Изучение физики в школе. Обучающие программы.

Выберите, пожалуйста,
интересующую Вас тему:

Введение

Атомная физика

Электромагнетизм

Механика

Теплота и молекулярная физика

Волны

Оптика

Теория относительности

Колебания

Астрономия

>> Электромагнетизм

Описание программы provod

Скачать эту программу 33 Kb

                           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.