На уроке подробно раскрываются анонсированные ранее параметры проводника, от которых зависит его сопротивление. Оказывается, что для расчета сопротивления проводника являются важными его длина, площадь поперечного сечения и материал, из которого он изготовлен. Вводится понятие удельного сопротивления проводника, которое характеризует вещество проводника.
Тема: Электромагнитные явления
Урок: Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление
На предыдущих уроках мы уже поднимали вопрос о том, каким образом электрическое сопротивление влияет на силу тока в цепи, но не обсуждали, от каких же конкретно факторов зависит сопротивление проводника. На сегодняшнем уроке мы узнаем о параметрах проводника, которые определяют его сопротивление, и узнаем, каким образом Георг Ом в своих экспериментах исследовал сопротивление проводников.
Для получения зависимости силы тока в цепи от сопротивления Ому пришлось провести огромное количество экспериментов, в которых необходимо было изменять сопротивление проводника. В связи с этим он столкнулся с проблемой изучения сопротивления проводника в зависимости от его отдельно взятых параметров. В первую очередь, Георг Ом обратил внимание на зависимость сопротивления проводника от его длины, о которой уже вскользь шла речь на предыдущих уроках. Он сделал вывод, что при увеличении длины проводника прямо пропорционально увеличивается и его сопротивление. Кроме того, было выяснено, что на сопротивление влияет еще и сечение проводника, т. е. площадь фигуры, которая получается при поперечном разрезе. При этом, чем площадь сечения больше, тем сопротивление меньше. Из этого можно сделать вывод, что чем провод толще, тем его сопротивление меньше. Все эти факты были получены опытным путем.
Кроме геометрических параметров на сопротивление проводника влияет еще и величина, описывающая род вещества, из которого состоит проводник. В своих опытах Ом использовал проводники, изготовленные из различных материалов. При использовании медных проводов сопротивление было каким-то одним, серебряных - другим, железных - третьим и т. д. Величину, которая характеризует род вещества в таком случае, называют удельным сопротивлением .
Таким образом, можно получить следующие зависимости для сопротивления проводника (рис. 1):
1. Сопротивление прямо пропорционально длине проводника , которую в СИ измеряют в м;
2. Сопротивление обратно пропорционально площади сечения проводника , которую мы будем измерять в мм 2 из-за малости;
3. Сопротивление зависит от удельного сопротивления вещества (читается «ро»), которое является табличной величиной и измеряется обыкновенно в .
Рис. 1. Проводник
Для примера приведем таблицу значений удельных сопротивлений некоторых металлов, которые получены опытным путем:
Удельное сопротивление ,
Стоит отметить, что среди хороших проводников, которыми являются металлы, наилучшими являются драгоценные металлы, при этом серебро считается самым лучшим проводником, т. к. у него наименьшее малое удельное сопротивление. Этим объясняется использование драгоценных металлов при пайке особо важных элементов в электротехнике. Из значений удельных сопротивлений веществ можно делать выводы об их практическом применении - вещества с большим удельным сопротивлением подойдут для изготовления изоляционных материалов, а с небольшим - для проводников.
Замечание. Во многих таблицах удельное сопротивление измеряют в , что связано с измерением площади в м 2 в СИ.
Физический смысл удельного сопротивления - сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм 2 .
Формула для вычисления электрического сопротивления проводника, исходя из указанных выше рассуждений, выглядит следующим образом:
Если обратить внимание на эту формулу, то можно сделать вывод, что из нее выражается удельное сопротивление проводника, т. е., определив силу тока и напряжение на проводнике и измерив его длину с площадью поперечного сечения, можно с помощью закона Ома и указанной формулы вычислить удельное сопротивление. Затем, его значение можно сверить с данными таблицы и определить, из какого вещества изготовлен проводник.
Все параметры, которые влияют на сопротивление проводников, необходимо учитывать при конструировании сложных электрических цепей, таких как линии электропередач, например. В таких проектах важно сбалансированно подобрать соотношения длин, сечений и материалов проводников для эффективного компенсирования теплового действия тока.
На следующем уроке будет рассмотрено устройство и принцип работы прибора, называющегося реостат, основной характеристикой которого является сопротивление.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
- Интернет-портал Exir.ru ().
- Классная физика ().
Домашнее задание
- Стр. 103-106: вопросы № 1-6. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Длина и площадь поперечного сечения алюминиевого и железного проводов одинаковые. Какой из проводников имеет большее сопротивление?
