Hoạt động 2: Tìm hiểu về bản chất dòng điện trong chất khí ST Bước Nội dung T 1 Chuyển giao nhiệm vụ - Xem thí nghiệm ảo do GV cung cấp - HS theo dõi 2 Thực hiện nhiệm vụ - HS làm việc n[r]
(1)CHUYÊN ĐỀ: DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG Xác định vấn đề cần giải chuyên đề: Nội dung kiến thức cần xây dựng chuyên đề: A Nội dung 1: DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI Bản chất dòng điện kim loại + Trong kim loại, các nguyên tử bị electron hoá trị trở thành các ion dương Các ion dương liên kết với cách có trật tự tạo thành mạng tinh thể kim loại Các ion dương dao động nhiệt xung quanh nút mạng + Các electron hoá trị tách khỏi nguyên tử thành các electron tự với mật độ n không đổi Chúng chuyển động hỗn loạn toạ thành khí electron tự choán toàn thể tích khối kim loại và không sinh dòng điện nào + Điện trường E nguồn điện ngoài sinh ra, đẩy khí electron trôi ngược chiều điện trường, tạo dòng điện + Sự trật tự mạng tinh thể cản trở chuyển động electron tự do, là nguyên nhân gây điện trở kim loại Hạt tải điện kim loại là các electron tự Mật độ chúng cao nên chúng dẫn điện tốt Dòng điện kim loại là dòng chuyển dời có hướng các electron tự tác dụng điện trường Sự phụ thuộc điện trở suất kim loại theo nhiệt độ Điện trở suất kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc : = 0(1 + (t - t0)) Hệ số nhiệt điện trở không phụ thuộc vào nhiệt độ, mà vào độ và chế độ gia công vật liệu đó Điện trở kim loại nhiệt độ thấp và tượng siêu dẫn Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất kim loại giảm liên tục Đến gần 0K, điện trở kim loại bé Một số kim loại và hợp kim, nhiệt độ thấp nhiệt độ tới hạn T c thì điện trở suất đột ngột giảm xuống Ta nói các vật liệu đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn Các cuộn dây siêu dẫn dùng để tạo các từ trường mạnh B Nội dung 2: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN Bản chất dòng điện chất điện phân Dòng điện chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng các ion điện trường Chất điện phân không dẫn điện tốt kim loại Dòng điện chất điện phân không tải điện lượng mà còn tải vật chất theo Tới điện cực có các electron có thể tiếp, còn lượng vật chất đọng lại điện cực, gây tượng điện phân Các tượng diễn điện cực Hiện tượng dương cực tan Các ion chuyển động các điện cực có thể tác dụng với chất làm điện cực với dung môi tạo nên các phản ứng hoá học gọi là phản ứng phụ tượng điện phân Hiện tượng dương cực tan xảy các anion tới anôt kéo các ion kim loại diện cực vào dung dịch Các định luật Fa-ra-đây (2) * Định luật Fa-ra-đây thứ Khối lượng vật chất giải phóng điện cực bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó M = kq k gọi là đương lượng hoá học chất giải phóng điện cực * Định luật Fa-ra-đây thứ hai A Đương lượng điện hoá k nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam n nguyên tố đó Hệ số tỉ lệ F , đó F gọi là số Fa-ra-đây A k= F n Thường lấy F = 96500 C/mol * Kết hợp hai định luật Fa-ra-đây, ta công thức Fa-ra-đây : A m = F n It m là chất giải phóng điện cực, tính gam Ứng dụng tượng điện phân Hiện tượng điện phân có nhiều ứng dụng thực tế sản xuất và đời sống luyên nhôm, tinh luyện đồng, điều chế clo, xút, mạ điện, đúc điện, … a Luyện nhôm Dựa vào tượng điện phân quặng nhôm nóng chảy Bể điện phân có cực dương là quặng nhôm nóng chảy, cực âm than, chất điện phân là muối nhôm nóng chảy, dòng điện chạy qua khoảng 104A b Mạ điện Bể điện phân có anôt là kim loại để mạ, catôt là vật cần mạ Chất điện phân thường là dung dịch muối kim loại để mạ Dòng điện qua bể