14.2.Методика вивчення «Електричного струму в різних середовищах».

Дана тема вивчається в шкільному курсі фізики в 10 класі. Вивчення цієї теми можна розділити на такі підтеми:

1. Основні положення електронної теорії металів. Залежність опору металевих провідників від температури. Надпровідність.

2. Електричний струм у напівпровідниках. Властивості напів провідників. Власна і домішкова провідність напівпровідників.

3. Термо і фоторезистор.

4. Транзистор.

5. Електричний струм у вакуумі.

6. Двохелектродна лампа. Електронно променева трубка.

7. Електричний струм у розчинах і розплавах.

8. Електричний струм у газах.

9. Поняття про плазму.

Вивчення теми доцільно розпочати з невеликої вступної розповіді. Провідниками електричного струму можуть бути різні речовини: метали, розчини електролітів і за певних умов гази та вакуум Широкого застосування останнім часом набули речовини, які називаються напівпровідниками. Оскільки вивчанню цієї теми передує вивчення теми «Закони постійного струму», то можна використовувати такий прийом як актуалізація опорних знань.

У цій темі розглянемо природу і закономірності електричного струму в різник середовищах З'ясувати природу струму-означає встановити, які саме заряджені частинки переносять заряд в даному середовищі.

Вивчаючи «Основні положення електронної теорії провідності металів» можна навести учням усну розповідь та показати модель іонної кристалічної ґратки.

Вивчаючи «Залежність опору металевих провідників від температури» доцільно показати такий дослід Приєднаємо до батареї акумуляторів стальну спіраль з опором . Послідовно до її увімкнемо лампу, за розжарюванням волоска якої можна судити про зміну сили струму в колі. Нагріваючи спіраль за допомогою пальника, спостерігають зменшення яскравості лампи, що свідчить про помітне зменшення сили струму в колі . Отже, під час нагрівання стального провідника його опір зростає. Замінюючи стальну спіраль іншими металевими провідниками, можна переконатися в тому, що з підвищенням температури опір металів зростає пропорційно їх температурі.

Вивчаючи «Електричний струм у напівпровідниках. Властивості напівпровідників» доцільно провести дослід, аналогічний попередньому, ввімкнувши в коло напівпровідник і металевий провідник так, щоб їх можна було за допомогою вимикача почергово вмикати в коло. Такий дослід покаже, що опір металу з підвищенням температури зростає приблизно лінійно, а опір напівпровідників, навпаки - різко зменшується. На цьому ж досліді можна показати, що опір напівпровідника під дією світла зменшується.

Вивчення «Власної і домішкової провідності напівпровідників» і« Поняття про плазму» можна задати як домашнє завдання: коротко законспектувати ці теми, та перевірити засвоєні учнями знання на наступному уроці.

Вивчаючи «Термо - і фоторезистор» необхідно застосувати прийом актуалізації опорних знань щодо вивчених на попередніх уроках властивостей напівпровідника та навести різноманітні приклади щодо важливого застосування цих приладів: пожежна сигналізація, контроль за температурним режимом працюючих машин і механізмів, автоматичне вмикання і вимикання маяків, освітлення вилиць тощо.

Вивчаючи «Транзистор» розглядається його будова (емітер, база і колектор, між якими знаходяться два -переходи.) та принцип дії.

Вивчаючи «Електричний струм у вакуумі» необхідно сформувати поняття роботи виходу та уявлення про електронну емісію. Для вилітання електрону з металу у вакуумі він має виконати певну роботу проти сил електростатичного притягання з боку надлишку позитивного заряду, який виникає в металі внаслідок виривання електронів. Цю роботу називають роботою виходу електронів з металу. Робота виходу виконується електронами за рахунок їхньої кінетичної енергії, тому вириваються лише ті електрони, енергія яких . Вихід вільних електронів з металу називають емісією електронів. Далі вивчаємо «Двохелектродну лампу. Електронно-променеву трубку» дія яких грунтується на електричному струмі у вакуумі.

Вивчаючи «Електричний струм у розчинах і розплавах. Закони електролізу Застосування електролізу» застосовуємо деякі знання учив» з хімії (здійснення між предметних зв'язків).

У цій підтемі вивчаємо такі закони електролізу:

Маса речовини, яка виділяється на одному електроді, пропорційна кількості електрики, яка проходить крізь електроліт , де - стала.

Електрохімічні еквіваленти речовин прямопропорційні масам їх молів і обернено пропорційні їх валентностям ,де .

