Imię i nazwisko autora:

Martyna Jakubowska

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Czy rodzaj dielektryka wpływa na pojemność kondensatora?

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony

Podstawa programowa

Cele kształcenia – wymagania ogólne
II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.

Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
3) prowadzi obliczenia szacunkowe i poddaje analizie otrzymany wynik;
10) przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia korzystając z ich opisów; planuje i modyfikuje ich przebieg; formułuje hipotezę i prezentuje kroki niezbędne do jej weryfikacji.
VII. Elektrostatyka. Uczeń:
12) opisuje polaryzację dielektryków w polu zewnętrznym i ich wpływ na pojemność kondensatora; oblicza pojemność kondensatora, uwzględniając stałą dielektryczną.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:

• kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji,

• kompetencje cyfrowe,

• kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,

• kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. wyjaśnia, czym jest kondensator płaski,

2. wyjaśnia, w jaki sposób obecność dielektryka między okładkami kondensatora wpływa na jego pojemność,

3. definiuje względną przenikalność elektryczną dielektryka,

4. przeprowadza wirtualny eksperyment, w którym bada, w jaki sposób różne rodzaje dielektryków wpływają na pojemność kondensatora,

5. w ramach Wirtualnego Laboratorium wykonuje pomiary względnej przenikalności elektrycznej ${\epsilon }_r$ dla kilku rodzajów dielektryków,

6. wyznacza niepewności standardowe $u\left({\epsilon }_r\right)$ zmierzonych wartości ${\epsilon }_r$,

7. porównuje zmierzone przez siebie wartości εepsilonIndeks dolny r_r z ich tablicowymi wartości.

Strategie nauczania

IBSE; strategia eksperymentalno‑obserwacyjna

Metody nauczania

praca eksperymentalna uczniów

Formy zajęć:

wirtualne laboratorium, praca w grupach

Środki dydaktyczne:

kilka komputerów (laptopów) dla uczniów i jeden, podłączony do rzutnika, komputer dla nauczyciela

Materiały pomocnicze

materiały pt.: Co to jest dielektryk?, Jak dielektryki zachowują się w zewnętrznym polu elektrycznym?, Jak stała dielektryczna wpływa na natężenie pola w kondensatorze i jego pojemność?

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Na poprzedniej lekcji nauczyciel zapowiedział, że tematem kolejnej będzie: Wykonanie, w ramach Wirtualnego Laboratorium pomiarów, mających na celu sprawdzenie, czy rodzaj dielektryka wpływa na pojemność kondensatora płaskiego i poprosił uczniów o przypomnienie sobie wiadomości o kondensatorach, a w szczególności o budowie i własnościach kondensatora płaskiego.

Na początku lekcji nauczyciel prosi uczniów o zapisanie na tablicy wzorów na pojemność kondensatorów (mowa o wzorze ogólnym $C={\epsilon }_0{\epsilon }_r\frac{Q}{U}$ i wzorze na pojemność kondensatora płaskiego $C={\epsilon }_0{\epsilon }_r\frac{S}{d}$). Uczniowie omawiają poszczególne zmienne występujące w tych wzorach i dyskutują, w jaki sposób zmiana tych zmiennych (ich zmniejszanie lub zwiększanie) przekłada się na zmianę pojemności kondensatora i zmianę napięcia między jego okładkami. Nauczyciel zwraca uwagę uczniów na względną przenikalność elektryczną ośrodka (tzn. dielektryka) między okładkami kondensatora, wyjaśniając, że parametr ten daje największe możliwości w zakresie zmian pojemności kondensatora.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel uruchamia Wirtualne Laboratorium na komputerze podpiętym do rzutnika i całej klasie tłumaczy, w jaki sposób korzysta się z umieszczonych w nim przyrządów pomiarowych, w jaki sposób można podpiąć przewody do zasilacza i jak zmierzyć napięcie na okładkach kondensatora. Następnie dzieli uczniów na kilka grup, zadając każdej z grup do wykonania inny pomiar. Na przykład:

• grupa nr 1. bada, w jaki sposób wskazania woltomierza zmieniają się, gdy płyta wykonana ze szkła stopniowo wypełnia coraz większą przestrzeń między okładkami kondensatora,

• grupa nr 2. bada, w jaki sposób wskazania woltomierza zmieniają się, gdy płyta wykonana ze szkła, która na początku wypełniała całą przestrzeń między okładkami kondensatora, jest spomiędzy okładek stopniowo wysuwana,

• pozostałe grupy mogą badać inne dielektryki (tekturę i plexiglas).

Gdy wszystkie grupy zakończą badania, wnioski i obserwacje są omawiane na forum klasy. Uczniowie dyskutują, czy i w jaki sposób wykonane pomiary są zgodne z przewidywaniami teoretycznymi.

Następnie nauczyciel prosi uczniów, by pracując w tych samych grupach i z tymi samymi dielektrykami, co poprzednio, wykonali pierwszą część Polecenia 2 - tzn. wyznaczyli wartość względnej przenikalności elektrycznej badanego dielektryka.

Faza podsumowująca:

Po zakończeniu pomiarów i obliczeń uczniowie na forum klasy raportują uzyskane wyniki. Nauczyciel prosi uczniów o wyszukanie w Internecie (lub w innych dostępnych źródłach) tablicowych wartości tych wielkości. Uczniowie oceniają poprawność wykonanych pomiarów. Nauczyciel sugeruje im, że ocena poprawności byłaby bardziej miarodajna, gdyby zostały wyznaczone niepewności pomiarowe.

Praca domowa:

Nauczyciel prosi uczniów o wyznaczenie niepewności standardowych $u\left({\epsilon }_r\right)$ zmierzonych wartości ${\epsilon }_r$.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Multimedium może być wykorzystane zgodnie z opisem przedstawiony w tym scenariuszu lub jako materiał pomocniczy w innych materiałach, które są tematycznie powiązane z pojęciami: kondensator, kondensator płaski, dielektryk.