обзорные лекции / МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА В РАЗДЕЛЕ
.docМЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА В РАЗДЕЛЕ «ЭЛЕКТРОДИНАМИКА» ШКОЛЬНОГО КУРСА ФИЗИКИ.
-
Изучение основ электронной теории.
Основные положения и экспериментальные основы классической электронной теории по программе общеобразовательной средней школы изучаются при рассмотрении электрического тока в различных средах.
Качественное объяснение почти всех изучаемых вопросов дается в базовом курсе. В старших классах вводятся количественные характеристики процессов и явлений, важные для понимания материала формулы.
В программу общеобразовательной средней школы включены вопросы о скорости упорядоченного движения электронов, зависимость сопротивления от температуры, сверхпроводимости. При знакомстве школьников с классической электронной теорией следует осветить следующие моменты: 1) когда и зачем создана теория; 2) основные положения и модельные представления теории; 3)опытное обоснование теории; 4) применение классической электронной теории; 5) трудности классической теории и причины их возникновения; 6) значение классической теории.
1. В 1900 г. П. Друде разработал теорию электронной проводимости металлов, которую затем усовершенствовал Лоренц. Их работы и легли в основу классической электронной теории проводимости вещества.
2. Положения классической электронной теории:
-
Движение электронов подчиняется законам классической механики.
-
Электроны друг с другом не взаимодействуют.
-
Электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решетки, взаимодействие это сводится только к соударениям.
-
В промежутках между соударениями электроны движутся совершенно свободно.
-
Электроны проводимости образуют электронный газ, подобный идеальному газу и подчиняется закону равномерного распределения энергии по степеням свободы.
-
По классическим представлениям в металле есть ионная решетка и «свободный электронный газ». Электроны движутся хаотически. Скорость их движения зависит от температуры. Ионы в узлах кристаллической решетки колеблются около положения равновесия. В процессе хаотического движения электроны сталкиваются с ионами. При таком движение перемещения заряда в проводнике в среднем равно нулю. При наличие разности потенциалов на концах проводника и электрического поля внутри него возникает направленное движение (дрейф) электронов.
-
Фундаментальные опыты, доказывающие электронную проводимость металлов:
-
Опыт Рикке: в течение года через составной проводник пропускали ток. За это время через него Проше заряд 3,5 106 Кл, но никаких следов переноса вещества не наблюдалось (масса каждого цилиндра осталась неизменной, цвета соприкасающихся поверхностей не изменились). Вывод: в металлах перенос заряда осуществляется частицами, входящими в состав всех металлов.
-
Опыт Мандельштама и Папалекси (звонок)
-
Опыт Толмена и Стюарта (гальванометр).
Опыты по обнаружению свободных электронов при остановке вращающейся катушки. При резком торможении катушки во время ее быстрого вращения гальванометр (звонок) фиксировал кратковременный ток - свободные заряженные частицы некоторое время по инерции движутся относительно проводника. Для определение природы частиц было измерено отношение их заряда к массе.
-
В школьном курсе физики классическую электронную теорию применяют для объяснения природы сопротивления и вывода закона Ома для участка цепи.
-
из теории ρ ~ v → ρ ~ ; из опыта ρ ~ Т
невозможно объяснить явление сверхпроводимости.
-
Классическая электронная теория – первая ступень в процессе познания механизма проводимости.
2. Проводимость различных сред.
Эти вопросы изучают в старших классах. Глубина раскрытия механизма проводимости различных сред существенно различается. Наиболее подробно изучают электрический ток в металлах и электролитах. Здесь дают количественные зависимости. Решают задачи. Весь остальной материал изучают на качественном уровне.
Последовательность рассмотрения материала темы может быть различной:
-
металлы – вакуум – полупроводники – газы – растворы электролитов. За основу берут носителей заряда.
-
Металлы – растворы электролитов – газы – вакуум – полупроводники. Отражает исторический путь изучения и использования в технике.
-
Металлы – полупроводники – вакуум, электролиты – газы. Отражена важность данных сред в современной технике.
При рассмотрении всего материала используется классическая электронная теория.
3. Электрические и магнитные свойства вещества.
Этот материал довольно сложен . при его объяснении необходимо опираться на знания учащихся о строении атома, полученные ими в базовом курсе физики и в курсе химии. Вопросы, связанные с поляризацией и намагничиванием рассматриваются только в старших классах при изучении электромагнитных волн, оптики, атомной и ядерной физики.
Электрические свойства вещества излагаются в средней школе на базе классической электронной теории, основы которой закладываются при изучении тока в металлах.
Материал о магнитных свойствах вещества имеет важное научное значение и важен тем, что магнитные материалы находят широкое практическое применение. Кроме того при изучении магнитных свойств вещества получают дальнейшее развитие представления о связи электрических и магнитных явлений, о связи макроскопических процессов с микроструктурой вещества.
При изучении этой темы вводится понятие магнитной проницаемости вещества μ = и намагниченности J = В – В0, где В – индукция магнитного поля в веществе, В0 – в вакууме. В зависимости от величины μ различают диа-, пара- и ферромагнетики.
Магнитный момент атома диамагнетика равен нулю. При внесении его во внешнее магнитное поле в атомах индуцируется ток, который направлен так, что его магнитное поле противодействует внешнему полю, вызвавшему этот ток. Образуются дополнительные моменты орбитальных электронов. Вектор индукции магнитного поля атомов в целом оказывается направленным противоположно вектору магнитной индукции внешнего поля - диамагнетик ослабляет внешнее поле.
В парамагнитном образце суммарный магнитный момент атомов тоже равен нулю. При помещение его во внешнее магнитное поле магнитные моменты атомов выстраиваются вдоль внешнего магнитного поля, образец намагничивается и магнитное поле усиливается.
При рассмотрении свойств ферромагнетиков рассматривают кривую намагничивания . объяснение природы ферромагнетизма дается на основе квантовой теории: в некоторых кристаллических веществах особое квантовое (обменное) взаимодействие незаполненных слоев приводит к самопроизвольному (без внешнего поля) упорядочиванию спиновых магнитных моментов, т. е. к намагничиванию.
В ходе изучения магнитных свойств вещества для обобщения и систематизации знаний целесообразно заполнить с учащимися сводную таблицу по магнитным свойствам вещества:
Вещество |
Магнитная проницаемость |
Зависимость μ от внешнего поля |
Поведение в м. поле |
Кривая намагниченности |
диамагнетик |
μ |
Не зависит |
Не намагничивается |
|
парамагнетик |
μ |
Не зависит |
Слабо намагничивается |
|
ферромагнетик |
μ |
зависит |
Намагничивается |
|
Школьники должны знать основные сведения основные сведения о магнитных свойствах вещества на феноменологическом уровне.