Технологическая карта урока "Электрический ток в металлах"

Тема урока

Электрический ток в металлах

Цель урока

Задачи урока

Выяснить природу электрического тока в металлах.

- Сформировать знания основ электронной теории проводимости металлов, опытного обоснования электронной теории; формировать естественно-научные представления по изучаемой теме;

- способствовать развитию интеллектуальные умения обучающихся (применять знания, делать выводы);

- воспитывать чувства гордости и уважения к людям, внесшим вклад в развитие науки.

Обучающийся должен

                            Знать:

- понятие электрического тока;

- условия существования электрического тока;

-  направление электрического тока;

- закон Ома для участка цепи;

- закон Ома для полной электрической цепи.

Уметь:

- вычислять силу тока в электрической цепи.  

Формируемые компетенции

ОК.3. Осуществлять оценку собственной деятельности.

ОК. 5 Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

Показатель оценки результата

- Знать электропроводность разных веществ, теория электропроводности металлов, зависимость сопротивления от температуры,  термометры сопротивления, сверхпроводимость и ее применение.

- Уметь применять данные знания на практике.

Межпредметные связи

Обеспечивающие дисциплины

ОДБ. 04 История

ОДБ.06 Химия

ОДП.10 Математика

Обеспечиваемые дисциплины

(модули, МДК)

ОПД. 08 Электробезопасность.

МДК.01.01 Устройство, техническое обслуживание и ремонт узлов локомотива.

Средства обучения, оборудование

Мультимедиа, презентация, раздаточный материал.

Вид учебного занятия

Теоретическое занятие

Тип учебного занятия

Урок усвоения новых знаний

Применяемые технологии

Информационно-коммуникативная технология; технология личностно-ориентированного обучения; дифференцированное обучение

Основная литература

1) Касьянов В.А "Физика"

2) Интернет-ресурсы.

Содержание урока

№ этапа

Этапы урока, учебные вопросы,

 формы и методы обучения

Временная регламентация

1.

Организационный этап:

- проверка готовности обучающихся к уроку;

- проверка посещаемости.

1 мин.

2.

Мотивационный момент, формулирование целей урока:

 (слайд 1) Эпиграф урока:

Науку все глубже постигнуть стремись,
Познанием вечного жаждой томись.
Лишь первых познаний блеснет тебе свет, 
Узнаешь: предела для знания нет.

Фирдоуси
(Персидский и таджикский поэт, 940-1030 гг.)

Ребята, мы изучили электрический ток и его законы. А теперь скажите мне, пожалуйста, как будущие машинисты, какие приняты меры безопасности в кабине электровоза при случайном прикосновении к электроприбору под напряжением? (необходимо заземление, т.к. Земля является проводником и может удерживать большой заряд).

Из каких материалов выполняется заземление? (заземление выполняют из металла).  А почему именно металлы? А с точки зрения физики?

Возникла проблема, попробуем разобрать подробнее. Так, о чем, как вы думаете, пойдет речь на уроке?

(слайд 2) Итак, тема урока «Электрический ток в металлах».

Какую цель урока мы поставим перед собой?

(слайд 2)Цель урока: выяснить природу тока в металлах.  

Запишите в тетрадях сегодняшнюю дату и тему урока.

3 мин.

3.       

Актуализация знаний:

Раздать карточки двум обучающимся.

Карточка №1

1.      Определение электрического тока.

2.      Схема последовательного соединения проводников, формула вычисления сопротивления для последовательного соединения.

3.      Можно ли включить в сеть с напряжением 220В потенциометр, на котором написано 30Ом, 5А? 

(150В, нельзя)

Карточка №2

1.      Обозначение и единица измерения силы тока.

2.   Схема параллельного соединения проводников, формула вычисления сопротивления для параллельного соединения.

3. Можно ли включить в сеть с напряжением 220В потенциометр, на котором написано 2000Ом, 0,2А? 

