В расходомере (изготовленном из плексигласа) имеется канал, по

которому протекает вода, приведенная в движение насосом. В канале

перпендикулярно дв

ижущемуся потоку расположена площадка, соединенная со стрелкой

расходомера. Укрепляют расходомер на специальном штативе с помощью

вертикального стержня. С другими приборами он соединен резиновыми

трубками. Вверху расходомера имеется отверстие, закрепленное винтом,

необходимым для выпуска воздуха при заполнении системы водой.

Демонстрации с установкой сводятся к следующему. Когда установка

состоит из насоса и трубки (рис.4) демонстрируют циркуляцию воды,

аналогичную движению зарядов в электрической цепи.

[pic]

рис.4.

Поочередно закрывая краны, показывают, что краны можно установить в

любом месте. Аналогично этому в электрической цепи можно установить

где угодно выключатель.

Когда установка собрана с расходомером (рис.5) изменяют число оборотов

двигателя (меняют напор воды) и стрелка расходомера сильно отклоняется.

Сжимая в любом месте резиновую трубку, показывают изменение потока воды при

одном и том же напоре.

[pic]

рис.5.

Когда установка собрана целиком (см. рис. 2), обращают внимание на

показания манометра, который аналогичен вольтметру в электрической цепи.

Одновременно демонстрируют величины, аналогичные электродвижущей силе и

напряжению. Действительно, если открыть кран 6, а кран 7 закрыть, то

циркуляции воды не будет, и манометр покажет максимальную разность давлений

при таком числе оборотов. Это показание манометра аналогично

электродвижущей силе. Если же кран 7 открыть, то вследствие движения воды

турбина приходит в движение и показания манометра уменьшаются. (Показания

манометра аналогичны напряжению, а показания расходомера — току.)

Изменяя сопротивление трубок (набор трубок различного поперечного

сечения и длины) движению воды, показывают зависимость между напором и

сопротивлением движению воды, которая аналогична закону Ома для полной

цепи.

Познакомив учащихся с отдельными элементами электрической цепи, надо

собрать простейшую электрическую цепь (потребитель — лампа накаливания,

источник тока - батарея элементов, соединительные провода и выключатель),

а рядом с ней расположить соответствующую установку для демонстрации

гидродинамической аналогии (рис.2). Видно, что при работе насоса

создается разность давлений (напор), под действием которого вода

перемещается по трубкам и приводит в движение турбину. Вода в системе

циркулирует. Аналогично происходит направленное перемещение зарядов в

электрической цепи. Разрыв цепи (в любом месте) нарушает это движение.

Последнее дает возможность исключить часто встречающуюся ошибку: учащиеся

полагают, что ключ в цепи ставят не в любом месте, а обязательно между

положительным полюсом источника тока и потребителем. Одновременно с этим

объясняют, что в системе происходят определенные превращения энергии и что

основным потребителем энергии является турбина.

Затем рассматривают явления в цепях переменного тока с емкостью и

индуктивностью, а также сдвиг фаз между током и напряжением.

2. Цепь переменного тока с емкостью.

В электростатике было изучено устройство конденсатора и его основные

свойства. При этом отмечалось, что постоянный ток не проходит в цепи с

емкостью, так как диэлектрик конденсатора разрывает цепь. Иначе обстоит

дело в цепи переменного тока. Чтобы показать это, составляют цепь с

батареей конденсаторов и последовательно включенной с ней лампой

накаливания (рис.7).

Лампа горит-значит, в цепи есть ток. При изменении емкости батареи

конденсаторов изменяется накал волоска лампы. Это говорит о том, что в

данной электрической цепи есть особое (емкостное) сопротивление, которое

зависит от емкости.

Для разъяснения этого факта полезны гидродинамические аналогии

показанные на рис.8.

[pic]

рис.8

На этих моделях рассматривают возвратно-поступательное движение насоса

(или вращение насоса) то в одну, то в другую сторону; при этом упругая

перепонка прогибается в соответствующие стороны. Происходит перемещение

жидкости в трубах (ток), но жидкость не проходит через перепонку, так же

как и заряды в электрической цепи не проходят через диэлектрик

конденсатора.

3. Цепь переменного тока с индуктивностью.

Наличие индуктивного сопротивления в цепи переменного тока можно

продемонстрировать на опыте. Составим цепь из катушки большой индуктивности

и электрической лампы накаливания (рис.9).

Рис.9.

С помощью переключателя можно подключить эту цепь либо к источнику

постоянного напряжения, либо к источнику переменного напряжения. При этом

постоянное напряжение и действующее значение переменного напряжения должны

быть равны между собой. Опыт показывает, что лампа светится ярче при

постоянном напряжении. Действующее значение силы переменного тока в

рассматриваемой цепи меньше силы постоянного тока. Это объясняется явлением

самоиндукции. При подключении катушки к источнику постоянного напряжения

сила тока в цепи нарастает постепенно. Возникающее при нарастании силы тока

вихревое электрическое поле тормозит движение электронов и при прошествии

некоторого времени сила тока достигает наибольшего значения,

соответствующего данному постоянному напряжению. Если напряжение быстро

меняется, то сила тока не будет успевать достигать тех значений, которые

она бы приобрела с течением времени при постоянном напряжении.

Следовательно, максимальное значение силы переменного тока ограничивается

индуктивностью цепи и будет тем меньше, чем больше индуктивность и частота

приложенного напряжения.

