ІІ тарау. Тұрақты электр тогын оқыту әдістемесі

Қазақстан әдіскерлері мұндай ұсыныстарды бірінші болып әзірлей бастады және бұл процесс әлі де жалғасуда. "Тұрақты электр тогы" тақырыбын зерттеу әдістемесін әзірлеудің аяқталмауы туралы, мысалы , осы тақырыптың құрылымы бойынша әлі күнге дейін бірыңғай пікір жоқ екенін айтады.

"Тұрақты ток" тақырыбы ғылыми және техникалық ақпараттың өте көп санымен және электроникадан кітап пен өнер туындыларын тираждауға дейінгі адам қызметінің барлық саласына кең енумен ерекшеленеді . Барлық мазмұндалғандар мені физикалық құбылыстардың үлкен топтарын зерделеудің бірыңғай әдістемелік тәсілінің концепциясына сүйене отырып, жалпы білім беретін мектепте осы тақырыпты зерделеу бойынша әдістемелік ұсынымдарды әзірлеу жұмысының мақсаты ретінде таңдауға түрткі болды. Бұл ретте, "қарапайымнан күрделіге" дидактикалық қағидатын негізге ала отырып, тақырыптың келесі құрылымын қисынды таңдау: өткізгіштіктің электрондық теориясы ( металдардағы ток ) — сұйықтықтардағы вакуум — ток — дәрменсіз өткізгіштігі кезіндегі газдардағы ток — дербес өткізгіштігі кезіндегі газдардағы ток — меншікті өткізгіштігі бар жартылай өткізгіштердегі ток — аралас өткізгіштігі бар жартылай өткізгіштердегі ток.

Қойылған мақсатқа жету үшін әдістемелік әдебиетте бар "тұрақты электр тогы" тақырыбын зерделеу бойынша ұсыныстар, тақырыптың ғылыми негіздері мен даму тарихы, тақырыптың кейбір мәселелерін зерделеу бойынша әдістемелік ұсынымдар әзірленді және орта мектептің 10— сыныптарында сабақ өткізу кезіндегі олардың тиімділігі тексерілді.

Неміс физигі және қоғам қайраткері Отто фон Герике 1670 жылда электростатикалық генераторды ойлап тапқан кезден бастап, Еуропа мен Американың физиктері сол кезеңдер бойынша ғажайып құбылыстарға әуестенді. Түсіндіру мүмкін емес, мүмкін табуға тырыспаған фактілерді жинақтау басталды. Осындай фактілердің бірі электр зарядының бір денеден екіншісіне өту қабілеті болды. Стефан Грей-1729 жылда лондондық Корольдік қоғамның мүшесі, эксперимент сериясын өткізе отырып, жолсеріктер мен оқшаулағыштардың болуы туралы қорытындыға келді.

Электр энергиясымен тәжірибе оны бір денеден екінші денеге "құюға" болатынын көрсетті, егер оны нашар оқшаулау арқылы "шаю" болмаса, ол сақталады; электр ауырсынуды тудырады, ауаны шайқайды, затты бұзады. Бұл фактілердің жиынтығы электр - бұл материалдық субстанция.

Электр қуатын теориялық ұғынуды американдық ғалым және қоғам қайраткері Бенджамин Франклин бастаған және Ресейдегі Михаил Ломоносов, Георг Рихман және Ульрих Эпинустың зерттеулерінде жалғастырылды. Бірақ электр туралы қазіргі заманғы ұғымдарға толық және жақын орыс академигі Французильрих Эпинустың (1724-1802) "электр және магнетизм теориясының тәжірибесі" трактаты болды, 1759 жылы жарияланған. Эпинус кітабы Еуропадағы электр энергиясы туралы ғылымның дамуына, оның ішінде А. Вольттың зерттеулеріне үлкен әсер етті және электрлік және магниттік

Флюидтердің электр зарядтарының өзара іс-қимыл күштері гравитациялық күштер сияқты кері қашықтықтың квадратына пропорционалды түрде жойылады. Бұл заң Кулон, Эпинус, дегенмен, осы Заңның эксперименталды дәлелдеуі үшін құралдарды таба алмады.