(400В, можно)

Но прежде, чем перейдет к рассмотрению новой темы, давайте вспомним:

1. Определение электрического тока. Обозначение и единица измерения силы тока.

2. Назовите условия существования тока.

3.Что принято за направление тока?

4. От чего зависит сопротивление проводника?

5. Как формулируется закон Ома для участка цепи и для полной цепи?

Задача 823 (Р). К источнику с ЭДС 12В и внутренним сопротивлением 1Ом подключен реостат, сопротивление которого 5Ом. Найти силу тока в цепи и напряжение на зажимах источника. (2А, 10В)

11 мин.

4.

Изучение нового материала:

Самое известное из ранних определений металла было дано в середине XVIII века М.В. Ломоносовым: «Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел только шесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец». Спустя два с половиной века многое стало известно о металлах. К числу металлов относится более 75% всех элементов таблицы Д.И. Менделеева.

На какие группы по отношению к электропроводности делят вещества? (проводники, диэлектрики и полупроводники).

Металлы к какой группе относятся? (проводники).

 (слайд 3) Итак, все металлы являются проводниками электрического тока и в твердом состоянии имеют кристаллическое строение.

Из курса химии вам известно, что валентные электроны в металлах легко покидают свой атом и становятся свободными. В узлах кристаллической решётки металлов расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся электроны. Электроны не связаны с ядрами своих атомов и движутся беспорядочно, поэтому их называют свободными. В свою очередь, свободные электроны в металлах называют электронным газом.

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл имеет электрический заряд или нет? (в обычных условиях металл электрически нейтрален).

А если в металлах создать электрическое поле? Что произойдет, как вы считаете?

Если в металлах создать электрическое поле, то свободные электроны продолжат двигаться хаотически и будут смещаться в сторону положительного полюса источника тока. Затем движение электронов становится направленным и возникает электрический ток.

Итак, попробуйте сформулировать определение электрического тока в металлах.

(слайд 4) Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля.

(слайд 5) В 1913 году русские ученые Мандельштам и Папалекси провели опыт, показывающий, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов.

Послушаем небольшое сообщение о достижениях русских ученых.

Сообщение.

Леонид Исаакович Мандельштам (1879-1944) Леонид Исаакович Мандельштам родился 4 мая 1879 года в г. Могилёве в семье врача Физику принадлежит важнейшее открытие в оптике за последние десятилетия - открытие явления комбинационного рассеяния. Он является одним из создателей нелинейной теории колебаний, творцом радиоинтерференционных методов определения скорости распространения радиоволн и измерения расстояний и, таким образом, родоначальником новой науки - радиогеодезии. Он является изобретателем новых методов возбуждения электрических колебаний - параметрических генераторов. Л.И. Мандельштам – автор термина «Нелинейное мышление». «С позиций нелинейного мышления все реальные системы - нелинейны и могут считаться линейными лишь приближённо. С этой точки зрения не только Ньютонова механика, но и теория относительности и даже квантовая механика являются линейными теориями». Николай Дмитриевич Папалекси 1880–1947 Провел работы по направленной радиотелеграфии, опыты по радиосвязи с подводными лодками и телеуправлению, руководил разработкой первых образцов отечественных радиоламп. Им проведены основополагающие работы по нелинейным и параметрическим колебаниям; изучены и открыты резонанс n-го рода, разработан метод параметрического возбуждения электрических колебаний. При помощи предложенного ими интерференционного метода ученые детально исследовали распространение радиоволн над земной поверхностью и осуществили точное измерение их скорости. Николай Дмитриевич Папалекси является автором научного открытия «Явление радиоизлучения солнечной короны»

(слайд 6) Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси в 1913 году поставили оригинальный опыт по установлению природы тока в металлах.

Взяли катушку с проводом и стали крутить ее в разные стороны. Раскрутят, к примеру, по часовой стрелке, потом резко остановят и — назад.

