План урока на тему "Зависимость сопротивления проводников от температуры" (10 класс)

Зависимость сопротивления проводников от температуры.

Сверхпроводимость.

Цель урока: объяснить физическую природу зависимости сопротивления проводников от температуры; ввести понятие температурного коэффициента сопротивления и сверхпроводимости.

 Задачи урока:

Образовательные:  

• на основе демонстрации опытов объяснить увеличения сопротивления металлов от температуры и уменьшения у электролитов, получить формулу связи R от  t ;
• ознакомить с явлением сверхпроводимости

Развивающие:

• развитие речи, умения выражать и защищать свою точку зрения;
• развитие познавательных умений  

Воспитательные:

• вовлечь всех учащихся в творческую работу;
• воспитание мотивов учения, положительного отношения к знаниям

Тип урока: комбинированный.

Формы организации урока: фронтальная, индивидуальная.

Методы: рассказ, демонстрация опытов, исследование, записи на доске, беседа.

Тип урока: комбинированный.

Формы организации урока: фронтальная, индивидуальная.

Методы: рассказ, демонстрация опытов, исследование, записи на доске, беседа.

Оборудование к уроку:

 1) прибор для показа зависимости сопротивления металлов от температуры;

 2) спиртовка, спичка;

 3) раствор медного купороса;

 4) амперметр постоянного тока;

 5)гальванометр

 6)U-образная трубка

 7) источник постоянного тока.

 8) ПК, мультимедиа-проектор, компьютерная презентация.

Ход урока

I. Оргмомент.

II. Фронтальный опрос (Слайд 1)

Электрический ток в металлах

а) Что называют электрическим током?

б) Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

в) Перечислите хорошие проводники электрического тока.

г) Какой проводимостью обладают металлы? Чем это объясняется?

Носители свободных зарядов в металлах

- свободные электроны, которые упорядоченно перемещаются вдоль проводника под действием электрического поля с постоянной средней скоростью (из-за тормозного действия положительно заряженных ионов кристаллической решетки) (Слайд 4,5)

   Металлы обладают электронной проводимостью.

                                     

 III.Зависимость сопротивления проводника R от температуры:

а) Как можно рассчитать сопротивление проводника?

б) Что такое ρ?

                                                  

   Различные вещества имеют разные удельные сопротивления (см. § 104).

Проблемный вопрос. Зависит ли сопротивление от состояния проводника? от его температуры? Выслушать мнение учащихся. Ответ должен дать опыт.

   Если пропустить ток от аккумулятора через стальную спираль, а затем начать нагревать ее в пламени горелки, то амперметр покажет уменьшение силы тока. Это означает, что с изменением температуры сопротивление проводника меняется. (Опыт№1, рис 1.) Учащиеся наблюдают уменьшение накала спирали и уменьшение силы тока в цепи.

    Вопросы  учащимся: Как обьяснить данный опыт?

                                     Как меняется сопротивление спирали в зависимости от температуры?

Выслушать рассуждения учащихся.

   Увеличение сопротивления можно объяснить тем, при повышении температуры увеличивается скорость и амплитуда хаотического движения ионов кристаллической решетки металла и свободных электронов. Это приводит к более частым их соударениям, что затрудняет направленное движение электронов, то есть увеличивает электрическое сопротивление. (Слайд 7)

        Если при температуре, равной 0°С, сопротивление проводника равно R_о, а при температуре t оно равно R, то относительное изменение сопротивления, как показывает опыт, прямо пропорционально изменению температуры t:

                                                          

При нагревании размеры проводника меняются мало, а в основном меняется удельное сопротивление.

 Удельное сопротивление проводника зависит от температуры:

                                              

где ρ₀ - удельное сопротивление при 0 градусов,

 t - температура,

 α - температурный коэффициент сопротивления

 ( т.е. относительное изменение удельного сопротивления проводника при нагревании его на один градус)

                                            

Для металлов и сплавов      

 Обычно для чистых металлов принимается     

 Таким образом, для металлических проводников с ростом температуры

                                                    Рис 1

  увеличивается удельное сопротивление, увеличивается сопротивление проводника  и уменьшается электрический ток в цепи.

