Г.В.РЫБКИНА,
МОУ СОШ № 80, г. Воронеж

Перекрёстки физики и биологии: электрический ток

Пропедевтическое занятие. 6-й класс, экологобиологическое направление

Этот урок проводился в рамках недели математики, информатики, физики силами учащихся 10-го класса, которые подготовили сообщения и в занимательной и доступной форме рассказали о создании гальванического элемента, о действиях электрического тока, о «живых» и созданных человеком источниках электрической энергии. Свои выступления они сопровождали демонстрацией опытов, наглядных пособий и слайдов.

Цели урока: привлечь внимание учащихся к новому предмету, создать соответствующий эмоциональный настрой, заложить основы межпредметных связей, развивать мыслительную деятельность.

Задачи урока: развивать воображение, догадку и сообразительность, способность анализировать и обобщать полученные данные; сформировать понятие электрического тока, рассмотреть действие электрического тока, способствовать выработке навыков работы с лабораторным оборудованием, показать связь физики с биологией; способствовать расширению кругозора и мировоззрения учащихся; учить познавать закономерности в окружающей нас среде; воспитывать любознательность.

Оборудование: лампа накаливания, источник тока (батарейка 4,5В, 10 шт.), лампочка для карманного фонарика на подставке, стакан с водой, два электрода, соль, сырая картофелина, медная пластинка, гальванометр, железный гвоздь (10 шт.), изолированный медный провод (10 шт.), ключ, железные стружки, опилки, электромагнит, модель паровой турбины, модель генератора постоянного тока, солнечная батарея, слайды с изображением электрических рыб, диапроектор или мультимедийный проектор.

Ход урока

Учитель. Что такое «электрический ток»? Какие у вас возникают ассоциации, когда вы слышите это словосочетание? (Учащиеся отвечают.)

В природе существуют мельчайшие заряженные частицы. Одни частицы заряжены положительно, другие – отрицательно. Самые маленькие заряженные частицы с отрицательн ым зарядом – электроны. Электроны могут двигаться внутри металлических тел, такие тела называют проводниками. Поток заряженных частиц в одном направлении называется электрическим током.

Опыт 1. Собираем цепь из последовательно соединённых источника тока, ключа, лампочки для карманного фонарика. Замыкая ключ, мы соединили проводники, и по ним в лампу направляется поток электронов. В лампе на тонких нитях подвешена спираль из особого металла – вольфрама (демонстрируют лампу). Эта спираль обладает особыми свойствами: электронам трудно по ней перемещаться. Физики называют это свойство сопротивлением. Электроны, двигаясь в потоке, начинают «расталкивать» атомы металлической нити (т.е. частицы, из которых состоит металл), она мгновенно нагревается и начинает светиться.

Опыт 2. Собираем другую цепь – из лампочки для фонаря и ключа.

Учитель. При её замыкании лампа не светится. Почему? (Учащиеся высказывают предположения.) В цепи нет батарейки или, как её называют по-другому, гальванического элемента, т.е. нет источника тока.

А кто из вас знает, почему батарейка называется гальваническим элементом? (Учащиеся высказывают предположения.) История создания простой батарейки уходит своими корнями в XVIII в., и, как ни странно, толчок к созданию этого источника тока был дан не физиком, а биологом. Об этом интересном факте вам расскажет ученик 10-го класса Сыщиков Андрей.

Сообщение 1. «Опыты Луиджи Гальвани». В конце 1780 г. профессор анатомии в Болонье Л.Гальвани занимался в своей лаборатории изучением нервной системы препарированных лягушек. Совершенно случайно получилось так, что в той комнате работал и его приятель – физик, проводивший опыт с электричеством. Одну из препарированных лягушек Гальвани положил на стол, на котором стояла электрическая машина. В это время в комнату вошла жена Гальвани. Её взору предстала жуткая картина: при искрах в электрической машине лапки мёртвой лягушки, прикасавшиеся к железному предмету, дёргались. Она с ужасом указала на это мужу. Столкнувшись с необъяснимым явлением, Гальвани счёл за лучшее детально исследовать его на опыте.

Он описывал свой опыт так: «Я разрезал лягушку и положил её безо всякого умысла на стол, где на некотором расстоянии стояла электрическая машина. Случайно один из моих ассистентов дотронулся до нерва лягушки скальпелем, и в тоже момент мускулы лапки содрогнулись как бы в конвульсиях…» Другой ассистент заметил, что явление это происходило лишь тогда, когда из машины выскакивала искра.