ХУІІІ ғасырдың ғалымдары электр тогын тек бір денеден екіншісіне өте қысқа уақытта ғана ала алатынына қарамастан, ғасырдың ортасына қарай электр тогының негізгі әрекеттері белгілі болды. 1747 жылы Уотсон 6 км қашықтыққа электр энергиясын берді, 1785-да ағылшын Нэрн электростатикалық генератордың полюстері арасында тізбекті құрады. Әртүрлі қашықтықтағы тізбектің үзілуінде ол жұқа сымнан тұрады және ол барлық жерде бірдей балқытылатынын байқайды. Осыдан ол қорытынды жасайды: тізбектің барлық учаскелерінде бірдей электр қуаты өтеді. Жылу әсерінен басқа химиялық әрекеттер да белгілі болды: Ван Трусвик (Голландия) судың электролизін бақылап отырды; магниттік әрекеттер: спиртті конденсатор разрядымен магниттеу. Алайда электр тогы туралы түсінік әлі қалыптасқан жоқ.

Газдардағы токтың алғашқы бақылауы В. В. Петровпен қабылданды, бірақ

газ разрядын жүйелі зерттеу 1838 жылы Фараде басталды. Фарадей осы зерттеулердің үлкен рөлін болжады

электр теориясының дамуында. Алайда газ разрядын зерттеу мүмкіндіктері сиретудің жоғары дәрежесін алу тәсілдерінің жоқтығымен шектелді.

1859 жылда неміс шыны үрлегіш Гейслер Геирих Гейслер, ал оның артында Плюккер неміс физигі Гейслер газразрядты түтіктерін дайындаудың жалпыға қол жетімді тәсілдерін әзірледі.

Газ дәрежесін зерттеуде маңызды қадамды неміс физигі Иоганн Гитторф жасады. 1869 жылы "газдардың электр өткізгіштігі туралы" жұмысында ол 1 мм рт төмен қысымда катодта пайда болатын ерекше шамды сипаттады. түтікше қабырғаларының флюоресценциясын шақырған. Ашық Гитторф шам катодтық сәулелер деп аталды.

1878-1879 жылдары катодты сәулелерді зерттей отырып, Вильям Крукс ағылшын физикалары оларда материяның барлық қасиеттерін анықтады: механикалық әсер, жылу және магниттік әсер, таралудың тура сызықты. Катодты сәулелерді заттың төртінші күйі деп атай отырып, Крукс олардың ұсақ бөлшектерден тұратыны туралы гипотезаны ұсынды. Крукс гипотезасы тез Растауды таппады және физиктер арасында, қалай біртүрлі, Генрих Герц болды, катодты сәулелер туралы пікір басым болды, бұл эфирдегі газдың бөлшектеріне берілетін көрінбейтін қозғалыс. Бірақ 1895 жылда француз физигі Жан Перрен катодты сәулелер теріс зарядталған бөлшектердің ағынын білдіретіні дәлелденген іргелі эксперимент қояды. Бірақ катодты сәулелердің табиғатын тек қатаң сандық эксперимент арқылы орнатуға болады, оларды 1895 жылы Дж іске қосты. Дж. Томсон. Электр және магнит өрісіндегі катодты сәулелердің ауытқуы бойынша Томсон тәжірибесі ең сенімді және дәл эксперименттердің үлгісі болып табылады. Олардың сипаттамасы барлық физика оқулықтарына дерлік кірді.

Катодты сәулелер бөлшектерінің массасының олардың Томсон зарядына қатынасын дәл өлшеу арқылы осы қатынас әлі күнге дейін белгілі сутегі ионына қарағанда бірнеше рет аз екенін дәлелдеген. Осылайша электрон ашылды.

