Конспект урока по физике на тему "Полупроводники и их применение" (8 класс)

Конспект урока по физике

Полупроводники и их применение

Класс: 8

Дидактическая цель: создать условия для осознания блока новой учебной информации и включения субъектного опыта учащихся в процессе познания.

Цели по содержанию урока:

Образовательные

- освоение системы знаний о свойствах и применении электротехнических материалов – полупроводников;

- знакомство с электротехническими приборами – диодом, фоторезистором, терморезистором;

- дальнейшее овладение методом научного познания в процессе применения моделей: электрического тока в металлах и полупроводниках.

Развивающие – развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей учащихся в процессе выполнения самостоятельных экспериментальных исследований по установлению односторонней проводимости полупроводникового диода, при составлении описания полупроводниковых приборов.

Воспитательные – знакомство с отечественными учеными, внесшими большой вклад  в изучение свойств полупроводников (А.Ф. Иоффе, Ж.И. Алферов); развитие навыков групповой деятельности учащихся на уроках физики.

Тип урока:  Урок изучения и первичного закрепления новых знаний

Используемые учебники и учебные пособия:

Учебник «Физика 8 класс» авторы: Н.М. Шахмаев, А.В. Бунчук

Используемая методическая литература:

УМК ФИЗИКА 7— 9         Н. М. Шахмаева, А. В. Бунчука, Ю. И. Дика Изд. «Мнемозина».

Используемое оборудование:

Оборудование к уроку: компьютер, мультимедийный проектор, экран, авторская презентация по теме урока, полупроводниковый диод – 1 шт., светодиод – 1 шт.,  батарейки на 4,5 В – 2 шт., миллиамперметр, вольтметр, лампочка лабораторная – 1 шт., набор лаборатории L-micro «Набор для исследования тока в полупроводниках и их технического применения», емкости с горячей и холодной водой.

Ход урока:

1.      Организационный момент

2.      Актуализация знаний, мотивация

3.      Реализация основных этапов урока.

1 этап. Изучение модели полупроводников

2 этап. Опыт (с последующими самостоятельными выводами учащихся)

3 этап. Опорный конспект

4 этап. Групповой эксперимент

Опыт 1. Исследование зависимости сопротивления полупроводника от температуры.

Опыт 2. Исследование зависимости сопротивления полупроводника от освещенности.

5 этап. Физминутка

6 этап. Демонстрационный эксперимент

7 этап. Сообщения об истории изучения полупроводников (заранее готовят учащиеся)

4.      Рефлексия и коррекция промежуточных результатов.

5.      Домашнее задание.

Ход урока

1. Организационный момент. Здравствуйте, ребята, садитесь. Сегодня на нашем уроке присутствуют гости. Это учителя из других школ. Мы рады Вас приветствовать на нашем уроке физики.

2. Актуализация знаний, мотивация.

Вопросы учащимся	Предполагаемые ответы учащихся
Какой раздел физики мы с вами изучали на протяжении многих уроков?	Электрический ток и его законы
А на какие виды делятся все вещества по их электрическим свойствам?	Проводники и диэлектрики
Какие вещества называются диэлектриками?	Вещества, не проводящие электрические заряды.
Какие вещества называются проводниками?	Вещества, проводящие электрические заряды.
Почему металлы способны проводить электрические заряды?	В металлах много свободных электронов, которые перемещаются между ионами кристаллической решетки.
Каковы особенности строения диэлектриков?	В отличие от металлов, атомы диэлектриков прочно удерживают электроны, в результате свободных электронов почти нет.
Что происходит со свободными электронами в металлах под действием электрического поля?	Движение электронов по действием поля приобретает упорядоченный характер. Такое движение называется электрическим током.

