Στέλιος Καραγιάννης
Σενάριο μαθησιακής διαδικασίας με χρήση λογισμικού
εικονικού εργαστηρίου.
Θέμα Διερεύνησης: Μεταβολή
της τάσης συναρτήσει του ρεύματος στον Νόμο του Ωμ.
Αντικείμενο της συγκεκριμένης
δραστηριότητας είναι να διερευνήσουν οι μαθητές μας τις
μεταβολές του ρεύματος συναρτήσει της
τάσης στο νόμο του Ωμ I= U/R.
Χρησιμοποιείται το εκπαιδευτικό
λογισμικό
ΣΤΟΧΟΙ
Γνωστικό Αντικείμενο
Επιδιώκουμε οι εκπαιδευόμενοι:
- Να κατανοήσουν την σχέση
μεταξύ των υπεισερχομένων παραμέτρων τάσης, ρεύματος και αντίστασης στο
νόμο του Ωμ.
- Να διεξάγουν μετρήσεις μέσω
του λογισμικού με συνέπεια και μεθοδικότητα.
Ο νόμος του Ωμ (Ohm) σε εικονικό κύκλωμα.
Είναι ένα μάθημα στο οποίο οι μαθητές οδηγούνται να συμπεράνουν το νόμο του Ωμ κατασκευάζοντας ένα εικονικό κύκλωμα και παίζοντας με τις μεταβλητές της τάσης και της έντασης.Χρησιμοποιείται ο κατασκευαστής κυκλωμάτων που περιέχεται στις εκπαιδευτικές εφαρμογές της ιστοσελίδας του Πανεπιστημίου του Κολοράντο: http://phet.colorado.edu/get_phet/simlauncher.php. Από τον κατάλογο επιλέγεται η εφαρμογή "Cirquit Construction Kit" (CCK), η οποία είναι μια εφαρμογή Java.
Η χρήση εικονικού κυκλώματος δεν προκρίνεται εις βάρος του πραγματικού κυκλώματος. Το μάθημα σε αυτή τη μορφή συνιστάται για μια πρώτη επαφή του μαθητή με το ηλεκτρικό κύκλωμα, για εικονική αποτύπωση της συνδεσμολογίας, για ευκολία στη χρήση, για οικονομία χρόνου και για καλύτερο έλεγχο της τάξης. Περαιτέρω, η επικύρωση των αποτελεσμάτων του νόμου του Ωμ σε πραγματικό κύκλωμα βοηθάει το μαθητή να αποκτήσει ψυχοκινητικές δεξιότητες τις οποίες το εικονικό εργαστήριο δεν μπορεί να διδάξει.
Για τη ροή του μαθήματος δίνονται τα εξής βοηθήματα:
Ο οδηγός του καθηγητή. Περιλαμβάνει τις απαντήσεις στο φύλλο εργασίας και πρακτικές οδηγίες προς τον καθηγητή.
Το φύλλο εργασίας του μαθητή. Φύλλο εργασίας του μαθητή που παρακολουθεί ή εκτελεί τις εντολές στο εικονικό κύκλωμα.
Η παρουσίαση "Οι αντιστάτες και τα άλλα ηλεκτρικά δίπολα". Αρχείο του PowerPoint για τη διάκριση ανάμεσα στους αντιστάτες και τα άλλα ηλεκτρικά δίπολα.
Όνομα και επώνυμο: ……………………………………………………………..
Τόπος και ημερομηνία: …………………………………………………………..
1. Εισαγωγική δραστηριότητα (σύνδεση με τα προηγούμενα)
Συμπλήρωσε τα κενά στο παρακάτω κείμενο:
Ένα ηλεκτρικό δίπολο είναι μια ……………………. συσκευή που διαθέτει
δύο ………………. Όταν αυτοί συνδεθούν σε κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα, το δίπολο
διαρρέεται από ρεύμα και μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ………………… μορφής
ενέργεια. Η ένταση του ρεύματος (Ι) που διαρρέει το δίπολο εξαρτάται από την
ηλεκτρική ………………… (V) που
εφαρμόζεται στους …………… του.
