Как взаимодействуют тела, имеющие заряды одинакового (противоположенного) знака

Изучение явления электризации должно привести к формированию у школьников твердых убеждений в том, что электрический заряд всегда связан с материальным носителем — телом, частицей и, с одной стороны, характеризует свойство материальных носителей «притягивать к себе другие тела», а с другой стороны — является качественной мерой этого взаимодействия.

Электрическое поле. Современные представления о взаимодействии наэлектризованных тел опирается, как известно, на представления о неразрывной связи заряженной частицы с электромагнитным полем. Поэтому программой предусмотрено вслед за введением понятия «электрический заряд» ввести понятие «электрическое поле» .

Понятие электрического поля вводят, как и понятие заряда, без определения. Ссылаясь на работу Фарадея и Максвелла, учитель утверждает, что в пространстве, где находится электрический заряд, существует электрическое поле. Взаимодействие между заряженными телами осуществляется посредством электрического поля, которое с помощью наших органов чувств непосредственно не воспринимается, о его существовании судят по измерению положения или скорости движения внесенного в него другого заряженного тела. Чтобы учащиеся привыкли «видеть» вокруг каждого заряженного тела электрическое поле, необходимо ставить перед ними вопросы такого типа: «Какие измерения произойдут с телом и в окружающем его пространстве, если металлический шар, потереть мехом? Если прикоснуться к металлическому шару заряженной палочкой?» и т. п. Важно научить ребят определять заряжено данное тело или нет по наличию (или отсутствию) вблизи него электрического поля. Учащиеся должны знать, что для ответа на этот вопрос нужно располагать вблизи исследуемого тела другое заряженное тело, способное легко изменить свое положение под действием малой электрической силы (например, металлическую гильзу, подвешенную на шелковой нити). Если это тело изменило свое положение, значит, на него подействовало электрическое поле и, следовательно, исследуемое тело имеет электрический заряд.

Электрон. Строение атома. Чтобы рассмотреть строение атомов, необходимо ввести понятие об электроне. Сделать это непросто, ведь электрон не воспринимается органами чувств. Авторы учебника А. В. Перышкин и Н. А. Родина вводят понятие электрона не догматически, предлагают действовать по аналогии с введением понятия молекулы. Для этого восьмиклассникам показывают, что электрический заряд делим. Можно получить 1/29, 1/49, 1/89 и т. д. Очевидно, существует предел делимости электрического заряда — заряженная частица, имеющая наименьший в природе электрический заряд. Подобно тому, как существование наименьшей частицы данного вещества в этой логике рассуждений кажется школьникам вполне существенным, так и существование электрона — частицы с наименьшим электрическим зарядом — воспринимаются ими как факт, не требующий специальных доказательств. Поэтому дальше можно сказать: действительно с помощью очень тонких экспериментов, позволивших измерить малые изменения электрического заряда, такая частица была обнаружена. Эту частицу назвали электроном.

Теперь можно обратить внимание школьников на то, что имеющиеся у них знания об электрических явлениях, позволяют получить новые сведения о строении вещества. Действительно, они знают, что тела, состоящие из разных веществ, могут быть наэлектризованы, т. е. могут приобрести электрический заряд — заряд электрона. Следовательно, заряд любого тела связан с зарядом электрона, а, следовательно, электроны должны быть в любом теле. Но все тела состоят из атомов и молекул. Значит, электроны должны быть внутри атомов. Целесообразно продолжить рассуждения об атоме: если электроны находятся внутри атома, то внутри атома должны находится и положительно заряженные частицы, суммарный заряд которых равен суммарному заряду электронов, т.к. атом в обычных условиях нейтрален. Следовательно, опыт должен иметь цель — определить, как расположены внутри атома положительные и отрицательные заряды. Сделать это можно единственным образом — обстреливая атомы заряженными частицами и наблюдая за изменением направления их движения вследствие взаимодействия этих частиц с заряженными частицами атома. Далее следует сказать, что такой опыт был проделан Э. Резерфордом. Опыт ученного показал, что положительный заряд атома сосредоточен в очень малом объеме, а электроны расположены на большом расстоянии от положительного заряда атома. По результатам опыта Э. Резерфорд построил модель атома, в котором атом по своему строению напоминает нашу Солнечную систему. Подобно тому, как планеты, притягиваясь к Солнцу, движутся вокруг него, так и электроны в атоме движутся вокруг положительно заряженного ядра, удерживаемые силами притяжения к нему.

