GOS / 10 Законы постоянного тока

10. Постоянный ток в металлах.

Под электрическим током понимают направленное движение носителей тока.

В металлах носителями тока являются свободные электроны.

Введем понятие величины тока (сила тока). По определению величина тока численно равна заряду протекающую через поперечное сечение проводника в 1с.: I= (1).

Можно измерять ток за большое время, за малое, бесконечно малое время, если ток постоянен:

I===. Если ток слабо переменный, то применяется формула I==, если сильно переменная: I=.(1а). . (2).

Введем понятие плотности тока. Под плотностью тока понимают величину тока, протекающего через поперечное сечение проводника(сечение нормальное к направлению тока) площадью в 1 м² и обозначается j-плотность тока. (3). [q]=Кл; [I]=; [j]=. Возможны такие случаи, когда в пределах поперечного сечения плотность тока оказывается различной. Поэтому формула (3) дает усредненное значение плотности тока j. В общем случае (3а). В случае однородной плотности тока , в случае частично неоднородной: , в случае неоднородной .

(4).

Рассмотрим проводник. Свяжем величину тока и плотности тока с концентрацией носителей. Под концентрацией понимают число носителей в единице объема.

n₀–концентрация

n₀–концентрация носителей тока. [n₀]=.

Рассмотрим объем проводника разделенные сечениями I и II. , . Рассмотрим прохождение от сечения I до II за промежуток времени которое соответствует прохождению расстояния , за это время через сечение I пройдут все носители, которые в данный момент находятся в объеме проводника между сечениями I и II. (e=q₁); ;

; (5); (5a); (6); (6a).

2).ЭДС. R–резистор.

Для того, чтобы через R протекал ток, необходимо, чтобы электрическая цепь была замкнутой. На участке 1-2 ток течет в направлении убывания потенциала и здесь действует электростатическая сила. Чтобы цепь оказалась замкнутой, ток должен течь в направлении более высокого потенциала. Здесь должны действовать силы не электростатической природы: механическое, тепловое, химические…. Значит на участке 1-2 действует электростатические силы, под влиянием которых формируется ток через резистор R. Потенциал – это мера силы электростатического поля. И при разности φ возникает электростатические силы, которые гонят заряды из 1-й точки во 2-ю.

На участке 2–1 рассматриваемой замкнутой цепи 1–2–1 заряды двигаются от т.2 имеющий меньший потенциал к т.1 с большим потенциалом. Электростатические силы направлены в сторону убывающего потенциала, поэтому в цепи существуют силы не электростатической происхождения. Эти силы называются сторонними. Работа сторонних сил по пермещению единичного положительного заряда получила название ЭДС.

(7), где А₁₂^сторон –работа сторонних сил на участке 1-2; q–перемещаемый заряд; ξ–ЭДС

Введем определение разности потенциалов и напряжении на участке цепи. (φ₁-φ₂)–разность потенциалов на участке 1-2. (8). По (8) разность потенциалов на концах участка 1-2 равна работе электростатических сил по перемещению единичного заряда из т.1 в т. 2. Введем понятие напряжения–U. (9). (9а). По (9) напряжение на участке 1-2 равно работе всех сил по перемещению единичного «+» заряда на 1-2. Участок на котором не действует ЭДС называют однородным участком, для него из (9а) . Для участка на котором действует ЭДС называют неоднородным, т.е.соответствует (9а).

3).закон Ома. В 1826 немецкий ученый Ом сформулировал закон, связывающий величину напряжения и силу тока на участке цепи: – Закон Ома. Он же установил связь между сопротивлением проволочного проводника цилиндрической формы и длиной проводника: , ρ- удельное сопротивление-это сопротивление цилиндрического проводника длинной 1 м при площади поперечного сечения 1 м² (это малая величина).

4) закон Дж-Ленца ; ;

P-мощность.; ;

Рассмотрим тепловое свойство тока. При протекании тока по проводнику, работа тока переходит в тепло.; (10); Обычно тепло выражается формулой:; (10а).–закон Дж.-Ленца. Запишем в дифференциальной форме:; ; , где γ–удельная электропроводность. (11).Формуле можно предать векторный вид:–закон Ома в диф. форме.