Физикалық құбылыстардың үлкен топтарын зерттеуге бірыңғай тәсілдің әдістемелік тұжырымдамасы XVIII ғасырдың ортасына қарай кетеді және М. В. Ломоносов қызметінде педагогикалық идеяларда анықталды.

Физика курсын жүйелі түрде баяндауда ең айқын бірыңғай тәсіл ХХ ғасырдың 60 - шы жылдарының басында танымал екі томдық Б. М. Яворский және А. А. Пинский "физика негіздері". Мектептегі физика курсына бірыңғай тәсілді енгізуді бастау 70-ші жылдары Н. М. Шахмаевпен басталды, ол 10-сыныпта тербелістер мен толқындарды зерделеудің бірыңғай әдістемелік тәсілін әзірледі. Н. М. Шахмаевтың идеясы Г. Я. Мякишев пен Б. Б. Буховцевтің "Физика - 10"оқулығында ішінара жүзеге асырылды. Өкінішке орай, мектептегі физика курсын реформалау барысында механикалық тербелістерді зерттеу 9 сыныпқа ауыстырылды, нәтижесінде тербелістерді зерделеудің бірыңғай тәсілін жүзеге асыру мүмкін емес болды.

Физикалық құбылыстардың үлкен топтарын зерттеуге бірыңғай әдістемелік тәсіл тұжырымдамасының мәні физикалық құбылыстар бір-бірінен бөлек емес, белгілі бір белгілер бойынша топтарға біріктіріледі. Бұл ретте бір топтың құбылыстары салыстыру және аналогия тәсілдерін кеңінен қолдана отырып, бірыңғай логикалық схема бойынша зерделенеді. Физикалық құбылыстар топтарға біріктірілуі мүмкін белгілер: осы құбылыстардың бірыңғай физикалық табиғаты, мысалы, түрлі ортадағы электр тогы;

* құбылыстарды сипаттаудың бірдей заңдылықтары мен тәсілдері, мысалы, әртүрлі физикалық табиғаттың тербелістері мен толқындары;

* әртүрлі ортадағы тербелістерді немесе токты зерттеу кезінде осциллографикалық әдіс сияқты зерттеулердің бірдей немесе ұқсас әдістері •

Қандай да бір технологиялық процестің айналасында физикалық құбылыстарды топтастыру мүмкін. Мысалы, металдарды кесу арқылы өңдеу механикалық құбылыстарға байланысты қозғалыс, деформация, икемділік, Серпімділік және т. б. жылу құбылыстары және т. б.. Алайда, мұндай топтастыру кейбір техникалық оқу орындары үшін ғана қолайлы болуы мүмкін. Әртүрлі ортадағы электр тогымен байланысты құбылыстар олардың біртұтас физикалық табиғатымен біріктіріледі, өйткені олардың барлығы қандай да бір ортадағы зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысымен байланысты. Бұл құбылыстарды зерделеудің бірыңғай логикалық сұлбасы анықталады, онда бірінші орында токтың пайда болуының қажетті шарттарының бірі - зарядтың бос тасығыштарының болуы, яғни электр өрісінің әсерінен дрейф жасауға қабілетті бөлшектер болады.

Әр түрлі ортадағы токты зерттеудің логикалық сұлбасы Жалпы бағдар құру, білімді жүйелеу және жалпылау туралы қазіргі заманғы психологиялық - педагогикалық тұжырымдамаларды есепке ала отырып құрастырылады. С. Е. Каменецкий әр түрлі орталардың өткізгіштігін қарастырудың келесі бірыңғай жоспарын ұсынады:

1. Заряд тасығыштардың табиғаты және олардың қозғалыс ерекшеліктері.

2. Вольт-амперлік сипаттамасы.

3. Осы ортада ток бағынатын заңдылықтар.

4. Осы ортада токпен жүретін құбылыстар.

5. Құбылыстарды практикалық қолдану.

Дегенмен, неғұрлым ұтымды басқа, бірнеше нақты схема:

1. Зарядтың еркін тасымалдағыштарының түрі, олардың осы

олардың шоғырлануы.

