ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΕΘΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ. Φυσική Β' ΤΑΞΗΣ ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΒΙΒΛΙΟ ΚΑΘΗΓΗΤΗ

ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΕΘΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ Φυσική Β' ΤΑΞΗΣ ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΒΙΒΛΙΟ ΚΑΘΗΓΗΤΗ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΣ ΕΚΔΟΣΕΩΣ ΔΙΔΑΚΤΙΚΩΝ ΒΙΒΛΙΩΝ ΑΘΗΝΑ

ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΕΘΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ Φυσική Β' ΤΑΞΗ ΓΕΝΙΚΟΥ ΑΥΚΕΙΟΥ ΒΙΒΛΙΟ ΚΑΘΗΓΗΤΗ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΣ ΕΚΑΟΣΕΩΣ ΔΙΔΑΚΤΙΚΩΝ ΒΙΒΔΙΩΝ ΑΘΗΝΑ

Με απόφαση της ελληνικής κυβερνήσεως τα διδακτικά βιβλία του Δημοτικού, του Γυμνασίου και του Λυκείου τυπώνονται από τον Οργανισμό Εκδόσεως Διδακτικών Βιβλίων και διανέμονται δωρεάν.

ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΕΘΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ Φυσική Β' ΤΑΞΗ ΓΕΝΙΚΟΥ ΑΥΚΕΙΟΥ ΒΙΒΛΙΟ ΚΑΘΗΓΗΤΗ Αλεξάκης Νίκος Αμπατζής Σταύρος Γκουγκούσης Γιώργος Κουντούρης Βαγγέλης Μοσχοβίτης Νίκος Οβαδίας Σάββας Πετρόχειλος Κλεομένης Σαμπράκος Μενέλαος Ψαλίδας Αργύρης Ένωση Ελλήνων Φυσικών ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΣ ΕΚΔΟΣΕΩΣ ΔΙΔΑΚΤΙΚΩΝ ΒΙΒΔΙΩΝ ΑΘΗΝΑ

ΟΜΑΔΑ ΣΥΓΓΡΑΦΗΣ Αλεξάκης Νίκος, Msc φυσικός,καθηγητής 5ου Λυκείου Κορυδαλλού Αμπατζής Σταύρος, Δρ φυσικός, καθηγητής Γενναδείου Σχολής Γκουγκούσης Γιώργος, φυσικός, ιδιοκτήτης - διευθυντής φροντιστηρίου Κουντούρης Βαγγέλης, φυσικός, καθηγητής 1ου Γυμνασίου Ιλίου Μοσχοβίτης Νίκος, φυσικός, καθηγητής εκπ/ρίων Κωστέα - Γείτονα Οβαδίας Σάββας, φυσικός, καθηγητής Λυκείου Ν. Αρτάκης Πετρόχειλος Κλεομένης, φυσικός, καθηγητής Αμερικανικού Κολλεγίου Σαμπράκος Μενέλαος, φυσικός, ιδιοκτήτης - διευθυντής φροντιστηρίου Ψαλίδας Αργύρης, Δρ φυσικός,καθηγητής Κολλεγίου Αθηνών ΣΥΝΤΟΝΙΣΤΗΣ ΣΥΓΓΡΑΦΙΚΗΣ ΟΜΑΔΑΣ Πετρόχειλος Κλεομένης, φυσικός, καθηγητής Αμερικανικού Κολλεγίου ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΟΥ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟΥ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟΥ Ραγιαδάκος Χρήστος, πάρεδρος στο τομέα Φυσικών Επιστημών του Παιδαγωγικού Ινστιτούτου ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΕΝΤΥΠΟΥ ΚΑΙ ΚΑΛΛΙΤΕΧΝΙΚΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ Παπαζαχαροπούλου Μαρία ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Παπαζαχαροπούλου Μαρία ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ Πάρης Κοψιαύτης, φυσικός καθηγητής εκπαιδευτηρίων Γείτονα Ευχαριστούμε τον Γεν. Γραμματέα της Ε.Ε.Φ. κ. Παναγιώτη Φιλντίση για την πολύτιμη συμπαράσταση και συμβολή του στην υλοποίηση του έργου μας.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 9 3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ 3.1 ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 13 3.2 ΣΥΝΕΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 25 3.3 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ 45 4. ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΚΥΜΑΤΑ 4.1. Μηχανικές ταλαντώσεις 61 4.2. ΚΥΜΑΤΑ 73

Στα πλαίσια της σνγγραψής και παράδοσης στο Παιδαγωγικό Ινστιτούτο ιων βιβλίων Φυσικής Γενικής Παιδείας, γράψαμε και τα βιβλία τον καθηγητή, θεωρώντας ότι εξυπηρετούν τους παρακάτω σκοπούς: >- να παρουσιάσουν στον διδάσκοντα πιο αναλυτικά το πνεύμα των συγγραψέων, τη ψιλοσοψία τους για τα βιβλία Φυσικής Λυκείου, αλλά και τους στόχους της προσπάθειάς τους. >- να υποστηρίξουν το έργο του καθηγητή Φυσικής με όποιες ιδέες, απόψεις και αντιλήψεις οι συγγράψεις των βιβλίων διατυπώνουν από την εμπειρία τους και από την αναζήτηση στη διεθνή βιβλιογραψία. >- να αναδείξουν σημεία της θεωρίας ή εργασίες και ασκήσεις των βιβλίων τον μαθητ ή, που κατά τη διάρκεια της σνγγραψής θεωρήθηκαν ιδιαίτερης βαρύτητας. Επειδή το βιβλίο τον καθηγητή απευθύνεται σε ειδικούς, πεποίθησή μας αποτελεί ότι ο ρόλος τον είναι καθαρά συμβουλευτικός και βασίζεται στους παρακάτω άξονες που αποτελούν και θέσεις της συγγραφικής μας ομάδας: I κανένα βιβλίο δεν αποτελεί μέθοδο "άνευ διδασκάλου " I I κάθε καθηγητής έχει τη δική του προσωπική προσέγγιση στον τρόπο διδασκαλίας, παρόλο που οι στόχοι όλων μας είναι κοινοί κάθε συνάδελψος μπορεί να προτείνει τις δικές του ιδέες και να προσθέσει τις δικές τον εμπειρίες για τη διδασκαλία της Φνσικής Θεωρώντας ότι και οι δικές μας προτάσεις και επισημάνσεις θα βοηθήσουν το δύσκολο έργο σας, γράψαμε το βιβλίο του καθηγητή και ευχόμαστε να ψανεί χρήσιμο. Στη διάθεσή σας πάντα για όποιες υποδείξεις - επισημάνσεις - ιδέες θα θέλατε να προτείνετε. Ελπίζουμε και με τη δική σας συμμετοχή να βελτιώνουμε κάθε χρόνο το έργο μας. Η σνγγραψική ομάδα της Ε.Ε.Φ.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Χρήσιμα στοιχεία για την οργάνωση του εργαστηρίου Φυσικής 1. Βασικό κριτήριο για την οργάνωση και γενικότερη εμφάνιση των εργαστηρίων είναι η όξυνση της παρατηρητικότητας, της ικανότητας για μετρήσεις και η ευχαρίστηση του μαθητή, όσο πιο εξατομικευμένα μπορούμε, μέσω της συμμετοχής του στην πειραματική δραστηριότητα. 2. Σημαντικό είναι κατά τη διάρκεια του εργαστηριακού μαθήματος να παραβρίσκεται και ο υπεύθυνος των εργαστηρίων, ώστε να υπάρχουν δύο διδάσκοντες στην αίθουσα που θα αναλάβουν τις μισές ομάδες ο καθένας. 3. Για την επίπλωση και τον εξοπλισμό, κριτήριο πρέπει να είναι η δημιουργία πάγιων εγκαταστάσεων και παροχών νερού και ρεύματος τέτοιων, ώστε να είναι ευέλικτες σε μελλοντικά σενάρια πειραματικών ασκήσεων διαφορετικών από τα σημερινά Σε κάθε περίπτωση προέχει η ασφάλεια των μαθητών γι αυτό και σε συνεννόηση με τον ηλεκτρολόγο του κτιρίου θα πρέπει να ληφθούν όλα τα απαραίτητα μέτρα (Διαχωρισμός κυκλωμάτων με τη χρήση μετασχηματιστή 1:1.,Πυροσβεστήρες. Εξαερισμός.) 4. Οι εργαστηριακές ομάδες των μαθητών μπορούν να είναι από διμελείς έως τετραμελείς. 5. Τα υλικά για την κάθε άσκηση πρέπει να βρίσκονται ήδη στο τραπέζι της κάθε ομάδας με την έναρξη της διδακτικής ώρας, μέσα σε πλαστικό κουτί και εκεί να παραδίνονται από τους μαθητές στο τέλος. 6. Τα τραπέζια εργασίας (15 ή 8) θα πρέπει να είναι ορθογώνια με μεταλλικό σκελετό από κοιλοδοκό και αδιάβροχη επιφάνεια που να μην λυγίζει. Διαστάσεις μήκος χ πλάτος χ ύψος σε cm: 120(ή 240)χ60(ή 65)χ70 και να απέχουν μεταξύ τους τουλάχιστον 75cm.

