Názov projektu: CIV Centrum Internetového vzdelávania FMFI Číslo projektu: SOP ĽZ 2005/1-046 ITMS: 11230100112 Aktivity využívajúce jednoduché elektrické zapojenia PaedDr. Marianna Cigániková FMFI UK Bratislava V spracovanom článku predkladáme aktivity využívajúce jednoduché elektrické zapojenia a predmety v našom okolí. Ich cieľom je, aby sa študenti hravou či experimentálnou formou naučili narábať s elektronickými súčiastkami a predmetmi okolo seba a pritom skúmali ich vlastnosti. Jednotlivé aktivity sú navrhnuté pre prácu v malých skupinkách (dvaja až traja študenti) a sú zostavené tak, aby na ich vykonanie stačil časový priestor v rozsahu maximálne jednej vyučovacej hodiny. Aktivity sme zaradili do dvoch tematických celkov uvedených v návrhu kurikulárnej reformy vzdelávania prírodovedných predmetov: Energia a jej premeny, energetika a Prírodné vedy okolo nás. Pre tematický celok Energia a jej premeny, energetika sme vypracovali súbor 5 aktivít zameraných na skúmanie vzniku, premeny a prenosu elektrickej energie. Tieto aktivity možno v tematickom celku Energia a jej premeny, energetika zaradiť do oblastí: elektromagnetická indukcia, generátor striedavého prúdu, premeny a prenos elektrickej energie. V rámci platných učebných osnov pre druhý stupeň základnej školy a štvorročné gymnázium je možné tieto aktivity využiť pri vyučovaní tematických celkov: Elektromagnetické javy v 8. ročníku základnej školy, Magnetické pole v 3. ročníku gymnázia a Striedavý prúd v 3. ročníku gymnázia. Pre tematický celok Prírodné vedy okolo nás sme vypracovali súbor 18 aktivít zameraných na skúmanie jednoduchých elektrických obvodov. Tieto aktivity možno v tematickom celku Prírodné vedy okolo nás zaradiť do oblastí: Ohmov zákon, odpor pri paralelnom a sériovom zapojení, jednoduché elektrické obvody, niektoré elektrické spotrebiče v domácnosti. V rámci platných učebných osnov pre druhý stupeň základnej školy a štvorročné gymnázium je možné tieto aktivity využiť pri vyučovaní tematických celkov: Elektrický obvod v 6. ročníku základnej školy, Elektromagnetické javy v 8. ročníku základnej školy a Elektrické pole; Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Ku každej aktivite je pripojený jej didaktický rozbor, ktorý obsahuje cieľ aktivity a jej možné zaradenie do vyučovacieho procesu v rámci tém obsiahnutých v učebných osnovách druhého stupňa základnej školy a štvorročného gymnázia. 1
V prípade potreby je aktivita doplnené aj o metodické poznámky, ktoré obsahujú skúsenosti s použitím aktivity na vyučovaní a ukážky zostavených demonštračných zapojení. 2
1 Rozpracovanie aktivít na skúmanie vzniku, premeny a preno-su elektrickej energie Zaradenie: Energia a jej premeny, energetika (elektromagnetická indukcia, generátor striedavého prúdu, premeny a prenos elektrickej energie) 1.1 Pokusy pána Faradaya Didaktický rozbor aktivity V tejto aktivite sa zaoberáme javom elektromagnetickej indukcie. Možno ju použiť pri vyučovaní témy 2.3 Elektromagnetické javy v 8. ročníku základnej školy a 1.2 Nestacionárne magnetické pole v 3. ročníku gymnázia. Cieľom tejto aktivity je preskúmať jav elektromagnetickej indukcie pomocou LED-ky, ktorá slúži ako citlivý indikátor indukovaného napätia. Úvod Pri zmene magnetického poľa v dutine cievky sa medzi jej koncami indukuje napätie. Tento jav nazývame elektromagnetická indukcia. Na skúmanie tohto javu použijeme svetelné diódy LED-ky, ktoré svietia vždy len vtedy, keď nimi prechádza prúd správnym smerom. Problém Pomocou LED-iek, ktoré slúžia ako indikátor indukovaného napätia, preskúmaj jav elektromagnetickej indukcie. Demonštruj Faradayov pokus. Pomôcky 12 000z cievka, LED-ka, spojovacie vodiče, magnet, jednoduché cievky s jadrom a s dutinou, 4,5V batéria Postup 1. Do dutiny 12 000z cievky, medzi ktorej koncami je zapojená LED-ka, zasúvaj a vysúvaj magnet. Pozoruj jas LED-ky (pri rýchlom pohybe magnetom bude blikať). 2. Predchádzajúci pokus môžeš vylepšiť tak, že k LED-ke pripojíš paralelne druhú LED-ku v opačnej polarite. Pri zasúvaní a vysúvaní magnetu z dutiny cievky budú striedavo svietiť raz jedná a raz druhá LED-ka. Objasni. 3. Demonštrujme si Faradayov pokus: primárny obvod sa skladá z jednoduchej cievky s jadrom a z 4,5V batérie, sekundárny obvod sa skladá z cievky s dutinou a LED-ky. Pri striedavom vypínaní a zapínaní primárneho obvodu sa v sekundárnom obvode indukuje elektromotorické napätie, ktoré stačí na rozsvietenie LED-ky. Vyskúšaj. Zhrnutie 1. Uveď rôzne spôsoby ako rozblikáš LED-ku pripojenú k cievke. 2
2. Čo majú spoločné jednotlivé spôsoby rozblikania LED-ky pripojenej k cievke? 3. Prečo LED-ka len blikala a nesvietila trvalo. Metodické poznámky Pre zvýšenie motivácie môžeme použiť pri demonštrácii Faradayovho pokusu jednoduché cievky, ktoré si vyrobia samotní študenti. Jednoduchú cievku s jadrom môžu zostrojiť napríklad z lakovaného medeného drôtu navinutého na skrutku z magneticky mäkkej ocele. A na výrobu jednoduchej cievky z dutinou môžu použiť lakovaný medený drôt navinutý na tubu z vitamínov. Obr. 1.1: Demonštrovanie Faradayovho pokusu pri objave elektromagnetickej indukcie 1.2 Skúmame svietidlá Didaktický rozbor aktivity Aktivita nadväzuje na aktivitu 1.1 Pokusy pána Faradaya a zaoberá sa praktickou aplikáciou elektromagnetickej indukcie ako súčasti zdroja tzv. večného svietidla. Súčasne sa študenti oboznámia s činnosťou dvojcestného usmerňovača a kondenzátora. Okrem tém uvedených pri aktivite 1.1 Pokusy pána Faradaya sa táto aktivita dá použiť pri vyučovaní témy 2. Striedavý prúd v 3. ročníku gymnázia. Pri tejto aktivite vedieme študentov k diskusii o výhodách jednotlivých zdrojov použitých svietidiel z hľadiska ekonomického, praktického a hlavne ekologického. 3
Úvod Na rozsvietenie svietidiel sa nepoužívajú len batérie. Jeden z možných zdrojov vyžíva elektromagnetickú indukciu a kondenzátor. Tento zdroj slúži na rozsvietenie tzv. večného svietidla. Obr. 1.2: Večné svietidlo Problém Preskúmaj jednoduché svietidlo Preskúmaj tzv. večné svietidlo a objasni princíp jeho fungovania Pomôcky jednoduché svietidlo, dve 1,5 V batérie (resp. iné vhodné batérie do jednoduchého svietidla), večné svietidlo Postup 1. Pozorne si prezri jednoduché svietidlo a vlož do neho vhodné batérie v správnej polarite tak, aby svietidlo po zapnutí svietilo. Aké sú základné časti jednoduchého svietidla? Nakresli schému elektrického obvodu, ktorý je súčasťou svietidla. Čo je najčastejšou príčinou toho, že nám podobné svietidlo nefunguje? 2. Preskúmaj tzv. večné svietidlo (obrázok 1.2). Pokús sa objasniť princíp jeho fungovania. Pri objasnení si môžeš pomôcť náčrtkami schém obvodu (obrázok 1.3), ktorý je jeho súčasťou. Aké sú základné časti večného svietidla? 4