mạ chọn cách thích hợp để đảm bảo chất lượng lớp mạ C Nội dung 3: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ Chất khí là môi trường cách điện Chất khí không dẫn điện vì các phân tử khí trạng thái trung hoà điện, đó chất khí không có các hạt tải điện Sự dẫn điện chất khí điều kiện thường Thí nghiệm cho thấy: + Trong chất khí có ít các hạt tải điện + Khi dùng đèn ga để đốt nóng chất khí chiếu vào chất khí chùm xạ tử ngoại thì chất khí xuất các hạt tải điện Khi đó chất khí có khả dẫn điện Bản chất dòng điện chất khí (3) a Sự ion hoá chất khí và tác nhân ion hoá Ngọn lửa ga, tia tử ngoại đèn thuỷ ngân thí nghiệm trên gọi là tác nhân ion hoá Tác nhân ion hoá đã ion hoá các phân tử khí thành các ion dương, ion âm và các electron tự Dòng điện chất khí là dòng chuyển dời có hướng các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường Khi tác nhân ion hóa, các ion dương, ion âm, và electron trao đổi điện tích với với điện cực để trở thành các phân tử khí trung hoà, nên chất khí trở thành không dẫn điện, b Quá trình dẫn điện không tự lực chất khí Quá trình dẫn điện chất khí nhờ có tác nhân ion hoá gọi là quá trình dẫn điện không tự lực Nó tồn ta tạo hạt tải điện khối khí hai cực và biến ta ngừng việc tạo hạt tải điện Quá trình dẫn diện không tự lực không tuân theo định luật Ôm Quá trình dẫn điện tự lực chất khí và điều kiện để tạo quá trình dẫn điện tự lực Quá trình phóng điện tự lực chất khí là quá trình phóng điện tiếp tục giữ không còn tác nhân ion hoá tác động từ bên ngoài Có bốn cách chính để dòng điện có thể tạo hạt tải điện chất khí: Dòng điện qua chất khí làm nhiệt độ khí tăng cao, khiến phân tử khí bị ion hoá Điện trường chất khí lớn, khiến phân tử khí bị ion hoá nhiệt độ thấp Catôt bị dòng điện nung nóng đỏ, làm cho nó có khả phát electron Hiện tượng này gọi là tượng phát xạ nhiệt electron Catôt không nóng đỏ bị các ion dương có lượng lớn đập vào làm bật electron khỏi catôt trở thành hạt tải điện Tia lửa điện và điều kiện tạo tia lửa điện a Định nghĩa Tia lữa điện là quá trình phóng điện tự lực chất khí đặt hai điện cực điện trường đủ mạnh để biến phân tử khí trung hoà thành ion dương và electron tự b Điều kiện để tạo tia lữa điện Hiệu điện U(V) Khoảng cách cực (mm) Cực phẵng Mũi nhọn 20 000 6,1 15,5 40 000 13,7 45,5 100 000 36,7 220 200 000 75,3 410 300 000 114 600 c Ứng dụng Dùng để đốt hỗn hợp xăng không khí động xăng Giải thích tượng sét tự nhiên Hồ quang điện và điều kiện tạo hồ quang điện (4) a Định nghĩa Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy chất khí áp suất thường áp suất thấp đặt hai điện cực có hiệu điện không lớn Hồ quang điện có thể kèn theo toả nhiện và toả sáng mạnh b Điều kiện tạo hồ quang điện Dòng điện qua chất khí giữ nhiệt độ cao catôt để catôt phát electron tượng phát xạ nhiệt electron c Ứng dụng Hồ quang diện có nhiều ứng dụng hàn điện, làm đèn chiếu sáng, đun chảy vật liệu, … D Nội dung 4: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN Chất bán dẫn và tính chất Chất bán dẫn là chất có điện trở suất nằm khoảng trung gian kim loại và chất điện môi Nhóm vật liệu bán dẫn tiêu biểu là gecmani và silic + Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất chất bán dẫn siêu tinh khiết lớn Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh, hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm + Điện trở suất chất bán dẫn giảm mạnh pha ít tạp chất Hạt tải điện chất bán dẫn, bán dẫn loại n và bán dẫn loại p a Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p Bán dẫn có hạt tải điện âm gọi là bán dẫn loại n Bán dẫn có hạt