При рассмотрении ядерной модели атома важно создать у учащихся правильное представление о соотношении размеров ядра, электронов и атома в целом. Для этого целесообразно прибегнуть к приему сравнения, подобно тому, как это было сделано при оценке размеров молекул: если бы весь атом увеличился так, что ядро приняло размеры десятикопеечной монеты, то расстояние между ядром и электроном стало бы равно километру.

Для формирования представлений о строении атомов весьма важную роль играет самостоятельная работа учащихся по изготовлению пластилиновых моделей атомов различных химических элементов. Учащиеся должны привыкнуть к тому, что порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева характеризует заряд ядра атома и соответственно число электронов в этом атоме. Они должны научится быстро отвечать на вопросы типа: сколько электронов содержит атом водорода, кислорода, урана и т. д. Для моделирования строения атомов необходимо рассказать, что ближайшая к ядру электронная оболочка может содержать не больше восьми, а затем предложить школьникам вылепить из цветного пластилина модели атомов водорода, гелия, лития, бериллия, бора с учетом правил заполнения электронных оболочек и строения ядра. На этих моделях легко показать, как образуется положительные и отрицательные ионы. Вслед за изготовлением пластилиновых моделей следует потренироваться в графическом изображении моделей строения атомов и ядер различных химических элементов.

Понятия «электрический заряд», «электрон», «ион», «электрическое поле» продолжают формироваться и дальше, при объяснении электризации тел, электрического тока в металлах, принципа действия источника тока, причины сопротивления проводников, теплового действия тока.

Электрический ток. Электрическая цепь. Приступая к изучению данного вопроса, восьмиклассники уже знают, что в каждом теле имеются электроны, обладающие отрицательным электрическим зарядом. В металлах часть электронов слабо связана с ядрами атомов. Электрическим зарядом обладают и другие части вещества — ионы. Все это позволяет дать определение электрического тока как упорядоченного движения частиц.

После этого ставят вопрос: что нужно для того, чтобы электрический ток возник в проводнике и существовал в нем длительное время? Для ответа на этот вопрос обращаются к опытам. Интересен опыт, в котором легкий шарик, подвешенный на шелковой нити между двумя заряженными пластинами, колеблются. Одна из пластин соединена с электроном. По мере того как шарик движется, прикасаясь поочередно к пластинам с разноименными зарядами, электрическое поле между пластинами убывает, что отмечается электрометром. Если электрического поля между пластинами не будет, прекратится движение шарика. Этот опыт поучителен, его можно рассматривать как модель электрического тока. Обобщая результаты опыта, приходят к выводу: чтобы в проводнике длительное время существовал ток, необходимо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Таким путем учащихся подводят к пониманию необходимости источников тока. Далее указывается, что в любом источнике тока совершается работа по распределению положительно и отрицательно заряженных частиц, между которыми действуют силы притяжения. Эта работа совершается силами не электрической" природы. В процессе такой работы на одном полюсе источника тока накапливаются положительно заряженные частицы, а на другом — отрицательные. Между полюсами возникает электрическое поле. Когда полюса соединяют между собой металлическим проводником, то электрическое поле возникает и в проводнике. Под действием этого поля свободные заряженные частицы, имеющиеся в проводнике, станут двигаться в направлении от отрицательного полюса источника к положительному, в проводнике возникает электрический ток.

Для уяснения того, что в источнике тока происходят превращения не электрических видов энергии в электрическую, учащимся показывают работу электрофорной машины, термоэлемента и фотоэлемента и предлагают ответить на вопрос: «Какие превращения энергии происходят в данном источнике тока?» .

Более подробно (но без анализа химических реакций) рассматривают гальванические элементы и аккумуляторы. Для опытов надо использовать набор по электролизу.