proces nabíjania pri pohybe magnetu vybíjania vypnuté svietidlo zapnuté svietidlo proces Obr. 1.3: svietidla Schémy opisujúce jednotlivé fázy fungovania tzv. večného Zhrnutie 1. Porovnaj výhody a nevýhody jednoduchého a večného svietidla. 2. Môžeme považovať zdroj vo večnom svietidle za perpetuum mobile? 3. K akým zmenám energie dochádza pri používaní obidvoch typov svietidiel? Metodické poznámky Študenti základnej školy budú pri objasňovaní princípu fungovania večného svietidla potrebovať pomoc vyučujúceho. 1.3 Jednoduché chemické zdroje Didaktický rozbor aktivity Predmetom tejto aktivity bude oboznámenie študentov s chemickou podstatou funkcie batérií. Aktivitu je vhodné zaradiť pri vyučovaní témy 2.2 Zákony elektrického prúdu v obvodoch v 8. ročníku základnej školy a témy 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Cieľom aktivity je praktické zostrojenie jednoduchých chemických zdrojov napätia z dostupných materiálov a overenie ich funkčnosti. Úvod 5
Batérie sú zdroje elektrickej energie, ktoré využívajú chemické reakcie. Jednoduché chemické zdroje vyrobil už A. Volta. V tejto aktivite vytvoríme a odskúšame niektoré jednoduché chemické zdroje. Problém Zhotov jednoduché chemické zdroje. Odmeraj ich napätie. Skús ich využiť na napájanie zariadení s malou spotrebou. Pomôcky Voltov stĺp medené a hliníkové pliešky (staré mince), papier, slaná voda, injekčná striekačka; citrónový zdroj citrón, uhlíková tuha z ceruzy, pozinkovaný pliešok; miska, spojovacie vodiče, LED dióda, kalkulačka, budík, multimeter Postup 1. Zhotov Voltov stĺp zložený zo šiestich až ôsmich článkov. Jeden článok Voltového stĺpu sa skladá z medeného pliešku, papierika namočeného v slanej vode a hliníkového pliešku. Jednotlivé články vlož do injekčnej striekačky. Obr. 1.4: Článok Voltovho stĺpa a ukážka zostrojenia Voltovho stĺpa 2. Urob citrónový zdroj: do citróna zapichni tuhu z ceruzy a pozinkovaný pliešok. Navrhni spôsob, ako zistíš póly tebou vyrobeného citrónového zdroja. Obr. 1.5: Citrónový zdroj 3. Odmeraj multimetrom napätie vyrobených zdrojov a zapíš ich hodnoty. 6
4. Skús pomocou týchto zdrojov rozsvietiť LED diódu alebo pokús sa nimi napájať kalkulačku, či budík. Odporúčanie: Môžeš použiť viacej zdrojov, no spomeň si ako ich správne zapájame. Zhrnutie 1. Aké sú základné časti chemického zdroja napätia? 2. Menia sa jednotlivé časti takto vyrobených zdrojov napätia? Metodické poznámky Samotné nameranie napätia na vlastnoručne vyrobených zdrojov pôsobí na študentov dostatočne motivačne. Tento efekt sa znásobí napájaním energeticky nenáročných spotrebičov ako je napr. LED-ka alebo kalkulačka (obrázok 1.6). Môžete sa stretnúť s mylným predpokladom študentov, že pri kombinácii dostatočného počtu takýchto zdrojov je možné napájať aj energeticky náročnejšie spotrebiče ako je napr. počítač. Nakoľko sa však jedná o veľmi mäkké zdroje napätia ich použitie je veľmi obmedzené. Obr. 1.6: Dva sériovo spojené citrónové zdroje napájajú kalkulačku 1.4 Jednoduchý elektromotor Didaktický rozbor aktivity Aktivita smeruje študentov k pochopeniu princípu fungovania jednosmerného elektromotora. Aktivitu možno použiť pri vyučovaní témy 2.3 Elektromagnetické javy v 8. ročníku základnej školy a témy 1.1 Stacionárne magnetické pole v 3. ročníku gymnázia. Úvod Množstvo domácich elektrospotrebičov používa premenu elektrickej energie na mechanickú (napr. vysávač, práčka). Tieto spotrebiče obsahujú elektromotor. V tejto aktivite si zhotovíme jednoduchý elektromotor. Problém Zostroj jednoduchý elektromotor. Objasni princíp jeho fungovania. Uveď príklady praktického využitia elektromotorov. 7
Pomôcky 4,5 V batéria, magnet, jednoduchá cievka (izolovaný drôt), stojančeky, spojovacie vodiče Postup 1. Zostroj si jednoduchý elektromotor zo 4,5 V batérie, magnetu, cievky a spojovacích vodičov. Cievku si vyrobíš z izolovaného drôtu, no nezabudni na správnu úpravu jej vývodov. Jeden koniec je odizolovaný po celom povrchu a druhý koniec je odizolovaný pozdĺž do polovice, ako je znázornené na obrázku 1.7. Obr. 1.7: Úprava koncov cievky 2. Objasni princíp fungovania jednoduchého elektromotora: Fungoval by tvoj elektromotor bez magnetu? Fungoval by tvoj elektromotor, keby cievkou neprechádzal elektrický prúd? Čo je príčinou toho, že sa cievka otáča? 3. Uveď niekoľko príkladov z praxe, kde sa prakticky využívajú elektromotory. Zhrnutie 1. Vysvetli prečo je pri činnosti tohto jednoduchého elektromotora potrebný magnet. 2. Vysvetli prečo musia byť konce cievky, ktorá tvorí motor jednoduchého elektromotora, upravené podľa obrázka 1.7. 3. Myslíš si, že mohli byť konce cievky upravené iným spôsobom, ako je na obrázku 1.7? Svoju odpoveď zdôvodni. Metodické poznámky Pre zvýšenie motivácie si elektromotor vyrobia samotní študenti. Na zostrojenie cievky tvoriacej rotor môžu použiť napríklad lakovaný medený drôt, pričom konce cievky upravia podľa obrázku 1.7. Zostrojenú cievku potom vložia do vodivých stojančekov (ukážka zostaveného pokusu je na obrázku 1.8). V prípade, že študentom pokus nefunguje, môže byť chyba v úprave koncov cievky alebo je potrebné trocha pootočiť navinutú časť cievky. 8
vypnutý jednoduchý elektromotor jednoduchý elektromotor zapnutý Obr. 1.8: Ukážka jednoduchého elektromotora 1.5 Modelujeme prenos elektrickej energie Didaktický rozbor aktivity Cieľom aktivity je oboznámiť študentov s významom transformácie na vyššie napätie pri prenose elektrickej energie na väčšiu vzdialenosť. Aktivitu možno začleniť do vyučovania témy 2.4 Striedavý prúd v 8. ročníku základnej školy a témy 2. Striedavý prúd v 3. ročníku gymnázia. Úvod Elektrická energia sa prenáša z elektrární k spotrebiteľom z veľkej vzdialenosti. Pri dlhom vedení dochádza k veľkým stratám. Aby sa tieto straty zmenšili prenášame elektrickú energiu pri vysokých napätiach. Problém Demonštruj straty pri prenose nízkym napätím na dlhom vedení. Opíš straty na tomto vedení. Demonštruj straty pri prenose vysokým napätím na dlhom vedení. Pomôcky drôt z drôtenky, žiarovka, zdroj striedavého napätia, spojovacie vodiče, štyri cievky vhodných parametrov, dva U a I jadra Postup 9
