Электрический ток в металлах

10 класс. Электрический ток в металлах.   Электрический ток в металлах. Цель  урока:  объяснение   природы   электрического  тока  в металлах,  что имеет   большое значение для  формирования  научного мировоззрения учащихся. Объяснение нового материала я ) ­ ▲ объяс­ веду на двух уровнях сложности. 1­й уровень (на опорных листах обозначен значком  нение   природы   электрического   тока  в   металлах   на   основе   опытов   Рикке,   Мандельштама­ Папалекси,  Стюарта­Толмена; этот материал должен знать каждый. 2­й уровень (значок ◙ ) ­ ознакомление  с основами теории  Друде­Лоренца,  получение формулы для расчёта  скорости упорядоченного   движения  электронов  и   формулы   для  вычисления   скорости   теплового движения электронов. Этот материал знать желательно, но не обязательно. Ход урока. 1. Организационный этап. Постановка цели урока Наступает весна, всё в  природе  оживает. Больше всего я чувствую  приход весны, когда, стоя на берегу, наблюдаю за движением льдин. Медленно, но уверенно, в общем потоке плывут они вниз по течению, Но при внимательном наблюдении можно заметить, что, участвуя в «ищем движении, каждая льдина плывёт и сама по себе: наскакивает на соседнюю, догоняет, обходит. Говорят: льдины дрейфуют. Слово «дрейф» взято из морской терминологии от англ. drift, что означает снос, отклонение судна от курса (из­за ветра или течения). У нас это слово стало широ­ ко известно со времени первой советской полярной экспедиции папанинцев в 1937­1938 гг., когда  четвёрка   героев  (И.Д.Папанин,  Э.Т.Кренкель,   П.П.Ширшов  и  Е.К.Фёдоров)  на льдине, увлекаемой течением от Северного полюса к югу до 70­й параллели, провела 274 дня. Но при чём тут электроны и электрический ток? У   К.Паустовского   есть   рассказ  «Подарок»,   где   приводится   такой  разговор   деда  с мальчиком: «­ Нам, старым людям, способнее думать, что к чему на земле  притёсано и какое имеет объяснение. Ты мне про лесничего не говори. Лесничий ­ мужик хитрый.  Он, когда в Москве жил, то, говорят, на электрическом токе пищу себе готовил. Может это быть или нет? ­ Может, ­ ответил мальчик. ­ Может, может, ­ передразнил его дед. ­ А ты этот электрический ток видал? Как же ты его видал, когда он видимости не имеет, вроде как воздух?» Признайтесь,   не   смутило   ли   и  вас,   когда   вы   первый   раз   прочитали   в   учебнике,   что электрическим  током   называют   направленное  (упорядоченное)  движение  заряженных частиц ­ электронов в металлах, ионов в растворах солей, кислот  и щелочей, электронов и ионов   в   газосветных   трубках   и  электровакуумных  лампах?  Если  в   жидкостях   и   газах движение  зарядов можно наблюдать по различным световым  эффектам, то движение внутри металлических   проводников   остаётся   совершенно  скрытым,   мы   можем   отмечать   лишь тепловые и магнитные действия таинственного «электрического тока».10 класс. Электрический ток в металлах.   Как   же   было   доказано   действительное   существование   движения   электронов   в металлических проводах? Давайте вспомним некоторые моменты. 2. Фронтальный опрос по пройденному ­ ­ ­ ­ Что такое электрический ток? На какие три  группы  по своей проводимости делятся все вещества? Охарактеризуйте проводимость каждой группы и приведите примеры веществ. В   чём   главная   причина   различной    проводимости  веществ?   (Ответ.   В   их внутреннем строении.) ­ ­ Опишите строение металлов. Что представляет собой электрический ток в металлах? 3. Объяснение нового материала (на двух уровнях сложности)  ▲ Первый опыт по определению природы носителей электрического заряда в металлах был проведён в 1901 г. немецким физиком К.Рикке. Три предварительно взвешенных цилиндра (два медных,  один   алюминиевый)  были  сложены торцами, причем алюминиевый был зажат между медными.   