© Данная статья была опубликована в № 01/2006 журнала "Физика" издательского дома "Первое сентября". Все права принадлежат автору и издателю и охраняются.
Индекс подписки: 32584.
  •  Главная страница "Первого сентября"
  •  Главная страница журнала "Физика"
  •  Содержание № 01/2006
  • Решение задач о молниях

    Я иду на урок

    Н.М.ВЬЮГОВА,
    школа № 102, г. Москва

    Решение задач о молниях

    Открытый урок совершенствования и применения теоретических знаний. 11-й класс

    (Учебник автором не указан)

    Ход урока (45 мин)

    1. Установление личностного контакта учителя с учениками, их взаимное принятие и включение мотива на совместную работу (3 мин)

    Учитель. Здравствуйте, ребята, садитесь. Достаньте тетрадь, ручку, учебник, дневник – всё это должно быть на столе. Кого нет? Я сейчас вспоминаю, как вы работали на предыдущих уроках. Помните, как Артемьева Маша, когда проходили тему «Источники тока», очень точно нарисовала на ватмане схему батарейки, Ибаев Магомед так хотел получить хорошую отметку, что несколько уроков подряд старался ответить на любой вопрос, а Кривой Олег помогал на уроках демонстрировать компьютерный видеоматериал. Я надеюсь, что сегодня вы будете ещё лучше работать, проявлять познавательную и творческую активность. Хочу пожелать вам успехов на сегодняшнем уроке.

    2. Актуализация и коррекция опорных знаний, проверка домашнего задания (10 мин)

    Начнём с проверки домашнего задания. На прошлых уроках мы прошли темы «Работа электрического тока, мощность, их единицы». Дома вы должны были повторить основные понятия, формулы, единицы физических величин по теме «Электрические явления», а также составить карточки (вопросы с ответами) по теме «Что мне известно о молниях». Отметки сегодня получат ученики за активность и за подготовленные дома карточки.

    • Можно ли искру, возникшую в электрофорной машине, назвать электрическим током? Какая связь между электрофорной машиной и молнией? (Ответ. Можно, т.к. происходит кратковременное направленное движение заряженных частиц. При помощи электрофорной машины получают разряд, и молния – тоже электрический разряд. Чтобы наэлектризовать тело, можно потереть его; например, янтарь – шерстью, при этом электроны, носители отрицательного заряда, переходят с шерсти на янтарь, янтарь заряжается отрицательно, а шерсть положительно. При натирании стекла шёлком, наоборот, стекло заряжается положительно, а шёлк – отрицательно. Электрофорная машина служит для получения больших зарядов и высоких напряжений. Искра, проскакивающая между шариками разрядника электрофорной машины, – тоже ток.

    • Можно ли назвать молнию, возникающую между облаком и землёй, электрическим током? А между двумя облаками? (Ответ. Молния – электрический разряд. Происходит упорядоченное движение электронов и ионов, значит, молния – это электрический ток между облаком и землёй или между двумя облаками. молния возникает в результате электризации кристалликов льда и их скапливании в одной области грозовой тучи. Напряжение разряда в среднем 10 000 000 В. Разряд в форме вспышки может ударить в землю, пройти в пределах своего облака или между облаками.)

    • Что такое разряд в атмосфере? (Ответ. Это протекание тока через атмосферу. Возникает, когда в грозовых облаках создаётся настолько сильное электрическое поле, что разгоняющиеся в этом поле свободные электроны, всегда имеющиеся в небольшом количестве в воздухе, взаимодействуют со встречными молекулами и выбивают из них новые электроны. Высвободившиеся электроны также разгоняются и ионизуют следующие молекулы и т.д. Возникает лавина заряженных частиц в виде быстро распространяющейся светящейся искры. Она прокладывает себе путь через области наиболее сильного электрического поля, которые возникают вблизи высоких сооружений и заострённых объектов. Этот искровой разряд и образует молнию.)

    • Молния – искровой разряд? Какие ещё бывают разряды? (Ответ. Да. Бывают ещё тлеющий разряд, коронный – огни святого Эльма, – дуговой.)

    • Летит птица орёл, несёт в зубах огонь, огневые стрелы пускает, никто её не поймает. (Ответ. Это молния.)

    • Почему нижний конец молниеотвода нужно закапывать поглубже, где всегда влажно? (Ответ. Присутствие влаги в земле уменьшает электросопротивление и облегчает прохождение разряда молнии в землю.)

