Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Приволжский межрегиональный центр повышения квалификации

и профессиональной переподготовки работников образования

Кафедра физики и информационных технологий ЕИ КФУ

Итоговая аттестационная (проектная) работа

Разработка темы «Электрический ток в газах» для общеобразовательной школы

Работа выполнена:

слушателем курсов повышения квалификации учителей физики,

Окулиной Н.И. учителем физики высшей квалификационной категории МБОУ «СОШ №9 с углубленным изучением отдельных предметов» г. Елабуги РТ

Руководитель проекта:

Шурыгин В.Ю.,

доцент. каф. физики и информационных технологий ЕИ КФУ, к.ф.-м.н., доцент

Работа допущена к защите:

Сабирова Ф.М.,

зав. каф. физики и информационных технологий ЕИ КФУ, к.ф.-м.н., доцент

Елабуга, 29февраля -20 марта 2016 года

Содержание

Введение

Модернизация общеобразовательной школы предполагает ориентацию образования не только на усвоение обучающимися определённой суммы знаний, но и на развитие его личности, его познавательных и созидательных способностей.

При таких условиях актуальной становится углубление знаний и умений, направленных на формирование исследовательских, проектных компетентностей учащихся по определенным темам. Одной из таких тем в курсе основной школы, мы считаем, является тема «Электрический ток в газах». К сожалению, в средней школе при изучении темы «Электрический ток в газах» не совсем глубоко рассматривается механизм ионизации, мало времени уделяется решению качественных задач и тестов, что не позволяет учащимся справиться с некоторыми заданиями в ЕГЭ. Выбор темы методико-физического проекта «Электрический ток в газах» определяется возможностью формирования многих универсальных учебных действий на их основе.

Рассматриваемый материал входит в базовый уровень средней школы, часто предлагается на выпускных экзаменах по физике. Решение тестовых заданий по теме «Электрический ток в газах» вызывает у учащихся значительные затруднения. Изучение механизма проводимости в различных средах также имеет специфические трудности. Невозможно показать учащимся ни самих носителей зарядов, ни характера их движения. Эти трудности можно частично преодолеть, если максимально использовать учебные фильмы, интерактивные модели, в которых условно показан характер движения носителей зарядов в различных средах, и кроме того, показаны многие примеры применении приборов и устройств, основанных на этих закономерностях. Изучение темы должно широко опираться на демонстрационный и лабораторный эксперимент.

Решение задач по данной теме предполагает определенный уровень сформированности умений наблюдать, сравнивать, анализировать, выдвигать и проверять гипотезу, обобщать полученные результаты.

Целью проекта является разработка методики изучения темы «Электрический ток в газах» с учетом требований новых ФГОС основного общего образования.

Задачами проекта являются:

- выделение универсальных и специальных предметных учебных действий, формируемых в процессе изучения темы;

- разработка конспекта - технологической карты двух спаренных уроков по теме с выделением формируемых УУД;

- рассмотрение решения тестовых заданий с учетом требований ЕГЭ

В связи с переходом общеобразовательной школы на новый ФГОС при изучении этой темы ставится задача выделения и формирования учебных действий.

-воспитание осознанного отношения к учению, укрепление интереса в изучении физики; о фундаментальных идеях физики; умения, проводить эксперимент, строить гипотезы, модели и аналогии; использовать классическую электронную теорию для объяснения электрического тока в газах;

-знакомство учеников с примерами использования данной теории на практике; знакомство с явлениями природы, например, с молнией.

Изучение темы может быть продолжено как углубленное изучение вопросов, предусмотренных программой основного курса и являющегося развитием системы ранее приобретенных знаний в элективном курсе. Углубление реализуется на базе обучения методам и приемам решения физических задач, требующих применения высокой логической и операционной культуры, развивающих научно-теоретическое и алгоритмическое мышление и направленных на развитие самостоятельной исследовательской деятельности.

1. Методологические основы изучения темы «Электрический ток в газах»

1.1. Цели и задачи изучения темы

Изучение темы «Электрический ток в газах» направлено на достижение следующих целей:

- усвоить, углубить и расширить знания методов, приёмов и подходов к решению качественных и тестовых заданий для качественной подготовки учащихся к ЕГЭ

- формирование интеллектуальных умений и навыков самостоятельной и творческой физической деятельности, определённых новыми государственными стандартами.

Достижение поставленных целей возможно путем решения следующих задач:

- обеспечение прочного и сознательного овладения учащимися системой физических знаний и умений при решении количественных, экспериментальных задач на прохождение электрического тока в газах и его практическое применение;

- обеспечение прочной подготовки к ГИА и ЕГЭ по физике;

- накопление базы задач по теме «Электрический ток в различных средах»

1.2. Требования к знаниям и умениям

В результате изучения темы учащиеся должны уметь выполнять следующие учебные действия:

Личностные результаты обучения:

• сформированность познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей учащихся;

• убежденность в возможности познания природы, в необходимости разумного использования достижений науки и технологий для дальнейшего развития человеческого общества, уважение к творцам науки и техники, отношение к физике как элементу общечеловеческой культуры;

• самостоятельность в приобретении новых знаний и практических умений;

• готовность к выбору жизненного пути в соответствии с

собственными интересами и возможностями;

• мотивация образовательной деятельности школьников на основе личностно-ориентированного подхода;

• формирование ценностных отношений друг к другу, учителю, авторам открытий и изобретений, результатам обучения.

Метапредметные результаты:

• овладение навыками самостоятельного приобретения новых знаний, организации учебной деятельности, постановки целей, планирования, самоконтроля и оценки результатов своей деятельности, умениями предвидеть возможные результаты своих действий;

• понимание различий между исходными фактами и гипотезами для их объяснения, теоретическими моделями и реальными объектами, овладение универсальными учебными действиями на примерах гипотез для объяснения известных фактов и экспериментальной проверки выдвигаемых гипотез, разработки теоретических моделей процессов или явлений;

• формирование умений воспринимать, перерабатывать и предъявлять информацию в словесной, образной, символической формах, анализировать и перерабатывать полученную информацию в соответствии с поставленными задачами, выделять основное содержание прочитанного текста, находить в нем ответы на поставленные вопросы и излагать его;

• приобретение опыта самостоятельного поиска, анализа и отбора информации с использованием различных источников из новых информационных технологий для решения познавательных задач;

• развитие монологической и диалогической речи, умения выражать свои мысли и способности выслушивать собеседника, понимать его точку зрения, признавать право другого человека на иное мнение;

• формирование умений работать в группе, представлять и отстаивать свои взгляды и убеждения, вести дискуссию.

Общие предметные результаты:

• знания о природе физических явлений окружающего мира и понимание смысла физических законов, раскрывающих связь изученных явлений;

• умения пользоваться методами научного исследования явлений природы, проводить наблюдения, планировать и выполнять эксперименты, обрабатывать результаты измерений, представлять результаты измерений с помощью таблиц, формул, обнаруживать зависимости между физическими величинами, объяснять полученные результаты и делать выводы;

• умения применять теоретические знания по физике на практике, решать физические задачи на применение полученных знаний;

• умения и навыки применять полученные знания для решения практических задач повседневной жизни;

• формирование убеждения в закономерной связи и познаваемости явлений природы, в объективности научного знания, в высокой ценности науки в развитии материальной и духовной культуры людей;

• развитие теоретического мышления на основе формирования умений устанавливать факты, различать причины и следствия, строить модели и выдвигать гипотезы, отыскивать и формулировать доказательства выдвинутых гипотез, выводить из экспериментальных фактов и теоретических моделей физические законы;

• коммуникативные умения докладывать о результатах своего исследования, участвовать в дискуссии, кратко и точно отвечать на вопросы, использовать справочную литературу и другие источники информации.

Частные предметные результаты:

• понимание и способность объяснять такие физические явления ионизация, термоэлектронная эмиссия

• владение экспериментальными методами исследования в процессе самостоятельного изучения процесса протекания электрического тока в газах

• понимание смысла основных физических законов и умение применять их на практике;

• понимание принципов образования различных видов электрического разряда: тлеющего, дугового, искрового и коронного

• умение использовать полученные знания, умения и навыки в повседневной жизни.

1.3. Формы контроля

При изучении данной темы могут быть предусмотрены следующие формы контроля:

- промежуточные и итоговые тесты;

- выполнение и защита индивидуальных и групповых проектов по теме «Электрический ток в газах».

- самостоятельное решение задач ЕГЭ

(см. Приложение1)

1.4. Культурно-исторический фон изучения темы

Объединение явлений и закономерностей, связанных с электрическим током в различных средах, в одну тему для их изучения произошло в начале 70-х годов. До этого ни в советской, ни в зарубежной методике физики не разрабатывались рекомендации по изучению тока в различных средах как группы явлений одной физической природы, но отличающихся некоторыми закономерностями и проявлениями.

Методисты России первыми стали разрабатывать такие рекомендации, и этот процесс продолжается до сих пор. О незавершённости разработки методики изучения темы «Электрический ток в различных средах» говорит, например, то, что до сих пор нет единого мнения по структуре этой темы.