В дальнейшем Гальвани наблюдал сокращения мышц у лягушек и без электрической искры. Он соединил металлической проволокой мышцы лапки и обнажённые нервы спины лягушки. Особенно сильное сокращение мышц наблюдалось, когда соединяющая проволока состояла из двух металлов – меди и цинка. Гальвани был физиологом, а не физиком, поэтому видел причину явлений в некоем «живом электричестве», различном в мускулах и нервах. Свою теорию о «животном электричестве» Гальвани подтверждал ссылкой на известные случаи разрядов, которые способны производить некоторые живые существа – электрические рыбы.

Учитель. Итак, Гальвани не сумел правильно объяснить наблюдаемое им явление, это было сделано позже другим учёным – физиком Алессандро Вольта. О его исследованиях и создании первого гальванического элемента расскажет ученица 10-го класса Пигарева Лена.

Сообщение 2. «Вольтов столб». Опыт Гальвани очень заинтересовал его соотечественника, физика Алессандро Вольта. На первых порах Вольта разделял точку зрения Гальвани относительно «животного электричества», но многочисленные последующие опыты показали физическую природу источника тока; они привели к созданию первого гальванического элемента.

Вольта брал две монеты – обязательно из разных металлов – и… клал их себе в рот: одну – на язык, другую – под язык. Когда он соединял монеты проволочкой, то чувствовал солоноватый вкус. Тот же вкус, но гораздо слабее, мы можем почувствовать, лизнув одновременно оба контакта батарейки. Из опытов, проведённых раньше, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством.

Поставив друг на друга свыше ста металлических (цинковых и серебряных) кружков, разделённых смоченной солёной водой бумагой, Вольта получил довольно мощный источник электричества – Вольтов столб. Присоединив к верхнему и нижнему концам столба проводники и взяв их в рот, Вольта убедился, что его источник действует продолжительное время. Сразу вслед за этим учёный сделал ещё одно изобретение – так называемую корону сосудов, которая состояла из многих последовательно соединённых цинковых и медных пластин, опущенных попарно в сосуды с разбавленной кислотой. Для того времени это был довольно солидный источник электрической энергии. 20 марта 1800 г. Вольта сообщил о своих исследованиях на заседании Лондонского Королевского общества. С того дня источники постоянного электрического тока – Вольтов столб и батарея – стали известны многим физикам и начали широко использоваться.

Учитель. Получить источник тока, подобный Вольтову столбу можно, используя различные овощи или фрукты. Один из «рецептов изготовления» гальванического элемента был описан ещё в 1909 г. в журнале «Природа и люди».

Опыт 3. «Картофельный элемент».  

В сырую картофелину вставляют железный гвоздь и медную пластинку, соединённые с гальванометром. Стрелка гальванометра отклоняется, что указывает на наличие тока в цепи.

Учитель. Электрический ток мы не видим. Как же узнать, течёт он в электрической цепи или нет? (Учащиеся высказывают свои предположения.) О наличии электрического тока в цепи можно судить по его действиям.

• Тепловое действие (учащиеся приводят примеры теплового действия тока – нагревание утюга, электрического чайника и т.д.).

• Химическое действие.

Опыт 4. «Вода – проводник». Присоединим к полюсам батареи две пластины и опустим их в стакан с водой так, чтобы они не касались друг друга. Получилась электрическая цепь, элементом которой является вода. Потечёт ли по ней ток? Нет, т.к. вода в обычных условиях не является проводником. Если добавить в воду соль, то лампочка зажигается и постепенно накаляется всё ярче.

Учитель. Как можно объяснить этот факт? (Учащиеся высказывают свои предположения.) Правильное объяснение этого опыта нам даст ученица 10-го класса Чурикова Лена.

Сообщение 3. «Электролиз». Вода стала проводником, поскольку в ней появились носители заряда. А всё это из-за уже знакомых нам электронов – убегая с одной мельчайшей частички вещества, атома, они создают положительный заряд, «плюс», а присоединяясь к другой – отрицательный заряд, «минус». Сухая соль тока не проводит: в ней «плюсы» и «минусы» крепко-накрепко связаны. Однако, попав в воду, соль растворяется, и её мельчайшие частички-атомы уносят заряды: кто отрицательный, кто положительный.

В воде эти комбинации заряженных частиц, их ещё называют ионами, чувствуют себя довольно свободно и готовы немедленно двинуться в путешествие. Отрицательные ионы, само собой разумеется, направляются к проволочке, связанной с положительным полюсом батарейки, положительные – к другой. Положительные и отрицательные ионы являются частицами вещества. Следовательно, при их движении переносится вещество. На этом основывается такое явление, как электролиз.

Итак, в воде началось движение электрических зарядов, иными словами, потёк электрический ток.

• Магнитное действие.

Фронтальный лабораторный опыт 5 «Наблюдение магнитного действия электрического тока»

Оборудование (для каждой пары учащихся): железный гвоздь, изолированный медный провод, источник тока (батарейка 4,5В), ключ.

