Тема уроку: Електроємність. Конденсатори.
Енергія електричного поля
Мета:
Продовжити вивчення характеристик електричного поля;
Пояснити учням умови накопичення заряду, ввести поняття електроємності провідника та одиниці вимірювання електроємності;
Ознайомити з структурою, призначенням способами з’єднання та видами конденсаторів;
Встановити залежність ємності конденсатора від його площі пластин та від відстані між ними;
Сформувати уявлення учнів про те, що наявність енергії в електричному полі є ознакою матеріальності електричних полів;
Розвивати пізнавальні можливості, працелюбство, логічне мислення, спостережливість;
Виховувати відповідальність, доброзичливість, почуття cпівпереживання під час виконання завдань.
Тип уроку: Урок вивчення нового матеріалу.
Обладнання: Комп’ютер, проектор, ППЗ «Бібліотека електронних наочностей з фізики 7-11», конденсатори постійної і змінної ємності, портрети і короткі біографії вчених, дидактичні картки, опорні конспекти для учнів з теми
Метод викладення матеріалу: Пояснювально - ілюстрований
Формування компетентностей:
Саморозвитку та освіти – уміння самостійно здобувати знання.
Соціальні компетентності - використання знань на практиці в ситуації, що приводить учня до нового результату або нового шляху розв'язання задачі.
Компетентність продуктивної творчої діяльності - умінні планувати, розв'язувати творчі задачі, виконувати творчі завдання.
План – схема уроку
Етапи уроку
|
Методи і форми
|
1.Організаційний етап
|
|
2.Актуалізація опорних знань
|
Метод «Асоціативний кущ»
|
3.Мотивація навчальної діяльності
|
Знайомство з історією створення конденсаторів
|
4.Сприймання й первинне осмислення нового матеріалу
|
Пояснення вчителя з елементами евристичної бесіди , з використанням демонстрацій ППЗ «Бібліотека електронних наочностей з фізики 7-11»
|
5.Закріплення нового матеріалу
|
Метод «Тест «Так – Ні»»
Міні-практикум
Розвязування задач
|
6.Підбиття підсумків уроку
|
|
7.Домашнє завдання
|
|
Хід уроку
1. Організаційний етап
Вітання, перевірка присутності, налаштування на плідну працю
2. Актуалізація опорних знань
Метод «Асоціативний кущ»: учні називають асоціації, що виникають в них з темою «Електричне поле», викладач вивішує на дошці, почуті від учнів назви явищ, величин, обєктів, формуючи кущ (стебло якого: Електричне поле), а потім учні коротко характеризують кожну гілку, утвореного куща.
Приблизний перелік можливих гілок: заряди, взаємодія, напруженість, потенціал, силові лінії, провідники, діелектрики, сила, напруга.
3.Мотивація навчальної діяльності
Викладач знайомить учнів з передісторією сучасних конденсаторів, наголошуючи на тому, що ще три століття тому, саме прототип сучасного конденсатора стимулював вивчення електрики. А тепер, живучи в час, коли ми оточені електричними приладами та процесами скрізь і завжди, ми зобов’язані розуміти сутність того, що відбувається навколо і розумітись що є що.
Історія створення конденсаторів - Лейденська банка
У 1745 році в Лейдені німецький фізик Евальд Юрген фон Клейст та голландський фізик Пітер ван Мушенбрук створили перший конденсатор — «лейденську банку». Назву винаходу дав французький фізик Жан-Антуан Нолле. Це була закупорена наповнена водою скляна банка, обклеєна всередині і зовні фольгою. Крізь кришку у банку був уведений металевий стрижень. Лейденська банка дозволяла накопичувати і зберігати порівняно великі заряди, порядку мікрокулона. Завдяки Лейденській банці вдалося вперше штучним шляхом отримати електричну іскру. Дослід з лейденською банкою було повторено Ж.Нолле в присутності французького короля. Вчений утворив ланцюг із 180 солдатів-гвардійців, що тримались за руки, причому перший у ланцюгу тримав банку в руці, а останній — торкався дроту, викликаючи проскакування іскри. Ймовірно, звідси бере початок термін «електричний ланцюг».