Ηλεκτρική αντίσταση (R) ενός διπόλου ονομάζεται το πηλίκο
της ……………………………………… που εφαρμόζεται στα άκρα του προς την ………………………………………. που
το διαρρέει. Δηλαδή, ισχύει:
2. Μελέτη του
μεταλλικού αγωγού, νόμος του Ohm.
Στο εικονικό εργαστήριο παρατηρείς ότι περιλαμβάνονται ηλεκτρική πηγή, ένας
μεταλλικός αγωγός που λέγεται αντιστάτης, αμπερόμετρο και διακόπτης στη
σειρά. Ένα βολτόμετρο συνδέεται παράλληλα με τον αντιστάτη. Αναπαράστησε το
ηλεκτρικό κύκλωμα χρησιμοποιώντας τα γνωστά σύμβολα (εικόνα 2.22 του σχολικού
βιβλίου):
Στο εικονικό εργαστήριο θα μεταβάλλονται οι τιμές της τάσης της πηγής και
θα μετράμε την τάση στα άκρα του διπόλου (V) καθώς και την ένταση του ρεύματος
(I) που το
διαρρέει. Τις τιμές τάσης και έντασης θα συμπληρώνεις στον πίνακα που
ακολουθεί. Την τελευταία στήλη, που παριστάνει τις τιμές της αντίστασης θα τις
συμπληρώσεις υπολογιστικά με τη βοήθεια της εξίσωσης που έγραψες στην πρώτη
δραστηριότητα.
|
Μέτρηση
|
Τάση (V)
|
Ένταση (Α)
|
Αντίσταση (Ω)
|
|
1
|
|
|
|
|
2
|
|
|
|
|
3
|
|
|
|
|
4
|
|
|
|
|
5
|
|
|
|
|
6
|
|
|
|
Τι παρατηρείς για την αντίσταση;
…………………………………………………………………………………………………………….
Με βάση τις τιμές του παραπάνω πίνακα, σχεδίασε τη γραφική παράσταση της
έντασης του ρεύματος που διαρρέει το μεταλλικό αγωγό συναρτήσει της τάσης που
εφαρμόζεται στα άκρα του.
|
Ένταση
ρεύματος (Α)
|
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
2 4 6
8 10 12
14 16 18
|
|||||||||||
|
Τάση (V)
|
|||||||||||
Η συνάρτηση είναι της μορφής (κύκλωσε την κατάλληλη συνάρτηση και διάγραψε
τις άλλες):
- y = ax
- y = ax2
- y = a/x
- y = ax + b όπου b≠0.
επειδή η καμπύλη είναι ……………………………………. και διέρχεται από ………….
……………………………………………………..
3. Το μάθημα με δύο λόγια
Ο νόμος του Ohm λέει:
Αυτό
μπορεί να γραφεί: 
- To R στο νόμο
αυτό είναι σταθερό, εφόσον το δίπολο είναι ένας μεταλλικός αγωγός ή
αντιστάτης και η θερμοκρασία παραμένει σταθερή.
- Όσο πιο
μεγάλη η αντίσταση του μεταλλικού αγωγού, τόσο πιο …………. η ένταση του
ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό για ορισμένη τάση.
4. Ισχύει ο νόμος του Ohm για κάθε
ηλεκτρικό δίπολο;
Παρακολούθησε την παρουσίαση του διδάσκοντος
5. Πρόβλεψη της
έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος και επιβεβαίωσή της στο εικονικό εργαστήριο
Έστω ένας μεταλλικός αγωγός (αντιστάτης), που έχει αντίσταση ……Ω, ο οποίος
συνδέεται σε κύκλωμα όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Να υπολογίσεις την ένταση
του ρεύματος που διαρρέει τον μεταλλικό αγωγό όταν στα άκρα του εφαρμόζεται
τάση:
Α)
2 V,
B)
5V και
Γ)10V.
|
Μέτρηση
|
Αντίσταση (Ω)
|
Τάση (V)
|
Ένταση (Ι = V/R σε Α)
|
|
1
|
|
2
|
|
|
2
|
5
|
|
|
|
3
|
10
|
|
Κατασκεύασε στο εικονικό εργαστήριο το κύκλωμα αυτό, και δοκίμασε αν οι
τιμές της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος είναι αυτές που υπολόγισες.
