Scenariusz

Temat

Prawo Ohma i opór elektryczny

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

VI. Elektryczność. Uczeń:

12) posługuje się pojęciem oporu elektrycznego jako własnością przewodnika; stosuje do obliczeń związek między napięciem a natężeniem prądu i oporem; posługuje się jednostką oporu.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Sformułowanie prawa Ohma.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Zbudowanie prostego obwodu elektrycznego.

2. Pomiar napięcia i natężenia prądu elektrycznego.

3. Sformułowanie prawa Ohma i jego doświadczalna weryfikacja.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- buduje proste obwody,

- przedstawia prawo Ohma i go doświadczalnie weryfikuje.

Metody kształcenia

1. Dyskusja rozwijająca się w toku wspólnego rozwiązywania problemu przez klasę lub grupę.

2. Porządkowanie i stosowanie uzyskanych wyników w nowych zadaniach o charakterze praktycznym lub teoretycznym.

Formy pracy

1. Eksperymentowanie w grupach.

2. Burza mózgów.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

- Z innych lekcji wiesz, że natężenie prądu płynącego przez opornik jest wprost proporcjonalne do napięcia między końcami tego opornika.

- Na tej lekcji zajmiemy się bardziej szczegółowym opisem tej zależności.

- Odpowiemy także na pytanie, od czego zależy opór przewodnika.

Realizacja lekcji

1. Doświadczenie

Uczniowie pod opieką nauczyciela przeprowadzili badanie zależności prądu płynącego przez opornik od przyłożonego napięcia na lekcji: Study of the relationship between the current and the electrical voltage in the circuit.

Badali dwa różne oporniki.

Następnie uzyskane dane prezentowali graficznie za pomocą wykresu.

[Ilustracja 1]

[Ilustracja 2]

Powyższe wykresy wyraźnie sugerują zależność wprost proporcjonalną. Oznacza to, że zmiana przyłożonego napięcia powoduje proporcjonalne zmiany natężenia płynącego prądu. Potwierdza to uzyskaną wcześniej zależność , że $\frac{U}{I} = c o n s t$ .

[Ilustracja 3]

Z przedstawionych wykresów wynika, że dla każdego opornika stosunek $\frac{U}{I}$ jest inny.

2. Jaka jest miara oporu, który materiał przewodnika stawia przepływowi prądu?

Analogia mechaniczna.

Wyobraźmy sobie, że wykonujemy jakąś pracę, na przykład przesuwasz szafę. Albo nawet dwie szafy – najpierw jedną, a później drugą. Pierwsza szafa porusza się łatwo. Wykonujecie pewną pracę i efekt jest widoczny – szafa szybko się przesuwa. Oznacza to, że opory ruchu są niewielkie. Gorzej jest z drugą szafą. Wykonujesz tę samą pracę co za pierwszym razem, ale szafa porusza się bardzo powoli. Opory ruchu są duże. Jako miarę oporów ruchu można uznać szybkość, z jaką przesuwa się szafa w czasie, gdy wykonujemy ustaloną pracę. Czy nie można byłoby podobnie mierzyć oporu stawianego przez przewodnik przepływowi prądu?

Nawiązanie do analogii mechanicznej.

- Zamiast szafy mamy porcję ładunku elektrycznego. Pracę wykonaną przez siły elektryczne nad porcją ładunku o wielkości jednego kulomba nazywamy napięciem. Szybkości szafy natomiast odpowiada ilość przepływającego na sekundę ładunku, czyli natężenie prądu.

- Zatem miarą oporu elektrycznego może być natężenie prądu uzyskane pod wpływem danego napięcia.

- Zwiększenie napięcia (czyli zwiększenie wykonywanej pracy) spowoduje zwiększenie ilości przepływającego w jednostce czasu ładunku, czyli natężenia prądu, ale opory pozostają te same. To tak, jakbyśmy bardziej przyłożyli się do przesuwania szafy i uzyskali większą jej szybkość.

- Opory ruchu się jednak przez to nie zmienią. Zatem miarą oporu elektrycznego może być stosunek przyłożonego do przewodnika napięcia do uzyskanego w ten sposób natężenia prądu przepływającego przez przewodnik.

Definicja oporu przewodnika:

o p ó r p r z e w o d n i k a = \frac{n a p i ę c i e n a k o ń c a c h p r z e w o d n i k a}{n a t ę ż e n i e p r ą d u p ł y n ą c e g o p r z e z p r z e w o d n i k}

R = \frac{U}{I}

Jak każdą wielkość fizyczną, opór wyrażamy w pewnych jednostkach. Jednostka oporu elektrycznego to om. Cóż to takiego? Otóż om to opór takiego przewodnika, że napięcie o wartości 1 wolt wywołuje w nim prąd o natężeniu 1 ampera:

1 Ω = \frac{1 V}{1 A}

3. Jaka jest zależność między napięciem elektrycznym i natężeniem prądu?

W przypadku wielu przewodników zależność ta jest najprostsza: natężenie prądu (skutek) jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia (przyczyna). Jeśli napięcie na końcach przewodnika zwiększymy, powiedzmy cztery razy, to i natężenie prądu płynącego przez ten przewodnik wzrośnie czterokrotnie.

Taka zależność między napięciem i natężeniem prądu nosi nazwę prawa Ohma.

Zapiszmy to prawo porządnie.

Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia panującego na końcach tego przewodnika.

I jest proporcjonalne do U.

Współczynnik proporcjonalności jest odwrotnością oporu elektrycznego. By się o tym przekonać, wystarczy przekształcić nieco wzór na opór elektryczny (definicję oporu):

I = \frac{1}{R} \cdot U

albo

I = \frac{U}{R}

[Slideshow]

Jest to dość oczywiste. Im większe napięcie przyłożymy, tym większy prąd popłynie. Im większy opór stawia przewodnik, tym prąd będzie mniejszy. Przypomnij sobie przykład z szafą – im większą pracę będziecie wykonywać, tym większy będzie efekt: szafa szybciej się będzie przesuwać. Im większe będą opory ruchu, tym ten efekt będzie słabszy – szafa będzie poruszać się wolniej.

Prawo Ohma opisuje sytuację, najprostszego przypadku związku między napięciem przyłożonym do przewodnika (opornika), a natężeniem prądu przez ten przewodnik płynącego.

Sformułowanie prawa Ohma.

Stosunek napięcia panującego na końcach przewodnika do natężenia prądu płynącego przez przewodnik jest stały.

Wzór na prawo Ohma - postać 1:

\frac{U}{I} = c o n s t

gdzie:
I - natężenie prądu (w układzie SI w amperach – A),
U - napięcie między końcami przewodnika (w układzie SI w woltach – V).

Wzór na prawo Ohma - postać 2:

Inaczej prawo Ohma można sformułować także w postaci zapisu symbolicznego:

I ~ U (I jest proporcjonalne do U)

Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia.

Podsumowanie lekcji