Затем этот «столбик» был  включён в цепь постоянного тока. Целый год через   него   пропускали   большой   ток,   питавший   трамвайную   сеть.   За   это   время   через цилиндры прошёл заряд 3,5 млн Кл. Вторичное взвешивание показало, что масса цилиндров не   изменилась.   Исследование  под   микроскопом   торцов   цилиндров   показало,   что проникновения  одного   металла   в  другой   не   было.  Отсюда   был   сделан   вывод:   в   переносе заряда в металлах ионы не участвуют.  ▲ Идея и выполнение первых качественных опытов, несомненно доказавших, что ток по проводах представляет собой движение электронов, принадлежат нашим российским ученым – академикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси (1913 г.). Идея чрезвычайно проста. Представьте себе движущийся автомобиль, который резко останавливается. Что происходит с пассажирами? Они по инерции движутся вперёд. Значит, надо разогнать проводник и резко остановить его. Электроны­то  не будут «знать», что мы задумали, и, естественно, продолжат свое движение. Таким образом, на одном конце проводника образуется избыток отрицательных зарядов,  на  другом   ­   недостаток.   И   это   распределение   быстро   обнаруживается   с   помощью гальванометра.   Оставалась   самая   малость   ­   проводник   должен   иметь   большую   длину   и двигаться с большой скоростью. Основной частью установки была проволочная катушка, кон­ цы которой припаивались  к двум  металлическим  дискам,   изолированным друг от друга. К концам  дисков   при   помощи   скользящих  контактов   подсоединяли   телефонную   трубку. Катушку приводили  в быстрое движение, а  затем  резко останавливали, При этом в  трубке слышался  треск. Исследователи сделали  вывод: в проводнике существует инерционное дви­ жение носителей заряда. К сожалению, эти результаты не были опубликованы. ▲В   1916   г.   опыт,   аналогичный   описанному,   осуществили   американские   физики Т.Стюарт  и  Р.Толмеп.  В   их   установке   всё  было  тем же  самым,  но вместо  телефонной трубки  подсоединялся   гальванометр.   Длина   обмотки  достигала   500   м,   линейная   скорость движения провода 300 м/с. При резкой остановке катушки стрелка гальванометра отклоня­ лась   (правда,   на   весьма   незначительное   время,   т.к.   в   результате  столкновений   с   ионами движение  заряженных   частиц   в   металле   замедляется).   Отклонение   соответствовало10 класс. Электрический ток в металлах.   направлению инерционного движения отрицательных частиц.  Определили   отношение   заряда   к массе   носителя   заряда   ­   оно  оказалось  равным   1,8    1011  Кл/кг.  Эта   величина   совпала   с отношением заряда электрона к его массе, найденному ранее в других опытах. Исследователи   сделали   вывод: электроны.  носителями   тока   в   металлах   могут  быть   только   Эти   три   опыта   явились   подтверждением   теории   электропроводности   металлов немецкого   физика  П.   Друде,  опубликованной   им  еще   в   1900  г.,  и   нидерландского  физика Х.Лоренца,  который   работал над ней независимо  от Друде с 1880  г. Основные  положения теории Друде—Лоренца: свободные электроны в металле ведут себя как молекулы идеального газа; движение   свободных   электронов   в   металле   подчиняется   законам ­ ­ ­ идеального газа; ­ свободные электроны в процессе своего хаотического  движения  сталкиваются   не между   собой   (как   молекулы   идеального  газа),   а   с   ионами   кристаллической решётки; при   столкновениях   электронов   с   ионами   электроны   передают ионам спою кинетическую энергию. ТАЙНЫЙ СИГНАЛ! Опустите голову вниз, закройте глаза. Теперь только те, кому что­ либо непонятно, посмотрите на меня! Спасибо. 4. Первичный контроль Теперь   мы   разделяемся   на   четыре   группы.   В   первых   трёх   группах   каждый   получает ) и заданием на карточку с индивидуальным заданием (на карточке оно обозначено значком  группу   (обозначено   значком   ответами.   