Медный изолированный провод намотайте на железный гвоздь, а концы провода соедините с источником тока (батарейка 4,5В). Когда цепь замкнута, гвоздь становится магнитом и притягивает небольшие железные предметы: гвоздики, железные стружки, опилки. Когда тока в обмотке нет, гвоздь размагничивается.

Учитель. Сейчас вы наблюдали магнитное действие электрического тока, а о практическом применении этого действия вам расскажет ученик 10-го класса Ильин Илья.

Сообщение 4. «Электромагнит». Магнитное поле можно усилить, если провод, по которому идёт ток, свернуть спиралью. Полученную в результате этого катушку с током называют соленоидом (от греческого слова [соленас] – трубка). Соленоид с железным сердечником внутри называется электромагнитом.

Электромагниты могут содержать не одну, а несколько обмоток и иметь разные по форме сердечники. На рисунке изображён дугообразный электромагнит, удерживающий пластину (якорь) с подвешенным грузом. Впервые подобный электромагнит был сконструирован в 1825 г. английским изобретателем У.Стердженом. Он имел массу 0,2 кг и удерживал груз весом 36 Н. В этом же году Дж.Джоуль увеличил подъёмную силу электромагнита до 200 Н, а через шесть лет американский учёный Дж.Генри построил электромагнит массой 300 кг, способный удерживать груз массой 1 т. Современные электромагниты могут поднимать грузы массой несколько десятков тонн!

Электромагниты находят широкое применение в технике. Мощные электромагниты, обладающие очень большой подъёмной силой, используют на заводах при перемещении тяжёлых изделий из чугуна и стали. При включении тока эти изделия притягиваются к электромагниту подъёмного крана, а при выключении свободно отсоединяются.

(Демонстрация действия электромагнита.)

• Физиологическое действие.

Учитель. Об этом действии, которое, возможно, вам наиболее знакомо, сообщение подготовила ученица 10-го класса Рыбкина Саша. Материал для сообщения взят из реферата «Действие электрического тока на организм человека», с которым Саша выступала на районной научно-практической экологической конференции старшеклассников «Мы и природа-2002».

Сообщение 5. «Действие электрического тока на организм человека». Тело человека является проводником, через него может проходить электрический ток. При этом ток оказывает физиологическое действие, т.е. может вызвать повреждение жизненно важных органов, а иногда и смерть человека. Тяжесть поражения зависит от величины тока (эта характеристика называется сила тока), характера тока, продолжительности его действия, пути, по которому он шёл, и от индивидуальных свойств человека.

Принято различать три ступени воздействия тока на организм человека: ощутимое, отпускающее и неотпускающее. Ощутимый ток вызывает малоболезненные раздражения, человек может самостоятельно освободиться от провода. Отпускающий ток вызывает достаточно болезненные раздражения, но человек ещё может самостоятельно освободиться. Не отпускающий ток вызывает болезненные непрерывные сокращения мышц, и человек не в состоянии освободиться самостоятельно. Подобное состояние терпимо не более 5 с. При большем токе или при большем времени воздействия наступает паралич дыхания, нарушение сердечной деятельности и смерть.

В каких же случаях ток может достичь смертельно опасного значения? Чтобы дать ответ на этот вопрос, нужно знать, что тело человека обладает сопротивлением электрическому току, и различные участки тела оказывают разное сопротивление. Сухая, огрубевшая кожа имеет высокое сопротивление, а тонкая, нежная – низкое. Сопротивление также зависит от состояния человека: болен он или здоров, мокрая у него кожа или сухая, имеются ли раны на поверхности кожи и т.п.

Чем больше сопротивление тела, тем выше опасное для него напряжение. Например, если кожа грубая, сухая и неповреждённая, то смертельное напряжение около 10 000 В, а если руки потные или мокрые, то всего 100–150 В. Безопасным является напряжение не выше 12 В.

В нашей сети напряжение 220 В, оно является опасным, так что следует помнить и всегда соблюдать элементарные правила техники безопасности:

– включать и выключать электроприборы только сухими руками;

– отключать электроприбор от сети, только вынимая вилку из розетки, а не дёргая за шнур;

– любые манипуляции с электрическими приборами (например, замену электрической лампочки) проводить после отключения прибора от сети.

Учитель. Срок действия батарейки и её мощность невелики. Для производства электроэнергии в более крупных масштабах используют совершенно другие устройства, о которых расскажет ученик 10-го класса Косяков Алёша.

Сообщение 6. «Генераторы электрического тока». Ток необходим на заводе, на ферме, в поезде, самолёте. Везде вы встретите электродвигатели, электроприборы или просто лампочку. Откуда же берётся электроэнергия? Её вырабатывают на электростанциях специальные машины – генераторы электрического тока. Генераторы бывают разные. И очень мелкие, энергии которых хватает только на освещение небольшой комнаты, и гиганты, которые дают энергию большому городу.

