Ηλεκτρικό Κύκλωμα, Τάση & Ένταση Ηλεκτρικού Ρεύματος, Αντίσταση

Transcript

1 ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1 ΤΑΞΗ Γ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ ΜΑΘΗΜΑ: ΦΥΣΙΚΗ Εκτιμώμενη διάρκεια: 1 διδακτική ώρα Ηλεκτρικό Κύκλωμα, Τάση & Ένταση Ηλεκτρικού Ρεύματος, Αντίσταση Στόχοι: Να σχεδιάζετε ένα απλό, λειτουργικό ηλεκτρικό κύκλωμα διαπιστώνοντας πειραματιζόμενοι/νες εικονικά τον τρόπο σύνδεσης των στοιχείων του. Να ορίζετε το ηλεκτρικό ρεύμα σαν προσανατολισμένη κίνηση φορτισμένων σωματιδίων σε ένα κύκλωμα με τη βοήθεια της ηλεκτρικής πηγής. Να προσδιορίζετε σε γενικές γραμμές τις έννοιες της έντασης ηλεκτρικού ρεύματος, της τάσης και της αντίστασης. Για την εργασία σας θα χρησιμοποιήσετε το λογισμικό «Εργαστήριο Κατασκευής Κυκλωμάτων Συνεχούς Ρεύματος, Physics Education Technology (Phet), University of Colorado Boulder», al_lab_version_dc_only Απαιτείται επίσης η εγκατάσταση στο PC του Java (ελεύθερου λογισμικού). 1. Ηλεκτρικό κύκλωμα Είναι δυνατόν ένας λαμπτήρας να λειτουργήσει (να φωτοβολήσει) χωρίς την παρουσία μπαταρίας (πηγής); Ανοίξτε το λογισμικό, πάρετε ένα καλώδιο μια μπαταρία και μία λάμπα. Πραγματοποιήστε τη διπλανή σύνδεση. Ανάβει η λάμπα ή όχι;. Πραγματοποιήστε τη διπλανή σύνδεση. Μετακινήστε το απομονωμένο καλώδιο ώστε να συνδεθεί με τις ελεύθερες άκρες των δύο άλλων καλωδίων. Τι παρατηρείτε; Γιατί δε μπορούμε με τους δύο παραπάνω τρόπους να πετύχουμε τη λειτουργία του λαμπτήρα; Πραγματοποιήστε τη διπλανή σύνδεση. Μετακινήστε το απομονωμένο καλώδιο ώστε να συνδεθεί με τις ελεύθερες άκρες των δύο άλλων καλωδίων. Τι παρατηρείτε; Γιατί με την τελευταία σύνδεση κατάφερε ο λαμπτήρας να λειτουργήσει κανονικά; Ποια η διαφορά με τις άλλες συνδέσεις; [1]