«Електричний струм у газах». За звичайних умов газ складається з нейтральних атомів і молекул. Тому навіть за наявності електричного поля крізь газ не йтиме електричний струм. Якщо в повітряний проміжок між пластинками конденсатора внести полум’я свічки, то стрілка амперметра відхилятиметься, сигналізуючи пром існування електричного струму. Проходження струму свідчить, що в газі під дією полум’я виникли вільні заряджені частинки, які рухаються. Під дією високої температури від полум’я швидкості молекул газу швидко зростають ів результаті зіткнень утворюються позитивно заряджені іони. Частина вільних електронів захоплюється нейтральними молекулами, що веде до утворення нейтральних іонів. Процес утворення іонів називається іонізацією газу, а зворотний процес – рекомбінацією.

14.3. Червона межа фотоефекту для деякого металу становить . Метал опромінюється монохроматичним світлом. Затримуюча різниця потенціалів становить . Знайти роботу виходу електронів з металу і частоту світла, яким опромінюється метал.

Дано:

- рівняння Ейнштейна для фотоефекту.

, , , ,

, ,

Відповідь: , .

15.1 Електромагнітна індукція. Закон Фарадея. Правило Ленца.

Фарадей звернув увагу на те що ел. ефекти виникають тільки під час зміни магн. поля. Якщо в одному провіднику змінювати ел. струм, то в сусідньому також виникає струм. Аналог. результат одержують тоді, коли біля замкненого првідника переміщують магніт. Ел. струм в обох випадках наводиться змінним магн. полем Такий струм натирають індукційним, я явище виникнення струму в замкненому провіднику під дією змінного магн. поля – явищем ел.-магн. індукції

В 1831 році М. Фарадей відкрив явище ел.-магн індукції, яке згодом стало основою всієї електротехніки і радіотехніки. Зокрема, воно лежить в основі дії генераторів усіх електростанцій світу, що перетворюють мех. енергію в енергію ел. струму.

Англ. фізик М. Фарадей експериментально встановив, що зі зміною магн. потіку через замкнений контур у контурі виникає ел. струм. Це явище назвали ел.-магн. індукцією. Точніше кажучи, у контурі генерується не певний струм (який залежить від опору), а певна ЕРС, яку назвали електрорушійною силою електромагнітної індукції .

Закон ел.-магн. індукції Фарадея формулюють так:

ЕРС індукції, у контурі прямо пропорційна швидкості зміни з часом магн. потоку через площу поверхні, обмеженої контуром:

Якщо ЕРС індукції наводитьсяу замкнутому контурі, тоді у контурі виникає індукційний струм, сила якого.

, де R- опір контура

Правило Ленца. Загальне правило, яке дозволяв визначити напрям індукційного струму в контурі, було встановлено в 1833 р. Е. X. Ленцем. Правило Ленца формулюється так:

індукційний струм в замкненому контурі мас завжди такий напрям, при якому його магн. не поле протидіє тим змінам магнітного потоку, які викликали індукційний струм.

З урахуванням правила Ленца закон електромагнітної індукції записується таким чином:

індукційний струм у замкненому контурі може виникнути під час руху провідного контуру в полі магніту, під час руху магніту відносно замкненого провідного контуру і під час зміни струму в котушці, яка створює магнітне поле

Правило: Індукнійний струм в замкпеному провідному контурі виникає кожного разу при зміні магн. потоку, який пронизує провідний контур

Зинон про зв'язок ел. і магн. полів:

в тих областях, де змінюється магн. поле, виникає ел. поле.

Закон ел.-магн. індукції Фарадея:

при всякій зміні в часі потоку магн. поля в точках простору, де є така зміна, збуджується вихрове ел поле, циркуляція напруженості якого по довільному замкненому контуру L дорівнює шв зміни потоку магн. індукції крізь довільну поверхню S, яка спирається на контур L.

- інтегральна форма запису закону ел.-магн інд-ції, де L - довільний замснений контур, S - довільна поверхня, яка спирається на контур L.

- диференціальна форма запису закону ел.-магн. інд-ції Фарадея, описує закон виникнення вихр. ел. поля в певній точці внаслідок зміни інд-ції магн. поля в тій самій точці

Досліди Фарадея свідчили про те, що напрям інд-ного струму в замкненому провідному контурі залежить від хар-ру зміни магн. потоку. Найбільш загальне правило для визнач. нпряму інд-ного струму запропонував у 1833р. Ленц: Індукційннй струм у замкненому провідному контурі має такий напрям, що створюване ним власне магн поле протидіє змінам магн. поля яке збуджує індукційний струм.

