Урок. Электричество своими руками

Электричество своими руками: как заставить электроны работать

Урок труда · 45 минут · 6–8 класс Тема соединяет физику, ручную работу и инженерное мышление. К концу урока каждый ученик своими руками зажжёт лампочку — и поймёт, почему она горит.

🎣 Крючок: спор на 10 секунд

Батарейка и маленькую лампочку рядом на столе

«Смотрите: вот источник энергии, вот лампочка. Они лежат в 5 сантиметрах друг от друга. Почему лампочка не горит? Энергия же есть!»

Дети предлагают версии. Потом добавляю парадокс:

«А ваш смартфон в кармане прямо сейчас гоняет по себе миллионы миллиардов электронов в секунду — и вы этого не чувствуете и не видите. Сегодня мы поймаем этот невидимый поток и заставим его работать на нас. Не пальцем по экрану, а руками — по-настоящему.»

Метафора всего урока: электрический ток — это вода в трубах. Заряд — это сама вода. Напряжение — это давление (насос). Ток — это сколько воды течёт в секунду. Провод — это труба. А выключатель — это кран. Мы будем возвращаться к этой картинке весь урок.

Блок 1. Электроны: невидимые «шарики»

Всё вокруг состоит из атомов. Атом — это крошечный «шарик» с ядром внутри и электронами, которые бегают вокруг, как планеты вокруг Солнца (это называют моделью Бора).

В ядре сидят протоны — со знаком ( + ).
Вокруг летают электроны — со знаком ( − ).
Обычно плюсов и минусов поровну — атом спокоен.

У металлов (медь, алюминий, золото) на внешней орбите болтается один свободный электрон. Он держится за атом еле-еле. Толкни его энергией — и он сорвётся с места. Вот из-за этих «беглецов» металлы и проводят ток.

Аналогия: свободные электроны — это дети на перемене. Пока звонка нет, они хаотично носятся по коридору кто куда. Дай команду «все в столовую!» — и толпа потечёт в одну сторону. Эта команда и есть напряжение.

Блок 2. Заряд, ток и напряжение — три главных слова

Заряд — это «сколько» электричества. Единица — кулон (Кл). Заряд одного электрона мизерный, поэтому считают пачками.

Q = 1\ \text{кулон} = 6{,}25 \times 10^{18}\ \text{электронов}

Это 6 с четвертью миллиардов миллиардов электронов. В «водяной» аналогии — это ведро воды.

Ток — это «как быстро течёт». Сколько заряда проходит через точку за секунду.

I = \frac{Q}{t}

I — ток, в амперах (А)
Q — заряд, в кулонах (Кл)
t — время, в секундах (с)

Один ампер = один кулон в секунду. В аналогии — сколько литров воды пролетает мимо тебя в секунду.

Напряжение — это «сила толчка». Работа, чтобы протолкнуть заряд.

V = \frac{W}{Q}

V — напряжение, в вольтах (В)
W — работа/энергия, в джоулях (Дж)
Q — заряд, в кулонах (Кл)

1 вольт — это когда 1 джоуль работы двигает 1 кулон заряда. В аналогии — давление насоса в трубе.

Хитрость, которую путают все: ток и напряжение — разное! Напряжение есть даже без тока (батарейка на столе давит, но никуда не течёт — как насос при закрытом кране). Ток появляется, только когда цепь замкнута.

Блок 3. Мощность — почему провод греется

Мощность — это скорость, с которой электричество делает работу.

P = V \times I

P — мощность, в ваттах (Вт)
V — напряжение, в вольтах (В)
I — ток, в амперах (А)

1 ватт = 1 джоуль за 1 секунду. Лампочка «10 Вт» каждую секунду превращает 10 джоулей электричества в свет и тепло.

Про счётчик дома: платят не за ватты, а за киловатт-часы (кВт·ч) — сколько работал прибор и как долго. Лампа 100 Вт за 10 часов «съест» 1 кВт·ч — одну «единицу электричества» из квитанции.

Блок 4. Цепь: открытая, закрытая, короткая

Это сердце сегодняшней практики.

Открытая (разомкнутая)

Кран закрыт. Провод разорван или выключатель выключен. Ток = 0. Лампа не горит. Цепь неполная.

Закрытая (замкнутая)

Кран открыт. Ток течёт по кругу: источник → лампа → обратно. Лампа горит. Цепь полная.

Короткая (КЗ)

Ток нашёл путь в обход лампы по голому проводу. Ток резко растёт, провод греется. Опасно! В доме от этого срабатывает автомат.

Короткое замыкание — это авария, а не фокус. Ток идёт по «пути наименьшего сопротивления» и мгновенно взлетает до максимума. Именно поэтому нельзя соединять «+» и «−» батарейки напрямую проводом — она нагреется и может потечь. Проверяем это только на разговоре, не на столе.

🔬 Симулятор: Три состояния цепи: замкнута, разомкнута, закорочена

Сначала посчитай, потом запускай. Ожидаемый результат: при замкнутом выключателе ток 3 В / 330 Ом ≈ 9 мА; при разомкнутом — 0; если закоротить лампу проводом — ток вырастет в сотни раз. Проверь себя — сходится ли расчёт с симулятором.

▶ Открыть схему в Falstad — откроется в новой вкладке уже собранной.

Если ссылка не открылась — собрать вручную

Зайти на falstad.com/circuit → меню File → Import From Text → вставить:

$ 1 0.000005 10.20 50 5 43 5e-11
v 128 256 128 128 0 0 40 3 0 0 0.5
s 128 128 256 128 0 1 false
r 256 128 384 128 0 330
w 384 128 384 256 0
w 128 256 384 256 0
g 128 256 128 304 0 0

Не сработал и импорт — собери схему мышью (Draw → Resistor / Voltage Source). Это 2–3 минуты и само по себе тренировка чтения схемы.

Здесь можно то, что запрещено на столе. Резистор 330 Ом — это наша лампа. Кликни по выключателю: цепь замыкается и размыкается, ток на схеме меняется у тебя на глазах. Разомкнут — ток ноль, хотя напряжение на батарейке никуда не делось. Ровно то, о чём спрашивает первый вопрос чек-апа.

А теперь самое интересное — короткое замыкание. Возьми провод (Draw → Wire) и соедини им оба вывода лампы-резистора. Ток мгновенно скакнёт: весь поток пошёл в обход, по проводу без сопротивления, а лампа погасла.

Батарейку при этом жалеть не надо — она виртуальная. Именно поэтому симулятор здесь и нужен: аварию можно показать, а не пересказать, и обойтись без испорченной батарейки и горячих проводов.

🧠 Концептуальный чек-ап (быстрые вопросы «на подумать»)

Батарейка лежит на столе одна. Напряжение на ней есть. А ток есть? Почему?
Что «течёт» по проводу на самом деле — провод, ток или электроны?
Почему медный провод проводит ток, а деревянная палочка — нет?
В гирлянде одна лампочка перегорела, и погасли все. Это последовательное или параллельное соединение? Как догадались?
Если открыть «кран» (замкнуть цепь), но убрать лампу и просто соединить провода — что произойдёт и почему это плохо?

📐 Разбор задачи (образец у доски)

Дано: через лампочку за 4 секунды прошёл заряд 8 кулонов. Напряжение батарейки 5 В. Найти: ток I и мощность P.

Шаг 1. Записываем формулу тока

I = \frac{Q}{t}

Шаг 2. Подставляем числа

I = \frac{8\ \text{Кл}}{4\ \text{с}} = 2\ \text{А}

Через лампу течёт ток 2 ампера.

Шаг 3. Считаем мощность

P = V \times I = 5\ \text{В} \times 2\ \text{А} = 10\ \text{Вт}

Вывод

Лампа потребляет 10 ватт — каждую секунду 10 джоулей идут в свет и тепло.

🔧 Практика на верстаке: 4 сборки

Что нужно на парту: батарейный отсек с батарейкой (3–4,5 В), лампочка на цоколе или светодиод + резистор 330 Ом (подойдёт и 220 Ом — ярче, но ближе к пределу), выключатель/кнопка, 3–4 провода с зажимами «крокодил», фольга и картон для «самодельного выключателя». Всё низковольтное и безопасное — розетка не используется.

1. Зажги лампочку

Собрать простейшую замкнутую цепь: батарейка → провод → лампа → провод → батарейка. Ученик сам находит, где цепь «замыкается».

2. Сделай выключатель

Из картона, канцелярской скрепки и фольги собрать свой рубильник. Понять на пальцах, что такое открытая и закрытая цепь.

3. Гирлянда: последовательно

Соединить 3 лампочки в цепочку. Выкрутить одну — гаснут все. Обсудить, почему ток общий для всех.

