Temat

Napięcie elektryczne

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

VI. Elektryczność. Uczeń:

9) posługuje się pojęciem napięcia elektrycznego jako wielkości określającej ilość energii potrzebnej do przeniesienia jednostkowego ładunku w obwodzie; stosuje jednostkę napięcia.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Zdefiniowanie pojęcia napięcia elektrycznego.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Zapoznanie uczniów z pojęciem napięcia elektrycznego.

2. Prezentacja źródeł napięcia elektrycznego.

3. Wykonanie pomiaru napięcia elektrycznego i natężenia prądu elektrycznego.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- zna i stosuje pojęcie napięcia elektrycznego,

- potrafi zmierzyć napięcie elektryczne oraz natężenie prądu elektrycznego.

Metody kształcenia

1. Pogadanka przedstawiająca nowe wiadomości.

2. Wytwarzanie sytuacji problemowej.

Formy pracy

1. Indywidualna lub grupowa.

2. Współpraca z nauczycielem podczas pogadanki.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Proszę przygotuj odpowiedzi na następujące pytania wprowadzające do lekcji:

1. Co to jest prąd elektryczny?

2. Jaka wielkość charakteryzuje wielkość przepływającego prądu?

3. Zdefiniuj pojęcie natężenia prądu.

4. W jakich jednostkach mierzymy natężenie płynącego prądu?

5. Jak nazywa się przyrząd mierzący natężenie płynącego prądu?

Realizacja lekcji

Prąd to uporządkowany ruch ładunków.

Pytanie:
Jak można ruch ładunków uporządkować?

Trzeba je jakoś do tego zmusić. Pamiętasz, że ładunki jednoimienne się odpychają, a różnoimienne przyciągają. Jeśli na jednym końcu przewodnika zgromadzi się ładunek ujemny a na drugim dodatni, to elektrony będą poruszać się od końca, na którym zgromadził się ładunek ujemny do końca z nadmiarem ładunku dodatniego (niedoborem ujemnego).

[Ilustracja 1]

Elektryzowanie końców przewodnika nie zda się jednak na wiele, bo dopływające elektrony zobojętniałyby ładunki i siła przestałaby działać. Trzeba więc ten stan jakoś podtrzymywać.

Do tego służy źródło prądu.

Ma ono dwa bieguny albo inaczej zaciski do których podłącza się przewody. Ono powoduje separację ładunku – wykonuje pracę, by rozdzielić ładunki i je w takim stanie utrzymywać.

Rozdzielone ładunki działają siłami na elektrony znajdujące się w przewodnikach podłączonych do źródła. Siły te wprawiają je w ruch i prąd płynie. Zderzenia z atomami psują nieustannie ten uporządkowany ruch ładunków, ale siły elektryczne na powrót porządek przywracają.

Hydrostatyczna analogia źródła prądu.

Wyobraź sobie dwa zbiorniki wodne.

[Ilustracja 2]

Między nimi może przepływać woda. Zastanówmy się, kiedy będzie przepływać. Wtedy, gdy będzie różnica poziomów między zbiornikami. Będzie przepływać, ale w trakcie przepływu w jednym zbiorniku poziom się będzie obniżał, a w drugim wzrastał i w końcu się wyrównają. Przepływ się skończy.

Jak zmusić wodę, by znów zaczęła płynąć? Należy wytworzyć różnicę poziomów. Jak to zrobić? Należy podłączyć pompę i przepompowywać nieustannie wodę z jednego zbiornika do drugiego. Wytworzy to różnicę poziomów wody między zbiornikami, a już siła grawitacji zmusi wodę do płynięcia od wyższego do niższego poziomu.

W przepływie prądu jest podobnie.

- Zamiast zbiorników mamy przewodnik lub odbiornik prądu (na przykład żelazko), rury, którymi płynie woda to przewody, a pompa to źródło prądu.

- Pompa ma za zadanie dostarczać wodzie energii, która nieustannie ulega zmianie w wyniku tarcia (zmienia się w ciepło). Źródło prądu ma podobne zadanie. Ma uzupełniać zasób energii w obwodzie elektrycznym. Jest ona zamieniana w ciepło w wyniku zderzeń elektronów z atomami.

- Dlaczego źródło prądu może dostarczać prądowi energii? Bo ma jej własne zasoby. Jaka to jest energia? To zależy, z jakim źródłem prądu mamy do czynienia.

Przykładowe źródło prądu:

- dynamo rowerowe - to źródło działa dzięki energii mechanicznej,

- bateria, akumulator - to źródło działa dzięki energii chemicznej,

- fotoogniwo - to źródło działa dzięki energii świetlnej.

Różnica poziomów między zbiornikami przypomina pewną ważną wielkość fizyczną – napięcie.

Co to jest napięcie?

Różnica poziomów między zbiornikami sprawia, że woda spada na niższy poziom. Dlaczego spada? Bo działa siła grawitacji. Siła ta, działając na porcję wody, wykonuje pewną pracę. Pracę liczymy, mnożąc siłę przez przesunięcie spowodowane nią. Mamy tu siłę i mamy przesunięcie, więc siła grawitacji wykonuje pracę nad porcją wody. Podobnie jest w przypadku prądu. Na elektrony w przewodniku działa siła elektryczna. Siła ta przesuwa ładunki w przewodniku. Zatem siła ta wykonuje pewną pracę.

Definicja napięcia:

Napięcie elektryczne między końcami przewodnika jest równe liczbowo pracy, jaką wykonują siły elektryczne przy przesunięciu wewnątrz przewodnika ładunku jednego kulomba.

Definicja napięcia w postaci wzoru:

Jednostką napięcia jest wolt (skrót V):

Do pomiaru napięcia służy woltomierz.

[Slideshow]

Doświadczenie:

Zbuduj układ elektryczny podobny do przedstawionego na ilustracji.

[Grafika interaktywna]

1. Zmierz napięcie panujące na każdej z żaróweczek oraz na źródle napięcia.

2. Do układu dołącz amperomierz i zmierz natężenie prądu płynącego przez układ.

3. Odłącz jedną z żaróweczek.

4. Zmierz jak zmieni się napięcie na żaróweczce a jak na źródle prądu.

5. Zmierz jak zmieniło się natężenie prądu płynącego przez układ.

Podsumowanie lekcji

- Źródłami napięcia stałego są ogniwa, baterie lub akumulatory, które zamieniają energię reakcji chemicznych na energię elektryczną. Jednym z pierwszych źródeł energii chemicznej było ogniwo Volty, skonstruowane w 1800 r.

- Napięcie elektryczne U jest równe liczbowo pracy, jaką należy wykonać, aby przenieść ładunek jednostkowy (1 C) z jednego punktu przewodnika do drugiego.

- Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt (V). Wolt (1 V) odpowiada liczbowo pracy jednego dżula (1 J), która potrzebna jest do przeniesienia ładunku jednego kulomba (1 C) między dwoma punktami przewodnika.

- Woltomierz jest przyrządem służącym do pomiaru napięcia elektrycznego między dwoma punktami.