2 .... Απαντήστε χονδρικά ποια είναι η δουλειά της μπαταρίας σε ένα κύκλωμα;. Η τελευταία σύνδεση κατά την οποία λειτουργούν κανονικά συσκευές όπως ο λαμπτήρας (καταναλωτές) με τη βοήθεια της μπαταρίας και με τους πόλους (+, -) να συνδέονται εναλλάξ, ονομάζεται «Ηλεκτρικό κύκλωμα». Πάρετε τα αναγκαία καλώδια, μια μπαταρία, ένα λαμπτήρα και ένα διακόπτη και πραγματοποιήστε το διπλανό κύκλωμα. Κλείστε και ανοίξτε το διακόπτη. Τι παρατηρείτε;.. Όταν λειτουργεί (ανάβει) ο λαμπτήρας το κύκλωμα ονομάζεται «κλειστό» (κλειστός διακόπτης) και όταν δεν λειτουργεί (δεν ανάβει) ο λαμπτήρας, το κύκλωμα ονομάζεται «ανοιχτό» (ανοιχτός διακόπτης). Στο ίδιο κύκλωμα κλείστε το διακόπτη και παρατηρείστε τη φορά κίνησης των ηλεκτρονίων. Από ποιον σε ποιον πόλο της μπαταρίας μετακινούνται τα ηλεκτρόνια στο κύκλωμα; Όταν τα ηλεκτρόνια στο κύκλωμα, κινούνται από τον αρνητικό στο θετικό πόλο της μπαταρίας, το ρεύμα λέμε ότι έχει «πραγματική φορά». Αν τα ηλεκτρόνια κινούνταν αντίθετα (από το θετικό στον αρνητικό πόλο), λέμε ότι το ρεύμα έχει «συμβατική φορά», σαν να κινούνται δηλαδή όχι αρνητικά φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια) αλλά κάποια φανταστικά θετικά φορτία. Αυτό πίστευαν τον 19 ο αιώνα. Για ιστορικούς λόγους θεωρούμε ότι η φορά του ρεύματος ταυτίζεται με τη συμβατική φορά, δηλαδή από το θετικό στον αρνητικό πόλο της μπαταρίας. 2. Ένταση Ρεύματος Στη δεξιά πλευρά του λογισμικού και στην περιοχή Tools τσεκάρετε το Ammeter(s). Ένα επιπλέον στοιχείο εμφανίζεται στο κάτω μέρος της λευκής περιοχής εντός της επιφάνειας εργασίας. Ονομάζεται «Αμπερόμετρο» και μετρά πόσο ισχυρό ή ασθενές είναι το ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα. Μετρά δηλαδή τον αριθμό των ηλεκτρονίων (συνολικό φορτίο) που περνά από κάποιο σημείο του κυκλώματος στη μονάδα του χρόνου. Το μέγεθος ονομάζεται ένταση ρεύματος. «Ένταση Ρεύματος Ι=q/t». Πάρτε ένα αμπερόμετρο και προσπαθήστε να το συνδέσετε στο τελευταίο κύκλωμα που φτιάξατε με δύο καλώδια σε δύο διαφορετικά σημεία του. Κλείστε το κύκλωμα. Τι παρατηρείτε; [2]

3 Πραγματοποιείστε το διπλανό κύκλωμα. Το αμπερόμετρο με αυτόν τον τρόπο συνδέεται σε σειρά στο κύκλωμα. Κλείστε τον διακόπτη και καταγράψτε την ένδειξη του οργάνου.... Η μονάδα μέτρησης της έντασης του ρεύματος ονομάζεται Ampere (Α) και μετρά το συνολικό φορτίο που διέρχεται από μια διατομή του αγωγού στη μονάδα του χρόνου: 1Ampere=1Coulomb/1sec. 3. Ηλεκτρική Τάση ή Διαφορά Δυναμικού Τι σημαίνουν οι δύο πόλοι (+,-) στην μπαταρία και τι δημιουργούν στο κύκλωμα; Μπορείς να σκεφτείς το λόγο για τον οποίο μετακινούνται τα ηλεκτρόνια στο κύκλωμα (πραγματική φορά από το στο +); Τι παράγει η δύναμη που ασκείται στα ηλεκτρόνια εντός του κυκλώματος; Το έργο της δύναμης που μετακινεί τα ηλεκτρόνια στους αγωγούς εκφράζει την ενέργεια που μεταφέρεται από την πηγή στα κινούμενα φορτία. Η ενέργεια αυτή ονομάζεται «ενέργεια ηλεκτρικού ρεύματος». Στη δεξιά πλευρά του λογισμικού και στην περιοχή Tools τσεκάρετε το Voltmeter. Εμφανίζεται ένα όργανο που λέγεται «Βολτόμετρο» με δύο ακροδέκτες, εντός της επιφάνειας εργασίας. Φέρετε σε επαφή τους δύο ακροδέκτες του βολτομέτρου. Ακολούθως με ανοιχτό το διακόπτη φέρετε σε επαφή τους ακροδέκτες με ένα ή δύο διαφορετικά σημεία ενός αγωγού του κυκλώματος. Σε όλες τις περιπτώσεις ποια είναι η ένδειξη του βολτομέτρου; Με ανοιχτό το διακόπτη φέρετε σε επαφή τους ακροδέκτες με τα δύο άκρα του λαμπτήρα. Το βολτόμετρο με αυτόν τον τρόπο συνδέεται παράλληλα στο κύκλωμα. Ποια είναι η ένδειξή του; Χωρίς να αλλάξετε το παραμικρό στο κύκλωμα, κλείστε το διακόπτη και καταγράψτε την ένδειξη του οργάνου. Η φωτοβολία του λαμπτήρα προέρχεται από την ενέργεια των κινούμενων ηλεκτρονίων. Ηλεκτρική Τάση ή Διαφορά Δυναμικού (V) μεταξύ δύο άκρων ενός καταναλωτή (λαμπτήρας) είναι το πηλίκο της ενέργειας που μεταφέρεται από τα ηλεκτρόνια στον καταναλωτή προς το φορτίο q που έχουν αυτά τα φορτισμένα σωματίδια. V=Eηλεκτρική/q Το βολτόμετρο έκανε αυτή τη δουλειά. Μέτρησε την τάση. [3]

