Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"
Оценка 4.8

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Оценка 4.8
Исследовательские работы
docx
физика
10 кл—11 кл
12.06.2017
Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"
В данной работе мы рассмотрели устройства электровакуумного генератора тока, преобразователя напряжения, лампочки карманного фонаря на длинном проводе, а также возможности и принцип работы представленных устройств. Основой нашей работы был научный труд доктора педагогических наук Майера Валерия Вильгельмовича, профессора, заведующего кафедрой физики и дидактики физики, декана физического факультета Глазовского государственного педагогического института и ассистента кафедры физики Вараксиной Екатерины Ивановны. В своей работе мы рассмотрели принцип действия, конструкцию, технологию изготовления приборов для исследования прохождения электронов через различные среды. Знания и умения, которые мы получили в ходе исследовательской работы, оставили значимый след в нашей жизни и принесли положительные эмоции от проделанной работы.Для существования электрического тока, то есть направленного движения зарядов, необходимо наличие электрического поля и свободных носителей зарядов. Экспериментальное обоснование этого положения для электролитов мы видели на уроках физики или химии. В сосуд с дистиллированной водой учитель погружал два электрода и через измеритель тока или лампу накаливания соединял их с источником напряжения. При этом измеритель показывал, что ток через чистую воду отсутствует. Затем учитель растворял поваренную соль и демонстрировал появление тока. Анализируя результат опыта, мы вместе с учителем приходили к выводу, что при растворении соли в воде появляются свободные носители заряда: положительно и отрицательно заряженные ионы. Аналогичный опыт для металлов и полупроводников поставить невозможно, поскольку при нормальных условиях свободные носители зарядов в них всегда есть. А вот опыты, показывающие условия существования электрического тока в вакууме, выполнить сравнительно несложно, так как немного вакуума у каждого из нас всегда есть под руками – он заключён в баллоне маломощной лампы накаливания карманного фонаря. Попутно мы познакомимся с удивительным явлением прохождения электрического тока через стекло (которое принято считать твёрдым диэлектриком) и научимся получать напряжения в сотни вольт от батарейки карманного фонаря. Наша работа освещает изучение физических явлений на более глубоком уровне. Новизна, актуальность и сложность данной научно-исследовательской работы была в том, что данная тема является дополнением и углублением изученных в курсе физики, приобретенный опыт позволит проводить фронтальный эксперимент наиболее удобным способом, изучение данной темы помогает более глубоко подготовиться к выпускным экзаменам ЕГЭ.
Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло.docx
МБОУ ГИМНАЗИЯ №11 Исследовательская работа на тему: Выполнил: ученик 10 «А» класса МБОУ Гимназия №11 г.Елец Липецкая обл. Черников Сергей Научный руководитель: учитель физики Австриевских Наталья Михайловна                                                                                                                                            План I. Вступление II. Основная часть 1. Лампочка карманного фонаря на длинном проводе       и другие приборы 2. Электрический ток через вакуум и стекло 3. Двусторонняя проводимость лампочки 4. Электронный преобразователь  5. Решающий эксперимент 6. Электровакуумный генератор тока III.Заключение IV. использованной литературы Список                  После электричества совершенно бросил интересоваться природой. Неусовершенствованная вещь.                                                                                              Владимир Маяковский Цель: Исследовать   прохождение   электричества   через   стекло   и   вакуум, провести  эксперимент  и научиться  применять  полученные   знания при решении различных задач: на практике, в жизни и поделиться с этим с одноклассниками. Задачи: 1. Провести эксперименты по наблюдению физических явлений.   2. Произвести математический расчет высоты здания различными способами.   3.Проанализировать различные способы измерения. 4.На примере отдельно взятого физического оборудования  (изготовленного самостоятельно с помощью знаний электротехники) доказать   взаимосвязь   физических   явлений(температурных   и электрических) Гипотеза: Действительно ли электроны могут проходить сквозь вакуум и стекло? Методы: •   Эксперимент и наблюдение •   Математический   расчёт   при   изучении   результатов   работы измерения, а так же теоретический анализ научной литературы по данной проблеме.                                                       