Урок в 8 классе.
Тема урока: Электризация тел. Два рода зарядов. Взаимодействие заряженных тел. Электроскоп. Проводники и непроводники электричества.
Цели урока:
образовательные:
- формирование первоначальных представлений об электрическом заряде, о взаимодействии заряженных тел, о существовании двух видов электрических зарядов; выяснение сущности процесса электризации тел.
развивающие:
воспитательные:
Оборудование:
электроскоп, электрометры, гильза из фольги на подставке стеклянная и эбонитовая палочки, кусок меха и щелка, мультимедийный проектор, ноутбук.План урока
I. Организационный момент.
II. Объяснение нового материала.
III. Запись домашнего задания.
IV. Закрепление изученного материала.
V. Подведение итогов. Выставление оценок.
I. Организационный момент.
Ребята, посмотрели друг на друга. Пожелали друг другу хорошего настроения.
II. Объяснение нового материала:Учитель
Еще в древности люди обратили внимание на то, что потертый шерстью кусочек янтаря начинает притягивать к себе различные мелкие предметы: пылинки, ниточки и тому подобное.
Демонстрация
Вы сами можете легко убедиться, что эбонитовая палочка, потертая о шерсть, начинает притягивать небольшие кусочки бумаги, листочки фольги. Расческа потертая о волосы также притягивает мелкие листочки бумаги.
Как объяснить что происходит? Почему эбонитовая палочка потертая о шерсть притягивает к себе листочки фольги?
Сегодня на уроке мы с вами выясним сущность данного явления и постараемся его объяснить.
Запишите пожалуйста тему урока
Слайд1
Электризация тел. Два рода зарядов. Взаимодействие заряженных тел. Электроскоп. Проводники и непроводники электричества.
Слайд 2
Учащимся предлагается план урока
Сообщение ученика
Наука об электрических явлениях зародилась еще до нашей эры, начавшись с наблюдения за электрическими свойствами янтаря. В отличие от механики – науки о движении, давлении, равновесии, наука об электричестве до VI века так и оставалась в зачаточном "янтарном" состоянии. Крупный шаг вперед в изучении электрических явлений после древних греков сделал английский врач У.Гильберт (1540–1603). Он установил, что свойство притягивать легкие предметы после натирания, кроме янтаря, приобретают также и алмаз, сапфир, аметист, горный хрусталь, сера, смола и некоторые другие тела. Гильберт их назвал "электрическими", то есть "подобными янтарю". Все прочие тела, в первую очередь металлы, которые не обнаруживали таких свойств, он назвал "неэлектрическими". Так в науку вошел термин "электричество", и было положено начало систематическому изучению электрических явлений. Следующий шаг в изучении электрических явлений был сделан бургомистром немецкого города Магдебурга Отто фон Герике (1602–1686). Он сконструировал первую электрическую машину, представлявшую собой большой шар из серы, вращавшийся на железной оси. При натирании шара ладонью он сильно электризовался и мог электризовать другие тела. Используя свою машину, Герике впервые наблюдал отталкивание наэлектризованных тел и слышал треск электрических искр. С начала XVIII века электрическими экспериментами увлекаются члены Лондонского Королевского научного общества. Они наблюдают электрическое притяжение не только в воздухе, но и в вакууме, изучают возникновение электрических искр, открывают явление электропроводности и указывают, что для сохранения заряда тела оно должно быть изолировано от других тел. В 1733 году француз Ш. Дюфэ впервые устанавливает существование двух родов зарядов – положительного и отрицательного (прежде заряды тел считали отличающимися лишь по величине). С середины XVIII века электрические опыты проводились в светских салонах и королевских дворцах, на заседаниях ученых обществ и в частных домах.
Учитель
Итак, что мы наблюдали?
Это явление называется электризацией , а силы, действующие при этом – электрическими силами .
Слово электризация происходят от греческого слова " электрон" , что означает " янтарь" . При трении расчески о волосы или эбонитовой палочки о шерсть предметы заряжаются , на них образуются электрические заряды .
