В.Г.ЕФИМОВА,
с. Георгиевское, Пермский кр.

Закон Ома для участка цепи

Урок изучения и первичного закрепления нового материала.
8-й класс

Образовательные задачи урока: знать формулировку и формулу закона Ома для участка цепи, понимать зависимость силы тока на участке цепи от напряжения и сопротивления и представлять её в виде графиков, уметь «читать» графики I(U), I(R), развить экспериментальные умения – выдвигать гипотезу и планировать проведение эксперимента по её проверке, закрепить практические навыки работы с электрическими измерительными приборами и в сборке электрических цепей.

Урок знакомит с некоторыми историческими сведениями, служит развитию логического мышления и элементов изобретательских умений. Его надо провести после изучения понятия «электрическое сопротивление» и причин этого явления (§ 43 учебника*).(*Учебник А.В.Пёрышкина Физика-8. – М.: Дрофа, 2002.)  К этому времени учащиеся должны знать понятие «обратная пропорциональность» из курса алгебры и уметь строить указанную зависимость. Для актуализации математических знаний на дом было задано: повторить понятия «прямая пропорциональность», «обратная пропорциональность», графики прямой и обратно пропорциональной зависимостей, построить графики функций y = 2x, y = 4x, y = 2/x, y = 4/x.

Ход урока

1. Психологическая установка и актуализация знаний

Учитель (не дожидаясь полного внимания учеников, оно всё равно у некоторых будет только внешним). Наш урок начнём с решения задачи, хотя на дом подобные я и не задавала. Весь секрет в том, что это логическая задача, для её решения не обязательно хорошо знать пройденный материал, достаточно житейской наблюдательности и немного сообразительности. Итак: в комнате есть три выключателя. Известно, что только один из них включает свет в соседней комнате, где стоит торшер с одной лампой. Комнаты друг с другом сообщаются так, что нельзя определить из одной, что происходит в другой. Помощников нет, проводки не видно. Как, имея возможность только один раз перейти от выключателей к торшеру, определить, какой из выключателей включает торшер?

(Обсуждение возможных способов решения. В случае затруднения учитель, не акцентируя внимания, уточняет, что в задаче рассматриваются лампы накаливания. Если решения всё же не возникает, задачу следует задать на дом. Попутно можно повторить действия электрического тока.)

Ученики. Нужно включить любой выключатель на короткое время, затем выключить, включить следующий, пойти в соседнюю комнату и коснуться лампы в торшере. Если она холодная, значит, соединена с третьим выключателем, если тёплая, но не горит, значит, с первым.

Учитель. А теперь разгадайте анаграммы и найдите лишнее понятие в каждом столбце.

Такие задания не только развивают мышление, но и приучают к неоднозначным и множественным ответам. Рассматриваются предлагаемые решения, повторяется связанный с данными понятиями материал. Возможные ответы и вопросы для обсуждения:

1. Амперметр, работа, напряжение, вольтметр. Ответ. Амперметр – остальные понятия относятся к напряжению. Дайте определение напряжения. Как и чем измеряют эту величину?

2. Сила тока, заряд, время, сопротивление. Ответы. 1: заряд – остальные слова оканчиваются на гласную букву; 2: время – сила тока и заряд (количество электричества, прошедшее через проводник) зависят от его сопротивления; 3: сопротивление – остальные величины связаны определением силы тока. Что такое сила тока? Каков физический смысл этой величины? Чем и каким образом измеряется? Какое свойство проводника характеризует сопротивление?

3. Вольт, кулон, ньютон, ампер. Ответы. 1: ньютон – остальное единицы электрических величин; 2: Ньютон – остальные фамилии учёных, изучавших электрические явления; 3: Вольта – сконструировал один из первых источников постоянного тока, остальные учёные открыли количественные меры взаимодействия. Назовите физические величины, соответствующие данным единицам, и их буквенные обозначения.

2. Изучение нового материала

Учитель. Что общего в анаграммах? Почему именно такие слова в них включены?

Ученики. В них даны термины, относящиеся к электрическому току. Эти термины включают в себя названия основных величин, их единицы и приборы для их измерения.

Учитель. Что такое электрический ток? Как осуществляется протекание тока в металлах? В чём причина сопротивления проводника?

(Ученики дают определения, один ученик у доски рассказывает о процессе протекания электрического тока в металлах.)

Учитель. Что произойдёт, если увеличить напряжение на концах проводника? Как сила тока зависит от напряжения? Как изменится сила тока, если увеличить сопротивление? Какова зависимость силы тока от сопротивления?