В окремому випадку руху прямого провідника перпендик. до ліній індукції зовн. магн. поля напрям інд-ного струму зручно визначати за правилом правої руки: Якщо праву руку ромістити так, щоб лінії індукції магн. поля входили в долоню, а відставлений під прямим кутом великий палець збігався з напрямом переміщення провідника, то чотири випрямлені пальці вкажуть напрям індукційного струму в провіднику

15.2 Демонстраційний експиремент з властивостей ел.-магн.хвиль

Поширюючись у просторі ел.-магн. хвилі не впливають одина на одну, але їхня дія на об'єкти проявляється як результат їхньої спільної дії на цей об'єкт. В цьому розумінні вживають термін «накладання хвиль», в перекладі з лат «інтерференція».

Дифракція - це явище зміни напряму поширення ел.-магн. хвиль під впливом перешкод і неоднорідностей середовища на їхньому шляху.

Техніка демонстрування дослідів з інтерференції і дифракції світла досить складна. Ці Досліди потребують попередньої старанної підготовки і перевірки, а також ретельного виконання їх. Для проведення багатьох дослідів з інтерференції і дифракції світла Головучтехпром випускає спеціальний «Набір з інтерференції і дифракції світла». До набору входить такі частини: прилад для демонстрування кілець Ньютона, біпризма Френеля, дифракційна решітка з періодом 1/100, рамка з нитко, розсувна щілина, дві ширми-диски на стержнях для встановлення зазначених вище деталей, рамка для зберігання деталей.

Конструкція ширми передбачає можливість обертання кілець у її середній частині відносно диска із стержнем. У кільцях за допомогою двох гвинтів закріплюють деталі з набору. Стержні і ширми закріплюють у рейтерах опт. лави універс. проекційного апарата.

Прилад для демонстрування кілець Ньютона складається і плоско-опуклої лизн, покладеної опуклістю па плоскопаралельну круглу пластинку. Лінзу і пластинку закріплено в металевій оправі з трьома регулювальними гвинтами. Підготовку дослідів з інтерференції і дифракції слід починати з перевірки положення джерела світла в проекційному апараті його світна частина повинна бути на головній оптичній осі конденсора апарата.

Демонстрування дослідів з нтерферекш і дифракції потребує повного затемнення аудиторії Щоб максимально полегшити виконання описаних нижче дослідів, зазначено орієнтовні відстані меж приладами, які в кожному окремому випадку треба уточнювати, намагаючись досягти няйкращого результату

Інтерференція світла від біпризми Френеля.

1. Складають установку згідно з рис 1. Проекційну лампу освітлювача повертають ребром світної поверхні до конденсора.

Ширму з щілиною, розсунутою на 1—1,5мм, закріплюють у рейтері оптичної лави апарата і встановлюють у такому місці, щоб вона була рівномірно освітлена пучком світла, який виходить з конденсора.

Ширму з біпрнзмяо встановлюють на відстані приблизио 40см від щілини.

Для успішного проведення досліду ребро біпризми повинно бути розміщене паралельно щілині і перебувати з нею в одній вертикальній площині, що проходить уздовж головної оптичної осі конденсора Перевіряють це так. Біля біпризми ставлять настільний екран і повільно повертають щілину або біпризму навколо оптичної осі конденсора в той чи інший бік доти, поки на екрані не зявиться вузька яскрава смужка з чіткими паралел. краями. Після цього екран ставлять на місце, а ширину щілини зменшують до утворення на екрані чіткої інтерференційної картини. Розміщують за біпризмою світлофільтр (червоний, зелений, синій). Простежують, як змінюється інтерференційна картина при зміні світлофільтрів

Дифракщія світла від дифракційної решітки.

1 Складають установку згідно з рис 2 Не лаві універсального проекційного апарата встановлюють після конденсора ширму з розсувною щілиною (завширшки 2— 2,5мм), а за нею об'єкти. За допомогою об'єктива дістають на екрані зображення щілини Після цього на шляху світлового пучка перед об'єктивом встановлюють дифракційну решітку так, щоб її штрихи були парал. щілині. На екрані матимемо дифракційний спектр.

2. Показують дифракційні спектри, утворені в монохроматичному світлі. Використовують для цього червоний, зелений і синій світлофільтри.