10 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠαρατηΓίίσεις: Κάτω από την επιφάνεια των τραπεζιών (15cm περίπου) να υπάρχει μεταλλικό δίχτυ ή άλλη επιφάνεια για τα βιβλία των μαθητών. Οι τσάντες των παιδιών θα βρίσκονται στην τάξη τους ή στον εξωτερικό διάδρομο. Πάντως όχι μέσα στο εργαστήριο. Στο κάτω μέρος των ποδιών του κάθε τραπεζιού να είναι κολλημένα μικρά ελάσματα με τρύπα για να στερεωθεί (βιδωθεί) το κάθε τραπέζι στο δάπεδο. Στο πλάι του κάθε τραπεζιού και στο ύψος της επιφάνειας για τα βιβλία να υπάρχει κανάλι με δύο πρίζες ασφαλείας (με προστατευμένες εισόδους) Suko 220V που θα τροφοδοτούνται από μετασχηματιστή 220V 1:1 7. Η έδρα να είναι φτιαγμένη όπως τα τραπέζια αλλά με μεγαλύτερο μήκος. Διαστάσεις μήκος χ πλάτος χ ύψος σε cm: 220χ60(ή 65)χ90. Με παροχή ρεύματος. 8. Να υπάρχει παροχή νερού και αποχέτευση. Για παράδειγμα πάγκος νεροχύτη με διαστάσεις: 120x60x90cm και από κάτω ντουλάπι φύλαξης υλικών. Επίσης ένας ταχυθερμοσίφωνας. 9. Τα καθίσματα της αίθουσας να είναι όπως των τάξεων περίπου 30. Για την έδρα χρειάζονται 2 σκαμπό ρυθμιζόμενου ύψους. 10. Οι ντουλάπες φύλαξης οργάνων και υλικών ή οι προθήκες μπορεί να είναι μεταλλικές ή ξύλινες. Ενδεικτικές διαστάσεις : 90x40x200cm Προθήκη με διαστάσεις: 120x40x200cm. Το τζάμι της να ντυθεί με αυτοκόλλητο διαφανές πλαστικό κάλυμμα. 11. Καλό θα είναι να υπάρχουν κουρτίνες στα τζάμια, θέση για Η/Υ, τηλεόραση, βίντεο. Επάνω από τον πίνακα πτυσσόμενη οθόνη για overhead και σλατσιέρα. Ρολόι και θερμόμετρο τοίχου. Ενώ απαραίτητο είναι ένα φαρμακείο. Περιεχόμενα Φαρμακείου Handsaplast Βαμβάκι Οξυζενέ Οινόπνευμα Betadin Γάζες Λευκοπλάστης Βαζελίνη Ασπιρίνη ή Depon

ΕΙΣΑΓΩΓΗ 11 Χρήσιμα στοιχεία για την οργάνωση του εργαστηριακού μαθήματος Φυσικής 1. Καλό είναι κατά τη διάρκεια της εργαστηριακής ώρας να παίρνονται όλες οι μετρήσεις και μετά να ακολουθεί μια πρώτη επεξεργασία τους ώστε να φαίνεται αν οι τιμές είναι γενικά αποδεκτές. Μετά στο σπίτι να ακολουθεί η συμπλήρωση των ερωτήσεων και η χάραξη των γραφικών παραστάσεων. 2. Οι ομάδες δεν είναι υποχρεωτικό να έχουν σχηματιστεί με αλφαβητική σειρά. Το καλλίτερο θα ήταν να χωριστούν με βάση ένα κοινωνιόγραμμα της τάξης. Γενικά πάντως θα πρέπει να μην περιλαμβάνουν μόνο καλούς ή κακούς μαθητές, ή μόνο κορίτσια ή αγόρια. 3. Κατά την κρίση του διδάσκοντα θα μπορούσε να αναφέρεται στην τάξη το ποια ομάδα χειρίστηκε με περισσότερη επιμέλεια και προσοχή τα όργανα, πήρε τις καλλίτερες μετρήσεις ή έκανε παρατηρήσεις για την άσκηση. 4. Στον πίνακα που ακολουθεί καταγράφεται μια πρόταση για το ποιες ασκήσεις θα 'πρεπε να γίνουν πριν ή μετά την αντίστοιχη θεωρία (Π ή Μ) καθώς και αν είναι ομαδικές ή επίδειξης (Ο ή Ε). Παρατήρηση: Στα ομαδικά πειράματα ασκούνται οι μαθητές σε ομάδες και κάθε μια έχει τις μετρήσεις της ενώ το επίδειξης γίνεται από τον διδάσκοντα με τη βοήθεια μερικών μαθητών και οι μετρήσεις είναι ίδιες για όλη την τάξη. Εργαστηριακή άσκηση Πριν ή μετά Ομαδική ή επίδειξης 1 Μ Ε 2 Μ 0 3 Π 0 4 Μ Ε 5 Π 0 6 Π 0 7 Μ 0

12 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κανονισμός λειτουργίας του εργαστηρίου Φυσικής Για την ομαλή λειτουργία των εργαστηρίων και την ασφαλή διεξαγωγή των πειραμάτων, κάθε μαθητής και μαθήτρια όποτε έχει εργαστηριακή άσκηση πρέπει να: 1. Προσέρχεται στο εργαστήριο την ακριβή ώρα, σύμφωνα με το πρόγραμμα. 2. Εισέρχεται και να εξέρχεται από το εργαστήριο με ησυχία, τάξη και απόλυτη προσοχή. 3. Κινείται στον εργαστηριακό χώρο προσεκτικά και χωρίς βιασύνη, αποφεύγοντας άσκοπες μετακινήσεις. 4. Εισέρχεται στο εργαστήριο χωρίς οποιοδήποτε υγρό ή στερεό τρόφιμο. 6. Έχει μαζί του τα απαραίτητα για την εργαστηριακή άσκηση, (εργαστηριακό οδηγό - σημειώσεις, εργαστηριακό τετράδιο, κομπιουτεράκι, μολύβι, γόμα, χάρακα, χαρτί μιλιμετρέ κλπ.) 7. Συνεργάζεται μόνο με τα μέλη της ομάδας του χωρίς να ενοχλεί τις άλλες εργαστηριακές ομάδες. 8. Πραγματοποιεί μόνο τα πειράματα που του υποδεικνύονται από τον καθηγητή του, ακολουθώντας τις ειδικές οδηγίες διεξαγωγής τους, όπως αναγράφονται στον εργαστηριακό του οδηγό. 9. Αναφέρει αμέσως τυχόν προβλήματα στους υπεύθυνους του εργαστηρίου. 10. Σέβεται και να προσέχει το χώρο των εργαστηρίων, τα επιστημονικά όργανα και τις συσκευές. 11. Αποχωρεί αφού προηγουμένως έχει βοηθήσει την ομάδα του στην τοποθέτηση των χρησιμοποιηθέντων οργάνων και υλικών στη θέση τους. 12. Μην μεταφέρει κανένα εργαστηριακό όργανο, συσκευή ή εξάρτημα έξω από το εργαστήριο.

3.1. ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 13 3.1. Αννάμεις μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων Διάγραμμα ροής: ΕΝΟΤΗΤΑ 3.1.: Δυνάμεις μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 1 3.1.1.0 Νόμος του Coulomb 3.1.2. Ηλεκτρικό πεδίο Ενδεικτικές διδακτικές ώρες: 4 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 2 3.1.3. Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια 3.1.4. Δυναμικό- Διαφορά δυναμικού ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 3 3.1.5. Πυκνωτές I I I Ενδεικτικές διδακτικές ώρες: 3 Ενδεικτικές διδακτικές ώρες: 2 Εργαστηριακές ασκήσεις Η εργαστηριακή άσκηση 1: «Αποτύπωση - αισθητοποίηση ηλεκτρικού πεδίου σε αγώγιμο χαρτί με τη βοήθεια γαλβανόμετρου». Προτείνεται να πραγματοποιηθεί κατά τη διάρκεια της 1 ης διδακτικής ενότητας.

14 3.1. ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 1η Διδακτική ενότητα 3.1.1.0 Νόμος του Coulomb 3.1.2. Ηλεκτροστατικό πεδίο -. "«Sff * \? ωρες Διδακτικοί στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της ενότητας ο μαθητής να μπορεί: > να γνωρίζει να διατυπώνουν τον νόμο με λόγια και με σύμβολα και να τον εφαρμόζουν κατά τη λύση των προβλημάτων. > να γνωρίζει την έννοια του πεδίου, ως τον χώρο ο οποίος λόγω της παρουσίας φορτίου αποκτά μία «πληροφορία», να ασκεί δηλαδή δυνάμεις σε ηλεκτρικά φορτία. > να εξοικειωθεί με την έννοια «ένταση», ως το φυσικό μέγεθος που «συνδέει» τη δύναμη του πεδίου με το ηλεκτρικό φορτίο σε συγκεκριμένη θέση. > να διατυπώνει τον ορισμό του μεγέθους με λόγια και σύμβολα. > να κατανοήσει την έννοια «δυναμική γραμμή» και την δυνατότητα' που μας δίνει να αισθητοποιούμε το πεδίο και να διακρίνουμε το ισχυρό από το ασθενές πεδίο, μέσω της μορφής του. > να γνωρίζει επίσης να σχεδιάζουν χαρακτηριστικές μορφές πεδίων (που οφείλονται σε ένα ή δύο (ίσα κατ' απόλυτη τιμή) φορτία). Ανάμεσα σε φορτισμένα αντικείμενα αναπτύσσεται ηλεκτρική αλληλεπίδραση η οποία εκφράζεται από την δύναμη Coulomb. Οι δυνάμεις Coulomb είναι ελκτικές ή απωθητικές. Το μέγεθος ένταση ηλεκτρικού πεδίου είναι διανυσματικό και ομόρροπο στη δύναμη Coulomb όταν αυτή ασκείται σε θετικό φορτίο.

3.1. ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 15 9> Οι ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές είναι νοητές γραμμές οι οποίες δεν τέμνονται, και η ένταση είναι εφαπτόμενη σε κάθε σημείο τους. Η μελέτη των πεδίων περιορίζεται στο ομογενές και στο πεδίο ενός σημειακού φορτίου. Με βάση τις εναλλακτικές ιδέες των μαθητών Πολλοί μαθητές πιστεύουν ότι: Οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις είναι «ίδιες», με τις βαρυτικές. ένα φορτισμένο σώμα έχει ενός είδους φορτίο. η ένταση και η δύναμη ηλεκτρικού πεδίου είναι το ίδιο «πράγμα» στην ίδια κατεύθυνση. υπάρχει πεπερασμένος αριθμός δυναμικών γραμμών. οι δυναμικές γραμμές είναι υπαρκτές. Προτεινόμενες δραστηριότητες Ερωτήσεις: 2, 5, 6, 13, 14, 15, 17, 19, 21, 22, 24. Ασκήσεις: 1,3,5,8,11,14,17. Εργαστηριακή άσκηση 1 1. Αποτύπωση - αισθητοποίηση ηλεκτρικού πεδκ; r η ' Ι Α ' χαρτί με τη βοήθεια γαλβανομετρου σε αγώγιμο Διδακτικοί στόχοι της άσκησης: 1. να πραγματοποιήσει ο μαθητής ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα με πηγή, όργανα μέτρησης τάσης και ρεύματος και με ένα αγώγιμο χαρτί στη θέση καταναλωτή. 2. να πινακοποιήσει τις μετρήσεις του και να χαράξει την καμπύλη τάσης - απομάκρυνσης ώστε να μετρήσει από την κλίση της, την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του αγώγιμου χαρτιού.

