Научно-методический анализ темы Постоянный электрический ток в курсе физики средней полной школы


1. Место и значение темы

Тема “Постоянный электрический ток” является
частью раздела “Электродинамика” в курсе
физики средней (полной) школы наряду с темой
“Электростатика”. Данный раздел обычно
изучается после раздела “Термодинамика”, и
данная тема либо завершает курс физики Х класса
(учебники под авторством Мякишева Г.Я., Буховцева
Б.Б., Синякова А.З., Пинского А.А., Громова С.В.,
Шароновой Н.В. и др.), либо начинает курс физики XI
класса (учебники Касьянова А.В., Генденштейна Л.Э.,
Дика Ю.И., Пурышевой Н.С., Важеевской Н.Е.,
Тихомировой С.А., Яворского Б.М.).

Закономерности постоянного тока первоначально
изучаются в VIII классе в темах “Сила тока,
напряжение, сопротивление”, “Работа и мощность
тока”. На изучение этого материала отводится
значительно больше времени, чем на изучение
законов постоянного тока в X или XI классе. Уже
тогда политехнические знания школьников
пополняются знаниями физических основ
электрификации и электроэнергетики, учащиеся
приобретают навыки и умения обращения с
некоторыми электроприборами. Определенное
значение изучение законов постоянного тока
имеет и для трудового воспитания учащихся, ведь
на любом промышленном производстве, сельском
хозяйстве, в быту ребята встречаются с
использованием электрической энергии. Также
важно упомянуть о значении изучаемого материала
для воспитания интернационализма и патриотизма,
ведь в данной теме есть много ярких примеров,
показывающих интернациональный характер науки и
иллюстрирующих существенных вклад русских
ученых в развитие электродинамики и
использование достижений этого раздела.

Изучение процессов электропроводности
различных сред знакомит учащихся с физическими
основами электроники — одним из наиболее
эффективных и перспективных направлений
научно-технического прогресса. Рассматривается
устройство и действие вакуумного диода,
электронно-лучевой трубки, полупроводникового
диода, транзистора и др. Изучение этих приборов
подготавливает учащихся к пониманию их
использования в микропроцессорной технике. Это
определяет большое политехническое значение
данной темы. Изучение электрического тока в
различных средах имеет не только
политехническое значение, но и большое
воспитательное и мировоззренческое значение:
здесь изучаются явления, служившие источником
суеверий и страхов (молния, огни св. Эльма и т.п.),
учащихся фактически знакомят с четвертым
состоянием вещества – плазмой.

Также при изучении тока в различных средах
закладываются основы для понимания устройства и
действия ряда приборов и установок, которые
учащиеся будут изучать в курсе физики XI класса,
таких, как вакуумный фотоэлемент, рентгеновская
трубка, газоразрядный счетчик элементарных
частиц, радиоприемник, генератор незатухающих
колебаний, радиолокационная установка и др.

И, наконец, изучение темы “Постоянный
электрический ток” способствует дальнейшему
развитию логического, теоретического мышления
(благодаря четкой системе темы, опоре на
аналогию, анализ, синтез и т.д.),
научно-творческого мышления (благодаря
знакомству с разнообразными электроприборами,
выполнению лабораторных работ и экспериментов).

2. Структура и содержание темы

Существуют различные варианты структуры
данной темы: некоторые авторы разделяют её на 2
взаимосвязанные главы: “Законы постоянного
тока” и “Электрический ток в различных средах”
(Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Синяков А.З., Пинский
А.А. и др.). Громов С.В. и Шаронова Н.В. предлагают
несколько отличное от предыдущего разделение
внутри темы: они выделяют главы “Постоянный ток
в металлах” и “Электрический ток в
полупроводниках, вакууме, газах, электролитах”.
Есть учебники, авторы которых предлагают
изучение этой темы как единого целого (Касьянов
А.В., Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.) – но при этом,
изучению проводимости различных сред уделяется
очень мало внимания.

По существу, в VIII классе рассматриваются почти
все понятия, характеризующие ток, и параметры
электрических цепей. В сравнении с материалом,
рассмотренным на первой ступени курса физики, в X
(XI) классе изучается лишь несколько новых
вопросов, но они имеют существенное значение для
понимания закономерностей электрического тока.
К ним относятся:

  • условия, необходимые для существования
    постоянного тока;
  • закон Ома для полной цепи.

В программу X (XI) класса включены вопросы,
позволяющие одновременно повторить закон Ома
дли участка цепи и законы последовательного и
параллельного соединения проводников.