Заряженные тела взаимодействуют друг с другом и между ними возникают электрические силы. Электризоваться трением могут не только твердые тела, но и жидкости, и даже газы.
Таким образом, электризация – физическое явление.Существует два разных рода электрических зарядов. Условно они названы " положительным" зарядом и " отрицательным" зарядом.
Тела при электризации могут заряжаться как положительно, так и отрицательно
Положительно заряженными
называют тела, которые действуют на другие заряженные предметы так же, как стекло, наэлектризованное трением о шелк.Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные предметы так же, как эбонит, наэлектризованный трением о шерсть.
Вывод : Основное свойство заряженных тел и частиц: одноименно заряженные тела и частицы отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются.
Электризуя разные тела, легко заметить, что сила взаимодействия между ними может быть различной: больше или меньше. В физике это объясняют тем, что заряд тела может быть большим или маленьким. Следовательно, заряд – физическая величина. Единицей измерения заряда служит 1 кулон. (1Кл)
Рис 1
- Строение электроскопа представляет ученик
Для обнаружения наэлектризованных тел служат специальные приборы – электроскопы или электрометры
Электроскоп имеет цилиндрический корпус (1) , который закрыт стеклом (2). Внутрь прибора вставлен металлический стержень (3) с легкоподвижными лепестками (4). От металлического корпуса прибора стержень отделен пластмассовой втулкой (5). Если выступающей части стержня коснуться каким-нибудь наэлектризованным телом, то лепестки отклонятся друг от друга.
Электроскоп
– прибор для обнаружения наэлектризованных тел. Принцип его действия основан на отталкивании одноименно заряженных тел.Демонстрация
Пусть левый электроскоп заряжен, а правый – нет. Соединим электроскопы проволокой. Мы увидим, что заряд поровну распределится между приборами. Убрав проволоку и коснувшись правого электроскопа рукой, мы заставим его заряд перейти внутрь нашего тела. После этого опять соединим электроскопы проволокой. Так можно поступать сотни раз: заряд будет делиться на все более мелкие части.
Однако американский физик Р.Милликен опытами установил, что заряд любого тела можно делить не бесконечно.
Существует наименьшая порция заряда – элементарный заряд: 1,6·10 -19 Кл. Заряд никакого тела не может быть меньше этой величины.Электрический заряд-это мера свойств заряженных тел определенным образом взаимодействовать друг с другом
Учитель
Так что же такое электризация?
Наэлектризуем эбонитовую палочку шерстяной варежкой, а стеклянную палочку – шелковым платком. Подвесив палочки на нитях, увидим, что эбонит и шерсть, стекло и шелк притягивают друг друга, а стекло и шерсть, эбонит и шелк отталкиваются друг от друга:
При электризации трением два тела заряжаются равными по модулю и противоположными по знаку зарядами. Благодаря контакту одно тело теряет электроны, а другое их же приобретает. Поэтому на одном теле появляется избыток электронов (отрицательный заряд), а на другом - недостаток (положительный заряд).
: Тело заряжено отрицательно - у тела имеется избыток электроновТело заряжено положительно - у тела имеется недостаток электронов
В зависимости от способа электризации два наэлектризованных тела либо притягиваются, либо отталкиваются. Тела, наэлектризованные трением друг о друга, а также наэлектризованное и не наэлектризованное тела всегда только притягиваются.
Существуют вещества, электроны которых настолько слабо связаны со своими атомами, что могут отделяться от них даже и без трения. Достаточно простого соприкосновения тел, и они становятся заряженными. Это другой вид электризации - электризация индукцией.
Демонстрация
Сначала электрометры не были заряжены. Предположим теперь, что поднесенная к ним палочка имеет положительный заряд. При этом в левой части правого шара образуется отрицательный заряд. А поскольку ионы металла прочно связаны друг с другом, образуя кристаллическую решетку, они не смогут никуда передвинуться, и во всех остальных местах образуется недостаток электронов, то есть положительный заряд. Если теперь палочку убрать, то электроны вновь равномерно распределятся между шарами, и они станут незаряженными. Но, если же, не убирая палочки, раздвинуть шары, то они так и останутся разноименно заряженными.