tải điện dương gọi là bán dẫn loại p b Electron và lỗ trống Chất bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống Dòng điện bán dẫn là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường c Tạp chất cho (đôno) và tạp chất nhận (axepto) + Khi pha tạp chất là nguyên tố có năm electron hóa trị vào tinh thể silic thì nguyên tử tạp chất này cho tinh thể electron dẫn Ta gọi chúng là tạp chất cho hay đôno Bán dẫn có pha đôno là bán dẫn loại n, hạt tải điện chủ yếu là electron + Khi pha tạp chất là nguyên tố có ba electron hóa trị vào tinh thể silic thì nguyên tử tạp chasats này nhận electron liên kết và sinh lỗ trống, nên gọi là tạp chất nhận hay axepto Bán dẫn có pha axepto là bán đãn loại p, hạt tải điện chủ yếu là các lỗ trống Chuẩn kiến thức, kỹ và số có thể phát triển: (5) 3.1 Kiến thức: Nêu điện trở suất kim loại tăng theo nhiệt độ Mô tả tượng nhiệt điện là gì? Nêu chất kim loại lầ gì? Nêu tượng siêu dẫn là gì và ứng dụng chính tượng này Nêu chất dòng điện chất điện phân Mô tả tượng dương cực tan Phát biểu các định luật Fa-ra-đây điện phân và viết hệ thức các định luật này Nêu số ứng dụng tượng điện phân Nêu chất dòng điện chất khí Mô tả cách tạo tia lửa điện Mô tả cách tạo hồ quang điện, nêu các đặc điểm chính và các ứng dụng chính hồ quang điện Nêu các đặc điểm tính dẫn điện chất bán dẫn Nêu chất dòng điện bán dẫn loại p và bán dẫn loại n Mô tả cấu tạo và tính chất chỉnh lưu lớp chuyển tiếp p-n 3.2 Kĩ năng: + Thu thập thông tin, khai thác, xử lí thông tin từ các nguồn tư liệu khác + Vận dụng thuyết electron tự kim loại để giải thích vì kim loại là chất dẫn điện tốt, dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại thì gây tác dụng nhiệt và điện trở suất kim loại tăng nhiệt độ tăng + Vận dụng công thức t 0 (1 t0 ) + Vận dụng các định luật Fa-ra-đây để giải các bài tập điện phân + Giải thích tính chất chỉnh lưu lớp tiếp xúc p-n 3.3 Thái độ: + Rèn luyện cho HS có thái độ nghiêm túc, tinh thần tự giác, tích cực học tập, cẩn thận khoa học và hứng thú học môn Vật lí + Có ý thức vận dụng hiểu biết vật lí vào đời sống thực tế 3.4 Năng lực có thể phát triển: Tiến trình dạy học: 4.1 Nội dung 1: DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI 4.1.1 Hoạt động 1: Tìm hiểu chất dòng điện kim loại ST Bước Nội dung T Chuyển giao nhiệm vụ 1- Các hạt tải điện môi trường kim loại là loại hạt nào? 2- Tại gọi là các electron tự do? Khí electron tự kim loại là gì? 3- Trình bày cấu tạo mạng tinh thể kim loại? Electron kim loại chuyển động (6) nào chưa có điện trường và có điện trường ngoài? 4- Nguyên nhân nào gây điện trở kim loại? Thực nhiệm vụ Báo cáo, thảo luận Kết luận - HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu GV - GV yêu cầu nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất GV kết luận nội dung 4.1.2 Hoạt động 2: Tìm hiểu phụ thuộc điện trở suất kim loại theo nhiệt độ , tượng siêu dẫn và tượng nhiệt điện ST Bước Nội dung T Chuyển giao nhiệm vụ Phiếu học tập Điện trở kim loại phụ thuộc nào nhiệt độ thay đổi? 2- Thế nào là nhiệt độ tới hạn Tc , nào xảy trạng thái siêu dẫn? 3- Khi nào xảy tượng nhiệt điện? Cấu tạo pin nhiệt điện ứng dụng? - Phát phiếu học tập: Thực nhiệm vụ Báo cáo, thảo luận Kết luận - HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu GV - GV yêu cầu nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất GV kết luận nội dung 4.2 Nội dung 2: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN 4.2.1 Hoạt động 1: Tìm hiểu chất dòng điện chất điện phân ST Bước Nội dung T Chuyển giao nhiệm vụ - Cho HS xem mô hình 14.3 trang 80 SGK ( có đính kèm file) Thực nhiệm vụ Báo cáo, thảo luận Kết luận - HS theo dõi đoạn mô GV - GV yêu cầu HS nhận xét và đề xuất GV kết luận nội dung 4.2.2 Hoạt động 2: Nghiên cứu các tượng diễn điện cực Hiện tượng dương cực tan (7) ST T Bước Thực nhiệm vụ Báo cáo, thảo luận Kết luận Nội dung Chuyển giao nhiệm vụ Cho HS xem mô hình 14.4 trang 81 SGK ( có đính kèm file) Kết hợp với phiếu học tập - HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu GV - GV yêu HS nhận xét và đề xuất GV kết luận nội dung 4.2.3 Hoạt động 3: Các định luật Faraday và ứng dụng STT Bước Nội dung Chuyển giao nhiệm vụ Cho HS xem mô hình 14.4 trang 81 SGK ( có đính kèm file) Thực nhiệm vụ - HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu GV Báo cáo, thảo luận - GV yêu HS nhận xét và đề xuất Kết luận GV kết luận nội dung Phiếu học tập Trong tượng điện phân có tượng gì xảy ra? Trình bày nội dung định luật Fa-ra-đây Hiện tượng điện phân ứng dụng nào thực tiễn sản xuất? 1- Hiện tượng dương cực tan diễn điện cực nào?(cơ chế) 2- Trình bày nội dung và công thức định luât Fa-ra-đây? 3- Nêu ứng dụng tượng điện phân? 4.3 Nội dung 3: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 4.3.1 Hoạt động 1: Tìm hiểu chất khí và dẫn điện chất khí điều kiện thường Qúa trình dẫn điện tự lực chất khí và điều kiện tạo quá trình dẫn điện tự lực ST Bước Nội dung T Chuyển giao nhiệm vụ - Xem thí nghiệm ảo GV cung cấp - HS theo dõi Thực nhiệm vụ - HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu GV (8) Báo cáo, thảo luận Kết luận - GV yêu cầu nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất GV kết luận nội dung 4.3.2 Hoạt động 2: Tìm hiểu chất dòng điện chất khí ST Bước Nội dung T Chuyển giao nhiệm vụ - Xem thí nghiệm ảo GV cung cấp - HS theo dõi Thực nhiệm vụ - HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu GV Báo cáo, thảo luận - GV yêu cầu nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất Kết luận GV kết luận nội dung Phiếu học tập Quá trình phóng điện tự lực và không tự lực có gì giống và khác nhau? 1- Thế nào là quá trình dẫn điện không tự lực và tự lực chất khí? Nêu giống và khác chúng? 2- Trình bày tượng nhân số hạt tải điện quá trình phóng điện qua chất khí? 4.3.3 Hoạt động 3: Phân biệt tia lửa điện và hồ quang điện Ứng dụng ST Bước Nội dung T Chuyển giao nhiệm vụ Thế nào là tia lửa điện và hồ quang điện? Trình bày điều kiện tạo chúng, chế và ứng dụng thực tế đời sống? Thực nhiệm vụ Báo cáo, thảo luận Kết luận - HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu GV - GV yêu cầu nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất GV kết luận nội dung 4.4 Nội dung 4: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN 4.4.1 Hoạt động 1: Tìm hiểu chất bán dẫn và tính chất ST Bước Nội dung T Chuyển giao nhiệm vụ GV cho HS quan sát mô hình chất bán dẫn (file đính kèm) (9) Thực nhiệm vụ Báo cáo, thảo luận Kết luận - HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu GV - GV yêu cầu nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất GV kết luận nội dung 4.3.2 Hoạt động 2: Tìm hiểu hạt tải điện chất bán dẫn Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p ST Bước Nội dung T Chuyển giao nhiệm vụ GV cho HS quan sát mô hình chất bán dẫn (file đính kèm) - Có loại linh kiện bán dẫn, làm nào để có bán dẫn n và bán dẫn p? Thực nhiệm vụ Báo cáo, thảo luận Kết luận - HS làm việc nhóm để hoàn thành yêu cầu GV - GV yêu cầu nhóm lên báo cáo kết quả, các nhóm còn lại nhận xét và đề xuất GV kết luận nội dung Kiểm tra, đánh giá: a Lực hấp dẫn Định luật vạn vật hấp dẫn BÀI TẬP ÁP DỤNG (10)