Рассуждали они примерно так: если металлический проводник привести в быстрое движение, а затем резко остановить, то, когда катушка внезапно останавливается, электроны еще некоторое время должны двигаться по инерции. В результате в проводнике возникнет кратковременный ток, который можно зафиксировать гальванометром. По отклонению стрелки прибора можно установить знак заряда движущихся частиц, а по отношению заряда частиц к их массе – установить, какие именно частицы создают ток.

Движение электронов по проводу — электрический ток. Как задумали, так и получилось. Подсоединили к концам провода телефон и услышали звук. Раз в телефоне слышен звук, следовательно, через него ток протекает.

(слайд 7) Опыт Мандельштама и Папалекси в 1916 году повторили американские ученые Толмен и Стюарт. Они тоже крутили катушку, но вместо телефона к ее концам подсоединили прибор для измерения заряда. Им удалось измерить массу частицы. Данные Толмена и Стюарта потом много раз проверялись и уточнялись другими учеными, и теперь вы знаете, что масса электрона

m_e = 9, 1 ∙ 10^-31 кг

Удельный заряд электрона, то есть заряд, приходящийся на единицу массы,

Ребята, а как вы думаете, зависит ли сопротивление металлического проводника от температуры?

(слайд 8) Зависимость сопротивление проводника от температуры. R=R₀(1+αt)

А применяется ли это свойство в вашей профессии? 

(слайд 9) Зависимость сопротивление металлов от температуры используют в термометрах сопротивления.

Термометр сопротивления.

Преимущества: помогают измерять очень низкие и очень высокие температуры.

(слайд 10)В 1900 году немецкий ученый П.Друде и голландский ученый Х.Ленц на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создали свою электронную теорию проводимости металлов – классическую теорию проводимости. (слайд 11-14)

1. Хорошая проводимость металлов объясняется наличием в них большого числа электронов.
2. Под действием внешнего электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается упорядоченное движение, т.е. возникает ток.
3. Сила электрического тока, идущего по металлическому проводнику равна: I = enS<ν>

      4. Так как внутреннее строение у разных веществ различное, то и сопротивление тоже будет различным.

      5. При увеличении хаотического движения частиц вещества происходит нагревание тела, т.е. выделение тепла. Закон Джоуля-Ленца: Q = I²Rt

6. У всех металлов с увеличением температуры растет и сопротивление.

R=R₀(1+αt)

где α - температурный коэффициент; R₀   – удельное сопротивление и сопротивление металлического проводника; и R – удельное сопротивление проводника и сопротивление проводника при температуре t.

(слайд15) В 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес открыл замечательное явление – сверхпроводимость.

(слайд 16)Сверхпроводимость – свойство проводников, при котором эл.сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определенной критической температуры, характерной для данного материала. 

(слайд17)Применение сверхпроводимости.

(слайд18) Применение на ж/д.

Магнитоплан или Маглев (от англ. magnetic levitation ) — это поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления.

На данный момент существует технология магнитного подвеса поездов: на сверхпроводящих магнитах (электродинамическая подвеска, EDS).

Сверхпроводящий магнит - соленоид или электромагнит с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости обладает нулевым омическим сопротивлением. Если такая обмотка замкнута накоротко, то наведённый в ней электрический ток сохраняется практически сколь угодно долго.

(слайд19) Получение больших токов, магнитных полей; передача электроэнергии без потерь.

17 мин.

5.

Проверка результатов работы:

Для проверки результатов нашего урока предлагаю выполнить небольшое тестовое задание.

Но сначала ответьте на вопросы:

1.Как объяснить, что в обычных условиях металл электрически нейтрален?

2.Что происходит с электронами металла при возникновении в нем электрического поля?

3.Что представляет собой электрический ток в металлах?

4. Ученые, поставившие опыт по установлению природы тока в металлах.

Проверочная работа.

