7. Cấu trúc luận văn
2.2.2.Cấu trúc logic nội dung chơng “Dòng điện trong các môi trờng”
Để có cơ sở khoa học cho việc tổ chức tình huống học tập và định hớng hoạt động giải quyết vấn đề của học sinh, thì cần phải phân tích nội dung kiến thức và thiết lập đợc tiến trình xây dựng kiến thức đối với kiến thức cần dạy. Việc thiết lập tiến trình nhận thức khoa học có thể biểu đạt trực quan bằng sơ đồ (sơ đồ biểu đạt logic của tiến trình nhận thức khoa học). Dới đây chúng tôi trình bày cấu trúc nội dung phần: “Dòng điện trong các môi trờng”, lập sơ đồ tiến trình nhận thức khoa học tổng thể tri thức cần dạy.
2.2.2.2. Sơ đồ chi tiết cấu trúc nội dung chơng “Dòng điện trong các môi tr-ờng” ờng”
Đối với chơng “Dòng điện trong các môi trờng” cần xác định rõ nội dung và cấu trúc của nó đến mức chi tiết nh sau:
Tri thức cơ sở: - Khái niệm và những đặc tính về dòng điện.
- Khái niệm và công thức tính, đơn vị đo cường độ dòng điện I = Q/t
- Điều kiện để có dòng điện trong một vật dẫn + Chứa hạt tải điện tự do.
+ Có điện trường ngoài tác dụng
Nội dung của chương: Bản chất, những tính chất, ứng dụng của dòng điện trong các môi trường:
A: Trong kim loại
. . . .
B: Trong chất điện phân
. . . . . C: Trong chất khí . . . .
D: Trong chân không
. . . . E: Trong bán dẫn . . . .
Trong đó, nội dung các mục A,B,C,D,E đợc xác định nh sau: • A. Dòng điện trong kim loại (KL):
- Xác định hạt tải điện tự do: electron tự do.
- Dòng điện trong KL: dòng chuyển dời có hớng của các electron tự do.
- Độ dẫn điện của KL (và do đó điện trở suất cũng nh điện trở của KL): phụ thuộc nhiệt độ (vì sự va chạm giữa các electron tự do với các ion dơng ở nút mạng phụ thuộc vào nhiệt độ).
- Tác dụng nhiệt của dòng điện trong KL: sự va chạm giữa các electron tự do với các ion dơng ở nút mạng làm chuyển hoá động năng của hai loại hạt tải điện này thành nhiệt. Cờng độ dòng điện càng lớn, nhiệt toả ra càng lớn. ứng dụng: bếp điện, bàn là điện,...
- Suất nhiệt điện động: do mật độ electron tự do khác nhau trong các KL khác nhau, các electron tự do khuyếch tán qua mặt tiếp xúc giữa hai KL nên ở mặt tiếp xúc của hai KL khác nhau (khi đợc hàn với nhau) có một suất điện động. - Cặp nhiệt điện (pin nhiệt điện) và dòng nhiệt điện: suất nhiệt điện động gây ra dòng nhiệt điện (khi hai KL khác nhau đợc hàn thành mạch kín và giữ hai mối hàn ở hai nhiệt độ khác nhau).
- ứng dụng của cặp nhiệt điện: tạo ra nhiệt điện kế (để đo nhiệt độ). • B. Dòng điện trong chất điện phân:
- Xác định hạt tải điện tự do: ion dơng và ion âm.
- Dòng điện trong chất điện phân: hai dòng chuyển dời có hớng ngợc chiều nhau của các ion.
- Độ dẫn điện của chất điện phân (và do đó điện trở suất cũng nh điện trở của chất điện phân): phụ thuộc nhiệt độ (vì sự va chạm giữa các ion với nhau phụ thuộc vào nhiệt độ)
- Sự dịch chuyển ion về các điện cực làm giải phóng các chất ở điện cực, dơng cực tan khi đó dòng điện qua bình điện phân tuân theo định luật Ôm.
- ứng dụng của dòng điện trong chất điện phân: luyện kim, mạ điện, đúc điện. • C. Dòng điện trong chất khí:
- Xác định hạt tải điện: ba loại hạt, đó là ion dơng, ion âm và electron.
- Dòng điện trong chất khí: tồn tại hai dòng điện (dòng ion dơng đi về catốt, dòng electron và ion âm về anốt).