    • Почему молния чаще всего ударяет в землю в сырых местах, у берегов рек и озер? (Ответ. Вода – лучший проводник, чем земля.)

    • Молния чаще всего ударяет в деревья, имеющие большие, глубоко проникающие в почву корни. Почему? (Ответ. Толстые корни являются лучшими проводниками, чем мелкие, – в них больше влаги, они имеют большую площадь соприкосновения с землёй.)

    • Гроза застала в поле – садись на землю. Почему обычно гроза ударяет в одиноко стоящие предметы? (Ответ. Разряд молнии прокладывает себе путь через области с наиболее сильным электрическим полем, которое возникает вблизи одиночных объектов.)

    • Почему при приближении грозы наружную антенну радиоприёмника нужно обязательно заземлить? (См. ответ на предыдущую задачу.)

    • Почему при ударах молнии в песчаную почву образуются неправильной формы куски плавленого кварца (песка)? (Ответ. Температура достигает 30 000 градусов.)

    • Почему присоединение к водопроводному крану является одним из способов заземления? (Ответ. Трубы проложены в земле, да и сами имеют малое электросопротивление.)

    • Какое действие электрического тока вызывает образование озона в воздухе при грозовых разрядах? (Ответ. Ионизация – распад атомов на положительные ионы и электроны.)

    • Почему вблизи того места, где оборванный провод высокого напряжения соприкасается с землёй, рекомендуется стоять на одной ноге? (Ответ. Между ступнями возникает так называемая шаговая разность потенциалов.)

    • Назовите проводники и изоляторы. (Ответ. Проводники: земля, вода, тело человека, металлы, газы ионизованые (содержат свободные электроны). Изоляторы: резина, дерево, воздух, бумага, слюда, фарфор, керамика.)

    • Как правильно говорить: молниеотвод или громоотвод? (Ответ. Молниеотвод, т.к. он защищает от ударов молнии, а не от раскатов грома.)

    • На каких участках поверхности проводника электрическое поле сильнее, а на каких – слабее? (Ответ. Электрические заряды распределяются по поверхности проводника так, что поле оказывается сильнее на выступах и слабее на впадинах. Особенно сильно электрическое поле вблизи металлического острия. На этом свойстве основано действие молниеотвода.)

    • Для чего применяют молниеотвод? (Ответ. Молниеотвод предназначен для защиты зданий и других сооружений от ударов молнии.)

    • Почему молния раскалывает деревья? (Ответ. Протекание электрического тока сопровождается выделением тепла, очень быстрым испарением влаги и расширением водяного пара.)

    • Почему говорят, что молния может находить зарытые под землёй клады? (Ответ. Если в кладе – металлические предметы, то их электросопротивление значительно меньше сопротивления земли.)

    • Почему у альпинистов существует правило: когда ночуешь высоко в горах, все металлические предметы собери и положи отдельно, подальше от лагеря? (См. ответ на предыдущий вопрос.)

    • На улице гроза, идёт сильный дождь. Какое явление мы зафиксируем раньше: услышим гром или увидим молнию? (Ответ. Увидим молнию, т.к. свет распространяется примерно в миллион раз быстрее звука.)

    • Почему резиновые сапоги предохраняют от действия молнии? (Ответ. Резина – изолятор.)

    • Как устроен молниеотвод? (Ответ. Молниеприёмник – для приёма прямого разряда – можно сделать из стальной трубы длиной 200–1500 мм, обязательно запаяв или закрыв металлической пробкой один конец. Токоотвод спускают с крыши, прикрепляя к стене дома. Заземляющее устройство зарывают в землю на глубину 1–2 м для распределения энергии молнии по большой площади и обеспечения безопасного режима работы электросетей.)

    • Какие типы молний вы знаете? (Ответ. Линейная, чёточная, или ракетная, огни святого Эльма, шаровая и разветвлённая.)

    • Что такое шаровая молния? (Ответ. Это плазменный шар. Происхождение и поведение шаровой молнии пока досконально наукой не исследовано.)

    – Со мною кто сравнится?

    – Я! – Дуб сказал могучий,

    Взмахнув вершиной гордой.

    Из облаков зловещих

    Летучею змеёю

    Вдруг Молния блеснула

    И крепкий Дуб сломила,

    Как бы дитя, играя,

    Цветка согнуло стебель.

    – Со мною кто сравнится?

    – Я! – прозвучала Башня,

    Чьё золотое темя

    Пожаром гордо блещет,

    Когда не покрывают

    Его, как флёром, тучи.