Ученики. При увеличении напряжения увеличится напряжённость электрического поля, действующего на свободные заряды в проводнике, поэтому увеличится мредняя скорость регулярного движения этих зарядов, следовательно, возрастёт количество электричества, проходящего через сечение проводника в единицу времени, т.е. возрастёт сила тока. Таким образом, сила тока прямо пропорциональна напряжению. Если увеличить сопротивление, усилится степень «противодействия» проводника прохождению электронов, а значит, уменьшится сила тока, следовательно, сила тока обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Учитель. Мы выдвинули гипотезу, которую, конечно, следует проверить. Итак, что нам следует выяснить?

Ученики. Зависимость силы тока от напряжения и сопротивления.

Учитель. Это и есть тема и цель нашего урока (записывает на доске тему «Зависимость силы тока от напряжения и сопротивления» и гипотезу: I ~ U, I ~ 1/R). Каким образом можно проверить гипотезу? Какие приборы потребуются для этого? Каковы основные правила работы с ними? Как следует проводить опыты? Какие трудности возникли при выполнении домашнего задания (построение графиков)?

(Фронтально обсуждается порядок проведения эксперимента, учитель кратко поясняет назначение и демонстрирует работу реостата, напоминает о правилах безопасной работы с электрическими устройствами; раздаёт оборудование и, для желающих, инструкцию по выполнению работы. Два ученика строят графики с помощью компьютера, вычерчивая I(U) для двух разных сопротивлений и I(R) для двух разных напряжений.)

Инструкция по исследованию зависимости силы тока от напряжения и сопротивления

Цель работы: установить на опыте зависимость силы тока от напряжения и сопротивления.

Оборудование: амперметр лабораторный, вольтметр лабораторный, источник питания, набор из трёх резисторов сопротивлениями 1 Ом, 2 Ом, 4 Ом, реостат, ключ замыкания тока, соединительные провода.

Для выполнения работы соберите электрическую цепь из источника тока, амперметра, реостата, проволочного резистора сопротивлением 2 Ом и ключа. Параллельно проволочному резистору присоедините вольтметр (см. схему).

1. Исследование зависимости силы тока от напряжения на данном участке цепи. Включите ток. При помощи  реостата доведите напряжение на зажимах проволочного резистора до 1 В, затем до 2 В и до 3 В. Каждый раз при этом измеряйте силу тока и результаты записывайте в табл. 1.

Таблица 1.

Сопротивление участка 2 Ом

По данным опытов постройте график зависимости силы тока от напряжения. Сделайте вывод.

2. Исследование зависимости силы тока от сопротивления участка цепи при постоянном напряжении на его концах. Включите в цепь по той же схеме проволочный резистор сначала сопротивлением 1 Ом, затем 2 Ом и 4 Ом. При помощи реостата устанавливайте на концах участка каждый раз одно и то же напряжение, например, 2 В. Измеряйте при этом силу тока, результаты записывайте в табл 2.

Таблица 2.

Постоянное напряжение на участке 2 В

По данным опытов постройте график зависимости силы тока от сопротивления. Сделайте вывод.

(По окончании работы результаты обсуждаются, проверяются графики.)

Учитель. Какие выводы вы сделали по результатам опытов? Сравните их с нашей гипотезой.

Ученики. Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Гипотеза подтвердилась.

Учитель. Впервые к такому выводу пришёл немецкий учёный, школьный учитель Георг Симон Ом, и закон носит его имя. Кроме того, Ом открыл зависимость сопротивления проводника от его размеров. Это наша следующая тема, в старших классах вы будете изучать ещё один закон Ома.

Перефразируйте закон Ома так, чтобы не повторилось ни одно слово из формулировки. (Такое задание очень полезно, оно позволяет учащимся не только осознанно запомнить формулировку, но и служит развитию красивой, грамотной речи. Подготовленный ученик рассказывает об истории открытия закона Ома.)

• Как Ом открыл свой закон

Чтобы понять заслуги Ома в науке, следует учесть обстановку, в которой работал учёный. Всего четверть века прошло с открытий Гальвани и Вольта. Большинство учёных того времени не были вполне убеждены, что электрический ток (от электрических машин) и гальванический ток (от вольтова столба) представляют одно и то же явление. Их тождественность выдвигалась ещё как гипотеза, которую предстояло доказать.

С 1825 г. Ом начинает заниматься исследованиями гальванизма. В 1826 г. появляется его работа «Определение закона, по которому металлы проводят контактное электричество», заключавшая в основном содержание его закона. Первые опыты Ом проводил, пользуясь собственноручно изготовленным вольтовым столбом. В последующих опытах учёный пользовался установками, в которых источником тока служил термоэлемент.

