Конкурс "Я иду на урок"

Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры

Дидактическая задача урока: формирование и совершенствование практических навыков сборки электрической цепи; совершенствование интеллектуальных умений графического представления физических величин.

Учащиеся знают: закон Ома для участка цепи, понятие длины свободного пробега частицы, формулу силы тока через скорость направленного движения зарядов в проводнике под действием электрического поля, законы последовательного и параллельного соединений проводников.

Учащиеся умеют: собирать электрические цепи последовательного, параллельного и смешанного соединений, пользоваться электроизмерительными приборами, в том числе авометром, омметром.

Ход урока

I (2 мин). Учитель представляет краткий план урока, определяет цели и задачи практической работы. Предлагает учащимся самостоятельно ознакомиться с первым заданием и выполнить его.

Задание: построить вольт-амперную характеристику лампы накаливания.

Цель: найти графическую зависимость силы тока в лампе от напряжения, проанализировать полученную зависимость математически и на основе закона Ома для участка цепи.

Учащиеся делятся на группы в соответствии с индивидуальными способностями к практической деятельности: «теоретики» (4 ученика) получают индивидуальное задание, «практики» (группы по 2–3 ученика) – групповое задание. Двое наиболее подготовленных учащихся образуют «контрольную» группу.

Задание для «теоретиков»

Дана лампочка от карманного фонарика на 3,5 В.

1. Определите номинальные характеристики лампы: силу тока и напряжение.
2. Вычислите номинальное сопротивление лампы.
3. Начертите схему электрической цепи для снятия вольт-амперной характеристики (ВАХ) данного потребителя.
4. Постройте ВАХ лампы при U = 0...4 В.
5. Проанализируйте полученный график на основе закона Ома для участка цепи.

Задание для «практиков»

Даны приборы: источник тока, лампочка от карманного фонарика на 3,5 В, лабораторный вольтметр, авометр, реостат (0–12 Ом), выключатель, провода.

1. Соберите электрическую цепь для снятия ВАХ лампы.
2. Снимите показания приборов при U = 0...4 В.
3. Постройте график зависимости I (U).
4. Проанализируйте полученный график на основе закона Ома для участка цепи.

Задание для «контрольной» группы

1. Один выполняет задание для «практиков» на демонстрационном столе с демонстрационными миллиамперметром и вольтметром. График строит на доске.
2. Второй собирает электрическую цепь для снятия ВАХ лампы и измеряет сопротивление лампы при напряжении U = 0...4 В омметром.

После знакомства с заданием учащиеся задают вопросы, учитель ещё раз комментирует содержание задания, отвечает на вопросы учеников, акцентирует внимание на основной цели работы (1 мин).

II (15 мин). Ученики выполняют лабораторную работу, графики строят на листах А4 и вывешивают их на специальных стендах. График на доске (контрольный) соответствует графику, построенному опытным путём.

III (7 мин). «Теоретики» анализируют свой график (а): закон Ома – основа всей электротехники постоянных токов и справедлив для проводников любой формы; ВАХ лампы должна представлять собой график прямо пропорциональной зависимости силы тока от напряжения.

«Практики», анализируя свои графики (б), подчёркивают, что в данном случае есть «отклонение» от теоретической зависимости силы тока от напряжения.

Получаем противоречие: ВАХ, полученные теоретическим и практическим путём, различны. Далее идёт выдвижение гипотез, объясняющих противоречия, типа: 1) ошибки в показаниях приборов; 2) ошибки в сборке электрической цепи; 3) какой-то скрытый процесс, происходящий в лампе при протекании тока.

Обсуждаем выдвинутые гипотезы, проверяем их:

1. Обращаемся к графику ВАХ, построенному по показаниям приборов «контрольной» установки.

Вывод: экспериментальный и «контрольный» графики выражают одинаковую закономерность – прямо пропорциональная зависимость силы тока от напряжения по опытным данным нарушается.

2. Проводим самопроверку схемы и собранной цепи по «контрольной» установке.

Вывод: цепь собрана верно.

3. Всестороннее обсуждение третьей гипотезы:

– По закону Ома для участка цепи, сила тока прямо пропорциональна напряжению, а сопротивление как индивидуальная характеристика проводника должно быть постоянным.

– Следовательно, причина отклонения графика ВАХ лампы от прямой связана с сопротивлением проводника.

Обращаемся к данным, полученным на «контрольной» установке:

U, В	0	1	2	3	4
R, Ом	0	14,3	16,7	20	25

Видно, что с увеличением напряжения сопротивление лампы растёт. Учащиеся предлагают рассмотреть данное противоречие с точки зрения внутреннего строения проводника, т.е. более подробно рассмотреть «поведение» свободных носителей зарядов в проводнике, повторить понятие длины свободного пробега. По их предложению, рассматриваем следующее положение: электрическое сопротивление – это величина, определяющая силу тока в проводнике при заданном напряжении. На основании этого положения анализируем формулы:

Из формул видно, что сила тока в проводнике зависит от скорости направленного движения зарядов, а эта скорость зависит от длины и времени свободного пробега. Таким образом, можно сделать вывод: уменьшение скорости направленного движения зарядов связано с уменьшением длины свободного пробега, что может быть вызвано, например, увеличением скорости теплового движения. Общий вывод: изменение сопротивления проводника связано с изменением его температуры при прохождении тока.

V (15 мин). Только после обсуждения данных практической части работы и всех выдвинутых гипотез учитель формулирует тему урока и на основании вышеизложенных выводов излагает учебный материал:

– вводит понятие термического коэффициента сопротивления проводника подчеркивая, что R₀ берётся при 0 °С. Единицу α ученики выводят самостоятельно: [α] = град^–1;

– вводит формулу зависимости сопротивления проводников от температуры: α · R₀ · ΔT = R - R₀ R = R₀ · (1 + αΔT)

– обсуждает зависимость сопротивления проводника от рода материала и геометрических размеров: а поскольку геометрические

размеры проводника практически не изменяются, то ρ = ρ₀(1 + αΔT) и ρ = ρ₀(1 + αΔt°);

– представляет графическую зависимость удельного сопротивления проводника от температуры:

– ищет вместе с классом примеры практического использования зависимости сопротивления проводника от температуры: термометры сопротивлений, борьба с гололёдными перегрузками линий электропередачи.

VI (5 мин). Подведение итогов урока:

– получена экспериментальная ВАХ проводника;

– определена причина «отклонения» ВАХ – изменение сопротивления проводника с температурой;

– сделан вывод, что сила тока в потребителе прямо пропорциональна приложенному напряжению, а закон Ома справедлив только при постоянном сопротивлении;

– определены математические зависимости R(t) и ρ(t);

– выявлены основные причины зависимости R(t) с точки зрения электронного строения вещества;

– определена область практического использования данного явления.

VII Задание на дом (1 мин): постройте графики зависимости силы тока от сопротивления и мощности потребителя от силы тока; прочитайте текст учебника, § 2.5; проанализируйте данный в нём график зависимости ρ(t) на участке 0...273 К; рассмотрите график зависимости ρ(t) на рис. 2.15 и сравните его с графиком на рис. 2.14, отметьте общее и различное; для желающих – предложите устройство для измерения температуры воздуха в классной комнате, используя изученное явление.

---

Учебник: Мякишев Г.Я. Физика. Электродинамика 10–11. – М.: Дрофа, 2002.