- Какое сопротивление имеет медный провод длиной 10 м и площадью поперечного сечения 0,17 мм 2 ?
- Какой из сплошных железных стержней разного диаметра имеет большее электрическое сопротивление? Массы стержней одинаковые.
Технологическая карта урока
ФИО учителя: Шимонаева Е.Н.
Класс: 8
УМК: «А.В. Перышкин»
Предмет: Физика
Тема: Расчет сопротивления проводника. Удельное сопротивление.
Тип урока: Урок открытия нового знания
Место и роль урока в изучаемой теме: Глава «Электрические явления», 11 урок
Цель: Установить зависимость сопротивления проводника от длины, площади поперечного сечения, рода вещества и ввести понятие удельного электрического сопротивления.
*Планируемые результаты
| Предметные знания, предметные действия | УУД |
|||
| регулятивные | познавательные | коммуникативные | личностные |
|
| Умеют определять удельное сопротивление, пользоваться таблицей удельных сопротивлений; применяют полученные знания при решении задач; умеют сопоставлять и систематизировать экспериментальные и теоретические знания; выполняют эксперимент, умеют пользоваться инструкцией. Вывели формулу для расчета сопротивления проводника. | Умеют выполнять действия по инструкции; оценивать и корректировать результаты; ставить цели на урок и планировать свои действия по достижению цели; делать выводы. | Умеют анализировать данные полученные экспериментальным путем; обобщать; делать выводы. | Умеют строить продуктивное взаимодействие в группе, участвовать в коллективном обсуждении; слушать, аргументировать свой ответ. | Представляют закономерность связи явлений природы; сформирован познавательный интерес; умеют самостоятельно приобретать знания и практические умения. |
Ход урока
| **Название этапа урока | Задача, которая должна быть решена (в рамках достижения планируемых результатов урока) | Формы организации деятельности учащихся | Действия учителя по организации деятельности учащихся | Действия учащихся (предметные, познавательные, регулятивные) | Результат взаимодействия учителя и учащихся по достижению планируемых результатов урока | Диагностика достижения планируемых результатов урока |
|
| Мотивация (самоопределение к учебной деятельности) | Выработка внутренней готовности к учебной деятельности. организовать самооценивание на уроке. | Беседа | Создаю проблемную ситуацию | Анализируют проблемную ситуацию | Установлено взаимодействие на учебную деятельность | 100% готовность обучающихся к уроку |
|
| Актуализация знаний | Фиксирование индивидуального затруднения. | Взаимоопрос (прием тонких и толстых вопросов) | Организую и регулирую взаимодействие обучающихся | Знают определения силы тока, напряжения, сопротивления | Количество верных ответов, среди опрошенных, составляет - 100% |
||
| Выявление места и причин затруднения | Организация анализа сложившейся ситуации, выявления места и причин затруднения | Фронтальный опрос | Задаю вопрос | Фиксируют шаг, на котором возникло затруднение | |||
| Построение проекта выхода из затруднения | Создать проблемную ситуацию Определить задачи урока. Создать план выхода из проблемной ситуации | Опрос Беседа | Создаю проблемную ситуацию Предлагаю обучающимся высказать задачи урока | Разрешают проблемную ситуацию. Высказывают задачи урока Формулируют определение «Влажность воздуха», записывают в тетради. | Определены задачи урока Сформулировано определение «Влажности воздуха», выведена формула. | 100 % опрошенных обучающихся высказали задачи урока и планы по разрешению задач. 100 % опрошенных обучающихся |
|
| Реализация плана выхода из затруднения | Подтвердить теоретические данные через эксперимент. Ввести новую физическую величину | Работают индивидуально, или в парах, группах/парах Рассказ | Организую работу в группе. Контролирую правильность выполнения работы Даю определение новой физической величине, обозначение | Проводят измерения, вычисления, формулируют вывод Записывают | Определили зависимость сопротивления от различных свойств проводника, сформулировали вывод. Введена новая физическая величина, дано определение, обозначение, единица измерения | 100 % Обучающихся выполнили задание, сформулировали выводы |
|
| Закрепление | Применить полученные знания при практическом решении задач | Работают индивидуально, или в парах, группах/парах. | Контролирую правильность выполнения работы | Решают расчетные задачи | Правильно решены расчетные задачи с применением новой формулы | 100 % обучающихся правильно решили задачи |
|
| Подведение итогов, рефлексия. | Обобщить полученные знания, сделать выводы | Беседа | Обобщаю ответы учащихся. |
Мы знаем, что причиной электрического сопротивления проводника является взаимодействие электронов с ионами кристаллической решётки металла (§ 43). Поэтому можно предположить, что сопротивление проводника зависит от его длины и площади поперечного сечения, а также от вещества, из которого он изготовлен.