Тема «Ток в различных средах» отличается необычайно большим количеством научной и технической информации и широчайшим проникновением во все без исключения области человеческой деятельности от электроники до тиражирования книг и произведений искусства. Все изложенное побудило меня избрать целью работы разработку методических рекомендаций по изучению этой темы в общеобразовательной школе, исходя из концепции единого методического подхода к изучению больших групп физических явлений. При этом, исходя из дидактического принципа «от простого к сложному», логично избирать следующую структуру темы: Электронная теория проводимости (ток в металлах) - ток в вакууме - ток в жидкостях - ток в газах при несамостоятельной проводимости - ток в газах при самостоятельной проводимости - ток в полупроводниках с собственной проводимостью - ток в полупроводниках с примесной проводимостью.

Для достижения поставленной цели были изучены имеющиеся в методической литературе рекомендации по изучению темы «Электрический ток в различных средах», научные основы и история развития темы, разработаны методические рекомендации по изучению некоторых вопросов темы и проверена их эффективность при проведении уроков в 10- х классах средней школы.

1.4.1. Предыстория науки об электрическом токе

С тех пор как немецкий физик и общественный деятель Отто фон Герике в 1670 году изобрёл электростатический генератор, позволяющий получать значительные по величине электрические заряды, физики Европы и Америки увлеклись удивительными по тем временам явлениям. Началось накопление фактов, объяснение которым не могли, а может и не пытались найти. Одним из таких фактов являлась способность электрического заряда перетекать с одного тела на другое. Стефан Грей - член Лондонского Королевского общества в 1729 году, проведя серию экспериментов, пришёл к выводу о существовании проводников и изоляторов. Опыты с электричеством показали, что его можно накапливать его можно «переливать» из одного тела в другое, оно сохраняется, если его не "расплескать" через плохую изоляцию; электричество вызывает боль, сотрясает воздух, разрушает вещество. Совокупность этих фактов вела к мысли о том, что электричество - это некая материальная субстанция.

Теоретическое осмысление электричества было начато американским учёным и общественным деятелем Бенджамином Франклином и продолжено в исследованиях Михаила Ломоносова, Георга Рихмана и Ульриха Эпинуса в России. Но более полным и близким к современным понятиям об электричестве был трактат русского академика Франца Уильриха Эпинуса (1724 - 1802) «Опыт теории электричества и магнетизма», опубликованный в 1759 году. Книга Эпинуса оказала большое влияние на развитие науки об электричестве в Европе, в том числе и на исследования А. Вольта, и содержала учение об электрических и магнитных флюидах, связи электрических и магнитных явлений и, что самое удивительное, убеждение в том, что силы взаимодействия электрических зарядов флюидов, подобно гравитационным силам, убывают обратно пропорционально квадрату расстояния. Предвосхитив этим закон Кулона, Эпинус, однако, не смог найти средства для экспериментального доказательства этого закона.

Несмотря на то, что учёные ХУIII века могли получать электрический ток лишь на очень короткое время протекания заряда от одного тела к другому, к середине века уже были известны основные действия электрического тока. В 1747 году Уотсон передал электричество на расстояние в 6 км, в 1785 - англичанин Нэрн создаёт цепь между полюсами электростатического генератора. В разрывы цепи на разных расстояниях он включает тонкую проволоку и замечает, что она везде одинаково расплавляется. Отсюда он делает вывод: во всех участках цепи проходит одинаковое количество электричества. Кроме теплового действия тока стали известны и химические действия: Ван Трусвик (Голландия) наблюдал электролиз воды; магнитные действия: намагничивание спицы разрядом конденсатора. Однако понятие об электрическом токе ещё не сформировалось.

1.4.2. Возникновение и развитие электронной теории.

Рубежным событием, положившим начало систематическим и фундаментальным исследованиям электрического тока, явилось изобретение века: итальянский физик Алессандро Вольта (1745- 1827 ) создаёт источник постоянного тока, получивший название «вольтов столб». Это случилось в 1800 году.

Уже через год англичане Николсон, Карлейл и Дэви производят электролиз воды, солей и щелочей. После этого открытия следует одно за другим, нарастая как снежный ком: 1820 год - открытие Эрстеда и последующие за ним ошеломительные по количеству и значимости исследования Ампера, в 1821 году Дэви устанавливает зависимость сопротивления провода от его длины и поперечного сечения, в 1826 году Георг Ом даёт первую формулировку знаменитого закона. В 1833 году Фарадей открывает законы электролиза. Но в науке по-прежнему господствует теория электрического флюида и лишь Фарадею приходит мысль о существовании мельчайших частиц - носителей электричества. Однако, понадобился гений Максвелла, чтобы довести до чёткого выражения идею Фарадея. В 1873 году Максвелл опубликовал двухтомный "Трактат по электричеству и магнетизму", который на многие годы стал своеобразной «библией электричества». Кроме концепции электромагнитного поля, составляющей основное содержание трактата, в нём содержится утверждение, основанное на исследованиях Фарадеем электролиза, о существовании элементарного заряда - частицы, которую Максвелл называет молекулярным зарядом и которая, по словам Максвелла, если была бы известна, явилась бы наиболее естественной единицей электричества.

Мысль Максвелла об «атоме электричества» была развита ирландским физиком Георгом Стонеем (1826-1911). Стоней, используя экспериментальные данные опытов Фарадея по электролизу, величину, которую сейчас называют числом Фарадея, и число Авагадро, вычислил величину элементарного заряда - примерно 10-20 Кл и предложил в 1891 году назвать его электроном.

Гипотеза Стонея об электроне была тотчас подхвачена многими учёными и стала использоваться в теоретических построениях раньше, чем он стал физической реальностью, благодаря открытию электрона в катодных лучах Дж. Дж. Томсоном в 1897 году.

Так, уже в 1875 году Голландский физик Гендрик Антон Лоренц в докторской диссертации «К теории отражения и преломления света» выдвигает первые идеи электронной проводимости. Однако ведущую роль сыграло исследование немецкого физика Пауля Друде «К электронной теории металлов», опубликованное в 1900 году. Теория Друде была развита в 1906 году Лоренцом в книге "Теория электричества".

Электронная теория под названием теории Друде - Лоренца быстро получила всеобщее признание, но очень скоро обнаружились трудности в объяснении на основе этой теории некоторых электрических явлений. Наиболее трудным для объяснения оказалось явление сверхпроводимости, открытое в 1911 году голландским физиком Кемерлинг - Оннесом. Строгая теория электропроводности металлов и других веществ была развита лишь после создания квантовой механики.

1.4.3. История исследований электрического тока в газах

Первые наблюдения тока в газах были предприняты В. В. Петровым, но систематические исследования газового разряда были начаты Фарадеем в 1838 году. Примечательно, что Фарадей предвидел огромную роль этих исследований в развитии теории электричества. Однако возможности изучения газового разряда ограничивались отсутствием способов получения достаточно высокой степени разрежения.

В 1859 году немецкий стеклодув Генрих Гейслер, а за ним немецкий физик Плюккер разработали общедоступные способы изготовления газоразрядных трубок Гейслера.

Важнейший шаг в изучении газового разряда сделал немецкий физик Иоганн Гитторф. В работе «Об электрической проводимости газов» в 1869 году он описал необычное свечение, появляющееся у катода при давлении ниже 1 мм рт. ст., которое вызывало флюоресценцию стенок трубки. Открытое Гитторфом свечение было названо катодными лучами.

Английский физик Вильям Крукс, исследуя катодные лучи в течение 1878 - 1879 годов, обнаружил у них все свойства материи: механическое действие, тепловое и магнитное действие, прямолинейность распространения. Называя катодные лучи четвёртым состоянием вещества, Крукс выдвинул гипотезу о том, что они состоят из мельчайших частиц. Гипотеза Крукса не нашла быстрого подтверждения и среди физиков, во главе которых, как ни странно, был Генрих Герц, господствовало мнение о том, что катодные лучи - это невидимое движение в эфире, передаваемое частичкам газа. Но в 1895 году французский физик Жан Перрен ставит фундаментальный эксперимент, которым было доказано, что катодные лучи представляют поток отрицательно заряженных частиц. Но окончательно установить природу катодных лучей можно было лишь путём строго количественных экспериментов, к выполнению которых в 1895 году приступил Дж. Дж. Томсон. Опыты Томсона по отклонению катодных лучей в электрическом и магнитном поле стали образцом наиболее убедительных и точных экспериментов. Их описание вошло почти во все учебники физики.

Путём точного измерения отношения массы частиц катодных лучей к их заряду Томсон со всей убедительностью доказывал, что это отношение на несколько порядков меньше, чем у известного до сих пор иона водорода. Так был открыт электрон.

2. Теоретические основы темы «Электрический ток в газах»

2.1. Самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов

В естественном состоянии газы не проводят электрического тока, т.е. являются диэлектриками. В этом легко убедиться с помощью простого тока, если цепь прервана воздушным промежутком.

Изолирующие свойства газов объясняются тем, что атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными незаряженными частицами. Отсюда ясно, что для того, чтобы сделать газ проводящим, нужно тем или иным способом внести в него или создать в нем свободные носители заряда - заряженные частицы. При этом возможны два случая: либо эти заряженные частицы создаются действием какого-нибудь внешнего фактора или вводятся в газ извне - несамостоятельная проводимость, либо они создаются в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами - самостоятельная проводимость.

