"Lahat ay dumadaloy", o Batas ng Ohm para sa mausisa

Kahit na ang huling tinapay, na nag-aral nang ilang oras sa ika-10 baitang, sasabihin sa guro iyon Batas ng Ohm - ito ay "U ay pantay sa I beses R". Sa kasamaang palad, ang pinakamatalinong mahusay na mag-aaral ay sasabihin nang kaunti pa - ang pisikal na bahagi ng batas ng Ohm ay mananatiling isang misteryo sa kanya para sa pitong mga selyo. Pinahihintulutan ko ang aking sarili na ibahagi sa aking mga kasamahan ang aking karanasan sa paglalahad ng tila paksa na paksa na ito.

Ang layon ng aking aktibidad sa pedagogical ay ang sining at makataong ika-10 baitang, na ang pangunahing interes, tulad ng hula ng mambabasa, ay napakalayo sa pisika. Iyon ang dahilan kung bakit ang pagtuturo ng paksang ito ay ipinagkatiwala sa may-akda ng mga linyang ito, na, sa pangkalahatan, ay nagtuturo sa biology. Ilang taon na ang nakalilipas.

Ang aralin tungkol sa batas ni Ohm ay nagsisimula sa walang saysay na pahayag na ang kasalukuyang electric ay ang paggalaw ng mga sisingilin na partikulo sa larangan ng kuryente. Kung ang isang puwersa ng koryente ay kumikilos sa isang sisingilin na butil, kung gayon ang maliit na butil ay mapabilis alinsunod sa pangalawang batas ni Newton. At kung ang vector ng lakas ng kuryente na kumikilos sa sisingilin na butil ay pare-pareho sa buong tilapon, kung gayon ito ay pantay na pinabilis. Tulad ng isang timbang ay bumaba sa ilalim ng impluwensya ng grabidad.

Ngunit narito ang parasyutistang bumagsak nang ganap na mali. Kung pinapabayaan natin ang hangin, kung gayon ang rate ng pagbagsak nito ay palaging. Kahit na ang mag-aaral ng klase ng sining at makatao ay sasagutin na bilang karagdagan sa puwersa ng grabidad, isa pang bumabagsak na puwersa ang kumikilos sa bumabagsak na parasyut - ang lakas ng paglaban sa hangin. Ang puwersa na ito ay pantay-pantay sa ganap na halaga sa puwersa ng pang-akit ng parasyut ng Lupa at kabaligtaran ito sa direksyon. Bakit? Ito ang pangunahing tanong ng aralin. Matapos ang ilang talakayan, nagtatapos kami na ang lakas ng pag-drag ay tumataas sa pagtaas ng rate ng pagkahulog. Samakatuwid, ang bumabagsak na katawan ay nagpapabilis sa isang bilis kung saan nagkakapantay ang gravity at paglaban ng hangin, at ang katawan ay higit na nahuhulog sa isang palaging bilis.

Totoo, sa kaso ng isang parasyutista, ang sitwasyon ay medyo mas kumplikado. Ang parasyut ay hindi magbubukas kaagad, at ang parasyutista ay nagpapabilis sa isang mas mataas na bilis. At kapag ang parasyut ay nakabukas na, ang taglagas ay nagsisimula sa isang pagbawas, na nagpapatuloy hanggang sa ang lakas ng grabidad at ang lakas ng paglaban ng hangin ay balanse.

Para sa isang kargada ng parasyut na may kabuuang pagbaba sa masa sa isang palaging bilis v, maaari naming isulat: mg - F (v) = 0, kung saan F (v) Ay ang lakas ng paglaban ng hangin, na itinuturing bilang isang function ng rate ng pagkahulog. Tungkol sa anyo ng pag-andar F (v) maaari nating sabihin lamang ng isang bagay sa ngayon: ito ay lumalaki nang walang pagbabago. Ito ang sitwasyong ito na nagbibigay ng pag-stabilize ng bilis.

