Конспект урока по теме «Последовательное и параллельное соединение проводников»

Конспект урока по теме
«Последовательное и параллельное соединение проводников»
Цель урока: Построение модели электрической цепи посредством проведения
гидродинамической аналогии между электрическим током и течением воды по трубам.
Основной материал: Цепь с последовательным соединением проводников и её схема.
Общее сопротивление, общее напряжение и сила тока в цепи при последовательном
соединении проводников. Цепь с параллельным соединением проводников и её схема.
Общее сопротивление, общая сила тока и напряжение в цепи с параллельным
соединением. Смешанное соединение проводников. Гидродинамическая аналогия
между электрическим током и течением жидкости.
Эпиграф:
Природа так обо всем позаботилась,
что повсюду ты находишь, чему учиться.
Леонардо да Винчи (1452 – 1519)
Модель урока
1. Актуализация познавательного опыта, лежащего в основе построения нового
способа действия. Мотивация учебной деятельности.
Вступление: Источником любого знания о природе является сама природа, а точнее
наше знание о ней. Новое знание может быть осмыслено, понято только через образы и
понятия старого, известного. Нитью, связывающей известное с неизвестным, является
аналогия. Она делает невидимое видимым, неосязаемое осязаемым, не имеющее запаха
благоухающим, немое говорящим. Но это особая видимость и особый запах. Он слышен
и видим только для того, кто поселился в им же созданном виртуальном мире. И только
тому этот мир подвластен кто живет по законам
этого мира, принимая их такими какими они есть,
пусть
они
и
кажутся
ненастоящими
«понарошку», игрушечными. Ну и что? Как
известно – «вся наша жизнь – игра»!
2.Изучение нового материала.
Демонстрация №1: Электрические цепи, с
которыми теперь проходится иметь дело, могут
иметь множество потребителей соединенных
различными способами (рис. №1).
Опыт №1: Демонстрируются панели, на
которых установлены лампы электрические Рис. №1
соединенные 1) последовательно 2)параллельно.
На панели установлены лампы одинаковой
мощности,
т.е.
имеющие
одинаковое
сопротивление. Различие между способами
соединения показывают, вывернув по одной
лампе на каждой из панелей.
Вывод: При последовательном соединении
начало каждого элемента цепи соединено с
концом предыдущего. При выходе одного
элемента цепи из строя ток в цепи прекращается.
При параллельном соединении все элементы Рис. №2
1
цепи имеют общее начало и общий конец.
Затем учащихся приступают к фронтальной экспериментальной работе. На партах в
начале урока розданы 3 амперметра, 3 вольтметра, 2 палочки, 1 ключ и 1 источник тока,
необходимое количество проводов.
Экспериментальная фронтальная работа осуществляется под руководством учителя.
Опыты осуществляется с помощью плаката, изображенного на рисунке №2. Объяснение
результатов осуществляется с помощью гидродинамической аналогии.
Гидродинамическая аналогия между электрическим током и течением жидкости
Сходство свойств
Жидкость
1. Молекулы жидкости колеблются около
положения равновесия и время от времени
совершают перескоки с места на место.
2. Причиной упорядоченного движения молекул
жидкости является гравитационное поле.
Электронный газ в металле
1. Свободные электроны находятся
непрерывном и беспорядочном движении.
2. Причиной упорядоченного
свободных
электронов
электрическое поле
в
движения
является
Сходство отношений
Жидкость
Электронный газ в металле
1.
Величина действия воды прямо
пропорциональна массе жидкости, проходящей
через поперечное сечение трубы за единицу
времени (расход жидкости k= Δm/Δt).
2.
Величина
работы,
совершаемой
гравитационным полем по перемещению
жидкости
единичной
массы,
прямо
пропорциональна разности уровней жидкости
на этом участке (Δh=A/Δmg).
3.
Величина
сопротивления
течению
жидкости зависит от качества трубы и рода
жидкости, прямо пропорциональна длине
трубы и обратно пропорциональна площади
поперечного сечения трубы.
R0=8πηl/mS
1.
Величина действия электрического
тока прямо пропорциональна величине заряда,
проходящего
через
поперечное
сечение
проводника за единицу времени (I=Δg/Δt)
2.
Величина
работы
совершаемой
электрическим полем по перемещению
единичного заряда прямо пропорциональна
разности потенциалов (Δf=A/Δg).
3.
Величина сопротивления движению
свободных электронов зависит от рода
проводника, прямо пропорциональна длине
проводника и обратно пропорциональна
площади поперечного сечения проводника.
R=rl/s
После фиксации сходства необходимо указать различия между потоком жидкости и
электрическим током.
Различия в свойствах
Жидкость
Электронный газ в металле
2
1.Между молекулами жидкости действуют 1.Между электронами действуют только
как силы притяжения, так и силы силы отталкивания. От разлетания их
отталкивания.
удерживает
притяжение
к
ионам
кристаллической решетки.
2.Молекулы жидкости в течение времени 2.Электроны непрерывно движутся.
равном в среднем 10 -11с колеблются около
положения равновесия и лишь после этого
совершают перескок в другую точку
жидкости, где все повторяется. За 1с
совершается 10 11перескоков.
Как мы видим различия между свойствами молекул жидкости и электронного газа не столь
существенны, чтобы мы могли аналогией между ними пренебречь.
Вывод: а) расход текущей жидкости k аналогичен силе электрического тока I; б) перепад
уровней текущей жидкости Δh
аналогичен напряжению электрической цепи U; в)
сопротивление течению жидкости R0 аналогично сопротивлению электрической цепи R, по
которой течет электрический ток.
Опыт №2: Амперметр включают в электрическую цепь последовательно с 2 лампами,
ключом и источником тока. Сила тока в цепи фиксируется. Опыт повторяется при
включении амперметра в другое место цепи. Сила тока в цепи фиксируется.
Вывод: J  J1  J 2 . Сила тока во всех участка цепи при последовательном соединении
одинакова.
Аналогия №1
1.При последовательном соединении труб разного диаметра (Рис. №1) масса жидкости,
протекающей через любое поперечное сечение за единицу времени, одинакова: k1=k2=k3=…
Следовательно, сила тока в цепи при последовательном соединении (Рис. №2) во всех участках
цепи одинакова: I1=I2=I3=…
Рис. №3
Рис. №4
Опыт №3: Собирают схему, состоящую из двух параллельно соединенных
электрических ламп, источника тока и ключа. После включения источника тока
измеряется сила тока на различных параллельно соединенных участках цепи.
Вывод: I = I1 + I2. Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме токов в
отдельных параллельно соединенных проводниках. Учащиеся самостоятельно проводят
аналогию для параллельного соединения.
Опыт №4: Собирают схему, состоящую из двух последовательно соединенных
электрических ламп, источника тока и ключа. После включения источника тока
измеряют вольтметрами напряжение на каждой лампе и полное напряжение в цепи.
Вывод: V  V1  V2 Полное напряжение в цепи при последовательном соединении равно
сумме напряжений на отдельных участках цепи.
Аналогия №2
3
При последовательном соединении труб разного диаметра работа гравитационного поля по
перемещению жидкости единичной массы прямо пропорциональна сумме перепадов высот (Рис.
№3) на каждом участке: H=h1+h2+h3+…
Следовательно, напряжение всей цепи при последовательном соединении равно сумме
напряжений (Рис.№4) на отдельных участках этой цепи: U=U1+U2+U3+…
Рис. №6
Рис. №5
Опыт №5: Собирают схему, состоящую из двух параллельно соединенных
электрических ламп, источника тока и ключа. После включения источника тока
фиксируют напряжение на всех трех вольтметрах.
Вывод: V  V1  V2 Напряжение на концах всех параллельно соединенных проводников
одно и то же. Учащиеся самостоятельно проводят аналогию для параллельного
соединения.
На основании этих данных в течение беседы с учащимся выводятся формулы для
вычисления сопротивления цепи состоящей, как из последовательно соединенных
участков цепи, так и из параллельно соединенных участков цепи.
Вывод
V  V1  V2  JR  J1 R1  J 2 R2
но т.к.
J  J1  J 2  JR  JR1  JR2
R  R1  R 2
V V1 V2


