Изучение проводимости металлов

Компьютерная лабораторная работа.
10-й класс. Базовый курс

Предлагаю описание компьютерной лабораторной работы на основе созданной мною программы provod, предусматривающей два режима работы: изучение поведения проводника во внешнем электрическом поле и изучение электронной проводимости. Полную программу, а также описание работы с ней можно бесплатно получить через Интернет по адресу: http://web.ic.tsu.ru/~rain/er/index.html   в разделе «Электромагнетизм».

Привожу описание работы с этой программой в первом режиме – изучение (или закрепление, если материал изучался ранее) электронной проводимости металлов.

· Установите курсор на файл provodnk.exe и нажмите клавишу «enter» или дважды щелкните левой кнопкой «мыши». При появлении титульного листа программы нажмите «пробел», затем клавишу «z».

На вопрос, какова температура изучаемого проводника в кельвинах, наберите число 300 и нажмите «enter». Появится схема электрической цепи с источником тока и разомкнутым ключом, причем верхняя часть проводника изображена в увеличенном виде, что позволяет видеть его внутреннее строение. Приведенные на экране условные обозначения поясняют, что ионы, образующие кристаллическую решетку металла, изображаются красными шариками, а электроны – голубыми.

• Задание 1. Рассмотрев картинку на экране, ответьте на вопросы:

а) Каково строение металла?
б) Как ведут себя ионы в металле?
в) В каком состоянии находятся в металле электроны? Постоянна ли их скорость? Если не постоянна, то что меняется: величина скорости, ее направление или то и другое? При каком условии меняется скорость каждого электрона?

При ответе на последний вопрос нажмите клавишу «с» – в этом случае один из электронов будет выделен желтым цветом, за ним и проследите.

г) Происходит ли в среднем перенос электрического заряда в каком-либо определенном направлении? Чтобы дать обоснованный ответ, проследите за выделенным электроном в течение одной-двух минут. Проверьте, совершил ли в среднем электрон перемещение в каком-либо определенном направлении. Вышел ли он за пределы выделенного участка проводника? Является ли такое движение упорядоченным или беспорядочным (хаотическим)?

• Задание 2. Измените температуру металла. Для этого нажмите клавишу «s», затем введите число, обозначающее более высокую температуру (например 500) и нажмите «enter». Опишите, какие изменения произошли при повышении температуры. Как сказалось повышение температуры на движении электронов? движении ионов? Почему беспорядочное (хаотическое) движение электронов еще называют «тепловым»?
• Задание 3. Подключите к проводнику источник тока. Для этого нажмите клавишу «1». При этом замкнется ключ, и на выделенной крупным планом части проводника появится напряжение, имеющее условное значение 1 вольт (значение 1 В появляется в левом верхнем углу экрана). Значит, внутри проводника появилось электрическое поле. Опишите, к чему это привело. Изменилось ли (если да, то как) движение электронов? ионов? Прекратилось ли при этом хаотическое движение электронов? Появился ли в среднем перенос электрического заряда в определенном направлении? (Пронаблюдайте за выделенным электроном.) Если да, то в каком направлении: влево или вправо? к положительному полюсу источника тока или от него? Какое из движений электронов происходит с большей средней скоростью – хаотическое или направленное?

С помощью часов с секундной стрелкой или секундомера определите, сколько времени в среднем понадобится выделенному электрону, чтобы пройти по проводнику. Для этого три раза измерьте, за какое время выделенный желтым цветом электрон пройдет от левого конца проводника до его правого конца, и найдите среднее арифметическое значение этого времени (сложите результаты и сумму разделите на число измерений).

Рассчитайте среднюю скорость направленного движения электронов по формуле v = s / t, где s – длина выделенного участка проводника, равная 0,2 мм, t –измеренное вами среднее время.

• Задание 4. Измените напряжение, приложенное к проводнику, нажав клавишу «2». При этом вдвое увеличится количество источников тока в цепи, значит, увеличится и напряжение, а также напряженность электрического поля в проводнике. Ответьте на вопросы:

а) Какие изменения произошли в выделенном участке проводника?
б) Изменилось ли состояние ионов?
в) Изменилось ли движение электронов? Если изменилось, то как, какое именно – хаотическое, направленное или оба?
г) Определите теперь среднюю скорость направленного движения электронов, как это делалось в задании 3.

• Задание 5. Нажав клавишу «3», установите напряжение 3 В (при этом в цепь окажутся включены три источника тока). Ответьте на те же вопросы, что и в задании № 4. Сравните средние скорости направленного движения электронов при напряжениях 1 В, 2 В, 3 В и сделайте вывод.
• Задание 6 (дополнительное, для десятиклассников). Отключите источники тока, для чего нажмите клавишу «0». Сильно измените температуру проводника (нажав клавишу «s», наберите, например, 1200 и нажмите «Enter»). Какую особенность движения электронов можно теперь наблюдать внутри выделенного участка проводника и вне его?

Вылетание электронов из проводника при его нагревании называется термоэлектронной эмиссией. Попробуйте объяснить, почему вылетевшие из проводника электроны возвращаются обратно? Путем эксперимента выясните, от чего зависит количество электронов, находящихся в электронном облаке в данный момент времени. Сделайте вывод.