Конкурс "Я иду на урок"

Закон сохранения электрического заряда

Мыслящий ум не чувствует себя счастливым,
пока ему не удастся связать воедино
разрозненные факты, им наблюдаемые.
Д.Хевеши

Слабая связь между преподаванием физики, химии и биологии ведёт к тому, что учащиеся старших классов не могут подойти к рассмотрению явлений, процессов и законов природы с единой точки зрения. Исправить такое положение могут интегрированные уроки. Предлагаемый урок проводился перед учителями района и получил высокую оценку.

Цель урока: продолжить развитие умений обобщать; углубить, обобщить, расширить знания учащихся, формировать диалектико-материалистическое мировоззрение, добиться глубокого знания учащимися основного закона природы – закона сохранения электрического заряда, – показать единство законов, изучаемых на уроках физики, химии, биологии и взаимосвязь школьных предметов.

Оборудование: плакаты, мультимедиапроектор, приборы для демонстрации физических опытов, реактивы для демонстрации химических реакций.

Ход урока

I. Организационный этап

Учитель физики. Ребята, сегодня мы с вами попытаемся объединить знания, которые вы получаете на уроках физики, химии и биологии. Чтобы решить эту задачу, необходимо вспомнить всё, что вы знаете об электризации тел. Помогут нам в этом наши одноклассники.

II. Выступления учащихся

(Учащиеся класса зачитывают рефераты, сопровождая своё выступление демонстрациями опытов и подготовленными слайдами.)

Темы рефератов: • Начало изучения электрических явлений. • Электризация тел и её применение в быту и технике. • Открытие электрона.

Демонстрации: • Электризация различных тел. • Взаимодействие заряжённых тел. • Делимость электрических зарядов.

III. Актуализация знаний. Физический диктант

Какое взаимодействие существует между заряженными телами и частицами? • Какая физическая величина определяет электромагнитное взаимодействие?

• Как называется процесс, приводящий к появлению на телах электрических зарядов? • Можно ли сказать, что заряд системы складывается из зарядов тел, входящих в эту систему? • Верно ли утверждение, что нейтральное тело не содержит электрических зарядов? • Может ли заряд существовать независимо от частицы? Может ли быть частица без заряда? • Если в замкнутой системе число заряженных частиц уменьшилось, то означает ли это, что заряд всей системы тоже уменьшился? • Как изменится сила взаимодействия между заряженными телами, если расстояние между ними увеличить в 2 раза? • Пылинка, имеющая заряд 1,6 · 10^–19 Кл, при освещении потеряла один электрон. Каким стал заряд пылинки? • Верно ли утверждение, что в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остаётся неизменной? • Два одинаковых проводника, несущие электрические заряды соответственно q и –2q, приведены в соприкосновение. Каков заряд каждого проводника после соприкосновения? Соответствует ли ответ закону сохранения электрического заряда? (Ответ. Да, заряд –0,5q.)

(На экран проецируются правильные ответы. Учащиеся проверяют свою работу и, согласно принятым критериям, оценивают её.)

IV. Закон сохранения электрического заряда, изучаемый на уроках естественно-научного цикла

Учитель физики. Какой закон выполняется при электризации тел? (Учащиеся формулируют закон сохранения электрического заряда и записывают его на доске.) Поговорим сегодня о том, где мы встречаемся с законом сохранения электрического заряда. Как называется частица с наименьшим электрическим зарядом? Какой электрический заряд называется элементарным? Можно ли в эксперименте получить электрический заряд, равный 8 · 10^–20 Кл? Почему? Задумывались ли вы, почему электрон нельзя разделить?

В современных теориях электрон считается стабильной частицей. Согласно закону сохранения электрического заряда, распад электрона был бы возможен только с испусканием менее заряженных частиц, но о существовании таких частиц до сих пор ничего не известно. Если бы закон сохранения электрического заряда не являлся точным законом природы, то электрон мог бы распасться, например, на нейтрино и фотон. Поиски таких распадов не увенчались успехом. Время жизни электронов больше 10²² лет. Электрон стабилен, т.к. ему просто не на что распадаться, а нарушить фундаментальный закон природы – закон сохранения электрического заряда – невозможно.

Закон сохранения электрического заряда действует и в электронике. При расчётах токов и напряжений в сложных электрических цепях удобно пользоваться правилами Кирхгофа.

