Электрический ток в металлах сверхпроводимость конспект урока

Обновлено: 05.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Электрический ток в металлах. Сверхпроводимость.

Цель урока: Подвести учащихся к самостоятельному названию темы урока. Объяснить что такое электрический ток в металле, сверхпроводимость, зависимость удельного сопротивления металлов от температуры. Закрепить решением задач и тестами.

Развивающая цель: Формирование Знаний учащихся на основе объяснения нового материала и закрепление тестами

Воспитательная цель: развитие внимательности учащихся.

Этап повторение

Соберите правильное определение (2мин.)

Заряженные частицы, которые могли свободно перемещаться в данной среде.

Упорядочное движение электрических заряженных частиц.

Закон Ома для участка цепи.

Сопротивление проводника зависит от …

длины, площади и удельного сопротивления.

Сила тока прямопропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Свободные носители тока.

(максимальная оценка 4 балла)

Отметить знаком(+) верные выражения. (2мин)

R= pl/s 3) u=A*q 5)Q=I*R*t

I=t/q 4)I=u/R 6)Q=I*I*Rt

(За каждый верный ответ по 1 баллу.)

3.Этап объяснение (20 мин.)

1 Просмотр отрывка фильма

Опыт Т. Стюарта и Р. Толмена

Ведется постепенный переход от опыта к названию темы ( в этот момент записываем название урока)

Друде и Лоренц создали классическую теорию электропроводности металлов.

Основные положения этой теории

1.Хорошая электропроводимость металлов объясняется наличием в них большого числа электронов.

2.Под действием внешнего электрического поля накладывается упорядочное движение электронов, т.е. возникает электрический ток (просмотр отрывка Фильма)

3.Сила тока находится по формуле

(показать слайд вывода формулы)

4.Так как внутреннее строение у разных веществ различное, то и сопротивление тоже различное.

При прохождении тока в веществе всегда происходит увеличение его внутренней энергии и количество теплоты находится по закону Джоуля-Ленца.

У всех металлов с увеличением температуры растет и сопротивление , потому что с ростом сопротивления возрастает интенсивность теплового движения электронов, а вместе с ним возрастает число столкновений друг с другом.

Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры выглядит так:

Т.к. R = pl / S , то R = R ₀(1+ αt )

α-температурный коэффициент (разбирается физический смысл)

(показать график зависимости)

1.Кто открыл и когда?

3.Показать графики зависимости

При этом учащиеся записывают краткий конспект формул и определений

На доске решают задачи и записывают домашнее задание (10+3 мин)

На какое расстояние переместятся электроны по медному проводнику сечением 4 мм при силе тока 10 А за 5с?Концентрация электронов равна5*10 м.

Сопротивление длинного стального провода при 20 ̊с равно 0,02Ом. Каким будет его сопротивление при 120 ̊с Температурный коэффициент стали 0,006 к

3 этап Закрепление

Задание 4 (2 мин)

Аукцион формул и определений( записывают на обратной стороне анкеты)

Проецируется на экран результаты баллов

От 1 до 3 -1балл

От 10 и более 4 балла

Задание 5 Выполнение тестов (5 мин.)

Правильные ответы проецируются на доску

Все результаты оцениваются в результате самопроверки

Итоговое количество баллов

1.Какие частицы свободно перемещаются в металлическом проводнике?

в) положительные ионы

г) отрицательные ионы

2.Сила электрического тока идущего по проводнику зависит от:

3.Зависимость удельного сопротивления проводника от температуры

4.Как называется явление, когда при низких температурах сопр o тивление скачком падает до нуля.

5.Так как внутреннее строение у различных веществ разное, то и сопротивление тоже разное с чем это связано

А)расположением ионов в кристаллической решетке

Б)концентрацией свободных электронов

В)расположением ионов и концентрацией

Д)с числом частиц

6. Найти скорость упорядочного движения электронов в проводе сечением 5 при силе тока 10 А, если концентрация электронов проводимости 5 *

7) Кто открыл явление сверхпроводимости?