: Электризация тел индукцией объясняется перераспределением электрических зарядов между телами (или частями тела), в результате чего тела (или части тела) заряжаются разноименно.Однако не все тела заряжаются в результате электризации индукцией. Электроны есть в атомах всех тел, тогда почему же не удается наэлектризовать индукцией пластмассовые или резиновые шары? Это значит, что электроны этих тел не являются свободными, то есть не образуют перераспределение зарядов между телами. Поэтому для электризации этих веществ необходимо прибегнуть к трению, способствующему отделению электронов от атомов.
В проводниках некоторые электроны слабо связаны с ядром атома и могут перемещаться от атома к атому. Такие электроны называются свободными. Именно они обеспечивают перенос заряда (проводимость).
В диэлектриках практически нет свободных электронов, некому переносить заряд, следовательно, практически нет проводимости.
: Следовательно, по электрическим свойствам все вещества можно разделить на два вида.Диэлектрики
– вещества, не имеющие свободных зарядов и, поэтому, не позволяющие заряду одного тела "перетекать" на другие тела.Проводники
– тела и вещества, в которых существуют свободные заряженные частицы; они могут перемещаться, перенося заряд в другие части тела или к другим телам.Мы понимаем, что пластмасса, из которой изготовлена линейка, является диэлектриком, а металлическая проволока – проводником.
: Демонстрация показала, что при любых взаимодействиях, связанных с возникновением и переходом заряда от одних тел к другим, суммарный заряд всех участвующих в этом тел остается постоянным.Это утверждение выражает закон сохранения электрического заряда.
|q 1 |+ |q 2 |+ |q 3 |+…..+ |q n | =0
Во всех явлениях электризации тел суммарный электрический заряд сохраняется.
Если одно тело приобретает положительный электрический заряд, то второе тело тоже приобретает равный по модулю отрицательный
III. Запись домашнего заданияПараграфы: 25, 26,27 вопросы стр.60, стр. 63
Дополнительно: изготовить самодельный прибор - электроскоп.
IV. Закрепление изученного материалаБлиц-опрос
(продемонстрировать)
(продемонстрировать)
(продемонстрировать)
(продемонстрировать)
(продемонстрировать)
(продемонстрировать)
(продемонстрировать)
Ответьте на вопрос, достигли ли мы цели нашего урока.
Оценка учителем работы учащихся с комментариями.
Алмаз, рубин, сапфир – искусство делать, а не добывать
Последние десять лет синтетические алмазы все активнее захватывают ювелирные рынки. Юрий Пальянов выращивает алмазы уже более 40 лет. В специальном приборе, слегка похожем на старую стиральную машину, созданы такие же условия, как в мантии земли. Аппарат в три тонны высококачественной стали выдерживает сверхдавления, высокие температуры, которые необходимы для роста кристалла.
В камеру загружают графит и таблетки растворителей, железо, кобальт и никель. Под воздействием давления и температуры, на кристаллической решетке, слой за слоем, вырастает искусственный минерал. Рано или поздно алмазы начнут массово штамповать на фабриках, к тому времени они будут стоить меньше, чем сейчас стоят полупроводники.
На острове Мадагаскар настоящие сапфиры добывают вручную, рабочие промывают десятки килограммов гравия, что бы найти драгоценный камень, раскапывая при этом просто гигантские карьеры. А у нас в России в городе Новосибирск сапфиры и рубины делают из дешевого и широко распространенного корунда и процесс уже далеко не так хлопотен, как на далеком Африканском острове.
Крошку корунда помещают в специальный контейнер, добавляют немного хрома, а сверху в эту емкость подвешивают узкие пластины, изготовленные из идеального корунда, и все это в специальную печь. В печи, при температуре 600 градусов по Цельсию и давлению в 1500 атмосфер начинает расти кристалл рубина, если в состав добавить железо с титаном, тогда получится сапфир.
При проверке приборами эксперты, конечно, смогут найти различия, какой камень перед ними искусственный, а какой настоящий, например, по примесям или дефектам структуры, но у обычных ювелиров таких приборов нет, а камни меньше карата даже геммологам не несут, экспертиза станет дороже.