I. Вступление                 Для   существования   электрического   тока,   то   есть   направленного движения   зарядов,   необходимо   наличие   электрического   поля   и   свободных носителей зарядов. Экспериментальное обоснование этого положения для электролитов мы видели   на   уроках   физики   или   химии.   В   сосуд   с   дистиллированной   водой учитель   погружал   два   электрода   и   через   измеритель   тока   или   лампу накаливания соединял  их с источником напряжения. При этом измеритель показывал, что ток через чистую воду отсутствует. Затем учитель растворял поваренную   соль   и  демонстрировал   появление   тока.  Анализируя   результат опыта, мы вместе с учителем приходили к выводу, что при растворении соли в воде появляются свободные носители заряда: положительно и отрицательно заряженные ионы.                   Аналогичный   опыт   для   металлов   и   полупроводников   поставить невозможно,   поскольку   при   нормальных   условиях   свободные   носители зарядов   в   них   всегда   есть.   А   вот   опыты,   показывающие   условия существования   электрического   тока   в   вакууме,   выполнить   сравнительно несложно, так как немного вакуума у каждого из нас всегда есть под руками – он заключён в баллоне маломощной лампы накаливания карманного фонаря. Попутно   мы   познакомимся   с   удивительным   явлением   прохождения электрического   тока   через   стекло   (которое   принято   считать   твёрдым диэлектриком) и научимся получать напряжения в сотни вольт от батарейки карманного фонаря. Наша работа освещает изучение физических явлений на более глубоком уровне. Новизна, актуальность и сложность данной научно­ исследовательской работы была в том, что данная тема является дополнением и   углублением   изученных   в   курсе   физики,   приобретенный   опыт   позволит проводить фронтальный эксперимент наиболее удобным способом, изучение данной темы помогает более глубоко подготовиться к выпускным экзаменам ЕГЭ.  В своей работе мы использовали различные источники информации (научная и учебная литература, интернет). Проводя эксперимент, мы пришли к выводу, что   электроны   могут   проходить   через   вакуум   и   стекло   при   определенных условиях. Оригинальность нашей работы была в создании  модели по схеме, в интеграции   предметов   (физики,   электротехнике   и   математики).   Создав модель   и   проводя   эксперименты   мы   более   глубоко   изучили   техническое содержание   темы,   более   детально   изучили   некоторые   физические   явления (электрический ток в различных средах). То есть была доказана взаимосвязь теории с практикой. Знания и умения, которые мы получили в ходе работы с измерениями оставили огромный след в нашей жизни и чувство эстетического наслаждения. То есть была доказана взаимосвязь теории с практикой.           II 1. Лампочка карманного фонаря на длинном проводе                                      и другие приборы.               Оборудование   для   первых   опытов   имеется   в   любом   нормальном школьном   кабинете   физики.   Нужно   приготовить   электрометр,   эбонитовую палочку, мех, стеклянную палочку, шёлк, батарею гальванических элементов на 4,5 В и лампочки карманного фонаря. Подойдут лампы накаливания типа МН 3,5­0,26, МН 2,5­0,15, МН 2,5­0,068 (первая цифра указывает напряжение в вольтах, вторая – силу тока в амперах).        Нужно изготовить специальный прибор, состоящий из батареи на 4,5 В, включателя   и   лампочки   карманного   фонаря.   Для   этого   от   двухжильного медного или алюминиевого провода в изоляции отрежем кусок длиной 25­30 см. На одном конце провода из его жил, очищенных от изоляции, сделаем простейший патрон, в который может вкручиваться лампочка (рис.1). Второй конец провода расщепим на две жилы, их отрезки длиной в размер батареи отогнём под прямым углом и удалим с жил изоляцию возле отгиба на отрезках длиной   около   1   см.   Отогнутые   концы   жил   прикрепим   к   батарее   двумя резиновыми колечками или изолентой так, чтобы оголённый участок одной жилы   надёжно   соединялся   с  одним   полюсом   батареи,  а  такой   же   участок второй жилы при нажатии на него пальцем соприкасался со вторым полюсом батареи.  Рис.1.   