Sa pinakasimpleng kaso, kapag F (v) = k, ang patuloy na bilis na kung saan mahulog ang parasyut ay magiging katumbas sa mg / k. Magsagawa tayo ng ilang pagbabagong loob ngayon. Hayaan ang parasyut na mahulog mula sa isang taas h. Pagkatapos ang pagkakaiba sa mga potensyal na enerhiya ng katawan bago at pagkatapos ng pagbagsak ay magiging katumbas sa mgh = mU, kung saan ang U ay ang potensyal na enerhiya ng isang katawan ng yunit ng masa sa isang taas h, o ang potensyal na pagkakaiba-iba ng larangan ng gravitational sa paunang at huling punto ng saklaw.

Sa pagtingin sa mga nabanggit, nakukuha namin ang pormula: F (v) = mU / h. (1)

At ngayon bumalik sa konduktor kung saan ang daloy ng kasalukuyang daloy. Ang isang malaking bilang ng mga sisingilin na partikulo ay lumipat kasama ang conductor, na banggaan ang mga atom na mas madalas ang mas mabilis na lumipad nila. Ang pagkakatulad sa paglusong ng isang parasyut ay medyo transparent, ang pagkakaiba lamang ay mayroong maraming "parachute" at hindi sila lumipat sa gravitational, ngunit sa electric field. Dahil sa mga sitwasyong ito, (1) maaaring maisulat muli sa anyo: F (v) = eU / l, (2)

kung saan ang pagsingil ng butil, ang U ang electric potensyal na pagkakaiba sa mga dulo ng conductor, l ang haba ng conductor.Ang kasalukuyang lakas ay malinaw na katumbas ng I = neS, kung saan n ang bilang ng mga sisingilin na mga partikulo bawat dami ng yunit, ang S ay ang cross-sectional area ng conductor, ay ang bilis ng butil (para sa pagiging simple, ipinapalagay namin na ang lahat ng mga sisingilin na partido ay pareho).

Upang makuha ang pag-asa sa (U), kailangan mong malaman nang malinaw ang pag-asa F (). Ang pinakasimpleng pagpipilian (F = k) ay nagbibigay agad sa batas ni Ohm (I ~ U):

Ang halaga ay tinatawag na kondaktibiti, at ang katumbas nito ay tinatawag na pagtutol. Sa karangalan ng tumuklas ng batas, ang paglaban ay karaniwang ipinahayag sa mga ohms.

Ang halaga (ne2 / k) ay tinatawag na tiyak na kondaktibiti, at ang kabaligtaran na halaga ay tinatawag na tiyak na paglaban. Ang mga halagang ito ay nagpapakilala sa materyal na kung saan binubuo ang konduktor. Mahalaga na ang kondaktibiti ay proporsyonal sa bilang ng mga sisingilin na mga particle bawat dami ng yunit (n). Sa mga solusyon ng metal at electrolyte, ang bilang na ito ay malaki, ngunit sa mga dielectric ay maliit ito. Ang bilang ng mga sisingilin na partikulo sa bawat yunit ng dami ng isang gas ay maaaring depende sa inilapat na patlang (i.e., ito ay isang function ng U); samakatuwid, ang batas ng Ohm ay hindi nalalapat sa mga gas.

Sa pagbibigay ng batas ng Ohm, gumawa kami ng isang di-halatang pag-aakala. Tinanggap namin na ang puwersa na pumipigil sa paggalaw ng isang sisingilin na butil ay proporsyonal sa bilis nito. Siyempre, maaaring subukan ng isang tao na bigyang-katwiran ang ideyang ito kahit papaano, ngunit ang pang-eksperimentong pagpapatunay ay mukhang mas nakakumbinsi.