Тот,   кто   выполнил   ин­ дивидуальное задание, поднимает  руку, из конверта (конверт с ответами готовится заранее) берёт  коды ответов и сверяет со своими. Если ошибок нет, ставит себе  в ведомость оценку «4». Если есть хотя бы одна ошибка, работа не  засчитывается. При выполнении  группового задания можно пользоваться справочными данными (тоже находятся в конверте). ),   а   также   конверт   с   □ ■ Четвёртая группа работает вместе с учителем, по опорной карте. 1­я группа  ■ Выберите правильный ответ в заданиях 1­4, выпишите их номера на лист (например, 1А и т.д.), составьте тексты в задании 5, из конверта со значком  ошибок нет, поставьте себе в ведомость оценку «4». ▲  достаньте  ответы и проверьте. Если 1. Электрический ток в металлах ­ это направленное движение: A) положительных ионов; Б) отрицательных ионов; B) электронов. Г) Металл не проводит ток. 2. Какой случай движения зарядов представляет собой электрический ток?10 класс. Электрический ток в металлах.   A) мОЛНИЯ между облаком и землей; Б) тепловое (беспорядочное) движение электронов в металле; B) движение электронов в электропроводке. 3. Что такое скорость распространения электрического тока в проводнике? А) Скорость движения отдельных электронов; Б) скорость распространения электрического ноля. 4. Какие   действия   электрического   тока   наблюдаются   при   его пропускании через металлический проводник? A) Тепловое, химическое, магнитное; Б) тепловое и магнитное; B) тепловое и химическое. ■ а: 1. Свободные электроны в металле...    5. Составьте два текста из  фраз а, 6, в: 2. Ионы в металле...  б: 1.  …в отсутствие электрического поля...  2. ...при наличии электрического поля...  в: 1. ...движутся хаотично по всему объёму.  2. ...совершают колебания относительно фиксированных положений.  □ Групповое задание. Откуда в металле появляются свободные носители заряда? 2­я группа  ■ Выберите правильный ответ  в заданиях 1­5, выпишите их номера на лист (например, 1А и т.д.); из конверта со значком А достаньте ответы и проверьте. Если ошибок нет, поставьте себе в ведомость оценку «4». 1. Какими   носителями   электрического   заряда   создаётся   электрический   ток   в металлах? A) Электронами и положительными ионами; Б) положительными и отрицательными ионами; B) положительными, отрицательными ионами и электронами; Г) только электронами. 2. Чему равно электрическое  сопротивление участка цепи постоянного тока, если сила тока в цепи 4 А, а напряжение на концах этого участка 2 В? A) 2 Ом; Б) 0,5 Ом; B) 8 Ом; Г) 1 Ом. 3. В твёрдом состоянии металлы... Частицы в них расположены... A) не имеют кристаллического строения... в беспорядке; Б)   имеют кристаллическое строение... в строго определённом порядке; B) имеют кристаллическое строение... в беспорядке.10 класс. Электрический ток в металлах.   4. Электроны в металле имеют ... заряд, а ионы... A) отрицательный  ...  могут иметь и положительный, и отрицательный; Б)    положительный ... отрицательный; B) отрицательный ... положительный; Г)   положительный ... заряда не имеют. 5. Какие вещества проводят электрический ток? А) дистиллированная вода  Б) стекло;  В) натрий; Г) кристаллы медного купороса.  □ Групповое задание. Откуда в металле появляются свободные носители заряда? 3­я группа  ■ Выберите правильный ответ  в заданиях 1—5, выпишите их номера на лист (например, те ответы и проверьте. Если ошибок нет, поставьте  достань 1А и т.д.); из конверта со значком  себе в ведомость оценку «4». ▲ 1. Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение: A) электронов; Б) положительных ионов; B) отрицательных ионов; Г) положительных и отрицательных ионов. 2. Какие   частицы   находятся   в   узлах   кристаллической   решётки   металлов   и   какой заряд они имеют? А) Электроны, имеющие отрицательный заряд; Б) ионы, имеющие отрицательный заряд; B) ионы,  имеющие положительный заряд; Г) ионы, имеющие положительный или отрицательный заряд. 