Т.И.Долгая,
школа № 110, г. Москва

Исследование электропроводности различных сред

Вводно-обзорный урок-исследование. 10-й класс. Базовый уровень

Учитель. Здравствуйте! Начинаем наш урок физики – науки, создающей единую картину мира. А мир наш огромен, сложен и разнообразен. Вокруг нас и в нас самих происходят процессы, наблюдаются явления, тесно связанные друг с другом. Но зачастую эти взаимосвязи нами не осознаются. Посмотрите предложенные вам видеофрагменты и ответьте, пожалуйста, на два вопроса: какое явление наблюдаем? где происходит явление? (Просмотр видеофрагментов из фильмов, в которых показано протекание тока в различных средах: «Франкенштейн Мери Шелли» – протекание тока по проводам; «Трудный ребёнок-2» – протекание тока в жидкости; «Назад в будущее» – разряд молнии в воздухе. Обсуждение.)

Вы догадались, о чём пойдёт речь на сегодняшнем уроке? Попробуйте сформулировать тему. У нас будет урок-исследование. Запишем в рабочий лист тему урока: «Исследование электропроводности различных сред». Найдите два ключевых слова в теме, подчеркните их (электропроводности, сред).

Какие ассоциации вызывает у вас слово «среда»?

Учащиеся. В словаре Даля – «средний, середина, серёдка». В словаре Брокгауза и Эфрона – «совокупность внешних условий, в которых протекает процесс».

Учитель. Что означает слово «электропроводность»? Что должно быть в среде для того, чтобы она была электропроводна?

Учащиеся. Разность потенциалов и свободные носители заряда.

Учитель. На видеофрагментах мы видели примеры прохождения тока в твёрдом теле, жидкости и газе. Формулируем гипотезу: «Все среды электропроводны». Запишем её в рабочий лист. Наша задача – доказать или опровергнуть, а может быть, дополнить гипотезу. Для этого формируем три группы, первая будет заниматься исследованием электропроводности твёрдой среды, вторая – жидкой среды, а третья – газообразной. В каждой группе на первой парте работают два экспериментатора, на остальных – теоретики, выбирающие из всех предложенных описаний те, где ток протекает или не протекает в исследуемой среде. Время на работу по карточкам – 3 мин. (Работа по группам.) Время закончилось, соберём и обработаем информацию. (На доске большая таблица – рабочий лист – заполняется учителем, учащиеся заполняют такие же рабочие листы на партах.) Отведём красно-оранжевый сектор для твёрдой среды, сине-голубой – для жидкой, а жёлто-зелёный – для газообразной. (Обсуждение работы групп, все найденные случаи протекания тока отмечаются «+», а непротекания – знаком «–»).

Назовём и запишем в таблицу: «Проводящая твёрдая среда – проводники, непроводящая – диэлектрики, проводящая жидкая – электролиты, непроводящая – неэлектролиты».

Слева – рабочий лист – у каждого учащегося и на доске (проецируется с помощью компьютера), сектора закрашены разным цветом. С– заполненный лист

Газ не проводит ток, в нём нет носителей заряда в обычных условиях, но при определённых условиях газ становится проводящим, т.е. в нём появляются свободные носители заряда. Это может происходить по разным причинам, а называется это явление ионизация. От какого слова?

Учащиеся. Ион.

Учитель. Проводит ток ионизированный газ. И мы наблюдаем разряд в газе – молнию или свечение, – как в этой лампе тлеющего разряда (демонстрация). Это четвёртое состояние вещества, плазма, ионизированный газ. В естественных условиях на Земле плазма нечастый гость. Это огонь, молния и свечение в верхних слоях атмосферы – ионосфере. А во Вселенной 99% вещества находится в состоянии плазмы: и звёзды, и звёздные атмосферы, и межзвёздный газ. И на службе у человека большая роль отводится плазме (освещение улиц и домов, электрогазосварка), а в лабораториях появилась новая отрасль химии – плазмохимия, где изучаются и проводятся химические реакции, требующие очень высоких температур. И конечно, основная роль отводится плазме в управляемом термоядерном синтезе. А почему она называется «четвёртым состоянием вещества»?

                                 

Учащиеся. Четыре первоосновы материи, четыре стихии древних греков.

Учитель. Исследуя три среды, мы нашли четвёртую. А все ли среды мы исследовали? Не осталось ли в таблице белых пятен? Какая ещё среда может быть? Что будет, если молекула пролетает от одной стенки сосуда до другой, не испытав ни одного столкновения, не встретив ни одной молекулы? Задачу эту нам ещё 23 века назад поставил Аристотель: «Дело физика рассмотреть вопрос о пустоте, есть она или нет <...> и что она такое».