1. Ako to vyzerá s prenosom elektrickej energie? Nasledujúcim pokusom demonštrujme straty vo vedení. Dlhé vedenie modeluje odporový drôt z drôtenky, na ktorý budeme pripájať náš spotrebič žiarovku. Toto vedenie pripojíme k zdroju striedavého napätia. Pri narastajúcej dĺžke vedenia sa zmenšuje jas žiarovky a to by znamenalo, že k domácnostiam viac vzdialeným od zdroja, by sa dostávalo menej a menej elektrickej energie. 2. Kde sa stráca elektrická energia pri dlhom vedení? Navrhni ako môžeme zmenšiť straty vo vedení. 3. Riešením je prenos energie pri vysokom napätí, čo dosiahneme dvomi trafostanicami. Jedna trafostanica transformuje napätie nahor a tak straty vo vedení znižuje na minimum. Druhá trafostanica transformuje napätie nadol, na potrebnú hodnotu napätia. Navrhni prevedenie pokusu a potom ho uskutočni. Aké cievky si použil(a)? Vypočítaj transformačný pomer k. Zhrnutie 1. Bude prenos pri vysokom napätí bez strát? 2. Prečo nestačí na zníženie strát pri prenose použiť len jeden transformátor? Metodické poznámky Nakoľko sa pri uvedenom pokuse používajú odizolované vodiče, je potrebné dať pozor aby žiaci vďaka nevhodnej kombinácii cievok nepracovali s vysokým napätím. Postup tohto pokusu je znázornený v obrázku 1.9. k zdroju pripojené dlhé vedenie elektrospotrebič ďalej od zdroja elektrospotrebič blízko zdroja 10
elektrospotrebič umiestnený ešte ďalej... a nakoniec už energia nestačí na rozsvietenie žiarovky energia prenesená vďaka transformácii cez dlhé vedenie až k spotrebiču bez väčších strát Obr. 1.9: Ukážka demonštrácie strát pri prenose elektriny dlhým vedením 11
12
2 Rozpracovanie aktivít na skúmanie jednoduchých elektrických obvodov Zaradenie: Prírodné vedy okolo nás (Ohmov zákon, odpor pri paralelnom a sériovom zapojení, jednoduché elektrické obvody, niektoré elektrické spotrebiče v domácnosti) 2.1 Originálny jednoduchý obvod Didaktický rozbor aktivity Cieľom aktivity je, aby sa študenti naučili zostavovať jednoduché uzavreté elektrické obvody. Súčasťou aktivity je aj hra, pri ktorej žiaci súťažia medzi sebou v počte a rozdielnosti typov vodivých predmetov, pomocou ktorých zostavia originálny funkčný obvod. Možnosť využiť aktivitu na vyučovaní je pri téme 2.1 Elektrický prúd v kovoch v 6. ročníku základnej školy a pri téme 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Úvod Najjednoduchší elektrický obvod pozostáva zo zdroja a spotrebiča. V našom prípade bude zdrojom plochá batéria a spotrebičom žiarovka. Pomocou nich si odskúšame aj naše predpoklady, ktoré predmety okolo nás sú dobre vodivé. Problém Rozsvieť žiarovku pomocou plochej batérie. Zostav jednoduchý obvod z batérie, žiarovky a vhodných predmetov, aby žiarovka svietila. Pomôcky 4,5 V batéria, žiarovka (bez objímky) a vhodné predmety, čo máš po ruke Postup 1. Rozsvieť žiarovku pomocou plochej batérie a nakresli obrázok svojho zapojenia tak, aby bolo každému jasné, ako je to potrebné urobiť. Bude svietiť žiarovka, ak ju pripojíš na vymenené póly batérie? Najskôr odhadni a potom over. 2. Zostav jednoduchý obvod z batérie, žiarovky a vhodných predmetov, ktoré máš po ruke tak, aby neprestal byť funkčný, t.j., aby svietila žiarovka. Vyhráva obvod, ktorý má najviac rozličných predmetov. Nakresli tvoj originálny obvod. Na čo by si upozornil iných, keď si budú takýto obvod zostavovať? Zhrnutie 1. Uveď kde sú na žiarovke umiestnené kontakty. 2. Aké podmienky musia byť splnené aby obvodom prechádzal elektrický prúd? 10
Metodické poznámky Napriek zdanlivej jednoduchosti zadania je pre študentov rozsvietenie žiarovky značne náročné, keďže mnohí z nich ešte len musia zistiť, kde má žiarovka kontakty. Po prekonaní týchto úvodných problémov si žiaci hravou formou pri zostavovaní originálneho obvodu (ukážka je na obrázku 2.1) precvičujú nielen svoje znalosti o vodivosti konkrétnych predmetov, ale aj svoju zručnosť a trpezlivosť, nakoľko predmety tvoriace obvod k sebe len prikladajú. Obr. 2.1: Jeden z originálnych obvodov 2.2 Elektrická vodivosť predmetov Didaktický rozbor aktivity Táto aktivita úzko naväzuje na predchádzajúcu aktivitu 2.1 Originálny jednoduchý obvod a možnosť jej použitia je tiež pri vyučovaní témy 2.1 Elektrický prúd v kovoch v 6. ročníku základnej školy a téme 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Cieľom aktivity je, aby si študenti stanovili a overili hypotézy o vodivosti predmetov vo svojom okolí. Pri tejto aktivite študenti používajú skúšačku elektrickej vodivosti, ktorá zvukom a svitom LED-diódy signalizuje vodivosť skúmaného predmetu. Návod na jej zostavenie je napríklad na stránke www.ddp.fmph.uniba.sk/~ciganik/elektronika/skusacka.htm. Úvod Predmety okolo nás vedú alebo nevedú elektrický prúd. Predmety, ktoré vedú elektrický prúd, nazývame vodiče. Nie všetky vodiče vedú prúd rovnako dobre. Teraz si skúsime overiť, ktoré predmety okolo nás sú vodiče a ktoré sú nevodiče. Problém Preskúmaj elektrickú vodivosť predmetov okolo seba. Pomôcky 4,5 V batéria, skúšačka vodivosti a predmety, čo máš po ruke 11
Postup 1. Preskúmaj elektrickú vodivosť predmetov, čo máš po ruke (prípadne nachádzajúcich sa v triede). Svoje pozorovania zapisuj do tabuľky (uveď aspoň päť elektricky vodivých a päť elektricky nevodivých predmetov). elektricky vodivé elektricky nevodivé 2. Napíš predmety, u ktorých ťa elektrická vodivosť, resp. nevodivosť prekvapila Zhrnutie 1. Kedy predmet nazývame vodičom a kedy izolantom? 2. Aké je praktické využitie izolantov a vodičov? Metodické poznámky Študentov prekvapila vodivosť a nevodivosť mnohých predmetov v triede. Príkladom je nevodivosť nalakovaných, či nafarbených kovových nôh stola alebo vodivosť vlhkej kriedy a mokrej pôdy v kvetináči. Napriek tomu, že vedeli alebo aspoň tušili, že ľudské telo je vodivé, prekvapila ich citlivosť skúšačky vodivosti, ktorá signalizovala vodivosť ich jednotlivých častí tela. Obr. 2.2: Ukážka zostavenej skúšačky vodivosti a niektorých zo skúmaných predmetov 2.3 Sériové a paralelné zapojenie 12
