1 Plánovanie a vynachádzanie elektrických obvodov Franz Kranzinger Odporúčaný ročník 8. 9. Časový rámec Názov tematického celku 2 45 min. Ciele a rozvoj kompetencií Cieľom tejto vyučovacej hodiny je, aby žiaci porozumeli pojmom intenzita elektrického prúdu a elektrické napätie. Okrem toho si prehĺbia získané vedomosti. Medzipredmetové vzťahy Matematika Fyzika
2 Drevo, kovy a plasty 6 Teoretický úvod Základy elektrických obvodov a uvedenie pojmov intenzita elektrického prúdu a elektrické napätie. tejto časti najprv uvedieme tie súčasti elektrických obvodov, ktoré sú relevantné pre nasledujúcu prácu. Potom vysvetlíme základy pojmov intenzita elektrického prúdu a elektrické napätie. K tejto téme zadáme žiakom a žiačkam úlohy. batéria Najjednoduchší elektrický obvod pozostáva z vodiča (kábla), elektrického zdroja (batérie) a spotrebiča (žiarovky). Jednotlivé časti môžu byť zapojené sériovo alebo paralelne. žiarovka Elektrickým obvodom prúdi elektrické napätie. Intenzita elektrického prúdu udáva rýchlosť, ako toto napätie prúdi. Znamená to, že čím viac napätia preteká v danom čase istým miestom vodiča, tým je elektrický prúd intenzívnejší. zorec intenzita elektrického prúdu I = Jednotka [I] = 1 = c s prenesený elektrický náboj Q čas t hodná je tu analógia s intenzitou vodného toku. Čím viac vody teda v istom čase preteká istým miestom hadice, tým je tok vody intenzívnejší. ([2], str. 8). Na to, aby sme zistili, ako sa intenzita elektrického prúdu správa v prípade paralelného, resp. sériového zapojenia, musíme poznať Prvý Kirchhoffov zákon (zákon o uzloch). Uzly sú miesta, na ktorých sa musí elektrický prúd deliť. Podľa tohto zákona sa musí súčet všetkých prúdov vstupujúcich do uzla rovnať súčtu prúdov, ktoré z uzla vystupujú. Príklad I g = I1 + I2 + I3 o vyššie uvedenom príklade sériového zapojenia nie je prítomný žiadny uzol, preto je hodnota intenzity elektrického prúdu I na každom mieste elektrického obvodu rovnaká. Je to tak preto, lebo v elektrickom obvode sa žiadne napätie nestráca. o vyššie uvedenom príklade paralelného zapojenia sa intenzita elektrického prúdu v miestach uzlov delí rovnakým dielom (I g = I1 + I2) a steká potom na miestach dvoch uzlov opäť dohromady (I1 + I2 = I g). Pohonom elektrického prúdu je elektrické napätie (jednotka ). Zodpovedá rozdielu potenciálov Δφ. Opisuje rozdiel medzi vysokým potenciálom (kladný pól) a nízkym potenciálom (záporný pól). Dá sa porovnať s výškovým rozdielom vodného toku.
6.1 Plánovanie a vynachádzanie elektrických obvodov 3 voda na vysokom potenciáli výškový rozdiel, napr. h = 4,5 m čerpadlo vodné koleso napätie, napr. U = 4,5 Obr. 1 Porovnanie vodného kolesa a elektrického obvodu (obrázok vodného kolesa pochádza z nasledovného zdroja: www.zum.de/dwu/depot/pek001k. gif (04. 12. 2016)) Pri určovaní elektrického napätia na rôznych miestach je vhodné rôznymi farbami vyznačiť rôzne hodnoty elektrického napätia (pozri obrázok 2). U = 18 U = 12 šetky žiarovky musia byť rovnaké! U = 18 U = 12 Obr. 2 yužitia rôznofarebného označenia rôznych hodnôt elektrického napätia (obrázok pozmenený podľa prednášky E_Lehre_Grundlagen, Theis (2013)).
4 Drevo, kovy a plasty 6 Metodická časť pre učiteľa Jednoduchý elektrický obvod najlepšie žiakom predstavíte analógiou s vodným kolesom. Porovnanie môže byť teoretické (pozri odkaz: http://nibis. ni.schule.de/~ursula/physik/elehre/wasserkreislauf.htm). Druhá možnosť je rozdať žiačkam a žiakom materiál a zadať im úlohu rozsvietiť žiarovku. Potom môžete diskutovať, aký materiál potrebovali, ako museli byť jednotlivé súčasti vzájomne zapojené, aké úlohy jednotlivé súčasti plnia. Intenzitu elektrického prúdu je najvhodnejšie uviesť tak, že žiakov vyzvete, aby vlastnými slovami opísali pojem intenzita vodného toku a pokúsili sa svoj opis vyjadriť matematickým vzťahom. Potom môžete v moderovanej diskusii prirovnať intenzitu vodného toku k intenzite elektrického prúdu. Na záver by mali žiaci odmerať intenzitu elektrického prúdu pri sériovom/paralelnom zapojení na rôznych miestach elektrického obvodu a z merania odvodiť jej správanie. Elektrické napätie predstavuje pohon elektrického prúdu. j tu platí analógia s tokom vody. Tieto témy môžeme so žiakmi spracovať v rozhovore alebo metódou Think-Pair-Share. Zákonitosti elektrického napätia pri paralelnom a sériovom zapojení by mali žiaci odvodiť na základe meraní v rôznych elektrických obvodoch. lternatíva 1 Okrem toho, že žiaci môžu merať skutočné hodnoty, môžete použiť aj stimulátor, napríklad značky Yenka (http://www.yenka.com/de/home/). lternatíva 2 Pri znázornení základných pojmov elektroniky môžete v rámci vyučovania použiť mnoho modelov. aktuálnej didaktickej diskusii sa spomína napríklad model bicyklovej reťaze, rôzne výškové modely a analógia k tlakovým rozdielom. Pri tejto téme opakovane využívame analógiu s vodným kolesom. Preto by mali žiaci poznať prácu s modelovými predstavami. Žiaci by mali už na začiatku práce s touto témou poznať význam elektrického napätia a elektrického prúdu. Okrem toho musí vyučujúci žiakom vysvetliť, ako sa meria intenzita elektrického prúdu a napätie. Žiaci by mali byť oboznámení so skupinovou prácou na pokusoch a s vyhodnocovaním nameraných dát.