–закон Ома для замкнутой цепи, где R-внеш. Сопротивление, r-внутреннее сопр., I-сила тока, ξ-ЭДС.

Теперь запишем закон Дж.-Ленца:=, V- объем проводника.

–з-н Дж.-Ленца в диф. форме, Q₁-количество тепла выделяемое током в единице объема проводника в ед. времени.

5) правила Кирхгофа. Он рассматривал разветвляющиеся цепи.

ABCA–замкнутый контур;A,B,C– т. разветвления; дугообразная стрелка на верху рисунка–это направление обхода. Под т. разветвления понимают точку, в которой сходятся не менее 3 проводников. В т. разветвления скопления зарядов не происходит.

Будем считать, что подтекающим токам соответствует знак «+», а одтекающим «-».(12)–первое правило Кирхгофа. (алгебраическая сумма токов в т. разветвления равна 0.). n–число токов в т.разветвления.

Если m– число точек разветвления, то по (12) независимых уравнении будет m-1. Рассмотрим контуры ABCA. Направление тока произвольно. Введем направление обхода контура ABCA. Будем учитывать токи со знаком «+», если они совпадают с направлением обхода и со знаком «-» –если не совпадают. Будем учитывать ЭДС со знаком «+», если она повышает потенциал в направлении обхода, и со знаком «-» в противном случае. Тогда 2 правило Кирхгофа принимает вид (13)–алгебраическая сумма падении напряжения на участках замкнутого контура = алгебраической сумме ЭДС действующий на участках этого контура.

6) опыт Рикке. В 1901 он осуществил след. опыт.

По цепи пропускался ток в течении длительного времени(1 год).

I=0.5A. q=It=0,5*365*24*3600=1,5*10⁶ Кл. Проблема являлась выявить носители тока. Если носителями тока являлись бы ионизированные атомы, то должно было наблюдаться взаимопроникновение атомов в сечение 1-2. После завершения опыта цилиндры разделялись и торцы цилиндров тщательно исследовались. Взаимопроникновение не обнаружилось. Вывод: носителями тока не являются ионизированные атомы, а какие-то частицы, которые начиняют металлы и они оказываются одинаковыми для разных металлов. К тому времени уже были открыты электроны, можно было предположить, что носителями тока являются они.

7) опыты Толмена и Стюарта.

В1926 американскими учеными Т. и С. был проведен опыт, которые позволили определить удельный заряд носителей. Здесь катушка с большим количеством витков медной проволоки(l=500м) приводилось в очень быстрое вращение(υ_{линейное}=300м/с) и быстро тормозилась. По инерции носители тока продолжали движение и создавали инерционный ток, который измерялся при помощи баллистического гальванометра.

Они пришли к формулам: . Из опыта , известно что e=-1,6*10^-19Кл, m_e=9,11*10^-31кг. Оценим заряд который они должны были зафиксировать в ходе опыта: Чтобы измерить столь малый заряд нужно было исключить электрическое поле Земли и надо было подобрать материал, который мало деформируется при вращении. Из опыта следовало, что удельный заряд носителей равен известному к тому времени удельному заряду электронов и отсюда следовало, что носителями тока в металлах являются электроны.

МПФ

Преподавание физики без демонстрирования опытов является совершенно немыслимым. Никогда никакое сколь угодно живое и яркое описание отнюдь не может заменить восприятие подлинного опыта. Это похоже, как если бы мы пытались словами дать представление о цветах спектра слепому от рождения. Ученикам, никогда не видавшим приборов и опытов, никак нельзя дать представление о подавляющем большинстве физических явлений.

Изложение физики без демонстраций опытов принимает характер догматического, а полученные учащимися знания являются сплошь формальными, нежизненными, неприложимыми и поэтому ненужными. Преподавателю, не применяющему эксперимент при преподавании, нет оправдания, и такому преподавателю не может быть места в советской школе.