 - Итак, все вещества по электрическим свойствам делятся на проводники и диэлектрики. Так ли это? Может быть, существуют вещества в природе, которые могут быть одновременно и проводниками, и диэлектриками в зависимости от внешних условий? (Предположения учащихся)

 - Давайте посмотрим на периодическую систему элементов Д.И. Менделеева, на ее центральную часть: германий, кремний, селен, мышьяк, теллур, бор, фосфор и ряд других элементов. Изучение электропроводимости этих веществ привело к открытию у них интересных и важных свойств, благодаря которым их стали использовать о многих электронных устройствах. Эти вещества назвали полупроводниками. Они составляют 2/3 всех веществ в природе.

 - Сегодня на уроке мы познакомимся с электрическими свойствами полупроводников и их практическим применением, изучим действие некоторых полупроводниковых приборов, выслушаем сообщения об истории их открытия.

Давайте сформулируем тему урока.

Запишите тему урока: «Полупроводниковые приборы и их применение»

Цель урока: изучить электрические свойства полупроводников, узнать об их практическом применении.

Мы с вами уже говорили о том, какие вещества относятся к проводникам и непроводникам. Задание. На доске представлены названия тел и веществ. Рассортируйте их по столбцам таблицы в соответствии со способностью.

Один ученик идет к доске. Остальные выполняют задание на рабочих местах.

Проводники	Полупроводники	Диэлектрики
человек, медь, железо, золото	кремний, мышьяк, германий фосфор	пластмасса, резина, дерево, стекло

После завершения выполнения задания, вместе проверяем правильность.

3. Реализация основных этапов урока.

1 этап. Изучение модели полупроводников

Чтобы понять, чем полупроводники отличаются от металлов, рассмотрим модель прохождения тока через полупроводники.

Поскольку количество свободных электронов в полупроводниках при обычных условиях невелико, поэтому электрического тока они не создают. Но при нагревании или освещении кристалла некоторые электроны приобретают избыточную энергию и становятся свободными электронами. На рисунке показан только один свободный электрон, но атомов в кристалле очень много, поэтому при нагревании или освещении кристалла в нем появляется много свободных электронов.

- Что при этом происходит с сопротивлением полупроводника? А с его электрической проводимостью?

Чем сильнее нагревается или освещается полупроводник, тем больше в нем появляется свободных электронов и тем больше становится его электрическая проводимость, т. е. уменьшается сопротивление полупроводника.

Запишите в тетрадь: Полупроводники – это вещества, сопротивление которых зависит от температуры или освещенности

2 этап. Опыты (с последующими самостоятельными выводами учащихся)

Итак, сегодня на уроке мы исследуем с вами зависимость сопротивления полупроводника от температуры и освещенности.

Разделимся на две группы. По инструкционным картам, которые лежат на ваших столах необходимо выполнить эксперимент и представить отчет о выполненной работе, т.е. рассказать друг другу о ходе опытов.

Помните при сборке электрических цепей необходимо соблюдать правила безопасности:

·         ко всему оборудованию относиться бережно

·         при сборке электрических цепей соблюдать полярность

·         правильно подключать амперметр и вольтметр

·         замыкать ключ после того как цепь проверит учитель

3 этап. Опорный конспект

Прежде чем вы приступите к выполнению опытов, я выдаю вам еще часть вашего конспекта – таблицу., заполняйте ее по ходу выполнения эксперимента и урока, потом вклейте ее в тетрадь.

Название прибора	Терморезистор	Фоторезистор	Полупроводниковый диод	Светодиод
Условное обозначение
На каком явлении основано действие прибора	менять электрическое сопротивление при изменении температуры R↓ при ↑ температуры	менять электрическое сопротивление при изменении освещения R↓ при ↑ освещения	односторонняя проводимость	Односторонняя проводимость, излучение света
Применение	Микроэлектроника Пожарные датчики Контроль температур	Системы охраны Солнечные батареи Датчики движения	Выпрямители переменного тока	Световая реклама Дизайн помещений Освещение в автомобилях Дорожные знаки и светофоры и др.

4 этап.

Опыт 1. Исследование зависимости сопротивления полупроводника от температуры.

Опыт 2. Исследование зависимости сопротивления полупроводника от освещенности.

Текущий инструктаж.

