Ток в металлах. Сверхпроводимость

Разработка урока физики

в 8 классе учителя

Свердловской специализированной школы №11

Куликова А. Е.

Тема: Электрический ток в металлах.

Цель урока: Выяснить физическую природу электрического тока в металлах. Раскрыть понятие сверхпроводимости и ее применение на практике. Развивать мышление учащихся, умение четко формулировать свою мысль. Воспитывать любовь к изучению предмета, любознательность.

Тип урока: изучение нового материала.

Методы и приемы: слово учителя, беседа, использование ИКТ, демонстрация, игра «Прав ли я?», «Незаконченное предложение»

Оборудование: источник тока, провода, гальванометр, лампочка, золотое и серебренное изделие, сухое горючее, штатив с муфтой и лапкой, медный провод, зажигалка; карточки для оценивания работы учащихся на уроке, «Листы самоконтроля», карточки для ожидаемых результатов.

План урока

1. Организационный момент. Проверка домашнего задания. Мотивация. Сообщение темы и цели урока. Ожидаемые результаты (7 мин)

2. Актуализация опорных знаний. (3 мин)

3. Изучение нового материала: (25 мин)

1. Электрическая проводимость металлов.

2. Причина возникновения сопротивления.

3. Зависимость сопротивления от температуры.

4. Сверхпроводимость.

4. Демонстрации (по ходу изучения материала) (5 мин)

1. Проводимость тока металлами.

2. Зависимость сопротивления проводника от температуры.

3. Фрагмент видеофильмов «Электрический ток в металлах»,

«Зависимость сопротивления металлов от температуры».

5. Обобщение. Оценивание работы учащихся на уроке. Рефлексия. (3 мин)

6. Домашнее задание. (2 мин)

Ход урока

І. Организационный момент.

ІІ. Проверка домашнего задания.

Работа учащихся у доски по вопросам:

1. Работа электрического тока.

2. Мощность электрического тока.

3. Закон Джоуля-Ленца.

Игра «Прав ли я?»

Работа с классом по вопросам:

1. Работа тока измеряется в ваттах. (В джоулях)

2. Мощность тока измеряется в амперах. (В ваттах)

3. Количество теплоты, выделяемое проводником измеряется в джоулях (Да)

4. (Нет)

5. (Да)

6. (Нет)

ІІІ. Мотивация учебной деятельности.

Слово учителя

Я ещё не устал удивляться

Чудесам, что есть на Земле:

Телевизору, голосу раций,

Вентилятору на столе.

Самолёты летят сквозь тучи,

Ходят по морю корабли.

Как до этих вещей могучих

Домечтаться люди могли?

Я вверяю себя трамваю,

Я гляжу на экран кино.

Эту технику понимания,

Изумляюсь ей все равно.

Ток по проволоке струится,

Спутник ходит по небесам -

Человеку стоит дивиться

Человеческим чудесам

(Шефнер)

Такие «человеческие чудеса» характерны не только для современности. В одной древней легенде говорится, что после смерти пророка Магомеда его тело положили в металлический гроб. Каково же было удивление всех присутствующих, когда гроб с телом пророка воспарил над землей. Как бы вы могли объяснить такое чудо? (Ответы учащихся)

Спасибо за ваши версии! А правильный ответ вы сможете дать после изучения темы «Электрический ток в металлах».

ІV. Сообщение темы и цели урока. Учащиеся формулируют ожидаемые результаты. (запись на карточках)

V. Актуализация опорных знаний.

1. Что называют электрическим током?

2. Каковы условия существования тока в проводнике?

3. Из чего состоят металлы?

4. Что происходит с повышением температуры со скоростью движения частиц вещества? А с понижением?

VІ. Изучение нового материала.

Ребята, перед вами на партах «Листы самоконтроля» с обобщающими вопросами по сегодняшнему материалу. В конце урока вы должны будете ответить на эти вопросы.

1. Электрическая проводимость металлов.

Слово учителя

Электрический ток могут проводить жидкости и твердые вещества, а при определенных условиях и газы. Изучение тока в различных средах мы начнем с тока в металлах. Во-первых, потому что все без исключения металлы проводят электрический ток, а во-вторых, именно с проводимостью металлов связано широкое применение электроэнергии в жизни человека. (Демонстрация: проводимость тока металлами).

Из курса химии вам известно, что валентные электроны в металлах легко покидают свой атом и становятся свободными. В результате в узлах кристаллической решетки металла остаются положительные ионы.

Если электрическое поле отсутствует, то свободные электроны внутри проводника движутся хаотически, их движение напоминает движение молекул газа. Поэтому свободные электроны в металлах называют «электронным газом».

Если в проводнике создать электрическое поле, то электроны начинают двигаться в сторону положительного полюса источника тока. Движение электронов становится направленным – в металле возникает электрический ток.

Электрический ток в металлах представляет собой направленное движение свободных электронов. (Фрагмент видеофильма «Электрический ток в металлах»)

Впервые природа тока в металлах была экспериментально установлена учеными Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. При постановке опыта, катушка, закрепляющаяся на стержне, могла свободно вращаться. Катушку подключали к гальванометру и раскручивали, после чего резко останавливали. При этом стрелка гальванометра резко отклонялась. Вывод: в катушке двигалось «электронное облако» по инерции (как люди, в резко остановившемся автобусе).

2. Причина возникновения сопротивления.