В приведенном рисунке гальванометр в цепи показывает отсутствие тока несмотря на приложенное напряжение. Это свидетельствует об отсутствии проводимости газов в обычных условиях.

Нагреем теперь газ в промежутке 1-2 до очень высокой температуры, внеся в него зажженную горелку. Гальванометр укажет появление тока, следовательно, при высокой температуре доля нейтральных молекул газа распадается на положительные и отрицательные ионы. Такое явление называется ионизацией газа.

Если направить в газовый промежуток струю воздуха от маленькой воздуходувки, и на пути струи, вне промежутка, поместить ионизующее пламя, то гальванометр покажет некоторый ток.

Это значит, что ионы не исчезают мгновенно, а перемещаются вместе с газом. Однако при увеличении расстояния между пламенем и промежутком 1-2 ток постепенно ослабевает, а затем исчезает. При этом разноименно заряженные ионы стремятся сблизиться под влиянием силы электрического притяжения и при встрече вновь воссоединяются в нейтральную молекулу. Такой процесс носит название рекомбинации ионов.

Нагревание газа до высокой температуры не является единственные способом ионизации молекул или атомов газа. Нейтральные атомы или молекулы газа могут ионизироваться также и под воздействием других факторов.

Ионная проводимость имеет рад особенностей. Так, нередко положительные и отрицательные ионы представляют собой не единичные ионизированные молекулы, а группы молекул, прилипших к отрицательному или положительному электрону. Благодаря этому, хотя заряд каждого иона равен одному-двум, редко большему числу элементарных зарядов, массы их могут значительно отличаться от масс отдельных атомов и молекул. Этом газовые ионы существенно отличаются от ионов электролитов, представляющих всегда определенные группы атомов. В силу этого различия при ионной проводимости газов не имеют место законы Фарадея, столь характерные для проводимости электролитов.

Второе, также очень важное, отличие ионной проводимости газов от ионной проводимости электролитов состоит в том, что для газов не соблюдается закон Ома: вольтамперная характеристика имеет более сложный характер. Вольтамперная характеристика проводников (в том числе и электролитов) имеет вид наклонной прямой (пропорциональность I и U), для газов она имеет разнообразную форму.

В частности, в случае несамостоятельной проводимости, при небольших значениях U график имеет вид прямой, т.е. закон Ома приближенно сохраняет силу; с ростом U кривая загибается с некоторого напряжения и переходит в горизонтальную прямую.

Это означает, что, начиная с некоторого напряжения, ток сохраняет постоянное значение, несмотря на увеличение напряжения. Это постоянное, не зависящее от напряжения значение силы тока называют током насыщения.

Нетрудно понять смысл полученных результатов. Вначале с ростом напряжения увеличивается число ионов, проходящих через сечение разряда, т.е. увеличивается ток I, ибо ионы в более сильном поле движется с большей скоростью. Однако, как бы быстро не двигались ионы, число их, проходящее через это сечение за единицу времени, не может быть больше, чем общее число ионов, создаваемых в разряде в разряде в единице времени внешними ионизирующим фактором.

Опыты показывают, однако, что если после достижения тока насыщения в газе продолжать значительно повышать напряжение, то ход вольтамперной характеристики внезапно нарушается. При достаточно большом напряжении ток резко возрастает.

Скачок тока показывает, что число ионов сразу резко возросло. Причиной этого является само электрическое поле: оно сообщает некоторым ионам столь большие скорости, т.е. столь большую энергию, что при соударении таких ионов с нейтральными молекулами последние разбиваются на ионы. Общее число ионов определяется теперь не ионизирующим фактором, а действием самого поля, которое может само поддерживать необходимую ионизацию: проводимость из несамостоятельной становится самостоятельной. Описанное явление внезапного возникновения самостоятельной проводимости, имеющее характер пробоя газового промежутка, - не единственная, хотя и весьма важная, форма возникновения самостоятельной проводимости.

2.2. Искровой разряд

При достаточно большой напряженности поля (около 3 МВ/м) между электродами появляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск.

Описанная форма газового разряда носит название искрового разряда или искрового пробоя газа. При наступлении искрового разряда газ внезапно утрачивает свои диэлектрические свойства и становится хорошим проводником. Напряженность поля, при которой наступает искровой пробой газа, имеет различное значение у разных газов и зависит от их состояния (давления, температуры). Чем больше расстояние между электродами, тем большее напряжение между ними необходимо для наступления искрового пробоя газа. Это напряжение называется напряжением пробоя.

Зная, как зависит напряжение пробоя от расстояния между электродами какой-либо определенной формы, можно измерить неизвестное напряжение по максимальной длине искры. На этом основано устройство искрового вольтметра для грубой больших напряжений.

Он состоит из двух металлических шаров, закрепленных на стойках 1 и 2, 2-я стойка с шаром может приближаться или удаляться от первой при помощи винта. Шары присоединяют к источнику тока, напряжение которого требуется измерить, и сближают их до появления искры. Измеряя расстояние при помощи шкалы на подставке, можно дать грубую оценку напряжению по длине искры (пример: при диаметре шара 5 см и расстоянии 0,5 см напряжение пробоя равно 17,5 кВ, а при расстоянии 5 см - 100 кВ).

Возникновение пробоя объясняется следующим образом: в газе всегда есть некоторое число ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. При достаточно большой напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом в промежутке между двумя соударениями, может сделаться достаточной, чтобы ионизировать нейтральную молекулу при соударении. В результате образуется новый отрицательный электрон и положительно заряженный остаток - ион.

Свободный электрон 1 при соударении с нейтральной молекулой расщепляет ее на электрон 2 и свободный положительный ион. Электроны 1 и 2 при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами снова расщепляет их на электроны 3 и 4 и свободные положительные ионы, и т.д.

Такой процесс ионизации называют ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно затратить, чтобы произвести отрывание электрона от атома - работой ионизации. Работа ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов.

Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивает число зарядов в газе, причем в свою очередь они приходят в движение под действием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новых атомов. Таким образом, процесс усиливает сам себя, и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Явление аналогично снежной лавине, поэтому этот процесс был назван ионной лавиной.

Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя, а то минимальное напряжение, при котором возникает ионная лавина, есть напряжение пробоя.

Таким образом, при искровом пробое причина ионизации газа заключается в разрушении атомов и молекул при соударениях с ионами (ударная ионизация).

2.3. Молния

Красивое и небезопасное явление природы - молния - представляет собой искровой разряд в атмосфере.

Уже в середине 18-го века обратили внимание на внешнее сходство молнии с электрической искрой. Высказалось предположение, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. На это указывал, например, русский физик и химик Михаил Васильевич Ломоносов (1711-65), наряду с другими научными вопросами занимавшийся атмосферным электричеством.

Это было доказано на опыте 1752-53 г.г. Ломоносовым и американским ученым Бенджамином Франклином (1706-90), работавшими одновременно и независимо друг от друга.

Ломоносов построил «громовую машину» - конденсатор, находившийся в его лаборатории и заряжавшийся атмосферным электричеством посредством провода, конец которого был выведен из помещения и поднят на высоком шесте. Во время грозы из конденсатора можно было рукой извлекать искры.

Франклин во время грозы пустил на бечевке змея, который был снабжен железным острием; к концу бечевки был привязан дверной ключ. Когда бечевка намокла и сделалась проводником электрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры, зарядить лейденские банки и проделать другие опыты, производимые с электрической машиной (Следует отметить, что такие опыты чрезвычайно опасны, так как молния может ударить в змей, и при этом большие заряды пройдут через тело экспериментатора в Землю. В истории физики были такие печальные случаи. Так погиб в 1753 г. в Петербурге Г.В. Рихман, работавший вместе с Ломоносовым).

Таким образом, было показано, что грозовые облака действительно сильно заряжены электричеством.

Разные части грозового облака несут заряды различных знаков. Чаще всего нижняя часть облака (отраженная к Земле) бывает заряжена отрицательно, а верхняя - положительно. Поэтому, если два облака сближаются разноименно заряженными частями, то между ними проскакивает молния. Однако грозовой разряд может произойти и иначе. Проходя над Землей, грозовое облако создает на ее поверхности большие индуцированные заряды, и поэтому облако и поверхность Земли образуют две обкладки большого конденсатора. Разность потенциалов между облаком и Землей достигает огромных значений, измеряемых сотнями миллионов воль, и воздухе возникает сильное электрическое поле. Если напряженность этого поля делается достаточно большой, то может произойти пробой, т.е. молния, ударяющая в Землю. При этом молния иногда поражает людей и вызывает пожары.

Согласно многочисленным исследованиям, произведенным над молнией, искровой заряд характеризуется следующими примерными числами: напряжение (U) между облаком и Землей 0,1 ГВ (гигавольт);

сила тока (I) в молнии 0,1 МА (мегаампер);

продолжительность молнии (t) 1 мкс (микросекунда);

диаметр светящегося канала 10-20 см.