Провела учитель физики:

подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
по всем предметам 1-11 классов

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Курс повышения квалификации

Инструменты онлайн-обучения на примере программ Zoom, Skype, Microsoft Teams, Bandicam

Курс добавлен 31.01.2022
Сейчас обучается 24 человека из 17 регионов

Курс повышения квалификации

Педагогическая деятельность в контексте профессионального стандарта педагога и ФГОС

ЗП до 91 000 руб.
Гибкий график
Удаленная работа

Дистанционные курсы для педагогов

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

5 611 314 материалов в базе

Самые массовые международные дистанционные

Школьные Инфоконкурсы 2022

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Другие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

09.01.2016 4049
DOCX 23.5 кбайт
21 скачивание
Оцените материал:

Настоящий материал опубликован пользователем Ходакова Елена Сергеевна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Автор материала

40%

Подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
Для учеников 1-11 классов

Московский институт профессиональной
переподготовки и повышения
квалификации педагогов

Дистанционные курсы
для педагогов

663 курса от 690 рублей

Выбрать курс со скидкой

Выдаём документы
установленного образца!

Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки

Время чтения: 11 минут

Академическая стипендия для вузов в 2023 году вырастет до 1 825 рублей

Время чтения: 1 минута

Минпросвещения России подготовит учителей для обучения детей из Донбасса

Время чтения: 1 минута

Время чтения: 2 минуты

Рособрнадзор предложил дать возможность детям из ДНР и ЛНР поступать в вузы без сдачи ЕГЭ

Время чтения: 1 минута

Время чтения: 2 минуты

Отчисленные за рубежом студенты смогут бесплатно учиться в России

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Цель урока: Выяснить физическую природу электрического тока в металлах. Раскрыть понятие сверхпроводимости и ее применение на практике. Развивать мышление учащихся, умение четко формулировать свою мысль. Воспитывать любовь к изучению предмета, любознательность.

Тип урока: изучение нового материала.

Актуализация опорных знаний. (3 мин)

Изучение нового материала: (25 мин)

Электрическая проводимость металлов.

Причина возникновения сопротивления.

Зависимость сопротивления от температуры.

4. Демонстрации (по ходу изучения материала) (5 мин)

1. Проводимость тока металлами.

2. Зависимость сопротивления проводника от температуры.

5. Обобщение. Оценивание работы учащихся на уроке. Рефлексия. (3 мин)

6. Домашнее задание. (2 мин)

І. Организационный момент.

ІІ. Проверка домашнего задания.

Работа учащихся у доски по вопросам:

Работа электрического тока.

Мощность электрического тока.

Работа с классом по вопросам:

Работа тока измеряется в ваттах. (В джоулях)

Мощность тока измеряется в амперах. (В ваттах)

Количество теплоты, выделяемое проводником измеряется в джоулях (Да)

(Нет)

(Да)

(Нет)

ІІІ. Мотивация учебной деятельности.

Слово учителя

Я ещё не устал удивляться

Чудесам, что есть на Земле:

Телевизору, голосу раций,

Вентилятору на столе.

Самолёты летят сквозь тучи,

Ходят по морю корабли.

Как до этих вещей могучих

Домечтаться люди могли?

Я вверяю себя трамваю,

Я гляжу на экран кино.

Эту технику понимания,

Изумляюсь ей все равно.

Ток по проволоке струится,

Спутник ходит по небесам -

Человеку стоит дивиться

V. Актуализация опорных знаний.

Что называют электрическим током?

Каковы условия существования тока в проводнике?

Из чего состоят металлы?

Что происходит с повышением температуры со скоростью движения частиц вещества? А с понижением?

VІ. Изучение нового материала.

1. Электрическая проводимость металлов.

Слово учителя

Электрический ток могут проводить жидкости и твердые вещества, а при определенных условиях и газы. Изучение тока в различных средах мы начнем с тока в металлах. Во-первых, потому что все без исключения металлы проводят электрический ток, а во-вторых, именно с проводимостью металлов связано широкое применение электроэнергии в жизни человека. (Демонстрация: проводимость тока металлами).

