Глава 2. Электрические явления. Итоги главы — с. 182
Итоги главы. Обсудим. Ученик Ваня Петров приехал к бабушке на зимние каникулы. Его попросили нарядить ёлку, выдали игрушки и старую гирлянду. Когда Ваня включил гирлянду в сеть напряжением 220 В, одна из лампочек на ней особенно ярко вспыхнула и гирлянда погасла. Рассмотрев гирлянду, Ваня обнаружил, что её лампочки соединены последовательно и одна из них почернела изнутри. Немного подумав, он предложил другую схему соединения ламп гирлянды, более удобную для эксплуатации. Какую схему нарисовал Иван?
Предложите варианты соединения ламп, при которых гирлянда будет работать даже при перегоревшей лампочке и при включении не будет перегорать. Аргументируйте своё предложение.
Что произошло. При последовательном соединении сила тока в лампах одинакова, а напряжение 220 В делится между ними. Если лампа перегорела (нить оборвалась), цепь разомкнута и гирлянда гаснет целиком. Яркая вспышка и почернение баллона — следствие перегорания нити: при обрыве она на мгновение раскаляется сильнее, нить распыляется и оседает на стекле.
Схема Ивана. Параллельное соединение ламп (схема 1 на рисунке). Тогда каждая лампа включена на полное напряжение сети 220 В независимо от других, поэтому лампы должны быть рассчитаны на 220 В. При перегорании одной лампы остальные продолжают гореть, так как токи в ветвях независимы. Достоинство: перегоревшую лампу легко найти и заменить. Недостаток: общий ток равен сумме токов ламп (I = P/U), при большом числе ламп он велик, и провода должны выдерживать его.
Вариант 2. Лампы небольшого напряжения разбить на несколько групп, в каждой группе n ламп соединить последовательно так, чтобы напряжение на каждой лампе U/n было равно её номинальному (при 220 В, например, 10 ламп на 22 В), а группы соединить параллельно (схема 2). Если лампа в одной группе перегорает, гаснет только эта группа, остальные группы работают, так как к ним по-прежнему приложено 220 В; лампы не перегорают при включении, потому что напряжение на каждой равно номинальному. Ток в группе мал, провода тонкие.
Вариант 3. Параллельно каждой лампе включить шунт (добавочную проволочку/контакт с оксидной плёнкой), пробиваемый при перегорании нити: ток обходит сгоревшую лампу, остальные продолжают гореть, только каждая получит чуть большее напряжение. Так сделаны многие гирлянды.
Выводы. Чтобы лампы не перегорали, их номинальное напряжение должно соответствовать напряжению на них в цепи (U_лампы = U_сети в параллельной схеме или U_сети/n в последовательной группе из n ламп); чтобы гирлянда работала при выходе из строя одной лампы, в цепи нужны параллельные ветви.
Схема Ивана. Параллельное соединение ламп (схема 1 на рисунке). Тогда каждая лампа включена на полное напряжение сети 220 В независимо от других, поэтому лампы должны быть рассчитаны на 220 В. При перегорании одной лампы остальные продолжают гореть, так как токи в ветвях независимы. Достоинство: перегоревшую лампу легко найти и заменить. Недостаток: общий ток равен сумме токов ламп (I = P/U), при большом числе ламп он велик, и провода должны выдерживать его.
Вариант 2. Лампы небольшого напряжения разбить на несколько групп, в каждой группе n ламп соединить последовательно так, чтобы напряжение на каждой лампе U/n было равно её номинальному (при 220 В, например, 10 ламп на 22 В), а группы соединить параллельно (схема 2). Если лампа в одной группе перегорает, гаснет только эта группа, остальные группы работают, так как к ним по-прежнему приложено 220 В; лампы не перегорают при включении, потому что напряжение на каждой равно номинальному. Ток в группе мал, провода тонкие.
Вариант 3. Параллельно каждой лампе включить шунт (добавочную проволочку/контакт с оксидной плёнкой), пробиваемый при перегорании нити: ток обходит сгоревшую лампу, остальные продолжают гореть, только каждая получит чуть большее напряжение. Так сделаны многие гирлянды.
Выводы. Чтобы лампы не перегорали, их номинальное напряжение должно соответствовать напряжению на них в цепи (U_лампы = U_сети в параллельной схеме или U_сети/n в последовательной группе из n ламп); чтобы гирлянда работала при выходе из строя одной лампы, в цепи нужны параллельные ветви.