2. Өткізгіштік Түрі (дербес, дәрменсіз, бір жақты, екі жақты).

3. Кедергінің немесе өткізгіштіктің температураға тәуелділігі.

4. Ток күшінің кернеуге тәуелділігі (вольт - амперлік сипаттама).

5. Негізгі қолдану салалары және нақты мысалдар.

Теориялық негіздеме:

Заттың өткізгіштігі-бұл заттың электр тогын өткізу қабілетін сипаттайтын физикалық шама. Өткізгіштік жақсы болған сайын, соғұрлым аз кедергі зарядтың тасымалдаушы бөлшектерінің орын ауыстыруына болады. Демек, өткізгіштігі — шама, кері кедергі, СИ-сименс өткізгіштік бірлігі ( См). Тиісінше, меншікті өткізгіштік-шекті, кері кедергі.

мұндағы G- өткізгіштік, - меншікті өткізгіштік.

Тізбек учаскесінде кедергіні мына формула бойынша анықтауға болады:

Бұрын зерттелген электрондық теориядан белгілі , мұндағы - зарядты тасымалдаушы бөлшектер заряды, - бос заряд тасығыштардың концентрациясы, - олардың дрейф жылдамдығы.

Дрейфтің жылдамдығын механиканың белгілі заңдарының негізінде анықтауға болады: зарядталған бөлшектер динамиканың екінші заңына сәйкес үдеумен кезекті соқтығысудан кейін қозғалады деп есептей отырып: , бастапқы жылдамдық нөлге тең болғандықтан, дрейфтің орташа жылдамдығы тең:

Дрейф жылдамдығының мәнін (2) формулаға қойып, салыстырамыз:

Сонымен, заттың өткізгіштігі, ең алдымен, зарядтың бос тасығыштары - электрондар мен иондардың заряды мен салмағына (яғни осы заттың химиялық құрамына) байланысты. Бір соқтығысудан келесіге дейінгі жүріс - уақыт ерекше рөл атқарады, ол өз кезегінде бос жүріс ұзындығына (яғни зат құрылымына) байланысты. Қатты денелер мен сұйықтықтарда бос жүріс ұзындығы Үлкен емес, газдарда ол едәуір көп және газды сирету арқылы көп есе ұлғайтылуы мүмкін.

Маңызды өткізгіштікті анықтайтын фактор-зарядтың бос тасымалдағыштарының шоғырлануы, өйткені әр түрлі заттарда ол жүздеген, мың, миллиондаған және миллиардтаған рет өзгеруі мүмкін! Металдардағы ең жоғары концентрация байқалады, себебі металдың барлық атомдары иондарға айналады, ал олардың валентті электрондары еркін тасымалдаушыларға айналады. Бұл нақты металдағы еркін электрондардың концентрациясын есептеуге мүмкіндік береді, мысалы, молярлық массасы және тығыздығы тиісінше күміс:

мұндағы - бөлшектер саны, – көлем. Үшін

Әр түрлі ортадағы токты зерттеу барлық осы құбылыстар үшін бірыңғай Эксперименталды зерттеу әдістерін зерттеумен байланысты. Олардың бірі вольт - амперлік сипаттамаларды алудың осциллографикалық әдісі болып табылады.

Әр түрлі ортадағы тоқ зерделенетін бірыңғай логикалық схема салыстыру және аналогия тәсілдерін тиімді пайдалануға мүмкіндік береді.

Мұны бір мысалда қарастырайық: металдар мен жартылай өткізгіштердің температураға тәуелділігі.

Металдардағы токты зерделегеннен кейін оқушылар металдың өткізгіштігі жақсы екенін біледі, меншікті өткізгіштігі температураның жоғарылауымен азаяды. Бұл құбылысты белгілі бір температура интервалы шегінде Классикалық электрондық теория негізінде түсіндіру оңай, оған сәйкес металдағы еркін электрондардың жүріс-тұрысы идеал газ молекулаларының тәртібіне ұқсас. Температураның жоғарылауымен электрондардың хаотикалық қозғалысының жылдамдығы өседі, бұл электрондардың кристалды тордың тораптарында орналасқан нондармен соқтығысу санының өсуіне әкеледі.