Из курса химии вам известно, что валентные электроны в металлах легко покидают свой атом и становятся свободными. В результате в узлах кристаллической решетки металла остаются положительные ионы.

Если в проводнике создать электрическое поле, то электроны начинают двигаться в сторону положительного полюса источника тока. Движение электронов становится направленным – в металле возникает электрический ток.

2. Причина возникновения сопротивления.

Мы знаем, что металлы состоят из узлов кристаллической решетки, между которых движутся электроны. Узлы кристаллической решетки постоянно колеблются, что мешает электронам добраться из одного конца проводника до другого. Электроны, обладающие кинетической энергией, будут врезаться в узлы, при этом будет повышаться внутренняя энергия проводника, что приведет к повышению температуры (когда мы будем бить молотком по гвоздю, лежащем на наковальне, его температура увеличивается). Следовательно, скорость колебательных движений узлов будет увеличиваться, а значит, что шанс узла столкнуться с электроном будет возрастать. Таким образом, в проводнике будет увеличиваться сопротивление.

3. Зависимость сопротивления от температуры.

(Демонстрация: зависимость сопротивления проводника от температуры).

Какие выводы мы можем сделать из увиденного?

(ответы учащихся)

При повышении температуры сопротивление проводников увеличивается.

Сила тока тоже уменьшалась, и даже в большей мере. Следовательно, зависимость сопротивления от температуры у каждых веществ разная.

Зная, как зависит сопротивление проводника от температуры, можно, измерив, сопротивление проводника, определить его температуру. Этот факт положен в основу работы термометров сопротивления. На практике шкалу данного прибора, как правило, градуируют в единицах температуры.

4. Сверхпроводимость.

В 1911 г. голландский ученый Гейке Камерлинг-Оннес, измеряя сопротивление ртути при низких температурах, обнаружил резкое его падение до нуля при абсолютной температуре 4,2 К. Открытое им явление Камерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью.

Сверхпроводимость – это явление потери сопротивления металлов при температуре близкой к абсолютному нулю (-273 С).

Это означает, что если сделать кольцо из сверхпроводника и навести в нем ток, то он сможет циркулировать по кольцу сколько угодно долго, при этом кольцо будет парить в воздухе. В одном из экспериментов такого рода, выполненном в Англии, ток циркулировал по кольцу более двух лет, причем даже самые чувствительные приборы не смогли зарегистрировать никакого уменьшения величины самого тока по истечению указанного времени. Любопытно, что этот эксперимент был прерван через два года, а не был продолжен па более длительный промежуток времени из-за забастовки транспортных рабочих, в результате чего оказалось невозможной очередная подливка жидкого гелия в криостат. Оставшийся в криостате гелий выкипел, сверхпроводник отогрелся до комнатной температуры, перешел в нормальное состояние с конечным сопротивлением, и, естественно, ток в кольце сразу же затух и кольцо упало.

Ребята, эта информация и рисунок вам ничего не напоминает?

Открытие сверхпроводимости оказалось возможным лишь благодаря выдающемуся технологическому достижению – ожижению гелия. При атмосферном давлении кипит при температуре всего на 4,2 К выше абсолютного нуля. Именно поэтому ожижение гелия позволило физикам вступить в новую область – физику гелиевых температур. Не случайно, что именно Камерлинг-Оннес, впервые получивший жидкий гелий, открыл сверхпроводимость – для этого были необходимы исключительно низкие температуры.

Явление сверхпроводимости долго оставалось загадочным – только в 1957 г. оно получило теоретическое объяснение в работах американских ученых Дж. Бардина, Л. Купера и Дж. Шриффера (теория БКШ), а также советского ученого Н. Н. Боголюбова. С этого времени начинается новый этап в изучении сверхпроводников. С одной стороны, развитие теории дало возможность исчерпывающим образом описать все основные экспериментальные данные в физике сверхпроводников, предсказать много новых эффектов. С другой стороны, было создано большое число новых сверхпроводящих материалов, важных с практической точки зрения.