Исследуем вакуум. Его не встретишь на Земле, поэтому будем использовать достаточно разреженный газ в лампе накаливания. Вокруг баллона лампы я располагаю полоску фольги, соединённую с электрометром, заряженным положительно. Считаем, что между нитью накала и фольгой вакуум. При невключённой лампе заряд на электрометре остаётся неизменным, т.е. ток отсутствует. При включённой лампе стрелка начинает двигаться к нулю, следовательно, ток есть. Откуда взялись носители заряда? Из спирали, но только нагретой. Мы будем изучать это явление – термоэлектронную эмиссию. От каких слов произошло слово термоэлектронная?

Учащиеся. Испускание электронов металлом при нагревании.

Учитель. Закончим таблицу, поставив в середине, куда мы поместим вакуум, «+» и «–». Теперь таблица заполнена полностью. Мы начали изучение с трёх сред, а обнаружили их пять. Так доказали или опровергли мы гипотезу? Уточнили. Сделаем вывод: «Все среды проводят электрический ток при определённых условиях, существующих в самой среде или привнесённых в неё». Запишем его.

Вернёмся к началу урока. Вы говорили об окружающей среде, которая включает в себя и явления природы, и творения рук человеческих. А всегда ли окружающая среда благосклонна, доброжелательна к нам? Бывает ли она враждебной, опасной? С чего мы начинаем любую техническую работу, работу в кабинете физики? Наши экспериментаторы сегодня начинали именно с этого! Да, с техники безопасности. Ведь нервные импульсы в нашем организме передаются электрическими сигналами и сложными электрохимическими реакциями. Ток может запустить давшее сбой сердце, может поддерживать его работу, но большие токи (0,1–0,2 А) могут вызвать беспорядочные сердечные сокращения и остановку сердца.

Перед вами цветной коллаж, где представлены примеры протекания тока в различных средах. Природа части этих эффектов ясна, других – загадочна, одни полезны, другие опасны, а может быть в каждом – и то и другое? Проанализируйте с точки зрения опасности или полезности изображённое на фотографиях. (Беседа с учащимися.)

Разные науки изучают всё, о чём мы говорим на уроке, каждая по-своему. В школе мы изучаем все предметы по отдельности. Но явления природы так многогранны, что часто не желают ложиться на полочку того или иного научного ведомства. А физика здесь выступает интегрирующей наукой, объединяющей и объясняющей многое.

Так что мы изучали на сегодняшнем уроке? Что нового узнали? (Беседа.) Мы ещё и ещё раз убедились в необходимости познания мира. И чтобы чувствовать себя защищённо, и чтобы использовать эти знания на благо человека – в медицине, биологии, химии, астрономии, в быту и на производстве.

Мы не закончили наше исследование, а только начали его. Впереди много нового, пока неизвестного. Всё самое интересное – впереди.

Тот же трепет, то же благоговение и таинство снисходит на нас снова и снова, когда мы глубоко заглядываем в любой вопрос. Когда мы обретаем более глубокое знание, вместе с ним приходят более глубокие и более удивительные тайны, которые искушают человека, заманивая его всё глубже. Нас никогда не заботит то, что ответ может разочаровать, с удовольствием и уверенностью мы переворачиваем каждый новый камень, чтобы найти невообразимую странность, ведущую к ещё более удивительным вопросам и загадкам, и конечно, к великому приключению. Ричард Фейнман

Карточка-задание для группы экспериментаторов, исследующих электропроводность твёрдой среды

Техника безопасности!

Внимание! Все экспериментальные работы выполняются аккуратно, точно по инструкции, под наблюдением учителя.

Переключения схемы производите только при разомкнутом ключе! 

Ознакомлены

1. ___________

2. ___________

 

• Рассмотрите рисунок и приборы на рабочем столе.

1–2 – первый образец; 3–4 – второй образец;

5 – источник тока; 6 – лампа; 7 – ключ.

• Подключите провода к точкам 1, 2. Проверьте все соединения в цепи. Замкните ключ, понаблюдайте. Разомкните цепь.

• Подключите провода к точкам 3, 4. Замкните, понаблюдайте. Разомкните цепь.

• Рассмотрите исследуемые образцы. Попробуйте объяснить результаты опыта.

Карточка-задание для группы экспериментаторов, исследующих электропроводность жидкой среды

Техника безопасности!

Внимание! Все экспериментальные работы выполняются аккуратно, точно по инструкции, под наблюдением учителя.

Не касайтесь металлических частей прибора! Высокое напряжение! Не включайте прибор, если электроды не погружены в воду!

Ознакомлены

1. ____________

2. ____________

• Рассмотрите рисунок и приборы на столе.

1, 2 – металлические электроды;

3 – стакан с дистиллированной водой;

4 – лампа.

  Проверьте, погружены ли электроды в воду. Перед включением позовите учителя. Включите, понаблюдайте. Выключите прибор.