Ερωτήσεις, ασκήσεις για το σπίτι
Ερωτήσεις: 2γ, 2δ, 8. Ασκήσεις
4, 5.
- Χρήση Νέων Τεχνολογιών
Βασικοί στόχοι είναι:
- Να εκτελούν,
διαχειρίζονται και κατανοούν την λειτουργία ενός λογισμικού για την κατανόηση του Νόμου του Ωμ και
την πραγματοποίηση βασικών
μετρήσεων και ασκήσεων για την πλήρη μαθησιακή του προσπέλαση.
- Να χειρίζονται τη
διαδικασία εισαγωγής αριθμητικών δεδομένων και κατασκευής των διαγραμμάτων με τα ανάλογα
εργαλεία..
Μαθησιακή Διαδικασία
Βασικοί Στόχοι είναι η άσκηση
των μαθητών στην
- Διεξαγωγή μετρήσεων μέσω
του λογισμικού και συλλογή δεδομένων.
- Διατύπωση και έλεγχο
υποθέσεων.
- Ερμηνεία διαγραμμάτων και
εξαγωγή συμπερασμάτων.
Εργαλεία
Οι μαθητές χρησιμοποιούν το πιο
κάτω λογισμικό το νόμο του Ωμ του
πανεπιστημίου του Κολοράντο.
Τάξη: Β΄ ΕΠΑΛ
Προτεινόμενη πορεία διδασκαλίας
Γ΄ ΦΑΣΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗΣ
Οι μαθητές σε αυτήν την τελική φάση καλούνται να
παρουσιάσουν τη δουλειά τους ανά ομάδες
εργασίας με σκοπό να ενθαρρυνθεί ο διάλογος μεταξύ τους. Το παραδοτέο τους θα
είναι ο συμπληρωμένος πίνακας μετρήσεων στο φύλλο εργασίας. Στη συνέχεια ζητάμε
από τις ομάδες να ξανασκεφτούν τα βήματα που ακολούθησαν, να αναλογισθούν πάνω
σε αυτά που έκαναν μέχρι τώρα και να γράψουν
μια έκθεση για την δουλειά τους.
Διάρκεια
Η ακριβής διάρκεια της παραπάνω διερεύνησης εκτιμάται ότι
θα διαρκέσει ένα διδακτικό δίωρο.
ΟΔΗΓΟΣ
TOY ΚΑΘΗΓΗΤΗ
Όνομα και επώνυμο: ……………………………………………………………..
Τόπος και ημερομηνία, …………………………………
1. Εισαγωγική δραστηριότητα (σύνδεση με τα προηγούμενα)
Συμπλήρωσε τα κενά στο παρακάτω κείμενο:
Ένα ηλεκτρικό δίπολο είναι μια ηλεκτρική συσκευή που διαθέτει δύο πόλους. Όταν αυτοί συνδεθούν σε κλειστό
ηλεκτρικό κύκλωμα, το δίπολο διαρρέεται από ρεύμα και μετατρέπει την ηλεκτρική
ενέργεια σε άλλης μορφής ενέργεια. Η
ένταση του ρεύματος (Ι) που διαρρέει το δίπολο εξαρτάται από την ηλεκτρική τάση (V) που εφαρμόζεται στους πόλους του.
Ηλεκτρική αντίσταση (R) ενός διπόλου ονομάζεται το πηλίκο
της διαφοράς δυναμικού που
εφαρμόζεται στα άκρα του προς την ένταση του
ρεύματος που το διαρρέει. Δηλαδή, ισχύει:
2. Mελέτη του
μεταλλικού αγωγού, νόμος του Ohm.
Στο εικονικό εργαστήριο παρατηρείς ότι περιλαμβάνονται ηλεκτρική πηγή,
αντιστάτης, αμπερόμετρο και διακόπτης στη σειρά. Ένα βολτόμετρο συνδέεται
παράλληλα με τον αντιστάτη. Αναπαράστησε το ηλεκτρικό κύκλωμα χρησιμοποιώντας
τα γνωστά σύμβολα (εικόνα 2.22 του σχολικού βιβλίου):
Η επιφάνεια εργασίας του εικονικού
εργαστηρίου έχει διαμορφωθεί ως εξής:
 |
Επιλέγουμε τιμή αντίστασης για τον
αντιστάτη 2Ω και αρχική τάση στην πηγή 1V.
