распределения энергии по степеням свободы этому же закону подчиняется и
электронный газ.
Классическая электронная теория хорошо объясняет существование
сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля-Ленца – зависимость
электропроводимости от температуры и позволяют понять связь теплоты и
электропроводимости металлов.
Однако в некоторых случаях классическая теория приводит к выводам
находящихся в противореции с опытом, например, согласно этой теории
удельное сопротивление с ростом температуры должно возрастать
пропорционально корню из Т. Опыт подтверждает прямую пропорциональную
зависимость [pic]. В классической электронной теории теплоемкость металлов
и явление сверхпроводимости совершенно не объяснимы.
Трудности классической электронной теории связаны с тем, что:
а) электронная проводимость не подчиняется законам статики Максвелла-
Больцмана;
б) не учитывается взаимодействие друг с другом;
в) не учитывается, что электрон движется в периодическом поле
кристаллической решетки;
г) движение электронов описывается по законам классической механики, а не
по законам квантовой механики.
На смену классической электронной теории пришла квантовая теория твердых
тел, в которой преодолены трудности классической теории.
Необходимо отметить, что классическую электронную теорию применяют и
сейчас, т.к. она проста и наглядна, а при малых концентрациях носителей
заряда и больших температурах квантовая и классическая теории дают близкие
результаты.
Качественное объяснение некоторых вопросов уже давалось в 8 кл. В 10 классе
этим не ограничиваются, необходимо ввести важные для понимания материала
формулы.
Следует обратить внимание учащихся на:
1) когда и зачем создана эта теория; 2) основные положения и модельные
представления; 3) применение классической электронной теории (какие явления
и факты объясняются данной теорией); 4) трудности классической электронной
теории и причины их возникновения; 5) задачи классической ЭТ.
Электронная проводимость металла была доказана следующими фундаментальными
опытами: Опыт Ринке: В точ. через проводник, состоящий из Cu-Al-Cu
пропустили ток, за это время состав составной проводник прошел огромный
заряд 3,5 106Кл, следовательно переноса вещества не наблюдалось, масса
осталась неизменной, соприкасающиеся поверхности не изменились. Вывод –
перенос заряда в металлах осуществляется частицами, входящими в состав всех
металлов (электроны).
Предлагается школьникам задача: какое изменение произойдет если бы ток
представлял собой движение ионов?
В опытах Мандельштама и Папалекси, Стюарта, Толмена лежала следующая идея –
регистрация инерционного движения электронов.
Закон Ома для участка цепи выводится на основе опыта.
Скорость распространения электрического тока в проводниках – это скорость с
которой распространяется действие электрического поля на заряды в
проводнике. Поле почти мгновенно увлекает электроны в упорядоченное и очень
медленное движение доли мм/сек.
В 10 классе показывают, что средняя скорость упорядоченного движения
электронов под действием электрического поля определяет силу тока в
проводнике.
Пусть проводник имеет поперечное сечение площадью S, за положительное
направление принимают движение слева на право.
Обозначим заряд каждой частицы через q0. Общий заряд, проходящий через
поперечное сечение равно: [pic].
Если частица движется слева на право со средней скоростью V, то за время
дельта t все чстицы, заключающеся в рассмотрении объема пройдут через
поперечное сечение. [pic].
Закон Ома для полной цепи.
Любая замкнутая электрическая цепь состоит из внешних и внутренних
участков, и внешних и внутренних сопротивлений.
Для поддержания в цепи электрического тока в течение длительного времени
необходим источник, внутри которого непрерывно происходило бы разделение
электрических зарядов. В результате чего между полюсами источников
поддерживалась бы разность потенциалов.
ЭДС называют скалярную физическую величину, являющуюся энергетической
характеристикой источника тока.
ЭДС равна отношению работы, совершаемой сторонними силами при перемещении
электрического заряда по замкнутой цепи к этому заряду. E=Aст/q.
Силы в результате действия которых в источнике ток происходят разделения
зарядов, принято называть сторонними.
При выводе закона Ома для замкнутой цепи можно использовать различные
методические подходы:
1) при перемещении по цепи заряда q сторонние силы в источнике совершают
работу A=qE. При движении заряда на внешнем участке цепи преобразуется
энергия стационарного поля, созданного и поддерживаемого источником
Aвнеш=qU, U - напряженность на внешнем участке. На внутреннем A2=qUвн.
A=A1+A2, qE=qU+qUвн, E=U+Uвн, U=IR, Uвн=Ir, E=Ir+Ir=I(R+r) или I=E/(R+r)
Таким образом сила тока в цепи равна отношению Еист к сумме сопротивлений
цепи.
2) Рассматривается та же цепь. За время дельта t через поперечное сечение
проводника пройдет электрический заряд дельта q. Работа сторонних сил по
перемещению заряда Аст=Е?q=EI?t.
