Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

обзорные лекции / МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА В РАЗДЕЛЕ

.doc
Скачиваний:
45
Добавлен:
07.06.2015
Размер:
44.54 Кб
Скачать

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА В РАЗДЕЛЕ «ЭЛЕКТРОДИНАМИКА» ШКОЛЬНОГО КУРСА ФИЗИКИ.

  1. 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.

  1. 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.

  2. 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.

  1. В школьном курсе физики классическую электронную теорию применяют для объяснения природы сопротивления и вывода закона Ома для участка цепи.

  2. из теории ρ ~ v → ρ ~ ; из опыта ρ ~ Т

невозможно объяснить явление сверхпроводимости.

  1. 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:

  1. металлы – вакуум – полупроводники – газы – растворы электролитов. За основу берут носителей заряда.

  2. Металлы – растворы электролитов – газы – вакуум – полупроводники. Отражает исторический путь изучения и использования в технике.

  3. 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.