Способ   крепления лампочки карманного фонаря в патроне   и   её   подключения   к батарейке на 4,5 В                                                Далее в патрон ввернём лампочку карманного фонаря, батарею возьмём в руку и, нажимая пальцем на оголённый участок жилы так, чтобы возник контакт между ним и полюсом батареи, включим лампочку. Проверим работоспособность прибора несколько раз: он должен обеспечивать надёжное включение   и   выключение   лампочки,   находящейся   на   конце   двухжильного провода в патроне.                         2. Электрический ток через вакуум и стекло.                Корпус   электрометра   заземлим   и   со   стержня   электрометра   снимем металлический   шар.   Натерев   стеклянную   палочку   шёлком,   сообщим электрометру положительный заряд. Возьмём   в   руку   батарейку,   положим   палец   на   оголённый   участок проводника, соединённого с лампочкой, но не включим лампочку. Чистым стеклянным   баллоном   лампочки   сверху   прикоснёмся   к   стержню электрометра. Мы увидим, что при этом электрометр не разряжается (рис.2а).                        а                                                               б                    Рис.2. Опыт, позволяющий убедиться в том,              что электроны могут проходить через вакуум  и нагретое стекло.                   Проанализируем   результат   опыта:   между   стержнем   заряженного электрометра и заземлённым пальцем имеется разность потенциалов, однако поскольку   электрометр   не   разряжается,   то   электрический   ток   по   этому участку цепи не идёт. Отсутствие тока при наличии разности потенциалов свидетельствует об отсутствии свободных носителей заряда.                Не отнимая баллона лампочки от стержня электрометра, нажатием пальца   включим   лампочку.   При   этом   лампочка   загорается,   и   электрометр немедленно   начинает   разряжаться   (рис.2б)   Однако   полностью   он   почти никогда не разряжается.           Из опыта следует, что в цепи появились свободные носители заряда, которые и обеспечили электрический ток.          Понятно, что ими могут быть только электроны, вылетающие за счёт термоэлектронной эмиссии с раскалённой нити лампочки. Электроны несут отрицательные   заряды,   а   стержень   электрометра   заряжен   положительно. Значит, электроны нити попадают в ускоряющее поле и в вакууме внутри баллона лампочки движутся к расположенному вне его электроду. Но стекло является диэлектриком, поэтому электроны, казалось бы, не могут попасть на положительно   заряженный   электрод.   Однако   электрометр   разряжается, значит, они всё же проникают сквозь стекло! Это можно объяснить лишь тем, что при включении лампочки стекло несколько разогревается и становится проводником электричества, так что электроны   проходят   через   стеклянный   баллон,   разряжая   положительно заряженный электрометр.                     3. Двусторонняя проводимость лампочки.       Как доказать, что от нити накала лампочки к положительному электроду летят именно электроны? Убедительного и доступного решения этой задачи, по­видимому, нет. Но вот доказать, что внутри лампы движутся отрицательно заряженные частицы, вроде бы, можно. Действительно, если изменить заряд электрометра   на   противоположный,   то   несущие   отрицательный   заряд электроны,   вылетев   из   нити   накала,   будут   отталкиваться   от   внешнего электрода, и ток должен прекратиться.           Повторим   описанный   выше   опыт,  но   теперь   электрометр   зарядим   не положительным,   а   отрицательным   зарядом,   используя   натертую   мехом эбонитовую   палочку. При  этом  мы  будем  наблюдать  в  точности  такие  же явления, которые были обнаружены при положительном заряде электрометра.       Обдумывая неожиданный результат эксперимента, нам ничего не остаётся, как   допустить,   что   при   включении   лампочки   слегка   разогретое   стекло баллона становится слабым проводником. Тогда электроны с отрицательно заряженного   стержня   электрометра   проникают   сквозь   стекло   внутрь лампочки, попадают в ускоряющее поле, направленное к её нити, достигают нити и тем самым обеспечивают прохождение тока через лампочку.             Из   проделанной   серии   опытов   однозначно   следует   вывод,   что   для существования   электрического   тока   в   вакууме   необходимо   наличие электрического поля и свободных носителей заряда, например, электронов. Однако сказать, что всё понятно в этих экспериментах, мы вряд ли можем.       Замечу, что убедительность описанных выше опытов для нас, может быть, возрастёт, если корпус электрометра не заземлять, а соединить с одним из полюсов   батареи.   Тогда   замкнутая   электрическая   цепь   с   заряженным электрометром в качестве источника будет образована в явном виде.                           4.