Práce s laboratorní technikou ve fyzice

2QN[VGEJPKEMÅ êKPPQUVK RTQ UVWRGĢ <j +

Práce s laboratorní technikou ve fyzice

2QN[VGEJPKEMĂ&#x2026; ĂŞKPPQUVK RTQ UVWRGĢ <j +

PrĂĄce s laboratornĂ­ technikou ve fyzice doc. Ing. Ladislav Rudolf, Ph.D. FQE +PI ĂŠGUVOĂ&#x2030;T 5GTCHĂ&#x2030;P &T +PI 2CGF +)+2

0CMNCFCVGNUVXÉ &T |,QUGH 4CCDG U T Q 4CFNKEM½ | 2TCJC 6GN | | ' OCKN TCCDG"TCCDG E\ +PVGTPGV YYY TCCDG E\ FQDTCUMQNC TCCDG E\

%QR[TKIJV 0CMNCFCVGNUVXÉ &T |,QUGH 4CCDG U T Q 8wGEJPC RT½XC \GLOÅPC RT½XQ PC|VKVWN P½\GX NKEGPêPÉ RT½XQ C|RTŃO[UNQX½ QEJTCPP½ RT½XC LUQW XÙJTCFPÉO XNCUVPKEVXÉO 0CMNCFCVGNUVXÉ &T |,QUGH 4CCDG U T Q C|LUQW EJT½PøPC CWVQTUMÙO \½MQPGO 8wGEJPC RT½XC LUQW X[JTC\GPC \GLOÅPC RT½XQ PC|TQ\OPQzQX½PÉ wÉįGPÉ C|RįGMNCF 0QUKVGNK CWVQTUMÙEJ RT½X LUQW CWVQįK RįÉURøXMŃ êN½PMŃ <C|QDUCJ RįÉURøXMŃ QFRQXÉFCLÉ CWVQįK

#WVQįK

QE +PI .CFKUNCX 4WFQNH 2J & F FQE +PI éGUVOÉT 5GTCHÉP &T +PI 2CGF +)+2 8GFQWEÉ RTQLGMVW $E |6QO½w 0GEJCPUMÙ ,GFPCVGNMC PCMNCFCVGNUVXÉ /IT |5VCPKUNCXC #PFTwQX½ )TCƂEMÙ P½XTJ QD½NM[ +PI |<D[PøM -WêGTC 5C\DC +PI |<D[PøM -WêGTC 6KUM 6KUM #5 U T Q ,CTQOøį

+5$0

PolytechnickĂŠ Ä?innosti pro 2. stupeĹ&#x2C6; ZĹ I.

OBSAH

PrĂĄce s laboratornĂ­ technikou ve fyzice

1DUCJ

2T½EG U NCDQTCVQTPĂ&#x2030; VGEJPKMQW XG H[\KEG

/øįGPĂ&#x2030; GNGMVTKEMĂ&#x2026;JQ PCRøVĂ&#x2030; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 doc. Ing. Ladislav Rudolf, Ph.D. /øįGPĂ&#x2030; GNGMVTKEMĂ&#x2026;JQ RTQWFW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 doc. Ing. Ladislav Rudolf, Ph.D. /øįGPĂ&#x2030; GNGMVTKEMĂ&#x2026;JQ QFRQTW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 doc. Ing. Ladislav Rudolf, Ph.D. /øįGPĂ&#x2030; UVÄŻĂ&#x2030;FCXĂ&#x2026;JQ LGFPQH½\QXĂ&#x2026;JQ PCRøVĂ&#x2030; U X[JQFPQEGPĂ&#x2030;O X RQĂŞĂ&#x2030;VCĂŞK . . . . . . . . . . . . . . . . doc. Ing. Ladislav Rudolf, Ph.D. /øįGPĂ&#x2030; VTQLH½\QXĂ&#x2026;JQ UVÄŻĂ&#x2030;FCXĂ&#x2026;JQ PCRøVĂ&#x2030; U X[JQFPQEGPĂ&#x2030;O X RQĂŞĂ&#x2030;VCĂŞK . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 doc. Ing. Ladislav Rudolf, Ph.D. 1XøįGPĂ&#x2030; RNCVPQUVK -KTEJJQHHQXĂ&#x2122;EJ \½MQPĹ&#x192; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

FQE +PI ĂŠGUVOĂ&#x2030;T 5GTCHĂ&#x2030;P &T +PI 2CGF +)+2 /øįGPĂ&#x2030; MCRCEKV[ MQPFGP\½VQTĹ&#x192; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . doc. Ing. Ladislav Rudolf, Ph.D. /øįGPĂ&#x2030; KPFWMĂŞPQUVK W EĂ&#x2030;XGM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 doc. Ing. Ladislav Rudolf, Ph.D. /øįGPĂ&#x2030; \½MNCFPĂ&#x2030;EJ NQIKEMĂ&#x2122;EJ HWPMEĂ&#x2030; X ĂŞĂ&#x2030;UNKEQXĂ&#x2026; VGEJPKEG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 doc. Ing. Ladislav Rudolf, Ph.D.

dobraskola.raabe.cz

H1

Práce s laboratorní technikou Polytechnické činnosti pro 2. stupeň ZŠ I.

METODIKA

MATERIÁL

Měření elektrického proudu

Práce s laboratorní technikou ve fyzice

Měření elektrického proudu Ing. Rudolf, Ph.D., Ostrava doc. Ladislav Ing. Ladislav Rudolf, Ph.D.

Tematický okruh RVP ZV

Práce s laboratorní technikou

Ročník

7.–9. ročník ZŠ a odpovídající ročníky víceletých gymnázií

Časový rámec

Dle uvážení vyučujícího

METODIKA

MATERIÁL

Metodický přehled

13 1

1.

Úvod

14 2

2.

2.1

Popis měření elektrického proudu Zvětšení rozsahu ampérmetru (bočníky)

14 2

3.

Zhodnocení úkolu

17 5

4.

Závěr

17 5

Pracovní list pro žáky

15–16 3–4

14 2

METODICKÝ PŘEHLED Téma

Měření elektrického proudu v elektrických obvodech, vyhodnocení naměřených veličin

Mezioborové vztahy

Fyzika, Matematika a její aplikace

Klíčové kompetence Jsou rozvíjeny teoretické a manuální zručnosti žáka, žák pochopí význam měření elektrického proudu, umí zapojit jednoduchý elektrický obvod a používat měřicí přístroj. Jsou tak rozvíjeny kompetence učení, k řešení problémů, komunikativní a pracovní.

Výukové strategie

Žáci pracují dle pokynů vyučujícího samostatně nebo ve dvojicích se schématem zapojení elektrického obvodu a potřebnou technikou.

Co potřebujeme

Schéma zapojení, multimetr k měření elektrického proudu, elektrický zdroj (regulovatelný laboratorní zdroj, vodiče, spotřebič (např. žárovka)

H 1.2

Člověk a svět práce na 2. stupni ZŠ dobraskola.raabe.cz

ZD

1 13

H1

Práce s laboratorní technikou Polytechnické činnosti pro 2. stupeň ZŠ I.

METODIKA

MATERIÁL

Měření elektrického proudu

Práce s laboratorní technikou ve fyzice

1. Úvod Měření elektrických veličin patří mezi základní teoretické a praktické dovednosti, které by měli zvládnout žáci již na základní škole. Mezi tři základní veličiny patří elektrické napětí, proud a elektrický odpor. V dnešní době digitalizace a modernizace měřicích přístrojů se měření základních elektrických veličin značně zjednodušilo. Stačí mít k dispozici měřicí přístroj, k tomu teoretické znalosti a následně dle schématu umět takový elektrický obvod zapojit. Žáci si měřením základních elektrických veličin procvičí nabyté vědomosti z fyziky a matematiky a dovedou se pak orientovat i v jiných schématech zapojení. Celá oblast problematiky měření elektrických veličin by se dala využít v Rámcových vzdělávacích programech v oblasti tematických okruhů Práce s laboratorní technikou, případně Využití digitálních technologií.

2. Popis měření elektrického proudu K měření elektrického proudu používáme přístroje, které se nazývají ampérmetry (multimetry).

Připojujeme je vždy do série k dané zátěži (žárovce, rezistoru), kde chceme změřit velikost procházejícího proudu. Žáci zapojí obvod podle obrázku č. 1, použijí příslušné vodiče, elektrický zdroj, žárovku a měřicí přístroj. Po zapojení si nechají obvod zkontrolovat učitelem, připojí napětí a podle tabulky č. 2 je budou zvyšovat. Pro každou hodnotu napětí odečtou z displeje měřicího přístroje příslušnou hodnotu elektrického proudu.

2.1 Zvětšení měřicího rozsahu ampérmetru (bočníky) Pro běžná praktická měření se nehodí jednorozsahové přístroje, ale vyžaduje se, aby měl ampérmetr přepínač pro přepnutí na vyšší nebo nižší měřicí rozsah. Ke zvýšení měřicího rozsahu ampérmetru se převážně používají paralelně připojené rezistory (bočníky).