4 Μονάδα μέτρησης της τάσης είναι το Volt (V) και δείχνει την ηλεκτρική ενέργεια σε Joule που μεταφέρεται από τα ηλεκτρόνια στον καταναλωτή, ανά Coulomb. Να θυμάστε ότι το αμπερόμετρο πρέπει να συνδέεται πάντα σε σειρά στο κύκλωμα και το βολτόμετρο παράλληλα. Συνοψίζοντας επίσης, έχουμε καταγράψει την ένδειξη του αμπερομέτρου που είναι Ampere και την ένδειξη του βολτομέτρου που είναι Volt. 5. Αντίσταση Για να μπορούμε να εκτιμούμε το μέγεθος της έντασης του ρεύματος (I) που διέρχεται από το λαμπτήρα όταν εφαρμόζουμε στους πόλους του τάση (V), ορίζουμε ένα νέο φυσικό μέγεθος που ονομάζεται Αντίσταση (Resistance, R). R=V/I Από το όνομα καταλαβαίνετε ότι το μέγεθος δείχνει επιπλέον τη δυσκολία διέλευσης των φορτισμένων σωματιδίων από τον καταναλωτή (λαμπτήρα). Μονάδα της αντίστασης είναι το Ohm (Ω) και δείχνει τη δυσκολία διέλευσης των ηλεκτρονίων από το λαμπτήρα όταν στα άκρα του εφαρμόζεται τάση 1 Volt και διέρχεται ρεύμα 1 Ampere. Μετά από τα παραπάνω εισαγωγικά μπορείτε τώρα να υπολογίσετε την αντίσταση του λαμπτήρα με τις ενδείξεις που έχετε καταγράψει για την ένταση και την τάση. R=. Για να σχεδιάζετε στο τετράδιό σας ένα ηλεκτρικό κύκλωμα χρησιμοποιώντας στοιχεία όπως καλώδια, μπαταρία, αμπερόμετρο, βολτόμετρο, διακόπτη, συσκευές (καταναλωτές) κτλ πρέπει να χρησιμοποιείτε διαφορετική εικόνα για το καθένα. Έτσι το καλώδιο το σχεδιάζετε με μια ευθεία γραμμή. Τη μπαταρία (πηγή) Την αντίσταση (καταναλωτή) Το λαμπτήρα (καταναλωτή) Το αμπερόμετρο Το βολτόμετρο Α V Το διακόπτη (ανοιχτό) Τυπικό ηλεκτρικό κύκλωμα [4]

5 Αξιολόγηση Ηλεκτρικό Κύκλωμα, Τάση & Ένταση Ηλεκτρικού Ρεύματος, Αντίσταση Αν σε ένα κύκλωμα όπως αυτό που δουλέψατε στο φύλλο εργασίας συνδέσετε μια καμένη λάμπα τι θα συμβεί; 2. Γιατί τα ηλεκτρικά καλώδια (αγωγοί) έχουν περίβλημα από πλαστικό; 3. Δεξιά έχετε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Η διάταξη αριστερά τι σας θυμίζει και ποια είναι η αναλογία της με το ηλεκτρικό κύκλωμα; 4. Υπάρχει ηλεκτρική συσκευή που να μην έχει αντίσταση; Δώστε μια εξήγηση στην απάντησή σας. [5]