Электронный преобразователь.       Всё­таки очень хотелось бы надёжно установить, что носителями заряда в рассмотренных   опытах   действительно   являются   отрицательно   заряженные частицы.           Допустим,   что   обнаруженная   на   опыте   двусторонняя   проводимость лампочки   обусловлена   слишком   высоким   напряжением   между   её   нитью накала и соприкасающимся со стеклом внешним электродом. Действительно, при   электризации   трением   мы   получаем   потенциалы   относительно   Земли порядка   нескольких   тысяч   вольт.   Вполне   возможно,   что   при   таком напряжении электроны в лампочке будут двигаться как от раскалённой нити, так и по направлению к ней.      Чтобы проверить это предположение, нужно использовать регулируемое в пределах   нескольких   сотен   вольт   постоянное   напряжение.   В   школьном кабинете физики есть соответствующий блок питания. Однако он включается в   электроосветительную   сеть   и   имеет   сравнительно   большую   мощность, поэтому далеко не каждый учитель наберётся смелости, чтобы оставить нас один на один с этим блоком. Выход в том, чтобы быстро сделать простой преобразователь,   повышающий   напряжение   одной   или   двух   батареек   до необходимой величины.       На рис.3 изображена принципиальная схема рекомендуемого прибора. На транзисторах  VT1   и  VT2   собран   генератор   переменного   напряжения   с индуктивной   обратной   связью.   Частота   генерируемого   напряжения   в зависимости от параметров трансформатора Т1 лежит в пределах 50­100 кГц. Конденсатор С1, цепочка R1, C2 и диод VD1 обеспечивают надёжную работу этого генератора. Рис.3.   Принципиальная схема   преобразователя напряжения         Обмотка  L3   трансформатора   Т1   повышающая.   На   диоде  VD2   и   конденсаторе   С3   выполнен   однополупериодный   выпрямитель   с   фильтром. Переменный   резистор  R2   позволяет   регулировать   выходное   напряжение  U генератора от нуля до максимального значения.           Для   трансформатора   Т1   используем   круглый   ферритовый   сердечник диаметром   8   мм   и   длиной   50   мм.   На   сердечник   с   двух   сторон   наденем резиновые колечки и проводом  ПЭЛ 0,67  виток к витку намотаем вначале 20 витков   обмотки  L1,   сделаем   отвод   в   виде   петли,   скрученной   возле сердечника,   и   в   ту   же   сторону   намотаем   вторую   половину   этой   обмотки, состоящую тоже из 20 витков. Покроем эту обмотку слоем изоленты и поверх него точно так же намотайте обмотку  L2, состоящую из двух одинаковых секций по 15 витков в каждой. Покроем вторую обмотку слоем изоленты и поверх него проводом ПЭЛ 0,2 намотаем 700 витков повышающей обмотки L3. Мотать её можно внавал, но достаточно аккуратно, особенно следя за тем, чтобы витки начала и конца этой обмотки не оказались рядом. Транзисторы  VT1 и  VT2 нужно укрепить на радиаторе, в качестве которого   удобно   использовать   дюралевый   швеллер,   уголок   или   отрезок прямоугольной трубки. Если обмотки  L1 и  L2 трансформатора намотаны в одну сторону, то начала обеих обмоток нужно припаять к выводам одного транзистора, а концы – к выводам другого. Собирать преобразователь проще всего   на   картонной   плате   (рис.4).   На   одной   стороне   платы   изобразим принципиальную, на другой при необходимости нарисуем монтажную схему. Радиодетали проще всего крепить в отверстиях, сделанных в картоне шилом. Рис.4.Внешний вид    преобразователя  напряжения, собранного  на картонной плате          Проверить работу преобразователя можно, подсоединив к его выходу вольтметр: если прибор питается от одной батарейки на 4,5 В, то напряжение на его выходе должно регулироваться в пределах от нуля до примерно 180 В. Если прибор не работает, нужно поменять местами начало и конец обмотки L1 или L2 трансформатора.                                   5. Решающий эксперимент.                  На рис.5 приведена фотография экспериментальной установки. Мы видим, что преобразователь запитан от батарейки на 4,5 В и к выходу его подключён   вольтметр   (левый   мультиметр).   Постоянное   напряжение   от преобразователя   через   двухполюсный   переключатель   и   миллиамперметр (правый мультиметр) подаётся между лежащей на электроплитке дюралевой пластиной   и   нитью   накала   лампочки.   На   дюралевой   пластине   находится тонкий металлический колпачок, в котором расплавлен оловянно­свинцовый припой. Рис.5.  