16 3.1. ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ Πίνακας 1-1 Α/Α χ (m) V (V) 1 0,00 0,00 2 0,01 0,70 3 0,02 0,75 4 0,03 0,83 5 0,04 0,95 6 0,05 1,00 7 0,06 1,05 8 0,07 1,10 9 0,08 1,17 10 0,09 1,23 11 0,10 1,30 12 0,12 1,40 13 0,14 1,50 14 0,16 1,60 15 0,18 1,70 16 0,20 1,80 17 0,22 1,90 18 0,24 1,97 19 0,26 2,14 20 0,28 2,25 21 0,30 2,85 22 0,33 2,50 Αν η πλάγια ευθεία που θα χαράξει ο μαθητής περνάει από τα σημεία (0,16,1,60) και (0,02,0,75) τότε η κλίση της υπολογίζεται από την σχέση Ε = 1,60-0,75 = 6 1 JL 0,16-0,02 m ηλεκτρικού πεδίου της αγώγιμης επιφάνειας. και παριστανει την ένταση του

3.1. ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 17 v=f(x) - V=f(x) -Γραμμική (V=f(x)) 0.50 y = 6,3094χ + 0,5858 R 2 = 0,9335 0,40 Παρατήρηση Το αγώγιμο χαρτί φτιάχτηκε ύστερα από επικάλυψή του με σπρέυ γραφίτη. Αφού στέγνωσε χαράχτηκε με λεπτό μαρκαδόρο η γραμμή ΒΓ και προχωρούσαμε κάτω από αυτήν και κατά μήκος της, τον ακροδέκτη του βολτόμετρου.

18 3.1. ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 2η Διδακτική ενότητα 3.1.3. Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια 3.1.4. Δυναμικό - Διαφορά δυναμικού 3 ώρες Διδακτικοί στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της ενότητας ο μαθητής: >- να γνωρίζει και να υπολογίζει την δυναμική ενέργεια συστήματος ηλεκτρικών φορτίων. > να γνωρίζει ότι κάθε πεδίο δυνάμεων περιέχει αποθηκευμένη ενέργεια. > να γνωρίζει την έννοια δυναμικό και τη φυσικό της περιεχόμενο, δηλαδή ότι ως φυσικό μέγεθος μας παρέχει την ενέργεια ανά μονάδα ηλεκτρικού φορτίου σε συγκεκριμένη θέση του πεδίου. > να γνωρίζει ότι το δυναμικό ελαττώνεται κατά μήκος μιας δυναμικής γραμμής, όπως και κατά τη φορά κίνησης θετικού φορτίου όταν αφεθεί σε ηλεκτρικό πεδίο να κινηθεί. > να γνωρίζει την έννοια διαφορά δυναμικού και το φυσικό της περιεχόμενο. > να γνωρίζει ότι το ηλεκτροστατικό πεδίο, είναι συντηρητικό πεδίο. Διδακτικές ενέργειες - Επισημάνσεις Η κατανόηση της έννοιας δυναμικό είναι δύσκολη γι' αυτό επιστρατεύουμε την εμπειρία μας από το βαρυτικό πεδίο, κατά τη κίνηση μάζας σ' αυτό και το αποτέλεσμα της κίνησης στην δυναμική ενέργειά της. Η κατανόηση της μεταβολής του δυναμικού και της δυναμικής ενέργειας, ενός θετικού (ή αρνητικού) φορτίου όταν αυτό κινείται μεταξύ δύο σημείων, με την επίδραση της δύναμης του πεδίου. Ο υπολογισμός του έργου της μεταβλητής (εν γένει) δύναμης του πεδίου πάνω σε φορτίο, κατά την μετακίνησή του μεταξύ δύο θέσεων από μία θέση σε μία άλλη μέσα από τη σχέση:

3.1. ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 19 Wi, 2 = q(vi V 2 ) ή W 1i2 = -AU, (AU = U 2 -U 1 ) Προτεινόμενες δραστηριότητες: Ερωτήσεις: 25, 26, 27, 28. 29, 30, 34, 36, 37, 41 Ασκήσεις: 19,20,21,24,25,27.

20 3.1. ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 3η Διδακτική ενότητα Διδακτικοί στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της ενότητας ο μαθητής: >- να γνωρίζει τα βασικά μεγέθη χωρητικότητα, φορτίο, ενέργεια του πυκνωτή. > να γνωρίζει ότι ο πυκνωτής αποτελεί αποθήκη ηλεκτρικού φορτίου και ενέργειας. > να μπορεί να ερμηνεύει τα φαινόμενα φόρτισης - εκφόρτισης πυκνωτή. >- να γνωρίζει και να σχεδιάζει το ομογενές ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό επίπεδου πυκνωτή. > να γνωρίζει διάφορες εφαρμογές που χρησιμοποιείται ο πυκνωτής. Κατά τη φόρτιση πυκνωτή αυξάνεται το φορτίο και η ενέργειά του. Η φόρτιση του πυκνωτή με τη βοήθεια ηλεκτρικής πηγής, σταματά όταν (πρακτικά) εξισωθούν η τάση φόρτισης και η τάση της πηγής. Η φόρτιση του πυκνωτή με τη διαδικασία της "φόρτισης με επαφή", του ενός οπλισμού του, ακολουθείται από την φόρτιση του άλλου οπλισμού εξ επαγωγής, με ίσο και ετερώνυμο ηλεκτρικό φορτίο. Η ενέργεια που αποδίδει ο πυκνωτής κατά την εκφόρτισή του, είναι ίση με την ενέργεια που δαπανήθηκε κατά τη διαδικασία φόρτισης του ενός εκ των δύο οπλισμών του. Ο πυκνωτής (αφού φορτισθεί) αποτελεί διακόπτη σε ηλεκτρικό κύκλωμα συνεχούς. Δραστηριότητες μαθητών Ερωτήσεις: 42, 43, 44, 46, 47, 48. Ασκήσεις; 32, 33, 36, 37, 39, 41, 43, 45.

3.1. ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 21 ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ: ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ (5' λεπτά) ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: ΤΑΞΗ: 1) Τι είναι χωρητικότητα πυκνωτή; 2) Να συμπληρωθεί η σχέση που δίνει τη χωρητικότητα επίπεδου πυκνωτή. 0=ε ε 0 3) Από ποια σχέση δίνεται η ενέργεια φορτισμένου πυκνωτή; U = 4) Πυκνωτής είναι: σύστημα δύο αγωγών σε μικρή σχετικά απόσταση σύστημα δύο μονωτών σε μικρή σχετικά απόσταση αποθήκη ηλεκτρικού φορτίου ηλεκτρική πηγή Σημειώστε ΣήΛ αντίστοιχα τις σωστές ή λανθασμένες προτάσεις.

22 3.1. ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ: ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ (15' ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: ΤΑΞΗ: 1) Να γράψετε τις σχέσεις που δίνουν την ενέργεια επίπεδου φορτισμένου πυκνωτή. 2) Α) Σε ένα επίπεδο πυκνωτή χωρητικότητα Co διπλασιάζουμε την απόσταση μεταξύ των δύο οπλισμών του παρεμβάλλοντας διηλεκτρικό σταθεράς ε=4. Κυκλώστε τη σωστή απάντηση. Η χωρητικότητα του πυκνωτή: α. θα τριπλασιαστεί β. θα διπλασιαστεί γ. θα υποδιπλασιαστεί δ. θα παραμείνει σταθερή Β) Η χωρητικότητα πυκνωτή με παράλληλες πλάκες: α. ελαττώνεται όταν αυξάνεται το φορτίο β. ελαττώνεται όταν αυξάνεται η απόσταση μεταξύ των οπλισμών του. γ. παραμένει σταθερή, όταν αυξήσουμε το εμβαδό των πλακών του. δ. δεν αλλάζει.