- Độ dẫn điện của chất khí: khi hiệu điện thế thấp, dòng điện tỷ lệ với hiệu điện thế nghĩa là tuân theo định luật Ôm (sự dẫn điện của chất khí trong trờng hợp này gọi là sự dẫn điện không tự lực). Khi hiệu điện thế cao chất khí khi đó
trở thành dẫn điện tự lực, dòng điện trong chất khí không tuân theo định luật Ôm. ứng dụng của sự phóng điện tự lực: Tia lửa điện và Hồ quang điện.
- Sự phóng điện trong khí kém: là khi áp suất chất khí thấp xuất hiện sự phóng điện thành miền; bản chất hiện tợng phóng điện trong khí kém là sự ion hoá do va chạm và sự bắn electron từ catốt khi các cực này bị ion dơng đập vào. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- ứng dụng của sự phóng điện thành miền: tạo ra nguồn sáng gọi là đèn ống. • D. Dòng điện trong chân không:
- Xác định hạt tải điện: electron phát xạ nhiệt.
- Dòng điện trong chân không: dòng chuyển dời có hớng của các electron bứt ra từ catốt bị nung nóng.
- Cờng độ dòng điện của chân không: Khi U< 0 không có dòng điện qua chân không, khi U > 0 dòng điện trong chân không chỉ theo một chiều từ anốt sang catốt; khi U tăng, dòng điện trong chân không tăng nhng không tuân theo định luật Ôm.
- ứng dụng của dòng điện trong chân không: dựa vào tính chất chỉ dẫn điện một chiều của dòng điện trong chân không ngời ta đã chế tạo ra điốt điện tử đợc dùng để chỉnh lu dòng điện xoay chiều; ống phóng điện tử là bộ phận chủ yếu trong máy thu hình, trong dao động ký điện tử…
• E. Dòng điện trong bán dẫn:
- Xác định hạt tải điện: electron tự do và lỗ trống.
- Dòng điện trong bán dẫn: dòng chuyển dời có hớng đồng thời của các electron tự do và lỗ trống dới tác dụng của điện trờng.
- Độ dẫn điện của bán dẫn (và do đó điện trở suất cũng nh điện trở của bán dẫn): phụ thuộc nhiệt độ (vì mật độ electron, lỗ trống và sự va chạm giữa các
electron tự do với các ion dơng ở nút mạng phụ thuộc vào nhiệt độ). ứng dụng: tạo ra nhiệt điện trở bán dẫn, quang điện trở bán dẫn
- Tác dụng của tạp chất đối với dòng điện trong bán dẫn: tuỳ theo loại tạp chất pha vào bán dẫn tinh khiết, các bán dẫn đợc chia ra làm hai loại: bán dẫn loại n và bán dẫn loại p. Trong bán dẫn loại n hạt mang điện cơ bản là electron, còn lỗ trống là hạt mang điện không cơ bản; trong bán dẫn loại p hạt mang điện cơ bản là lỗ trống, còn electron tự do là hạt mang điện không cơ bản.
- Lớp tiếp xúc p - n: khi có hai loại bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, do mật độ electron tự do và lỗ trống khác nhau trong các bán dẫn khác nhau, các electron tự do và lỗ trống khuyếch tán qua mặt tiếp xúc giữa hai bán dẫn nên ở mặt tiếp xúc của hai bán dẫn hạt mang điện cơ bản giảm đi rất nhanh, do đó độ dẫn điện tại lớp tiếp xúc giảm đi và điện trở của lớp tiếp xúc trở thành rất lớn so với điện trở toàn mẫu bán dẫn.
- Tính dẫn điện một chiều của lớp tiếp xúc p – n (hay hiệu điện thế thuận và hiệu điện thế ngợc):
+ Khi nối cực dơng của nguồn điện với bán dẫn loại p, cực âm với bán dẫn loại n, điện trờng do nguồn điện ngoài gây ra có hớng từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n, làm cho lỗ trống qua lớp tiếp xúc từ p sang n còn electron tự do từ n sang p và ta có dòng điện có cờng độ lớn. Ta gọi là dòng điện
thuận, còn hiệu điện thế đặt vào khi đó gọi là hiệu điện thế thuận.