Didaktický rozbor aktivity V tejto aktivite si študenti overia svoje zručnosti sériového a paralelného zapájania žiaroviek do obvodu. Cieľom aktivity je zoznámiť študentov so základnými vlastnosťami paralelných a sériových obvodov. Použitie tejto aktivity je v téme 2.1 Elektrický prúd v kovoch v 6. ročníku základnej školy a v téme 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Úvod Existujú dva základné spôsoby zapájania elektrických súčiastok v obvode: paralelne a sériovo. V skutočnosti je aj najzložitejší elektrický obvod kombináciou týchto dvoch zapojení. V tejto aktivite sa naučíme zapájať žiarovky pomocou týchto dvoch základných typov zapojení. Problém Zostav jednoduchý obvod z batérie a žiarovky. Postupne k žiarovke pripoj sériovo najskôr jednu, potom druhú žiarovku a pozoruj zmenu jasu žiaroviek. Postupne k žiarovke pripoj paralelne najskôr jednu, potom druhú žiarovku a pozoruj zmenu jasu žiaroviek. Zostav sériovo paralelný obvod podľa schémy a preskúmaj ho. Pomôcky 4,5 V batéria, tri žiarovky (4,5V; 0,3A) s objímkou, spojovacie vodiče, špendlíky, kancelárske sponky, doštička polystyrénu Postup 1. Zostav jednoduchý obvod z batérie a žiarovky. Použi pri tom doštičku z polystyrénu, špendlíky, kancelárske sponky a spojovacie vodiče s krokosvorkami. 2. Postupne do obvodu sériovo pripájaj ďalšie dve žiarovky, ako je znázornené v schéme elektrického obvodu. K žiarovke zapoj za sebou ďalšie dve žiarovky a pomocou krokosvorky (v polohe 1, potom 2 a nakoniec 3) postupne zapájaj najskôr jednu, potom dve a nakoniec tri žiarovky za sebou. Obr. 2.3 Schéma sériového zapojenia žiaroviek Mení sa jas žiaroviek? áno nie Ak áno popíš ako. Ak jednu zo žiaroviek vykrútiš z objímky, budú zvyšné dve žiarovky svietiť? 13
3. Postupne k žiarovke z bodu 1 paralelne pripájaj ďalšie dve žiarovky (podľa schémy najskôr pripojíš vodič 1 a potom vodič 2). Obr. 2.4 Schéma paralelného zapojenia žiaroviek Mení sa jas žiaroviek? áno nie Ak áno popíš ako. Ak jednu zo žiaroviek vykrútiš z objímky, budú zvyšné dve žiarovky svietiť? 4. Zostav obvod podľa schémy a urči, ktorá žiarovka svieti najviac, resp. najmenej a objasni prečo. Obr. 2.5 Schéma sériovo paralelného zapojenia žiaroviek Zhrnutie 1. Aké sú výhody, resp. nevýhody sériového a paralelného zapojenia spotrebičov? 2. Uveď aspoň jeden praktický príklad použitia sériového zapojenia spotrebičov. 3. Uveď aspoň jeden praktický príklad použitia paralelného zapojenia spotrebičov. Metodické poznámky Pri postupnom zapájaní jednotlivých žiaroviek do série (obrázok 2.6) je úlohou pokusu, aby si študenti všimli, že jas žiaroviek sa s narastajúcim počtom zapojených žiaroviek znižuje. Tento efekt však (síce menej výrazne, ale predsa) nastáva aj u paralelného zapojenia žiaroviek (obrázok 2.7) a bude potrebné študentov upozorniť, že síce k menšej zmene jasu došlo, ale je to spôsobené len príliš vysokým zaťažením batérie (na gymnáziu tento pokus možno použiť v úvode vyučovania Ohmovho zákona v uzavretom 14
obvode). Pre zvedavejších a teda aj nedôverčivejších študentov možno pokusy zopakovať použitím výkonnejšieho zdroja. Trojicu pokusov uzatvára sériovo paralelné zapojenie žiaroviek (obrázok 2.8), ktoré presnejšie ukazuje delenie prúdu v rozvetvenom obvode. Obr. 2.6: Pri postupnom zapájaní jednotlivých žiaroviek do série na 4,5 V batériu sa znižuje jas zapojených žiaroviek Obr. 2.7: Pri postupnom zapájaní jednotlivých žiaroviek paralelne na 4,5 V batériu sa znižuje jas zapojených žiaroviek len mierne 15
Obr. 2.8: Delenie el. prúdu do vetiev spôsobuje zníženie jasu žiaroviek vo vetvách Namiesto žiaroviek môžete použiť aj LED-ky s primeranou ochranou pomocou rezistora. Tento spôsob eliminuje problém so zaťažením zdroja pri paralelnej kombinácii žiaroviek, naproti tomu je však zostavenie obvodov pomocou žiaroviek pre študentov predsa len jednoduchšie. 2.4 Použitie LED diódy a žiarovky v jednoduchom obvode Didaktický rozbor aktivity Cieľom aktivity je oboznámiť študentov s rozdielnymi vlastnosťami LED-diódy a žiarovky. Jej použitie je pri vyučovaní témy 2.1 Elektrický prúd v kovoch v 6. ročníku základnej školy a témy 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Pre zvýšenie motivácie študentov je do aktivity zaradená aj hra, ktorú si sami zostavia. Úvod Žiarovka aj LED dióda sa v obvode používajú z rovnakého dôvodu aby svietili. Napriek tomu majú tieto dve súčiastky aj rozdielne vlastnosti, ktoré teraz preskúmame. Pri ich skúmaní použijeme rezistor. Keď je rezistor pripojený do obvodu so žiarovkou alebo LED-diódou, spotrebuje časť energie, ktorú do obvodu dodá batéria. Problém Zostav jednoduchý obvod so sériovým spojením žiarovky a rezistora. Zostav jednoduchý obvod so sériovým spojením LED diódy a rezistora. Preskúmaj LED diódu a jej správne zapojenie do obvodu. Zostav hru podľa návodu a objasni jej princíp fungovania. 16
Pomôcky 4,5 V batéria, 200 Ω rezistor, LED dióda, špendlíky, polystyrén, spojovacie vodiče, ohnutý nahý drôt, kľúč, doštička polystyrénu, žiarovka s objímkou, skúšačka vodivosti Postup 1. Zostav jednoduchý obvod, v ktorom je sériovo (za sebou) spojená žiarovka s rezistorom. Nakresli obrázok, z ktorého bude jasné, ako si zapojenie urobil. Čo pozoruješ? žiarovka svieti nesvieti 2. Zostav jednoduchý obvod, v ktorom je sériovo (za sebou) spojená LED dióda s rezistorom. Nakresli obrázok. Čo pozoruješ? LED dióda svieti nesvieti Bude svietiť, ak ju pripojíš cez rezistor na vymenené póly batérie? áno nie Dôležité upozornenie! Nezabudni, že rezistor je osobný strážca LED diódy, bez neho sa LED dióda do obvodu nikdy nezapája, ak tam nieje nejaký jeho zástupca. 3. Prezri si LED diódu zblízka. Jej farebný klobúčik je pri jednom kontakte zrezaný. Doplň do obrázka 2.9 znamienka + a, aby bolo každému jasné, ako sa správne LED dióda zapája na jednotlivé póly batérie: Obr. 2.9: Zapájanie LED-diódy 4. Zostav hru (funkčný obvod) podľa schémy (obrázok 2.10). Si úspešný, ak sa ti podarí vyvliecť kľúč bez dotyku cez ohnutý nahý drôt, t. j. ak neuzavrieš obvod LED dióda sa nerozsvieti. Obr. 2.10: Schéma zapojenia hry 17