Бұл электрондардың энергия шығындарының өсуіне және өткізгіштіктің азаюына әкеледі.

Вакуумда электр тогын зерттеуді ашатын сабақты проблемалық жағдайды тудыратын тәжірибені көрсету арқылы бастау ұсынылады. Тәжірибе үшін вакуумдық диодтың шартты бейнесі бар панельде құрастырылған 6н7с немесе бПЗ (бұл жалпы катоды бар қос Триод) типті электрондық шам алады. Екі тор мен екі анодты шам өзара жалғайды (торды шамның анодымен жалғаған кезде диодқа айналады).

Тәжірибені көрсету алдында келесі пікір өткізеді. Теориялық вакуум-заттың молекулалары мен атомдары жоқ кеңістік. Бірақ молекулалар молекулалар немесе атомдармен бетпе-бет келместен, осы ыдыстағы барлық кеңістікті электрондар өте аз болатын қандай да бір ыдыста кеңістік вакуум деп есептейді.

Әдетте вакуумды арнайы вакуумды сорғылардың көмегімен түрлі формадағы шыны баллондарда алады. Баллонға конструкциясы мен пішіні бойынша екі немесе одан да көп электродтар құйылады,осылайша алынған вакуумдық құрылғы электр тізбегіне қосылады.

Ең қарапайым вакуумдық құралдардың бірін қарастырайық - екі электродты баллоннан тұратын диод : диск немесе цилиндр түріндегі табақты никельден жасалған анод және ішінде шағын пешпен қыздыру жіптері бар никель түтігінен тұратын катод.

Егер сезімтал электр өлшеу құралын, мысалы, амперметр гальванометрін анодқа және диод катодына қоссаңыз, онда тізбекте токтың пайда болуын күту мағынасы жоқ, себебі бұл тізбекте ток көзі жоқ, ал вакуумда зарядтың бос тасығыштары жоқ, яғни токтың пайда болуы үшін қажетті жағдайлардың ешқайсысы жоқ.

Осы пайымдаулардан кейін тізбекті күріш бойынша жинайды. 1 шын мәнінде тізбекте ешқандай ток жоқ екеніне көз жеткізіңіз. Бірақ бұл таңқаларлық ештеңе жоқ. Содан кейін катодты ток көзін қосып (ӘК түзеткішінен 4 вольт 12) қыздырады. Біраз уақыт өтеді, ол үшін оқушылар тағы да ток болмайды деп ойлайды. Бірақ гальванометрдің көрсеткі алдымен баяу, содан кейін тезірек ауытқи бастайды. Тізбекте ток пайда болады, бірақ әлі де ток көзі жоқ. Сондықтан, әрине, сұрақ қою: тізбекте қандай себеппен электр тогы пайда болады?

Мәселелік жағдайды шешкенде, шамамен осылай пайымдауға болады: тоқтың пайда болуының себебі анодқа жетуге қабілетті зарядталған бөлшектерді шығаратын катодты қыздыру болып табылады. Егер солай болса, онда қыздыратын катод ток көзін ажыратқан кезде, бұл тізбекті ажыратқан кезде, катод бірден суытпайды. Шын мәнінде, түзеткішті өшіріп, қыздыратын тізбекті ажыратып, гальванометрдің көрсеткісі өте баяу бастапқы жағдайға оралады.

