149677 (Ответы на вопросы к госу по МПФ), страница 8

Следует учесть что сила с которой действует магнитное поле на пробный ток зависит не только от силы тока, но и от длины активной части, в которой этот ток существует, следовательно в качестве силовой характеристики магнитного поля надо взять отношение силы F, с которой магнитное поле действует на пробный ток, к силе тока I и длины проводника l.

, В – векторная величина, однако следует отметить, что ее направление не совпадает с направлением силы, с которой магнитное поле действует на ток.

Т.о. магнитная индукция – векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля.

[B]=Тл, 1Тл= Н / А м

б) В начале изучают закон Ампера. Экспериментально установлено, что сила, действующая на проводник с током F_А, находящийся в магнитном поле, прямо пропорциональна длине проводника и силе тока в нем, а так же зависит от угла альфа между направлением тока и линии магнитной индукции в том месте, где находится проводник. Эта сила также зависит от магнитного поля. Эту зависимость выражают через В: .

Направление Fa, определяется правилом левой руки: Если расположить левую руку вдоль проводника, чтобы 4 вытянутых пальца указывали направление тока в нем, а линии магнитной индукции входили в ладонь, то отогнутый большой палец будет указывать направление силы Ампера. После этого обращают внимание, что сила Ампера максимальна когда синус альфа равен 1, то есть альфа равен 90⁰. .

в) магнитное поле оказывает ориентирующее действие на рамку с током, помещенного в нем. Это означает, что магнитное поле характеризуется величиной В.

Опытом показывают, что максимальный момент сил действующих на рамку с током пропорционален М_max ~ I S, S – площадь, ограниченная витком и не зависит от формы контура. Именно поэтому отношение М_max к I S не зависит от параметров контура и характеризует магнитное поле в данном месте: .

Направление В, определяют с помощью правила буравчика (правый винт).

Сила Лоренца. Согласно закону Ампера сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током определяется следующим образом . Сила с которой магнитное поле действует на движущийся заряд называется силой Лоренца F_л.

Если на участок проводника длинной l, по которому течет ток I, магнитное поле с В действует с силой F_A, то F_л=F_A/N, N – число свободных электронов в рассматриваемом участке проводника.

N=nV, n – концентрация, N = n S l

, I = n l S, - средняя скорость упорядоченных электронов. I = q / l, q=ne

.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки, указательный вдоль вектора скорости движения положительно заряженной частицы или против вектора скорости, если частица отрицательно заряжена.

Графически магнитное поле изображается линиями индукции. Линиями магнитной индукции называются линии, касательные к которым направлены так же как в вектор магнитной индукции в данной точке. Важная особенность, линии магнитной индукции замкнуты.

Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментально свойство магнитного поля – магнитное поле не имеет источников, магнитных зарядов подобных электрическим нет. Линии магнитной индукции магнитного поля реально не существуют.

19. Методика изучения под темы «Законы постоянного тока» в 10 классе.

Классическая электронная теория (разработана в 1900г. Друде, которую развил Лоренц) предполагает:

1. движение электронов подчиняется законам классической механики;

2. электроны друг с другом не взаимодействуют;

3. электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решетки, это взаимодействие сводится только к соударению;

4. в промежутках между соударениями электрон движется свободно;

5. электроны проводимости рассматривают как электронный газ, подобно идеальному газу; идеальный газ подчиняется закону равномерного распределения энергии по степеням свободы этому же закону подчиняется и электронный газ.

Классическая электронная теория хорошо объясняет существование сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля-Ленца – зависимость электропроводимости от температуры и позволяют понять связь теплоты и электропроводимости металлов.

Однако в некоторых случаях классическая теория приводит к выводам находящихся в противореции с опытом, например, согласно этой теории удельное сопротивление с ростом температуры должно возрастать пропорционально корню из Т. Опыт подтверждает прямую пропорциональную зависимость . В классической электронной теории теплоемкость металлов и явление сверхпроводимости совершенно не объяснимы.

Трудности классической электронной теории связаны с тем, что:

а) электронная проводимость не подчиняется законам статики Максвелла-Больцмана;

б) не учитывается взаимодействие друг с другом;

в) не учитывается, что электрон движется в периодическом поле кристаллической решетки;

г) движение электронов описывается по законам классической механики, а не по законам квантовой механики.

На смену классической электронной теории пришла квантовая теория твердых тел, в которой преодолены трудности классической теории.

Необходимо отметить, что классическую электронную теорию применяют и сейчас, т.к. она проста и наглядна, а при малых концентрациях носителей заряда и больших температурах квантовая и классическая теории дают близкие результаты.

Качественное объяснение некоторых вопросов уже давалось в 8 кл. В 10 классе этим не ограничиваются, необходимо ввести важные для понимания материала формулы.

Следует обратить внимание учащихся на:

1) когда и зачем создана эта теория; 2) основные положения и модельные представления; 3) применение классической электронной теории (какие явления и факты объясняются данной теорией); 4) трудности классической электронной теории и причины их возникновения; 5) задачи классической ЭТ.