Винайдення лейденської банки стимулювало вивчення електрики та електропровідних властивостей деяких матеріалів. Досліди з лейденською банкою стали проводити фізики різних країн, а в 1746–1747 роках перші теорії лейденської банки розробили знаменитий американський вчений Бенджамін Франклін та англієць В. Уатсон. З'ясувалося, що метали — кращі провідники електрики. Одним з найважливіших наслідків винаходу лейденської банки стало встановлення впливу електричних розрядів на організм людини, що привело до зародження електромедицини — це було перше порівняно широке практичне застосування електрики, котре зіграло значну роль у поглибленні вивчення електричних явищ.
При проведенні досліджень з банкою було встановлено, що кількість електрики, накопиченої у банці, пропорційна до розміру обкладок і обернено пропорційна товщині ізоляційного шару. Перший плоский конденсатор створив у 1783 італійський фізик Алессандро Вольта.
Оголошення теми та мети уроку, запис учнями теми уроку в зошити. (Подальші записи в зошити, при відповідній вказівці викладача, учні виконують з опорних конспектів, що лежать на партах, замінюючи відсутні підручники.)
4.Сприймання й первинне осмислення нового матеріалу
1. Поняття електроємності
Здатність тіл накопичувати електричний заряд називається електроємністю, а кількісною мірою є величина, яку теж називають електроємністю. Заряд провідника змінюється прямо пропорційно потенціалу провідника. Відношення заряду провідника до його потенціалу не залежить від від значення заряду і визначається розмірами і формою провідника й електричними властивостями навколишнього середовища. Отже: електроємністю провідника називають величину, яка вимірюється відношенням заряду провідника q до його потенціалу:  Електроємність не залежить ні від заряду провідника, ні від його потенціалу.
2. Одиниці електроємності.
Одиницею електроємності в СІ є: 
На честь англ. фізика М. Фарадея одиниця названа фарадом. 1 фарад — ємність провідника, у якого зміна заряду на 1 Кл викликає зміну потенціалу на 1 В.
Через те що заряд у 1 Кл дуже великий, ємність 1 Ф дуже велика. Тому на практиці часто використовують частинки цієї одиниці:
1мкФ = 10-6 Ф; 1пФ = 10-12 Ф
3. Конденсатори
Пристрої які здатні нагромаджувати великі заряди, називають конденсаторами.
Найпростіший конденсатор складається з двох провідників (обкладок), розділених ізолятором (діелектриком). Щоб на ємність конденсатора не впливали навколишні тіла, провідникам надають такої форми, щоб поле, створюване нагромаджуваними зарядами, було зосереджене у вузькому зазорі між обкладками конденсатора. Залежно від форм обкладок конденсатори поділяють на плоскі, циліндричні і сферичні.
Під електричною ємністю конденсатора розуміють фізичну величину, яка дорівнює відношенню заряду q, накопиченого в конденсаторі, до різниці потенціалів між його обкладками:
Ємність плоского конденсатора має залежати від площі його пластин і відстані між ними. Для вивчення вивчення цієї залежності можна скористатися розсувними конденсаторами.
Досліди показують, що із віддаленням однієї пластини від другої різниця потенціалів між ними збільшується, а це вказує на зменшення ємності конденсатора. Значить, електроємність конденсатора змінюється обернено пропорційно відстані між пластинами.
Змінюючи пластини конденсатора так, щоб пластини, які знаходяться одна проти одної, змінювались, а відстань між ними ні, можна встановити, що електроємність конденсатора прямо пропорційна його робочі площі.
На дослідах можна переконатися, що ємність конденсатора не залежить від матеріалу, товщини його пластин, а залежить від діелектрика, який знаходиться між ними.
Таким чином, електроємність плоского конденсатора прямо пропорційна робочі площі пластин і відносній діелектричні проникності діелектрика й обернено пропорційна відстані між пластинами:
де S-площа однієї з двох однакових пластин; d-відстань між пластинами; k-коефіцієнт пропорційності.
В системі СІ k=1, тому 
4. З'єднання конденсаторів
Конденсатори можна з'єднувати по-різному, отримуючи з них ємності більші чи менші за величиною, ніж початкові.
У разі паралельного з'єднання конденсаторів різниця потенціалів на обох конденсаторах однакова, а заряди їх додаються, тобто загальний заряд двох конденсаторів q = q1 + q2. Розділимо цей вираз на різницю потенціалів  1 - 2:
Звідки: С = С1 + С2.
У разі послідовного з'єднання конденсаторів заряд обох конденсаторів однаковий, оскільки права пластина конденсатора С1, і ліва пластина конденсатора С2 утворюють замкнуту систему , повний заряд якої дорівнює нулю.