Проекты и исследования.
1. «Модели строения атома» (возможная форма: презентация, макет, плакат).
План проекта и основа текста.
1. Введение: представление о том, что вещество состоит из атомов, менялось по мере накопления опытных фактов; модель — упрощённое описание, которое объясняет опыты.
2. Модель Томсона (1903 г.): атом — положительно заряженный шар, внутри которого, как «изюм в булке», находятся электроны. Опыт Дж. Дж. Томсона обнаружил электрон.
3. Опыты Резерфорда (1911 г.): тонкую золотую фольгу облучали альфа-частицами; большинство проходило насквозь, небольшая часть отклонялась на большие углы, а некоторые отскакивали назад. Вывод: в атоме есть очень малое массивное положительное ядро.
4. Планетарная модель Резерфорда: электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Затруднение: вращающийся электрон должен излучать и падать на ядро.
5. Модель Бора (1913 г.): электроны находятся на определённых орбитах и излучают только при переходе между ними.
6. Ядро состоит из протонов и нейтронов; число протонов равно числу электронов в нейтральном атоме. Современная квантовая модель: электроны образуют «облако» вероятности.
Форма работы. Плакат с хронологической лентой и схемами моделей; макет из пластилина и проволоки; презентация на 8–10 слайдов (портрет учёного, схема модели, опыт, достоинства и недостатки). Вывод: каждая модель точнее предыдущей, но ни одна не даёт полной картины.
1. Введение: представление о том, что вещество состоит из атомов, менялось по мере накопления опытных фактов; модель — упрощённое описание, которое объясняет опыты.
2. Модель Томсона (1903 г.): атом — положительно заряженный шар, внутри которого, как «изюм в булке», находятся электроны. Опыт Дж. Дж. Томсона обнаружил электрон.
3. Опыты Резерфорда (1911 г.): тонкую золотую фольгу облучали альфа-частицами; большинство проходило насквозь, небольшая часть отклонялась на большие углы, а некоторые отскакивали назад. Вывод: в атоме есть очень малое массивное положительное ядро.
4. Планетарная модель Резерфорда: электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Затруднение: вращающийся электрон должен излучать и падать на ядро.
5. Модель Бора (1913 г.): электроны находятся на определённых орбитах и излучают только при переходе между ними.
6. Ядро состоит из протонов и нейтронов; число протонов равно числу электронов в нейтральном атоме. Современная квантовая модель: электроны образуют «облако» вероятности.
Форма работы. Плакат с хронологической лентой и схемами моделей; макет из пластилина и проволоки; презентация на 8–10 слайдов (портрет учёного, схема модели, опыт, достоинства и недостатки). Вывод: каждая модель точнее предыдущей, но ни одна не даёт полной картины.
Проекты и исследования.
2. «Статическое электричество, я тебя знаю!» (возможная форма: презентация, реферат, опыт, викторина).
План и основа текста.
1. Что такое электризация: при трении тела приобретают заряд (опыт Фалеса с янтарём). Заряды бывают двух видов: положительные и отрицательные; одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются.
2. Опыты, которые можно провести дома: расчёска, потёртая о шерсть, притягивает кусочки бумаги и поворачивает тонкую струйку воды; воздушный шарик, потёртый о волосы, прилипает к стене; «танцующие» кусочки фольги; электроскоп из банки и фольги.
3. Статическое электричество в природе и быту: молния, потрескивание синтетической одежды, искры при снятии свитера, заряд автомобиля в сухую погоду.
4. Польза: электрофильтры очистки дыма, копировальные аппараты и лазерные принтеры, нанесение краски распылением.
5. Вред и меры защиты: искры опасны на бензозаправках и там, где есть горючие газы и пыль; заземление бензовозов, антистатические покрытия, увлажнение воздуха, громоотвод.
6. Викторина: 8–10 вопросов (например: «Какой заряд получает стекло при трении о шёлк?», «Почему бензовоз имеет металлическую цепь, касающуюся земли?»).
Форма: презентация с видеофрагментами опытов и викториной для класса. Вывод: электризация — естественное явление, которое надо уметь использовать и от которого нужно уметь защищаться.