Στο εικονικό εργαστήριο θα μεταβάλλονται οι τιμές της τάσης της πηγής και
θα μετράμε την τάση στα άκρα του διπόλου καθώς και την ένταση του ρεύματος που
το διαρρέει. Τις τιμές τάσης και έντασης θα συμπληρώνεις στον πίνακα που
ακολουθεί. Προτείνονται οι εξής τιμές στην τάση
(ρύθμιση της τάσης πηγής) για να προκύψουν τιμές που να μπαίνουν εύκολα στη
γραφική παράσταση που ακολουθεί.
|
Μέτρηση
|
Τάση (V)
|
Ένταση (Α)
|
Αντίσταση (Ω)
|
|
1
|
1
|
0,5
|
2
|
|
2
|
2
|
1
|
2
|
|
3
|
4
|
2
|
2
|
|
4
|
10
|
5
|
2
|
|
5
|
16
|
8
|
2
|
|
6
|
20
|
10
|
2
|
Με βάση τις τιμές του παραπάνω πίνακα, σχεδίασε τη γραφική παράσταση της
έντασης του ρεύματος που διαρρέει το μεταλλικό αγωγό συναρτήσει της τάσης που
εφαρμόζεται στα άκρα του.
Τι παρατηρείς
για την αντίσταση;
Η αντίσταση παραμένει σταθερή.
Με βάση τις τιμές του παραπάνω πίνακα, σχεδίασε τη γραφική παράσταση της
έντασης του ρεύματος που διαρρέει το μεταλλικό αγωγό συναρτήσει της τάσης που
εφαρμόζεται στα άκρα του.
Η συνάρτηση είναι της μορφής (κύκλωσε την κατάλληλη συνάρτηση και διάγραψε
τις άλλες):
y = ax
y = ax2
y = a/x
y = ax + b όπου b≠0.
επειδή η καμπύλη είναι ευθεία γραμμή
και διέρχεται από την αρχή των αξόνων.
3. Το μάθημα με δύο λόγια
Ο νόμος του Ohm λέει:
Αυτό
μπορεί να γραφεί:
- To R στο νόμο
αυτό είναι σταθερό, εφόσον το δίπολο είναι ένας μεταλλικός αγωγός ή
αντιστάτης και η θερμοκρασία παραμένει σταθερή.
- Όσο πιο
μεγάλη η αντίσταση του μεταλλικού αγωγού, τόσο πιο μικρή η ένταση του ρεύματος που διαρρέει
τον αγωγό για ορισμένη τάση.
4. Ισχύει ο νόμος του Ohm για κάθε
ηλεκτρικό δίπολο;
Παρακολούθησε την παρουσίαση του διδάσκοντος.
5. Πρόβλεψη της
έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος και επιβεβαίωσή της στο εικονικό εργαστήριο
Έστω ένας μεταλλικός αγωγός (αντιστάτης), που έχει αντίσταση ……[ΠΣ1] Ω, ο οποίος συνδέεται σε κύκλωμα όπως φαίνεται
στο διπλανό σχήμα. Να υπολογίσεις την ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον
μεταλλικό αγωγό όταν στα άκρα του εφαρμόζεται τάση:
Α)
2 V,
B)
5V και
Γ)10V.
|
Μέτρηση
|
Αντίσταση (Ω)
|
Τάση (V)
|
Ένταση (Ι = V/R σε Α)
|
|
1
|
|
2
|
|
|
2
|
5
|
|
|
|
3
|
10
|
|
Κατασκεύασε στο εικονικό εργαστήριο το κύκλωμα αυτό, και δοκίμασε αν οι
τιμές της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος είναι αυτές που υπολόγισες.
[ΠΣ1] Σε κάθε ομάδα
εργασίας δίνεται διαφορετική τιμή αντίστασης.