Электрический ток в различных средах изучают
на основе представлений о микроструктуре
вещества и элементов классической электронной
теории. Изучение механизма проводимости
различных сред, природы носителей зарядов,
характера их движения в этих средах дает
возможность углубить представление о строении
вещества, полученное учащимися при изучении
молекулярной физики.


Содержание темы “Постоянный
электрический ток”

  • Электрический ток. Сила тока. Скорость
    упорядоченного движения электронов в
    проводнике.
  • Условия, необходимые для возникновения и
    существования тока в веществе
  • Вольт-амперная характеристика. Закон Ома для
    участка цепи. Сопротивление.
  • Электрическая цепь: законы последовательного и
    параллельного соединения проводников. Механическая
    аналогия электрической цепи. Шунт к амперметру.
    Дополнительное сопротивление к вольтметру.
    Потенциометр.
  • Работа тока. Закон Джоуля-Ленца. Мощность тока.
  • Сторонние силы, их природа. Электродвижущая
    сила.
  • Закон Ома для полной цепи. Короткое замыкание.
    Правила Киргхофа. Мостик Уинстона.
  • Электронная проводимость металлов.
    Доказательства существования свободных
    электронов в металлах. Движение электронов в
    металле. Вольт-амперная характеристика металлов.
    Вывод закона Ома из электронной теории.
  • Зависимость сопротивления проводника от
    температуры. Недостатки классической теории
    проводимости металлов.
    Сверхпроводимость. Технические
    применения высокотемпературных
    сверхпроводников.
  • Электрический ток в полупроводниках.
    Полупроводники. Строение полупроводников.
    Электронная и дырочная проводимость. Зависимость
    сопротивления полупроводников от внешних
    условий.
  • Проводимость полупроводников при наличии
    примесей. Донорные и акцепторные примеси.
  • Электрический ток через контакт
    полупроводников p- и n-типа. Полупроводниковый
    диод. Транзистор. Усилительное действие
    транзисторов.
    Применение транзисторов. Микроэлектроника.
  • Электрический ток вакууме. Термоэлектронная
    эмиссия. Односторонняя проводимость. Диод. Триод.
    Свойства электронных пучков и их применение.
    Электронно-лучевая трубка. Открытие электрона.
    Опыты Милликена.
  • Электрический ток в жидкостях.
    Электролитическая диссоциация. Ионная
    проводимость. Электролиз. Применение
    электролиза.
  • Закон Фарадея для электролиза. Определение
    заряда электрона. Значение закона Фарадея в
    развитии представлений об электроне.
  • Электрический ток в газах. Электрический разряд
    в газе. Ионизация газов. Рекомбинация.
    Несамостоятельный и самостоятельный разряды.
    Ионизация электронным ударом. Термическая
    ионизация. Фотоионизация. Искровой разряд.
    Коронный разряд. Электрофильтр. Дуговой разряд.
    Тлеющий разряд.
  • Плазма и её свойства. Плазма в космическом
    пространстве.
  • *Курсивом выделен материал, предназначенный
    для изучения в профильных классах.

    Т.к. в VIII классе учащимися уже были рассмотрены
    основные характеристики электрического тока и
    параметры электрических цепей, в Х классе все эти
    величины просто повторяют. Но наряду с этим,
    вводится важное понятие электродвижущей силы и
    закон Ома для полной цепи. На основе свойств
    электростатического поля, с которым учащиеся уже
    знакомы, показывают, что данный вид
    электрического поля не может поддерживать ток в
    проводнике, ведь без восполнения энергии
    статическое поле не может постоянно двигать
    заряды, совершая при этом работу. Но также
    известно, что разность потенциалов на любом
    участке цепи остается неизменной. Школьникам не
    представляется возможным элементарное
    изложение процессов преобразования энергии в
    проводнике при протекании тока, но факт
    существования поля внутри и вне проводника при
    протекании тока необходимо продемонстрировать
    экспериментально! Так как введение понятия ЭДС и
    дальнейший вывод закона Ома для полной цепи
    основывается на ранее изученном материале, то в
    зависимости от того, насколько хорошо были
    усвоены учащимися те или иные вопросы VIII класса,
    следует уделить больше или меньше времени на их
    обзорное повторение в X классе.

    Понятие напряжения весьма трудно усваивается в
    курсе физики базовой школы, но в старших классах
    оно обычно не вызывает затруднений. Необходимо
    лишь обратить внимание учеников на терминологию:
    что есть разность потенциалов, падение
    напряжения, при каком условии разность
    потенциалов на участке цепи равна падению
    напряжения. В заключение изучения стационарного
    электрического поля в проводниках необходимо
    кратко повторить основные отличия и сходства его
    с электростатическим полем.