Записавши тотожність 1 — 2 = (1 —  ) + (— 2) , розділимо її на заряд пластини q. У результаті дістаємо
 . Звідки:  .
Значення отриманих формул неважко зрозуміти: в разі послідовного з'єднання “додаються” відстані між обкладками конденсаторів, а в разі паралельного — площі пластин.
5. Енергія зарядженого конденсатора.
Для того щоб зарядити конденсатор, потрібно здійснити роботу з розділення позитивних і негативних зарядів. Згідно із законом збереження енергії конденсатор дістав запас енергії, що дорівнює роботі, яку здійснило під час зарядки конденсатора джерело струму, перемістивши на обкладки конденсатора заряд q:
 ,
де  , оскільки різниця потенціалів між пластинами конденсатора в процесі зарядки змінювалася лінійно.
Тому  .
 або  .
Енергія електричного поля.
Енергія конденсаторів звичайно не дуже велика, зате вони здатні накопичувати її впродовж тривалого часу, а під час розрядження віддають її майже миттєво. Саме ці якості конденсаторів використовують найбільше на практиці.
Згідно з теорією близькодії вся енергія взаємодії заряджених тіл сконцентрована в електричному полі цих тіл. Значить, енергія може бути виражена через основну характеристику поля — напруженість.
 , дістаємо:  .
Густина енергії.
Неважко помітити, що енергія електричного поля в одиниці об'єму (густина енергії):
 .
Застосування конденсаторів
За призначенням конденсатори поділяються на три типи:
Тип 1 - конденсатори, призначені для використання в резонансних контурах, де малі втрати і висока стабільність ємності мають істотне значення.
Тип 2 - конденсатори, призначені для використання в ланцюгах фільтрів,блокування і розв'язки або в інших колах, де малі втрати і висока стабільність ємності не мають істотного значення.
Тип 3-керамічні конденсатори з бар'єрним шаром, призначені для роботи в тих же колах, що і другого типу, але що мають менше значення опору ізоляції і більше значення тангенса кута діелектричнихвтрат, що обмежує область застосування низькими частотами.
Історична довідка
Зачитування учнями короткої біографії вчених, прізвища яких згадувалися під час уроку: Фарадей, Кулон, Вольта, Джоуль.
5.Закріплення нового матеріалу:
|
1)Метод «Тест «Так – Ні»»:
|
1.Електроємність провідника характеризує його швидкість розряджатись (Ні.)
2.Система двох провідників розділених шаром діелектрика називається конденсатором? (Так.)
3.Конденсатор може накопичувати електричний заряд? (Так.)
4.Чи можна конденсатор використовувати як акумулятор (Ні не можна, бо він майже вмить віддає свою енергію).
5.Система з двох плоских паралельних пластин, розділених шаром діелектрика , називається сферичним конденсатором? (Ні, плоским.)
6. Електроємність провідника залежить від його маси?(Ні.)
7.Чи можливо збільшити енергію зарядженого розсувного конденсатора, не змінюючи різниці потенціалів на його пластинах?(Так, змінивши відстань між пластинами, тобто змінивши ємність)
8. Чи представляють небезпеку знеструмлені кола, що містять конденсатори? (Так.)
2) Міні-практикум:
1. Викладач пропонує учням об’єднатися в групи, кожна з яких отримує конденсатор з вказаними параметрами (ємністю та різницею потенціалів) і повинна визначити який електричний заряд може накопичити даний конденсатор.
3) Розв’язування задач:
1. Яка ємність конденсатора, якщо при його зарядці до напруги 1,4кВ він дістає заряд 28нКл?
2. В скільки разів зміниться ємність конденсатора при зменшенні робочої площі пластин в 2 рази і зменшенні відстані між ними в 3 рази?
3. Яка кількість теплоти виділиться в провіднику під час розрядки через нього конденсатора ємністю 100 мкФ, зарядженого до різниці потенціалів 1,2 кВ?
6. Підбиття підсумків уроку: викладач аналізує роботу учнів на уроці, оцінює, дає поради та рекомендації.
|
7. Домашнє завдання: 1. Вивчити означення та формули за опорним конспектом;
2. Підготувати повідомлення про використання конденсаторів в обладнанні, на якому доводиться працювати хімікам – лаборантам.
3. Намалювати випадок, що призвів до введення терміну «електричний ланцюг».
|
|