Катодтан ұшып шығатын бөлшектер зарядының белгісін гальванометрдің көмегімен орнатуға болады, өйткені оң (плюстік) клеммасына ток көзі плюсінің гальванометрін қосқан кезде көрсеткі оңға бұрылады. Гальванометрдің көрсеткісін шкаланың ортасына орнатады, қыздыру тогын қосады және көрсеткінің қайда ауытқуын бақылайды. Мысалы, егер плюстік клеммаға сым анодтан сәйкес келсе, онда көрсеткі солға ауытқиды. Бұл анодқа минус белгісімен заряд келіп түсті дегенді білдіреді. Заттың құрамына кіретін және теріс заряды бар бөлшектер-бұл Электрон. Осылайша, қызған катод анодқа жету үшін жеткілікті кинетикалық энергиясы бар электрондарды шығарады. Бұл ретте электрондарын жоғалтқан катод оң зарядталады, ал электрондарын теріс алған анод. Осы арқылы пайда болатын потенциалдар айырмасы және тізбекте ток жасайды. Бұл құбылыс термоэлектронды эмиссия деп аталады. Бұл құбылысты 7 сынып курсы бойынша оқушыларға белгілі классикалық электрондық теорияның негізгі ережелері тұрғысынан түсіндіру ғана қалады. Металл ішіндегі ретсіз қозғалыста жекелеген электрондар металдан электронның шығу жұмысынан асатын кинетикалық энергияны сатып алады. Бұл электрондар металдан ұшып шығады,ал өзі оң зарядталады және ұшып шыққан электрондарды кері созуға ұмтылады. Бұл құбылыс өзінің механизмі бойынша сұйықтық бетінен булану процесін еске салады. Металдан жасалған электрондардың булануы және электрондардың конденсациясы нәтижесінде металл ішіне динамикалық тепе-теңдік орнатылады және металл бетінің үстінде электрондық бұлт пайда болады. Металл бетінен электрондардың концентрациясы термоэлектронды эмиссия құбылысының қарқындылығына, яғни уақыт бірлігі үшін металдан ұшып шығатын электрондардың санына байланысты. Бұл сан әдеттегі температураларда ( шамамен 300 К) тең емес және температура 1000 К және одан жоғары болғанда күрт өседі. Бұл жоғарыда сипатталған тәжірибедегі катод қызуының түрлі дәрежесі кезінде эмиссия тогының шамасын бақылаумен растауға болады.

Өкінішке орай, сабақта катод температурасын бағалауға мүмкіндік жоқ. Сондықтан тәжірибе тек сапалы болуы мүмкін. Ол үшін қыздыру тізбегіне реостат (зертханалық 6-10 Ом) және шунты бар демонстрациялық амперметр кіреді. Егер шамның температурасы ток күшінің квадратына пропорционал деп есептесе, онда температура шамамен екі есе азаяды деп болжаған жөн. Алайда, гальванометр көрсеткеніндей, эмиссия тогы кем дегенде бес рет азаяды.

Қайта-жалпылау сабақтың негізгі мақсаты білімді қайталау және жүйелеу болып табылады, бұл өз кезегінде білімді бекітуге, тереңдетуге және кеңейтуге әкеледі. Мұндай сабақты өткізу төмендемейді, алайда білімді бекіту және тереңдету құралы ретінде тапсырмаларды шешу бойынша сабақтың рөлі мен тиімділігін төмендетеді.

Қайталау-жалпылама сабақтың құрылымы мен әдістемесі әр түрлі болуы мүмкін және әр мұғалім үшін үйреншікті тәсілдерге байланысты. Мұндай тәсілдердің бірі осы тақырып зерделенген логикалық схемаға сәйкес берілген тақырып бойынша барлық негізгі білімдер біріктірілген жалпылама кестені құрастыру болуы мүмкін. Бұл қабылдауды іске асыру да әр түрлі болуы мүмкін.

Мысалы, оқушыларға тек кесте үлгісін ғана беруге болады, ал оны толтыруды өздері беруге болады. Мұғалім тек бақылау функциясын орындайды. Немесе мысал үшін кестенің бір жолын толтыра отырып, мұғалім кейбір оқушыларға тақтаға шығып, осы жұмысқа бүкіл сыныпты тарта отырып, келесі жолды толтыруды ұсынады.