    Но небеса разверзлись

    Для Молнии гремучей,

    Летит драконом страшным

    С зияющею пастью;

    Мгновенье – и не стало

    Главы у гордой Башни,

    Лишь чёрными ручьями

    Вниз по стенам стекает

    Расплавленное злато.

    – Нет! Мне никто не равен! –

    Сказала и стрелою

    Нырнула в волны моря,

    Где только что спесиво

    Корабль военный нёсся.

    В минуту с треском

    Горящие остатки

    На воздух разметало.

    Потом опять всё в море

    Упало, потонуло,

    И дивного строенья

    Как будто не бывало…

    Учитель. Сейчас мы просмотрим видеофрагмент «Гроза». Смотрите внимательно, чтобы потом можно было ответить на вопросы: какова природа молнии? в результате чего возникает молния? какие заряды участвуют в её образовании? какие напряжения возникают между облаком и землёй? что мы наблюдаем в результате удара молнии? как характеризуют молнию? куда чаще ударяет молния? что используется для защиты от молнии? из чего состоит устройство защиты: что находится обязательно вверху? почему металлический стержень заостряют? почему его закапывают глубоко в землю? как связаны верхняя и нижняя части устройства? почему эти части связаны толстым проводом? как правильнее называть это устройство?

    После просмотра вы зададите друг другу вопросы, подготовленные дома, а также возникшие после просмотра видеофрагмента. (Просмотр видеофрагмента. Попарная беседа. Учитель задаёт вопросы по формулам, единицам физических величин, демонстрирует второй видеофрагмент – «Клетка Фарадея». Фронтальная беседа.)

    Если вы едете на автомобиле и попали в грозу, то стоит ли в этом случае опасаться, что вас убьёт молнией? Чем отличается электрическое поле от вещества? Кто и когда изобрёл молниеотвод? Что такое шаровая молния? Что случится раньше: услышим гром или увидим молнию? В XVIII в. считалось, что острый стержень громоотвода «отпугивает» молнию, поэтому во время грозы нужно достать из ножен шпагу и поднять её вверх. Можно ли таким способом защититься от молнии?

    3. Сообщение темы и цели урока, мотивация деятельности учащихся (3 мин)

    Учитель (показывает по ходу объяснения кадры из презентации в Power Point). Молния – величественное и грозное явление природы, невольно вызывающее чувство страха. Долгое время человек не умел объяснить причин грозовых явлений. Люди считали грозу карой богов за грехи. Природа молнии стала проясняться после исследований, проведённых в XVIII в. американским учёным Б.Франклином, русскими учёными М.В.Ломоносовым и Г.Рихманом1. (1 О Г.В.Рихмане можно прочитать в «Физике» № 32/2003.)

    Сможем ли мы теперь, опираясь на полученные знания, решить задачи о молниях: определить силу тока в канале молнии; вычислить заряд, протекающий при разряде молнии, рассчитать сопротивление молниеотвода; найти мощность молнии; рассчитать её энергию и сравнить с годовым расходом электроэнергии в средней городской квартире; составить таблицу разрушающих воздействий электрического тока на организм человека; получить сведения из интернета о последних минутах жизни Рихмана, выяснить, мог ли он быть убит молнией при исследованиях; разработать правила поведения во время грозы?

    Учащиеся. Сможем! Нам интересно!

    Учитель (открывая на доске тему и план урока). Этот год объявлен ЮНЕСКО годом физики. Урок посвящается Г.Рихману – человеку, рисковавшему жизнью и отдавшему её, чтобы проведённые им научные исследования помогли спасти жизнь многим людям, защитить их от такого грозного природного явления, как молния.

    4. Осмысление содержания и последовательности практических действий (2 мин)

    Учитель. Пока весь класс будет вычислять характеристики молнии и проводить сравнение их с допустимыми воздействиями на человека, Олег войдёт в интернет и разыщет там сведения о Г.Рихмане, при каких обстоятельствах он трагически погиб. На местах работаем в группах, управляющими групп будут (называет). Можно помогать друг другу. У вас три задания: решить задачи, заполнить таблицы; вписать пропущенные слова в тексты по смыслу; составить правила поведения во время грозы (если останется время, то ответить на вопросы – письменно или устно), подумать, как каждый из вас умеет защитить себя от молнии. Домашние задания, таблицы и тексты сдаёте мне на проверку. Управляющие за хорошую работу своей группы получают отметку на балл выше. А я посмотрю, какая группа будет работать дружнее, быстрее. Когда Олег будет готов, он расскажет, как погиб Рихман. (Раздаёт листы с заданиями и объясняет, что делать.)