Геммолог – специалист по драгоценным и поделочным камням.
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева, процесс роста идет в расплаве металлов при давлении 60 000 атмосфер и температуре 1500 °С. В результате получается алмаз максимально высокого качества.
Доктор геолого-минералогических наук Юрий Пальянов.
Аппараты высоких давлений БАРС в лаборатории процессов минералообразования в условиях высоких давлений ИГМ СО РАН.
Группа исследователей из университета Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison) разработала новый способ легирования монокристаллических алмазов, введения в материал атомов примесей, в данном случае атомов бора. Новый процесс легирования производится при относительно низкой температуре, благодаря чему кристаллы алмаза не подвергаются разрушению и деградации.
У алмаза имеется ряд свойств, которые могут сделать их идеальными полупроводниками для производства мощной силовой электроники. Алмазы могут использоваться в условиях высоких электрических потенциалов, а низкое удельное сопротивление в случае правильного легирования кристалла позволит кристаллу проводить сильный электрический ток. Алмаз является одним из наилучших проводников тепла, поэтому проблема отвода и рассеивания выделяющегося тепла решается достаточно простыми способами. Несмотря на столь интересные характеристики, практическое использование алмазов в качестве полупроводников затрудняется тем, что из-за прочности структуры этого материала очень тяжело правильно вводить в кристалл атомы легирующих добавок.
В ходе экспериментов ученые выяснили, что если физически соединить монокристаллический алмаз с кремнием, предварительно легированным атомами бора, и нагреть все это до 800 градусов Цельсия, атомы бора под воздействием тепловых колебаний мигрируют из кремния внутрь алмаза. Процесс происходит при относительно низкой для таких процессов температуре и это обусловлено некоторыми особенностями строения легированного кремния. В структуре такого кремния присутствуют вакансии, места в кристаллической решетке с отсутствующими там атомами. Под влиянием тепловых колебаний атомы углерода из алмаза заполняют эти вакансии, оставляя пустое место в структуре алмаза, которое заполняется атомом бора.
Такая технология получила название избирательного легирования и она позволяет получить высокую степень контроля над производимым процессом. При помощи такого метода достаточно просто легировать определенные места монокристаллического алмаза, для этого требуется лишь наложить кремний на необходимые места и нагреть это до указанной выше температуры.
Пока новый метод работает в отношении легирования P-типа, при котором атомы примесей создают носители положительного электрического заряда, так называемые электронные дырки, места в кристаллической решетке с одним отсутствующим электроном. И, используя полученные алмазные полупроводники p-типа, исследователи уже изготовили первые образцы простейших электронных приборов, таких, как диод.
Но, для того, чтобы создать более сложные электронные приборы, такие, как транзистор, требуется легирование N-типа, легирование примесью, атомы которой создают носители отрицательного электрического заряда, лишние электроны в кристаллической решетке. Пока у ученых нет технологии такого легирования, но, вполне вероятно, что результаты данных исследований вдохновят других исследователей и кому-нибудь из них все же удастся найти подходящее решение. И если это произойдет, то на свет появятся новые полупроводниковые приборы, которые с высокой эффективностью будут использоваться для управления электрическим током большой мощности, к примеру, в энергетических сетях.
Джильберт повторил опыты Фалеса Милетского и убедился, что не только янтарь, но и алмазы, драгоценные камни, горный хрусталь, сера, смолы, сургуч, стекло и многие другие твердые вещества, когда их натирают сукном, кожей или мехом, приобретают свойство притягивать легкие предметы.
Это уже само по себе было важным открытием. Оно показывало, что таинственная притягательная сила присуща не только одному янтарю. Эта сила, решил Джильберт, является не свойством какого-либо одного вещества, а свойством того, что скрывается во многих веществах, пропитывая их, как вода пропитывает губку.
Это нечто, содержащееся в порах разных веществ, думал Джильберт,- особая невидимая жидкость. При трении она выдавливается из пор и проявляет свои «янтарные» свойства.