3.1. ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 23 3) Πυκνωτής χωρητικότητας C = 2\iV συνδέεται με πηγή και εφαρμόζεται τάση V =20 V μεταξύ των οπλισμών του. α. Πόσο είναι το φορτίο που θα αποκτήσει ο πυκνωτής; β. Πόση ενέργεια αποθηκεύεται σ' αυτόν; γ. Αν διπλασιαστεί η τάση μεταξύ των οπλισμών του να βρεθεί το ποσοστό της αρχικής ενέργειας κατά την οποία θα αυξηθεί η ενέργεια του. δ. Πόσο φορτίο πρέπει να έχει ο πυκνωτής αυτός ώστε η τάση του να αυξηθεί σε 25V;

3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 25 3.2. Ηλεκτρικό ρεύμα Διάγραμμα ροής: ΕΝΟΤΗΤΑ 3.2.: Ηλεκτρικό ρεύμα ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 1 3.2.1. Ηλεκτρικές πηγές 3.2.2. Ηλεκτρικό ρεύμα 3.2.3. Κανόνες του Kirchhoff ι Ενδεικτικές διδακτικές ώρες: 2 ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 2 3.2.4. Αντίσταση (ωμική) Αντιστάτης 3.2.5. Συνδεσμολογία αντιστατών (αντιστάσεων) 3.2.6. Ρυθμιστική (μεταβλητή) αντίσταση 3.2.7. Ενέργεια και ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος Ενδεικτικές διδακτικές ώρες: 3 I ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 3 3.2.8. Ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) πηγής 3.2.9. Νόμος του Ohm για κλειστό κύκλωμα 3.2.10. Αποδέκτες Ενδεικτικές διδακτικές ώρες: 3 ι ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 4 3.2.11. Δίοδος ι Ενδεικτικές διδακτικές ώρες: 2

26 3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ Εργαστηριακές ασκήσεις Προτείνεται η εργαστηριακή άσκηση 2 (σελ. 5), «Ενεργειακή μελέτη των στοιχείων απλού ηλεκτρικού κυκλώματος με πηγή, ωμικό καταναλωτή και κινητήρα», να γίνει μετά τη διδασκαλία της 3 ης διδακτικής ενότητας. Επίσης, η εργαστηριακή άσκηση 3 (σελ. 9), «Μελέτη χαρακτηριστικής καμπύλης ηλεκτρικής πηγής, ωμικού καταναλωτή και κρυσταλλοδιόδου», να γίνει μετά τη διδασκαλία της 4 ης διδακτικής ενότητας. Βιβλιογραφία ARNOLD Β. ARONS «Οδηγός διδασκαλίας της Φυσικής» Εκδόσεις Τροχαλία '92. KEITH JOHNSON «Physics for you" Stanley Thornes Ltd '91 ΕΛΕΝΗ ΣΤΑΥΡΙΔΟΥ «Μοντέλα Φυσικών επιστημών». Εκδόσεις Σαββάλα '95 ΦΥΣΙΚΗ PSSC, 6 η έκδοση

3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 27 1η Διδακτική ενότητα 3.2.1. Ηλεκτρικές πηγές 3.2.2. Ηλεκτρικό ρεύμα 3.2.3. Κανόνες του Kirchhoff 2 ώρες Διδακτικοί στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της ενότητας ο μαθητής: > να μπορεί να περιγράφει το ρόλο της πηγής στο κύκλωμα. > να έχει κατανοήσει τη φύση του ηλεκτρικού ρεύματος στους μεταλλικούς αγωγούς και να συνδέει το μικρόκοσμο της ύλης με τις μακροσκοπικές εμπειρίες. >- να έχει κατανοήσει τις έννοιες ένταση ηλεκτρικού ρεύματος και διαφορά δυναμικού (τάση). > να έχει εξοικειωθεί στις μετρήσεις με αμπερόμετρα και βολτόμερα και να εφαρμόζει τους κανόνες Kirchhoff. Διδακτικές ενέργειες - Επισημάνσεις Βασικά σημεία της διδακτικής ενότητας είναι ο ρόλος της πηγής σ' ένα κύκλωμα, το ηλεκτρικό ρεύμα στους μεταλλικούς αγωγούς, η διαφορά δυναμικού (τάση) και η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος. Κατά τη διδασκαλία, ο καθηγητής: δίνει έμφαση στις αναλογίες ηλεκτρική πηγή - αντλία νερού, ηλεκτρικό κύκλωμα - υδραυλικό κύκλωμα για να τονίσει ότι ηλεκτρική πηγή δεν είναι πηγή ηλεκτρικού φορτίου. τονίζει τη διάκριση των τριών ταχυτήτων: της θερμικής κίνησης των ελευθέρων ηλεκτρονίων, της μετακίνησης των ηλεκτρονίων και της διάδοσης του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στον αγωγό. υπογραμμίζει τις έννοιες διαφορά δυναμικού (τάση) και ένταση ηλεκτρικού ρεύματος.

28 3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ χρησιμοποιεί παραδείγματα από την καθημερινή ζωή, όπως ένας φακός με τη μπαταρία του και το λαμπάκι του, το τηλεχειριστήριο της τηλεόρασης, το ραδιόφωνο, η θερμάστρα κ.ά. θέτει προβληματισμούς κάνοντας ερωτήσεις, όπως: Ένα ραδιόφωνο δουλεύει με μπαταρίες. Γιατί, όταν αυτές «τελειώνουν», πέφτει η ένταση της φωνής; Να προσεχτούν εναλλακτικές ιδέες των μαθητών, όπως: τα ηλεκτρόνια κινούνται πολύ γρήγορα (κοντά στην ταχύτητα του φωτός) στο κύκλωμα. τα φορτία που κινούνται στο κύκλωμα προέρχονται από τη μπαταρία. όσο μεγαλύτερη σε μέγεθος είναι η μπαταρία, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση. οι μπαταρίες παράγουν ενέργεια από το μηδέν. Προτεινόμενες δραστηριότητες Ερωτήσεις: 1, 2, 7, 8, 9, 28, 31, 32, 33, 34 Ασκήσεις: 1,2,3

3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 29 2η Διδακτική ενότητα 3.2.4. Αντίσταση (ωμική) - Αντιστάτης 3.2.5. Συνδεσμολογία αντιστατών (αντιστάσεων) 3.2.6. Ρυθμιστική (μεταβλητή) αντίσταση 3.2.7. Ενέργεια και ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος Διδακτικοί στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της ενότητας ο μαθητής: > να έχει κατανοήσει την έννοια αντίσταση ενός αντιστάτη, τους παράγοντες που εξαρτάται και να εφαρμόζει το νόμο του Ohm για αντιστάτη. > να μπορεί να συνδέει σε σειρά και παράλληλα αντιστάτες, να μετράει και να υπολογίζει ρεύματα και τάσεις. > να μπορεί να περιγράφει ένα κύκλωμα ενεργειακά και να έχει κατανοήσει την έννοια της ισχύος. > να μπορεί να χρησιμοποιεί σωστά τους τύπους και τις μονάδες μέτρησης των μεγεθών. Διδακτικές ενέργειες - Επισημάνσεις Βασικά σημεία της διδακτικής ενότητας είναι η αντίσταση ενός αντιστάτη, οι παράγοντες που εξαρτάται, η συνδεσμολογία αντιστατών, η ενέργεια και η ισχύς τους ηλεκτρικού ρεύματος. Κατά τη διδασκαλία, ο καθηγητής: τονίζει ότι ο νόμος του Ohm δεν ισχύει για κάθε αγωγό, αλλά μόνο για μεταλλικό αγωγό σταθερής θερμοκρασίας. αναλύει τις περιπτώσεις συνδεσμολογίας αντιστατών. δίνει έμφαση στους τύπους της ενέργειας και της ισχύος για τυχαίο αγωγό και για αντιστάτη. τονίζει ότι σ' ένα μεταλλικό αγωγό σταθερής θερμοκρασίας, η

30 3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ποσότητα l 2 R δίνει το ρυθμό προσφοράς ενέργειας στον αγωγό, το ρυθμό αύξησης της εσωτερικής θερμικής ενέργειας του αγωγού και το ρυθμό έκλυσης θερμότητας από τον αγωγό στο περιβάλλον. θέτει προβληματισμούς κάνοντας ερωτήσεις, όπως: >- γιατί άλλοι άνθρωποι είναι περισσότερο και άλλοι λιγότερο ευαίσθητοι, όταν έρχονται σε επαφή με ρευματοφόρο αγωγό; >- γιατί οι ηλεκτρολόγοι χρησιμοποιούν λαστιχένια γάντια, όταν εργάζονται σε ηλεκτρική εγκατάσταση με τάση; >- γιατί δεν πρέπει να ακουμπάμε με βρεγμένα χέρια καλώδια, διακόπτες και συσκευές; >- γιατί τα καλώδια της ΔΕΗ στηρίζονται στις κολώνες με μονωτήρες; Να προσεχτούν εναλλακτικές ιδέες των μαθητών, όπως: οι αντιστάτες καταναλώνουν φορτίο. ο μεγαλύτερος αγωγός έχει μεγαλύτερη αντίσταση. η ολική αντίσταση σε παράλληλη σύνδεση είναι μεγαλύτερη και από τη μεγαλύτερη αντίσταση. ισχύς και ενέργεια είναι το ίδιο. Προτεινόμενες δραστηριότητες Ερωτήσεις: 3, 4, 5, 6, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 20, 25, 26, 27, 36, 37, 38. Ασκήσεις: 4, 5, 6, 8, 9, 12, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 25, 28, 32, 33, 34 Εργασίες: α) Ερωτήσεις 41, 43, 44 β) Ερωτήσεις 48, 49 γ) Εργαστηριακή δραστηριότητα 50

3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 31 3η Διδακτική ενότητα 3.2.9. Νόμος του Ohm για κλειστό κύκλωμα 3.2.10. Αποδέκτες 3 ώρες Διδακτικοί στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της ενότητας ο μαθητής: >- να έχει κατανοήσει το ρόλο της γεννήτριας στο ηλεκτρικό κύκλωμα ως ενεργειακό μετατροπέα και όχι ως παραγωγό φορτίων ή ενέργειας από το μηδέν. >- να μπορεί να διακρίνει τη διαφορά μεταξύ της ΗΕΔ της πηγής και της διαφοράς δυναμικού. > να μπορεί να αποδεικνύει το νόμο του Ohm σε κλειστό κύκλωμα και να τον εφαρμόζει στα διάφορα κυκλώματα. > να μπορεί να βρίσκει την απόδοση ενός αποδέκτη συνδεμένου στο κύκλωμα, καθώς και την απόδοση όλου του κυκλώματος. >- να γνωρίζει τα χαρακτηριστικά μιας πηγής, που είναι η ηλεκτρεγερτική της δύναμη Ε και η εσωτερική της αντίσταση τ. Διδακτικές ενέργειες - Επισημάνσεις Βασικά σημεία της διδακτικής ενότητας είναι η ηλεκτρεγερτική δύναμη πηγής, ο νόμος του Ohm σε κλειστό κύκλωμα, η πολική τάση της πηγής, το ρεύμα βραχυκυκλώσεως και η απόδοση ενός αποδέκτη. Κατά τη διδασκαλία, ο καθηγητής: τονίζει ότι ο νόμος του Ohm για αντιστάτη (I=V/R) αναφέρεται σε δύο σημεία ενός κυκλώματος, ενώ ο νόμος του Ohm σε κλειστό κύκλωμα (l = E/R ox ) αναφέρεται σε ολόκληρο το κύκλωμα.

