Электрический ток в различных средах. Электронная проводимость металлов

Урок физики в 10 классе

на тему « Электрический ток в различных средах. Электронная проводимость металлов ».

Цель урока: разъяснить физическую природу электрической проводимости веществ с точки зрения электронной теории; привить интерес к науке физике: история открытий, классические опыты и учёные-физики; воспитывать самостоятельность, ответственное отношение к учёбе, стремление к самообразованию.

План урока:

1. Объяснение нового материала по опорному конспекту.

2. Игровой момент «Орешек знаний»: тестирование в виде презентации за компьютером.

3. Рассказы учеников об истории и авторах открытий, описание опытов.

4. Продолжение лекции.

5. Работа у доски с логической цепочкой, вписывание формул.

6. Объяснение графиков с ВАХ двух металлов: различия, вывод.

7. Разбор и решение задачи по предложенному алгоритму.

8. Оценки.

9. Домашнее задание.

Материалы и оборудование: раздаточный материал с опорным конспектом и алгоритмом решения задачи, компьютер, доска.

Ход урока:

1. Объяснение нового материала (лекция):

Ученики работают с опорным конспектом, представленным в виде таблицы.

Учитель:

1. Электрическая проводимость представляет собой способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля. Обозначается σ=1/ρ. Единица измерения (Ом*м)^-1.

По физической природе зарядов – носителей электрического тока электропроводность подразделяют на:

а) электронную (чисто электронную, чисто дырочную и электронно-дырочную);

б) ионную (катионную, анионную, смешанную анионную и катионную);

в) смешанную (электронно-ионную).

1. Для каждого вещества при заданных условиях характерна определённая зависимость силы тока от разности потенциалов (ВАХ).

1. По удельному сопротивлению вещества принято делить на:

а) проводники ( ρ ⁶ Ом*м),

б) диэлектрики ( ρ 10⁸ Ом*м),

в) полупроводники ( 10⁸ Ом*м ρ 10^-6 Ом*м).

Однако такое деление условно, так как под воздействием ряда факторов (нагревание, облучение, примеси) удельное сопротивление веществ и их вольт-амперная характеристика изменяются, и иногда очень существенно.

4) Поговорим подробнее о проводимости металлов.

2.Игровой момент «Орешек знаний» :

Учитель: Прежде, чем продолжить свою лекцию, я хочу убедиться в том, что у вас хорошая память, и вы способны воспринять дальнейший материал.

«Орешек знаний твёрд, но мы не привыкли отступать,

И расколоть его поможет блиц-игра «Хочу всё знать».

Ученики за компьютерами работают с презентациями «Орешек знаний».

Если на все вопросы даны правильные ответы – удары по «Ореху», то внутри «Ореха» откроется фамилия учёного. Нужно кратко рассказать о его научных открытиях.

Если ответы неверные, то ученик продолжает «бить» по «Ореху», пока не отколется вся «скорлупа», попросив помощь у других учеников, уже справившихся со своими «Орехами».

В одном «Орехе» спрятана фамилия учёного К.Рикке, в другом – Мандельштам, в третьем – Ом.

Ученик 1: опыт К.Рикке (1901 год):

Три предварительно взвешенных цилиндра (два медных и один алюминиевый) Рикке сложил отшлифованными торцами так, что алюминиевый оказался между медными. Затем цилиндры были включены в цепь постоянного тока: через них в течение года проходил большой ток (ток, питавший городскую трамвайную сеть). За это время через цилиндры прошёл электрический заряд, равный приблизительно 3,5 млн Кл. Вторичное взвешивание цилиндров, показало, что масса цилиндров в результате опыта не изменилась. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом было установлено, что имеются лишь незначительные следы проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твёрдых телах. Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе зарядов в металлах ионы не участвуют.

Ученик 2: опыты Мандельштама Л.И. и Папалекси Н.Д. (1913 год – Советский Союз) и Т.Стюарт и Р.Толмен (1916 год - США):

Суть опытов сводится к тому, что на катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр. Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается. Направление тока говорит о том, что он создаётся движением отрицательно заряженных частиц. В этих опытах учёным удалось измерить удельный заряд частиц, создающих ток. Он оказался равным 1,8*10¹¹ Кл/ кг. Эта величина совпадает с отношением заряда электрона к его массе е/m, найденным ранее из других опытов.