С электрической цепью учащихся надо ознакомить в процессе лабораторной работы. Умение составлять схемы электрических цепей и знание названий отдельных элементов цепи придут к школьникам постепенно, в процессе дальнейших занятий по электричеству.

Электрический ток в металлах. При изучении темы «Тепловые явления» учащиеся ознакомились с кристаллическим строением твердых тел. Здесь вводят понятие кристаллической решетки и рассказывают о том, что в узлах кристаллической решетки расположены ионы, обладающие положительным зарядом. В пространстве между этими ионами находятся свободные электроны. В отсутствии электрического поля, движение свободных электронов хаотично, а скорости их зависят от температуры. Но если в металлах создать электрический ток, то свободные электроны начнут двигаться в направлении действия электрических сил, при этом их хаотическое движение, называемое тепловым, сохраняется. По проводнику пойдет электрический ток.

Действия электрического тока. С некоторыми действиями электрического тока восьмиклассники уже встречались в быту, поэтому нужно выявить эти знания, а затем обратиться к эксперименту.

Тепловое действие тока следует продемонстрировать следующим образом. Между двумя штативами натягивают никелевую или хромовую проволоку и подключают ее к источнику тока. Увеличивая напряжение, нагревают проволоку до свечения, при этом она прогибается, на что обращают внимание учащихся.

Для демонстрации химического действия тока берут раствор любого электролита, опускают в него два чистых угольных электрода и подсоединяют к источнику тока. Через несколько минут, вынув электроды из раствора электролита, обнаруживают, что один из них покрыт слоем вещества.

Магнитное действие тока обнаруживается по притягиванию к железному сердечнику, вставленного в катушку от школьного разборного трансформатора, стальных скрепок, если катушку подсоединить к источнику постоянного тока.

При введении понятий о проводниках электрического заряда можно воспользоваться простым демонстрационным опытом, для которого не требуется электроскоп.

Металлический стержень располагают на изолирующей подставке горизонтально. Около одного края стержня подвешивают легкий шарик или гильзу так, чтобы шарик и стержень соприкасались. Если прикоснуться к другому концу стержня заряженным телом, то заряд по стержню перейдет к шарику и шарик оттолкнется от стержня. Заменив, металлический стержень стеклянным (или из другого изолятора), убеждаются, что заряд не переходит к другому его концу. Этот опыт легко проделать и в домашних условиях Сила тока. Амперметр. Представление о сильном или слабом электрическом токе можно дать на основе опытов, воспроизводящих различные его действия. Опыты показывают, что интенсивность электрического тока зависит от заряда, проходящего по цепи в течение одной секунды. Учащиеся должны понять, что чем больше частиц перемещается от одного конца участка цепи к другому, тем больше общий заряд, перенесенный частицами. Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в одну секунду, определяет силу тока в цепи. Надо рассказать учащимся, что в 1948 году на IX Международной конференции по мерам и весам было решено в основу определения единицы силы тока положить явление магнитного взаимодействия двух проводников с током.

Для ознакомления школьников с этим явлением на опыте удобно использовать станиолевые ленты, они мягкие и подвижные. После этого вводят определение силы тока.

С амперметром и правилами включения его в цепь надо ознакомить учащихся на лабораторной работе «Сборка электрической цепи и измерение силы тока на различных участках цепи». Особое внимание следует обратить на то, что сила тока во всех последовательно соединенных участках цепи одинакова.

Напряжение. Вольтметр. Напряжение относится к таким понятиям, которые с трудом воспринимают учащиеся на первой ступени. Как показывает опыт использования различных методических приемов, большинство учащихся не воспринимает сразу это понятие, они постепенно к нему «привыкают». Это факт, с которым приходится считаться. В настоящее время при введении понятия «напряжения» используют энергетический подход. Опираясь на знания учащихся о том, что чем больше сила тока в цепи, тем интенсивнее его действие, тем большую работу совершает ток и, следовательно, больше его мощность. Просят обратить внимание школьников на то, что при одной и той же силе тока в цепи лампа, включенная в городскую цепь, дает больше света, чем лампа от карманного фонаря.