Ang isang pang-eksperimentong pagpapatunay ng pag-aakalang ito ay, malinaw naman, isang pagpapatunay ng batas mismo ni Ohm, i.e. proporsyonalidad ng U at I. Tila hindi ito mahirap gawin: mayroon kaming isang voltmeter at isang ammeter! Sayang, lahat ay hindi gaanong simple. Kailangan nating ipaliwanag sa aming mga estudyante na ang isang voltmeter, tulad ng isang ammeter, ay hindi sumusukat sa boltahe, ngunit ang kasalukuyang lakas. At may karapatan kaming magtakda ng volts sa scale ng voltmeter lamang dahil sa una naming nalalaman ang batas ni Ohm, na nais naming suriin. Kailangan ng iba pang mga diskarte.

Maaari mong, halimbawa, gamitin ang sumusunod na ideya. Ikinonekta namin ang mga baterya n sa serye at ipinapalagay na ang boltahe sa kasong ito ay tumaas n beses. Kung ang batas ng Ohm ay totoo, kung gayon ang kasalukuyang lakas ay tataas din ng mga beses, dahil sa kung saan ang ratio n / I (n) ay hindi depende sa n. Ang palagay na ito ay nabibigyang katwiran sa pamamagitan ng karanasan. Totoo, ang mga baterya ay mayroon ding panloob na pagtutol, na ang dahilan kung bakit ang halaga ng n / I (n) ay dahan-dahang lumalaki sa pagtaas ng n, ngunit hindi mahirap itama ito. (Si G. Ohm mismo ang sumukat ng stress sa ibang paraan, na mabasa ng mga mag-aaral sa aklat-aralin ni G.Ya. Myakishev at iba pa.)

Itatanong namin ang tanong: "" Sa malayong konstelasyon ng Tau Ceti, "hindi batas ng Ohm, ngunit ang batas ng mahusay na lokal na siyentipiko na Akademikong X. Ayon sa batas ng X, ang kasalukuyang lakas ay proporsyonal sa parisukat ng potensyal na pagkakaiba sa mga dulo ng conductor. Paano nakasalalay ang bilis ng pagpepreno ng mga particle sa kanilang bilis sa Tau Ceti? " Sa tulong ng mga simpleng pagbabagong-anyo, ang mga mag-aaral ay natapos na ang puwersa ay proporsyonal sa parisukat na ugat ng bilis.

At ngayon lumipat tayo sa isa pang proseso: ang paggalaw ng tubig sa isang pipe, sa mga dulo ng kung saan ang iba't ibang mga pagpilit ay nilikha. Narito mayroon kaming isang ganap na naiibang sitwasyon: hindi hiwalay na paglipat ng mga particle na kuskusin laban sa isang hindi gumagalaw na materyal na ipinamamahagi sa buong buong dami ng conductor, ngunit ang mga layer ng paglipat ng mga particle ay kuskusin laban sa bawat isa. At ang sitwasyong ito sa panimula ay nagbabago sa lahat ng pisikal na pangangatuwiran.

Dalawang puwersa ang kumikilos sa isang hiwalay na layer ng tubig na gumagalaw sa isang pipe:

a) ang pagkakaiba-iba ng mga puwersa ng presyon sa mga dulo ng layer;

b) ang lakas ng alitan laban sa mga kalapit na layer ng tubig.

Kung ang isang pare-pareho ang bilis ng layer ay itinatag, pagkatapos ang mga puwersa na ito ay pantay at itinuro sa kabaligtaran ng mga direksyon.

Ang puwersa ng alitan laban sa mga kalapit na layer ng tubig ay maaaring pabagalin ang paggalaw kung at kung ang iba't ibang mga layer ng tubig ay lumilipat sa iba't ibang bilis. Sa isang conductor, ang bilis ng sisingilin na mga particle ay hindi nakasalalay sa kung sila ay nasa gilid ng conductor o sa gitna nito, ngunit ang tubig sa gitna ng pipe ay mabilis na gumagalaw, at dahan-dahang kasama ang mga gilid, sa mismong ibabaw ng pipe, ang bilis ng tubig ay zero.