    Говоря о задачах изучения рассматриваемой
    темы, следует иметь в виду, что без понимания
    закона Ома для полной цепи и понятия ЭДС
    невозможно усвоение закона электромагнитной
    индукции и ряда других вопросов электродинамики.

    Изучение механизма проводимости в различных
    средах также имеет специфические трудности.
    Невозможно показать учащимся ни самих носителей
    зарядов, ни характера их движения. Эти трудности
    можно частично преодолеть, если максимально
    использовать учебные фильмы, интерактивные
    модели, в которых условно показан характер
    движения носителей зарядов в различных средах, и
    кроме того, показаны многие примеры применении
    приборов и устройств, основанных на этих
    закономерностях. Изучение темы должно широко
    опираться на демонстрационный и лабораторный
    эксперимент.

    В основу изучения тока в различных средах
    положена единая методическая концепция,
    основанная на сопоставлении зависимости силы
    тока от напряжения и механизма проводимости в
    этих средах. Электрический ток в металлах, газах,
    полупроводниках и других средах существенно
    различается как носителями зарядов, так и
    характером их движения. В то же время
    электрический ток во всех средах имеет общую
    черту: он представляет собой упорядоченный поток
    заряженных частиц. В связи с этим необходимо при
    изучении тока в каждой новой среде сравнивать
    его с током в других средах. Это определяет
    единый план изучения тока в каждой среде:
    выясняют природу носителей зарядов; характер их
    движения; зависимость силы тока от напряжения
    (вольт-амперную характеристику); принцип
    действия приборов, устройств, основанных на
    закономерностях тока в этих средах;
    технологические процессы.

    Рассмотрение основных закономерностей
    начинается с тока в металлах. Обусловлено это
    рядом причин: во-первых, это позволяет
    осуществить преемственную связь с курсом физики
    VIII класса; во-вторых, вольт-амперная
    характеристика для металлов наиболее простая. Но
    дальнейшая последовательность изложения темы
    определяется методическими соображениями.
    Например, А.А.Пинский: металлы, жидкости, газы,
    вакуум, полупроводники – изучение материала в
    таком порядке отражает исторический путь
    изучения и использования в технике особенностей
    прохождения тока через различные среды. В
    учебнике Б.Б. Буховцева: металлы, полупроводники,
    вакуум, жидкости, газы – здесь изучение
    полупроводников идет после изучения
    проводимости металлов, что подчеркивает
    важность полупроводников в современной технике
    – именно такую последовательность предлагает
    программа общеобразовательной средней школы.

    Наиболее подробно изучается электрический ток
    в металлах и электролитах, здесь даются
    количественные зависимости, решают задачи. Весь
    остальной материал изучают фактически на
    качественном уровне.

    При изучении электрического тока в растворах
    электролитов главное внимание уделяют закону
    Фарадея – при этом нельзя забывать о тесной
    связи с курсом химии.



    При изучении особенностей прохождения тока в
    полупроводниках необходимо уделить внимание
    достижениям современной науки в области
    применения полупроводников. Целесообразно
    начать изучение с демонстрации их характерных
    свойств, а уже затем на основе введенного в химии
    понятия ковалентной и парно-электронной связи
    выяснить механизм протекания тока и объяснить
    свойства полупроводниковых материалов.

    3. Основные методические подходы к изучению
    темы

    Как было упомянуто ранее, различные авторы
    учебников предлагают различную
    последовательность и структуру изучения темы
    “Постоянный электрический ток”.

    Можно выделить 3 основных подхода к делению
    материала темы:

    < Рисунок 1>



    На мой взгляд, наиболее целесообразными
    являются 1 и 3-й подходы, которые реализуются в
    комплектах учебников Мякишева Г.Я., Буховцева Б.Б.
    (базовый уровень, 10 класс), МякишеваГ.Я., Синякова
    А.З. (профильный уровень, 10-11 класс), учебник под
    ред. Пинского А.А. (профильный уровень, 10 класс), а
    также в учебнике Громова С.В. под ред. Шароновой
    Н.В. (базовый уровень, 10 класс). Связано это с тем,
    что во 2-м варианте недостаточно полно
    раскрываются закономерности протекания тока в
    различных средах, у учащихся невозможно
    сформировать целостную картину представлений о
    постоянном электрическом токе, в силу
    незавершенности материала темы и отнесении
    некоторой его части в другие разделы (например, в
    учебнике Касьянова А.В. материал о
    полупроводниках дается в главе
    “Электромагнетизм”, в учебнике Л.Э.
    Генденштейна и Ю.И. Дика темы “Электрический ток
    в различных средах” как таковой нет вообще).