Схема	I правило Кирхгофа	Формула	Примечание
	В каждой точке разветвления цепи (узла) алгебраическая сумма сил токов равна 0. При этом токи, идущие к узлу, считают положительными, а исходящие из узла – отрицательными	I1 – I2 – I3 = 0 или I1 = I2 + I3	Закон сохранения электрического заряда для линейных проводников

Решение задач (А.П.Рымкевич, 1990, № 790)

Таким образом, первое правило Кирхгофа для токов напрямую следует из закона сохранения электрического заряда. Объединение проводников и радиоэлектронных компонентов представляется в виде системы, в которой суммарный приток зарядов в данную систему равен суммарному выходу зарядов из системы. Если бы закон не выполнялся, то в узле непрерывно накапливался бы электрический заряд, а этого никогда не происходит. С законом сохранения электрического заряда вы встречаетесь и на уроках химии.

Учитель химии. Вся химия – органическая и неорганическая – это сфера действия закона сохранения электрического заряда, и следует уметь применять его. Например, нужно составить формулу какого-либо соединения по валентности, скажем, оксида алюминия. Составленная формула будет справедлива в том случае, если сумма единиц валентности атомов алюминия равна сумме единиц валентности атомов кислорода. При образовании оксида алюминия из кислорода и алюминия перераспределение электронов между атомами этих элементов происходит следующим образом: атом Аl может потерять три электрона, а атом О – приобрести два электрона. Молекула АlО существовать не может, т.к. она имела бы общий положительный заряд и притягивала бы к себе отрицательные ионы кислорода. Невозможна и молекула АlО₂, т.к. она будет иметь общий отрицательный заряд. Соединение устойчиво (не притягивает положительные и отрицательные ионы) только в том случае, если его общий заряд равен нулю. А это условие будет выполнено, если число электронов, потерянных одной группой атомов в соединении, будет равняться числу электронов, принятых другой группой атомов в том же соединении. Образование химических веществ подчиняется одному из фундаментальных законов природы – закону сохранения электрического заряда.

Атом нейтрален. Одно из условий его устойчивости – равенство положительных и отрицательных зарядов. Это равенство не нарушается до тех пор, пока атом – замкнутая система. Если происходят химические изменения, вследствие которых из одних веществ образуются другие, то и в этом случае действует закон сохранения электрического заряда.

Например, проведём качественную реакцию ионного обмена на ион Сl^–. (Учитель демонстрирует реакцию ионного обмена. Затем учащийся на доске записывает реакцию в молекулярном и ионном виде):

СаСl₂ + Рb(NO₃)₂ → Са(NO₃)₂ + ↓PbСl₂.

Са²⁺ + 2Сl^– + Рb²⁺ + 2NO₃^– → Са²⁺ + 2NO₃^– + ↓PbСl₂.

2Сl^– + Рb²⁺ = ↓PbСl₂.

Раствор образуется из нейтральных веществ, значит, до и после реакции его общий заряд должен быть равен нулю. Согласно закону сохранения электрического заряда, в левой части уравнения перед ионом Cl^– следует поставить коэффициент 2 и поставить 2 перед ионом NO₃^–.

Учитель физики. Это лишь самый простой пример, т.к. при химических реакциях можно подсчитать число положительных и отрицательных зарядов. При более высоких энергиях, когда элементарные частицы начинают вступать во взаимодействие друг с другом, проследить за соблюдением закона сохранения электрического заряда становится сложнее, но он выполняется и в этом случае. Например, при реакции спонтанного распада изолированного нейтрона происходит процесс, который можно записать следующим образом:

Нетрудно увидеть, что заряд исходной частицы (0) равен суммарному электрическому заряду продуктов реакции. Но мы видим изменение общего числа положительно и отрицательно заряженных частиц в системе. Это одна из реакций радиоактивного распада, в которых закон сохранения алгебраической суммы электрических зарядов выполняется несмотря на образование новых заряженных частиц. Такие процессы характерны для взаимодействий между элементарными частицами, при которых из частиц с одним электрическим зарядом рождаются частицы с разными электрическими зарядами. Суммарный электрический заряд замкнутой системы в любом случае остаётся неизменным.

Давайте запишем ядерную реакцию, происходящую при бомбардировке изотопа бора α-частицами и сопровождающуюся выделением нейтронов (сборник задач Г.Н.Степановой, 2001, № 1771, 1774). (Учащиеся записывают реакцию и делают вывод: и при радиоактивном распаде, и при ядерных реакциях всегда выполняется закон сохранения электрического заряда.)

Учитель биологии. Ребята, почему надо чистить зубы? (Выслушивает мнения школьников.) Чтобы правильно ответить на этот вопрос, снова следует обратиться к закону сохранения электрического заряда.

Зубы покрыты эмалью – самой твёрдой тканью человеческого тела. На 93% эмаль состоит из неорганического вещества апатита Са₅(РО₄)₃ОН. В кристаллическую решётку этого вещества могут проникать посторонние ионы, оно не кислотоупорно. И хотя мы с пищей не употребляем сильных кислот, если не соблюдать правила гигиены, на зубах появляется кислота, которая разъедает эмаль, начинается разрушение зуба.