Objasni princíp tejto hry. Uzavretie obvodu môžeš signalizovať nielen jasom LED-ky, ale aj jasom žiarovky alebo pomocou skúšačky, teda aj zvukom. Vyskúšaj. Zhrnutie 1. Ako sa líši žiarovka a LED-dióda? 2. Prečo musíme pri hre použiť nahý drôt? Metodické poznámky Študenti základnej školy sa pri tejto aktivite prvý krát stretávajú s rezistorom. Nakoľko ešte nepoznajú pojem odpor, postačí vysvetlenie, že ide o súčiastku, ktorá spotrebúva časť energie dodanej do obvodu z batérie. Zvyšná časť energie nestačí na rozsvietenie žiarovky, ale postačí na rozsvietenie LED-diódy (obrázok 2.11), ak je zapojená v správnom smere. Obr. 2.11: s rezistorom Sériové zapojenie žiarovky s rezistorom a LED-ky Pri tejto aktivite študenti môžu použiť skúšačku elektrickej vodivosti, ktorá zvukom a svitom LED-diódy signalizuje vodivosť skúmaného predmetu. Návod na zostavenie tejto pomôcky nájdete napríklad na stránke www.ddp.fmph.uniba.sk/~ciganik/elektronika/skusacka.htm. 2.5 Zapojenie jednoduchých elektrických obvodov Didaktický rozbor aktivity Cieľom aktivity je naučiť žiakov, aby chápali jednoduchým schémam zapojenia. Aby vedeli schematicky zakresliť zostrojený obvod, resp. rozumeli schematickému znázorneniu elektrického obvodu Táto aktivita môže byť použitá pri téme 2.1 Elektrický prúd v kovoch v 6. ročníku základnej školy a téme 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Úvod 18
Zatiaľ sme v jednoduchom obvode zapájali len LED diódu, žiarovku a rezistor. Teraz si preskúmame aj zapojenia s inými súčiastkami (motorček a spínač) a naučíme sa zakresľovať zapojený elektrický obvod technickým spôsobom, ktorý sa nazýva schéma zapojenia. Problém Navrhni schému funkčného elektrického obvodu a over jeho jej funkčnosť. Podľa schémy zapojenia vyslov hypotézu o funkčnosti daného obvodu a jej správnosť over pokusom. Pomôcky žiarovky, LED diódy, motorček, rezistory, 1,5 V a 4,5 V batérie, spínače, spojovacie vodiče, doštička polystyrénu Postup 1. Nakresli schému funkčného elektrického obvodu, ktorý si sám navrhneš. Použi pritom niektoré zo súčiastok (obrázok 2.12). Obr. 2.12: Schematické značky 2. Over pokusom funkčnosť Tebou navrhnutého elektrického obvodu. Ak náhodou nefunguje, tak ho oprav. 3. Ktorým z nasledujúcich obvodov (obrázok 2.13) prechádza el. prúd? Ako sa to prejavuje? Svoje odpovede over pokusom. Obr. 2.13: Schémy zapojenia Zhrnutie 1. Pri ktorých súčiastkach je potrebné ich zapojenie v správnom smere? 19
2. Akú úlohu plní v obvode spínač a akú motorček? 3. Aké sú účinky elektrického prúdu v obvode so žiarovkou, rezistorom, resp. motorčekom? Metodické poznámky Pre lepšiu demonštráciu otáčania rotora možno motorček upraviť pomocou nalepením lepiacej pásky (obrázok 2.14). Obr. 2.14: Úprava motorčeka pre lepšiu demonštráciu 2.6 Meranie ampérmetrom a voltmetrom Didaktický rozbor aktivity Táto aktivita je úvodnou k aktivitám zameraným na meranie elektrického napätia a prúdu. Jej cieľom je naučiť študentov merať elektrický prúd a napätie pomocou multimetra. Použitie aktivity je pri vyučovaní témy 2.2 Zákony elektrického prúdu v obvodoch v 8. ročníku základnej školy a témy 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Úvod Základnými veličinami, ktoré meriame v elektrickom obvode, sú napätie a prúd. Napätie meriame voltmetrom a prúd ampérmetrom. Na ich meranie však môžeme použiť aj multimeter, ktorý sa môže prepínať na meranie rôznych veličín (napätie, prúd, odpor). Problém "Zoznám sa"(nauč sa pracovať) s multimetrom. Odmeraj pomocou multimetra prúd prechádzajúci žiarovkou a napätie na žiarovke. Pomôcky digitálny multimeter, 4,5 V batéria, žiarovka, spojovacie vodiče, doštička polystyrénu Postup 1. Prezri si multimeter. Je to prístroj, ktorým môžeme merať prúd, napätie a odpor, len je potrebné ho vhodne nastaviť a zapojiť. Obr. 2.15: Schematické značky meracích prístrojov 20
Ak chceme zmerať, aký veľký el. prúd prechádza spotrebičom, tak ampérmeter zapájame s ním do obvodu sériovo. Ak chceme zmerať, aké veľké je el. napätie na spotrebiči, tak voltmeter zapájame k nemu paralelne. 2. Zostav obvod podľa schémy a urči hodnotu prúdu, ktorý prechádza žiarovkou: I =... A =... ma Obr. 2.16: žiarovkou Schéma zapojenia pri meraní elektrického prúdu, ktorý prechádza 3. Zostav obvod podľa schémy a urči hodnotu napätia na žiarovke: U =... V Obr. 2.17: Schéma zapojenia pri meraní elektrického napätia na žiarovke Zhrnutie 1. Možno pomocou jedného multimetra merať elektrické napätie na žiarovke a aj prúd, ktorý žiarovkou prechádza? Ak áno, ako by bol zapojený do obvodu? 2. Dalo by sa merať súčasne elektrické napätie na žiarovke a aj prúd, ktorý žiarovkou prechádza, pomocou dvoch multimetrov? Ak áno, ako by boli zapojené do obvodu? Metodické poznámky S mutlimetrom sa študenti základných škôl stretnú prvý raz a preto ich je potrebné poučiť o spôsobe merania (napr. o správnom spôsobe merania prechádzaním od najvyššieho rozsahu k nižším). Pri tomto meraní je použitý multimeter, pretože je ľahšie dostupný v obchodoch ako ampérmeter a voltmeter. 21
2.7 Skúmame zapojenie viacerých el. zdrojov a meriame na nich napätie Didaktický rozbor aktivity Táto aktivita nadväzuje na predchádzajúcu aktivitu 2.6 Meranie ampérmetrom a voltmetrom a jej cieľom je oboznámiť študentov so spôsobom overenia použiteľnosti batérie pomocou merania napätia a možnosťou kombinovania napäťových monočlánkov v batériách. Jej využitie je pri téme 2.2 Zákony elektrického prúdu v obvodoch v 8. ročníku základnej školy a téme 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Úvod Jednotlivé elektrické zdroje sa tiež zapájajú paralelne a sériovo. Napríklad 4,5 V batéria sa v skutočnosti skladá z troch 1,5 V monočlánkov. V tejto aktivite preskúmame zapojenia 1,5 V monočlánkov. Problém Preskúmaj zapojenie monočlánkov v 4,5 V batérii. Pomocou multimetra over použiteľnosť batérie. Urči výsledné napätie zadaných kombinácií monočlánkov. Pomôcky 4,5 V; 1,5 V a 9 V batérie, vybitá 4,5 V batéria, multimeter, spojovacie vodiče Postup 1. Rozober vybitú 4,5 V batériu, prezri si ju a vyslov jednoduché pravidlo zapájania monočlánkov v nej. Navrhni pokus, ktorým overíš svoje tvrdenie. 2. Premeraj napätie na jednotlivých batériách a urči, ktorá z batérií je už nepoužiteľná. 3. Urči výsledné napätie nasledujúcich kombinácií monočlánkov, ak vieš, že napätie jedného monočlánku je 1,5 V. Obr. 2.18: Kombinácie monočlánkov s napätím 1,5 V Zhrnutie 1. Ako si pomocou merania napätia určil, ktorá batéria je nepoužiteľná? 2. Ktoré zapojenia monočlánkov na obrázku 2.18 sú nepraktické a prečo? 22