На рисунке 74 изображена установка для проведения такого опыта. В цепь источника тока по очереди включают различные проводники, например:
- никелиновые проволоки одинаковой толщины, но разной длины;
- никелиновые проволоки одинаковой длины, но разной толщины (разной площади поперечного сечения);
- никелиновую и нихромовую проволоки одинаковой длины и толщины.
Силу тока в цепи измеряют амперметром, напряжение - вольтметром.
Зная напряжение на концах проводника и силу тока в нём, по закону Ома можно определить сопротивление каждого из проводников.
Рис. 74. Зависимость сопротивления проводника от его размеров и рода вещества
Выполнив указанные опыты, мы установим, что:
- из двух никелиновых проволок одинаковой толщины более длинная проволока имеет большее сопротивление;
- из двух никелиновых проволок одинаковой длины большее сопротивление имеет проволока, поперечное сечение которой меньше;
- никелиновая и нихромовая проволоки одинаковых размеров имеют разное сопротивление.
Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества, из которого изготовлен проводник, впервые на опытах изучил Ом. Он установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника .
Как учесть зависимость сопротивления от вещества, из которого изготовляют проводник? Для этого вычисляют так называемое удельное сопротивление вещества .
Удельное сопротивление - это физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длиной 1 м, площадью поперечного сечения 1 м 2 .
Введём буквенные обозначения: ρ - удельное сопротивление проводника, I - длина проводника, S - площадь его поперечного сечения. Тогда сопротивление проводника R выразится формулой
Из неё получим, что:
Из последней формулы можно определить единицу удельного сопротивления. Так как единицей сопротивления является 1 Ом, единицей площади поперечного сечения - 1 м2, а единицей длины - 1 м, то единицей удельного сопротивления будет:
Удобнее выражать площадь поперечного сечения проводника в квадратных миллиметpax, так как она чаще всего бывает небольшой. Тогда единицей удельного сопротивления будет:
В таблице 8 приведены значения удельных сопротивлений некоторых веществ при 20 °С. Удельное сопротивление с изменением температуры меняется. Опытным путём было установлено, что у металлов, например, удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается.
Таблица 8. Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ (при t = 20 °С)
Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. Следовательно, серебро и медь - лучшие проводники электричества.
При проводке электрических цепей используют алюминиевые, медные и железные провода.
Во многих случаях бывают нужны приборы, имеющие большое сопротивление. Их изготавливают из специально созданных сплавов - веществ с большим удельным сопротивлением. Например, как видно из таблицы 8, сплав нихром имеет удельное сопротивление почти в 40 раз большее, чем алюминий.
Фарфор и эбонит имеют такое большое удельное сопротивление, что почти совсем не проводят электрический ток, их используют в качестве изоляторов.
Вопросы
- Как зависит сопротивление проводника от его длины и от площади поперечного сечения?
- Как показать на опыте зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и вещества, из которого он изготовлен?
- Что называется удельным сопротивлением проводника?
- По какой формуле можно рассчитывать сопротивление проводников?
- каких единицах выражается удельное сопротивление проводника?
- Из каких веществ изготавливают проводники, применяемые на практике?
При использовании материалов этого сайта - и размещение баннера -ОБЯЗАТЕЛЬНО!!!
Тема урока: "Расчет сопротивления проводника. Удельное сопротивление"
Цель урока: Установить зависимость сопротивления от длины и площади поперечного сечения проводника. Познакомиться с понятием удельного сопротивления, и его единицами измерения, на уровне понимания.
Задачи урока:
Образовательная : На опыте показать зависимость сопротивления от длины и площади поперечного сечения проводника. Ввести понятие удельное сопротивление.
Воспитательная: Подчеркнуть взаимосвязь сопротивления от длины и площади поперечного сечения как проявления одного из признаков метода диалектического познания явлений. Продолжить работу по развитию самостоятельности, аккуратности и внимания учащихся.
Развивающая: Продолжить работу по развитию внимания и умения логически и творчески мыслить. Продолжить формировать умение решать задачи
Оборудование: Источника тока, амперметр, проводники с разным сопротивлением, ключ, вольтметр.