Вы уже догадались, как называются приборы, с которыми проводили опыты? Эти приборы получили названия фоторезистор и терморезистор.

Выступление учеников с отчетами.

При увеличении температуры или освещенности полупроводника его сопротивление уменьшается.

Где же могут применяться фоторезистор и терморезистор?

Терморезистор.

Термисторы применяются в микроэлектронике, на компьютерных комплектующих.

Позволяют измерять температуру процессоров, оперативной памяти, видеокарт, жёстких дисков и прочих компонентов.

Терморезисторы используются в качестве пожарных датчиков.

При повышении температуры воздуха в помещении сопротивление терморезистора резко уменьшается, тем самым ток увеличивается и устройство срабатывает. Своими замыкающими контактами устройство включает сигнальные лампы, а также звуковой сигнал.

Фоторезистор.

Широкое распространение получили фоторезисторы в системах автоматической охраны территорий и помещений. Устройство этих систем очень простое. Световой луч проходит через территорию помещения и попадает на фоторезистор.

Если какое-либо тело появится на пути луча, то свет на фоторезистор не попадет, и на вход другой системы подается импульс – срабатывает сигнал тревоги. Это свойство фоторезистора используется в различных счетчиках, например, на конвейерах.

«Солнечные батареи» – полупроводниковые устройства, преобразующие солнечную энергию в постоянный электрический ток.

Когда свет попадает на фотоэлемент, определенная его часть поглощается материалом полупроводника. Возникает электрический ток. Например, этот ток может питать калькулятор. С помощью таких батарей на космических орбитах работают искусственные спутники Земли.

Я хочу вам продемонстрировать действие солнечной батареи. Все утро батарея поглощала свет, и если мы подключим батарею к прибору, который фиксирует малые токи - гальванометру, увидим, что действительно ток есть, некоторое количество энергии эта батарея накопила.

Датчики движения и присутствия автоматически включают или выключают освещение в помещении, открывают или закрывают двери.

5 этап. Физминутка. Ребята, пришло время немного отдохнуть нашим глазам.

1.      Крепко закройте глаза на 3-5 секунд. Повторите 6-8 раз

2.      Не меняя положения головы, начинайте медленно переводить взгляд с потолка на пол, справа налево и обратно. Повторите 8-12 раз.

3.      Быстро поморгайте 2 минуты, но не зажмуривайтесь. Это способствует улучшению кровообращения.

6 этап. Демонстрационный эксперимент

Мы рассмотрели, что при прохождении тока через полупроводники возникает ряд необычных явлений – уменьшение сопротивления при повышении температуры и освещении полупроводников. Но самое интересное из них было открыто немецким физиком Карлом Брауном еще в 1906 году.

Что это за явление выясним на опыте.

Итак, сейчас мы исследуем еще один полупроводниковый прибор, состоящий из двух разных веществ.

I. Исследование односторонней проводимости полупроводникового диода

1. Я собираю электрическую цепь на доске, начертите ее себе в тетради:

Обратите внимание, горит ли лампочка?

2. Переключим полупроводниковый прибор, поменяв полярность.

Горит ли лампочка в этом случае?

3. Сделайте вывод: каким свойством обладает данный полупроводниковый прибор?

Вывод: при переключении прибора в обратном направлении тока в цепи не было.

- Такое свойство полупроводников хорошо пропускать электрический ток в одном направлении и плохо в другом, называется односторонней проводимостью. Это свойство используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами. Устройство полупроводникового диода показано на рисунке. На пластине 1 кремния наплавлена капля 2 индия. К пластине и капле прикреплены металлические электроды 3. На рисунке показано условное обозначение полупроводникового диода.

Приставка "ди" - означает два, указывающая на две примыкающие зоны разной проводимости.

А треугольник подобно стрелке показывает направление, в котором диод пропускает ток.

Ребята, не забывайте заполнять табличку.