При совершении этой работы на внутренних и внешних участках цепи,
сопротивление которых r и R выделяется некоторое количество теплоты
[pic], согласно закону сохранения энергии Аст=Q, следовательно I=E/(R+r).
При R стремящимся к нулю, получается короткое замыкание, т.к. r мало.
Здесь изучается последовательное и параллельное соединение потребителей:
U=U1+U2, Rоб=R1+R2. При параллельном соединении I=I1+I2, 1/Rоб=1/R1+1/R2.
В конце изучается работа и мощность тока, закон Джоуля-Ленца – количество
теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока по проводнику
пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению и времени прохождения
тока через проводник: [pic].
20. Электромагнитные волны и методика их изучения.
Изучение понятия электромагнитных волн начинается с рассмотрения
взаимосвязи переменных электрических и магнитных полей.
Электромагнитная волна – процесс распространения электромагнитный полей в
пространстве с конечной скоростью.
Существование электромагнитных волн предсказал в 1832 году Фарадей, а в
1865 г. Максвелл теоретически показал, что электромагнитное поле должно
распространятся в вакууме со скоростью света.
Изучение электромагнитных волн проводят на качественном уровне, сообщая
школьникам основные выводы из теории и экспериментальные факты, применяя
модельные представления, графики и другие средства, обеспечивающие
наглядность при изучении этого сложного материала.
Важно подчеркнуть, что теоретическое представление Максвелла о
существовании электромагнитных волн было экспериментально подтверждено
Герцем в 1888г., это сыграло важную роль в утверждении теории Максвелла.
В электромагнитной волне вектор E и B перпендикулярны друг другу, и лежат в
плоскости перпендикулярной к направлению распространения волны. Это дает
возможность утверждать, что электромагнитные волны поперечны.
Векторы E и B колеблются в одинаковой фазе, т.е. одновременно превращаются
в ноль и одновременно достигают максимума. Это дает возможность изобразить
графики изменения E и B в направлении распространения волны, показать
направление скорости.
Совпадения скорости электромагнитной волны со скоростью света дало
Максвеллу возможность предположить, что свет имеет электромагнитную
природу. Это подтвердилось и благодаря этому в истории науки произошло
объединение оптики и электромагнетизма в одно учение.
При начальном объяснении образования и распространения волн надо исходить
из того, что изучено. Можно предположить процесс распространения
электромагнитного поля, т.е. образование электромагнитных волн в свободном
пространстве.
Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны переносят энергию.
Энергия, переносимая волной количественно характеризуется вектором
плотности потока энергии (вектора Умова-Пойтинга). В школе ограничиваются
констатацией факта переноса волной энергии в направлении распространения
волны, а также выводом, что электромагнитная волна должна обладать
импульсом и благодаря этому оказывать давление на тела.
При раскрытии процесса излучения электромагнитных волн идут одним из
следующих путей: 1. Рассмотрения электромагнитных колебаний, которые
возникают в колебательном контуре. 2. Рассмотрения недостатков закрытого
колебательного контура, как излучателя и постепенного изменения
электроемкости конденсатора и индуктивности катушки, переходят к открытому
колебательному контуру – вибратору.
Для получения электромагнитных волн Герц использовал устройство, которое
назвал вибратором Герца.
[pic]
Для возбуждения колебаний в нем поступают так: провод разделяют по средине
так, чтобы остался небольшой промежуток, называемый искровым. Обе части
провода заряжаются до высокой разницы потенциалов. Когда разность
потенциалов превышает некоторое предельное значение, проскакивает искра и в
открытом колебательном контуре возникает потенциал. Поля в открытом
колебательном контуре затухают по двум причинам: 1) в следствие наличия у
контура активного сопротивления; 2) вибратор излучает электромагнитные
волны и теряет энергию.
Когда колебания прекращаются, оба проводника вновь заряжают от источника до
наступления пробоя искрового промежутка и все повторяется.
Свойства электромагнитных волн:
Для электромагнитных волн характерны явления отражения, преломления,
интерференции, дифракции, поляризации. Все эти свойства должны быть
продемонстрированы в средней школе для последующего изучения этих явлений
при изучении световых волн.
С помощью генератора с длиной волны 3 см демонстрируют опыты, знакомящие
учащихся со свойствами электромагнитных волн.
Явление интерференции помогает выявить волновой характер процесса. Кроме
того интерференция находит широкое практическое применение. О свойствах
волн приходится судить по косвенным проявлениям, что очень ложно для
начального знакомства с интерференцией.
В начале следует ознакомить с явлением интерференции на примерах упругих
волн, волн на воде, а затем перейти к интерференции самих электромагнитных
волн.
Знакомство с интерференцией начинают с принципа суперпозиций – волны от
разных источников распространяются не зависимо друг от друга.
Обращают внимание на картину в волновой ванне при наложении волн от двух
вибраторов.
Вводят понятие когерентных источников – источников колебаний одинаковой
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
