Чем сложно электричество? С одной стороны, оно есть в каждой розетке. С другой - его не видно, в розетку руку не засунешь, а как показать это школьникам? Как продемонстрировать, например, закон Ома?
В идеале, конечно, в каждой школе должны быть электрические приборы, амперметры и вольметры, сопротивления, батарейки. Чтобы школьник мог выполнить опыт и вывести нужные законы и закономерности. В реальности такое бывает не всегда, да и с техникой безопасности возникает масса проблем. Расскажу о своём опыте.
Есть ли приборы, нет ли приборов...
Я работала в "продвинутой" школе, оснащенной самым современным оборудованием. Проблема в том, что оборудование было настолько современным, что пользоваться им в демонстрационных целях было неудобно. Приборы маленькие цифровые, всему классу не покажешь. Давать индивидуально сложно - пока достанешь всё из ящиков, пока сложишь обратно - для короткой демонстрации не подойдёт, нужно задействовать целый урок под лабораторную. Кроме того, занятия не всегда проводились в кабинете физики, и таскать все ящики по кабинетам тоже не вариант.
Сейчас я преподаю онлайн, работаю из дома, специальных приборов для демонстрации у меня в хозяйстве не водится. Кроме того, по моему опыту, какие-то сложные эксперименты трудно воспринимаются школьниками. Показывает вольтметр какие-то цифры, ну и что? Поэтому я решила пойти другим путём - для демонстрации электрических законов использовать не само электричество, а аналогию с течением воды.
Ток-поток. Электрико-механическая аналогия
Раньше электричество представляли себе как жидкость, которая перетекает от одного тела к другому. Даже в русском языке "ток" и "поток" однокоренные, есть понятие "тока" в гидродинамике. Почему бы при изучении законов тока не опереться на эту аналогию? Конечно, строгие формулы не получишь, но закономерности на уровне "увеличивается - уменьшается" - вполне.
Демонстрация 1. Сила тока и заряд
В большинстве классов есть кран с водой. Дома у меня он тоже есть. Открываем кран и набираем воду в какую-нибудь емкость. Напор воды - это сила тока, а вода, которая набирается - это заряд. Чем больше напор воды, тем больше заряда набирается за фиксированное время. Во время урока интересно получается, когда подходишь к крану, меняешь напор и объясняешь про силу тока. Школьники переключаются с формул на личный опыт и лучше запоминают.
Демонстрация 2. Сила тока и напряжение
Для демонстрации потребуется медицинский шприц (без иглы) с поршнем, наполненный водой. Просто так вода не течет. Почему? Потому что нет силы, действующей на неё. А теперь прикладываем силу к поршню - выдавливаем воду. Это аналогично напряжению. Объясняю, что напряжение - это работа по перемещению единицы заряда (или, по аналогии, миллилитра воды). Чем большую силу (а значит и работу) прикладываю к поршню, тем быстрее будет вытекать вода - больше сила тока. Таким образом, можно продемонстрировать закон Ома.
Шестиклассники инженерного класса в школе, где я работала, с удовольствием выполняли такой опыт. Выдать каждому шприц, стаканчик с водой и пластиковую тарелочку - не проблема. Ну и полотенцами запастись. В восьмом классе и на онлайн-репетиторстве я просто показываю, каждый может дома уже сам поэкспериментировать. Для демонстрации лучше брать подкрашенную воду, лучше видно. Самостоятельно школьникам безопаснее выполнять опыт с простой водой.
Демонстрация 3. Сопротивление проводника
Сопротивление проводника зависит, как известно, от площади и длины проводника. Берем 2 шприца разной площади, наливаем в них одинаковый столбик воды. Потом давим одинаковой силой (можно исхитриться и давить одной рукой, а второй держать их оба). Видно, что из толстого шприца вода будет вытекать быстрее. Значит, сила тока больше, а сопротивление - меньше.
С зависимостью от длины не знаю, как продемонстрировать, трудно найти шприцы разной длины, но одинаковой площади. К тому же, длина столба воды - это по сути количество заряда. Притянуть за уши аналогию у меня тут пока не получилось.
Демонстрация 4. Последовательное и параллельное соединение проводников
В качестве проводников у нас опять шприцы с водой разного сечения. Для последовательного соединения можно из одного шприца вытащить поршень, и вставить туда второй шприц. Более тонкий вставляется в более толстый. Давим на маленький поршень и видим, что ток воды через оба шприца одинаков. Но поршню теперь приходится продавливать воду через оба шприца, поэтому напряжение будет суммой напряжений для каждого шприца.
Параллельное соединение - мы берем заполненные шприцы и давим на оба поршня. Тогда напряжение будет одинаковым, а сила тока - разной. Суммарный поток воды будет равен сумме потоков через каждый шприц.
Демонстрация 5. Необходимость ЭДС
Для демонстрации потребуется гибкая трубка, которую можно заполнить водой. В школьной лаборатории есть такие трубки из прозрачного пластика, а дома я беру трубку от детского ингалятора. Под действием силы тяжести вода из трубки вытекает, то есть аналогом напряжения здесь будет работа силы тяжести. Заполняю трубку водой и замыкаю концы. Спрашиваю школьников - будет ли постоянно течь вода в трубке? Лес рук, конечно же нет, вода остановится. А что нужно делать, чтобы вода постоянно протекала по трубке? Умные дети говорят - нужен насос. Для электрического тока то же самое, и такой насос называется источник ЭДС - электродвижущей силы. Работа электрического поля, также как и работа силы тяжести, по замкнутому контуру равна нулю, поэтому нужна работа сторонних сил. ЭДС - это работа сторонних сил, деленная на заряд.
Заключение
Безусловно, я понимаю, что полной аналогии между течением воды и электрическим током нет, и подобные эксперименты, во многом, "притянуты за уши". Но на мой взгляд, любая живая демонстрация лучше чем ничего. Весь урок писать определения, формулы, задачи уже неэффективно. Это касается как обычного урока, так и онлайн-репетиторства.
Спасибо, что прочитали до конца! Надеюсь, этот материал будет кому нибудь полезен, или просто интересен. Буду рада лайкам и новым подписчикам!