Электронная проводимость металла была доказана следующими фундаментальными опытами: Опыт Ринке: В точ. через проводник, состоящий из Cu-Al-Cu пропустили ток, за это время состав составной проводник прошел огромный заряд 3,5 10⁶Кл, следовательно переноса вещества не наблюдалось, масса осталась неизменной, соприкасающиеся поверхности не изменились. Вывод – перенос заряда в металлах осуществляется частицами, входящими в состав всех металлов (электроны).

Предлагается школьникам задача: какое изменение произойдет если бы ток представлял собой движение ионов?

В опытах Мандельштама и Папалекси, Стюарта, Толмена лежала следующая идея – регистрация инерционного движения электронов.

Закон Ома для участка цепи выводится на основе опыта.

Скорость распространения электрического тока в проводниках – это скорость с которой распространяется действие электрического поля на заряды в проводнике. Поле почти мгновенно увлекает электроны в упорядоченное и очень медленное движение доли мм/сек.

В 10 классе показывают, что средняя скорость упорядоченного движения электронов под действием электрического поля определяет силу тока в проводнике.

Пусть проводник имеет поперечное сечение площадью S, за положительное направление принимают движение слева на право.

Обозначим заряд каждой частицы через q₀. Общий заряд, проходящий через поперечное сечение равно: .

Если частица движется слева на право со средней скоростью V, то за время дельта t все чстицы, заключающеся в рассмотрении объема пройдут через поперечное сечение. .

Закон Ома для полной цепи.

Любая замкнутая электрическая цепь состоит из внешних и внутренних участков, и внешних и внутренних сопротивлений.

Для поддержания в цепи электрического тока в течение длительного времени необходим источник, внутри которого непрерывно происходило бы разделение электрических зарядов. В результате чего между полюсами источников поддерживалась бы разность потенциалов.

ЭДС называют скалярную физическую величину, являющуюся энергетической характеристикой источника тока.

ЭДС равна отношению работы, совершаемой сторонними силами при перемещении электрического заряда по замкнутой цепи к этому заряду. E=A_ст/q.

Силы в результате действия которых в источнике ток происходят разделения зарядов, принято называть сторонними.

При выводе закона Ома для замкнутой цепи можно использовать различные методические подходы:

1. при перемещении по цепи заряда q сторонние силы в источнике совершают работу A=qE. При движении заряда на внешнем участке цепи преобразуется энергия стационарного поля, созданного и поддерживаемого источником A_внеш=qU, U - напряженность на внешнем участке. На внутреннем A₂=qU_вн.

A=A1+A2, qE=qU+qUвн, E=U+Uвн, U=IR, Uвн=Ir, E=Ir+Ir=I(R+r) или I=E/(R+r)

Таким образом сила тока в цепи равна отношению Е_ист к сумме сопротивлений цепи.

1. Рассматривается та же цепь. За время дельта t через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд дельта q. Работа сторонних сил по перемещению заряда Аст=Еq=EIt.

При совершении этой работы на внутренних и внешних участках цепи, сопротивление которых r и R выделяется некоторое количество теплоты , согласно закону сохранения энергии А_ст=Q, следовательно I=E/(R+r). При R стремящимся к нулю, получается короткое замыкание, т.к. r мало.

Здесь изучается последовательное и параллельное соединение потребителей: U=U1+U2, Rоб=R1+R2. При параллельном соединении I=I₁+I₂, 1/R_об=1/R₁+1/R₂.

В конце изучается работа и мощность тока, закон Джоуля-Ленца – количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока по проводнику пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению и времени прохождения тока через проводник: .

20. Электромагнитные волны и методика их изучения.

Изучение понятия электромагнитных волн начинается с рассмотрения взаимосвязи переменных электрических и магнитных полей.

Электромагнитная волна – процесс распространения электромагнитный полей в пространстве с конечной скоростью.

Существование электромагнитных волн предсказал в 1832 году Фарадей, а в 1865 г. Максвелл теоретически показал, что электромагнитное поле должно распространятся в вакууме со скоростью света.

Изучение электромагнитных волн проводят на качественном уровне, сообщая школьникам основные выводы из теории и экспериментальные факты, применяя модельные представления, графики и другие средства, обеспечивающие наглядность при изучении этого сложного материала.

Важно подчеркнуть, что теоретическое представление Максвелла о существовании электромагнитных волн было экспериментально подтверждено Герцем в 1888г., это сыграло важную роль в утверждении теории Максвелла.

В электромагнитной вол30не вектор E и B перпендикулярны друг другу, и лежат в плоскости перпендикулярной к направлению распространения волны. Это дает возможность утверждать, что электромагнитные волны поперечны.

Векторы E и B колеблются в одинаковой фазе, т.е. одновременно превращаются в ноль и одновременно достигают максимума. Это дает возможность изобразить графики изменения E и B в направлении распространения волны, показать направление скорости.