Чтобы генератор дал ток, его надо вращать. Конечно не весь генератор, а только его ротор. У больших генераторов роторы массой сотни тонн, и вращает ротор особая машина – турбина. Если турбины вращает вода, то электростанцию называют ГЭС – гидроэлектростанция. На тепловой станции (ТЭС) турбину вращает пар, а на газотурбинной – струя раскалённых газов.

В нашей стране есть и атомные электростанции (АЭС). Атомное топливо гораздо экономичнее обычного. 10 г такого топлива заменяют вагон угля. Как и на тепловой, на атомной электростанции электрогенераторы вращаются паровыми турбинами. Тепло, которое используется для получения пара, выделяется в атомном реакторе, сердце АЭС, в результате ядерной реакции. Ядерную реакцию можно сравнить с крошечными, непрерывно повторяющимися ядерными взрывами. Но это мирные взрывы. Реактор надёжно закрыт толстыми бетонными стенами. Ядерную реакцию непрерывно контролируют автоматические приборы. Если требуется, её можно быстро остановить. Первая в мире АЭС была построена в нашей стране.

Учёные и инженеры ищут новые источники электроэнергии. Уже есть станции, использующие энергию приливов и отливов, энергию ветра.

Миллиарды лет щедрое Солнце посылает свои лучи на Землю. Солнечный свет – это тоже энергия. И люди научились превращать её в электрический ток с помощью специальных приборов на полупроводниках – фотоэлементов. Собранные вместе, они образуют солнечные батареи. Солнечные батареи пока ещё дороги, и их используют редко. Зато именно они дают электроэнергию космическим кораблям и искусственным спутникам Земли. (Демонстрации модели паровой турбины, генератора постоянного тока, солнечной батареи. Таблица «Схема работы тепловой электростанции».)

Учитель. Оказывается, в живой природе тоже есть генераторы электрического тока.

Сообщение 7. «Электрические рыбы». С удивительными свойствами электрических рыб люди познакомились давно и далеко не безобидно для себя. Одна из них, электрический угорь, живущий в водах Южной Америки, иногда достигает в длину 3 м. Этот угорь – настоящий мощный генератор, посылающий в воду электрические разряды напряжением до 1200 В при силе тока более 1 А. Обороняясь, он способен таким разрядом сбить с ног оленя, козу или человека и даже убить небольшую собаку. Ну, конечно, и отпугнуть хищника, и достойно встретить соперника. Тело угря на 4/5 представляет собой парную электрическую батарею, лежащую по его бокам и состоящую из пластинок с «плюсами» и «минусами» на концах, которые уложены в столбики.

Есть и слабоэлектрические рыбы, которые дают в воду разряды напряжением всего 5–10 В. Так, сила разряда черноморского ската-хвостокола составляет только 1–2 В. В реках Африки водятся гимнарк (нильская щука) и африканский слоник (слонорыл). Напряжение импульса у гимнарка около 4 В, его электрические органы, похожие на шнуры, располагаются по четыре с обеих сторон хвоста. У слоника электрические органы находятся на хвостовом стебле. Этих рыб очень почитали в Древнем Египте: их не ели, а делали из них мумии и изображали на фресках.

(Демонстрация слайдов с электрическими рыбами с помощью диа- или мультимедиапроектора.)

Учитель. Вот и закончен наш не совсем обычный урок, но знакомство с электрическим током не закончено. Я надеюсь, что у вас проснулся интерес ко всему новому, необычному, вы научились видеть много интересного в обычных, казалось бы, вещах. И когда на следующий год вы начнёте изучать замечательный предмет – физику, – вы полюбите его так же, как люблю его я, и, надеюсь, мои ученики.

А в качестве домашнего задания я предлагаю вам выполнить рисунки по темам «Как я представляю себе электрический ток», «Электрический ток вокруг нас». Лучшие работы будут представлены на «Неделе математики, информатики и физики».

Литература

Алексеева М.Н. Физика – юным. – М.: Просвещение, 1980.

Блудов М.И. Беседы по физике. – М.: Просвещение, 1984.

Громов С.В., Родина Н.А. Физика-9. – М.: Просвещение, 2000.

Ильченко В.Р. Перекрёстки физики, химии и биологии. – М.: Просвещение, 1986.

Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. – М.: Просвещение, 1974.

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

Рыженков А.П. Физика. Человек. Окружающая среда. – М.: Просвещение, 1999.

Энциклопедия «Что такое? Кто такой?» Т. 3. – М.: Педагогика, 1978.

Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика: Под общ. ред. О.Г. Хинн. – М.: АСТ, 1996.