Электрический ток
Урок получения и применения знания. 11-й класс
Похитил я божественную искру,
Сокрыл в стволе сухого тростника,
И людям стал огонь любезным братом,
Помощником, учителем во всём.
Эсхил. Прикованный Прометей
Цели урока: дать представление об электрическом токе и условиях его возникновения; познакомить учеников с источниками электрического тока; работая в группах, изготовить простейшие гальванические элементы и сравнить их некоторые свойства.
Цели развития: развивать умения наблюдать, строить модель процесса, объяснять явления с помощью аналогий, формировать первоначальный образ изучаемого объекта, ставить опыты, работать в группах, сравнивать результаты опытов, делать выводы, применять полученные знания в быту и технике. Урок должен будить мысль и создавать стойкую мотивацию к изучению физики.
Оборудование: два электрометра, проводник на изолирующей ручке, стеклянная и эбонитовая палочки, электрофорная машина, неоновая лампочка, термопара, фотоэлемент, модель генератора постоянного тока, гальванометр М-1032, ванна электролитическая, вольтметр и милливольтметр демонстрационные, две свинцовые пластины; коллекция «Металлы», лимон, вольтметр на 1,5 В, половинки севших гальванических элементов.
I. Актуализация знаний
Объясните с точки зрения электронных представлений различие между проводниками и диэлектриками. • При соединении любого заряженного тела с землёй оно практически полностью теряет свой заряд. Как объяснить этот факт? • На тонких шёлковых нитях подвешены две одинаковые лёгкие гильзы, одна из которых заряжена. Как определить, какая гильза заряжена? • Как объяснить, почему предварительно наэлектризованные тела притягиваются к ненаэлектризованным? • На электроскопе имеется небольшой положительный заряд. Если к шарику электроскопа приближать сильно наэлектризованную палочку, несущую большой отрицательный заряд, то листочки электроскопа сначала опадут, а потом опять разойдутся. Как это объяснить?
I [pic] I. Постановка проблемы
Учитель. Что такое электрический ток? Электрическую энергию вырабатывают на электростанциях. (Презентация рисунков на интерактивной доске: ТЭС, ТЭЦ, ГРЭС, ГЭС, АЭС.) Оттуда она по проводам передаётся потребителям – на электродвигатели, к электропечам, лампам накаливания и т.д. Например, наэлектризовав стеклянную и эбонитовую палочки, т.е. совершив работу по разделению зарядов, зарядим шары электрометров разноимёнными зарядами (демонстрация клемм источника тока на схеме) и, соединив их проводником, получим кратковременный ток (слабая вспышка неоновой лампочки). До прикосновения проводника к шарам свободные заряды в нём двигались хаотически, но после соприкосновения их хаотическое движение сменилось упорядоченным. Почему?
Ученики. В проводнике появилось электрическое поле, под действием которого свободные электроны пришли в движение.
Учитель. Электрический ток – упорядоченное или направленное движение свободных заряженных частиц в среде под действием электрического поля. Как же получить постоянный ток?
Ученики. Для этого необходимы специальные устройства.
Учитель. В Китае во времена культурной революции был предложен проект источника тока мощностью 5 МВт. Его суть была в том, что 5 миллионов китайцев в хлопчатобумажных штанах должны были съезжать вниз по большой эбонитовой палочке. Проект не был реализован, но с тех пор в Китае научились строить более экономичные и более конкурентоспособные генераторы! Познакомимся и мы с источниками электрического тока.
I [pic] II. Изучение нового материала
Учитель. Так каким образом в проводнике можно получить постоянный электрический ток? Устройства, создающие электрическое поле, называют источниками электрического тока. Роль источника тока сводится к разделению электрических зарядов, благодаря чему и создаётся электрическое поле. Разделяют заряды за счёт механической, химической и других видов энергии. В каком-то смысле электрическая цепь аналогична системе водяного отопления: горячая вода (аналог электрического тока) циркулирует по трубам (аналогам проводов) под действием водяных насосов (аналогов источника тока).
В электрофорной машине в электрическую энергию превращается механическая энергия (демонстрация). Создаваемый ток мал, поэтому подключённая к клеммам неоновая лампочка светится слабо. Гораздо ярче лампочка светится при подключении к осветительной сети (демонстрация).
В термопаре и термобатарее в электрическую энергию преобразуется внутренняя энергия (демонстрация). Где можно применить термопару?
Ученики. Для получения постоянного тока, для измерения температуры тел, если она не превышает температуру плавления металлов, составляющих термопару.
Учитель. В фотоэлементе и в солнечной батарее в электрическую энергию преобразуется световая энергия (демонстрация). Каков, по вашему мнению, принцип действия фотоэлемента?
Ученики. Скорее всего, в фотоэлементе под действием света появляются свободные электроны. Чем больше света падает на фотоэлемент, тем больше свободных электронов!