    5. Самостоятельное выполнение заданий под контролем и с помощью учителя (20 мин)

    (Первая задача разбирается на доске. Задачи, отмеченные знаком *, выполняют более сильные ученики.)

    1. Сила тока в разряде молнии равна 100 000 А = 105 A, напряжение 10 000 000 В = 107 B, длительность импульса около 0,001 с. Найдите мощность молнии и рассчитайте её энергию. Сравните с ответом задачи 2.

    2*. В сеть напряжением (между точками а и б) 220 В включаются: 4 лампы мощностью 40 Вт каждая на 4 ч в день; электронагревательные приборы мощностью 800 и 1000 Вт на 1 ч и 0,5 ч в день соответственно; пылесос мощностью 600 Вт на 0,5 ч один раз в неделю. Подсчитайте, сколько электроэнергии расходуется за год всеми показанными на схеме приборами.

    3. Опасная для жизни человека сила тока составляет 0,05 A. Сопротивление человеческого тела, измеренное между пальцами разведённых рук, изменяется в зависимости от самочувствия, но составляет не менее 800 Ом. При каком минимальном напряжении человек может погибнуть?

    4. Для постройки молниеотвода использовали стальной провод сечением 30 мм2 и длиной 25 м. Определите его сопротивление, если удельное сопротивление стали равно
    0,15 (Ом . мм)/м.

    5. Длительность отдельных импульсов разряда молнии 100 мкс. Количество электричества, проходящего в каждом импульсе по каналу молнии, равно 20 Кл. Какова сила тока в импульсе?

    6*. Известно, что средняя длительность разряда молнии 0,2 мс. Типичная сила тока 20 кА. Определите заряд, протекающий при разряде.

    7*. Оцените время, через которое вы услышите гром после вспышки молнии, если известно, что молния ударила в дерево, находящееся от вас на расстоянии около 3 км. Свет распространяется со скоростью 300 000 км/с, а звук распространяется в воздухе со скоростью приблизительно 300 м/с.

    Обобщение и систематизация результатов

    Группа № __

    Управляющий _________________

    Состав группы: ____________________________

    Задание № 1

    Решите задачи и заполните пустые клетки (знаки «?») в таблице.

    Сравнение характеристик молнии и других объектов

    Физическая величина

    Молния

    Человек и др. объекты

    Сила тока I, A 100 000 0,05 – судороги конечностей, опасное для жизни затруднение дыхания
    Напряжение U, В 50 000 000 ? – минимальное напряжение, вызывающее гибель (см. учебник, с. 93, табл. 7)
    Электрическое сопротивление R, Ом 800 – тела человека

    ? – воздуха

    Мощность P, кВт ? ? – гидрогенератора Блартской ГЭС (см. учебник, с. 120, табл. 9)
    Энергия A, кВт . ч ? ? – (см. рис. к задаче 2)
    Задание № 2

    Используя список (он избыточен!), впишите пропущенные слова в текст (возможно изменение окончаний).

    • Благодаря исследованиям Франклина, ... , Рихмана была доказана … природа молнии. Мы видим молнию практически в тот же момент, когда происходит … : ведь свет распространяется со скоростью … . Раскаты же грома, возникающие вследствие резкого … воздуха при его нагревании в канале молнии, мы слышим уже после вспышки, т.к. скорость звука в воздухе примерно равна … .

    Список слов: Ампер, Вольта, Ломоносов, электрическая, тепловая, химическая, расширение, сжатие, разряд, испарение, 300 м/с, 30 000 000 м/с, 300 000 км/с.

    Задание № 3

    Как я умею защищать себя от молнии

    Дома

    На открытом пространстве

    В транспортном средстве

    Выключите радио, телевизор, не пользуйтесь электроприборами и телефоном; не создавайте сквозняк; здание должно быть защищено молниеотводом.

    Избегайте отдельно стоящих деревьев; не касайтесь металлических предметов; присядьте на корточки, поставьте ноги вместе и обхватите их руками; убедитесь, что все металлические предметы находятся дальше 5 м; на стадионе отойдите подальше от флагов, столбов, уберите зонтики; в горах держитесь вдали от вершин, не касайтесь мокрых скал; держитесь подальше от воды (удар молнии в воду может быть смертелен на расстоянии 100 м); на судне уйдите с палубы, не касайтесь металлических частей; не бегайте, т.к. потная кожа и быстрое движение «притягивают» молнию.