2) Преподаватель должен уметь излагать предмет не только словами и показом физических явлений, не только рассказывать об явлениях, но и найти способы настолько приблизить эти явления к ученикам, чтобы они стали вместе с ним исследователями этих явлений.

Конечно, нельзя убеждать учеников, что открыть законы физики можно без большой затраты усилий, средств и труда, но всё же в учениках также нужно воспитывать стремление самим отыскать закономерности в изучаемых явлениях.

Преподавателю физики необходимо всегда помнить, что его речь должна существенно дополняться «языком фактов».

Демонстрации должны быть вплетены в ткань словесного изложения для образования с ним органической связи. Поэтому надо показывать опыт не до рассказа о нём и не после рассказа, а одновременно с ним.

Это труднейшая задача, требующая, в особенности от малоопытного преподавателя, длительной и вдумчивой подготовки. Трудности увеличиваются ещё тем, что зарисовка на классной доске прибора или явления производится не отдельно от опыта и сопровождающего его рассказа, а одновременно с ними .

3) Преподаватель в методических целях производит демонстрации так, чтобы дать ученикам представление сначала не обо всех изучаемых сторонах физических явлений, а только о некоторых. При этом необходимо, чтобы ученики, смотря на демонстрацию, увидели только то, что на данной стадии изучения должно стать предметом рассмотрения. Такие демонстрации, как это было выяснено являются подготовительными, или вводными.

Указанное выше требование ставит перед техникой демонстрации определённые задачи, демонстрации должны быть так поставлены, чтобы никакие второстепенные стороны явления, а тем более побочные впечатления не отвлекали учащихся от основной цели данной демонстрации.

После вводных проводится основная демонстрация, показывающая в целом все стороны изучаемого явления, поскольку это возможно. На основании этой демонстрации производится формулировка положения или закона в окончательном виде. Далее могут следовать демонстрации иллюстративного характера в разъяснение самого закона, его следствий или приложений В некоторых случаях оказывается необходимым прибегать к подбору нескольких таких демонстраций, которые позволили бы познакомить учащихся постепенно и в определённой последовательности с нужными сторонами явления.

Несмотря на всю значимость демонстраций, следует, однако, опасаться перегружать ими урок. Нужно ограничиваться только необходимыми демонстрациями. В случае сравнительно простых вопросов оказывается достаточным проведение только одной хорошо поставленной демонстрации.

Методические замечании. Закон Ома в школе-семилетке рассматривается только для участка цепи; распространение его на всю цепь потребовало бы значительного времени и, главное, оказалось бы сложным для учащихся.

Введение закона Ома на основе экспериментальных данных затруднений не представляет. Учащиеся обычно легко усваивают зависимость силы тока от напряжения и сопротивления и пользуются ею для вычислений. В отношении косвенных выражений закона Ома, т. е. определения напряжения и сопротивления, учащиеся нередко допускают ошибки математического характера, искажая зависимость, что надо преподавателю заранее иметь в виду.

При изучении закона Ома важна не столько вычислительная сторона сама по себе, сколько применение этого закона для решения различных конкретных физических вопросов. Поэтому необходимо обращать особое внимание на содержание задач, подбирая такие, в которых ставятся вопросы по отношению к конкретным объектам и случаям, в той или иной мере знакомым учащимся или представляющим интерес для них.

Если закон Ома изучается раньше введения понятия мощности тока, то установление единицы напряжения (вольта) делается через ампер и ом. Однако, и при рекомендуемом нами определении понятия о напряжении через работу тока необходимо в соответствующее время подчеркнуть, что при напряжении в 1 вольт в цепи с сопротивлением в 1 ом устанавливается сила тока в 1 ампер, т. е., иными словами, дать определение вольта через ампер и ом.