    Отличие 1го и 3го подхода состоит в соединении
    или отделении материала об электрическом токе в
    металлах от остальных сред. С одной стороны,
    отделение этого материала оправдано, т.к. оно
    имеет более широкое применение, чем всё
    остальное, и первоначальное рассмотрение
    электронной теории, а уже затем основных законов
    протекания тока в металлах вполне логично. Но с
    другой стороны, в этом случае металлы выносятся в
    обособленную группу веществ, и нарушается
    целостность восприятия картины протекания тока
    в различных средах, затрудняется возможность
    сравнения их характеристик и закономерностей,
    хотя это также важно для полного усвоения
    материала темы.

    Применение 3го подхода наиболее целесообразно
    в классах технического профиля, 2-го – в
    гуманитарных классах, и 1-го – в классах
    биолого-химического профиля.

    4. Обоснование целесообразности использования
    интерактивной доски при изучении темы
    “Постоянный электрический ток”

    Изучение темы “Постоянный электрический ток”,
    как и других тем, имеет свои особенности. Так,
    главной проблемой, на мой взгляд, является
    невозможность демонстрации учащимся внутренних
    механизмов протекания тока, при том, что
    “внешние проявления” протекания
    электрического тока учащимся хорошо известны, и
    они сталкиваются с ними каждый день. При изучении
    закономерностей протекания электрического тока
    в различных средах (будь то металл, жидкость, газ,
    вакуум или полупроводник) учащимся невозможно
    показать ни самих носителей зарядов, о которых
    так много говорится, ни тем более характера их
    движения. Эти трудности можно частично
    преодолеть, если максимально использовать
    учебные фильмы, различные интерактивные модели,
    в которых хотя бы условно показан характер
    движения носителей зарядов в различных средах. К
    тому же, на данный момент подобных электронных
    образовательных ресурсов великое множество.
    Также учащимся полезно будет познакомиться с
    устройством различных приборов, использующих
    закономерности протекания тока в различных
    средах, и посмотреть на их непосредственное
    применение, что опять же невозможно сделать в
    связи с отсутствием подобного оборудования в
    школе. Подобные видеоролики существуют, причем
    как в виде натурных съемок, так и смоделированных
    на компьютере. И ещё в этой теме разработано
    большое количество интерактивных опытов и
    лабораторных работ, которые не могут быть
    заменены натурным физическим экспериментом,
    опять же в связи с отсутствием соответствующего
    оборудования, позволяющего проводить эти
    исследования из-за его опасности,
    несовместимости со школьным кабинетом физики.

    В связи с тем, что всё вышеперечисленное имеет
    отношение к реализации общеметодического
    принципа наглядности в обучении, а интерактивная
    доска – уникальное средство для реализации
    этого принципа, считаю необходимым применение
    интерактивных технологий при изучении данной
    темы. Демонстрация опытов, принципиальных схем
    приборов, механизмов возникновения и протекания
    тока через картинки и видеозаписи на
    интерактивной доске, с учетом возможности
    остановки кадра и внесения пометок, поправок,
    позволит учащимся лучше и глубже понять материал
    темы.

    Также, интерактивная доска поможет здесь в
    плане экономии времени урока за счет простого и
    быстрого создания рисунков, электрических схем,
    вольтамперных характеристик и т.д., которых в
    данной теме очень много, и фактически, они
    являются одними из основных элементов знаний
    наряду с математическими выражениями законов.
    Причем, всё это потребуется как при изучении
    нового материала, так и на этапах закрепления и
    контроля знаний.

    На мой взгляд, при изучении данной темы
    необходима опора на аналогии и нахождение общих
    черт в закономерностях протекания тока в
    различных средах, а использование интерактивной
    доски даёт прекрасную возможность коллективного
    обсуждения результатов экспериментов,
    группировки различных явлений и процессов по
    общим признакам, составления обобщающих таблиц,
    блок-схем и т.д.

    И, конечно же, тема “Постоянный электрический
    ток” не является исключением в плане
    использования присущих всем предметам
    преимуществ изучения материала с интерактивной
    доской.

    Литература

  • Громов С.В., Шаронова Н.В. “Физика, 10”.
  • Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. “Физика, 11”.
  • Каменецкий С.Е. и др. “Теория и методика
    обучения физике в школе. Частные вопросы”.
  • Касьянов А.В. “Физика, 11”.
  • Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. “Физика, 10”.
  • Мякишев Г.Я., Синяков А.З. “Физика,
    Электродинамика 10-11”.
  • Пинский А.А. “Физика, 10”.
  • Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е. и др. “Физика, 11”.
  • Тихомирова С.А., Яворский Б.М “Физика, 11”.
  • Приложение 1



    Приложение 2




    Следующий: