1.2. Залежність опору металів від температури

Другий урок має готувати учнів до лабораторної.

Тип уроку: урок формування нових знань і способів діяльності.

Основна ідея уроку: спираючись на знання про електричний струм у металах та електричний опір, сформувати в учнів уявлення про температурну залежність опору металів, пояснити її на мікроскопічному рівні, ознайомити з температурним коефіцієнтом опору та підготувати учнів до лабораторної роботи №1 «Дослідження залежності електричного опору провідника від температури», у якій вони експериментально перевірять встановлену закономірність. У лабораторній роботі передбачено вимірювання сили струму, напруги й температури, обчислення опору та побудову графіка $R=f(t)$. (lr9klas.blogspot.com)

---

Результати навчання у фокусі уроку

Група	Результат, який формуємо
1. Пізнання світу природи засобами наукового дослідження	Формулює припущення щодо зміни опору металевого провідника під час нагрівання; планує послідовність майбутнього дослідження; визначає, які фізичні величини необхідно виміряти для встановлення залежності опору від температури; прогнозує вигляд графіка $R=f(t)$.
2. Опрацювання, систематизація та представлення інформації	Аналізує дані про температуру, силу струму, напругу та опір; встановлює зв'язок $R=U/I$; працює з таблицею та графіком залежності; використовує позначення фізичних величин і одиниці їх вимірювання; опрацьовує формулу температурної залежності опору.
3. Усвідомлення закономірностей природи, ролі природничих наук і техніки	Розуміє, що опір металів залежить від температури; встановлює, що для металів зі збільшенням температури опір зростає; пояснює цю закономірність посиленням теплових коливань частинок кристалічної ґратки; розуміє фізичний зміст температурного коефіцієнта опору.
4. Розвиток наукового мислення, розв'язання проблем	Аналізує проблемні ситуації, пов'язані зі зміною опору під час нагрівання; прогнозує результати майбутнього експерименту; обґрунтовує вибір способу дослідження; розв'язує прості задачі на залежність опору від температури; формулює запитання, які можна перевірити експериментально.

---

Хід уроку

І. Організація навчальної діяльності

Учитель демонструє металевий провідник, спіраль нагрівального елемента або лампу розжарювання.

Запитання:

Під час роботи електричних приладів металеві провідники часто нагріваються. Чи може нагрівання впливати на їхній електричний опір?

Учні висловлюють припущення.

Учитель:

Сьогодні ми з'ясуємо цю залежність, а на наступному уроці перевіримо її експериментально.

---

ІІ. Актуалізація знань

Учитель пропонує пригадати:

— Що таке електричний опір?

— За якою формулою його можна визначити?

$$R=\frac{U}{I}$$

— Які величини потрібно виміряти, щоб визначити опір провідника?

— Від чого залежить опір провідника?

— Що є носіями електричного струму в металах?

— Що відбувається з частинками речовини при нагріванні?

---

ІІІ. Створення проблемної ситуації

Учитель:

Уявімо металевий дріт, опір якого за кімнатної температури становить $R_0$. Ми нагріваємо цей дріт.

Проблемне запитання

Яким стане його опір після нагрівання?

Учні обирають один із варіантів:

А — збільшиться;

Б — зменшиться;

В — не зміниться.

Учитель не повідомляє правильну відповідь.

Як можна не просто здогадатися, а експериментально перевірити наше припущення?

---

IV. Плануємо майбутнє дослідження

Цей етап особливо важливий, тому що наступний урок — лабораторна робота.

Учитель:

Якщо ми хочемо дослідити залежність опору від температури, що нам потрібно вимірювати?

Учні приходять до:

• температури $t$;

• сили струму $I$;

• напруги $U$.

Після цього опір можна визначити:

$$R=\frac{U}{I}$$

Отже:

вимірюємо $t$, $I$, $U$

↓

обчислюємо $R$

↓

порівнюємо $R$ за різних $t$

↓

будуємо графік $R=f(t)$

↓

формулюємо висновок.

Саме така послідовність передбачена лабораторною роботою: вимірювання при кімнатній температурі, потім приблизно при $40^\circ C$, $60^\circ C$ та $80^\circ C$, обчислення опору та побудова графіка. (lr9klas.blogspot.com)

---

V. Прогнозуємо результат експерименту

Учитель:

До проведення досліду спробуємо передбачити, яким буде графік.

На дошці можна запропонувати три варіанти:

1. $R$ збільшується з температурою.