Следовательно, накал электрической лампы зависит не только от силы тока, но и от другой физической величины — электрического напряжения. Электрическим напряжением называют величину, характеризующую электрическое поле и равную отношению работы поля по перемещению заряда к величине этого заряда. Единица напряжения «Вольт» вводится через единицу работы и заряда:

Урок на тему «Напряжение» очень трудный, здесь надо действовать больше убеждениями, чем доказательством. Полезно поработать с таблицей, предложенной в учебнике, где представлены напряжения различных источников Очень важно провести беседу по технике безопасности при работе с источниками напряжения Измерение напряжения вольтметром демонстрируют в классе, но навыки работы с вольтметром учащиеся должны приобрести на лабораторной работе «Измерение напряжения на различных участках цепи» Школьники должны хорошо усвоить, что вольтметр включают параллельно тому участку цепи, на котором измеряют напряжение Сопротивление. Закон Ома для участка цепи. Сначала устанавливают на опыте зависимость силы тока от напряжения. Для этого собирают цепь, состоящую из последовательно включенных источника тока, амперметра, спирали из никелевой проволоки, ключа и параллельно подсоединенного к спирали вольтметра Замыкают цепь и записывают показания приборов. Затем с помощью реостата меняют напряжение на концах проводника (на реостате не следует фиксировать внимание учащихся) Результаты опыта заносят в таблицу. Анализ результатов опыта показывает, что силы тока прямо пропорциональна напряжению на концах проводника Далее учащимся задают вопрос «Зависит ли сила тока от свойств проводника?» Демонстрируют опыт с двумя проводниками Для этого опыта можно использовать эталоны сопротивления, но нагляднее опыт получится с двумя линейными проводниками — никелиновым и железным Хорошо подобрать такие проводники, чтобы сопротивление одного было больше или меньше другого в два или три раза Напряжение на проводниках при этом поддерживают одинаково. Опыт показывает, что сила тока в цепи зависит не только от напряжения, но и от свойств проводника, содержащегося в цепи. Зависимость силы тока от свойств проводника объясняют тем, что различные проводники обладают различным сопротивлением — R. Таким образом, сопротивление проводника не определяют, а вводят описательно для дальнейшего изучения.

Наличие сопротивления у проводника следует объяснить на основе электронной теории. Затем вводят единицу сопротивления 1 Ом.

Далее переходят к рассмотрению закона Ома. Связь между напряжением и силой тока была уже установлена на опыте. Учащиеся узнают, что сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению на концах участка цепи (проводника). Обращают внимание ребят на это еще раз и подчеркивают, что сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению, если сопротивление участка цепи не меняется.

Затем на опыте демонстрируют зависимость силы тока от сопротивления участка цепи при постоянном напряжении на его концах.

Результаты опыта заносят в таблицу и по ним строят график. Затем делают вывод: при одинаковом напряжении на концах проводника сила тока обратно пропорциональна его сопротивлению. Установив зависимость силы тока от напряжения и сопротивления формулируют закон Ома.

На применение закона Ома в классе необходимо разобрать несколько примеров, решить простые задачи на определение силы тока, сопротивления, напряжения.

Далее ставят перед учащимися вопрос: «От чего и как зависит сопротивление проводника?» Основываясь на знании природы электрического сопротивления, школьники высказывают свои предложения. На основе анализа этих высказываний выдвигают гипотез, что сопротивление проводника должно зависеть от размеров и рода вещества, из которого он изготовлен. Эти предположения проверяют экспериментально.

Выводы делают на основе результатов измерений, занесенных в таблицу. Вводят понятие удельного сопротивления. Здесь рекомендуют отступить от единиц СИ, в которой удельное сопротивление — сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м². На практике обычно имеют дело с тонкими проводниками, поэтому за удельное сопротивление принимают сопротивление проводника длинной 1 м и сечением 1 мм². Формулу вводят в процессе обобщения результатов опыта.