Гром, возникающий после молнии, имеет такое же происхождение, как и треск при проскакивании лабораторной искры. Именно, воздух внутри канала молнии сильно разогревается и расширяется, отчего и возникают звуковые волны. Эти волны, отражаясь от облаков, гор, и т.п., часто создают длительное эхо - громовые раскаты.

2.4. Коронный разряд

Возникновение ионной лавины не всегда приводит к искре, а может вызвать и разряд другого типа - коронный разряд.

Натянем на двух высоких изолирующих подставках металлическую проволоку ab, имеющую диаметр несколько десятых миллиметра, и соединим ее с отрицательным полюсом генератора, дающего напряжение несколько тысяч вольт. Второй полюс генератора отведем к Земле. Получится своеобразный конденсатор, обкладками которого являются проволока и стены комнаты, которые, конечно, сообщаются с Землей.

Поле в этом конденсаторе весьма неоднородно, и напряженность его вблизи тонкой проволоки очень велика. Повышая постепенно напряжение и наблюдая за проволокой в темноте, можно заметить, что при известном напряжении возле проволоки появляется слабое свечение (корона), охватывающее со всех сторон проволоку; оно сопровождается шипящим звуком и легким потрескиванием. Если между проволокой и источником включен чувствительный гальванометр, то с появлением свечения гальванометр показывает заметный ток, идущий от генератора по проводам к проволоке и от нее по воздуху комнаты к стенам, между проволокой и стенами переносится ионами, образованными в комнате благодаря ударной ионизации. Таким образом, свечение воздуха и появление тока указывает на сильную ионизацию воздуха под действием электрического поля. Коронный разряд может возникнуть не только вблизи проволоки, но и у острия и вообще вблизи любых электродов, возле которых образуется очень сильное неоднородное поле.

2.5. Применение коронного разряда

Электрическая очистка газов (электрофильтры). Сосуд, наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным, если внести в него острые металлические электроды, соединенные с электрической машиной, а все твердые и жидкие частицы будут осаждаться на электродах. Объяснение опыта заключается в следующем: как только и проволоки зажигается корона, воздух внутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы прилипают к частицам пыли и заряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическое поле, заряженные частицы пыли движутся под действием поля к электродам, где и оседают.

Счетчики элементарных частиц. Счетчик элементарных частиц Гейгера - Мюллера состоит из небольшого металлического цилиндра, снабженного окошком, закрытым фольгой, и тонкой металлической проволоки, натянутой по оси цилиндра и изолированной от него. Счетчик включают в цепь, содержащую источник тока, напряжение которого равно нескольким тысячам вольт. Напряжение выбирают необходимым для появления коронного разряда внутри счетчика.

При попадании в счетчик быстро движущегося электрона последний ионизирует молекулы газа внутри счетчика, отчего напряжение, необходимое для зажигания короны, несколько понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный ток. Чтобы обнаружить его, в цепь вводят очень большое сопротивление (несколько мегаом) и подключают параллельно с ним чувствительный электрометр. При каждом попадании быстрого электрона внутрь счетчика листка электрометра будут откланяться.

Подобные счетчики позволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся частицы, способные производить ионизацию путем соударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них даже одной частицы и позволяют поэтому с полной достоверностью и очень большой наглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарные заряженные частицы.

Громоотвод. Подсчитано, что в атмосфере всего земного шара происходит одновременно около 1800 гроз, которые дают в среднем около 100 молний в секунду. И хотя вероятность поражения молнией какого-либо отдельного человека ничтожно мала, тем не менее молнии причиняют немало вреда. Достаточно указать, что в настоящее время около половины всех аварий в крупных линиях электропередачи вызывается молниями. Поэтому, защита от молнии представляет собой важную задачу.

Ломоносов и Франклин не только объяснили электрическую природу молнии, но и указали, как можно построить громоотвод, защищающий от удара молнии. Громоотвод представляет собой длинную проволоку, верхний конец которой заостряется и укрепляется выше самой высокой точки защищаемого здания. Нижний конец проволоки соединяют с металлическим листом, а лист закапывают в Землю на уровне почвенных вод. Во время грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды и у поверхности Земли появляется большое электрическое поле. Напряженность его очень велика около острых проводников, и поэтому на конце громоотвода зажигается коронный разряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и молнии не происходит. В тех же случаях, когда молния все же возникает (а такие случаи очень редки), она ударяет в громоотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя вреда зданию.

В некоторых случаях коронный разряд с громоотвода бывает настолько сильным, что у острия возникает явно видимое свечение. Такое свечение иногда появляется и возле других заостренных предметов, например, на концах корабельных мачт, острых верхушек деревьев, и т.д. Это явление было замечено еще несколько веков тому назад и вызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимавших истинной его сущности.

2.6. Электрическая дуга

В 1802 году русский физик В.В. Петров (1761-1834) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскалятся добела, испуская ослепительный свет.

Простейший прибор получения электрической дуги состоит из двух электродов, в качестве которых лучше брать не древесный уголь, а специально изготавливаемые стержни, получаемые прессованием смеси графита, сажи и связующих веществ. Источником тока может служить осветительная сеть, в которую для безопасности включается реостат.

Заставляя гореть дугу при постоянном токе в сжатом газе (20 атм), удалось довести температуру конца положительного электрода до 5900°С, т.е. до температуры поверхности солнца. Еще более высокой температурой обладает столб газов и паров, обладающий хорошей электрической проводимостью, через который идет электрический заряд. Энергичная бомбардировка этих газов и паров электронами и ионами, подгоняемыми электрическим полем дуги, доводит температуру газов в столбе до 6000-7000°С. Такая сильная ионизация газа возможна только благодаря тому, что катод дуги испускает очень много электронов, которые своими ударами ионизирую газ в разрядном пространстве. Сильная электронная эмиссия с катода обеспечивается тем, что катод дуги сам накален до очень высокой температуры (от 2200 до 3500°С). Когда для зажигания дуги угли приводятся в соприкосновение, то в месте контакта, обладавшем очень большим сопротивлением, выделяется почти все джоулево тепло проходящего через угли тока. Поэтому концы углей сильно разогреваются, и этого достаточно для того, чтобы при их раздвижении между ними вспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накаленном состоянии самим током, проходящим через дугу. Главную роль в этом играет бомбардировка катода падающими на него положительными ионами.

Вольтамперная характеристика дуги носит совершенно своеобразный характер. В дуговом разряде при увеличении тока напряжение на зажимах дуги уменьшается, т.е. дуга имеет падающую вольтамперную характеристику.

2.7. Применение дугового разряда

Освещение. Вследствие высокой температуры электроды дуги испускают ослепительный свет (свечение столба дуги слабее, так как излучающая способность газа мала), и поэтому электрическая дуга является одним из лучших источников света. Она потребляет всего около 3 Вт на канделу и является значительно более экономичной, нежели наилучшие лампы накаливания. Электрическая дуга впервые была использована для освещения в 1875 году русским инженером-изобретателем П.Н. Яблочкиным (1847-1894) и получила название «русского света» или «северного света». Сварка. Электрическая дуга применяется для сварки металлических деталей. Свариваемые детали служат положительным электродом; касаясь их углем, соединенным с отрицательным полюсом источника тока, получают между телами и углем дугу, плавящую металл. Ртутная дуга. Большой интерес представляет ртутная дуга, горящая в кварцевой трубке, так называемая кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд происходит не в воздухе, а в атмосфере ртутного пара, для чего в лампу вводят небольшое количество ртути, а воздух откачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат ультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическим действием. Чтобы можно было использовать это излучение, лампу делают не из стекла, которое сильно поглощает УФО, а из плавленого кварца. Ртутные лампы широко используют при лечении разнообразных болезней, а также при научных исследованиях как сильный источник ультрафиолетового излучения.