II. Исследование односторонней проводимости светодиода и зависимости яркости свечения от силы протекающего через диод тока

При включении некоторых полупроводниковых диодов в прямом направлении в них возникаем еще одно явление – излучение света. Диоды, обладающие таким свойством, называются светодиодами. В настоящее время созданы светодиоды, испускающие свет самых разных цветов – красного, синего, желтого, зеленого, белого. Обладая сравнительно большой яркостью свечения, они по сравнению с лампочками потребляют мало электроэнергии.

Мы с вами знаем уже свойство полупроводникового диода. В чем оно заключается? Верно, пропускает ток в одном направлении. Проверим на опыте. Я приглашаю вас в зону эксперимента.

1. Я собираю электрическую цепь на доске, вы у себя на местах.

Обратите внимание, излучает ли свет, данный полупроводниковый прибор?

2. Что будет если изменить полярность подключения светодиода? Верно, тока в цепи нет, диод не горит. Проверим, переключим светодиод, поменяв полярность.

3. Сделайте вывод: каким свойством обладает данный полупроводниковый прибор?

Вывод: при включении светодиода в прямом направлении мы наблюдаем свечение, а при переключении прибора в обратном направлении тока в цепи нет, излучения света нет.

Где применяются полупроводниковые диоды и светодиоды?

- Диоды применяются в выпрямителях переменного тока. Дело в том, что на электростанциях вырабатывается переменное напряжение, которое поступает в дома, на транспорт и предприятия. Вместе с тем множество устройств работает на постоянном токе: электровозы, электропоезда, компьютеры, видеотехника. Для включения в цепь переменного тока, в них обязательно должен быть выпрямитель.

- Спектр применения светодиодов огромен и представлен на слайде.

Сейчас, я предлагаю нашим докладчикам выступить с сообщениями о выдающихся русских ученых, которые посвятили всю жизнь изучению этих удивительных веществ и их свойств, которые мы с вами сегодня исследовали, изучали, даже подержали в руках.

7 этап. Сообщения об истории изучения полупроводников (заранее готовят учащиеся)

В 1931 Абрам Федорович Иоффе впервые обратил внимание на необходимость изучения полупроводников как новых материалов для электроники и предпринял их всестороннее исследование. Исследования Иоффе электрических свойств полупроводников (в 31—40 г) положили начало развитию новых областей полупроводниковой техники — термо- и фотоэлектрических генераторов и термоэлектрических холодильных устройств. В 1942 А. Ф. Иоффе  удостоен Государственной премии за исследования в области полупроводников. В 1954 г. был создан кремниевый фотоэлемент. В этом же году впервые была построена солнечная батарея, состоявшая из большого числа кремниевых фотоэлементов. Располагая полупроводниковый диод рядом с радиоактивным материалом, получают атомную батарею, которая может вырабатывать электрическую энергию на протяжении многих лет.

Большой вклад в исследование полупроводниковых веществ и разработку на их основе полупроводниковых приборов внес Российский физик и общественный деятель, академик РАН ЖОРЕС ИВАНОВИЧ АЛФЁРОВ. Специалист в области физики полупроводников, полупроводниковой и квантовой электроники. За что был удостоен Нобелевской премии по физике в 2000 году, Ленинской премии (1972), Государственной премии СССР (1984). Открытия в области полупроводников, сделанные  Ж.И. Алфёровым позволили кардинально улучшить параметры большинства известных полупроводниковых приборов и создать принципиально новые, особенно перспективные для применения в оптической и квантовой электронике.

4. Рефлексия и коррекция промежуточных результатов.

- Изучению, какой темы мы посвятили сегодняшний урок?

Давайте проследим логику изучения темы по опорному конспекту. (Учащимся предоставляется опорный конспект урока на экране).

А теперь продолжите следующие предложения (таблички у каждого на столе)

На этом уроке я открыл для себя …

Интересным на уроке было то, что …

Я думаю эта тему нужно изучать потому, что…

5. Домашнее задание.

Запишите домашнее задание.

Учить записи в тетради.

Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника постоянного тока, микродвигателя, 2-х диодов, так, чтобы с помощью выключателей изменять направление вращение ротора микродвигателя.