Целесообразно тщательно рассмотреть таблицы удельных сопротивлений некоторых веществ и решить совместно с учащимися несколько примеров на расчет сопротивлений проводников.

Реостат — очень важный прибор, поэтому его устройство и включение в цепь нужно очень тщательно рассмотреть на уроке.

Внимание учащихся обращают на то, что для изготовления реостатов используют проволоку из материала с большим удельным сопротивлением. Восьмиклассники должны хорошо усвоить, что в паспорте реостата указано наибольшее его сопротивление и наибольшая сила тока. Превышение последней приводит к порче реостата. Подробнее ознакомление с работой реостата происходит на лабораторной работе «Регулирование силы тока реостатом» В классе необходимо разобрать пример решения задач на совместное применение формул и, а затем организовать самостоятельную работу учащихся по решению задач.

Соединение проводников в цепи. С последовательным и параллельным соединением проводников школьники уже встречались при ознакомлении с амперметром и вольтметром Целесообразно выяснить, помнят ли они правила включения этих приборов в цепь. Для этого предлагают им нарисовать схему электрической цепи, состоящей из источника тока, лампы, ключа, амперметра, вольтметра, измеряющего напряжение на лампе.

Последовательное и параллельное соединение проводников очень наглядно можно показать учащимся на сетевых электрических лампах. Для опытов необходимо иметь несколько ламп: четыре лампы с одинаковой мощностью 15−25 Вт и одну — две лампы мощностью 40−60 Вт. В начале опыта две одинаковые лампы включаются последовательно, а две «такие же» — параллельно. В цепи с последовательным соединением ламп выкручивают одну их них, цепь при этом размыкается и другая — гаснет. При выключении одной лампы в случает параллельного соединения другая лампа будет светить.

Мощность и работа электрического тока. При рассмотрении этого вопроса упор делают не на работу тока, а на его мощность. Это вызвано тем, что в паспорте электрических приборов, электродвигателей и генераторов в качестве одной из основных характеристик указана всегда мощность.

Учащимся известно, что мощность — физическая величина, численное значение которой равно работе, совершаемой за 1с. Для введения формулы мощности электрического тока вспоминают определение напряжения, и, записывая эту формулу в получают, учитывая, что получаем.

По мощности легко определить работу электрического тока за любой промежуток времени. Для этого учащимся напоминают определение мощности, записывают её математическое выражение, откуда получают формулу для расчета работы электрического тока:.

Единица работы тока — Джоуль: 1Дж = 1Вт1с = 1В1А1с. На практике используют и другие единицы работы: 1Втч=3600Дж; 1гВтч=360 000Дж и др.

Для измерения работы тока нужны три прибора: амперметр, вольтметр и часы. Эти приборы можно заменить одним — счетчиком электроэнергии. Изучение счетчиков не входит в программу, но учениками полезно дать домашнее задание по подсчету расходуемой энергии. На работу и мощность тока полезно решить в классе несколько практических задач, а некоторые примеры задать учащимся на дом.

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля — Ленца. Нагревание проводников электрическим током хорошо известно школьникам из их жизненного опыта, с этим явлением они уже встречались при изучении действия электрического тока В этом месте курса целесообразно рассказать о тех микропроцессах, в результате которых они нагреваются.

В СИ количество теплоты и работу измеряют в Джоулях, а для расчета количества теплоты, выделенную в проводнике, используют формулу: Q=IUt. Кроме этой формулы следует дать учащимся формулу, которая представляет собой математическое выражение закона Джоуля — Ленца.

С устройством нагревательных приборов и ламп накаливания учащиеся могут ознакомиться самостоятельно. При опросе необходимо показать им элементы нагревательных приборов и виды ламп накаливания, полезно при этом использовать и имеющиеся в кабинете наглядные таблицы. Целесообразно поручить отдельным учащимся подготовить доклад об истории развития электрического освещения.

Явление короткого замыкания целесообразно рассмотреть в классе на опыте и показать назначение предохранителей. Надо предупредить школьников, что пользоваться самодельными предохранителями нельзя, так как это может привести к нагреву проводов и к пожару.