• Насыпьте в воду соль. Проверьте, погружены ли электроды. Под наблюдением учителя включите прибор, понаблюдайте. Выключите.

• Попробуйте объяснить результаты опыта.

 

Карточка-задание для группы экспериментаторов, исследующих электропроводность газообразной среды

Техника безопасности!

Внимание! Все экспериментальные работы выполняются аккуратно, точно по инструкции, под наблюдением учителя.

Свечу зажигайте осторожно, вдали от легковоспламеняющихся материалов, бумаги, одежды, волос! Спичку гасите в воде! Гасите свечу, накрывая её колпачком.

Ознакомлены

1. _____________

2. _____________

• Рассмотрите рисунок и приборы на рабочем столе.

1, 2 –металлические пластины на изолирующих подставках;

3 – электрометр (прибор для регистрации заряда);

4 – свеча.

• Расположите пластины параллельно друг другу на расстоянии около 5 см. Проверьте, чтобы не было соприкосновения пластин или неизолированных участков проводов. Наэлектризуйте мехом эбонитовую палочку. Зарядите одну пластину, проведя по ней заряженной палочкой. Не касайтесь руками электрометра или пластин. Следите, чтобы палочка касалась всё время только одной пластины. Если стрелка электрометра отклонилась менее, чем на два деления, повторите электризацию палочки и зарядку пластины. Подождите, пока стрелка электрометра успокоится. Понаблюдайте за ней.

• В стороне от пластин зажгите свечу и, внимательно наблюдая за стрелкой электрометра, осторожно переместите свечу в пространство между пластинами.

• Попробуйте объяснить результаты опыта, учитывая, что стрелка электрометра не движется, т.е. заряд остаётся постоянным, если ток не идёт. При прохождении тока заряд электрометра меняется, изменяется и угол отклонения стрелки.

Вариант I (теоретики, твёрдая среда)

Выберите из предложенных описаний те, в которых ток проходит в исследуемой вами твёрдой среде.

1. В 1752 г. американский государственный и политический деятель, первый учёный США, о котором заговорил научный мир Европы, Бенджамин Франклин, исследовал природу молнии, запуская в грозу воздушный змей. (Опыт очень опасный!) Когда верёвка намокала, по ней стекали атмосферные электрические заряды, и между нею и соединёнными с землёй металлическими предметами (столбиком, ключом) проскакивали искры.

2. Российскими учёными были разработаны и апробированы биоманипуляторы – механические устройства, управление которыми осуществляется с помощью биотоков человека. Биотоки оператора снимаются браслетом, надетым на предплечье, где расположены мышцы, отвечающие за сгибание и разгибание пальцев. Затем усиливаются и по проводам передаются манипулятору, повторяющему движения оператора. В 1960 г. на конгрессе Федерации по автоматическому управлению в Москве пятнадцатилетний мальчик, не имевший кисти руки, взял искусственной рукой мел и написал на доске: «Привет участникам конгресса!»

3. В медицине когда-то применялся «статический душ», или франклинизация. Над головой больного на расстоянии 10–15 см помещали электрод в виде звезды, другой электрод находился под ногами на изолирующей подставке. На электроды подавалось 40–50 кВ постоянного напряжения. Так осуществлялось воздействие на области головы, шеи, слизистую оболочку.

4. По технике безопасности все инструменты для электромонтажных работ снабжены изолирующими ручками. Сам монтёр должен работать в обуви на резиновой подошве или на резиновом коврике.

 

Ток ..................................................................Воздействие

1 мА .............................................................. не ощущается

3 мА .............................................................. покалывание

3–5 мА ...................................... раздражающее ощущение

8–10 мА ................... непроизвольное сокращение мышц

до 13 мА ............................................ "отпускающие токи"

15 мА ............................................. "неотпускающие токи"

0,1–0,2 А  .............................. беспорядочные сокращения сердечной мышцы

Ниже приведены ещё 5 вариантов текстов заданий для теоретиков, исследующих возможность протекания тока в одной из сред (картинка и вопрос 1 одинаковы для всех).

Вариант II (теоретики, твёрдая среда)

2. При нарушении ритма работы сердца используется вживляемый человеку кардиостимулятор или «водитель ритма», посылающий электрические сигналы сердечной мышце. Он покрыт биологически инертным полимером, позволяющим избежать отторжения организмом. Провода, покрытые силиконовой резиной, подводятся к сердечной мышце. 60–70 импульсов в минуту при токе 3–5 мА позволяют поддерживать сердечный ритм.

3. Особенно часто страдают от удара молнии дубы, имеющие глубокие корни, доходящие до водоносных слоёв почвы. При попадании молнии в лиственные деревья ток идёт по сердцевине, где наибольшее количество сока. Закипая, сок разрывает дерево. А у смолистого дерева, например сосны, сопротивление сердцевины больше сопротивления смолы, и ток идёт по поверхности, по смоле.