Сопротивление проводника при изменении температуры можно рассчитать по формуле:

                                                   R = Ro (1 + αt)

где Ro - сопротивление проводника при 0 градусов Цельсия

 t - температура проводника

 α  - температурный коэффициент сопротивления

(Слайды 8,9)

 Хотя коэффициент α довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагревательных приборов совершенно необходим. Так, сопротивление вольфрамовой нити лампы накаливания увеличивается при прохождении по ней тока более чем в 10 раз.

   У некоторых сплавов, например, у сплава меди с никелем (константан), температурный коэффициент сопротивления очень мал: α ≈ 10^-5 K^-1. Удельное сопротивление константана велико: ρ ≈ 10^-6 Ом∙м. Такие сплавы используют для изготовления эталонных сопротивлений и добавочных сопротивлений к измерительным приборам, т. е. в тех случаях, когда требуется, чтобы сопротивление заметно не менялось при колебаниях температуры.

   Вывод. Удельное сопротивление (соответственно и сопротивление) металлов растет линейно с увеличением температуры.

 (Дополнительно.) У растворов электролитов оно уменьшается при увеличении температуры. (рис.2)

 (Опыт №2.) Учащиеся наблюдают увеличение силы тока, проходящего через раствор медного купороса при нагревании раствора.

    Вопрос учащимся: Как обьяснить данный опыт?

Выслушать мнение учащихся по наблюдаемому опыту. Уменьшение сопротивления объясняется увеличением степени диссоциации и образованием свободных носителей зарядов (Слайд 10)

Рис. 2

 IV. Явление сверхпроводимости

Сверхпроводимость – физическое явление, заключающееся в  скачкообразном падении до нуля сопротивления вещества.

Сверхпроводник – вещество, которое может переходить в сверхпроводящее состояние.

Открытие низкотемпературной сверхпроводимости:

 1911г. - голландский ученый Камерлинг - Онес

 наблюдается при сверхнизких температурах (ниже 25 К) во многих металлах и сплавах;

 при таких температурах удельное сопротивление этих веществ становится исчезающе малым.

(Слайды 11,12)

В 1957 г. дано теоретическое объяснение явления сверхпроводимости:

 Купер (США), Боголюбов (СССР)

1957г. опыт Коллинза: ток в замкнутой цепи без источника тока не прекращался в течение 2,5 лет.

В 1986 г. открыта (для металлокерамики) высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

Трудность достижения сверхпроводимости:

 - необходимость сильного охлаждения вещества

Применение явления сверхпроводимости (Слайд 13)

1)Экранирование   

Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное  излучение. Используется в микроволновых устройствах, а также при создании установок для защиты от излучения при ядерном взрыве

2)Магниты

- научно-исследовательское оборудование

- магнитная левитация        

- получение сильных магнитных полей;

 - мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах.

 НТСП магниты используются в ускорителях частиц и установках термоядерного синтеза

Интенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке. Прототип в Японии использует НТСП.

3)Передача энергии           

4)Аккумулирование          

Возможность аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока

5)Вычислительные устройства  

Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструировании аппаратуры.

В настоящий момент в энергетике существует большая проблема

- большие потери электроэнергии при передаче ее по проводам.

Возможное решение проблемы:

 при сверхпроводимости сопротивление проводников приблизительно равно 0  и потери энергии резко уменьшаются

Вещество с самой высокой температурой сверхпроводимости. В марте 1988 г. в Исследовательском центре компании ИБМ в Сан-Хосе, штат Калифорния, США, при температуре –148°С было получено явление сверхпроводимости. Проводником служила смесь оксидов таллия, кальция, бария и меди – Тl2Са2Ва2Сu3Оx.

  ???