32 3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ υπογραμμίζει τη διαφορά των εννοιών ηλεκτρεγερτική δύναμη και διαφορά δυναμικού. αναλύει τη σχέση V n =E-IR. δίνει έμφαση στη συμπεριφορά ενός κινητήρα σ' ένα κύκλωμα, όταν στρέφεται και όταν δε στρέφεται. θέτει προβληματισμούς κάνοντας ερωτήσεις, όπως: > πώς συνδέεται η ασφάλεια σ' ένα κύκλωμα; >- παίρνουμε δύο λάμπες που χρησιμοποιούμε στο σπίτι, μία «σαραντάρα» (40W) και μία «κατοστάρα» (100W). Ποια έχει μεγαλύτερη αντίσταση; Ποια διαρρέεται από μεγαλύτερη ένταση ρεύματος, αν συνδεθούν σε τάση 220V; Να προσεχτούν εναλλακτικές ιδέες των μαθητών, όπως: οι μπαταρίες παράγουν ενέργεια από το μηδέν. ηλεκτρεγερτική δύναμη πηγής και πολική τάση πηγής είναι το ίδιο. νόμος του Ohm για αντιστάτη και νόμος του Ohm σε κλειστό κύκλωμα είναι το ίδιο. Προτεινόμενες δραστηριότητες Ερωτήσεις: 10,21,22,23,24,30,39 Ασκήσεις: 36, 37, 39, 40, 43. Εργασίες: α) Ερώτηση 42 β) Σημείωσε τη ισχύ που έχουν πέντε ηλεκτρικές συσκευές του σπιτιού σου. Ποια είναι η ολική ισχύς, όταν δουλεύουν όλες μαζί; Πόση είναι σε KWh η απαιτούμενη ενέργεια για τη λειτουργία τους για χρόνο 2h; Πόσο είναι το κόστος λειτουργίας τους, αν το 1 KWh κοστίζει 25 δρχ; γ) Δείτε ένα λογαριασμό της ΔΕΗ. Να διακρίνετε τις ενδείξεις ενέργειας που μετράει η ΔΕΗ καθώς και τις μονάδες μέτρησης.

3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 33 Ενεργειακή μελέτη των στοιχείων απλού ηλεκτρικού κυκλώματος με πηγή, ωμικό καταναλωτή και κινητήρα Διδακτικοί στόχοι της άσκησης: 1. να πραγματοποιήσει ο μαθητής ένα ηλεκτρικό κύκλωμα με ηλεκτρική πηγή, ωμικό καταναλωτή, μικρό κινητήρα σε σειρά και όργανα μέτρησης τάσης και έντασης. 2. να υπολογίσει την εσωτερική αντίσταση της πηγής και του κινητήρα. 3. να ερευνήσει πώς αποδίδεται η ηλεκτρική ισχύς της πηγής στα επιμέρους στοιχεία του κυκλώματος. 4. να υπολογίσει το συντελεστή απόδοσης του κινητήρα. Παρακάτω δίνονται οι σχέσεις με τις οποίες υπολογίζονται τα ζητούμενα μεγέθη: r = E-Vn r I -R-r Ρ = El P r = l 2 r P R = l 2 R P r = lv Ρμηχ = P"(Pr + PR + Pr) Ρηλ=ν κ Ι n μηχ Ρηλ

34 3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ R = 20,0 Ω Ε = 15,0 V V n = 14,1 V I = 0,14 Α Vr = 2,9 V Vk 11,2V Σταματημένος l max = 0,19 A Υπολογισμοί r = 6,4 Ω r = 52,5 Ω Ρ = 2,1 W Pr = 0,1 W P R = 0,4 W Pr' = 1,0W P mx = 0,6W Ρ ηλ = 1,6 W n = 0,3535% Παρατηρήσεις Ο πίνακας 2-1 του τετραδίου πρέπει να συμπληρωθεί με τη γραμμή για την μέτρηση της τάσης VK στις άκρες του κινητήρα, όταν αυτός λειτουργεί, ώστε να υπολογιστεί στη συνέχεια η ηλεκτρική ισχύς Ρηλ που του παρέχεται σε ένα επιπλέον, το 13 βήμα. Μετά να προστεθεί η γραμμή της Ρηλ στον πίνακα 2-2. Θα ακολουθήσει ο υπολογισμός του συντελεστή απόδοσης του κινητήρα από τη σχέση Π = -3 - Πλ Η εσωτερική αντίσταση του κινητήρα υπολογίστηκε περίπου 53Ω, που είναι μια μεγάλη τιμή. Κανονικά αυτού του είδους η αντίσταση είναι της τάξης των μερικών Ω, ώστε να περιορίζονται οι θερμικές απώλειες.

3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 35 4η Διδακτική ενότητα 3.2,11. Δίοδος 2 ώρες Διδακτικοί στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της ενότητας ο μαθητής: > νά έχει κατανοήσει το ρόλο της διόδου σ' ένα κύκλωμα. > να έχει μάθει για τις εφαρμογές της διόδου σε ηλεκτρονικά κυκλώματα που χρησιμοποιούμε συχνά. >- να έχει καταλάβει την αντιστοιχία της λειτουργίας των διόδων, του δυαδικού συστήματος αρίθμησης και των λογικών πυλών. Διδακτικές ενέργειες - Επισημάνσεις Βασικά σημεία της διδακτικής ενότητας είναι η λειτουργία της διόδου, οι εφαρμογές της διόδου σε διάφορα κυκλώματα και οι πύλες AND και OR. Κατά τη διδασκαλία, ο καθηγητής: τονίζει τον τρόπο λειτουργίας της διόδου. αναλύει το ρόλο της διόδου στις διάφορες εφαρμογές. δίνει έμφαση στα λογικά κυκλώματα και στους πίνακες αληθείας. Προτεινόμενες δραστηριότητες Ερωτήσεις: 40, 45, 46 Ασκήσεις: 47 Εργασίες: α) Ερώτηση 47 β) Άσκηση 48

36 3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ: ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: ΤΑΞΗ: 1) Συμπληρώστε τα κενά στις παρακάτω προτάσεις. Όταν συνδέουμε δύο η περισσότερους αντιστάτες σε σειρά, η ολική αντίσταση είναι και από τη των αντιστάσεων. Τότε ισχύει: R ox = Όταν συνδέουμε δύο η περισσότερους αντιστάτες παράλληλα, η ολική αντίσταση είναι ν και από τη των αντιστάσεων. Τότε ισχύει: 1/R 0 \= (5 μονάδες) 2) Διαθέτουμε τρεις αντιστάτες με αντιστάσεις R 1 =2Q, R 2 =3Q και R 3 =6Q. Να βρείτε γ ος πρέπει να τις συνδέσουμε για να έχουμε ολική αντίσταση: α) 11Ω β) 1Ω Υ) 4Ω 3) Δύο αντιστάτες με αντιστάσεις R t = 10Ω και Ρ 2 =90Ω συνδέονται παράλληλα. Αν η ένταση του ρεύματος που διαρρέει τη Ι 1 =2Α, να βρείτε την ένταση του ρεύματος που διαρρέει τη R 2. είναι (5 μονάδες) 4) Δύο αντιστάτες με αντιστάσεις R^IOO και R 2 =900 συνδέονται σε σειρά. Αν η τάση της R, είναι V^SOV, να βρείτε την τάση της R 2. (5 μονάδες)

3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 37 ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ: ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ (5' λετττά) ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: ΤΑΞΗ: 1) Σ' ένα κύκλωμα με ηλεκτρική πηγή (Ε, r) και αντιστάτη αντίστασης R, να αποδείξετε το νόμο του Ohm σε κλειστό κύκλωμα. (5 μονάδες) 2) Σημειώστε Σ στις σωστές και Λ στις λανθασμένες προτάσεις, που αφορούν κύκλωμα με ηλεκτρική πηγή (Ε, r) και αντιστάτη, αντίστασης R. α) η πολική τάση της πηγής είναι ίση με την τάση του αντιστάτη, δηλ. V n = V R. β) η ένταση του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα γίνεται μέγιστη, όταν R = r. Q γ) η πολική τάση της πηγής είναι ίση με την ηλεκτρεγερτική δύνα μη της πηγής, όταν R = 0. Q δ) η ηλεκτρεγερτική δύναμη της πηγής και η πολική τάση της πηγής είναι ανεξάρτητες από την τιμή της αντίστασης R. ε) η ηλεκτρεγερτική δύναμη της πηγής είναι ίση με την πολική τάση της πηγής, όταν το κύκλωμα δε διαρρέεται από ρεύμα. [Jl (5 μονάδες)

38 3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 3) Αντιστάτης αντίστασης R συνδέεται στους πόλους πηγής με ηλεκτρεγερτική δύναμη E=5V. Η ένταση του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα είναι 1=0,5Α και η πολική τάση της πηγής είναι V n =4V. Να βρείτε την αντίσταση R και την εσωτερική αντίσταση r της πηγής. (5 μονάδες) 4) Δύο αντιστάτες με αντιστάσεις Ri=4Q και R 2 =12Q συνδέονται παράλληλα. Στα άκρα του συστήματος συνδέουμε πηγή με ηλεκτρεγερτική δύναμη E=20V και εσωτερική αντίσταση r= 1 Ω. Να βρείτε: α) την ολική αντίσταση του κυκλώματος. β) την ένταση του ρεύματος που διαρρέει την πηγή. γ) την πολική τάση της πηγής. 3. Μελέτη χαρακτηριστικής καμπύλης Ηλεκτρικής πηγής, ωμικού καταναλωτή και κρυσταλλο-φόδου Διδακτικοί στόχοι της άσκησης: (5 μονάδες) 1. να πραγματοποιήσει ο μαθητής διαδοχικά ένα ηλεκτρικό κύκλωμα με ηλεκτρική πηγή, ωμικό καταναλωτή κρυσταλλο-δίοδο και όργανα μέτρησης τάσης και έντασης. 2. να μετρήσει ζευγάρια τιμών τάσης - έντασης, για να χαράξει τις χαρακτηριστικές καμπύλες πηγης, αντιστάτη και διόδου. 1 Πίνακας 3-1 R (Ω) 1(A) Vn (V) 0 0,90 1,00 20 0,26 5,60 30 0,20 6,20 40 0,16 6,50 1000000 0,00 8,00