3. Закон Ома. Руководствуясь указаниями, приведёнными в т. II, § 45, 10—12 и рис. 327—329, на опытах обнаруживают зависимость силы тока сначала от напряжения и затем от сопротивления. На подготовку эксперимента следует обратить самое серьёзное внимание; надо подобрать источники тока и сопротивления цепи так, чтобы отсчёты на вольтметре и амперметре выражались целыми числами; в связи с этим надо напряжение и сопротивление изменять (увеличивать и уменьшать) в целое число раз (2 или 3). На опыте сначала устанавливается, что величина тока прямо пропорциональна напряжению, и проводится устное решение нескольких тренировочных задач, например, таких типов:

I. Напряжение увеличилось в 6 раз. Как изменилась величина тока?

II. При напряжении в 120 в величина тока равна 6 а. Какая cила тока возникает в той же цепи при напряжениях в 240 в, 60 в и 12 в?

При установлении прямой пропорциональности между величиной (силой) тока и напряжением весьма существенное значение имеет построение графика, связывающего эти величины (см. т. IV, рис. 410). График строится на основании конкретных числовых данных, полученных из опыта. Такой график позволяет подвести учащихся к первым представлениям о функциональной зависимости между величинами. В частности, надо ознакомить учащихся с графическим способом нахождения величины (силы) тока по напряжению и впоследствии — напряжения по величине (силе) тока.

Во втором этапе по введению закона Ома на опыте обнаруживается, что величина тока обратно пропорциональна сопротивлению, и проводятся тренировочные упражнения, подобные указанным выше. На основании соответствующих числовых данных строится график зависимости величины (силы) тока от сопротивления (см. т. IV, рис. 114). Только после этого даётся формулировка закона Ома в его обычном виде, и производятся записи:

сила тока (I) = напряжение (U)/сопротивление (R)

и затем формулой

I=U/R

После решения нескольких тренировочных задач на вычисление величины (силы) тока по данным напряжению и сопротивлению вводится соотношение U=I*R, и решаются задачи

ФОРМИРОВАНИЕ КУЛЬТУРЫ МЕЖНАЦИОНАЛЬНОГО ОБЩЕНИЯ

Проблемы интеграции и глобализации в настоящее время, затрагивают все сферы человеческой жизнедеятельности, в том числе и образовательную. В связи с этим одной из приоритетных задач, решающихся на всех образовательных этапах, является воспитание у подрастающего поколения этнической толерантности и культуры межнационального общения.

Под культурой межнационального общения понимают «совокупность специальных знаний и умений, а также адекватных им поступков и действий, проявляющихся в межличностных контактах и взаимодействии представителей различных этнических общностей и позволяющих быстро и безболезненно достигать взаимопонимания и согласия в общих интересах». Культура межнационального общения является органической составной частью духовной жизни общества, а также общечеловеческой культуры.

Межэтнические отношения в широком смысле понимаются как взаимодействие народов в разных сферах – политике, культуре и т.д., в узком – как межличностные отношения людей разных национальностей, которые также происходят в разных сферах общения (трудовой, семейно-бытовой, а также соседской, дружеской и других сферах неформального общения).

Педагогику межнационального общения больше интересует второй уровень – межгрупповой и межличностный. Д.И. Латышина проблему межэтнических отношений изучала в контексте гармонизации, предотвращения межэтнических напряжений и конфликтов в многонациональном коллективе. Она утверждает, что конфликт ценностей возникает на основе различий в ценностных структурах народов. Например, разные системы ценностей существуют у народов, ведущих аборигенный образ жизни, и народов, строящих высокотехнологичное общество. В этническом конфликте, как правило, присутствуют черты обоих типов конфликтов.

Многие авторы выделяют в характеристике культуры межнационального общения, следующие компоненты: 1) когнитивный, 2) эмоционально-оценочный, 3) мотивационно-потребностный, 4) поведенческий. Когнитивный компонент дает представление о межнациональных отношениях; о культуре межнационального общения как сложной системе; об истории и культуре своего народа, об особенностях других национальных культур (истории, языка, традиций, обычаев, психологии и т.д.) и проблемах их развития; об общепринятых нормах и правилах поведения при взаимодействии людей разных национальностей; о способности и умении общаться в разнонациональных коллективах (учебных, трудовых и т.д.).