2. $R$ зменшується з температурою.

3. $R$ не залежить від температури.

Учні обґрунтовують свій вибір.

Наукове запитання

Які експериментальні дані переконають нас у правильності нашого прогнозу?

---

VI. Чому опір металу змінюється при нагріванні?

Учитель повертається до мікроскопічної моделі металу.

Учні вже знають із попереднього уроку:

• у металі є вільні електрони;

• електричний струм — це їхній напрямлений рух;

• електрони взаємодіють із частинками кристалічної ґратки.

Учитель:

Що відбувається з частинками кристалічної ґратки при нагріванні?

Учні:

Вони починають коливатися інтенсивніше.

Учитель:

Отже, електронам стає важче здійснювати напрямлений рух.

Схема:

температура ↑

↓

коливання частинок ґратки ↑

↓

взаємодія з електронами ↑

↓

рух електронів ускладнюється

↓

опір металу ↑

---

VII. Формулюємо закономірність

Учні разом із учителем формулюють:

Для металів зі збільшенням температури електричний опір збільшується.

Учитель записує:

$$T\uparrow \Rightarrow R\uparrow$$

і наголошує:

Але сьогодні ми поки що теоретично пояснили закономірність. На наступному уроці ми перевіримо її експериментально.

Це важлива відмінність між уроком 2 і лабораторною роботою 3.

---

VIII. Температурний коефіцієнт опору

Учитель ставить запитання:

Чи однаково зміниться опір міді та ніхрому, якщо їх нагріти на однакову кількість градусів?

Учні висловлюють припущення.

Учитель:

Різні матеріали по-різному реагують на зміну температури. Для характеристики цієї властивості використовують температурний коефіцієнт опору.

Позначення:

$$\alpha$$

Для невеликого температурного інтервалу:

$$R=R_0(1+\alpha\Delta T)$$

де:

• $R_0$ — початковий опір;

• $R$ — опір після зміни температури;

• $\alpha$ — температурний коефіцієнт опору;

• $\Delta T$ — зміна температури.

---

IX. Фізичний зміст температурного коефіцієнта

Учитель:

Температурний коефіцієнт опору показує, наскільки змінюється опір провідника відносно його початкового значення при зміні температури на один градус.

Для металів:

$$\alpha>0.$$

Отже:

$$\Delta T>0 \Rightarrow \Delta R>0.$$

---

X. Готуємося до лабораторної роботи

Учитель показує схему майбутньої лабораторної установки.

У лабораторній роботі використовується електричне коло з джерелом струму, амперметром, провідником, ключем, а вольтметр під'єднується паралельно провіднику; провідник нагрівається у водяній бані. (lr9klas.blogspot.com)

Запитання

Чому амперметр потрібно вмикати послідовно?

Чому вольтметр приєднують паралельно провіднику?

Для чого потрібен термометр?

Навіщо вимірювати одночасно $I$ та $U$?

Чому недостатньо просто виміряти температуру?

Учні встановлюють:

$$R=\frac UI.$$

---

XI. Робота з майбутньою таблицею

Учитель демонструє таблицю, яку учні заповнюватимуть на наступному уроці:

№	Температура $t$, °C	Сила струму $I$, А	Напруга $U$, В	Опір $R$, Ом
1	20
2	40
3	60
4	80

Такі температурні точки та визначення опору через $R=U/I$ передбачені опублікованою інструкцією до ЛР №1. (lr9klas.blogspot.com)

Запитання

Що ми зможемо побачити, якщо заповнимо всю таблицю?

Учні:

Як змінюється опір із температурою.

---

XII. Передбачаємо графік

Учитель:

Після заповнення таблиці ми побудуємо графік $R=f(t)$.

Учні прогнозують його вигляд.

Завдання

На координатній площині позначити:

• горизонтальна вісь — $t$;

• вертикальна вісь — $R$.

Учні схематично показують очікуваний графік.

Якщо наше припущення правильне, графік повинен показувати зростання опору зі збільшенням температури.

---

XIII. Навчальна задача

Опір металевого провідника за температури $20^\circ C$ становить $10\ \Omega$. Після нагрівання його температура збільшилася.

Запитання без обчислень:

Яким стане опір?

Чому?

Які вимірювання потрібно виконати, щоб експериментально визначити нове значення опору?

