|
Выберите, пожалуйста, |
Описание программы provod
ИНСТРУКЦИЯ
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.
|