Ом подвешивал магнитную стрелку на нити, а под ней, параллельно её оси, располагал проволоку, соединявшую полюса источника тока. Когда по проволоке шёл ток, стрелка отклонялась вследствие магнитного действия тока. Закручиванием нити Ом удерживал стрелку в первоначальном положении. Величиной угла кручения измерялась сила отклоняющего тока. Помещая стрелку над различными участками цепи, Ом установил, что угол закручивания оставался постоянным, и тем самым доказал постоянство силы тока в различных участках цепи. Далее, подключая к полюсам источника тока различные провода, Ом установил, что сила тока убывает с увеличением длины провода и уменьшением площади его поперечного сечения, а также зависит от вещества провода. Он нашёл ряд веществ в порядке возрастания «сопротивления». Термины «сопротивление» и «сила тока» принадлежат Ому.

Используя в качестве источника тока термоэлемент, Ом создавал различные разности температур спаев висмута и меди, погружая спай 1 в тающий лёд, а спай 2 – в воду разной температуры. В результате получались различные напряжения на проволоке 3, присоединённой к термоэлементу, и различная сила тока в цепи. Соответственно менялось и отклонение магнитной стрелки M. Данные опытов обрабатывались математически.

В 1827 г. появляется основной, прославивший Ома, труд – «Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Г.-С.Омом». В этой работе Ом теоретически установил знаменитый закон, носящий его имя. Работу Ома в Германии встретили очень хорошо. В 1833 г. учёный был уже профессором Политехнической школы в Нюрнберге. Однако за рубежом, особенно во Франции и Англии, работы Ома долгое время оставались неизвестными. Спустя 10 лет французский физик Пулье независимо на основе экспериментов пришёл к таким же выводам, что и Ом. Но Пулье было указано, что установленный им закон ещё в 1827 г. был открыт Омом. Любопытно, что французские школьники и поныне изучают закон Ома под именем закона Пулье.

3. Первичное закрепление и коррекция знаний

(Ученики определяются с уровнем заданий для закрепления, сомневающимся выдаются оба листа с заданиями, – они определятся позже, в процессе выполнения.)

Репродуктивный и продуктивный уровни

(Среди учеников, выбравших данный уровень заданий, могут быть очень слабые, поэтому при проверке ответы подробно комментируются.)

• Качественные задачи

1. Ученик выполнял работу по проверке закона Ома для участка цепи и собрал цепь по показанной на рисунке схеме. Он обнаружил, что при уменьшении сопротивления участка ВС амперметр показывал увеличение тока, а вольтметр стал показывать уменьшение напряжения. Зная, что, по закону Ома, сила тока прямо пропорциональна напряжению, он получил противоречие «теории» с опытом. Как разрешить затруднение? Какие ошибки в рассуждении допустил ученик?

Ответ. Сила тока зависит и от напряжения, и от сопротивления. Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении, что не было выполнено.

2. Какой вид зависимости изображён на рисунке? Какой график не соответствует закону Ома для участка цепи?

3. Что изменилось на участке цепи, если включённый последовательно с реостатом амперметр показывает увеличение силы тока?

(Ответ. Повысилось напряжение или уменьшилось сопротивление.)

4. Что изменилось на участке цепи, если включённый параллельно ему вольтметр показывает уменьшение напряжения?

5. Зависимость силы тока от сопротивления участка цепи выражена графиками 1 и 2. В каком случае проводник находился под бльшим напряжением?

6. Как будут изменяться показания амперметра, если точку А поочерёдно соединять медной проволокой с точками B, C, D, E?

(Ответ. При соединении с точкой В – не изменятся, с точкой С – значительно уменьшатся, с точками D и Е – практически нуль.)

7. Как будут изменяться показания вольтметра, если точку А поочерёдно соединять медной проволокой с точками В, C, D, E?

(Ответ. При соединении с точками В и С – не изменятся, с точками D и Е – стрелка вольтметра будет почти у нуля.)

8. Почему при возникновении пожара в электроустановках нужно немедленно отключить рубильник? Как это сделать?

9. Почему нельзя гасить огонь, вызванный электрическим током, водой или пеной из обычного огнетушителя, а только сухим песком?

• Цифровой диктант

Учитель. Даны некие утверждения, они могут быть как истинными – такие предложения отмечайте единицей, так и ложными – такие отмечайте нулём. (Выполняется учащимися самостоятельно. Диктант содержит задания из прошлой темы для повторения важных сведений.)

1. Проводник оказывает сопротивление, потому что ионы кристаллической решётки отталкивают электроны.

2. Чтобы сила тока оставалась прежней, нужно к проводнику с бльшим сопротивлением прикладывать и большее напряжение.