    Прекратите движение на велосипеде или мотоцикле и переждите грозу на расстоянии примерно 30 м от них; полностью закрытый автомобиль (включая окна) обеспечивает безопасность; самолёт можно тоже рассматривать как клетку Фарадея, но показания приборов могут искажаться; при встрече с шаровой молнией не проявляйте никакой агрессии, по возможности сохраняйте спокойствие и не двигайтесь, не приближайтесь к ней, не касайтесь ничем, чтобы не вызвать взрыва, не убегайте, потому что она может увлечься потоком воздуха.

    6. Обобщение и систематизация учащимися результатов действий (5 мин)

    Олег сообщает, что Рихман был убит шаровой молнией в 1753 г. при проведении опытов – его устройство не было заземлено. Демонстрация видеофрагмента (2 мин). Ученики сдают заполненные таблицы, читают вписанные тексты вслух (2 мин), проговаривают правила поведения во время грозы (2 мин).

    7. Подведение итогов работы (2 мин)

    Выставление отметок. Опрос: что нового было на уроке? что понравилось? что запомнилось? о чём еще захотелось бы узнать?

    8. Сообщение и комментирование домашнего задания. Запишите правила поведения во время грозы: дома, на открытом пространстве, в транспортном средстве.

    (Учебник автором не указан.)

    О первых опытах и о Г.-В.Рихмане

    • Для проверки гипотезы об электрической природе молнии Франклин в 1752 г. провёл знаменитый эксперимент с воздушным змеем, благодаря которому стал известен как учёный. Из этого эксперимента впоследствии родилась идея молниеотвода, а затем общая теория электрических явлений и связанная с ней новая терминология (понятия положительного и отрицательного электричества, проводника, батареи и т.п.).

    • В 1742 г. Ломоносов впервые в России начал читать публичные лекции на русском языке в Академии наук. В 1755 г. по инициативе Ломоносова и по его проекту был основан Императорский Московский университет, «открытый для всех лиц, способных к наукам», а не только для дворян. Ломоносов выступил организатором многих научных, технических и культурных начинаний, сыгравших огромную роль в развитии России.

    • Электрометр Г.Рихмана представлял собой вертикальную металлическую линейку (длиной около 52 см и массой около 615 г), к которой подводился электрический заряд от электростатической машины. К верхнему концу линейки прикреплялась льняная нить (длиной около 61 см и массой около 45 мг). Как только металлической линейке передавался электрический заряд, льняная нить отталкивалась от неё и отклонялась на некоторый угол в зависимости от величины заряда.

    Электрометр Г.Рихмана

    • «Из середины дна бутылочного выбил он иверень, сквозь бутылку продел железный прут длиною от 5 до 6 футов, толщиною в один палец и заткнул горло бутылки коркою. После велел он из верхушки кровли вынуть черепиц и пропустил туда прут, так что он от 4 до 5 футов высунулся, а дно бутылки лежало на кирпичах. К концу прута, который под кровлею из-под дна бутылочного высунулся, укрепил он железную проволоку и вел её до среднего апартамента всё с такою же осторожностью, чтобы проволока не коснулась никакого тела, проводящего электрическую силу. Наконец, к крайнему концу проволоки приложил он железную линейку, так что она перпендикулярно вниз висела, а к верхнему концу привязал шёлковую нить, которая с линейкой параллельно, а с широчайшею стороною линейки в одной плоскости висела...»

    Санкт-Петербургские ведомости

    (Итак, установка оканчивалась железной линейкой, т.е. заземлена не была. Разумеется, к такой опасной установке и близко подпускать никого нельзя было!)

    • «Я пощупал у него тотчас пульс, – писал Кратценштейн, – но не было уже биения; после пустил я ему ланцетом из руки кровь, но вышла токмо одна капля оной. Я дул ему, как то с задохшимися обыкновенно делается, несколько раз, зажав ноздри, в рот, дабы тем кровь привесть паки в движение, но всё напрасно: при осмотре нашёл я, что у него на лбу, на левой стороне виска, было кровавое красное пятно с рублевик величиною, башмак на левой ноге над меньшим пальцем в двух местах изодрало, а вокруг изодранного места видны были малые белые пятнышки, на чёрном шёлковом шнурке видны были такие же крапины, но чулка не обожгло. Как скинули чулок, то под прошибленным местом нашли кровавое же и багровое пятно, а пята была синевата, на теле сверху, у груди и под рёбрами на левой стороне, видны были багровые пятна такой же величины, как на лбу».
    .  .