2.8. Тлеющий разряд

Возникает при низком давлении. Схема эксперимента: в стеклянную трубку длиной 30-50 см впаяны электроды, к которым прикладывается постоянное напряжение в несколько сот вольт. При атмосферном давлении такое напряжение недостаточно для пробоя газа и трубка остается темной. • При давлении p ≈ 50 мм рт. ст. наблюдается разряд в виде шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При понижении давления шнур утолщается. • При p ≈ 2-3 мм рт. ст. свечение заполняет всю трубку. При давлении 0,1-0,01 мм рт. ст разряд имеет вид, изображенный на рисунке. Основные причины: вторичная электронная эмиссия электронов из катода и ударная ионизация молекул газа электронами. 1 - Астоново темное пространство, названное в честь Ф. Астона (1877 - 1945), впервые наблюдавшего его. В этой области электроны, исходящие из катода, еще не успевают приобрести скорости, достаточной для возбуждения атомов и молекул. 2 - Первое катодное свечение (катодная пленка). В этой области происходит возбуждение атомов и молекул ударами электронов, но еще нет ионизации. Возвращаясь в исходное состояние, возбужденные атомы излучают световые кванты, что и объясняет свечение. 3 - Катодное темное пространство (круксово темное пространство). На самом деле оно не совсем темное, но кажется таким на фоне примыкающих к нему более светлых областей разряда. В этой части пространства начинается ударная 2 ионизация атомов и молекул и нарастание электронных лавин. Из-за возможности ионизации уменьшается вероятность возбуждения атомов, с чем связано ослабление свечения газа. Область темного катодного темного пространства очень важна, так как созданные здесь положительные ионы обеспечивают необходимую эмиссию электронов с катода. Образовавшиеся ионы вначале имеют малую скорость и в катодном темном пространстве создается положительный пространственный заряд, что приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала. 4. Тлеющее свечение. - Электроны, возникшие в катодном темном пространстве, проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов и суммарным пространственным зарядом, близким к нулю. Поэтому напряженность поля здесь очень мала. Благодаря высокой концентрации электронов и ионов в области тлеющего свечения идет интенсивный процесс рекомбинации электронов и положительных ионов, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Тлеющее свечение имеет резкую границу со стороны катода, возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. Свечение возникает также вследствие излучения возбужденных атомов. 5 - Фарадеево темное пространство. В эту область электроны и ионы проникают за счет диффузии (не долетают быстрые электроны электронных лавин). Вследствие меньшей концентрации заряженных частиц вероятность рекомбинации в фарадеевом темном пространстве резко падает. Поэтому фарадеево пространство и кажется темным. Перечисленные пять областей называются катодными частями разряда. Именно в этой области происходят все процессы, необходимые для поддержания разряда. 6 - Положительный столб разряда. В фарадеевом темном пространстве уже имеется поле. Отсюда электроны проникают в область положительного столба. В области положительного столба концентрация электронов и ионов примерно одинакова и очень велика. Свечение в положительном столбе возникает в основном за счет рекомбинации электронов с положительными ионами. Цвет свечения зависит от природы газа: - • При дальнейшем понижении давления, меньших 0,1-0,01 мм рт.ст., электронный пучок движется в трубке почти без столкновений. Такие электронные пучки получили исторически название катодных лучей. Па свечение газа ослабевает, но возникает свечение стенок трубки - катодолюминесценция. Так как концентрация молекул остаточного газа мала, электроны, ускоренные полем, преимущественно ударяются о стеклянные стенки трубки, вызывая их свечение. Катодные лучи используются в рентгеновских трубках для получения рентгеновских лучей. 3 Если в катоде газоразрядной трубки сделать узкий канал, часть положительных ионов проникает в пространство за катодом и образует резко ограниченный пучок ионов, называемый каналовыми лучами. Именно так впервые был получены пучки положительных ионов. Применение: лампы дневного света - в трубке пары ртути; газосветные трубки - неон дает красный свет, аргон - синевато-зеленый.

3. Проектирование урока по требованиям новых

образовательных стандартов

3.1. Место и значение темы «Электрический ток в газах»

Различные авторы учебников предлагают различную последовательность и структуру изучения темы "Постоянный электрический ток".

Можно выделить 3 основных подхода к делению материала темы:

На мой взгляд, наиболее целесообразными являются подходы, которые реализуются в комплектах учебников Мякишева Г.Я., Буховцева Б.Б. (базовый уровень, 10 класс), МякишеваГ.Я., Синякова А.З. (профильный уровень, 10-11 класс), учебник под ред. Пинского А.А. (профильный уровень, 10 класс), а также в учебнике Громова С.В. под ред. Шароновой Н.В. (базовый уровень, 10 класс). Связано это с тем, что в других вариантах недостаточно полно раскрываются закономерности протекания тока в различных средах, у учащихся невозможно сформировать целостную картину представлений о постоянном электрическом токе, в силу незавершенности материала темы и отнесении некоторой его части в другие разделы (например, в учебнике Касьянова А.В. материал о полупроводниках дается в главе "Электромагнетизм", в учебнике Л.Э. Генденштейна и Ю.И. Дика темы "Электрический ток в различных средах" как таковой нет вообще).

Такое разделение, с одной стороны, этого материала оправдано, т.к. оно имеет более широкое применение, чем всё остальное, и первоначальное рассмотрение электронной теории, а уже затем основных законов протекания тока в металлах вполне логично. Но с другой стороны, в этом случае металлы выносятся в обособленную группу веществ, и нарушается целостность восприятия картины протекания тока в различных средах, затрудняется возможность сравнения их характеристик и закономерностей, хотя это также важно для полного усвоения материала темы.

Применение различных подходов к изучению данной темы наиболее целесообразно применять дифференцированно : одни в классах технического профиля, другие в гуманитарных классах, третьи- в классах биолого-химического профиля.

Рассматриваемая тема «Электрический ток в газах» относится ко второй части. К этому моменту обучающиеся уже имеют понятие: что такое электрический ток; знают причины возникновения и условия, необходимые для его существования, основные законы постоянного электрического тока, его основные характеристики. Из второй части данного раздела обучающиеся уже имеют представление об электрическом токе в металлах, полупроводниках, вакууме и электролитах. Теме «Электрический ток в газах» по плану отводится два часа. Первый урок данной темы посвящен формированию у обучающихся понятий электрического тока в газах, газового разряда, ионизации и рекомбинации газов, а также развитию представления о способах ионизации и ионно-электронной проводимости газов. На втором уроке будут рассмотрены виды и типы газовых разрядов, и их техническое применение. Изучение механизма проводимости в различных средах также имеет специфические трудности. Невозможно показать учащимся ни самих носителей зарядов, ни характера их движения. Эти трудности можно частично преодолеть, если максимально использовать учебные фильмы, интерактивные модели, в которых условно показан характер движения носителей зарядов в различных средах, и кроме того, показаны многие примеры применении приборов и устройств, основанных на этих закономерностях. Изучение темы должно широко опираться на демонстрационный и лабораторный эксперимент.

В основу изучения тока в различных средах положена единая методическая концепция, основанная на сопоставлении зависимости силы тока от напряжения и механизма проводимости в этих средах. Электрический ток в металлах, газах, полупроводниках и других средах существенно различается как носителями зарядов, так и характером их движения. В то же время электрический ток во всех средах имеет общую черту: он представляет собой упорядоченный поток заряженных частиц. В связи с этим необходимо при изучении тока в каждой новой среде сравнивать его с током в других средах. Это определяет единый план изучения тока в каждой среде: выясняют природу носителей зарядов; характер их движения; зависимость силы тока от напряжения (вольт-амперную характеристику); принцип действия приборов, устройств, основанных на закономерностях тока в этих средах; технологические процессы.

3.2. Единый подход к изучению электрического тока в газах

Методика изучения электрического тока в газах разработана достаточно подробно и не вызывает серьёзных методических затруднений. Однако, по сложившейся традиции во всех учебных пособиях по физике процессы несамостоятельной и самостоятельной проводимости в газах изображаются на одном графике вольт амперной характеристики. Это может привести к глубокому заблуждению о том, что механизмы несамостоятельной и самостоятельной проводимости аналогичны. Но эти механизмы принципиально отличаются друг от друга, как и отличаются условия возникновения электрического тока в газах. Поэтому целесообразнее рассматривать электропроводность газов как два отдельных случая электрического тока в различных средах: ток в газах с несамостоятельной проводимостью и ток в газах с самостоятельной проводимостью. Такое разделение оправдано ещё и потому, что для этих случаев существенно отличаются механизм ионизации газа, зависимость силы тока от напряжения и ряд других явлений, связанных с прохождением тока в газах. При таком раздельном изучении тока в газах естественно будет и рассмотрение отдельно графиков вольтамперных характеристик для тока при несамостоятельной проводимости и для самостоятельной проводимости. В случае несамостоятельной проводимости обращают внимание учащихся на то, что для несамостоятельной проводимости характерно явление тока насыщения, как это наблюдалось для тока в вакууме. Величина этого тока зависит от интенсивности (производительности) внешнего ионизатора. Во втором случае (для самостоятельного разряда) следует обратить внимание на то, что ток возникает лишь при определённом значении напряжения между электродами газоразрядного прибора. Напряжение зажигания зависит от многих условий, главными из которых является степень разреженности газа (величина давления) и состав газа (потенциал ионизации). Следует так же обратить внимание на большую крутизну вольт - амперной характеристики, что свидетельствует о лавинообразном характере процесса. Такое различие в характере вольт -амперных характеристик даёт основание для анализа путём сравнения и сопоставления процессов, происходящих в газах при несамостоятельной и самостоятельной проводимости. В соответствии с концепцией единого методического подхода к изучению электрического тока в различных средах.