3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 39 Χαρακτηριστική πηγής v=f(i> Γραμμική (V=f(l)) y = -7,6139χ + 7,7746 R 2 = 0,9964 Αν η πλάγια ευθεία περνάει από τα σημεία (0,09, 7,00) και (0,75, 2,00) τότε η κλίση είναι το πηλίκο (7,00-2,00)/(0,09-0,75) = -7,6Ω και παριστάνει την εσωτερική αντίσταση της πηγής. Όσο μικρότερη η κλίση, τόσο μικρότερη η r. Αν η γραμμή ήταν σχεδόν παράλληλη στον οριζόντιο άξονα, τότε θα ήταν μια πηγή με πολύ μεγάλη χωρητικότητα και με μικρή εσωτερική αντίσταση, (πχ συσσωρευτής) 4 Δείχνει την ΗΕΔ της πηγής 5 Δείχνει το οριακό ρεύμα που διαρρέει την πηγή όταν μηδενίζεται η πολική τάση Ι ορ = E/r, δηλαδή το ρεύμα βραχυκύκλωσης, όταν ο καταναλωτής έχει μηδενική αντίσταση. 6 Ναι, με μεγάλη ακρίβεια. Παρατήρηση: Επειδή στην χαρακτηριστική της πηγής τα σημεία είναι συγκεντρωμένα, καλό θα ήταν να χρησιμοποιηθεί μια ποικιλία αντιστατών, ώστε να καλύπτεται όλη η περιοχή μετρήσεων.

4U 3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ Πίνακας 3-2 Α/Α ι (Α) V (V) 1 0,145 3,0 2 0,300 6,0 3 0,455 9,0 4 0,600 12,0 5 0,735 15,0 6 0,885 18,0 Χαρακτηριστική αντιστάτη 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 -*-V=f(l) Γραμμική (V=f(l))N y = 20,377χ - 0,0961 R 2 = 0,9995 I (Α) Η ανεξάρτητη μεταβλητή είναι η τάση και θα έπρεπε να βρίσκεται στον οριζόντιο άξονα. Συνηθίζεται, όμως, αυτή η αντιστροφή, ώστε η κλίση της καμπύλης να μας δίνει απ' ευθείας την αντίσταση. 9 Ναι, με πολύ μεγάλη ακρίβεια (αν οι μετρήσεις παίρνονται σχετικά γρήγορα, ώστε να μην μεταβάλλεται πρακτικά η θερμοκρασία του αντιστάτη) 10 Αν η πλάγια ευθεία που θα χαραχτεί περνάει από τα σημεία (0,885, 18,0) και (0,145, 3,0) τότε η κλίση υπολογίζεται από τη σχέση

3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 41 R = αντιστάτη. Ί g Q 2 Q η ηοί Λ!- ' 20,3Ω και εκφράζει την αντίσταση του υ,οοο υ,145 11 Τότε εκφράζει το αντίστροφο μέγεθος, δηλαδή την αγωγιμότητα του αντιστάτη σε S (Siemens). 12,13 Πίνακας 3-3 A/A V (V) I (ma) 1 0,40 0,03 2 0,50 0,30 3 0,60 2,40 4 0,70 20,50 5 0.80 175,00 6 0,85 1150,00 Χαρακτηριστική κρυσταλλοδιόδου (ορθή φορά) < ε 1400,00 1200,00 1000,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 0,00 0,20 0,40 0,60 V (V) 0,80 1,00 ' = f(v) Εκθετική (l=f(v)) 22,643χ y = 3E-06e R 2 = 0,9955

42 3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ Πίνακας 3-4 Α/Α V(V) I (μα) Ι 1 0,2 1,0 2 0,6 3,0 3 1,0 5,0 4 Ι 1.4 8,5 5 2,0 10,0 6 2,4 12,0 7 3,0 15,0 8 4,0 20,0 9 5,0 25,0 10 6,0 30,0 11 7,0 36,0 12 8,0 41,0 13 9,0 46,7 14 ' 10,0 52,0 Χαρακτηριστική κρυσταλλοδιόδου (ανάστροφη φορά) - i=f(v) Πολυωνυμική (l=f(v)) -V = 0,0421 χ + 4,7424χ + 0,4276 R = 0,9993 15,0 14 Όσον αφορά την αντίσταση της διόδου παρατηρούμε ότι στην σύνδεση κατά την ορθή φορά είναι ελάχιστη, ενώ στην ανάστροφη σύνδεσή της αυτή είναι μέγιστη, γι αυτό και χρησιμοποιείται ως ανορθωτής.

3.2. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ 43 Σε κοινό διάγραμμα V (V) I (ma) -8,00-0,0410-7,00-0,0360-6,00-0,0300-5,00-0,0250-4,00-0,0200-3,00-0,0150-2,40-0,0120-2,00-0,0100-1,40-0,0085-1,00-0,0050-0,60-0,0030-0,20-0,0010 0,40 0,0300 0,50 0,3000 0,60 2,4000 0,70 20,5000 Χαρακτηριστική κρυσταλλοδιόδου 0,5000- < ε 0,2500 - i=f (V) -8,00-6,00 ^,00»» >,0090* - ϊ - -2,00 0,00 2, 00 V (V) -0,2500

3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ 45 3.3. Ηλεκτρομαγνητισμός Διάγραμμα ροής: ΕΝΟΤΗΤΑ 3.3.: Ηλεκτρομαγνητισμός ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 1 Εισαγωγικό ένθετο Μαγνήτες 3.3.1. Μαγνητικό πεδίο 3.3.2. Μαγνητικό πεδίο ρευματοφόρων αγωγών ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 2 3.3.3. Ηλεκτρομαγνητική δύναμη 3.3.4. Η ύλη μέσα στο μαγνητικό πεδίο 3.3.5. Εφαρμογές ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 3 3.3.6. Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή Ενδεικτικές διδακτικές ώρες: 4 Ενδεικτικές διδακτικές ώρες: 3 Ενδεικτικές διδακτικές ώρες: 3 Εργαστηριακές ασκήσεις Η εργαστηριακή άσκηση 4. Αποτύπωση (σε επίπεδο) μαγνητικού πεδίου σωληνοειδούς με τη βοήθεια μαγνητόμετρου. Προτείνεται να πραγματοποιηθεί κατά τη διάρκεια της 1 ης διδακτικής ενότητας. Βιβλιογραφία Α. Arons: Οδηγός διδασκαλίας της Φυσικής. R. Driver κ.α.: Οικοδομώντας τις Έννοιες των Φυσικών Επιστημών. P. Hewitt: Οι έννοιες της Φυσικής. PSSC: Έκδοση 1992. HALLIDAY-RESNICK.

46 3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ 1 η Διδακτική ενότητα 3.3.1. Μαγνητικό πεδίο 3.3.2. Μαγνητικό πεδίο ρευματοφόρων αγωγών 4 ώρες Στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της υποενότητας αυτής οι μαθητές θα πρέπει να γνωρίζουν: >- τι είναι πόλοι ενός μαγνήτη, μαγνητικό πεδίο, ένταση μαγνητικού πεδίου. > ότι γύρω από αγωγούς που διαρρέονται από ρεύμα δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. > που οφείλονται οι μαγνητικές ιδιότητες των σωμάτων. >- τους τρόπους μαγνήτισης των υλικών. > να περιγράφουν το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται γύρω από ευθύγραμμο ρευματοφόρο αγωγό μεγάλου μήκους και να ξέρουν το τύπο που μας δίνει το μέτρο της έντασης του μαγνητικού πεδίου σε απόσταση r από τον αγωγό. >- να περιγράφουν το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται γύρω από κυκλικό ρευματοφόρο αγωγό και να ξέρουν τον τύπο που μας δίνει το μέτρο της έντασης του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο του κύκλου. > να περιγράφουν το μαγνητικό πεδίο ενός σωληνοειδούς και να ξέρουν τον τύπο που δίνει την ένταση του μαγνητικού πεδίου στο <έντρο του σωληνοειδούς. Διδακτικές ενέργειες - Επισηάνσεις Τα άκρα ενός μαγνήτη λέγονται πόλοι και υπάρχουν πάντα σε ζευγάρια. Οι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου είναι πάντοτε κλειστές.

3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ 47 Η ένταση του μαγνητικού πεδίου μας δείχνει πόσο ισχυρό ή ασθενές είναι το πεδίο. Γύρω από ρευματοφόρους αγωγούς δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. Όταν ένας μαγνήτης βρεθεί μέσα στο πεδίο δέχεται από αυτό δύναμη αλλά και ένας ρευματοφόρος αγωγός που θα βρεθεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο δέχεται από αυτό δύναμη. Οι μαγνητικές ιδιότητες των σωμάτων οφείλονται στην περιστροφή του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα και κυρίως στην περιστροφή του ηλεκτρονίου γύρω από τον άξονά του (Spin) Οι τρόποι μαγνήτισης των υλικών μπορούν να διαπιστωθούν από τους μαθητές με εύκολα πειράματα μέσα στην τάξη. Να μάθουν οι μαθητές να υπολογίζουν την συνισταμένη ένταση του μαγνητικού πεδίου από δύο ή και περισσότερους ευθύγραμμους ρευματοφόρους αγωγούς. Μόνο στο κέντρο του κυκλικού ρευματοφόρου αγωγού βρίσκουμε την ένταση του μαγνητικού πεδίου. Η σταθερά Κ μ είναι ίση με Κ μ = όπου μ 0 η μαγνητική διαπερατότητα του κενού. Άρα οι τύπου μπορούν να γραφούν και ως εξής: Α) Ευθύγραμμου ρευματοφόρου αγωγού απείρου μήκους Β = Β) Κυκλικού ρευματοφόρου αγωγού στο κέντρο του κύκλου Β 2nr Mo' 2r Γ) Σωληνοειδούς Β = I. * Ορθότερη έκφραση είναι «μαγνητικές γραμμές» και όχι δυναμικές γραμμές μαγνητικού πεδίου που έχει επικρατήσει. Ερωτήσεις: 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41. Ασκήσεις: 1,2,3,4,5,6,8, 10, 11, 12, 17, 18,21,22,23.

