К вопросу об изучении темы «Законы постоянного тока» в школьном курсе физики

Данная тема начинается с изучения понятия «электрический ток». Электрический ток принадлежит к числу явлений, которые нельзя наблюдать непосредственно: можно только видеть его проявления. Поэтому приходится на основе аналогий (например, движение воды по трубам) и модельных демонстраций (движение заряженного шарика в электрическом поле конденсатора) формировать представление об электрическом токе как направленном (упорядоченном) движении заряженных частиц. Опираясь на введенное раньше понятие электрического поля, учитель показывает, что для получения тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле. Дальше переходят к выяснению роли источников тока. Здесь надо показать, что источники тока могут быть различные, однако в каждом из них выполнятся работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, вследствие чего между полюсами возникает электрическое поле. При этом должны быть заложены основы для формирования понятия о сторонних силах. Свой рассказ о том, что в источнике тока в процессе разделения заряженных частиц происходит превращение механической, химической, внутренней или какой-либо другой энергии в электрическую, учитель иллюстрирует специально подобранными опытами. Такими опытами могут быть разряд между кондукторами электрофорной машины, отклонение стрелки гальванометра при нагревании с помощью спиртовки одного из спаев простейшего термоэлемента, действие фотоэлектрического генератора (фотоэлемент, освещаемый лампой, замкнут на гальванометр). После этого учитель снова проводит с учащимися качественный анализ явления электрического тока и выясняет, каковы его внешние проявления – тепловое, химическое и механическое действия. При этом он знакомит учеников с принципом действия гальванометра и направлением тока. Только после такой предварительной работы учитель к количественной характеристике электрического тока (I=b, единицам силы тока и количества электричества. Далее учитель углубляет понимание учащимися количественной характеристики электрического тока, вырабатывает у них умения и навыки вычислять и измерять силу тока. Для этого решают задачи, рассматривают устройство (в общих чертах) амперметра и правила измерения им силы тока. Процесс формирования понятия о токе (так же, как и других) включает различные самостоятельные действия учащихся: работу с книгой, приборами решение задач, комментирование упражнений и др.

При изучении закона Ома для участка цепи выполняется следующая демонстрация. Ее первый этап – установление зависимости силы тока от напряжения на данном участке цепи, второй – от сопротивления участка цепи. Собрав установку, как показано на рисунке 1, учитель предлагает выяснить зависимость силы тока от напряжения на данном участке. Для этого в цепь включают батарею сначала из трех аккумуляторных элементов, затем из двух и, наконец, из одного. Показания амперметра и вольтметра записывают в заготовленную на доске таблицу.

Учащиеся записывают эти результаты в тетрадях и делают вывод: I~U. После этого учитель предлагает выяснить, как зависит сила тока от сопротивления участка цепи (при постоянном напряжении). Последовательно изменяя сопротивление участка цепи на 4, 2 и 1 Ом с помощью включенного в цепь магазина сопротивлений, получают данные и записывают их в таблицу.

Школьники делают вывод о том, что I~ ~ , и записывают его в тетрадях. Дальше учитель дает детям словесную формулировку закона Ома.

Рис.1.

При изучении закона Джоуля-Ленца можно использовать следующую демонстрацию: соберем цепь из трех последовательно соединенных проводников разного сопротивления: медного, стального и никелинового. Ток во всех последовательно соединенных проводниках одинаков. Количество выделяющейся теплоты в проводниках разное. Из опыта делается вывод: нагревание проводников зависит от их сопротивления. Чем больше сопротивление проводника, тем большее количество теплоты он выделяет. После опыта учитель в беседе с детьми на доске выводит формулу закона.

Следующим важным шагом при изучении законов постоянного тока является изучение понятия «Электродвижущая сила». Она вводится как энергетическая характеристика сторонних сил: £ = Ас-. При этом важно объяснить учащимся, что ЭДС – это работа, которую нужно совершить для перемещения положительного заряда по всей цепи снова к источнику заряда.

При переходе к закону Ома для замкнутой цепи ученикам объясняют дополнительные его части: внутреннее и внешнее сопротивления, полное сопротивление, один или несколько источников тока.

В замкнутой цепи нет затраты энергии на механическую и химическую работу. Работа сторонних сил, внесенная энергия, затрачивается на выделение теплоты на внешнем и внутреннем участках цепи при прохождении тока: А_ст = I²Rt + I²rt = sit, отсюда, I = ^;.

Вся работа в цепи совершается сторонними силами. Она затрачивается на увеличение потенциальной энергии положительного единичного заряда равной напряжению на внешнем участке и на работу по преодолению сопротивления при движении положительного единичного заряда на внутреннем участке, равной напряжению на внутреннем участке. Далее записывается закон Ома для замкнутой цепи, содержащей несколько источников, при этом договариваются о направлении обхода контура и выборе знака ЭДС. Договоренность не означает формальности в определении знака ЭДС. Физический смысл таков: источники дают токи различных направлений по отдельности. Вместе – токи суммируются, поэтому полная ЭДС равна алгебраической сумме ЭДС в цепи.