5.8 Zisťujeme napätie v jednoduchom el. obvode. Zisťujeme veľkosť prúdu v rozvetvenej a nerozvetvenej časti obvodu. Didaktický rozbor aktivity Aktivita je poslednou z trojice po sebe nasledujúcich aktivít zameraných na meranie elektrického napätia a prúdu v obvode pomocou multimetra. Cieľom aktivity je, aby sa študenti naučili základné pravidlá týkajúce sa elektrického prúdu a napätia v elektrickom obvode. Túto aktivitu možno použiť pri vyučovaní témy 2.2 Zákony elektrického prúdu v obvodoch v 8. ročníku základnej školy a témy 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Úvod V elektrických obvodoch nemusí všetkými súčiastkami prechádzať rovnako veľký prúd a na všetkých súčiastkach nemusí byť rovnaké napätie. Teraz sa naučíme jednoduché pravidlá, ktoré platia pre prúdy a napätia v elektrických obvodoch. Problém Zisti prúd v jednoduchom elektrickom obvode. Zisti napätie na jednotlivých častiach jednoduchého elektrického obvodu. Zisti veľkosť prúdu v rozvetvenej a nerozvetvenej časti obvodu. Pomôcky digitálny multimeter, 4,5 V batéria, 180-200 Ω rezistor, tri LED diódy, spojovacie vodiče, doštička polystyrénu Postup 1. Zostav obvod podľa znázornenej schémy (obrázok 2.19). Obr. 2.19: Schéma zapojenia obvodu 2. Zisti, či elektrický prúd prechádzajúci obvodom je vo všetkých častiach obvodu rovnaký. Odporúčanie: Postupne v miestach 1, 2, 3 zapoj ampérmeter a odmeraj elektrický prúd. Potom porovnaj namerané hodnoty prúdu (obrázok 2.20). I 1 =..., I 2 =..., I 3 =... Obr. 2.20: Meranie prúdu v rôznych častiach obvodu 23
3. Zisti elektrické napätie na LED - dióde, rezistore a batérií v jednoduchom elektrickom obvode, ktorý si už zostavil(a). Pozorne si prezri namerané hodnoty. Je medzi nimi nejaký vzťah? Odporúčanie: Postupne v miestach 1, 2, 3 zapoj voltmeter a odmeraj elektrické napätie (obrázok 2.21). U 1 =..., U 2 =..., U 3 =... Obr. 2.21: Meranie napätia na rôznych častiach obvodu 4. Zapoj obvod podľa schémy (obrázok 2.22). Over pokusom, že prúd sa delí do vetiev. Odporúčanie: Postupne v miestach 1, 2, 3 zapoj ampérmeter a odmeraj elektrický prúd. Z nameraných hodnôt preukáž, že platí tvrdenie o delení prúdu. I 1 =..., I 2 =..., I 3 =... Obr. 2.22: Meranie prúdu v rozvetvenom obvode Zhrnutie 1. Čo platí pre veľkosť elektrického prúdu vo vetve obvodu? 2. Aký je vzťah medzi napätím zdroja a napätiami na ostatných súčiastkach (spotrebičoch)? 3. Ako sa delí prúd v rozvetvenom obvode? 24
25
2.9 Elektrické vodiče, nevodiče a ich odpor. Meranie ohmmetrom Didaktický rozbor aktivity Cieľom aktivity je, aby študenti porovnali elektrickú vodivosť a elektrický odpor predmetov okolo seba. Možnosť využiť aktivitu na vyučovaní je pri témach 2.2 Zákony elektrického prúdu v obvodoch v 8. ročníku základnej školy a pri téme 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Úvod Nie všetky vodiče vedú prúd rovnako dobre. Fyzikálna veličina, ktorá definuje túto vlastnosť sa nazýva elektrická vodivosť, ale častejšie sa používa jej protiklad elektrický odpor. Teraz si skúsime overiť, aký odpor majú predmety okolo nás. Problém Roztrieď predmety na elektricky vodivé a nevodivé. Vodivé predmety zoraď podľa ich vodivosti. Odmeraj odpor vodivých predmetov multimetrom a zoraď ich podľa vodivosti. Preskúmaj elektrickú vodivosť rôznych typov vody. Pomôcky digitálny multimeter, skúšačka vodivosti, 100 Ω, 1 kω a 10 kω rezistor, tuha z ceruzy, pôda v kvetináči, rôzne premety "po ruke", 4,5 V batéria, žiarovka, LED - dióda, spojovacie vodiče s krokosvorkou, špendlíky, miska, destilovaná voda, voda z vodovodu, soľ Postup 1. Roztrieď niekoľko predmetov v triede na el. vodivé a el. nevodivé. Môžeš si pomôcť skúšačkou vodivosti. Ako môžeš určiť pomocou skúšačky, či je predmet el. vodivý viac alebo menej? Zoraď el. vodivé predmety od najmenej vodivého po najviac vodivý. 2. Zmeraj multimetrom el. odpor zvolených predmetov. Zoraď ich od najmenšieho po najväčší z hľadiska ich odporu a svoj výsledok porovnaj s výsledkom získaným pomocou skúšačky. 3. Zapoj obvod podľa schémy na obrázku 2.23. Do obvodu zapoj najskôr žiarovku a neskôr pokus zopakuj s LED - diódou. Postupne preskúmaj el. vodivosť destilovanej vody, vody z vodovodu a slanej vody. Do tabuľky zapisuj svoje pozorovania o jase žiarovky a LED - diódy: voda destilovaná z vodovodu slaná žiarovka LED - dióda 24
Obr. 2.23: Skúmanie vodivosti kvapalín Usporiadaj jednotlivé druhy vody podľa elektrickej vodivosti. Svoje zistenia over meraním odporu multimetrom a skúšačkou vodivosti. Potvrdil si svoje merania pomocou jasu žiarovky a LED diódy? áno - nie 4. To, že naše telo je el. vodivé už vieme. Kedy môže byť vodivé viac? Zdôvodni. Zhrnutie 1. Aký je vzťah medzi elektrickou vodivosťou a elektrickým odporom? 2. Ktoré zo skúmaných kvapalín boli nevodivé a čím sa líšili od vodivých kvapalín? Metodické poznámky Študenti používajú skúšačku elektrickej vodivosti, ktorá zvukom a svitom signalizuje vodivosť skúmaného predmetu. Návod na jej zostavenie nájdete napríklad na stránke www.ddp.fmph.uniba.sk/~ciganik/elektronika/skusacka.htm. Pri skúmaní elektrickej vodivosti kvapalín používajú žiaci ako detektor aj LED-diódu a žiarovku. LED-dióda svieti už pri slabom roztoku NaCl, ale žiarovka svieti pri oveľa koncentrovanejšom roztoku NaCl. 2.10 Hráme sa na pána Ohma Didaktický rozbor aktivity Táto aktivita je prvou z troch aktivít určených na odvodenie Ohmovho zákona. Jej cieľom je, aby študenti experimentálne zistili, že medzi napätím na rezistore a prúdom prechádzajúcim rezistorom je závislosť. Túto aktivitu je možné použiť pri vyučovaní témy 2.2 Zákony elektrického prúdu v obvodoch v 8. ročníku základnej školy a témy 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Úvod Keď pripojíme rezistor k batérii môžeme odmerať prúd, ktorý ním prechádza a napätie na rezistore. Teraz si preskúmame, či je medzi týmito dvomi veličinami nejaká závislosť. Problém 25
Odmeraj hodnotu el. prúdu prechádzajúceho rezistorom a hodnotu napätia na rezistore pri rôznych el. zdrojoch. Namerané hodnoty zapíš do tabuľky a grafu. Preskúmaj možnú závislosť medzi napätím a prúdom. Pomôcky digitálny multimeter, 200 Ω rezistor, spojovacie vodiče, 4,5 V a 9 V batéria, doštička polystyrénu Postup 1. Zostav obvod podľa znázornenej schémy (obrázok 2.24). Obr. 2.24: Schéma zapojenia 2. Tvojou úlohou bude zisťovať hodnotu el. prúdu prechádzajúceho rezistorom a hodnotu napätia na rezistore pri rôznych el. zdrojoch: jednom, dvoch, troch monočlánkoch 4,5 V batérie a pri 9 V batérii. Nakresli ako budeš zapájať do obvodu ampérmeter a voltmeter. Svoje merania zapisuj do tabuľky: elektrický zdroj v el. obvode jeden monočlánok dva monočlánky 4,5 V batéria 9 V batéria U - el. napätie na rezistore I - el. prúd prechádzajúci rezistorom 3. Pozorne si prezri namerané údaje v tabuľke. Je nejaká závislosť medzi napätím na rezistore a prúdom, ktorý ním prechádza? Opíš to vlastnými slovami. 4. Informácie je užitočné zaznamenať do grafu, je to prehľadné a dá sa z neho všeličo vyčítať. Tvoje namerané hodnoty zaznamenaj do grafu a potom sa pokús opísať zaznamenané hodnoty v ňom. 26