   1. Когда электрическая лампочка потребляет большую мощность: сразу после включения ее в сеть или спустя несколько минут?

   2. Если бы сопротивление спирали электроплитки не менялось с температурой, то ее длина при номинальной мощности должна быть большей или меньшей?

V. Закрепление изученного материала методом решения задач. (Слайды 14-17)

1.Сопротивление медного провода при 0⁰С равно 4 Ом. Найдите его сопротивление при 50⁰С. Если температурный коэффициент сопротивления меди α = 4,3∙10^-3 К^-1.

2.(№864-Р). При какой температуре сопротивление серебряного проводника станет 2 раза больше, чем при 0⁰С?

3.(868 №) На сколько процентов изменится мощность, потребляемая электромагнитом, обмотка которого выполнена из медной проволоки. При изменении температуры от 0 до 30⁰С?

 4. (№869-Р) На баллоне  электрической лампы написано 220 В, 100 Вт. Для измерения сопротивления нити накала в холодном состоянии на лампу подали напряжение 2 В, при этом сила тока была 54 мА. Найти приблизительно температуру накала вольфрамовой нити

Решения задач:

1.  

2.   (№864)

3.   (868)

Ответ: уменьшится на 11%

4.   (869)

1+=;   

На дом:§113,114.

№865,870

5.      Сопротивление вольфрамовой нити лампы при 20˚С равно 20 Ом, а при 3000˚С равно 250 Ом. Найти α вольфрамовой нити (0,0042 град^-1)

Дополнительный материал к уроку

Металлический термометр сопротивления

Представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или плёнки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Наиболее распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры. Это объясняется тем, что платина имеет высокий температурный коэффициент сопротивления и высокую стойкость к окислению. Эталонные термометры изготавливаются из платины высокой чистоты с температурным коэффициентом не менее 0,003925. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. Действующий стандарт на технические требования к рабочим термометрам сопротивления: ГОСТ Р 8.625-2006 (Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). В стандарте приведены диапазоны, классы допуска, таблицы НСХ и стандартные зависимости сопротивление-температура. Стандарт соответствует международному стандарту МЭК 60751 (2008). В стандарте впервые отказались от нормирования конкретных номинальных сопротивлений. Сопротивление изготовленного термометра может быть любым. Промышленные платиновые термометры сопротивления в большинстве случаев используются со стандартной зависимостью сопротивление-температура (НСХ), что обуславливает погрешность не лучше 0,1 °C (класс АА при 0 °C). Термометры сопротивления на основе напыленной на подложку плёнки отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном температур. Максимальный диапазон, в котором установлены классы допуска платиновых термометров для проволочных чувствительных элементов составляет 660 °C (класс С),  для плёночных 600 °C (класс С).

Краткая теория  сверхпроводимости.

Современная теория сверхпроводимости состоит в том, что при температурах, близких к нулю Кельвина, происходит особое взаимодействие между электронами (с порождением и поглощением фотонов), которое характеризуется притяжением между электронами. При таком взаимодействии фотонное притяжение электронов сильнее кулоновского отталкивания. А поэтому все электроны проводимости образуют связанный коллектив, который не может отдавать энергию малыми порциями. Энергия коллективизированных электронов не расходуется на тепловые колебания ионов. А поэтому сопротивление проводника практически равно нулю. Критическая температура (при которой удельное сопротивление резко падает) для сверхпроводников находится по таблице. Сверхпроводники применяются для получения мощных электромагнитов в ускорительных приборах.

     Литература

1.Г.Я.Мякишев. Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10

2. А.П. Рымкевич. Сборник задач по физике

http://class-fizika.narod.ru/10_9.htm

http://www.electrolibrary.info/history/sverkhprovodimost.htm

http://www.nado5.ru/e-book/zavisimost-soprotivleniya-provodnika-ot-temperatury

http://do.gendocs.ru/docs/index-380436.html?page=3

http://elementy.ru/lib/430825/430831