48 3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Εργαστηριακή άσκηση 4 Αποτύπωση (σε επίπεδο) μαγνητικού πεδίου σωληνοειδούς με τη βοήθεια μαγνητόμετρου Διδακτικοί στόχοι της άσκησης: 1. να διαπιστώσει ο μαθητής τη δημιουργία των μαγνητικών δυναμικών γραμμών (μαγνητικό φάσμα) με σιδερόσκονη. 2. να κατασκευάσει το γράφημα της επαγόμενης τάσης συναρτήσει της απομάκρυνσης για διάφορες τιμές της έντασης που διαρρέει το σωληνοειδές. Ομοιόμορφη κατανομή της σιδερόσκονης ή των ρινισμάτων μπορεί να γίνει αν έχουν τοποθετηθεί προηγουμένως σε μια αλατιέρα. Το χαρτί που θα σχεδιαστούν οι μαγνητικές δυναμικές γραμμές μπορεί να συμπεριληφθεί στο τετράδιο. Η τροφοδοσία του μεγάλου πηνίου (σωληνοειδούς) γίνεται με εναλλασσόμενη τάση ώστε να δημιουργείται το φαινόμενο της επαγωγής. Ένας μετασχηματιστής 12V, 60W με μια ρυθμιστική αντίσταση μπορεί να δώσει τις απαιτούμενες τάσεις.

3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ 49 Πίνακας 4-1 1(A) Α/Α r (cm) V (mv) 1 10 3,70 2 15 2,25 0,5 3 20 1,40 4 25 0,90 1 10 7,50 2 15 4,60 1 3 20 2,90 4 25 1,85 1 10 11,50 1,5 2 15 7,00 3 20 4,30 4 25 2,75 1 10 15,50 2 15 9,00 2 3 20 5,80 4 25 3,75 Επαγόμενη τάση συναρτήσει της απομάκρυνσης 16,00 14,00 12,00 > 10,00 Ε. 8,00 > 6,00 4,00 2,00 ο,οο L 10 15 r (cm) 20 25 30-0,5Α - 1Α 1,5Α -2Α

50 3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ Από το διάγραμμα παρατηρούμε ότι όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο του πηνίου ελαττώνεται μη γραμμικά (υπερβολή) η επαγόμενη τάση δηλαδή το μαγνητικό πεδίο. Επίσης ότι όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα που διαρρέει το σωληνοειδές τόσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται γύρω του. Δραστηριότητα 1) Παίρνουμε δύο ραβδόμορφους μαγνήτες: Πλησιάζουμε διάφορα υλικά όπως χάλκινο σύρμα φύλλο αλουμινίου, κλειδί, νομίσματα, συνδετήρες. Τι παρατηρείται; 2) Πλησιάζουμε τον ένα μαγνήτη προς τον άλλο. Στη συνέχεια επαναλαμβάνουμε αντιστρέφοντας τον ένα μαγνήτη. Τι παρατηρείται; 3) Παίρνουμε πρόκες και τις βάζουμε στους ετερώνυμους πόλους του μαγνήτη. Στη συνέχεια πλησιάζουμε τους δύο μαγνήτες φτιάχνοντας έναν μαγνήτη. Τι παρατηρείται; 4) Πάνω σε ένα τραπέζι βάζουμε έναν από τους μαγνήτες και οριζοντίως πάνω σ' αυτόν μια γυάλινη πλάκα. Ρίχνουμε πάνω στην πλάκα ρινίσματα σιδήρου (σιδερόσκονη) και κτυπάμε ελαφρά με το δάκτυλο μας. Τι παρατηρείται;

3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ 51 ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ (5 λεπτών) Α) Αναφέρατε δύο τρόπους μαγνήτισης και απομαγνήτισης υλικών. Β) Να γράψετε τους τύπους που μας δίνουν το μέτρο της έντασης του μαγνητικού πεδίου. i) Στο κέντρο κυκλικού ρευματοφόρου αγωγού. ii) Σε απόσταση r από ευθύγραμμο ρευματοφόρο αγωγό απείρου μήκους. iii) Στο κέντρο του σωληνοειδούς και πάνω στον άξονά του.

52 3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ A) Που οφείλονται οι μαγνητικές ιδιότητες της ύλης; Β) Ευθύγραμμος ρευματοφόρος αγωγός απείρου μήκους διαρρέεται από ρεύμα I. Το μέτρο της έντασης του μαγνητικού πεδίου σε απόσταση r απο τον αγωγό είναι: α) αντιστρόφως ανάλογο του I β) ανάλογο του I 2 γ) ανάλογο του I. δ) ανάλογο της απόστασης r. ε) αντιστρόφως ανάλογο της απόστασης r. Γ) Σωληνοειδές διαρρέεται από ρεύμα έντασης I έχει μήκος l=2m και 5 σπείρες/cm. Να υπολογιστεί η ένταση του ρεύματος που διαρρέει το σωληνοειδές αν η ένταση του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο του σωληνοειδούς έχει μέτρο Β=2π10" 3 Τ.

3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ 53 2 η Διδακτική ενότητα 3.3.3. Ηλεκτρομαγνητική δύναμη 3.3.4. Η ύλη μέσα στο μαγνητικό πεδίο Στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της υποενότητας αυτής οι μαθητές θα πρέπει να γνωρίζουν: > ότι σε κάθε ευθύγραμμο ρευματοφόρο αγωγό που θα βρεθεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο, ασκείται πάνω του δύναμη Laplace. > πώς βρίσκουμε τη φορά της δύναμης Laplace; > πότε γίνεται μέγιστη και πότε ελάχιστη; > τον ορισμό της έντασης του ομογενούς μαγνητικού πεδίου και της μονάδας Tesla. > πώς αποδεικνύεται ο τύπος που μας δίνει την δύναμη μεταξύ παράλληλων ρευματοφόρων αγωγών. > τον ορισμό της μονάδας Ampere. > τον ορισμό της μαγνητικής διαπερατότητας. > τι θα συμβεί αν μέσα σε μαγνητικό πεδίο φέρουμε ένα μαγνητίσιμο υλικό. Π.χ. μαλακό σίδηρο. >- τι είναι ο ηλεκτρομαγνήτης και που βρίσκει εφαρμογές. Διδακτικές ενέργειες - Επισημάνσεις Όταν ο αγωγός είναι έξω από το μαγνητικό πεδίο δεν δέχεται δύναμη Laplace. Η δύναμη Laplace μηδενίζεται όταν ο αγωγός γίνει παράλληλος στις δυναμικές γραμμές. Η φορά της δύναμης Laplace βρίσκεται με τον κανόνα των τριών δακτύλων του δεξιού χεριού η με την τεχνική της δεξιάς παλάμης.

54 3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ Ένας ευθύγραμμος ρευματοφόρος αγωγός απείρου μήκους δημιουργεί γύρω του μαγνητικό πεδίο. Ένας άλλος ρευματοφόρος αγωγός που θα βρεθεί μέσα στο μαγνητικό πεδίο δέχεται δύναμη. Το ίδιο θα ισχύει τώρα και για τον πρώτο αγωγό αφού θα βρεθεί μέσα στο μαγνητικό πεδίο του δεύτερου αγωγού. Όταν οι δύο παράλληλοι ρευματοφόροι αγωγοί διαρρέονται από ομόρροπα ρεύματα έλκονται ενώ όταν διαρρέονται από αντίρροπα απωθούνται. To Ampere ορίζεται με τη βοήθεια της δύναμης μεταξύ των παράλληλων ρευματοφόρων αγωγών. Όλα τα υλικά όταν βρεθούν μέσα στο μαγνητικό πεδίο δέχονται από αυτό δύναμη. Τα όργανα με μαλακό σίδηρο μετρούν ρεύματα που η φορά της παραμένει σταθερή. Τα όργανα με στρεφόμενο πλαίσιο μετρούν και ρεύματα που η φορά τους αλλάζει. Προτεινόμενες δραστηριότητες Ερωτήσεις: 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51. Ασκήσεις: 27, 28, 29, 40, 31, 32, 35, 38, 39, 40, 42. Δραστηριότητα Γύρω από ένα κομμάτι σιδήρου τυλίξτε ένα μονωμένο καλώδιο. Τα άκρα του καλωδίου τα συνδέουμε με μια μπαταρία. Φτιάχνουμε έτσι έναν ηλεκτρομαγνήτη. Διαπιστώνουμε την επιτυχία της δραστηριότητας πλησιάζοντας κοντά στον ηλεκτρομαγνήτη μια πυξίδα ή ρινίσματα σιδήρου.

3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ 55 Α) Πώς πρέπει να τοποθετηθεί ένας ευθύγραμμος ρευματοφόρος αγωγός σε σχέση με τις δυναμικές γραμμές ομογενούς μαγνητικού πεδίου ώστε το μέτρο της δύναμης που δέχεται από το μαγνητικό πεδίο α) Να είναι μηδέν. β) Να είναι μέγιστη. γ) Να είναι ίση με τη μισή της μέγιστης. Β) Να αποδειχθεί ο τύπος που μας δίνει το μέτρο της δύναμης μεταξύ δύο ευθύγραμμων παράλληλων ρευματοφόρων αγωγών απείρου μήκους. Γ) Ευθύγραμμος οριζόντιος ρευματοφόρος αγωγός μήκους l=2m ισορροπεί μέσα οριζόντιο ομογενές μαγνητικό πεδίου έντασης Β=10" 3 Τ οι δυναμικές γραμμές του οποίου είναι κάθετες στον αγωγό. Αν η ένταση του ρεύματος είναι 1 = 1 OA να βρείτε: α) Το μέτρο της δύναμης Laplace. β) Η μάζα του αγωγού. γ) Η ένταση του ρεύματος ώστε ο αγωγός να κινείται προς τα πάνω με επιτάχυνση a=g/3 Δίνεται g=10m/s 2.