Ako sa správajú zaznamenané hodnoty? 5. V tabuľke máš prázdny stĺpec, dopočítaj v každom riadku pomer napätia U a prúdu I, teda I U. Pri výpočte dosadzuj hodnoty v základných jednotkách. Čo môžeš usúdiť z vypočítaných hodnôt? Zhrnutie 1. Ako sa mení prúd prechádzajúci rezistorom pri zmene napätia na rezistore? 2. Aký prúd by prechádzal rezistorom, ak by napätie na rezistore bolo 12 V? 3. Aké napätie by bolo na rezistore, ak by ním prechádzal prúd 0,005 A? Metodické poznámky Pre študentov nieje problém namerať hodnoty elektrického prúdu prechádzajúceho rezistorom v závislosti od napätia na rezistore. No usúdiť zo štyroch nameraných dvojíc I a U, či je medzi nimi nejaká závislosť je už ťažšie, rovnako ako prečítať - vysvetliť priebeh zaznamenaného grafu. Ak však študenti už objasňovali nejakú inú závislosť fyzikálnych veličín, tak to pre nich nieje až taký veľký problém. 2.11 Analyzujeme závislosti prúdu od napätia Didaktický rozbor aktivity Uvedená aktivita nadväzuje na aktivitu 2.10 Hráme sa na pána Ohma a je jej teoreticky zameraným pokračovaním. Jej cieľom je získanie poznatkov, o odpore rezistora, žiarovky a LED-diódy. Aktivita sa dá zaradiť do témy 2.2 Zákony elektrického prúdu v obvodoch v 8. ročníku základnej školy a témy 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Úvod V predchádzajúcej aktivite sme zistili, že medzi napätím na rezistore a prúdom, ktorý ním prechádza, je závislosť. Teraz si budeme túto závislosť analyzovať, 27
pričom pomer napätia a prúdu budeme nazývať elektrický odpor. Problém Z nameraných údajov urči elektrický odpor rôznych rezistorov a porovnaj ich. Analyzuj grafy závislostí prúdu od napätia rôznych súčiastok. Pomôcky rysovacie pomôcky Postup 1. Výsledky uvedené v tabuľke boli získané experimentálne. Tvojou úlohou je zistiť, aký je vzťah medzi napätím a prúdom u dvoch rôznych rezistorov. rezistor 1 rezistor2 U 1 /V I 1 /A U 2 /V I 2 /A 2 0,2 3 0,2 4 0,4 6 0,4 6 0,6 9 0,6 8 0,8 12 0,8 10 1 15 1 Uvedené hodnoty zaznamenaj do grafov pre obidva rezistory a prelož grafmi priamku. Ktorý z rezistorov má väčší elektrický odpor? Zdôvodni. Keďže priamky grafov sú rovné, tak môžem z toho vyvodiť nejaký záver o elektrickom odpore? V zmysle či sa elektrický odpor jednotlivých rezistorov mení, nemení, resp. nemôžem to z toho usúdiť? 2. Na obrázku 2.25 sú znázornené grafy závislostí prúdu od napätia troch rôznych súčiastok: LED diódy, žiarovky a rezistora. 28
Obr. 2.25: Grafy závislostí prúdu od napätia LED-diódy, rezistora a žiarovky Ktorým súčiastkam sa mení odpor? Zdôvodni. Pri ktorých súčiastkach s rastúcim napätím rastie aj prúd? Pri ktorých súčiastkach rovnakej zmene napätia zodpovedá rovnaká zmena prúdu? Pri ktorých súčiastkach rovnakej zmene napätia nezodpovedá rovnaká zmena prúdu? Zhrnutie 1. Ako sa mení odpor žiarovky, LED-diódy a rezistora s narastajúcim napätím? 2. Odpor súčiastky sa mení, ak rovnakej zmene napätia zodpovedá rovnaká zmena prúdu alebo ak rovnakej zmene napätia nezodpovedá rovnaká zmena prúdu? Metodické poznámky Naučiť študentov analyzovať graf, vedieť prečítať z neho závislosť medzi napätím a prúdom nieje ľahké najmä na základnej škole, kde učivo fyziky predbieha matematiku. Je vhodné, ak nám to okolnosti dovolia, jednu hodinu venovať analýze rôznych grafov, ktoré si študenti prinesú ako výstrižky z novín alebo internetu. Študenti pracujú v skupinách, "čítajú" grafy rôznych závislostí a objasňujú to ostatným študentom. 2.12 Vzťah medzi prúdom, napätím a odporom Didaktický rozbor aktivity Prezentovaná aktivita ukončuje trojicu aktivít zameraných na Ohmov zákon a jej cieľom naučiť študentov rôzne spôsoby určovania odporu rezistora. Možnosť použiť túto aktivitu pri vyučovaní je pri téme 2.2 Zákony elektrického prúdu v obvodoch v 8. ročníku základnej školy a téme 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Úvod 29
Elektrický odpor možno merať rôznymi spôsobmi. Niekoľko z nich teraz vyskúšame. Problém Zisti odpor rezistora priamou a nepriamou metódou. Porovnaj odpor rezistorov pomocou jasu LED - diód. Pomôcky digitálny multimeter, rezistory K, L, M (100 Ω, 1 kω a 10 kω), rezistor 1 kω, spojovacie vodiče, 4,5 V batéria, tri LED diódy, doštička polystyrénu Postup 1. Zisti odpor rezistorov K, L, M priamou a nepriamou metódou. Priama metóda odpor odmeriaš ohmmetrom a nepriama metóda - vypočítaš z nameraných hodnôt napätia na rezistore a prúdu, ktorý ním prechádza. Výsledky porovnaj s hodnotou odporu, ktorú udáva výrobca. Svoje výsledky zapíš do tabuľky: rezistor K L M odpor určený priamou metódou odpor určený nepriamou metódou: R = U / I odpor udávaný výrobcom Odporúčanie: Pri nepriamej metóde určenia odporu si zostavíš jednoduchý obvod z batérie, rezistora (najprv K, potom postupne L, M) a spojovacích vodičov. Potom ampérmetrom zmeriaš prúd a voltmetrom napätie. Nezabudni na ich správne zapojenie! A nakoniec z nameraných hodnôt vypočítaš odpor R= U/I. 2. Máš k dispozícii zostavený el. obvod (obrázok 2.26). Nakresli jeho schému zapojenia. Z pozorovania jasu LED - diód v jednotlivých vetvách obvodu objasni, ktorá vetva obsahuje rezistor s najväčším, resp. najmenším odporom. Obvod na porovnanie odporov rezistorov pomocou LED- Obr. 2.26: diód Zhrnutie 1. Ktorý spôsob merania odporu bol podľa teba presnejší? Svoju odpoveď zdôvodni. 30