Вам дается на нее 3 минуты. Ответы и критерии оценивания будут на экране. После написания работы вы осуществите самоконтроль и сами выставите оценки. Не забывайте, что исправление в тестовой части считается ошибкой. Не забудьте, также подписать листочки. Будьте внимательны, удачи!

1 вариант

1.Как движутся свободные электроны в металлах?

А. В строгом определенном порядке. Б. Беспорядочно. В. Упорядоченно.

2.Как движутся свободные электроны в металлах под действием электрического поля?

А. Беспорядочно. Б . Упорядоченно. В. Упорядоченно в направлении электрического поля. Г. Упорядоченно в направлении противоположном электрическому полю.

3. Какие частицы располагаются в узлах кристаллической решетки металлов и какой заряд они имеют?

А. Отрицательные ионы. Б . Электроны. В . Положительные ионы.

4. Движение каких частиц принято за направление тока в металлическом проводнике?

А .Электронов. Б . Отрицательных ионов. В. Положительных зарядов.

5.Как изменяется сопротивление металлов при охлаждении их?

А. Увеличивается. Б . Уменьшается. В. Не изменяется.

6.Установите соответствие между названием закона и формулой вычисления.

   Закон                                                         Формула вычисления

1. Закон Ома для участка цепи                              А. I = ɛ/(R+r₀)

     2. Закон Ома для полной электрической цепи  Б. Q = I²Rt

3. Закон Джоуля-Ленца                                            В. I = U/R 

*7.Определить плотность тока (j = I/S) в стальном проводе (ρ = 2•10^-7Ом•м)  длиной 20м, если напряжение на концах проводника 12В.

2 вариант

1.Носители электрического тока в металлических проводниках.

А. Атомы. Б. Положительные ионы. В. Электроны.

2.К какой группе по отношению к электропроводности можно отнести металл?

А. Проводники. Б . Полупроводники. В. Диэлектрики.

3. В обычных условиях металлический проводник электрически нейтрален или имеет заряд, то какой?

А. Положительный заряд. Б . Отрицательный заряд. В . Электрически нейтрален.

4. Ученый (или ученые), открывший явление сверхпроводимости.

А. Л.И.Мандельштам и Н. Д. Папалекси. Б. Х.Камерлинг-Оннес. В. П.Друде и Х.Ленц.

5. Изменяется ли сопротивление металлического проводника при увеличении температуры?

А. Увеличивается. Б . Уменьшается. В. Не изменяется.

6.Установите соответствие между названием закона и формулой вычисления.

   Закон                                                                                  Формула вычисления

1. Закон Джоуля-Ленца                                            А. Q = I²Rt

2. Закон Ома для участка цепи                                Б. I = ɛ/(R+r₀)

  3. Закон Ома для полной электрической цепи       В. I = U/R 

*7.Определить плотность тока (j = I/S) в стальном проводе (ρ = 2•10^-7Ом•м)  длиной 20м, если напряжение на концах проводника 12В.

(слайд 20)1 .Б. 2.Г. 3.В.  4.А. 5.Б. 6.1В, 2А, 3Б.7. 3·10⁶А/м²

                  1 .В. 2.А. 3.В.  4.Б. 5.А. 6.1А, 2В, 3Б.7. 3·10⁶А/м²

8 мин.

6.

Подведение итогов урока:

Какие результаты по работе получили?  Хорошо.

Ребята, еще раз обратимся к цели нашего урока. (слайд 21) Достигли ли мы поставленной нами цели?

Хорошо.

Оценки…

2 мин.

7.

 Рефлексия: 

Минутка рефлексии. Перед уроком вы взяли зеленые кружочки и желтые треугольники.

Зеленые кружочки - Что вам понравилось на уроке, какой момент урока был для вас наиболее легким?

Желтые треугольники – Какие возникли трудности на уроке? Ваши предложения.

2 мин.

8.

Домашнее задание: (слайд 22)§8, интернет-ресурсы; самостоятельно: электроизмерительные приборы.

1 мин.