3.3. Обоснование целесообразности использования интерактивной доски при изучении темы "Электрический ток в газах"

Изучение темы "Электрический ток в газах", как и других тем, имеет свои особенности. Так, главной проблемой, на мой взгляд, является невозможность демонстрации учащимся внутренних механизмов протекания тока, при том, что "внешние проявления" протекания электрического тока учащимся хорошо известны, и они сталкиваются с ними каждый день. При изучении закономерностей протекания электрического тока в различных средах (будь то металл, жидкость, газ, вакуум или полупроводник) учащимся невозможно показать ни самих носителей зарядов, о которых так много говорится, ни тем более характера их движения. Эти трудности можно частично преодолеть, если максимально использовать учебные фильмы, различные интерактивные модели, в которых хотя бы условно показан характер движения носителей зарядов в различных средах. К тому же, на данный момент подобных электронных образовательных ресурсов великое множество. Также учащимся полезно будет познакомиться с устройством различных приборов, использующих закономерности протекания тока в различных средах, и посмотреть на их непосредственное применение, что опять же невозможно сделать в связи с отсутствием подобного оборудования в школе. Подобные видеоролики существуют, причем как в виде натурных съемок, так и смоделированных на компьютере. И ещё в этой теме разработано большое количество интерактивных опытов и лабораторных работ, которые не могут быть заменены натурным физическим экспериментом, опять же в связи с отсутствием соответствующего оборудования, позволяющего проводить эти исследования из-за его опасности, несовместимости со школьным кабинетом физики.

В связи с тем, что всё вышеперечисленное имеет отношение к реализации общеметодического принципа наглядности в обучении, а интерактивная доска - уникальное средство для реализации этого принципа, считаю необходимым применение интерактивных технологий при изучении данной темы. Демонстрация опытов, принципиальных схем приборов, механизмов возникновения и протекания тока через картинки и видеозаписи на интерактивной доске, с учетом возможности остановки кадра и внесения пометок, поправок, позволит учащимся лучше и глубже понять материал темы.

Также, интерактивная доска поможет здесь в плане экономии времени урока за счет простого и быстрого создания рисунков, электрических схем, вольтамперных характеристик и т.д., которых в данной теме очень много, и фактически, они являются одними из основных элементов знаний наряду с математическими выражениями законов. Причем, всё это потребуется как при изучении нового материала, так и на этапах закрепления и контроля знаний.

На мой взгляд, при изучении данной темы необходима опора на аналогии и нахождение общих черт в закономерностях протекания тока в различных средах, а использование интерактивной доски даёт прекрасную возможность коллективного обсуждения результатов экспериментов, группировки различных явлений и процессов по общим признакам, составления обобщающих таблиц, блок-схем и т.д.

И, конечно же, тема "Электрический ток в газах" не является исключением в плане использования присущих всем предметам преимуществ изучения материала с интерактивной доской.

3.4. Технологическая карта урока «Электрический ток в газах»

Тема «Электрический ток в газах»

Класс: 11

Цель урока: Продолжить работу над формированием ключевых компетенций учащихся- учебно-познавательной, ценностно-смысловой и информационной - в процессе исследования электрического тока в различных средах (металлах, газах, жидкостях и вакууме).

Задачи урока:

обучающие: сформировать представление об электрическом разряде в газе, ионизации газа, проводимости газов, несамостоятельном разряде, видах самостоятельных электрических разрядов, умение описывать и объяснять условия и процесс протекания электрического разряда в газах; познакомить учащихся с проявлениями газовых разрядов в природе и технике.

развивающие: овладение эвристическими методами решения проблем и креативными навыками продуктивной деятельности: получением знаний непосредственно из реальности; совершенствование умения логически и образно мыслить, уметь делать выводы из наблюдений; формирование функциональной грамотности: умение отличать факты од домыслов.

воспитательные: воспитание самостоятельности, любознательности, активности, мотивировать воспитанников к научному познанию.

Тип учебного занятия: урок приобретения новых знаний

Продолжительность: 2 спаренных урока

Формы работы: фронтальная, индивидуальная, парная, групповая

Средства обучения, дидактическое обеспечение урока : Проектор, интерактивная доска, электрометр, диски плоского конденсатора, газоразрядные трубки, светильник плазменный, электроды, генератор Тесла ,презентация «Электрический ток в газах», учебник В.А Касьянов,11 класс,-М., Дрофа 2015 год, дидактические карточки.

Планируемые образовательные результаты

Предметные : Сформировать умения постановки целей деятельности, планировать собственную деятельность для достижения поставленных целей, развивать способности ясно и точно излагать свои мысли, представление об электрическом токе и газе, ионизации газа, несамостоятельном разряде, видах самостоятельного электрического разряда, умения описывать и объяснять условия и процесс протекания электрического разряда в газах.

Мета предметные : Самостоятельность в приобретении новых знаний; убежденность в возможности познания природы, в необходимости разумного использования достижений науки и технологий для дальнейшего развития человеческого общества; приобрести опыт работы в коллективе с выполнением различных социальных ролей.

Личностные: Осознание единства и целостности окружающего мира, возможности его познаваемости и объяснимости на основе достижений науки; построение собственного целостного мировоззрения на основе изученных фактов; осознание потребности и готовности к самообразованию, в том числе и в рамках самостоятельной деятельности вне школы.

Организационная структура урокаЭтап урока

Задачи этапа

Деятельность учителя

Деятельность учащихся

УУД

1.Организационный момент (1мин)

Создать благоприятный настрой на работу

Приветствие учащихся, организация внимания.

Включение в деловой ритм урока.

Личностные: мобилизация внимания.

Регулятивные: саморегуляция

Коммуникативные: уважение к окружающим.

2.Актуализация знаний (3мин.)

Актуализация опорных знаний

Работа с эпиграфом урока: «Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь, чему учиться»

Леонардо да Винчи

Высказывание своих мнений по эпиграфу

Личностные: высказывание своего мнения по эпиграфу

Коммуникативные: сотрудничество с учителем, сверстниками в ходе высказывания мнений по эпиграфу

3.Постановка проблемы урока (мотивация и целеполагание)

(7 мин).

Подвести учащихся к самостоятельной формулировке темы и целей урока

Видеофрагмент «Молния», отрывки из литературных приложений о молнии

(слайд 2 и 3 презентации).

Вопросы: Для какой цели был показан видеофрагмент и слайды презентации?

О чем мы будем говорить на уроке?

Назовите цели нашей совместной работы.

Запишем тему урока и подготовим граф-схему.

Тема: «Электрический ток в газах»Хочу узнать

Я знаю(…)

Узнал

Высказывают мнения по заданным вопросам. Записывают тему урока в тетрадях. Формулируют цели урока.

Чертят граф -схему

Регулятивные: целеполагание;

Коммуникативные: умение с достаточной плотностью выражать свои мысли

Познавательные:

Формулирование познавательных целей

4. Изучение нового материала (35 минут)

Организация работы детей по усвоению нового материала

Вспомним, что называется электрическим током? Какие частицы являются носителями электрического тока в металлах?

Сегодня мы выясним, какие частицы являются носителями электрического заряда в газах.

1. Электрический разряд в газах

Опыт 1,2

В естественном состоянии газ - диэлектрик:

Нагреем воздух между дисками пламени. Изменится ли положение стрелки электрометра? (схема опыта в Приложении 1)

Нагретый воздух между дисками стал проводником и в нем появляется электрический ток.

Электрический ток в газах называют газовым разрядом

2.Ионизация газа

Что показывает рассмотренный выше опыт?

В воздухе между дисками под действием пламени появились заряженные частицы. Тщательными исследованиями было установлено, что носителями электрического тока в газах являются ионы и электроны.

Распад молекул газа на электроны и ионы называется ионизацией газа. (слайд № 4)

Только ли нагреванием можно вызвать ионизацию газа?

Нейтральные атомы и молекулы могут ионизоваться под воздействием других факторов: рентгеновскими, ультрафиолетовыми лучами и т.п.

Процесс обратный ионизации называется рекомбинацией. (слайд № )

Самопроизвольно ли появляются носители электрического заряда или мы создает какие-то специальные условия?

3. Несамостоятельный разряд

Прохождение электрического тока при постоянном воздействии на газ внешнего ионизатора представляет собой несамостоятельный разряд.

4. Самостоятельный разряд

Может ли получиться самостоятельный разряд?

Разряд, происходящий без внешнего ионизатора, называется самостоятельным.

5.Различные типы самостоятельных разрядов и условия их протекания.

1.Тлеющий разряд

(слайд №6)

Опыт 3. (свечение неона, криптона)

2. Дуговой разряд

(слайд № 9)

3. Коронный разряд

Опыт 4. Генератор Тесла

4. Искровой разряд

Опыт 5. Разряд от электрофорной машины

5. Плазма- четвертое состояние вещества

Опыт 6. Плазменный шар

Отвечают на вопросы. Участвуют в проведении эксперимента.

Запись в тетрадях.

Отвечают на вопрос учителя (предполагаемый ответ: Для того, чтобы газ стал проводником, необходимо создать в нем свободные заряженные частицы, то есть превратить нейтральные атомы в ионы.

Ответы на вопрос.

Ответы на вопрос.

Ответы на вопрос.

Выступление заранее подготовленного учащегося.

Выступление заранее подготовленного учащегося.

Выступление заранее подготовленного учащегося.

Выступление заранее подготовленного учащегося.

Выступление заранее подготовленного учащегося.

Познавательные:

Выделение существенных характеристик объекта.

Личностные: Определение личностной ценности изучаемых понятий.

Коммуникативные:

Умение слушать и вступать в диалог. Умение выражать свои мысли. Владение речью.

5.Закрепление изученного материала (23мин)

Отработка умений применять полученные знания и их классифицировать

Используя Приложения

Заполните таблицу.