2. Prečo v obvode podľa obrázku 2.26 najjasnejšie svietila LED-dióda pripojená do série k rezistoru K? Metodické poznámky Pri porovnaní jednotlivých spôsobov merania odporu študentov prekvapí, že namerané hodnoty odporu sa líšia od hodnoty udávanej výrobcom. Študentov treba upozorniť, že výrobca udáva odpor rezistora len približne s určitou presnosťou. Pri pokuse s LED-diódami je potrebné dať pozor, aby študenti nepoužili rezistory s príliš malou hodnotou odporu, čo by mohlo viesť k poškodeniu LED-diód. Pre čo najvyššiu efektivitu pokusu je najvhodnejšie použiť rezistory, ktorých odpory sa navzájom rádovo líšia. 2.13 Meriame závislosť odporu vodiča od jeho dĺžky a prierezu hrúbky Didaktický rozbor aktivity Cieľom tejto aktivity je aby študenti na základe merania zistili, že odpor vodiča je závislý od jeho rozmerov. Aktivitu je možné do vyučovacieho procesu zaradiť v rámci témy 2.2 Zákony elektrického prúdu v obvodoch v 8. ročníku základnej školy a témy 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Úvod Každý vodič má svoj odpor. V tejto aktivite budeme zisťovať či veľkosť tejto fyzikálnej veličiny závisí od rozmerov vodiča. Problém Zisti či je závislosť medzi odporom vodiča a jeho dĺžkou. Zisti či je závislosť medzi odporom vodiča a jeho hrúbkou. Pomôcky tenký drôtik z drôtenky, multimeter, doštička polystyrénu, špendlíky Postup 1. Pomocou špendlíkov si pripevni drôtik na polystyrén a multimetrom zmeraj jeho odpor pri rôznych dĺžkach. Je nejaká závislosť medzi odporom vodiča a jeho dĺžkou? Ak áno, opíš ju vlastnými slovami. dĺžka vodiča odpor vodiča 2. Pomocou špendlíkov si pripevni dvojmo (trojmo, štvormo...) drôtik na polystyrén a multimetrom zmeraj jeho odpor pri rôznych hrúbkach. Je nejaká 31
závislosť medzi odporom vodiča jeho hrúbkou hovoríme prierezom? Ak áno, opíš ju vlastnými slovami. hrúbka vodiča odpor vodiča Zhrnutie 1. Ako sa mení odpor vodiča, ak sa zväčšuje jeho dĺžka? 2. Ako sa mení odpor vodiča, ak sa zväčšuje jeho hrúbka? Metodické poznámky Na demonštráciu odporového drôtu je veľmi výhodný tenký drôtik z drôtenky, ktorá je bežne dostupná v obchodoch. Na jeho jednoduchšie uchytenie je možné použiť špendlíky zapichnuté do doštičky s polystyrénom (obrázok 2.27). Obr. 2.27: Meranie odporu drôtika rôznej dĺžky 2.14 Meriame výsledný odpor rezistorov zapojených sériovo a paralelne Didaktický rozbor aktivity Aktivita je zameraná na sériové a paralelné kombinácie rezistorov. Cieľom je preskúmať výsledný odpor kombinácii rezistorov pomocou svitu LED-diódy a multimetra. Použitie aktivity je možné zaradiť pri téme 2.2 Zákony elektrického prúdu v obvodoch v 8. ročníku základnej školy a téme 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Úvod Rezistory možno navzájom rôzne kombinovať. Tieto ich kombinácie sú zložené z dvoch typov jednoduchých zapojení: sériového a paralelného. Teraz preskúmame výsledný odpor týchto zapojení. Problém 32
Pomocou jasu LED - diódy a multimetra preskúmaj elektrický odpor sériového zapojenia rezistorov. Pomocou jasu multimetra a LED - diódy preskúmaj elektrický odpor paralelného zapojenia rezistorov. Pomôcky 4,5 V batéria, päť 1 kω rezistorov, LED dióda, dva spojovacie vodiče s krokosvorkou, doštička polystyrénu, špendlíky, kancelárske sponky, multimeter Postup 1. Zostav jednoduchý obvod z batérie, rezistora a LED diódy (obrázok 2.28). Postupne k rezistoru do série (pekne za sebou) pripájaj ďalšie dva rezistory ako je znázornené na schéme zapojenia obvodu. Mení sa jas LED diódy? Zdôvodni svoju odpoveď. Odporúčanie: Sivou označený vodič zapájaš postupne do polohy 1, 2 a 3. Obr. 2.28: Sériová kombinácia rezistorov 2. Zapichni za sebou tri rezistory, t.j. zapojíš ich sériovo. Postupne multimetrom zmeraj odpor jedného rezistora, potom dvoch spojených rezistorov a nakoniec troch rezistorov. Potvrdil si predchádzajúce tvrdenie o výslednom odpore? rezistor R 1 R 1, R 2 R 1, R 2, R 3 hodnota odporu 3. Zapichni vedľa seba tri rezistory, t.j. zapojíš ich paralelne. Postupne zmeraj multimetrom odpor jedného rezistora, potom dvoch spojených rezistorov a nakoniec troch rezistorov. Čo vieš povedať o výslednom odpore rezistorov zapojených paralelne? rezistor R 1 R 1, R 2 R 1, R 2, R 3 hodnota odporu 4. Zostav jednoduchý obvod z batérie, rezistora a LED diódy (obrázok 2.29). Postupne k rezistoru paralelne pripájaj ďalšie rezistory. Mení sa jas LED diódy? Zdôvodni svoje pozorovania. Odporúčanie: Sivou označené vodiče pripájaš postupne. 33
Obr. 2.29: Paralelná kombinácia rezistorov Zhrnutie 1. Ako sa mení svit LED-diódy s rastúcim (klesajúcim) výsledným odporom kombinácie rezistorov? 2. Ako sa mení výsledný odpor kombinácie rezistorov pri postupnom pripájaní viacerých rezistorov do série? 3. Ako sa mení výsledný odpor kombinácie rezistorov pri postupnom pripájaní viacerých rezistorov paralelne? Metodické poznámky Pre rýchlejšie porovnanie svitu LED-diód pri jednotlivých etapách pokusov (obrázok 2.30 a 2.31) si študenti súčiastky prichytia pomocou špendlíkov na doštičku s polystyrénom. Mnohí študenti postrehnú analógiu medzi zväčšujúcou sa dĺžkou vodiča a rastúcim počtom rezistorov spojených do série, resp. analógiu medzi zväčšujúcou sa hrúbkou vodiča a rastúcim počtom rezistorov spojených paralelne. Obr. 2.30: Postupné zapájanie jednotlivých rezistorov do série s LED-kou na 4,5 V batériu 34
Obr. 2.31: Postupné paralelné zapájanie jednotlivých rezistorov s LED-kou na 4,5 V batériu 2.15 Kondenzátor a tranzistor Didaktický rozbor aktivity Táto aktivita sa zameriava na preskúmanie činnosti kondenzátora a tranzistora. Cieľom je aby študenti pomocou zapojení s LED-diódou spoznali funkciu kondenzátora ako zásobárne elektrickej energie a tranzistora ako elektronického spínača. Aktivity možno použiť pri téme 2.5 Vedenie elektrického prúdu v polovodičoch v 8. ročníku základnej školy a téme 2.2 Elektrický prúd v 2. ročníku gymnázia. Úvod V elektrických obvodoch sa stretneme s rôznymi súčiastkami. Teraz preskúmame základné vlastnosti tranzistora a kondenzátora. Problém Preskúmaj funkciu kondenzátorov ako malých zásobární elektrickej energie. Preskúmaj funkciu tranzistora ako elektronického spínača. Pomôcky 4,5 V batéria, 100, 10 a 1 μf kondenzátor, BC - 550 tranzistor, LED dióda, 200 Ω rezistor, hračka žralok Postup 1. Over činnosť kondenzátorov ako malých zásobární elektrickej energie. K jednotlivým kondenzátorom pripoj póly plochej batérie, ako je znázornené na obrázku, takýmto spôsobom sa ti podarí uskladniť do nich aspoň časť el. energie. Aby si sa o tom presvedčil jednotlivé nabité kondenzátory postupne pripájaj na LED diódu s rezistorom a pozoruj jej jas, resp. dĺžku zabliknutia. Daj pozor, aby si kondenzátory pripájal v správnej polarite. Ktorý z kondenzátorov má najväčšiu schopnosť uskladnenia energie? Zdôvodni svoju odpoveď. 35