3. Для изменения сопротивления проводника достаточно увеличить или уменьшить подаваемое напряжение.

4. При одинаковых напряжениях в проводнике с бо1льшим сопротивлением будет меньший ток.

5. Если увеличивается сила тока в цепи, значит, изменилось сопротивление.

6. Сопротивление проводника, для которого построен график на рисунке, равно 5 Ом.

7. На рисунке слева приведены графики зависимости силы тока от напряжения для двух проводников. Сопротивление второго проводника больше.

Продуктивный и творческий уровни

(Учащиеся выполняют задания самостоятельно, пока учитель с первой частью класса разбирает качественные задачи. Во время выполнения первой группой цифрового диктанта вторая группа учащихся под руководством учителя обсуждает результаты своей работы.)

Задания расположены по возрастанию сложности; можно выполнить часть из них, задачи 5 и 6 – изобретательские.

1. Почему птицы могут безопасно сидеть на проводах высоковольтных линий электропередачи?

2. Решите задачу № 1287 из задачника В.И.Лукашика, Е.В.Ивановой.

3. Постройте графики зависимости силы тока от напряжения для двух проводников сопротивлениями 2 и 3 Ом.

4. Постройте графики зависимости силы тока от сопротивления при постоянных величинах напряжения 2 и 4 В.

5. Какими способами можно определить напряжение в сети, имея в распоряжении любые приборы, кроме вольтметра? (Ответ. Например, включить резистор известного сопротивления в сеть последовательно с амперметром, а напряжение вычислить по закону Ома.)

6. Что нужно сделать, чтобы во время запуска пресса руки работника случайно не попали под пресс? Рассмотрите варианты решения без фотореле.

Подсказка. Для запуска пресса руки должны быть где? (Например, одновременно на двух кнопках запуска – обе руки будут заняты.)

7. Предложите устройство (электрический сторож) для обнаружения проникновения на вашу территорию постороннего (Возможный вариант решения. Нужно закрепить прочную нить 1 (или проволоку) одним концом на колышке, а другим – на дощечке 2 (толщиной около 0,5 см), зажатом между двумя упругими контактными пластинками К и Р (выполненными, например, из консервной банки), которые закреплены на другом колышке. Если незваный гость натянет нить, изолятор выскользнет из пластинок, они сойдутся и замкнут электрическую цепь – звонок зазвонит. Для предотвращения случайного замыкания цепи в случае дождя контакты К и Р надо прикрыть козырьком.)

4. Подведение итогов

Какая часть урока, какие задания показались наиболее интересными? скучными? Что было неудачным и почему? В чём хотелось бы разобраться подробнее? Выставление отметок (по желанию).

5. Домашнее задание

– Всем: § 42, 44; логическая задача (если не решена в классе).

– Репродуктивный и продуктивный уровни: № 1275, 1277, 1279, 1285 [2].

– Продуктивный и творческий уровни (на выбор): задания, не выполненные в классе; по желанию, изготовить модель электрического сторожа; придумать устройство, которое сигнализировало бы о подъёме воды (индикатор «наводнения»).

(Возможный способ решения. На щёчки зажима для белья приклеить металлические пластинки 1 и между ними вложить кусочек сахара 2. Зажим прикрепить к колышку, вбитому у берега. Колышек должен возвышаться над уровнем воды на 5–10 см. При повышении уровня воды зажим окажется в воде, и сахар растворится. Щёчки сомнутся, замкнётся электрическая цепь, звонок зазвонит.)

(Такое решение годится только как идея. А дождь? туман? роса? муравьи и другие любители сладкого? – Ред.)

Литература

Буров В.А., Дик Ю.И., Зворыкин Б.С. и др. Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7–11 классах общеобразовательных учреждений: Кн. для учителя. Под ред. Бурова В.А., Никифорова Г.Г. – М.: Просвещение, 1996.

Книга для чтения по физике. 6–7 кл.: Пособие для учащихся. Сост. И.Г.Кириллова. – М.: Просвещение, 1978.

Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7–9 классов общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2000.

Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. 8 класс: Дидактические материалы. – М.: Дрофа, 2002.

Пёрышкин А.В. Физика-8. – М.: Дрофа, 2003.

Тульчинский М.Е. Занимательные задачи-парадоксы и софизмы по физике. – М.: Просвещение, 1971.

Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике в 6–7 классах: Пособие для учителей. – М.: Просвещение, 1976.

Физика – юным: Теплота. Электричество: Кн. для внеклассного чтения. 7 кл. Сост. Алексеева М.Н.– М.: Просвещение, 1980.