Учащиеся по заранее розданному материалу приложений о видах разрядов в парах составляют таблицу

Познавательные: смысловое чтение, поиск нужной информации

Коммуникативные:

Умение работать в паре

Личностные: смыслообразование:

Границы собственного знания и «незнания».

6.Проверка полученных результатов, коррекция (10 минут)

Выявить ошибки и коррекция знаний

Организует беседу по проделанной работе, предлагает найти ошибки. Предлагает просмотр слайдов для коррекции.

Проверяют работы, находят ошибки, используя слайды презентации

Познавательные:

структуирование знаний

Регулятивные: оценка полученных результатов работы, внесение определенных коррективов,

Личностные:

Нравственно-этическое оценивание

7.Закрепление изученного материала.

(7 мин)

Отработка умений по составлению фраз с терминологией по теме.

Составьте несколько предложений с использованием терминологии сегодняшнего урока.

Исходя из предпочитаемой вами будущей специальности где и как изученные вами разряды могут по- вашему применяться?

Участвуют во фронтальной беседе.

Личностные: самооценка

Регулятивные: оценка своих результатов

Познавательные: применение полученных знаний

8. Подведение итогов урока. Рефлексия

(5 мин.)

Провести рефлексию по проведенному занятию

Показывает оценочный слайд презентации, выставляет оценки за урок.

Учащиеся оценивают свою активность и усвоенность материала на уроке по слайду презентации.

Регулятивные: осознание уровня и качества усвоения, контроль

Коммуникативные: умение с достаточной полнотой и точностью выражать свои мысли

3.5. Электронная презентация урока «Электрический ток в газах»

1

Актуализация знаний

Слайд 1-2

2

Постановка проблемы урока (мотивация и целеполагание)

Слайд 3-6

3

Изучение нового материала

Слайды 7-18

4

Закрепление изученного материала

Слайд 19

5

Проверка полученных результатов, коррекция

Слайд 19

6

Закрепление изученного материала

Слайды 20-42

7.

Рефлексия

Слайд 43

Домашняя работа

Слайд 44

Заключение

Сегодня, в условиях перехода к новым образовательным стандартам общего образования, многие учителя задаются вопросами о сущности и отличительных особенностях стандарта нового поколения, о видах универсальных учебных действий, о способах формирования их средствами предмета на своих уроках, наконец, о способах контроля и мониторинга УУД. Учитель хочет точно знать, что следует делать на каждом уроке физики, чтобы формировать регулятивные, познавательные и другие универсальные учебные действия.

Тема «Электрический ток в газах», изучаемая в главе «Постоянный электрический ток», является одной из важных и трудных тем в курсе физики средней школы. Проектная работа была посвящена разработке методических подходов в процессе преподавания темы «Электрический ток в газах», представлен единый подход к изучению электрического тока в газах, обоснована целесообразность использования интерактивной доски при изучении данной темы, предложены качественные и тестовые задания на этапе контроля усвоения знаний в условиях внедрения новых образовательных стандартов.

В процессе разработки проекта были:

- выделены универсальные (по четырем блокам: 1) личностные; 2) регулятивные; 3) познавательные; 4) коммуникативные) и специальные предметные учебные действия, формируемые в процессе изучения темы, показана связь УУД и специальных предметных учебных действий;

- разработаны план-конспект и технологическая карта урока по теме с выделением формируемых УУД;

По аналогии с образцом, предложенной технологической карты учителя смогут проектировать формируемые на каждом уроке универсальные учебные действия, отображать в своей деятельности и в конспектах урока связь универсальных учебных действий и специальных предметных учебных действий, строить системы заданий, формирующие универсальные учебные действия.

Планируется использование различных форм активного обучения и форм контроля, ориентирующих учащихся на приобретение высокого уровня общей и специальной подготовки по физике, прочных знаний и умений, необходимых для успешной сдачи единого государственного экзамена по физике.

Список использованной литературы

1. Примерные программы основного общего образования. Физика. Естествознание. - «Просвещение», 2010 г.;

2. О стандарте второго поколения. - Статья А.А. Кузнецова, «Физика в школе», №2 2009 г.;

3. Примерная программа для 10-11 классов старшей школы. Проект. - «Физика в школе», №5 2009 г.;

4. Курс физики основной школы в стандартах второго поколения. - Статья М.Ю. Демидова, «Физика в школе», №7 2011 г.;

5. Новое в деятельности учителя физики: готовимся к внедрению стандартов второго поколения. - Н.С. Пурышева и др., «Физика в школе», №1 2012 г.;

6. Аствацатуров, Г.О. Дизайн мультимедийного урока: методика, технологические приемы, фрагменты уроков. - Волгоград: Учитель, 2009. -133с. - ISBN 978-5-7057-2029-3. - 5000экз.

7. Басова. О.А. Фрагменты занятия на тему «Электрический ток в средах» / О.А.Басова // - Физика в школе- №7 -2005- С.23-28

8. Волков, В.А. Универсальные поурочные разработки по физике: 10 класс. - М.: ВАКО, 2007. - 400с.- (В помощь школьному учителю). - ISBN 978-5-94665-537-8.

9. Генденштейн, Л.Э. Физика 11 класс: Учебник базового уровня для общеобразовательных учебных заведений/Л.Э. Генденштейн, Ю.И. Дик. - 2-е изд., М.: Илекса, 2005. - 288с. - ISBN 5-89237-143-3.

10. Долгова Т.И. Исследование электропроводности различных сред. Я иду на урок. / Т.И.Долгова //- Первое сентября. Физика-2005 - №8- С.41-43

11. Енохович, А.С. Справочник по физике и технике: Учебное пособие для учащихся. 3е изд., перераб. и доп. - М.: Просвещение, 1989. - 224с. - ISBN 5-09-000622-9.

12. Касьянов, В.А. Физика. 11 класс: Учебн. Для общеобразоват. учреждений. - 5-е изд., дораб. - Дрофа, 2015. - 416с.- ISBN 5-7107-7157-0.

13. Крупская О.А Концепция формирования универсальных учебных действий ТОИПКРО

14. Мякишев, Г.Я. Физика. 11 класс: учебн.для общеобразоват.учреждений: базовый и профильный уровни/ Г.Я Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н.

15. Перельман Я.И. Занимательная физика. -Книга первая и вторая [Текст] / Я.И. Перельман - М:. Наука, 1991 - 496с

16. Романова И.В. «Опорные конспекты. Электрический ток в различных средах», «Информационные листки - доп. информация с профильным компонентом к теме «Электрический ток в газах».

17. Соцкий; под ред. В.И. Николаева, Н.А. Парфентьевой. - 18изд. - М.: Просвещение, 2009. - 366с. - ISBN 978-5-09-021137-6.

18. Рымкевич, А.П. Физика. Задачник. 10-11 кл.: Пособие для общеобразовательных учебных заведений. - 6-е изд. - М.: Дрофа, 2002. - 192с. - (Задачники "Дрофы"). - ISBN 5-7107-5750-0.

19. Сауров, Ю.А. Физика в 11 классе: модели уроков: Кн. Для учителя/ Ю.А. Сауров. - М.: Просвещение, 2005. - 256с. - ISBN 5-09-011849-3.

20. Сборник задач по физике: Для 10-11 (9-11) классов общеобразовательных учреждений/ сост. Г.Н. Степанова. - 4 (3)-е изд. - М.: Просвещение, 2000 (1997). - 287 (256с) - ISBN 5-09-007438-0.

21. physics.kgsu.ru/index.php?id=213&option=com_content&view=article (кафедра теоретической и экспериментальной физики, компьютерных методов физики / «Электрический ток в газах»

22. www.studfiles.ru/preview/1024349

23. videouroki.net/filecom.php?fileid=98662041 (Видеоуроки в Интернет)

24. www.eduspb.com/node/1771 (Санкт-Петербургская Школа / «Электрический ток в газах. Типы самостоятельного разряда. Плазма»)

25. mugo.narod.ru/Fiziks/5.html

Приложение 1

Самостоятельная работа

Токи в газах (К. № 1)

1. Почему газ при нормальных условиях является хорошим изолятором?

2. При каком условии газ становится электропроводным?

3. Что такое ионизаторы?

4. Какие внешние воздействия могут ионизировать газы?

5. Что такое рекомбинация ионов?

6. При каком условии возникает самостоятельная ионизация газа?

7. Почему при электрическом разряде газ начинает светиться?

8. Как зависит сила тока от напряжения при несамостоятельном разряде?

9. Какой ток называется током насыщения?

10. Как объяснить, что при увеличении напряжения после тока насыщения наблюдается резкое возрастание силы тока?

11. Какой электрический заряд называется самостоятельным?

12. Какой заряд называется несамостоятельным?КОД

ОТВЕТ

КОД

ОТВЕТ

А

сильное нагревание и облучение.

И

возникает ударная ионизация, ионная лавина.

Б

ток, сила которого не зависит от напряжения.

Й

прохождение электрического тока через газы при постоянном воздействии на газ внешнего ионизатора.

В

при высоком напряжении движущийся электрон может либо ионизировать нейтральную молекулу, либо привести ее в возбужденное состояние. Возбужденная молекула при переходе в нормальное состояние испускает энергию в форме света.