Bočníky jsou zařízení, které slouží k zvětšení měřicího rozsahu ampérmetrů. Zapojují se převážně paralelně k měřicímu systému. V praxi to znamená, že každý rozsah má svůj bočník, k jejich přepínání slouží přepínač rozsahů. Podle toho, kolik má ampérmetr přepínatelných rozsahů, tolik má bočníků.

H 1.2

2 14

ZD

Člověk a svět práce na 2. stupni ZŠ dobraskola.raabe.cz

H1

Práce s laboratorní technikou Polytechnické činnosti pro 2. stupeň ZŠ I.

METODIKA

MATERIÁL

Měření elektrického proudu

Práce s laboratorní technikou ve fyzice

Pracovní list pro žáky Měření elektrického proudu pro různé hodnoty napětí na zátěži (žárovce) Pracovní postup: ❯

Zapojte obvod dle obrázku č. 1. Podkladem pro daný úkol je mít k dispozici laboratorní zdroj pro nastavitelnou hodnotu napětí, dále propojovací vodiče, žárovku na 24 V a měřicí přístroj umožňující měřit elektrický proud.

❯

Zapojte obvodu dle obrázku č. 1 a nechte si jej zkontrolovat učitelem. Nastavujte pomocí laboratorního zdroje elektrické napětí od jednoho voltu až do dvaceti voltů dle tabulky č. 1.

❯

Ke každé hodnotě elektrického napětí zapisujte do tabulky č. 1 hodnotu elektrického proudu.

Opět sledujte, jak se pozvolna při nárůstu proudu zvyšuje jas vlákna žárovky.

Obr. č. 1: Schéma zapojení elektrického obvodu

I

+

A

~

0 - 25 V

230 V

-

=

I

Tab. č. 1: Tabulka k zapisování naměřených hodnot 24V žárovka Nastavené napětí na zdroji (V)

1

3

5

7

11

13

15

18

20

H

Měřený proud tekoucí žárovkou (A)

Člověk a svět práce na 2. stupni ZŠ dobraskola.raabe.cz

9

1.2

ZD

3

H1

s laboratorní technikou PolytechnickéPráce činnosti pro 2. stupeň ZŠ I.

METODIKA MATERIÁL

Ověření platnosti Kirchhoffových zákonů

Práce s laboratorní technikou ve fyzice

2.3 Informační a komunikační technologie v měření Využití počítačů k měření fyzikálních veličin není myšlenka posledních let, ale sahá do šedesátých let minulého století, kdy došlo k rozšíření počítačů. Je pochopitelné, že metody a systémy se od té doby značně změnily, hlavně v závislosti na vývoji hardwaru a softwaru.

Počítače ale mohou sloužit nejen jako měřicí přístroje – mohou být i simulačním nástrojem pro virtuální stavebnice a také slouží ke zpracování dat například v tabulkových procesorech. ❯

Popis činnosti obvodu (dle obr. č. 4)

Obvod pro měření dle prvního Kirchhoffova zákona je sestaven ze tří paralelních rezistorů, ke kterým jsou v sérii připojeny tři ampérmetry, které měří velikosti procházejících proudů v jednotlivých větvích obvodu. Zároveň je měřen i celkový proud na vstupu u zdroje.

Měření je realizováno tak, že na vstupním voltmetru se postupně nastavuje napětí v rozsahu 1 až 10 V a na ampérmetrech se odečítají velikosti procházejících proudů. Výsledné hodnoty se zapisují do předem připravené tabulky. Z naměřených hodnot lze na závěr vypočítat hodnoty odporů jednotlivých rezistorů jako průměr z rezistorů, které lze spočítat na základě Ohmova zákona (R = U/I) z naměřených údajů.

Celkový proud je pak součet proudů v jednotlivých větvích – tento proud by se měl rovnat proudu, který naměřil ampérmetr na vstupu u zdroje (může dojít k drobným odchylkám daným jak přesností měřicích přístrojů, tak chybou odečtu údajů z nich). ❯

Popis činnosti obvodu (dle obr. č. 5)

Obvod pro měření dle druhého Kirchhoffova zákon je sestaven ze tří sériových rezistorů, ke kterým jsou paralelně připojeny tři voltmetry, které měří velikosti úbytků napětí na jednotlivých rezistorech.

Zároveň je měřeno i celkové napětí vstupu u zdroje.

Měření je realizováno tak, že se na vstupním voltmetru postupně nastavuje napětí v rozsahu 1 až 10 V a na voltmetrech se odečítají velikosti napětí na jednotlivých rezistorech. Výsledné hodnoty se zapisují do předem připravené tabulky. Z naměřených hodnot lze na závěr vypočítat hodnoty odporů jednotlivých rezistorů jako průměr z rezistorů, které lze spočítat na základě Ohmova zákona (R = U/I) z naměřených údajů. Celkové napětí je pak dáno součtem napětí na jednotlivých rezistorech – toto napětí by se mělo rovnat napětí, jež naměřil voltmetr na vstupu u zdroje (může dojít k drobným odchylkám daným jak přesností měřicích přístrojů, tak chybou odečtu údajů z nich). ❯

H

Možnosti realizace obvodu

Pro realizaci obvodu lze využít jakoukoli elektrotechnickou stavebnici. Základní podmínkou je mít k dispozici regulovatelný zdroj stejnosměrného napětí a potřebný počet měřicích přístrojů.

1.6

4

16

Člověk a světdobraskola.raabe.cz práce na 2. stupni ZŠ

H1

s laboratorní technikou PolytechnickéPráce činnosti pro 2. stupeň ZŠ I.

METODIKA

MATERIÁL

Ověření platnosti Kirchhoffových zákonů

Práce s laboratorní technikou ve fyzice

Pracovní list pro učitele Ověření platnosti Kirchhoffových zákonů ❯

Úkol:

1.

První Kirchhoffův zákon – měření při paralelním zapojení rezistorů. Zapojte obvod podle schématu na obr. č. 4. Změřte napětí, celkový proud a proud ve větvích. Z naměřených hodnot vypočítejte hodnoty odporů jednotlivých rezistorů dle Ohmova zákona (R = U/I).

2.

Druhý Kirchhoffův zákon – měření při sériovém zapojení rezistorů. Zapojte obvod podle schématu na obr. č. 5. Změřte proud, napětí zdroje a úbytky napětí na rezistorech. Z naměřených hodnot určete hodnoty odporů dle Ohmova zákona (R = U/I).

3.

Po změření všech hodnot ověřte výpočtem správnost a přesnost měření podle Kirchhoffových zákonů a určete celkový odpor zapojených rezistorů (jednak pomocí údajů na vstupních měřicích přístrojích dle Ohmova zákona, jednak výpočtem ze sériového a paralelního zapojení rezistorů).

Obr. č. 4 Schéma zapojení pro měření při paralelním řazení rezistorů – první Kirchhoffův zákon

Obr. č. 5: Schéma zapojení pro měření při sériovém řazení rezistorů – druhý Kirchhoffův zákon

H 1.6

6

16

Člověk a světdobraskola.raabe.cz práce na 2. stupni ZŠ

H1

Práce s laboratorní technikou Polytechnické činnosti pro 2. stupeň ZŠ I.

METODIKA

MATERIÁL

Měření indukčnosti u cívek

Práce s laboratorní technikou ve fyzice

Pracovní list pro žáky Měření indukčnosti cívek s jádrem a bez jádra Pracovní postup: ❯

Zapojte obvod dle obrázku č. 1 či podle schématu, obr. č. 4 nebo č. 5. Podkladem pro zadaný úkol je mít k dispozici sadu cívek různých hodnot, dále měřicí vodiče a digitální multimetr umožňující měřit indukčnost.

❯

Zapojený obvod dle obrázku č. 4 a následně č. 5 si nechejte zkontrolovat učitelem. Nastavte měřicí rozsah digitálního multimetru tak, aby na displeji přístroje byla vyobrazena hodnota indukčnosti v henry, milihenry nebo v mikrohenry.

❯

Měření proveďte u sedmi náhodně vybraných cívek s jádrem a bez jádra a hodnoty indukčnosti zapište do tabulky č. 1 a č. 2.

❯

Do tabulky č. 1 a č. 2 zapisujte naměřenou hodnotu indukčností cívek bez jádra a s jádrem.

❯

Proveďte převedení naměřené hodnoty indukčnosti do dalších odvozených jednotek (viz tab. č. 1 a tab. č. 2). Úkol vyhodnoťte v jednotkách indukčnosti a zhodnoťte vliv jádra cívky.

Ukázka je uvedena v prvním sloupci tab. č. 1 a tab. č. 2.

Obr. č. 4: Měřená cívka bez jádra a k ní paralelně připojený měřicí přístroj

Obr. č. 5: Měřená cívka s jádrem a k němu paralelně připojený měřicí přístroj

H 1.8

dobraskola.raabe.cz Člověk a svět práce na 2. stupni ZŠ

21

7

69