока. Наконец, следует предложить им на основании результатов измерения напряжения и силы тока произвести вычисления мощности и сопротивления лампочки. О методике и технике лабораторных работ - см. т. II, § 68, 4 и 5.
7. Задание на дом. Задачи, задаваемые учащимся на дом, состоят в вычерчивании графиков и, основное, в решении числовых примеров сначала на закон Ома в его прямом и затем косвенном выражении. Наконец, даются задачи на совместное применение формул закона Ома и мощности. Условия задач подбираются такими, чтобы они носили физический характер, но отнюдь не являлись только счётными.