4. Гирлянда: параллельно

Соединить те же лампы ветками. Выкрутить одну — остальные горят. Понять, что напряжение общее, а ток делится.

Те же две гирлянды — в симуляторе

Сборки 3 и 4 полезно сначала предсказать, а потом посмотреть на анимацию: она показывает то, чего не видно на парте, — сам поток зарядов.

🔬 Симулятор: Гирлянда последовательно: три лампы в цепочку

Сначала посчитай, потом запускай. Ожидаемый результат: сопротивление 3 × 330 = 990 Ом, ток ≈ 4,5 мА — один и тот же во всей цепи; на каждой лампе 1,5 В. Проверь себя — сходится ли расчёт с симулятором.

▶ Открыть схему в Falstad — откроется в новой вкладке уже собранной.

Если ссылка не открылась — собрать вручную

Зайти на falstad.com/circuit → меню File → Import From Text → вставить:

$ 1 0.000005 10.20 50 5 43 5e-11
v 112 272 112 112 0 0 40 4.5 0 0 0.5
r 112 112 240 112 0 330
r 240 112 368 112 0 330
r 368 112 496 112 0 330
w 496 112 496 272 0
w 112 272 496 272 0
g 112 272 112 320 0 0

🔬 Симулятор: Гирлянда параллельно: три лампы ветками

Сначала посчитай, потом запускай. Ожидаемый результат: на каждой лампе полные 4,5 В и свой ток ≈ 13,6 мА; от батарейки уходит втрое больше — около 41 мА. Проверь себя — сходится ли расчёт с симулятором.

▶ Открыть схему в Falstad — откроется в новой вкладке уже собранной.

Если ссылка не открылась — собрать вручную

Зайти на falstad.com/circuit → меню File → Import From Text → вставить:

$ 1 0.000005 10.20 50 5 43 5e-11
v 112 288 112 128 0 0 40 4.5 0 0 0.5
w 112 128 256 128 0
r 256 128 256 288 0 330
w 256 128 368 128 0
r 368 128 368 288 0 330
w 368 128 480 128 0
r 480 128 480 288 0 330
w 112 288 480 288 0
g 112 288 112 336 0 0

Что сравнить в двух схемах. Смотри на скорость жёлтых точек — это и есть ток. В первой схеме поток одинаковый на всём пути: одна дорога, все едут гуськом. Во второй у каждой ветки свой поток, а от батарейки уходит их сумма — почти в десять раз больше, чем в первой схеме. Вот почему параллельная гирлянда светит ярче, но и батарейку сажает быстрее.

Проверь и «выкручивание лампочки»: удали один резистор (клик правой кнопкой → Delete). В последовательной схеме погаснет всё, в параллельной — остальные две продолжат работать.

Правило-мостик для запоминания соединений:

Ток общий — в последовательной цепи. Напряжение общее — в параллельной. Последовательная — это одна дорога, все едут гуськом (порвалась дорога — встали все). Параллельная — это несколько параллельных дорог (одна перекрыта — по остальным едут спокойно). Так и сделана проводка в вашей квартире: погас свет в одной комнате — в других горит.

📊 5 разноуровневых заданий

Воспроизведение (знание)

В каких единицах измеряют ток, напряжение и мощность? Напиши букву-символ каждой величины.
Сколько примерно электронов в одном кулоне? (тест: 100 / 6,25·10¹⁸ / 1000)

Применение и творчество

Расчёт. Через мотор за 10 секунд прошло 30 кулонов заряда при напряжении 6 В. Найди ток и мощность. (Ответ: I = 3 А, P = 18 Вт.)
Инженерный кейс. Придумай и нарисуй схему настольной лампы с двумя лампочками так, чтобы при перегорании одной вторая продолжала светить. Какое соединение выберешь и почему?

🎯 Итог урока (30 секунд)

Сегодня вы не листали экран — вы замкнули настоящую цепь и заставили невидимый поток электронов работать руками.

Ток — это вода. Напряжение — давление. Провод — труба. Выключатель — кран. Разомкни цепь — и всё гаснет. Замкни — и рождается свет.

Домой (по желанию): найди дома прибор с надписью в ваттах и посчитай, сколько кВт·ч он «съест», если поработает 5 часов. Принеси расчёт — обсудим на следующем уроке про закон Ома.

Дополнительные вопросы

Карточка учителя · Электричество своими руками