Эмоционально-оценочный компонент – это эмоционально-нравственные характеристики личности, проявляющиеся в чувствах, убеждениях, оценочных суждениях и т.д. по отношению к своему и другим этносам (отрицательные – замкнутость, обидчивость, подозрительность, неуважительность, высокомерие, презрительность, грубость, ненависть, жестокость и др.; положительные – любовь, доброжелательность, чуткость, вежливость, сочувствие, интерес, терпимость, уступчивость и др.).

Мотивационно-потребностный компонент включает мотивации и потребности людей в освоении родной культуры и культуры народов, проживающих в республике, а также культуры межнациональных отношений.

Наконец, поведенческий компонент учитывает действия и поступки по отношению к людям другой национальности, характеризующиеся, например, доброжелательностью, тактичностью, формализмом, безучастием или пренебрежительностью.

В исследовании Д.И. Латышиной определены следующие этапы формирования культуры межнационального общения:

Освоение родной культуры, ее истории, традиций, нравственных ценностей.

Формирование на этой основе чувства гордости за принадлежность к родному народу, а также уважения к культуре других народов.

Формирование потребности людей в освоении родной культуры и культуры народов соседей, а также культуры межнациональных отношений.

Перевод нравственных знаний в поведенческие нормы, что возможно лишь при организации педагогом совместной социально значимой деятельности, направленной на воспитание культуры межнационального общения [Латышина Д.И., 2000].

В исследованиях Р.И. Кусарбаева разработана теоретическая модель поуровневого анализа динамики развития культуры межнационального взаимодействия студентов. В качестве показателей культуры межнационального взаимодействия Р.И. Кусарбаев предлагает признаки, сгруппированные по характеру их проявления.

Внешние признаки: интерес к культуре, истории, литературе, науке другого народа; потребность в освоении языка, истории, литературы, культуры, науки другого народа; развитие отношений с людьми другой национальности [Кусарбаев Р.И., 2002].

Внутренние признаки:

Потребностно-отношенческого характера: уважение к многонациональному народу и любовь к Родине; ориентация на общечеловеческие ценности, на лучшие достижения человеческой цивилизации; обращение к национальному достоинству и чувствам людей, воспитание в себе интернационального и гражданского сознания и чувств.

Этического характера: проявление тактичности, чуткости к человеку; готовность сопереживать, понимать состояние и желания людей, их намерения; формирование умения преодолевать конфликтные ситуации, мелкие неурядицы.

Деятельностно-поведенческого характера: реакция на совместную деятельность, межнациональные браки; умение оценить успехи людей другой национальности; развитие благородного чувства национальной гордости.

Мировоззренческого характера: понимание совместной жизнедеятельности разных национальностей; непримиримое отношение к проявлению шовинизма, национализма и расизма; ориентация на общечеловеческие, нравственные ценности, на лучшие достижения человеческой цивилизации; осознание принадлежности к мировому сообществу; глубокое уважение ко всем народам Земли, их этнонациональным особенностям; дух терпимости к религиозным чувствам людей, обеспечение мирного разрешения возникающих межконфессиональных конфликтов.

Интеллектуально-эмоционального характера: отношение к людям другой национальности на работе, в процессе учебы, в быту; отношение и реакция на взгляды, убеждения, идеалы людей другой национальности; реакция на оценочные суждения и сложившиеся стереотипы о людях другой национальности.

Достоинство данной модели состоит в том, что с помощью приведенных показателей можно проследить динамику развития культуры межнационального взаимодействия, а также выбрать, в зависимости от уровня, индивидуальный алгоритм работы со студентом.

Воспитание культуры межнационального общения происходит не только в процессе специальных педагогических воздействий, но и под влиянием широких социальных явлений, в том числе и негативных. Однако решающую роль здесь играет целенаправленный процесс воспитания. Его организаторы, педагоги, своей деятельностью призваны опосредовать, регулировать самые разнообразные, прежде всего, стихийные влияния, под воздействием которых происходит развитие детей.