Экспериментальная  установка для  исследования  электрического тока  в вакууме  (громоздкий  переключатель  вполне можно  заменить тумблером)      В жидкий припой примерно до одной трети погружён стеклянный баллон лампочки (рис.6), нить накала которой соединена с батарейкой на 4,5 В.        Рис.6. Лампочка карманного фонаря, баллон которой частично погружён   в   расплавленный припой         Собрав установку, обдумаем  и выполним эксперимент, последовательно изменяя его условия, наблюдая и объясняя получающиеся результаты.        Мы обнаружим, что если лампочка не горит, то при любых напряжениях, даваемых преобразователем, ток  в цепи отсутствует.        Ток в цепи не идёт также в случае, если лампочка горит, но на её нити положительный   потенциал   относительно   внешнего   электрода,   которым является расплавленный припой.            Наконец, ток в цепи появляется и растёт, если на внешнем электроде положительный потенциал относительно нити лампочки, и он увеличивается.       Установив максимальное напряжение, при котором через лампочку идёт ток,   мы   будем   наблюдать,   что   с   течением   времени   величина   этого   тока постепенно уменьшается. Из   проделанной   серии   опытов   со   всей   очевидностью   следует,   что электрический   ток   между   раскалённой   нитью   лампочки   и   внешним электродом   обусловлен   потоком   отрицательно   заряженных   частиц.  Но   это могут   быть   только   электроны,   так   как   отрицательно   заряженные   частицы вырываются из раскалённой металлической нити, а в металлах кроме  электронов   других   носителей   заряда   нет.   Кроме   того,   если   бы   внутри лампочки перемещались ионы, то наряду с переносом заряда происходил бы и перенос вещества, а это мы заметили бы обязательно – вспомним хотя бы электролиз медного купороса.                        6. Электровакуумный генератор тока.          Всё   это   очень   хорошо,   но   хотелось   бы   напрямую   убедиться   в   справедливости сделанного вывода. Нет ничего проще, если у нас под руками имеется микроамперметр, например, цифровой мультиметр типа DT 9208А с пределом измерения по току 20 мкА.        Вновь в металлической баночке расплавим немного припоя, погрузим в него баллон лампочки карманного фонаря и через микроамперметр  соединим между   собой   анод   и   катод   получившегося   электровакуумного   диода. Включим батарейку, раскалив нить лампочки, и мы увидим, что немедленно через микроамперметр пошёл электрический ток в направлении от анода к катоду (рис.7)   Рис.7.   Возникновение электрического   тока   в содержащей цепи, горящую лампочку, стеклянный баллон которой   опущен   в расплавленный припой           Это означает, что электроны движутся в обратном направлении, то есть вылетают из раскалённой нити (катода), летят во все стороны к стеклянному баллону,   частично   попадают   на   нагретое   расплавленным   припоем   стекло, проходят   сквозь   него,   попадают   в   припой   и   проходят   через   баночку, дюралевую пластинку, провод, микроамперметр, ещё через провод обратно на катод.      Мы получили электровакуумный генератор электрического тока, который­ так и хочется сказать­ в силу своей исключительной маломощности не имеет никакого практического значения. Однако сказать так нельзя, поскольку нет ни одного физического явления, которое беспокойный человек не заставил бы служить на пользу себе или во вред другому человеку.                                                                       III.Заключение      В данной работе мы рассмотрели устройства электровакуумного генератора тока, преобразователя напряжения, лампочки карманного фонаря на длинном проводе, а также возможности и принцип работы представленных устройств.          Основой нашей работы был научный труд доктора педагогических наук Майера   Валерия   Вильгельмовича,   профессора,     заведующего   кафедрой физики и дидактики физики, декана физического факультета   Глазовского государственного педагогического института и ассистента кафедры физики Вараксиной Екатерины Ивановны. В своей работе мы рассмотрели принцип действия, конструкцию, технологию изготовления приборов для исследования прохождения электронов через различные среды.     Знания и умения, которые мы получили в ходе исследовательской работы, оставили значимый след в нашей жизни и принесли  положительные эмоции от проделанной работы.

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"

Исследовательская работа "Как электроны проходят сквозь вакуум и стекло"
Материалы на данной страницы взяты из открытых истончиков либо размещены пользователем в соответствии с договором-офертой сайта. Вы можете сообщить о нарушении.
12.06.2017