Для этой жидкости Джильберт придумал название: «янтарная субстанция». Но, составляя новый термин, Джильберт взял корень греческого названия янтаря - «электрон». Отсюда и получилась «электрическая субстанция» или, короче, «электричество».
Так родилось слово, которым стали обозначать всю совокупность электрических явлений.
После Джильберта в течение полутора столетий исследованиями электрических явлений занимались многие ученые.
Для своих опытов они добывали электричество трением. В одних случаях лисьим мехом натирали сургуч, в других - кожей терли стекло. Ученому Отто Герике пришла в голову мысль соорудить машину для добывания электричества. Он налил в большую круглую колбу расплавленной серы. Когда сера застыла, Герике разбил колбу, извлек серный шар, насадил его на ось и поместил в станок так, чтобы шар можно было вращать.
Помощник крутил шар, а Герике прикладывал к нему различные предметы, желая найти наиболее подходящий материал, чтобы электризовать серу. Он перепробовал множество материалов и наилучшим оказались... собственные ладони ученого. С тех пор Герике и многие его последователи добывали электричество буквально собственными руками.
Во время своих опытов с наэлектризованным серным шаром Герике заметил, что пушинка, на миг притянувшаяся к шару, затем отрывается от него и больше уже не притягивается, наоборот, она отталкивается. Тогда Герике подбросил наэлектризованную пушинку вверх и, держа серный шар под пушинкой, заставил ее летать в воздухе. Наэлектризованный шар, отталкивая пушинку, мешал ей упасть. И она летала до тех пор, пока Герике не надоедало ее гонять.
Так было открыто свойство наэлектризованных тел не только притягивать другие тела, но и отталкивать их.
Наблюдая отталкивание наэлектризованных тел, Герике встретился с явлением, чрезвычайно изумившим его. Когда ученый вынул из станка наэлектризованный серный шар, маленькое перышко, лежавшее на земле, поднялось, подлетело к шару и, на мгновение коснувшись его, тотчас опустилось на землю. Едва дотронувшись до поверхности земли, перышко снова подскочило к шару. Чуть продержавшись у его поверхности, оно опять совершило путешествие до земли и вернулось затем к шару. Пляска перышка продолжалась до тех пор, пока электризация шара не ослабела.
Ученые, повторившие этот опыт, дали ему такое объяснение: серный шар имеет некоторый запас электричества. Перышко, притянувшись к шару, заимствует часть его электричества, электризуется и отталкивается от шара. Опустившись на землю, перо отдает земле захваченную им порцию электричества и снова приобретает способность притягиваться к шару.
Коснувшись серного шара, перышко захватывает новую порцию электричества, какая только может поместиться на перышке, и опять несет его на землю. Так, подобно носильщику, перышко перетаскивает электричество от серного шара в землю.
Из этого опыта родилось представление об электрическом заряде как о порции электричества, которая может поместиться на том или ином предмете. На крупном предмете, вроде серного шара, заряд большой, а на крохотной пушинке - маленький.
После было установлено, что заряд, полученный от трения на стекле или на сере, не может сам по себе передвигаться по их поверхности; он долго сохраняется в тех местах, где возник. Нужно коснуться такого места, чтобы частично снять заряд.
Далее выяснилось, что те предметы, которые не удавалось наэлектризовать трением, когда держали их в руке, прекрасно электризуются, если их поместить на подставку из вещества, легко заряжающегося трением.
При этом оказалось, что заряд растекается по всей поверхности таких предметов, а не связан с тем местом, которое подверглось натиранию. Эти вещества были названы проводниками заряда. Стало понятно, почему сначала заряды на них не были замечены,- они просто стекали на другие предметы.
Вещества, по которым заряды не могли перемещаться, тогда были названы изоляторами. Они позволяли уединить, задержать заряд, возникающий на проводнике, не давали ему растекаться по окружающим предметам.
Красота драгоценных камней пленяет. Особенно ценятся экземпляры, обладающие наиболее чистым и ярким цветом. В частности, изумруд должен быть зеленым, сапфир - пронзительно-синим, а рубин - насыщенно-красным. Но цвет драгоценностей обусловлен чаще всего не их собственной кристаллической решеткой, а наличием примесей. Они могут придать сапфиру зеленый цвет, а изумруду - синеватый или желтоватый.