К

при высоком напряжении единичные свободные электроны, находящиеся в газе, приобретают большую скорость и при столкновении с нейтральными молекулами ионизируют их. Ионизация возникает за счет энергии электрического поля.

Г

при действии ионизатора в газе образуются ионы.

Л

является следствием столкновения электронов с молекулами газа.

Д

внешние потоки энергии, вызывающие ионизацию газа (нагреватели и облучатели).

М

воздух при высокой температуре становится электропроводным.

Е

подчиняется закону Ома при небольших напряжениях и отклоняется от него при более высоких напряжениях.

Н

Восстановление нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов и электронов вследствие их электрического притяжения (кулоновских сил)

Ж

в газе отсутствуют свободные электрические заряды, так как молекулы газа электрически нейтральны.

О

положительные ионы, обладающие кинетической энергией, ударяются о катод и выбивают из него электроны.

З

под действием магнитного поля

П

электрический ток, проходящий через газ без поддержания внешнего ионизатора.

Электрические разряды в газах (К. №2)

1. Что представляет собой коронный разряд?

2. Что представляет собой искровой разряд?

3. Что представляет собой дуговой разряд?

4. Что представляет собой тлеющий разряд?

5. Что представляет собой кистевой разряд?

6. В чем состоит явление электрической эрозии?

7. Каким образом с катода, играющего роль "резца", удаляется нарост оседающего металла?

8. При каком условии возникает дуговой разряд?

9. Какова температура катода электрической дуги?

10. Какова температура анода электрической дуги?

11. Почему дуговой разряд продолжается при наличии некоторого расстояния между электродами?

12. Почему проводимость газа при разряжении улучшается?

13. Чем объяснить, что электропроводность сильно разряженного газа близка к нулю?КОД

ОТВЕТ

КОД

ОТВЕТ

А

самостоятельный разряд, происходящий при достаточном высоком напряжении в виде светящегося пучка.

З

разряд, возникающий при атмосферном давлении вокруг проводника или острия в форме фиолетовых искр при высоком напряжении в неоднородном электрическом поле и сопровождающийся характерным жужжанием.

Б.

около 3000 К

И

около 4000 К

В

Редкое столкновение при движении между электроном и молекулами

К

воздух при высокой температуре становится электропроводным.

Г

разряд, происходящий при раскаленном катоде и при напряжении 30-50 В между электродами.

Л

изделие и катод помещают в масло, распыленный металл, не доходя до катода, остается в жидкости.

Д

разряд в разреженном газе, при давлении 1-2 мм рт. ст. сопровождающий свечением.

М

между электродами небольшое напряжение, но большая сила тока.

Е

увеличивается путь свободного пробега электронов, вследствие чего они приобретают в электрическом поле запас кинетической энергии, достаточной для ионизации.

Н

электрическая искра разогревает металл анода в области падения искры до высокой температуры Пары металла при расширении выбрасывают поверхности анода расплавленный металл, который оседает на катоде. На аноде образуется углубление, на катоде - нарост.

Ж

прерывистый разряд, происходящий при достаточно высоком напряжении, ( напряженность электрического поля около 3*10⁶ В/м при атмосферном давлении).

О

положительные ионы, обладающие кинетической энергией, ударяются о катод и выбивают из него электроны.

Самостоятельная работа 2

1 вариант отвечает на четные вопросы, 2 вариант -на нечетные вопросы

1. В газах носителями зарядов являются …

А. … электроны;

Б. … электроны и ионы;

В. … ионы;

Г. … электроны и дырки.

2. Процессом образования носителей заряда в газах является процесс …

А. … электролитической диссоциации;

Б. … ионизации;

В. … носители в газах имеются всегда, их нет необходимости создавать.

3. Какой проводимостью обладает вакуумный диод?

А. Двусторонней;

Б. Односторонней;

В. Через вакуумный диод ток не может проходить.

4. Какое минимальное по абсолютному значению количество электричества может быть перенесено электрическим током в вакууме?

А. ;

Б. ;

В. Любое сколько угодно малое;

Г. Минимальное количество зависит от времени пропускания тока;

Д. Среди ответов нет правильного.

5. Откуда берутся заряженные частицы при искровом электрическом разряде?

А. В результате нагревания воздуха электрическим током происходит термическая ионизация;

Б. Молекулы газа ионизируются ударами электронов, разгоняемых электрическим полем;

В. Молекулы газа ионизируются ударами ионов, разгоняемых электрическим полем;

Г. Под действием электрического поля высокой напряженности молекулы газа распадаются на положительные и отрицательные ионы; Д. Под действием электрического поля высокой напряженности молекулы газа распадаются на электроны и положительные ионы.

6. При какой напряженности электрического поля начинается самостоятельный разряд, если энергия ионизации молекул , а средняя длина свободного пробега . Какова скорость электронов при ударе о молекулы?

(Ответ: ; .)

6. В газоразрядной трубке с плоскими электродами площадью , находящимися на расстоянии друг от друга, протекает ток насыщения . Определить, сколько пар одновалентных ионов возникает за время под действием ионизатора в объеме газа .

(Ответ: .)

6. Найдите среднюю скорость направленного движения одновалентных ионов в ионизационной камере, если их концентрация , а плотность тока насыщения .

(Ответ: .)

9. Максимальная скорость электронов в электронно-лучевой трубке . Определите напряжение между анодом и катодом.

(Ответ: .)

9. Электронный пучок проходит между пластинами конденсатора путь и при этом отклоняется на . Какова горизонтальная составляющая скорости электронов, если напряженность электрического поля между пластинами конденсатора ?

(Ответ: .)

Приложение 2

Граф-схема урока

по теме: «Электрический ток в газах»

Хочу узнать

-Что такое электрический ток в газах?

- Причины возникновения электрического тока в газах.

- Что является носителями электрического заряда в газах?

Я знаю

(«Ключевые слова» и основные понятия)

1) электрический ток;

2) электроны (-q);

3) проводник, температура (t), сопротивление (R) - прямая зависимость;

4) полупроводники, t и R - обратная зависимость;

5) «дырки» (+q);

6) вакуум, катод (-);

7) термоэлектронная эмиссия;

8) электролитическая диссоциация, нейтральные молекулы, ионы (+) и (-);

9) электролит, электролиз, анод (+).

Узнал

1) Газовым разрядом

называют процесс протекания электрического тока через газ.

2) Ионизация газов - распад нейтральных атомов на электроны и положительно заряженные ионы, вследствие нагревания или воздействия излучением

3). Способы ионизации:

- термическая (нагревание газа);

- ударная (столкновение атомов газа);

- фотоионизация (яркое освещение газа).

4) Проводимость газов - электронная и ионная.

Носителями эл.зарядов в газах являются электроны (-q) и положительные ионы (+q).

5) Рекомбинация -

обратное явление ионизации, когда при сближении электрона и положительно заряженного иона они вновь образуют нейтральный атом.

6) Электрический ток в газах - это упорядоченное движение свободных электронов и положительных ионов

Приложение 3

Это интересно знать

1. «…Такое электрическое свечение остроконечностей наблюдают не только на море, но и суше, особенно в горах. Ещё Юлий Цезарь описал, как однажды ночью в облачную погоду острия копий его солдат светились такими огоньками. В горах случается, что это свечение появляется даже на людях - на волосах, шапках. При этом слышится тихое жужжание. Этот огонь не жжёт, это свечение, холодное свечение. Если такое свечение будет вокруг спички, она не загорится».

Я. И. Перельман. Занимательные задачи и опыты

2. «- Теперь я покажу тебе истечение электричества, то самое, которое Колумб и Магеллан видели на верхушках мачт своих кораблей… Дай-ка ножницы!

Брат приблизил в темноте острия разомкнутых ножниц к (наэлектризованной) газете… Я ожидал искр, но увидел нечто новое: острия ножниц увенчались светящимися пучками коротких сине-красных нитей, хотя от ножниц до бумаги было ещё довольно далеко. Одновременно раздавалось лёгкое протяжное шипение.

-Вот такие же огненные кисточки, только гораздо большие, морякам случается часто видеть на концах мачт и рей. Они называются "эльмовы огни"».

Я. И. Перельман. Занимательные задачи и опыты

3.Особенно часто страдают от удара молнии дубы, имеющие глубокие корни, доходящие до водоносных слоев почвы. При попадании молнии в лиственные деревья ток идёт по сердцевине, где наибольшее количество сока. Закипая, сок разрывает дерево. А у смолистого дерева, например сосны, сопротивление сердцевины больше сопротивления смолы, и ток идёт по поверхности, по смоле.

4. «…Брат положил (наэлектризованную) газету на медный самоварный поднос, находящийся на пустых и хорошо высушенных стеклянных стаканах. Потом погасил свет и поднёс к подносу ключ. Треск - и одновременно беловато-синяя искра в полспички длиной проскочила между краем подноса и ключом…»

</ Приложение 4

Виды самостоятельного разряда

Условия

Тлеющий

Дуговой

Искровой

Коронный

Состояние газа

Расположение электродов

Напряжение

Сила тока