1. Что такое электризация: при трении тела приобретают заряд (опыт Фалеса с янтарём). Заряды бывают двух видов: положительные и отрицательные; одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются.
2. Опыты, которые можно провести дома: расчёска, потёртая о шерсть, притягивает кусочки бумаги и поворачивает тонкую струйку воды; воздушный шарик, потёртый о волосы, прилипает к стене; «танцующие» кусочки фольги; электроскоп из банки и фольги.
3. Статическое электричество в природе и быту: молния, потрескивание синтетической одежды, искры при снятии свитера, заряд автомобиля в сухую погоду.
4. Польза: электрофильтры очистки дыма, копировальные аппараты и лазерные принтеры, нанесение краски распылением.
5. Вред и меры защиты: искры опасны на бензозаправках и там, где есть горючие газы и пыль; заземление бензовозов, антистатические покрытия, увлажнение воздуха, громоотвод.
6. Викторина: 8–10 вопросов (например: «Какой заряд получает стекло при трении о шёлк?», «Почему бензовоз имеет металлическую цепь, касающуюся земли?»).
Форма: презентация с видеофрагментами опытов и викториной для класса. Вывод: электризация — естественное явление, которое надо уметь использовать и от которого нужно уметь защищаться.
Проекты и исследования.
3. «Фруктовые гальванические элементы, или сколько нужно лимонов, чтобы загорелась лампочка» (возможная форма: презентация, опыт).
План и основа проекта.
1. Идея: если в лимон (яблоко, картофель) воткнуть два электрода из разных металлов (медь и цинк, оцинкованный гвоздь), получится гальванический элемент: сок — электролит, на электродах идут химические реакции и между ними возникает напряжение, около 0,9–1 В.
2. Оборудование: 4–6 лимонов, медные монеты или проволока, оцинкованные гвозди, провода с зажимами, вольтметр (мультиметр), светодиод или лампочка карманного фонаря на 2,5 В.
3. Ход: воткните в каждый лимон медную пластинку и гвоздь; измерьте напряжение одного элемента; соедините лимоны последовательно «медь одного — цинк следующего»; измерьте напряжение батареи из 2, 3, 4 лимонов.
4. Типичные результаты (зависят от лимонов и электродов): один лимон — 0,9 В; два — 1,8 В; три — 2,7 В; четыре — 3,6 В. Напряжение растёт пропорционально числу элементов. Сила тока очень мала (доли миллиампера), поэтому лампочка накаливания не загорится; светодиод загорается (нужны 3–4 лимона, а светодиоду нужно около 2 В).
5. Вывод: чтобы получить нужное напряжение, элементы соединяют последовательно; для заметного тока нужны большая площадь электродов и малое внутреннее сопротивление. Для лампочки карманного фонаря понадобится десяток и более лимонов, соединённых последовательно-параллельно.
Форма: презентация с таблицей «число лимонов — напряжение» и видео опыта.
1. Идея: если в лимон (яблоко, картофель) воткнуть два электрода из разных металлов (медь и цинк, оцинкованный гвоздь), получится гальванический элемент: сок — электролит, на электродах идут химические реакции и между ними возникает напряжение, около 0,9–1 В.
2. Оборудование: 4–6 лимонов, медные монеты или проволока, оцинкованные гвозди, провода с зажимами, вольтметр (мультиметр), светодиод или лампочка карманного фонаря на 2,5 В.
3. Ход: воткните в каждый лимон медную пластинку и гвоздь; измерьте напряжение одного элемента; соедините лимоны последовательно «медь одного — цинк следующего»; измерьте напряжение батареи из 2, 3, 4 лимонов.
4. Типичные результаты (зависят от лимонов и электродов): один лимон — 0,9 В; два — 1,8 В; три — 2,7 В; четыре — 3,6 В. Напряжение растёт пропорционально числу элементов. Сила тока очень мала (доли миллиампера), поэтому лампочка накаливания не загорится; светодиод загорается (нужны 3–4 лимона, а светодиоду нужно около 2 В).
5. Вывод: чтобы получить нужное напряжение, элементы соединяют последовательно; для заметного тока нужны большая площадь электродов и малое внутреннее сопротивление. Для лампочки карманного фонаря понадобится десяток и более лимонов, соединённых последовательно-параллельно.
Форма: презентация с таблицей «число лимонов — напряжение» и видео опыта.