Ученик 3.Ом Георг Симон (1787-1854) немецкий физик. Работал школьным учителем. Он открыл закон зависимости силы тока от напряжения для участка цепи, а также закон, определяющий силу тока в замкнутой цепи. Чувствительный прибор для измерения силы тока он изготовил сам. В качестве источника напряжения Ом использовал термопару: два спаянных вместе проводника из различных металлов. Увеличивая разность температур спаев, Ом менял напряжение, которое пропорционально этой разности температур. Кроме того Ом нашёл зависимость сопротивления проводника от длины и площади его поперечного сечения.

Учитель (продолжение лекции):

5. Основы электронной теории электропроводности металлов.

На основе этих и других опытов П.Друде в 1900 году создал теорию электропроводности металлов, в основе которой лежат следующие допущения:

а) свободные электроны в металле ведут себя как молекулы идеального газа; «электронный газ» подчиняется законам идеального газа;

б) движение свободных электронов в металле подчиняется законам классической механики Ньютона;

в) свободные электроны в процессе их хаотического движения сталкиваются не между собой (как молекулы идеального газа), а с ионами кристаллической решётки;

г) при столкновениях электронов с ионами электроны передают ионам свою кинетическую энергию полностью.

6. Вывод закона Ома из электронной теории.

Надо сказать, что теория П.Друде – весьма упрощённое представление об электронной проводимости в металле как об идеальном электронном газе, потому что она:

во-первых, не раскрывает природу зависимости электрического сопротивления от абсолютной температуры,

во-вторых, классическая механика Ньютона также не может здесь применяться, иначе по закону сохранения энергии (m*v²/2=3*k*T/2) мы получим температуру порядка 10⁵ – 10⁶ К. Такая температура существует внутри звёзд, а движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики.

Тем не менее, используя эту теорию, можно теоретически получить основной закон, связывающий силу тока в металлическом проводнике с напряжением на его концах.

Электроны под влиянием постоянной силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определённую скорость упорядоченного движения. Эта скорость в дальнейшем со временем не увеличивается, так как со стороны ионов кристаллической решётки на электроны действует некоторая тормозящая сила. В результате получаем такую логическую цепочку взаимосвязанных физических величин:

I= U / R

~

I ~ v ~ F ~ E ~ U

I=q₀*n*v*S ; F=m*(v-v₀)/t; F=q*E; E=U/d;

Таким образом, сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника I~U. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.

Ученик у доски подписывает формулы под знаками пропорциональностей.

7. Вольт-амперная характеристика металлов.

1

c

I

R₁

R

U

0

2

R₂

α

3.Закрепление знаний, умений, навыков.

Решение задачи:

Катушка намотана из медного провода массой 1 кг и сечением 0,1 мм². Разность потенциалов на её концах 110 В. Определите скорость дрейфа электронов проводимости и среднюю силу, с которой электрическое поле действует на один электрон. Сравните скорость дрейфа электронов со скоростью распространения электромагнитного взаимодействия в вакууме.

Алгоритм решения задачи:

СИ:

m(Cu)= 1,06*10^-25 кг

Решение:

1. формула для силы тока, определяемой электрическим зарядом, переносимым через поперечное сечение проводника за единицу времени :I=…

2. по закону Ома сила тока I=…

3. формула для сопротивления проводника, выраженного через удельное сопротивление и геометрические размеры проводника R=…

Дано:

m=1 кг

S= 0,1 мм²

U=110 B

ρ_ус=1,7*10^-2 Ом*мм²/м

m(Cu)=64 а.е.м.

|е|=1,6*10^-19 Кл

с=3*10⁸м/с

N_A=6,02*10²³ моль^-1

ρ

4) формула для расчёта длины проводника, выраженной через объём и площадь поперечного сечения проводника l=…

5) формула для расчёта объёма проводника, выраженного через массу и плотность меди V=…

6)формула для расчёта концентрации электронов n=….,

где N – число электронов в указанной массе медного провода (считаем медь одновалентной), N=…

7) подставляя в формулу для v все перечисленные данные, получаем v=…

8)сравним v со скоростью с.

9) сила, действующая на заряд со стороны электрического поля с напряжённостью Е, равна F=…

v=?

F=?

Оценки за урок.

Д/З: §111, 112, вопросы после параграфов.

Литература:

1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н.Сотский. Физика. Учебник для 10 класса. М., «Просвещение», 2003.

2. Г.В.Маркина. Физика 10 класс (поурочные планы).Изд-во «Учитель».Волгоград, 2002.

3. Е.А. Демченко. Нестандартные уроки физики 7-11 классы, Волгоград, «Учитель-АСТ», 2005.

Приложение. Опорный конспект по теме: «Электрическая проводимость различных веществ».