Ang isang analogue ng kasalukuyang lakas ay maaaring isaalang-alang na daloy ng tubig, i.e. ang dami ng tubig na dumadaloy sa labas ng pipe bawat oras ng yunit. Dahil ang bilis ng tubig sa iba't ibang mga layer ay hindi pareho, ang pagkalkula ng daloy ng rate ay hindi gaanong simple.Ang isang analog ng pagkakaiba sa mga potensyal na potensyal ay ang pagkakaiba ng presyon sa mga dulo ng pipe.

Tulad ng sa isang conductor na may kasalukuyang, isang direktang proporsyonalidad ay sinusunod sa pipe na may tubig sa pagitan ng pagkakaiba ng presyon sa mga dulo at ang rate ng daloy. Ngunit ang koepisyent ng proporsyonal ay ganap na naiiba. Una, ang rate ng daloy ng tubig ay nakasalalay hindi lamang sa cross-sectional area ng pipe, kundi pati na rin sa hugis nito. Kung ang pipe ay cylindrical, kung gayon ang rate ng daloy ay direktang proporsyonal hindi sa cross-sectional area, ngunit sa square nito (i.e., ang radius hanggang sa ika-apat na degree). Ang pag-asa na ito ay tinatawag na batas ng Poiseuille.

Narito ang oras upang maalala ang kurso ng anatomya, pisyolohiya at kalinisan, na pinag-aralan sa ika-9 na baitang. Ang katawan ng tao ay may isang malaking bilang ng mga daluyan na magkakaugnay. Ipagpalagay na ang isa sa mga sasakyang ito ay lumawak, at ang radius nito ay tumaas nang kaunti, dalawang beses lamang. Ilang beses, na may parehong presyon sa mga dulo ng daluyan, tataas ba ang dami ng dugo na dumadaan dito? Ang cross-sectional area ay proporsyonal sa parisukat ng radius, at ang parisukat ng lugar na cross-sectional ay proporsyonal sa ika-apat na radius. Samakatuwid, kapag ang radius ay doble, ang daloy ng dugo ay nagdaragdag 16 (!) Times. Ganito ang kapangyarihan ng batas ng Poiseuille, na nagpapahintulot sa isa na lumikha ng isang napaka-epektibong mekanismo para sa muling pamamahagi ng dugo sa pagitan ng mga organo. Kung ang mga electron ay hindi dumaloy sa pamamagitan ng mga daluyan ng dugo, ngunit ang kanilang daloy ay tataas lamang ng apat na beses.

Ang paglalarawan ng paksang inilarawan sa itaas ay naiiba sa tradisyonal. Una, tatlong mga aralin ang ginugol sa paksa, na, kasama ang kasalukuyang kakulangan ng oras, ay maaaring isaalang-alang na isang hindi matatanggap na luho para sa likas na agham. Gayunpaman, ito ay nabigyang-katwiran sa pamamagitan ng katotohanan na posible na medyo simple at tanyag na ihayag ang pisikal na kahulugan ng batas at magbigay ng kasangkapan sa mga mag-aaral na may isang pamamaraan na magagamit nila upang pag-aralan ang iba't ibang mga pisikal na proseso: ang pagbagsak ng isang katawan sa hangin, ang paggalaw ng isang likido sa isang tubo, ang paggalaw ng mga sisingilin na mga partikulo sa isang conductor, at kalaunan sa pagsusuri ng pagpasa ng electric current sa pamamagitan ng vacuum at sa pamamagitan ng mga gas.

Ang pamamaraang ito ay tinatawag na pagsasama ng intradiskiplinary. Sa tulong nito, ipinakita namin sa mga mag-aaral ang karaniwang mga tampok sa malayo, sa unang sulyap, mga seksyon ng pisika, ipinakita namin na ang pisika ay hindi isang "bungkos" ng "mga pisikal na batas" na hindi konektado sa bawat isa, ngunit isang payat na gusali. Ang parehong ay totoo, siyempre, para sa iba pang mga pang-agham na disiplina. At sa gayon, tila, isang hindi makatwiran na basura ng mga oras ng pagsasanay ay ganap na binabayaran.

Basahin din:Paano gumamit ng isang multimeter