4. Аксоны, отвечающие на раздражители внешней среды и самого организма, входят в состав нервного волокна, по цитоплазме в них передаётся электрический импульс. Друг от друга аксоны изолируются миелиновой оболочкой, исключающей переход нервного импульса с одного аксона на другой.

 

Вариант III (теоретики, жидкая среда)

2. Гигантский электрический скат создаёт в воде напряжение 50–60 В, нильский сом – 350 В, а угорь-электрофорус – более 500 В. На тело самой рыбы это напряжение не оказывает никакого действия. Мышечная ткань электрических органов – проводник, а соединительная – изолятор.

3. «...Брат положил (наэлектризованную) газету на медный самоварный поднос, находящийся на пустых и хорошо высушенных стеклянных стаканах. Потом погасил свет и поднёс к подносу ключ. Треск – и одновременно беловато-синяя искра в полспички длиной проскочила между краем подноса и ключом...»

Я.И.Перельман.
Занимательные задачи и опыты

4. Из-за худшей проводимости пресной воды по сравнению с солёной пресноводным рыбам необходимо создавать более высокое напряжение, чем морским. Оказавшись в пресной воде, обитатель морей – ромбовидный скат – не сможет использовать своё электрическое «оружие».

Вариант IV (теоретики, жидкая среда)

2. При выполнении любой работы, связанной с электричеством, необходимо соблюдать технику безопасности, работать инструментами с изолированными ручками, на изолирующей подставке. Надо помнить, что мокрые руки, повреждённая кожа или большие поверхности контакта увеличивают опасность поражения электрическим током. В этих случаях может быть смертельным напряжение
100–120 В.

3. Электрокардиография – важнейшее медицинское исследование, позволяющее получать информацию о работе сердца. Электрокардиограмма – кривая, полученная при регистрации электрических импульсов сердца. Чтобы уменьшить сопротивление кожи и облегчить путь электрическому сигналу по потовым и сальным железам, поверхность кожи под электродами смачивают водой.

4. Нервные клетки – нейроны – отвечают на раздражители внешней среды или самого организма при помощи электрических импульсов по отростку нервной клетки – аксону. «Проводником» сигнала можно условно считать цитоплазму, а «изолятором» – плазматическую мембрану клетки, хотя сопротивление цитоплазмы слишком велико, а изоляционные свойства мембраны слишком слабы. Поэтому нельзя считать прохождение импульса по аксону полностью аналогичным прохождению тока, в нём происходят сложные электрохимические реакции.

Вариант V (теоретики, газообразная среда)

2. «...Такое электрическое свечение остроконечий наблюдают не только на море, но и суше, особенно в горах. Ещё Юлий Цезарь описал, как однажды ночью в облачную погоду острия копий его солдат светились такими огоньками. В горах случается, что это свечение появляется даже на людях – на волосах, шапках. При этом слышится тихое жужжание. Этот огонь не жжёт, это свечение, холодное свечение. Если такое свечение будет вокруг спички, она не загорится».

Я.И.Перельман.
Занимательные задачи и опыты

3. Органические вещества плотных тканей живых организмов являются диэлектриками, жидкости – проводниками. Больше всего препятствуют прохождению электрического тока роговой слой кожи, кость без надкостницы и сухожилия. При пропускании тока очень короткими, но многочисленными импульсами происходит разогрев тканей организма, что используется при диатермии.

4. Птицы часто сидят на проводах, но им не вредит электрический ток. Ведь сидят они на одном проводе, а второй проходит от него на некотором расстоянии.

Вариант VI (теоретики, газообразная среда)

2. «– Теперь я покажу тебе истечение электричества, то самое, которое Колумб и Магеллан видели на верхушках мачт своих кораблей... Дай-ка ножницы!

Брат приблизил в темноте острия разомкнутых ножниц к (наэлектризованной) газете... Я ожидал искр, но увидел нечто новое: острия ножниц увенчались светящимися пучками коротких сине-красных нитей, хотя от ножниц до бумаги было ещё довольно далеко. Одновременно раздавалось лёгкое протяжное шипение.

– Вот такие же огненные кисточки, только гораздо большие, морякам случается часто видеть на концах мачт и рей. Они называются “эльмовы огни”».

Я.И.Перельман.
Занимательные задачи и опыты

3. Электрофорез – физиотерапевтическое лечение, применяющееся в разных областях медицины. При проведении этой процедуры образуется сложная электрическая цепь растворов лекарственных средств и растворов электролитов, входящих в состав крови.

4. – Изоляция на ваших проводах воздушной проводки давно осыпалась, надо сменить. Вдруг будет обрыв, упадут на землю, а то ещё и в лужу...

– А если не оборвутся, не страшно?

– Пока не упали или не прислонились друг к другу, ещё ничего, но не затягивайте замену.