Учитель. На электростанциях электрический ток получают с помощью индукционных генераторов переменного и постоянного тока (демонстрация свечения низковольтной лампочки накаливания, подключённой к клеммам модели генератора постоянного тока). Кто вращает ручку генератора на Волжской ГЭС?
Ученики. Не кто, а что! Это работу совершает вода!
Учитель. Знакомы ли вам другие источники постоянного тока? Читаем Гальвани: «...И вот, замечая иногда, что препарированные лягушки, которые были подвешены на железной решётке, окружающей балкон нашего дома, при помощи медных крючков, воткнутых в спинной мозг, впадали в обычные сокращения не только в грозу, но иногда также при спокойном и ясном небе, я решил...» Что решил Луиджи Гальвани? Попробуем и мы повторить его опыты. Что нам для этого нужно?
Ученики. Цинк, медь и лягушка!
Учитель. Лягушки у нас нет, а всё остальное есть! (Демонстрация элемента Вольта, измерение напряжения на его клеммах.) Заменив медный электрод угольным стержнем, наблюдаем, что в этом случае источник работает лучше. Почему источник не работает, если использовать два медных электрода? Какова роль в этом процессе водного раствора серной кислоты – электролита? Почему нельзя ставить зубные коронки из разных металлов?
Ученики. Во рту будет течь ток.
Учитель. В гальваническом элементе химическая энергия преобразуется в электрическую энергию.
Запишем обозначения на электрической схеме:
[pic]
– гальванический элемент:
[pic]
– батарея из трёх элементов:
– батарея из n элементов: [pic]
Электрический ток можно получить, даже если электроды выполнены из двух одинаковых металлов, например, из свинца. Пример – аккумулятор. (Демонстрация принципа действия кислотного аккумулятора с двумя свинцовыми пластинами.) Почему две свинцовые пластины не образуют гальваническую пару? (Демонстрация зарядки аккумулятора от источника постоянного тока, измерение напряжения на его клеммах после зарядки.) Почему теперь свинцовые пластины образуют гальваническую пару?
Ученики. Электроды после пропускания тока зарядки стали разными по химическому составу.
Учитель. Да! Произошло окисление одного из электродов под действием электрического тока.
IV. Работа в группах. Изготовление самодельных гальванических элементов
• Задание группе 1. От какой гальванической пары можно получить максимальное напряжение?
Оборудование: вольтметр на 1,5 В; металлы: сталь, цинк, медь, латунь, алюминий; долька лимона; два провода; прищепка.
• Задание группе 2. От чего зависит максимальный ток данной гальванической пары?
Оборудование: амперметр на 50 мА, цинковая и медная пластины, дольки лимона и яблока, два провода.
• Вопросы группам: • От какой пары металлов удалось получить наибольшее напряжение? • От чего зависит максимальный ток гальванического элемента? • Как «вернуть жизнь» гальваническому элементу (каждой группе выдаётся половинка распиленной поперёк батарейки)?
V. Вопросы для закрепления
Что понимают под электрическим током? • Какова роль источника тока? • За счёт преобразования каких видов энергии может происходить разделение зарядов в источнике тока? • Какие источники тока называют гальваническими? • Какие превращения энергии происходят в элементе Вольта?
VI. Подведение итогов урока
Познакомились с источниками электрического тока – генераторами – и наблюдали их работу.
Глубже познакомились с работой гальванических элементов.
Научились изготавливать гальванические элементы, сравнивать их действие и выбирать наиболее эффективные из них.
Применили полученные знания для ремонта гальванических элементов, отслуживших свой срок.
VII. Творческие домашние задания (даются только тем ученикам, кого заинтересовали источники тока)
Изготовьте гальванические элементы.
Как «продлить жизнь» гальванического элемента? Обсудите причины выхода его из строя: окисление цинкового электрода, высыхание электролита (шприцем ввести воду с последующей зарядкой), выход из строя деполяризатора (зарядить).
Потечёт ли по медному проводу электрический ток, если один конец его опустить в водный раствор поваренной соли, а другой – в раствор серной кислоты?
При изготовлении батарейки затрачивается энергии в 2000 раз больше, чем эта батарейка способна отдать в процессе своей работы. Докажите это.
«Живые» источники тока: гигантский электрический скат создаёт напряжение 50–60 В; нильский электрический сом – 350 В; угорь электрофорус – 500 В. Как им это удаётся?
Предложите конструкцию спасательного маяка, который начинает вырабатывать ток, когда в него попадает солёная вода.
Используя план изучения прибора и таблицу «Гальванические элементы», предложите её более наглядный электронный вариант.
План изучения физического прибора
Общая характеристика прибора.
Устройство прибора.
Модель прибора.
Основные уравнения, описывающие работу прибора.
Типы прибора.
Практические применения.
Гальванические элементы (по плану)
[pic]