56 3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ 3 η Διδακτική ενότητα 3.3.6. Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή Στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της υποενότητας αυτής οι μαθητές θα πρέπει να γνωρίζουν: >- τον ορισμό της μαγνητικής ροής. >- τη φυσική σημασία της μαγνητικής ροής. >- πως εξηγείται το φαινόμενο της επαγωγής; > το νόμο της επαγωγής. > τι είναι το επαγωγικό ρεύμα. >- τον κανόνα του Lenz. > το νόμο του Neumann. Διδακτικές ενέργειες Η μαγνητική ροή είναι μέγεθος μονόμετρο, γίνεται μέγιστη όταν η επιφάνεια είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές και μηδέν όταν η επιφάνεια γίνει παράλληλη στις δυναμικές. Στον τύπο Φ=Β8συνφ όπου φ είναι η γωνία που σχηματίζουν οι δυναμικές γραμμές με το κάθετο διάνυσμα στην επιφάνεια. Όταν μεταβάλλεται με οποιονδήποτε τρόπο η μαγνητική ροή που διέρχεται από ένα κύκλωμα αναπτύσσεται ΗΕΔ επαγωγής. Το πρόσημο του τύπου ε = ΔΦ Δί μας αν η μόνη πηγή στο κύκλωμα είναι η ε επ. δεν θα το λαμβάνουμε υπόψη Όταν ράβδος κινείται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο κάθετα στις δυναμικές τότε δημιουργείται ΗΕΔ με ε=βυι.

3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ 57 Όταν η ταχύτητα του αγωγού μεταβάλλεται τότε η σχέση ε=βυι μας δίνει την ΗΕΔ. Για την αντίστοιχη τιμή της ταχύτητας υ. Η μέση τιμή της ΗΕΔ θα είναι ε ΙδφΙ At Δραστηριότητα Παίρνουμε ένα πηνίο 300 σπειρών. Συνδέουμε τα άκρα του με ένα γαλβανόμετρο μηδενός. Παίρνουμε ένα ραβδόμορφο μαγνήτη και τον πλησιάζουμε προς το εσωτερικό του πηνίου. Τι παρατηρείται όταν ο μαγνήτης είναι ακίνητος κινείται αργά, κινείται γρήγορα προς τα μέσα ή προς τα έξω. Ερωτήσεις Α) Ερμηνεύστε τη δημιουργία επαγωγικής τάσης. Β) Από τι εξαρτάται η φορά απόκλισης του γαλβανόμετρου. Γ) Αν μας δώσουν έναν ισχυρό και έναν ασθενή μαγνήτη και ένα πηνίο με 800 και 3000 σπείρες με ποιο συνδυασμό παίρνουμε μεγαλύτερη επαγωγική τάση.

58 3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ (5 λεπτών) Α) Τετράγωνο πλαίσιο πλευράς α= 10cm τοποθετείται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο ένταση μέτρου Β=10' 2 Τ. Να βρείτε τη ροή που περνά από πλαίσιο όταν: α) Είναι κάθετο στις δυναμικές γραμμές. β) Το πλαίσιο σχηματίζει γωνία 0 με την διεύθυνση του πεδίου. γ) Το πλαίσιο σχηματίζει γωνία 30 με την διεύθυνση του πεδίου. Β) Τι λέει ο νόμος του Lenz τίνος απόρροια είναι;

3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ 59 ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ (15 λεπτών) Α. Να αντιστοιχίσετε τα φυσικά μεγέθη με τις μαθηματικές τους εκφράσεις. Ένταση επαγωγικού ρεύματος Β\(,, 2\ Επαγωγική ταση k M Ένταση μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό σωληνοειδούς Ι< μ r 2πΙ Ένταση μαγνητικού πεδίου Ν στο κένρο κυκλικου αγωγού Ι< μ 4π 1 Επαγωγικό φορτίο ΔΦ At Δύναμη Laplace Ένταση μαγνητικού πεδίου ευθύγραμμου ρευματοφόρου ε R ΔΦ αγωγού μεγάλου μήκους σε απόσταση r από αυτόν Β. Να διατυπώσετε το νόμο της επαγωγής.

60 3.3. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΙ Γ. Φ( Wb) 0,2 Us) Ένα τετράγωνο πλαίσιο έχει αντίσταση R = 10Ω και βρίσκεται κάθετα στις δυναμικές γραμμές ομογενούς μαγνητικού πεδίου η ροή του οποίου μεταβάλλεται με το χρόνο όπως φαίνεται στην εικόνα. Να γίνει το διάγραμμα α) της ΗΕΔ. με το χρόνο και β) του επαγωγικού ρεύματος με το χρόνο.

4.1. ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ 61 4.1. Μηχανικές ταλαντώσεις Διάγραμμα ροής: ΕΝΟΤΗΤΑ 4.1.: Μηχανικές ταλαντώσεις ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 1 4.1.1. Περιοδικά φαινόμενα ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 2 4.1.2. Γραμμική Αρμονική Ταλάντωση με ελατήριο ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 3 4.1.3, Απλό εκκρεμές ι I I Ενδεικτικές διδακτικές ώρες: 3 Ενδεικτικές διδακτικές ώρες: 1 Εργαστηριακές ασκήσεις Ενδεικτικές διδακτικές ώρες: 2 Προτείνεται η εργαστηριακή άσκηση 7: "Μελέτη του συστήματος ελατήριο - σώμα" να πραγματοποιηθεί κατά τη διάρκεια διδασκαλίας της 2 ης διδακτικής ενότητας και η εργαστηριακή άσκηση 5 "Προσδιορισμός της επιτάχυνσης της βαρύτητας με τη βοήθεια του απλού εκκρεμούς" κατά τη διάρκεια διδασκαλίας της 3 ης διδακτικής ενότητας. Βιβλιογραφία Κ. Αλεξόπουλου - Δ. Μαρίνου: "Μηχανική - Ακουστική - Θερμότης" έκδοση 1973 σελ. 162-173. PSSC έκδοση 1992 σελ. 81-85. Α. Ζενάκου - Ν. Δεκάτη - Α. Σχοινά: "Φυσική Γ Γυμνασίου" έκδοση 1994 σελ. 59-63. Α. Κασσέτα: "Φυσική διδάσκω" έκδοση 1996 σελ. 171-175. I. Μπουρούτη: "Πειράματα Φυσικής" έκδοση 1984, Μηχανική πείραμα 30ο και Κυματική πειράματα 1ο και 2ο.

62 4.1. ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ 1η Διδακτική ενότητα 4.1.1. Περιοδικά φαινόμενα 2 ώρες Διδακτικοί στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της ενότητας ο μαθητής να μπορεί: > να αναφέρει παραδείγματα περιοδικών φαινομένων > να αναφέρει παραδείγματα ταλαντώσεων >- να μετρά την περίοδο μιας ταλάντωσης > να συσχετίζει την περίοδο μιας ταλάντωσης με τη συχνότητάς της Διδακτικές ενέργειες - Επισημάνσεις Βασικά σημεία της ενότητας είναι τα περιοδικά φαινόμενα, οι ταλαντώσεις, η περίοδος και η συχνότητά τους. Προτείνεται η χρήση παραδειγμάτων και πειραμάτων για την προσέγγιση της έννοιας των περιοδικών φαινομένων και των ταλαντώσεων. Προτείνεται επίσης να τονισθεί στους μαθητές ότι η συχνότητα και η περίοδος είναι διαφορετικά φυσικά μεγέθη. Προτεινόμενες δραστηριότητες μαθητών Ερωτήσεις: 1, 2, Συνθετικές εργασίες: μέτρηση της περιόδου απλού εκκρεμούς, μέτρηση της περιόδου συστήματος σώματος - ελατηρίου, υπολογισμός των συχνοτήτων των προηγούμενων ταλαντώσεων.

4.1. ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ 63 2η Διδακτική ενότητα 4.1.2. Γραμμική Αρμονική Ταλάντωση με ελατήριο 3 ώρες Διδακτικοί στόχοι Στο τέλος της διδασκαλίας της ενότητας ο μαθητής να μπορεί: >- να αναφέρει τις απαραίτητες προϋποθέσεις ώστε ένα σώμα να εκτελεί Γ.Α.Τ. > να υπολογίζει την απομάκρυνση, την ταχύτητα και την επιτάχυνση ενός σώματος που εκτελεί Γ.Α.Τ., σε δεδομένη χρονική στιγμή >- να παριστάνει γραφικά τα προηγούμενα μεγέθη σε συνάρτηση με τον χρόνο > να διακρίνει μεταξύ τους τις διάφορες μορφές ενέργειας που έχει ένα σώμα όταν εκτελεί Γ.Α.Τ. και να αναφέρει πότε αυτές παίρνουν ακρότατες τιμές >- να αναφέρει από τι εξαρτάται και ποια η περίοδος του συστήματος ελατήριο - σώμα > να περιγράφει και να εκτελεί πείραμα για την επιβεβαίωση της προηγούμενης εξάρτησης Διδακτικές ενέργειες - Επισημάνσεις Βασικά σημεία της ενότητας είναι η γραμμική αρμονική ταλάντωση συστήματος ελατηρίου - σώματος, οι εξισώσεις κινηματικών και ενεργειακών μεγεθών καθώς και τα αντίστοιχα διαγράμματα και ο θεωρητικός και πειραματικός προσδιορισμός της περιόδου. Προτείνεται η προσέγγιση των προηγούμενων σημείων να γίνει πειραματικά Προτείνεται επίσης, λόγω της σύγχυσης που μπορεί να προκληθεί στους μαθητές, να τονισθεί ότι η ενέργεια ταλάντωσης, η δυναμική ενέργεια ταλάντωσης και η δυναμική ενέργεια ελατηρίου είναι, κατ' αρχήν, διαφορετικές μεταξύ τους.