6.1 Plánovanie a vynachádzanie elektrických obvodov 5 ktivita 1 Intenzita elektrického prúdu na rôznych miestach elektrického obvodu ktivita 1a skupinová práca Zostavte pokus zahŕňajúci prvé dve schémy a zmerajte intenzitu elektrického prúdu na rôznych miestach. Čo ste zistili? 1. obvod Intenzita elektrického prúdu je na všetkých miestach rovnaká. 2. obvod bodoch a D (napríklad 8) je intenzita elektrického prúdu rovnaká. uzloch sa intenzita elektrického prúdu rovnomerne rozdelí (napríklad, ak sú žiarovky rovnaké, v B platí I = 4 a v C platí I = 4) Dokážete sformulovať všeobecne platný zákon o intenzite elektrického prúdu? Intenzita elektrického prúdu je pre všetky žiarovky sériového zapojenia rovnaká. Platí: Pokyny a riešenia I ges = I1 = I2 = I3 = I n Pri paralelnom zapojení sa intenzita elektrického prúdu rovnomerne rozdelí do jednotlivých vetiev. Žiarovky musia byť rovnaké. Platí: I ges = I1 + I2 + I3 + + I n ktivita 1b individuálna práca I1 = I2 + I3; I1 = 0,30 + 0,700 = 1,0 I5 = I3 I4; I5 = 700 m 200 m = 500 m ktivita 2 Elektrické napätie ktivita 2a skupinová práca Zostavte pokus zahŕňajúci prvé dve schémy a zmerajte napätie U. Čo ste zistili? Dokážete sformulovať všeobecne platný zákon o určení napätia U? Pri paralelnom zapojení je elektrické napätie U v jednotlivých vetvách identické. Platí: U ges = U1 = U2 = U3 = U n Pri sériovom zapojení sa hodnoty napätia jednotlivých zdrojov sčítajú. Platí: U ges = U1 + U2 + U3 + + U n Zakreslite dané modely vodného kolesa, resp. chýbajúcu schému. schémach 1 3 sú zdroje napätia identické. schéme číslo 4 sú zdroje napätia rozdielne.
6 Drevo, kovy a plasty 6 Pokyny a riešenia Model vodného kolesa Schémy
7Pokyny a riešenia 6.1 Plánovanie a vynachádzanie elektrických obvodov ktivita 2b individuálna práca Zdroj Kowalski, K. (2014): Das elektrische Potential. URL: https://wiki.zum.de/ wiki/das_elektrische_ Potential s licenciou: http://creativecommons. org/licenses/by-sa/3.0/ legalcode Použité materiály a odkazy 1 Gau, B. Hoche, D. Küblbeck, J. Meyer, L. Schmidt, G. D. (2006): Duden Physik Gymnasium Baden Württemberg Band 1: 7./8. Schuljahr. Duden Schulbuch. 2 Hettrich, M. (2013): Elektrizitätslehre I Klasse 8 (G8) nach den BiSt 2004 (unveröffentlichtes Skript)
8 Drevo, kovy a plasty 6 ➋ Pracovný list ktivita 1a Intenzita elektrického prúdu na rôznych miestach elektrického obvodu Skupinová práca Zostavte elektrické obvody podľa prvých dvoch schém a zmerajte intenzitu elektrického prúdu na ich rôznych miestach. Čo ste zistili? Pokúste sa sformulovať všeobecne platné pravidlo merania intenzity elektrického prúdu. B C D
6.1 Plánovanie a vynachádzanie elektrických obvodov 9 ktivita 1b Intenzita elektrického prúdu na rôznych miestach elektrického obvodu ➋ Individuálna práca Dané je I2 = 0,30 I3 = 700 m I4 = 0,200 ypočítajte chýbajúcu intenzitu elektrického prúdu I1. I1 I3 Pracovný list I2 I4 I5
10 Drevo, kovy a plasty 6 ➌ Pracovný list ktivita 2a Elektrické napätie Skupinová práca Zostavte elektrické obvody podľa prvých dvoch schém a zmerajte napätie U. Čo ste zistili? Pokúste sa sformulovať všeobecne platné pravidlo merania elektrického napätia U. Zakreslite zodpovedajúce modely vodného kolesa, resp. chýbajúce schémy.
6.1 Plánovanie a vynachádzanie elektrických obvodov 11 Model vodného kolesa Schémy ➌ Pracovný list
12 Drevo, kovy a plasty 6 ➌ ktivita 2b Elektrické napätie Individuálna práca Pracovný list nasledujúcich schémach zafarbite rovnakou farbou oblasti s rovnakou hodnotou potenciálu. 1. 6. 2. 7. 3. 8. 4. 9. 5. Potom, ako ste farebne označili rôzne elektrické potenciály, je vašou úlohou vypočítať v uvedených schémach dané hodnoty. Žiarovky sú všetky rovnaké a každý zdroj napätia dodáva U = 12.