Методика изучения проводимости различных сред

Особенности и закономерности прохождения электрического тока через различного рода твердые, жидкие и газообразные ве­щества, вопросы практического использования электрического тока изучают в старших классах. При этом рассматривают раз­личные виды проводимости, т. е. электрический ток в металлах, полупроводниках, вакууме, газах, растворах и расплавах электро­литов. Глубина раскрытия разных вопросов существенно различ­на. Наиболее подробно изучают электрический ток в металлах и электролитах, здесь даются количественные зависимости, решают вычислительные задачи. Весь остальной материал изучают практически на качест­венном уровне.

Методика изучения основного материала темы подробно ос­вещена в методической литературе, поэтому остановимся лишь на отдельных вопросах.

Последовательность рассмотрения материала темы может быть различной. Порядок изложения определяется методическими сооб­ражениями. Например, при изучении материала в таком порядке: металлы - вакуум - полупроводники - газы - растворы электро­литов - за основу берут последовательный переход от сред, про­водимость которых обусловлена электронами, затем - электрона­ми и дырками и, наконец, электронами и ионами, только ионами. Традиционная последовательность: металлы - растворы электро­литов - газы - вакуум - полупроводники - отражает исторический путь изучения и использования в технике особенностей прохож­дения тока через различные среды.

Программа общеобразовательной средней школы предлагает следующую последовательность: электрический ток в металлах, электрический ток в полупроводниках, ток в вакууме, в электро­литах и газах. Здесь изучение полупроводников идет после изуче­ния проводимости металлов, что подчеркивает важность полу­проводников в современной технике. Целесообразно придержи­ваться последней рекомендации изучения материала темы.

При рассмотрении всего этого материала «работает» классиче­ская электронная теория; при выяснении механизма проводимости большое внимание уделяют установлению причинно-следственных связей; дальнейшее развитие здесь находят модельные представ­ления: модель электролита, модель полупроводника и т. п.

Раскрытие механизма проводимости связано со специфически­ми трудностями - нет возможности показать ни самих носителей зарядов, ни их движения (за исключением движения ионов в растворе электролита). Частично эти трудности преодолеваются использованием экранных пособий (кинофильмы, диафильмы), где средствами мультипликации наглядно, хотя и условно, разъясня­ется характер движения носителей заряда, а также путем приме­нения моделирующих программ на ЭВМ.

Учет современных психолого-педагогических концепций о со­здании общей ориентировки, систематизации и обобщении знаний обусловливает необходимость рассмотрения проводимости различ­ных сред по единому плану, или, другими словами, по единой методической модели: 1) выяснить природу носителей заряда, осо­бенности их движения; 2) ввести вольт-амперные характеристики; 3) объяснить закономерности, которым подчиняется ток в данной среде; 4) отметить явления, сопровождающие прохождение тока в данной среде; 5) показать практическое применение тока в данной среде, устройство и принцип действия различных приборов.

После изучения материала темы целесообразно провести со­поставление электрических свойств и закономерностей прохожде­ния тока через различные среды.

При изучении электрического тока в растворах электролитов главное внимание уделяют изучению закона Фарадея, выводу фор­мулы для определения заряда одновалентного иона. Этот материал тесно связан с курсом химии (электролитическая диссоциация, природа носителей тока в электролитах, практические применения электролиза). Этого нельзя не учитывать. Кроме того, к мо­менту изучения проводимости растворов электролитов учащиеся уже знакомы с электронной теорией и могут использовать ее для объяснения явлений. Поэтому считается нецелесообразным вести изложение материала, следуя историческому пути открытия зако­нов Фарадея, а предлагается сразу же ввести объединенный закон Фарадея.

При изучении электропроводности полупроводников показы­вают достижения современной науки в области познания и исполь­зования полупроводниковых материалов. Ее изучение целесообраз­но начать с демонстрации характерных свойств полупроводников. А затем уже на основе введенного в химии понятия ковалентной и парно-электронной связи выяснить механизм проводимости полу­проводников и объяснить их свойства.

При объяснении проводимости полупроводников особое внимание следует уде­лить новым понятиям: «дырка», «дырочная проводимость», сооб­щив учащимся, что дырка - избыточный положительный заряд, возникающий за счет того, что связанный электрон перешел в свободное состояние или к другому атому; дырочная проводи­мость - способ описания механизма проводимости, осуществляе­мой движением связанных электронов между соседними атомами. Изучение электрического тока в различных средах имеет не только политехническое значение, но и большое воспитательное и мировоззренческое значение. Здесь изучают явления, которые служили источником всевозможных страхов и суеверий (молния, огни святого Эльма и т. п.). При рассмотрении самостоятельного разряда в газе учащихся фактически знакомят с четвертым со­стоянием вещества - плазмой (плазму можно определить как газ, содержащий практически одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов). В связи с этим необходимо сообщить школьникам о свойствах плазмы, о распространении плазменного вещества во Вселенной, о применении плазмы, о принципах рабо­ты МГД-генератора.