Мы знаем, что металлы состоят из узлов кристаллической решетки, между которых движутся электроны. Узлы кристаллической решетки постоянно колеблются, что мешает электронам добраться из одного конца проводника до другого. Электроны, обладающие кинетической энергией, будут врезаться в узлы, при этом будет повышаться внутренняя энергия проводника, что приведет к повышению температуры (когда мы будем бить молотком по гвоздю, лежащем на наковальне, его температура увеличивается). Следовательно, скорость колебательных движений узлов будет увеличиваться, а значит, что шанс узла столкнуться с электроном будет возрастать. Таким образом, в проводнике будет увеличиваться сопротивление.

3. Зависимость сопротивления от температуры.

(Демонстрация: зависимость сопротивления проводника от температуры).

Соединим медную спираль с источником тока и начнем подогревать ее с помощью сухого горючего. Опыт показывает, что по мере нагревания спирали, сила тока в ней немного уменьшается, следовательно, сопротивление спирали возрастает. Посмотрим видеоролик со стальной спиралью. (Фрагмент видеофильма «Зависимость сопротивления металлов от температуры»).

• Какие выводы мы можем сделать из увиденного?

(ответы учащихся)

При повышении температуры сопротивление проводников увеличивается.

Сила тока тоже уменьшалась, и даже в большей мере. Следовательно, зависимость сопротивления от температуры у каждых веществ разная.

Зная, как зависит сопротивление проводника от температуры, можно, измерив, сопротивление проводника, определить его температуру. Этот факт положен в основу работы термометров сопротивления. На практике шкалу данного прибора, как правило, градуируют в единицах температуры.

4. Сверхпроводимость.

В 1911 г. голландский ученый Гейке Камерлинг-Он­нес, измеряя сопротивление ртути при низких температурах, обнаружил резкое его падение до нуля при аб­солютной температуре 4,2 К. Открытое им явление Ка­мерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью.

Сверхпроводимость – это явление потери сопротивления металлов при температуре близкой к абсолютному нулю (-273 С).

Это означает, что если сделать кольцо из сверхпроводника и навести в нем ток, то он сможет циркулировать по кольцу сколько угодно долго, при этом кольцо будет парить в воздухе. В одном из экспериментов такого рода, выполненном в Англии, ток циркулировал по кольцу бо­лее двух лет, причем даже самые чувствительные при­боры не смогли зарегистрировать никакого уменьшения величины самого тока по истечению указанного време­ни. Любопытно, что этот эксперимент был прерван че­рез два года, а не был продолжен па более длительный промежуток времени из-за забастовки транспортных рабочих, в результате чего оказалось невозможной оче­редная подливка жидкого гелия в криостат. Оставший­ся в криостате гелий выкипел, сверхпроводник отогрел­ся до комнатной температуры, перешел в нор­мальное состояние с конечным сопротивлением, и, есте­ственно, ток в кольце сразу же затух и кольцо упало.

Ребята, эта информация и рисунок вам ничего не напоминает?

Описанное выше явление и было названо «Магомедовым гробом».

Открытие сверхпроводимости оказалось возможным лишь благодаря выдающемуся технологическому дости­жению – ожижению гелия. При атмосферном давлении кипит при температуре всего на 4,2 К выше абсолютного нуля. Именно поэтому ожижение гелия поз­волило физикам вступить в новую область – физику гелиевых температур. Не случайно, что именно Камер­линг-Оннес, впервые получивший жидкий гелий, открыл сверхпроводимость – для этого были необходимы исключительно низкие температуры.

Явление сверхпроводимости долго оставалось зага­дочным – только в 1957 г. оно получило теоретическое объяснение в работах американских ученых Дж. Бар­дина, Л. Купера и Дж. Шриффера (теория БКШ), а также советского ученого Н. Н. Боголюбова. С этого времени начинается новый этап в изучении сверхпровод­ников. С одной стороны, развитие теории дало возможность исчерпывающим образом описать все основные экспериментальные данные в физике сверхпроводников, предсказать много новых эффектов. С другой стороны, было создано большое число новых сверхпроводящих материалов, важных с практической точки зрения.

Использование этих материалов позволило получать сверхсильные магнитные поля (для установок термо­ядерного синтеза, МГД-генераторов, ускорителей эле­ментарных частиц), создать новый тип электрических машин с высоким КПД, сверхпроводящие кабели, работающие без потерь, создать левитационный транспорт.

VІІ. Обобщение и закрепление материала

Работа с «Листом самоконтроля»: учащийся выбирает для себя вопрос и отвечает на него:

1. Опишите характер движения электронов в металлах при отсутствии электрического поля? При наличии электрического поля?

2. Что представляет собой электрический ток в металлах?

3. Какова причина сопротивления металлов?

4. Зависит ли сопротивление металлов от температуры? Как?

5. В чем заключается явление сверхпроводимости?

VІІІ. Оценивание работы учащихся

ІX. Рефлексия.

Вспомните свои ожидания от урока и закончите фразу:

- Я считаю, ожидаемые результаты достигнуты, потому что…

Или:

- К сожалению, мои ожидания не оправдались, потому что…

Х. Домашнее задание.

«Ярмарка заданий»: учащиеся сами выбирают себе домашнее задание из предложенных.

Параграф 18 выучить, вопросы после параграфа письменно, мини-доклад о сверхпроводимости.

8