R R1 R 2
V V V
но т. к. V  V1  V2   
R R1 R2
1 1
1
 
R R1 R2
J  J1  J 2 
Аналогия №3
При последовательном соединении труб разного диаметра полное сопротивление,
испытываемое жидкостью равно сумме сопротивлений на отдельных участках: R0=R1+R2+R3+…
Следовательно, электрическое сопротивление всей цепи равно сумме сопротивлений на
отдельных участках цепи: R=R1+R2+R3+…
Для
параллельного
соединения
учащиеся
самостоятельно
проводят
гидродинамическую аналогию.
Опыт №6: На панели с последовательным соединением ввернуты 2 лампы разной
мощности. Если номинальная мощность одной из ламп велика (сопротивление мало) оно
вообще не будет накаливаться, а лампа малой мощности будет ярко гореть. Почему?
Ответ: Сила тока в лампах одинакова, но сопротивление ламп различно и,
следовательно, напряжение на лампе малой мощности будет больше, чем на лампе
большой мощности.
Опыт №7: На панели с параллельным соединением ввернуты 2 лампы разной
мощности. Обе лампы горят ярко. Почему?
4
Ответ: При последовательном соединении напряжение в параллельных участках цепи
одинаково.
Вопрос №1: Почему елочные лампочки 6 В. включаются в цепь последовательно и
можно ли заменить перегоревшую лампочку другой с иным сопротивлением? Сколько
лампочек должно быть в гирлянде, рассчитанной на 220 В.? 127 В.?
Ответ: 37лампочек, 21 лампочка.
3.Совокупная рефлексия учебной деятельности. Апробация полученной
физической модели.
Как мы видим, гидродинамическая аналогия очень хорошо объясняет нам свойства
электрического тока текущего по проводам. Какие явления, возникающие при
прохождении электрического тока по проводнику, данная аналогия объяснить
бессильна?
4.Домашнее задание.
§ 48, 49.
5