Явища залежності показника заломлення від довжини хвилі називають дисперсією

1. Для демонстрування на екрані суцільною спектра складають установку, позану на рис. 3.Щілину, розсунуту до 1,5-2мм, закріплюють у такому положенні, щоб збіжний пучок світла симетрично освітлював усю її площину. Екран розміщують у положенні 1 і за допомогою об'єктива добиваються чіткого зображення щілини. Після цього екран переносять у положення 2, і перед об'єктивом на столику, закріпленому в рейтері (рис4), встановлюють призму з флінтгласу так, щоб її заломлююче ребро було паралельне щілині, а весь пучок світла проходив крізь грані заломлюючого кута На екрані дістають суцільний спектр.

2 На призму з флінтгласу ставлять призму з кронгласу так, щоб їх площинн і ребра збігалися. Утворюють одночасно два спектри, порівнюють їх і роблять відповідні висновки.

3 На столику перед об'єктивом встановлюють призму прямого зору. Екран розміщують перпендикулярно до осі проекційного апарата. Дістають суцільний спектр

Явище додавання спектральних кольорів.

За допомогою призми утворюють спектр на дзеркалах приладу для додавання спектральних кольорів (рис.). Відстань від призми до приладу підбирають такою, щоб увесь спектр помістився на дзеркалах Після цього дзеркала повертають на деякий кут так, щоб на екрані утворити окремо одну від одної спектральні кольорові смуги Потім дзеркала повертають так, щоб зібрати сім кольорів на одну вузьку смугу, яка в результаті цього стає білою

3. Задача

Обчислити відношення сили кулонівського притягання до сили тяжіння між ядром і електроном в атомі гідрогену.

16.1 Поширення світла в середовищі. Відбивання і заломлення світла. Поглинання та дисперсія світла. Розсіювання світла.

Спрямуємо вузький пучок світла на поверхню води. Ми уже знаємо, що пучок світла на межі між повітрям і водою одночасно відбивається і заломлюється. Досліди показують, що у разі зміни напряму падаючого променя змінюється і напрям відбитого, але обидва вони завжди лежать в одній площині. Саме в цьому и полягає перший закон відбивання світла: промені падаючий і відбитий лежать в одній площині з перпендикуляром до відбитої поверхні, проведеним з точки падіння променя.

Знаючи кут падіння променя на воду, помітимо, що при цьому змінюватиметься і кут відбивання, що відповідає йому, можна встановити,що вони завжди дорівнюють один одному, в цьому полягає другий закон відбивання світла: кут падіння = куту відбивання.

Нагадаємо, що кут падіння і відбивання прийнято вимірювати від перпендикуляра, проведеного до поверхні поділу, до відповідного променя.

Під час зміни напряму падаючого променя змінюється і напрям заломленого променя, але досліди показують, що: заломлений промінь лежить у тій самій площині, в якій лежить падаючий промінь і перпендикуляр, поставлений у точці падіння променя до межі розділу двох середовищ. Це перший закон заломлення світла.

Значно складнішим виявилося питання про напрям поширення заломленого променя. Перша спроба знайти зв'язок між кутами падіння і заломлення променів була зроблена відомим Алексанрійським автором К. Птоломеєм, ще в ІІ ст. до н. е. Однак розв’язати цю проблему вдалося Голландському фізику В. Снеліусу і незалежно від нього Французькому математику і фізику Рене де Карту в ХVI ст. Вони встановили, що: при всіх змінах кутів падіння і заломлення відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для даних двох середовищ є величина стала, яка називається показником заломлення другого середовища відносно першого.

Математично цей закон можна записати у вигляді такої формули: де n – величин , яка залежить від властивостей середовищ, на межі поділу яких відбувається заломлення світла, і називається показником заломлення другого середовища, відносно першого. Якщо світло заломлюється на межі «вакуум - прозоре середовище» відповідний показник називають абсолютним показником заломлення прозорого середовища. Оскільки першим середовищем часто буває повітря, то прийнято визначати показник заломлення, даної речовини відносно повітря. Цей відносний показник заломлення дуже мало відрізняється від абсолютного. Оскільки абсолютний показник заломлення повітря дуже близький до одиниці і дорівнює за нормальних умов 1.00029. З двох речовин оптично більш густою називається та, яка має більший абсолютний показник заломлення.

Спрямуємо тепер промінь світла з другого середовища в перше тим напрямом, яким раніше йшов заломлений промінь. Кут падіння в цьому випадку дорівнюватиме у. Яким напрямом піде заломлений промінь у першому середовищі? Закони заломлення дають можливість легко відповісти на це запитання. Справді, другий закон заломлення в цьому випадку ми повинні записати у вигляді:, де х- кут заломлення, n₁ – показник заломлення першого середовища відносно другого, який, очевидно, зв’язаний таким простим співвідношенням з показником заломлення n другого середовища відносно першого:

Підставляючи значення n₁ у записане вище рівняння другого закону заломлення, дістанемо:

або . Звідси х=α, тобто кут заломлення в першому середовищі дорівнює кутові падіння для того випадку, коли світло падало з першого середовища в друге. Таким чином падаючий і заломлений проміні ніби міняються місцями.