Использование этих материалов позволило получать сверхсильные магнитные поля (для установок термоядерного синтеза, МГД-генераторов, ускорителей элементарных частиц), создать новый тип электрических машин с высоким КПД, сверхпроводящие кабели, работающие без потерь, создать левитационный транспорт.

VІІ. Обобщение и закрепление материала

1. Опишите характер движения электронов в металлах при отсутствии электрического поля? При наличии электрического поля?

2. Что представляет собой электрический ток в металлах?

3. Какова причина сопротивления металлов?

4. Зависит ли сопротивление металлов от температуры? Как?

5. В чем заключается явление сверхпроводимости?

VІІІ. Оценивание работы учащихся

Вспомните свои ожидания от урока и закончите фразу:

- Я считаю, ожидаемые результаты достигнуты, потому что…

- К сожалению, мои ожидания не оправдались, потому что…

Х. Домашнее задание.

Параграф 18 выучить, вопросы после параграфа письменно, мини-доклад о сверхпроводимости.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси (1913 г.). В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.

Вложение	Размер
tok_v_metallah.docx	47.19 КБ

Предварительный просмотр:

. Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1.12.1. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e действует тормозящая сила которая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения. Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью Eст поля сторонних сил:

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.

Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основе гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 1.12.2).

Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер. Высота этого барьера называется работой выхода. При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера.

Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории. При комнатной температуре она оказывается примерно равной 105 м/с.

Малая скорость дрейфа на противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью c = 3·108 м/с. Через время порядка l / с (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.

В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость.

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.

Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении произошел в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения Tкр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью. В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями Tкр. Ученые надеятся получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей.

Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

Урок преднапзаначен для аудитории 10 класса, первый урок в разделе электричекий ток в различных средах. используются оценивающие листы, взаимопроверка и тесты на закркпление.

Содержимое разработки

Электрический ток в металлах. Сверхпроводимость.

Развивающая цель: Формирование Знаний учащихся на основе объяснения нового материала и закрепление тестами

Воспитательная цель: развитие внимательности учащихся.

Этап повторение

Соберите правильное определение (2мин.)

Заряженные частицы, которые могли свободно перемещаться в данной среде.

Упорядочное движение электрических заряженных частиц.

Закон Ома для участка цепи.

Сопротивление проводника зависит от …

длины, площади и удельного сопротивления.

Сила тока прямопропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Свободные носители тока.

(максимальная оценка 4 балла)

Отметить знаком(+) верные выражения. (2мин)

R= pl/s 3) u=A*q 5)Q=I*R*t

I=t/q 4)I=u/R 6)Q=I*I*R*t

(За каждый верный ответ по 1 баллу.)

3.Этап объяснение (20 мин.)

1 Просмотр отрывка фильма

Опыт Т. Стюарта и Р. Толмена

Ведется постепенный переход от опыта к названию темы ( в этот момент записываем название урока)

Друде и Лоренц создали классическую теорию электропроводности металлов.

Основные положения этой теории

1.Хорошая электропроводимость металлов объясняется наличием в них большого числа электронов.

3.Сила тока находится по формуле

(показать слайд вывода формулы)

4.Так как внутреннее строение у разных веществ различное, то и сопротивление тоже различное.

Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры выглядит так:

Т.к. R=pl/S , то R=R₀(1+αt)

α-температурный коэффициент (разбирается физический смысл)

(показать график зависимости)

1.Кто открыл и когда?

3.Показать графики зависимости

При этом учащиеся записывают краткий конспект формул и определений

На доске решают задачи и записывают домашнее задание (10+3 мин)

3 этап Закрепление

Задание 4 (2 мин)

Аукцион формул и определений( записывают на обратной стороне анкеты)

Читайте также: