Федеральный Государственный образовательный стандарт основного общего и среднего общего образования предполагает приобретение обучающимися опыта применения научных методов познания, наблюдения природных явлений, проведения опытов, простых экспериментальных исследований, прямых и косвенных измерений с использованием аналоговых и цифровых измерительных приборов. Цифровая лаборатория Relab является одной из современных систем, способных обеспечить достижение обучающимися указанных в стандарте результатов. Ученики активно включаются в исследовательскую деятельность, самостоятельно решая поставленную задачу. Использование цифровой лаборатории Relab способствует формированию познавательного интереса, логического мышления, творческой самостоятельности, более ранней профессиональной ориентации обучающихся, позволяет устанавливать причинно-следственные связи, тренирует их навыки по выполнению инструкций, описывающих реальные экспериментальные действия.
В настоящее время невозможно представить жизнь без электричества. Оно уже давно и прочно вошло во все отрасли народного хозяйства и быт людей. Основное достоинство электрической энергии - относительная простота производства, передачи и преобразования. Течение тока в электрической цепи осуществляется по проводникам, в направлении от источника к потребителям. Обычно используются медные провода и электрические приемники в заданном количестве, обладающие различным сопротивлением. В зависимости выполняемых задач, в электрических цепях используется последовательное, параллельное и смешанное соединение проводников. При проектировании цепей, ремонте и обслуживании электрооборудования необходимо заранее учитывать особенности цепей и их отличия. Приведём пример использования цифровой лаборатории Relab при изучении законов последовательного, параллельного и смешанного соединения проводников в теме «Виды соединения проводников». Серия опытов позволяет наглядно и быстро установить законы соединений проводников с использованием датчика тока и датчика напряжения. Для каждого из видов соединения законы имеют разный вид, но согласуются с теоретическими данными.
Тема исследования «Изучение последовательного, параллельного и смешанного соединения с использованием цифровой лаборатории Relab».
Объектом исследования является электрический ток.
В качестве предмета исследования выступают сила тока, напряжение, сопротивление.
Целью исследования является проверка законов последовательного, параллельного, смешанного соединения проводников с использованием цифровой лаборатории Relab.
Задачи исследования:
- проверка законов последовательного, параллельного, смешанного соединения проводников с использованием датчика тока и датчика напряжения цифровой лаборатории Relab;
- обработка и анализ полученных материалов.
Дополнительное оборудование: источник тока, набор резисторов, ключ, соединительные провода.
Порядок проведения эксперимента:
1. Определение справедливости законов электрического тока при последовательном соединении проводников.
- В один из разъёмов мультидатчика ФИЗ-1 подключаются щупы датчика тока. Датчик тока подключается к USB разъёму планшетного компьютера.
- Собирается электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых источника тока, двух резисторов R1 и R2, ключа и датчика тока. Замыкается ключ. На компьютере открывается программа Relab Lite и запускается сбор данных кнопкой «Пуск» в течение 25 с (рис. 1) С помощью датчика тока определяется сила тока в первом резисторе, во втором резисторе и в общей цепи (рис. 2, рис 3).
Определение справедливости закона для силы тока I = I1 = I2 при последовательном соединении проводников
Рис. 1
Схемы электрических цепей для определения силы тока в различных участках цепи при последовательном соединении проводников
а) измерение силы тока I1 в первом резисторе
б) измерение силы тока I2 во втором резисторе
в) измерение силы тока I в общей цепи
Рис. 2
Проверка справедливости закона для силы тока I = I1 = I2 при последовательном соединении проводников
а) измерение силы тока I1 в первом резисторе
б) измерение силы тока I2 во втором резисторе
в) измерение силы тока I в общей цепи
Рис. 3
В другой разъём мультидатчика ФИЗ-1 подключаются щупы датчика напряжения. Вместо датчика тока в электрическую цепь включается датчик напряжения параллельно резисторам. С помощью датчика напряжения определяется напряжение на первом резисторе, на втором резисторе и на двух резисторах вместе (рис. 4, рис. 5, рис. 6).
Определение справедливости закона для электрического напряжения U = U1 + U2 при последовательном соединении проводников
Рис. 4
Схемы электрических цепей для определения напряжения на различных участках цепи при последовательном соединении проводников
а) измерение напряжения U1 на концах первого резистора
б) измерение напряжения U2 на концах второго резистора
в) измерение напряжения U на концах двух последовательно соединённых резисторов
Рис. 5
Проверка справедливости закона для электрического напряжения U = U1 + U2 при последовательном соединении проводников
а) измерение напряжения U1 на концах первого резистора
б) измерение напряжения U2 на концах второго резистора
в) измерение напряжения U на концах двух последовательно соединённых резисторов
Рис. 6
Используя закон Ома для участка цепи I = U/R, рассчитывается сопротивление первого резистора, второго резистора и общее сопротивление цепи при последовательном соединении.
Обобщаются результаты эксперимента: при последовательном соединении сила тока в общей цепи равна силе тока в её отдельных участках. Напряжение в общей цепи равно сумме напряжений на концах каждого участка. Сопротивление в общей цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков (табл. 1).
Таблица 1.
Значения силы тока, напряжения, сопротивления при последовательном соединении проводников
|
Сила тока |
Напряжение |
Сопротивление |
||||||
|
I1, А |
I2, А |
I, А |
U1, В |
U2, В |
U, В |
R1, Ом |
R2, Ом |
R, Ом |
|
0,24 |
0,24 |
0,24 |
2,40 |
1,30 |
3,70 |
10,00 |
5,42 |
15,42 |
2. Определение справедливости законов электрического тока при параллельном соединении проводников.
Два резистора R1 и R2 соединяются параллельно между собой и аналогичным образом сначала с помощью датчика тока определяются значения силы тока I1 в первом резисторе, I2 во втором резисторе и сила тока I в общей цепи (рис 7, рис. 8, рис. 9).
Определение справедливости закона для силы тока I = I1 + I2 при параллельном соединении проводников
Рис. 7
Схемы электрических цепей для определения силы тока в различных участках цепи при параллельном соединении проводников
а) измерение силы тока I1 в первом резисторе
б) измерение силы тока I2 во втором резисторе
в) измерение силы тока I в общей цепи
Рис. 8
Проверка справедливости закона для электрического тока I = I1 + I2 при параллельном соединении проводников
а) измерение силы тока I1 в первом резисторе
б) измерение силы тока I2 во втором резисторе
в) измерение силы тока I в общей цепи
Рис. 9
Затем с помощью датчика напряжения определяются значения напряжения U1 на концах первого резистора, напряжения U2 на концах второго резистора и напряжения U на концах двух резисторов (рис. 10, рис. 11, рис. 12).
Определение справедливости закона для электрического напряжения U = U1 = U2 при параллельном соединении проводников
Рис. 10
Схемы электрических цепей для определения напряжения на различных участках цепи при параллельном соединении проводников
а) измерение напряжения U1 на концах первого резистора
б) измерение напряжения U2 на концах второго резистора
в) измерение напряжения U на концах двух параллельно соединённых резисторов
Рис. 11
Проверка справедливости закона для электрического напряжения U = U1 = U2 при параллельном соединении проводников
а) измерение напряжения U1 на концах первого резистора
б) измерение напряжения U2 на концах второго резистора
в) измерение напряжения U на концах двух параллельно соединённых резисторов
Рис. 12
Используя закон Ома для участка цепи I = U/R, рассчитывается сопротивление первого резистора, второго резистора и общее сопротивление цепи при параллельном соединении.
Обобщаются результаты эксперимента: при параллельном соединении сила тока в общей цепи равна сумме силе токов в её отдельных участках. Напряжение в общей цепи равно напряжений на концах каждого участка. Сопротивление в общей цепи, состоящей из двух резисторов, меньше сопротивления каждого из резисторов, то есть складываются не прямые величины сопротивлений, а их обратные величины (табл. 2).
Таблица 2.
Значения силы тока, напряжения, сопротивления при параллельном соединении проводников
|
Сила тока |
Напряжение |
Сопротивление |
||||||
|
I1, А |
I2, А |
I, А |
U1, В |
U2, В |
U, В |
R1, Ом |
R2, Ом |
R, Ом |
|
0,30 |
0,50 |
0,80 |
3,00 |
3,00 |
3,00 |
10,00 |
5,42 |
3,52 |
3. Определение справедливости законов электрического тока при смешанном соединении проводников.
Одинаковые резисторы R1 соединяются так, чтобы образовывали три разные комбинации (рис. 13).
Схемы электрических цепей для определения силы тока в различных участках цепи при параллельном соединении проводников
а) опыт 1
б) опыт 2
в) опыт 3
Рис. 13
С помощью датчиков тока и напряжения измеряются электрические величины на каждом из участков смешанного соединения (рис. 14).
Измерение электрических величин на каждом из участков смешанного соединения
Рис. 14
Используя закон Ома для участка цепи I = U/R, рассчитывается сопротивление каждого из участков смешанного соединения.
Обобщаются результаты эксперимента: смешанное соединение проводников можно разделить на участки последовательного и параллельного соединения. Законы для силы тока, напряжения, сопротивления на каждом участке экспериментально подтверждаются (табл. 3, табл. 4, табл. 5).
Таблица 3.
Значения силы тока, напряжения, сопротивления в опыте 1 при смешанном соединении проводников
| № п/п |
Параллельно |
Последовательно |
Общее |
||
|
R1, Ом |
R1, Ом |
R11, Ом |
R1, Ом |
R, Ом |
|
|
I, А |
0,12 |
0,12 |
0,24 |
0,24 |
0,24 |
|
U, В |
1,20 |
1,20 |
1,20 |
2,40 |
3,60 |
|
R, Ом |
10,00 |
10,00 |
5,00 |
10,00 |
15,00 |
Таблица 4.
Значения силы тока, напряжения, сопротивления в опыте 2 при смешанном соединении проводников
| № п/п |
Параллельно |
Последовательно |
Общее |
||
|
R1, Ом |
R1, Ом |
R11, Ом |
R1, Ом |
R, Ом |
|
|
I, А |
0,18 |
0,18 |
0,18 |
0,32 |
0,50 |
|
U, В |
1,80 |
1,80 |
3,60 |
3,20 |
3,35 |
|
R, Ом |
10,00 |
10,00 |
20,00 |
10,00 |
6,70 |
Таблица 5.
Значения силы тока, напряжения, сопротивления в опыте 3 при смешанном соединении проводников
| № п/п |
Параллельно 1 |
Последовательно |
Параллельно 2 |
Общее |
|||
|
R1, Ом |
R1, Ом |
R11, Ом |
R1, Ом |
R111, Ом |
R11, Ом |
R, Ом |
|
|
I, А |
0,11 |
0,11 |
0,22 |
0,22 |
0,22 |
0,33 |
0,55 |
|
U, В |
1,10 |
1,10 |
1,10 |
2,20 |
3,30 |
3,30 |
3,30 |
|
R, Ом |
10,00 |
10,00 |
5,00 |
10,00 |
15,00 |
10,00 |
6,00 |
Использовать цифровую лабораторию Relab можно в ходе индивидуальной, групповой или фронтальной работы с учениками, что позволит быстро и наглядно рассмотреть не только вопрос о видах соединения проводников в курсе физики 8 и 10 классов в разделе «Постоянный электрический ток», но и начать изучение мостового способа соединения проводников на занятиях внеурочной деятельности.