3. Как движутся свободные электроны? A) Беспорядочно; Б) друг за другом; B) упорядочение 4. Что такое скорость распространения электрического тока в проводнике? A) Скорость движения отдельных электронов; Б) скорость движения электрических зарядов; B) скорость распространения электрического поля. 5. Какие вещества проводят электрический ток? А) Дистиллированная вода Б) стекло; В) натрий; Г) кристаллы медного купороса.10 класс. Электрический ток в металлах.    □ Групповое задание. .Почему электроны, отрываясь от атомов и двигаясь хаотически, не покидают кристаллическую решётку? 4­я   группа   (опорная   карта)    ▲ Выведите   формулу   для   определения   скорости упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике. 1. Введите обозначения: S ­ площадь поперечного сечения проводника, через которую проходят электроны; е ­ заряд электрона; N ­ количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника; Q ­ общий заряд электронов, проходящих через сечение проводника; d ­ расстояние, которое проходит электрон; v ­ скорость движения электронов; t ­  время движения электрона; V ­ объём проводника, который занимают электроны; п ­ концентрация электронов в этом объёме; 1 ­ сила тока в проводнике. 2. 3. Зная заряд одного электрона и их количество, найдите общий заряд: Q = ...   • ... . Зная   скорость  движения  электронов и время их движения,  найдите расстояние, которое они пройдут: d = … •  …   . 4. Зная  концентрацию  электронов   и   объём,   который   они   занимают,   найдите   их число:   N = ... • ... . 5. Подставьте (4) в (2): Q = ………………… . 6. Зная площадь поперечного сечения проводника и расстояние, которое пройдут электроны, а значит, высоту цилиндра, найдите его объём, а значит, объём, который занимают электроны: V ­ .... • ... . 7. Подставьте (3) в (6): V = ... . 8. Подставьте (7) в (5): Q = ... .9. Зная общий заряд, прошедший через сечение проводника, и время прохождения заряда через это же сечение, найдите силу тока: 10 класс. Электрический ток в металлах.   I  Q ... 10. Подставьте (8) в (9): I ... t 11. Произведите необходимые математические действия и получите формулу для расчета скорости  движения   электронов  в  металлическом проводнике под действием   электрического поля: I ...  ▲ Выведите  формулу  для  определения скорости хаотического  движения электронов в металлическом проводнике. 1. Введите обозначения: те = 9,1  10 ­31 кг ­ масса электрона;. v ­ средняя скорость хаотического движения электронов в металле; Т ­ абсолютная температура металла; k = 1,38 10­23 Дж/К ­ постоянная Больцмана; Е ­ средняя кинетическая энергия электронов. 2. Зная   массу   и   скорость   электронов,   запишите   формулу   для   расчета   средней кинетической энергии хаотического движения электронов: Е = (… • … ) / 2 3. Зная   постоянную   Больцмана  и   абсолютную   температуру,   запишите   формулу, связывающую температуру и среднюю кинетическую энергию: Е =3/2 • . . . • . . .  . 4. Левые части равны, поэтому можно приравнять правые: (…• … ) / 2   =   3 / 2 ( … • … ) 5 .   Избавьтесь от двойки в знаменателе: … • … = … • … • … 6. Выразите значение скорости в квадрате. 7. Выразите среднюю скорость хаотического движения молекул.10 класс. Электрический ток в металлах.   5. Отчёты 1­3­й групп 1­я и 2­я группы.  В атомах электроны вращаются по разрешённым  орбитам вокруг ядер, причём у каждого вещества число электронов своё. На каждой орбите может находиться только определённое количество электронов, например, 2, 8, 18... . Чем дальше электрон от ядра, тем слабее его связь  с ним. У металлов на внешней, наиболее удалённой орбите бывает по  1, 2, 3 электрона, а не максимально возможное число. Такие электроны могут покинуть свой атом и стать свободными, т.е. будут принадлежать всей совокупности атомов металла. 