+ Khi nối cực dơng của nguồn điện với bán dẫn loại n, cực âm với bán dẫn loại p, điện trờng do nguồn điện ngoài gây ra có hớng từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p, làm cho hạt mang điện cơ bản bị ngăn cản hoàn toàn và không chuyển qua đợc lớp tiếp xúc. Nhng hạt mang điện cơ bản lại không bị ngăn cản: lỗ trống qua lớp tiếp xúc từ n sang p còn electron tự do từ p sang n và ta có
dòng điện có cờng độ bé. Ta gọi là dòng điện ngợc, còn hiệu điện thế đặt vào khi đó gọi là hiệu điện thế ngợc.
- ứng dụng của lớp tiếp xúc p - n: tạo ra điốt bán dẫn, trandito, vi mạch điện tử.
2.3. thiết kế một số bài học theo hớng nghiên cứu của đề tài.
2.3.1. Bài học 36. Dòng điện trong kim loại.
2.3.1.1. Nội dung bài học và sơ đồ xây dựng nội dung bài học.
* Phát hiện vấn đề:
- Dòng điện là dòng chuyển dời có hớng của các hạt mang điện. Điều kiện để có dòng điện: hai đầu vật dẫn phải có một hiệu điện thế.
- Kim loại là vật dẫn điện, dòng điện đó là dòng gì? vì sao các kim loại khác nhau độ dẫn điện khác nhau? Nhiệt độ khác nhau độ dẫn điện khác nhau? Tại sao có sự toả nhiệt ở vật dẫn bằng kim loại khi dòng điện chạy qua?
* Giải quyết vấn đề và kết quả (kiến thức về dòng điện trong kim loại):
- Xét cấu trúc tinh thể của kim loại:
+ Các ion kim loại đợc sắp xếp một cách đều đặn theo một trật tự nhất định trong không gian, tạo thành mạng tinh thể. (hình vẽ )
+ electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử dễ
mất liên kết với hạt nhân của nguyên tử trở thành electron tự do trong kim loại. + Mật độ electron tự do gần bằng mật độ nguyên tử kim loại.
- Bản chất dòng điện trong kim loại: + Dòng electron tự do chuyển dời có hớng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Vận tốc các electron tự do không vợt quá 6cm/s, Vận tốc dòng điện là vận tốc lan truyền của điện trờng bên trong vật dẫn.
+ Nguyên nhân gây ra điện trở: trong khi chuyển động có hớng các electron tự do luôn luôn bị ngăn cản do va chạm với ion kim loại nằm ở nút mạng tinh thể.
+ Các kim loại khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau, mật độ electron tự do khác nhau. Do đó, tác dụng “ngăn cản” chuyển động có hớng của các electron tự do trong mỗi kim loại cũng khác nhau.
+ Điện trở của dây dẫn kim loại còn phụ thuộc vào nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng, các ion kim loại nằm ở nút mạng tinh thể dao động mạnh hơn, vận tốc trung bình của chuyển động nhiệt của các electron cũng tăng, vì vậy các electron tự do càng có khả năng va chạm nhiều hơn với ion kim loại.
* Tổng kết bài học
- Hạt tải điện tự do và bản chất dòng điện trong kim loại.
- Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở của dây dẫn kim loại và hiện tợng toả nhiệt của dây dẫn kim loại.
2.3.1.2. Bài học thiết kế.
2.3.1.2.1. Mục tiêu dạy học. a. Về kiến thức.
Học sinh hiểu đợc cấu trúc tinh thể của kim loại, bản chất dòng điện trong kim loại.
b. Về kỹ năng.
Giải thích đợc nguyên nhân gây ra điện trở của dây dẫn KL, hiện tợng toả nhiệt của dây dẫn kim loại; sự phụ thuộc của điện trở dây dẫn kim loại vào bản chất và nhiệt độ.
2.3.1.2.2. Công tác chuẩn bị. a. Giáo viên.
Vẽ sẵn vào bảng nhỏ cấu trúc tinh thể của kim loại nh hình vẽ 36.1 SGK.
Ôn lại kiến thức: cấu trúc mạng tinh thể; điều kiện để có dòng điện trong vật dẫn…
2.3.1.2.3. Tiến trình dạy học.
* Tình huống 1: Ôn tập, củng cố trình độ kiến thức xuất phát (5 phút)
GV nêu các câu hỏi yêu cầu HS trả lời: - Mạng tinh thể là gì?
- Dòng điện là gì? điều kiện để có dòng điện trong vật dẫn?