Дисперсія світла. Заломлення світла на межі поділу двох середовищ пояснюється різницею в швидкостях поширення світла в цих середовищах. Показник заломлення, свідчить у скільки разів швидкість світла в одному середовищі більша чи менша за швидкість в іншому середовищі. Явище інтерференції і дифракції свідчать також про те, що кожному кольору світлових променів відповідає певна довжина хвилі. Швидкість поширення світла в речовині має залежати від частоти світла Спробуємо з’ясувати цю залежність на досліді.

Спрямуємо вузький пучок світла на одну з граней тригранної призми. Заломлюючись у призмі, пучок дає на екрані видовжене зображення щілини з яскравим райдужним чергуванням кольорів – спектр. Крайніми з боку заломлюючого ребра призми виявляється промені червоного світла. Поряд з ними будуть промені оранжеві, потім жовті, далі зелені, сині й, нарешті, фіолетові (з боку основи призми).

Поставимо на шляху променів, які пройшли першу призму, другу таку саму призму, розміщену паралельно першій, але із заломлюючим кутом, повернутим у протилежний бік. Ми дістанемо знову пучок білого світла. Такі досліди були проведені у свій час І. Ньютоном, який дійшов висновку, що біле світло складається із світла різних кольорів. Ньютон умовно поділив суцільний спектр на сім ділянок різних кольорів:червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий. Другий важливий висновок Ньютона полягав у тому. Що світло різного кольору характеризується різними показниками заломлення в даному середовищі. Найбільший показник заломлення в складі мають фіолетові промені, найменший – червоні. Відомо, що різниця в показниках заломлення обумовлена різницею в швидкостях поширення хвиль. Тому можна сказати, що світло різного кольору має різні швидкості поширення в даному середовищі.

Залежність показника заломлення (а отже, і швидкості світла ) від його кольору називають дисперсією світла.

Знання складної структури білого світла дає можливість пояснити походження різних барв у природі, кольори різних тіл. Колір непрозорого тіла визначається сумішшю променів тих кольорів, які воно вбиває. Якщо тіло рівномірно відбиває промені всіх кольорів, то у разі освітлення білим світлом воно здається білим. Червоне тіло з падаючого на нього білого світла відбиває головним чином червоні промені, а решту поглинає, голубе тіло відбиває голубі промені … Поглинання світла під час проходження паралельного пучка світла крізь шар прозорого середовища його інтенсивність зменшується тобто світло поглинається.

Щоб встановити закон поглинання світла, розглянемо шар прозорого середовища завтовшки l, на який падає паралельний пучок променів інтенсивністю І₀ (рис.1). Виділимо в середовищі нескінченно тонкий шар .

Дослід показує, що відносне зменшення інтенсивності світла шаром пропорційне товщині шару, тобто (*).

Де - коефіцієнт пропорційності, який не залежіть від інтенсивності і називається коефіцієнтом поглинання. Знак мінус вказує на те, що зі збільшенням товщини шару поглинального середовища інтенсивність світла, що проходить крізь нього, зменшується.

Проінтегруємо рівняння (*) у межах від І₀ до І та від 0 до l.

Тоді (**), де І – інтенсивність світла, що виходить із поглинального середовища завтовшки І ,І₀ – інтенсивність світла, що входить у поглинальне середовище. Зазначимо, що іноді під І₀ розуміють інтенсивність падаючого світла. У такому випадку треба врахувати зменшення інтенсивності внаслідок відбивання світла.

Співвідношення (**) називається законом Багера. Незалежно від П. Багера А.Бер встановив, що поглинання світла розчинами пропорційне молярній концентрації С₀ розчиненої речовини, тобто , де - коефіцієнт пропорційності, який залежить від природи речовини.

З урахуванням останньої формули вираз (**) набуває вигляду (***)

Співвідношення (***) виражає закон Бугера – Ламберта – Бега, який має місце для газів і розчинників малих концентрацій. Коефіцієнт поглинання залежить від довжини хвилі, тому поглинання має селективний характер. У парах, де атоми знаходяться на значних відстанях один від одного, хід залежності коефіцієнта поглинання від довжини хвилі являє собою сукупність вузьких максимумів, яким відповідають власні частоти коливань електронів.