3 я группа. Ионы в узлах кристаллической решётки металла заряжены положительно. Они удерживают   отрицательно   заряженные  электроны   в   кристаллической   решётке,   так   что   при обычных условиях электроны не могут покинуть металл. (4­я   группа   приступает   к   решению   численных   задач   на   выведенные   только   что формулы, а с первыми тремя проводится аукцион.) Аукцион Внимание, внимание! Сегодня цена ­ характеристика металла на молекулярном уровне. Взносы  проводим   «Аукцион   знаний»!   На  аукционе   можно   купить   несколько   лотов.   Лот достанется   тому,  кто   обладает   большим   запасом  знаний и сумеет последним извлечь  их   в нужный момент. Взносом считается законченная мысль,  идея, формула, рисунок. Неточные взносы не принимаются. Итак, начинаем! Лот № 1. Металл! Первоначальная цена – характеристика металла на молекулярном уровне. Взносы: На внешней орбите атома металла находится от одного до трёх электронов. Объединяясь,   атомы   металла   теряют   внешние   электроны   и  превращаются   в положительно заряженные ионы. Свободные электроны появляются из­за того, что электроны внешней орбиты слабо • • • • связаны с ядром. кристаллическую решётку. Ионы   все   вместе   образуют  правильную         периодическую  структуру   ­ Ионы колеблются в узлах решётки около положений равновесия. • • Между   ионами   хаотически  движутся   потерянные   ими   отрицательно   заряженные электроны. решётку. • • Скорость хаотического движения    электронов    порядка 100000 м/с. Ионы удерживают электроны внутри металла и не дают им покинуть кристаллическую 2. Лот № 2. Опыт Стюарта и Толмена! Первоначальная цена ­ цель опыта. • • Обнаружение тока при резком торможении движущегося проводника. Определение знака носителя заряда в металлическом проводнике.Взносы: 10 класс. Электрический ток в металлах.   • • • Основная часть установки ­ катушка, обмотка которой замкнута на гальванометр. Длина  провода  обмотки500 м, линейная скорость 300 м/с. Время существования тока незначительно, т.к. при столкновении с ионами решётки электроны замедляются. • • Вычислили отношение заряда к массе носителя. Доказали,  что носителями тока в металлах являются электроны . 3. Лот № 3. Ток в металлах! Первоначальный взнос ­ определение. • Ток в металлах ­ это упорядоченное движение электронов. Взносы: • • • • • Это доказано опытами Мандельштама, Папалекси, Стюарта и Толмена. Теория электропроводности сформулирована П.Друде. Свободные электроны в металле ведут себя, как молекулы идеального газа. Движение свободных электронов в металле подчиняется законам идеального газа. Свободные электроны при  своём хаотическом движении сталкиваются   не   между собой, а с ионами кристаллической решётки. • При столкновении электронов  с ионами электроны передают им  свою кинетическую энергию. Отчёт 4­й группы Задача 1. Рассчитайте скорость упорядоченного движения электронов, если известно, что по медному проводнику сечением 10­6  м2  течет ток 1 А. Концентрация свободных электронов 1029 м­3. (Ответ. Порядка 10­4 м/с.) 6,3­10­5 Задача   2.  Рассчитайте   скорость  хаотического   движения   электронов  в   металле   при температуре 300 К. (Ответ. Порядка 10 5 м/с.) 1,2­105 Вывод.  Скорость хаотического движения электронов в металле примерно в миллиард раз   больше   скорости   их   упорядоченного  движения.   Электроны   совершают  дрейфовое движение, как льдины по реке. 6. Домашнее задание § Выучить помеченное в конспекте значком ▲. Прочитать ещё раз помеченное в конспекте значком  .□ Ещё   один   важный   вопрос:  если  скорость   упорядоченного   движения  электронов   такая маленькая, почему лампочка загорается сразу после включения?Один важный ответ: здесь «работает" электрическое поле, которое распространяется в проводнике после замыкания цепи со скоростью 300 000 км/с. Но это уже другая история. 10 класс. Электрический ток в металлах.   Всем спасибо, до свидания!