Очікувана відповідь:

Потрібно виміряти напругу та силу струму й обчислити:

$$R=\frac UI.$$

---

XIV. Проблемне завдання перед лабораторною

Учитель:

У лабораторній роботі ми будемо нагрівати провідник до $40^\circ C$, $60^\circ C$ та $80^\circ C$. Чи достатньо одного вимірювання, щоб зробити надійний висновок про залежність опору від температури?

Учні мають дійти висновку:

Ні. Потрібно виконати кілька вимірювань за різних температур і порівняти отримані результати.

Це формує розуміння серії вимірювань, а не механічного виконання лабораторної інструкції.

---

XV. Формувальне оцінювання

Ознака результату	Що демонструє учень
Формулює проблему	ставить запитання про залежність $R$ від $t$
Висуває припущення	прогнозує характер зміни опору
Планує дослідження	визначає, які величини потрібно виміряти
Застосовує формулу	використовує $R=U/I$
Опрацьовує інформацію	читає таблицю та схему експерименту
Прогнозує	передбачає вигляд графіка $R=f(t)$
Пояснює	пояснює температурну залежність опору на мікрорівні
Обґрунтовує	пояснює необхідність кількох вимірювань
Готується до дослідження	визначає послідовність дій під час ЛР

---

XVI. Рефлексія

Учитель:

Перед наступним уроком перевіримо, чи готові ми до дослідження.

Учні завершують речення:

Я припускаю, що при нагріванні опір металу...

Щоб це перевірити, потрібно виміряти...

Опір можна визначити за формулою...

Результати дослідження потрібно подати у вигляді...

На графіку залежності $R=f(t)$ я очікую побачити...

Мікроскопічна причина збільшення опору полягає в тому, що...

Підсумкове запитання

Як експериментально довести, що опір металевого провідника залежить від температури?

Очікувана відповідь:

змінювати температуру → вимірювати $I$ та $U$ → обчислювати $R=U/I$ → записувати результати → будувати $R=f(t)$ → аналізувати графік → робити висновок.

---

XVII. Домашнє завдання

Обов'язкове

1. Опрацювати матеріал уроку.

2. Повторити формулу:

$$R=\frac UI.$$

3. Знати закономірність:

$$T\uparrow \Rightarrow R\uparrow$$

для металів.
4. Повторити правила безпечної роботи з електричним обладнанням.

5. Підготуватися до лабораторної роботи №1 «Дослідження залежності електричного опору провідника від температури».

Підготовче до лабораторної роботи

Учень має вміти відповісти:

• що вимірюємо?

• якими приладами?

• як визначаємо опір?

• які дані заносимо до таблиці?

• який графік будуємо?

• який результат очікуємо?

---

Місце уроку в траєкторії формування результатів

Урок 1

Електричний струм у металах

вільні електрони

↓

напрямлений рух електронів

↓

електричний струм

↓

взаємодія електронів із кристалічною ґраткою

↓

електричний опір

---

Урок 2

Залежність опору металів від температури

нагрівання металу

↓

посилення коливань кристалічної ґратки

↓

утруднення руху електронів

↓

збільшення опору

↓

температурний коефіцієнт опору

↓

прогноз експерименту

↓

Урок 3

Лабораторна робота №1

вимірювання температури

вимірювання $I$

вимірювання $U$

↓

$$R=\frac UI$$

↓

таблиця результатів

↓

графік $R=f(t)$

↓

експериментальна перевірка закономірності

↓

висновок

---

І це важливо для всієї послідовності

Тепер, коли ми врахували реальне розташування матеріалу, я б не планував третій урок як ще один теоретичний урок. Він має бути повноцінною лабораторною роботою, а другий урок — підготовчим містком до неї.

Тобто маємо дуже логічну трійку:

№ уроку	Тема	Основний акцент	ГР у фокусі
1	Електричний струм у металах	Пояснити явище: що рухається і чому виникає струм	ГР3, ГР4
2	Залежність опору металів від температури	Передбачити й спланувати дослідження: що вимірюємо і який результат очікуємо	ГР1, ГР2, ГР4
3	Лабораторна робота №1. Дослідження залежності електричного опору провідника від температури	Експериментально перевірити закономірність	ГР1, ГР2

Саме так лабораторна робота стає не відірваною практичною вправою, а логічним завершенням дослідницького циклу: пояснення → прогноз → планування → експеримент → дані → графік → висновок. Сама інструкція ЛР №1 передбачає саме такий цикл і завершується побудовою графіка $R=f(t)$ та висновком про зміну опору з температурою. (lr9klas.blogspot.com)