Выберите, пожалуйста, |
Описание программы provodИНСТРУКЦИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ПРОГРАММЕ provod. Программа предназначена для того, чтобы учитель мог наглядно объяснить, что из себя представляет металлический проводник с точки зрения классической электронной теории, а также что такое термоэлектронная эмиссия и электрический ток в таком проводнике. Возможны два режима работы: 1) Иллюстрация проводника во внешнем электрическом поле; 2) Схеме участка проводника в электрической цепи. Второй режим рекомендуется применять при изучении электричес- кого тока в восьмом и в десятом классах средней школы. Как его реализовать - понятно из меню, которое появляется в начале работы программы (следует нажать клавишу "z"). После того появится тре- бование ввести температуру проводника, выраженную в кельвинах. Введем температуру, например, 300 К. На экране появится незамкну- тая электрическая цепь, причем верхний участок проводника предс- тавлен в увеличенном схематическом виде. Можно наблюдать, что ос- нову металлического проводника составляет кристаллическая решет- ка, состоящая из положительных ионов, изображенных шариками крас- ного цвета. Между ионами хаотически движутся электроны, представ- ленные голубыми шариками. Ионы тоже не остаются в покое: они ко- леблются около своих положений равновесия. Подчеркиваем, что при таком характере движения частиц отсутствует макроскопический пе- ренос заряда в каком либо выделенном направлении. В нижней части экрана приведена инструкция по управлению кар- тинкой. Если, в согласии с нею, нажать клавишу "s", то можно из- менить температуру проводника. Видно, что при повышении темпера- туры увеличивается интенсивность колебательного движения ионов и хаотического - электронов. При изучении электрического тока желательно вернуться к не очень высокой температуре (в противном случае детям трудно будет следить за движением электронов). Чтобы пошел ток, надо замкнуть цепь, создать в проводнике электрическое поле.Для этого введем значение напряжения источника тока из предлагаемых в меню. Заме- чаем, что наряду с продолжающимся хаотическим движением электро- нов они приобретут еще и направленное движение (так называе- мый "дрейф") - от"-" к "+" источника. Нажав клавишу "с", выделим один из электронов цветом для облегчения наблюдения за ним. Ста- новится очевидным, что, участвуя быстром хаотическом (тепловом) движении, этот электрон очень медленно смещается к правому (по рисунку) концу изучаемого проводника. Следует указать учащимся, что на самом деле разница в скоростях теплового движения и дрейфа значительно больше, чем на предлагаемой модели (согласно класси- ческой теории Лоренца-Друде, первая порядка сотен километров в секунду, вторая - при практически используемых токах - доли мил- лиметров в секунду). Если изменить напряжение (как указано в ме- ню), то заметно изменение величины скорости дрейфа. Для количест- венной оценки можно предложить ученикам измерить время перемеще- ния выделенного электрона от левого конца изучаемого участка про- водника до его правого конца - при разных напряжениях. Учитывая статистический характер полученных результатов, приходим к закону Ома для участка цепи. Рассмотрим теперь работу с программой при изучении в десятом классе электростатики во время урока на тему "Проводники в элект- рическом поле". В этом случае в начальном меню реализуем нужный нам режим клавишей "s". Пользователю предлагается ввести два па- раметра: температуру проводника в кельвинах и напряженность внеш- него электрического поля. После ввода на экране появляется схема прямоугольного куска металлического проводника (его описание при- ведено выше); слева расположена отрицательно заряженная пластина конденсатора, а справа - пластина, имеющая противоположный заряд. Силовые линии поля конденсатора изображены стрелками белого цве- та. Видно, что под действием этого поля часть электронов сместит- ся на правую поверхность проводника, образовав поверхностный от- рицательный заряд. Противоположный поверхностный заряд возникнет на левой поверхности проводника, поскольку там окажется некомпен- сированный электронами заряд положительных ионов. Между поверхностными зарядами внутри проводника возникнет собственное электрическое поле (изображено зелеными стрелками), направленное от положительного поверхностного заряда к отрица- тельному - то есть против внешнего поля. Оно стремится препятс- твовать уходу электронов на правую поверхность проводника, то есть разделению зарядов. Однако, пока внешнее поле сильнее, на- растание поверхностных зарядов будет продолжаться, что приводит к увеличению внутреннего поля. Процесс станет продолжаться, пока напряженности внешнего и внутреннего полей сравняются по величи- не. Такое уравнивание полей происходит практически мгновенно, по- этому на экране изображен конечный результат - когда поля сравня- лись по величине, компенсировали друг друга - результирующее поле внутри проводника равно нулю, и дальнейшее разделение зарядов прекратилось. Нажав пробел, мы можем векторно сложить напряжен- ности полей и увидеть, что поле сохранилось лишь вне проводника (в программе рассматривается случай, когда конденсатор, создающий поле, уединен). Заметны противоположные по знаку и равные по ве- личине поверхностные заряды, расположенные на участках проводни- ка, обращенных к пластинам конденсатора. Нажав клавишу "s", мы имеем возможность изменить температуру проводника и напряженность внешнего электрического поля. Можно наблюдать, как с ростом внешнего поля увеличивается разделение зарядов на поверхностях проводника. Последнее приводит увеличению внутреннего поля (связанного с поверхностными зарядами) на такую величину, что суммарное поле внутри проводника всегда остается равным нулю. Отметим, что любом объеме в н у т р и проводника отсутствует не только поле, но и некомпенсированные заряды. Позже, когда в десятом классе изучается тема "Ток в различных средах", рекомендуется еще раз вернуться к программе provdnk, обратив внимание на следующий факт: при температуре порядка 1500 К скорости теплового движения электронов становятся настоль- ко велики, что некоторые из них, преодолевая притяжение ионов, вылетают из проводника, образуя у его поверхности электронное об- лако. При этом часть электронов облака постоянно возвращается об- ратно в металл, а на смену им вылетают другие - наступает динами- ческое равновесие. Повышая температуру мы сдвигаем равновесие в сторону увеличения облака электронов, покинувших металл. Такое явление называется термоэлектронной эмиссией; оно используется при работе электровакуумных приборов. |