* Tình huống 2: Đề xuất vấn đề cần nghiên cứu. (2 phút)
Nh vậy chúng ta đã biết dòng điện là gì và điều kiện để có dòng điện. Bây giờ các em thử đề xuất xem, trong thực tế dòng điện có thể chạy trong các môi trờng nào? bản chất dòng điện trong các môi trờng đó là dòng gì? và cờng độ dòng điện trong các môi trờng đó có tuân theo định luật Ôm không?...
Để giải quyết các vấn đề đó, chúng ta nghiên cứu chơng IV “Dòng điện trong các môi trờng”. Mở đầu chơng là bài 36 “Dòng điện trong kim loại”.
* Tình huống 3: Nghiên cứu cấu trúc tinh thể của kim loại (11 phút) Hoạt động hợp tác giữa giáo viên và hs Nội dung bài học
GV đa ra các câu hỏi, hy vọng rằng HS có thể trả lời:
- Mạng tinh thể kim loại có cấu trúc nh thế nào?
- Vì sao trong mạng tinh thể kim loại xuất hiện các electron tự do?
+ HS có thể hỏi có bao nhiêu electron tự do? GV: ở điều kiện thờng vật thể làm bằng kim loại trung hoà về điện, do đó đối với kim loại hoá trị 1 mật độ electron tự do bằng mật
1. Cấu trúc tinh thể của kim loại. - Kim loại ở thể rắn, có cấu trúc tinh thể: các ion (dơng) kim loại đ- ợc sắp xếp một cách đều đặn theo một trật tự nhất định trong không gian, tạo thành mạng tinh thể.
- Electron tự do: vì các electron bị mất liên kết với hạt nhân của nguyên tử kim loại, chuyển động tự do trong khoảng không gian giữa
độ nguyên tử kim loại đó; đối với kim loại hoá trị 2 trở lên mật độ electron tự do gần bằng mật độ nguyên tử kim loại. Các kim loại khác nhau có mật độ electron tự do khác nhau. Ví dụ 1cm3 đồng có 8,5.1022 electron tự do. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
các ion dơng.
- Mật độ electron tự do gần bằng mật độ nguyên tử kim loại.
* Tình huống 4: Phát biểu bản chất dòng điện trong kim loại (11 phút) Hoạt động hợp tác giữa giáo viên và học sinh Nội dung bài học
- Khi nào có dòng điện trong kim loại? Chiều dịch chuyển dòng đó nh thế nào?
Hy vọng rằng HS có thể trả lời:
+ Khi cha có điện trờng: electron chỉ chuyển động nhiệt hỗn loạn.
+Khi có điện trờng: các electron chịu tác dụng của điện trờng, vì electron mang điện tích âm nên chúng chuyển động ngợc chiều điện trờng ngoài chuyển động nhiệt.
- Vậy, bản chất dòng điện trong kim loại là gì?
- GV có thể nói thêm: vận tốc electron tự do trong kim loại không quá 6cm/s. Dòng điện xuất hiện ngay sau khi đóng mạch điện là do điện trờng đợc thiết lập trong dây dẫn rất nhanh. Điện trờng này xuất hiện cùng với các điện tích ở cực của nguồn và lan truyền trong dây dẫn với vận tốc gần bằng vận tốc của ánh
2. Bản chất dòng điện trong KL.
Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hớng của các electron tự do ngợc chiều điện tr- ờng.
sáng trong chân không. Dới tác dụng của điện trờng này các electron tự do trong dây dẫn gần nh tức thời cùng bắt đầu chuyển động có h- ớng.
* Tình huống 5: Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở kim loại, hiện tợng toả nhiệt của dòng điện trong dây dẫn kim loại (11 phút)
Hoạt động hợp tác giữa giáo viên và hs Nội dung bài học
- Khi có dòng điện chạy qua vật dẫn kim loại thì vật dẫn kim loại có tác dụng cản trở dòng điện không? Nếu có thì do nguyên nhân nào gây ra?
- Hãy giải thích tại sao các kim loại khác nhau có điện trở suất khác nhau?
- Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất của kim loại tăng. Có thể giải thích hiện tợng này nh thế nào?
3. Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở kim loại và hiện tợng toả nhiệt của dây dẫn kim loại.
- Nguyên nhân gây ra điện trở kim loại: Do sự va chạm của dòng các electron tự do với các ion kim loại đang dao động quanh vị trí cân bằng ở các nút mạng tinh thể.
- Điện trở phụ thuộc vào bản chất kim loại: Các kim loại khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau và mật độ electron tự do khác nhau. Do đó