Ионы водорода, которые появляются в слюне вследствие диссоциации кислот, вытесняют из молекулы апатита ионы Са²⁺, в результате чего эмаль растворяется:

Са₅(РО₄)₃ОН + Н⁺ → Са²⁺ + HPO₄^2- + Н₂О.

Чтобы увидеть, каково соотношение разрушающей кислоты и эмали, следует в этом уравнении расставить коэффициенты. Знак равенства можно поставить в том случае, если заряд ионов водорода, заменивших ионы кальция в Са₅(РО₄)₃ОН, будет равен алгебраической сумме зарядов ионов Са²⁺ и , образовавшихся после реакции:

Са₅(РО₄)₃ОН+ 4Н⁺ = 5Са²⁺ + 3HPO₄^2- + Н₂О.

Алгебраическая сумма электрических зарядов в растворе, окружающем зуб до и после реакции, остаётся одной и той же: в ней уменьшилось число ионов Н⁺, но увеличилось число ионов Са²⁺, всё осталось по-прежнему, но с точки зрения человека, страдающего кариесом, произошли существенные изменения. Кислота, содержащаяся в слюне, частично растворяет эмаль, на зубе появляются белые пятнышки. Но не всё ещё потеряно. Если бляшки регулярно удалять зубной щёткой, вымытые из эмали ионы Са²⁺ и снова будут проникать в кристаллическую решётку эмали зуба:

Са²⁺ + HPO₄^2- +Н₂О → Са₅(РО₄)₃ОН+ Н⁺.

Если не соблюдать правила личной гигиены, то бактерии проникнут под эмаль и начнут свою разрушительную деятельность.

V. Подведение итогов урока

Учитель физики. Можно сказать, что все превращения в микромире происходят с учётом закона сохранения электрического заряда. Вспомните хотя бы реакции фотосинтеза. Посмотрите, сколько вокруг зелени, сколько электронов покидают молекулы хлорофилла в этот миг, получив квант света! Что было бы, если бы некоторые из них «потерялись»?

Учащиеся. Этого произойти не может, т.к. действует закон сохранения электрического заряда.

Учитель физики. Молекула хлорофилла, потеряв электрон, приобретает положительный заряд, иначе говоря, в ней пустует место для электрона, названное в физике дыркой. Долго оно вакантным не остаётся. Ни один электрический заряд из бесчисленного множества участвующих в биологических, химических, ядерных реакциях, не пропадает. Вот у кого надо учиться бережливости – у природы.

Во всех процессах, связанных с самыми разнообразными явлениями – механическими, тепловыми, электрическими, магнитными, – закон сохранения электрического заряда действует без ограничения.

Рефлексия

Учитель физики. Ребята, что мы сегодня повторили на уроке? Что узнали нового? Удалось ли нам собрать воедино информацию, которую вы получаете на уроках физики, химии и биологии при изучении темы «Закон сохранения электрического заряда»? Ребята, мы зачастую на разных уроках изучаем одни и те же законы, факты совершенно разрозненно, а они чаще всего имеют единую основу. Прав был учёный, сказавший... (повторяет слова эпиграфа урока). За подготовку сообщений и за работу на уроке поставлены отметки...

Литература

1. Алексеева М.Н. Физика – юным. – М.: Просвещение, 1980.
2. Габриелян О.С. Учебник химии. – М.: Дрофа, 2000.
3. Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике. – М.: Просвещение, 1986.
4. Марон А.Б., Марон Е.А. Физика: Дидактические материалы. – М.: Дрофа, 2006.
5. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика-10. – М.: Просвещение, 2006.
6. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. – М.: Просвещение, 1990.
7. Степанова Г.Н. Сборник задач по физике. – М.: Просвещение, 2001.
8. Суорц Кл. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Т. 2. – М.: Наука, 1987.

Мария Викторовна Канаичева окончила физмат Томского ГПИ в 1983 г. и до 1990 г. преподавала математику в СОШ г. Коканда Ферганской области УзССР. С 1990 г. преподаёт физику в СОШ села Пустошь. Учитель высшей квалификационной категории, педагогический стаж 25 лет. Активно пропагандируя современные образовательные технологии, Мария Викторовна даёт открытые уроки для учителей района, организует районные семинары по обмену опытом, активно участвует в работе РМО, выступает на педагогических чтениях. Мария Викторовна – постоянный участник конкурсов профессионального мастерства, победитель районного конкурса «Педагог-2007» в номинации учитель-экспериментатор, дипломант областного конкурса «Педагог-2008».

Рекина Н.Г. – учитель химии 1-й квалификационной категории.