Для индуктивного сопротивления полезна аналогия между индуктивностью в

цепи переменного тока и массой материального тела. В случае переменного

тока электродвижущая сила самоиндукции имеет место в цепи все время, а не

возникает лишь в момент включения и выключения тока, как это было в случае

постоянного тока. Наличие этой э.д.с. и объясняет появление индукционного

сопротивления.

Обычно рассмотрение цепи переменного тока с индуктивностью проходит

без больших затруднений, и аналогия между массой и индуктивностью носит

лишь иллюстративный характер. С помощью аналогии объясняют между катушкой

индуктивности и источником тока, появление индуктивного сопротивления, а

также сдвиг фаз между током и напряжением в данной цепи.

К сожалению, более наглядно гидродинамическую аналогию для этого

привести не удается.

4. Сдвиг фаз между колебаниями тока и напряжения в цепях переменного

тока.

Рассмотрим колебания пружинного маятника ( рис.10 ).

Верхнее положение x=A, v=0, a=am

x=0, v=vm, a=0

Нижнее положение x= - A, v=0, a=am

Рис.10.

Легко установить, что между смещением, скоростью и действующей силой

имеется сдвиг фаз (рис.11).

[pic]

[pic]

[pic]

Аналогия между механическими и электрическими колебаниями дает

возможность показать, что сдвиг фаз между током и напряжением естественен.

Вполне допустимо при этом вычертить график и установить соответствие между

величинами, характеризующими процессы в электрической цепи (I и U), и

величинами, характеризующими процессы в пружинном маятнике (x и v).

Графики аналогичны графику представленным на рис.11, только вместо

величин x, v, F ставятся аналогичные им величины q, i, U,то есть [pic] .

Для них

[pic]

i=q'; [pic]

[pic]

[pic]

Затем поясняют, что при максимальном значении напряжения сила тока в

цепи равна нулю и наоборот. Для этого на механической аналогии

показывается, что при максимальном значении действующей силы скорость равна

нулю, а когда скорость максимальна, равна нулю действующая сила.

§7. Аналогии при изучении постулатов Бора.

Формирование и развитие у учащихся модельных представлений атома как

структурной единицы вещества имеет важное научно – познавательное и

мировоззренческое значение.

В курсе физики 7 класса учащиеся узнают об атомах как о мельчайших

частицах вещества, из которых состоят более крупные образования – молекулы.

В курсе электричества 8 класса картина меняется: модель атома

становится доминирующей. Здесь у учащихся формируется представление об

атоме как о сложной динамической системе, состоящей из сконцентрированной в

небольшом объеме положительной части – ядра и электронов, движущихся

относительно ядра и несущих отрицательный заряд.

Планетарную модель атома доказывают опытом Резерфорда по рассеянию ? –

частиц металлическими пластинками. Известно несколько моделей этого опыта.

Например, при описании опыта Резерфорда использована аналогия с

зондированием кипы сена с помощью пуль. При этом по траектории пуль можно

определить, где спрятаны куски металла.

При рассказе о ядерной модели атома применяют аналогию с солнечной

системой. Здесь важны образные сравнения – аналогии: масса ядра атома в

несколько тысяч раз больше массы электрона (например, масса ядра атома

водорода больше массы электрона в 2000 раз), так же как и масса Солнца

больше массы отдельной планеты в несколько сотен тысяч раз (например,

больше массы Земли в 333000 раз). Другое сравнение : диаметр ядра примерно

в 10000 раз меньше диаметра атома; аналогично, диаметр Солнца (13000 км) во

много миллионов раз меньше размеров солнечной системы.

Эти сравнения помогают учащимся создать представление о масштабах ядерной

модели атома. Но движение электронов относительно ядра более сложнее, чем

орбитальное движение планет и оно подчиняется другим законам. Ядерную

модель атома затем используют для объяснения электризации тел, явления

электропроводности, при изучении электрического тока в металлах и

электролитах. О дальнейшем развитии планетарной модели атома рассказывают

после изучения фотоэффекта.

Для объяснения закономерностей фотоэффекта вводят представление о

дискретности светового излучения, а также понятие о фотоне как элементарной

частице света с энергией Е=h?. Отсюда возникает вопрос: является ли

дискретность энергетических состояний свойством, характерным лишь для

излучающих твердых тел, или же эта дискретность присуща любым атомным

системам?

Подобные рассуждения привели в 1913 году И. Бора к предположению о

неприменимости максвелловской электродинамики к электронам, движущимся в

атомах. В основу своей теории Н. Бор положил следующие постулаты:

1) в атоме происходят движения электронов по некоторым стационарным

круговым орбитам без излучения;

2) стационарными будут те орбиты, для которых момент количества движения

электрона mvR равен целому кратному величины h/2?, то есть

mvnRn=nh/2? , где n=1, 2, 3….

3) излучение и поглощение света атомами происходит при переходе электронов

с одних стационарных орбит на другие.

Планетарная модель атома в теории Бора “модернизирована”, то есть электроны

могут перескакивать с орбиты на орбиту, когда атом переходит из одного

стационарного состояния в другое.

Так, при изложении вопроса об излучении света атомом существует

аналогия с реальным макропроцессом—вылетом стрелы из лука.

Оба процесса возможны только в том случае, если участвующие в них

объекты (атом, лук) находятся в возбужденном состоянии (в последнем случае

под «возбуждением» понимается натяжение тетивы). Тетива и атом в конечном

счете возвращаются в невозбужденное состояние (ему соответствует наименьшее

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7