Химическая формула сапфира очень проста: Al2O3 (оксид алюминия). Данный минерал используется в электронной промышленности благодаря особым полупроводниковым свойствам. В чистом виде он бесцветный и полупрозрачный и носит название "лейкосапфир", так как с греческого слово "leukos" переводится как "белый". Его выращивают искусственно в промышленных целях, поскольку в природе эти кристаллы почти всегда имеют примеси. Их содержание в драгоценных камнях измеряется в массовых процентах, отражающих соотношение примеси к массе "чистого" камня.
Синий цвет придают железо и титан, а ванадий вносит фиолетовый оттенок. Больше всего ценятся и довольно редко встречаются камни ярко-синего, василькового цвета. Их месторождения расположены в основном на Шри-Ланке. Большое количество железа придает сапфиру зеленоватый цвет. Корунды, содержащие много оксида железа, становятся желтоватыми.
Удивительно, но кристаллическое строение рубинов такое же, как и у сапфиров! То есть это два разных названия для одного и того же камня. Различаются они лишь цветом. Принято считать рубинами только красные камни с пурпурным оттенком (его обеспечивает примесь хрома), но в ювелирных магазинах нередко можно встретить бирку с подписью "рубин", прикрепленный к изделию с розовым камнем. На самом деле правильно было бы писать "розовый сапфир", но не все ювелирные магазины так поступают. Серьезные компании используют цветовые координаты, с помощью которых можно описывать цвет камней. Именно координаты указывают на то, что называется сапфиром, а что рубином. В некоторых системах оценки цвета существуют свои эталоны.
Изумруд - зеленая разновидность берилла, содержащая хром. Сам берилл, так же, как и лейкосапфир, бесцветный. Но примесные элементы могут окрашивать его в различные цвета. Так, железо может окрашивать берилл в голубой или желтый, ванадий - в зеленый, марганец - в розовый. В изумруде содержание двуокиси хрома может доходить до 2-2,5%. Наличие других примесей в изумруде (железо, ванадий) может немного менять оттенок камня, а также указывать на его месторождение. Например, для уральских изумрудов характерно высокое содержание железа, а для колумбийских - примесь ванадия.
Царем драгоценных камней считается алмаз. Это не только ценнейший и красивейший драгоценный камень, но и сверхтвердый технический минерал, химически стойкий к агрессивным средам, это эталонный полупроводник для электроники, модельный объект для физики твердого тела, а также индикатор высоких давлений и температур в науках о Земле.
"Окраска алмаза чаще всего связана с примесями и дефектами структуры, возникающими в результате вхождения примесей. Самой главной примесью в алмазе является азот, придающий алмазу желтый оттенок. Этот элемент может входить в структуру драгоценного камня в виде одиночных атомов или их группировок. Алмазы, содержащие азот в форме группировок, составляют около 98% от всего алмазного сырья. Количество азота в таких камнях может доходить до 0,3% от атомов углерода, а в среднем оно составляет сотые доли атомных процентов. А вот в виде одиночных атомов в алмазах азот встречается редко. Зато такая форма азота придает камню яркий желтый, так называемый "фантазийный" цвет. Объемные дефекты в виде плоскостей вызывают коричневую окраску, а в ряде случаев - редкую розовую. Крайне дорогие и редкие голубые алмазы получаются благодаря примеси бора, " - поясняет Ирина Екименкова, научный сотрудник кафедры минералогии геологического факультета МГУ .
Алмазы, не содержащие примесей, раньше называли камнями "чистой воды". Считалось, что если положить алмаз в воду, то он будет незаметен. На самом деле показатели преломления света у воды и этого прекрасного минерала отличаются колоссально, и алмаз будет прекрасно виден.
История многих драгоценностей с алмазами, изумрудами и корундами насчитывает века. Менялись эпохи, общество, мировоззрение, но эти камни неизменно притягивали людей своей древней и загадочной красотой.