Дипломная (вкр): Разработка методики формирования у студентов высших учебных заведений педагогических специальностей понятий электричества в условиях кредитной системы обучения

Составляя план работы, студент должен записать в тетрадь для лабораторных работ номер и название работы, краткие сведения о приборах, схемы и чертежи установок (нужно записать название и марку прибора, пределы измерений и цену деления, возможные регулировки, название ручек и управления и пр.).

Исследование зависимости мощности, потребляемой лампой накаливания, от напряжения на ее зажимах

Цель работы:

1) освоить метод измерения мощности, потребляемой электроприбором, основанный на измерении силы тока и напряжения;

2)      Исследовать зависимость мощности, потребляемой лампой, от напряжения на ее зажимах;

)        Исследовать зависимость сопротивления проводника от температуры.

Введение

Работа электрического тока, совершаемая на участке электрической цепи, равна

A = U I τ,

где U - напряжение на участке цепи;

I - сила тока, протекающего по цепи;

Τ - время его протекания.

Мощность определяется как работа, совершаемая за единицу времени:

Проволочную спираль лампы накаливания можно рассматривать как резистор с определенным сопротивлением.

Если участок цепи содержит резистор, на нем будет происходить необратимое преобразование энергии электрического тока во внутреннюю энергию проводника резистора. Иными словами резистор, потребляя энергию электрического тока, преоьразует ее в тепло. Из закона сохранения энергии следует, что количество теплоты Q, которое при этом выделится в проводнике, равно работе электрического тока А:

Q = A = U I τ.

Следовательно, потребляемая лампой мощность:

P = UI (1)

Сопротивление спирали лампы вычисляют на основании закона Ома для однородного участка цепи:

 (2)

Увеличение внутренней энергии спирали лампы приводит к повышению ее температуры и сопротивления. Зависимость сопротивления проводника от температуры имеет вид:

, (3)

где R₀ - сопротивление проводника при 0⁰С;

α - температурный коэффициент сопротивления материала, из которого изготовлен проводник. (Спираль лампы накаливания изготовлена из вольфрама, его α=0,0048 К^-1).

Зная сопротивления «нагретого» и «холодного» проводника, а также температурный коэффициент сопротивления материала, из которого он изготовлен, можно определить температуру проводника:

 (4)

Оборудование:

Выпрямитель ВУ-4, мультиметр, лабораторный вольтметр, ключ, реостат с сопротивлением обмотки 100 Ом, лампа накаливания (3,5В; 0,25А), соединительные провода.

Описание экспериментальной установки

Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рис.1.

К выходным гнездам выпрямителя подключают электрическую цепь, составленную из соединенных последовательно лампы накаливания, реостата и амперметра. Амперметром служит мультиметр, переведенный в режим измерения силы постоянного тока. Параллельно лампе подключают лабораторный вольтметр.

Напряжение выпрямителя U, напряжения на реостате U_р и лампе U_л связаны соотношением U= U_р+ U_л

Напряжение на лампе равно разности выходного напряжения выпрямителя и напряжения на реостате: U_л= U- U_р

Напряжение на выходе выпрямителя в ходе опыта не меняется. Для изменения напряжения, приложенного к лампе, меняют напряжение на реостате, которое зависит от его сопротивления: чем оно больше, тем больше и напряжение. Напряжение на лампе при этом минимально. Уменьшая сопротивление резистора, уменьшают приложенное к нему напряжение, при этом напряжение на лампе увеличивается. Если движок резистора перевести в левое по схеме положение, напряжение на нем станет равным нулю, а напряжение на лампе достигнет максимально возможного в условиях опыта значения, равного значению напряжения на выходе выпрямителя: U_л= U.

В данном опыте сопротивление спирали лампы при комнатной температуре допустимо приравнивать к сопротивлению при 0 ⁰С.

Вопросы и задания для проверки готовности к выполнению работы

1. В каком положении должен находиться ползун реостата, чтобы напряжение на лампе было минимальным?

2.      Может ли напряжение на лампе при использовании данной установки стать равным нулю?

.        Запишите формулы для вычисления границ абсолютных погрешностей прямых измерений напряжения и силы тока.

.        Запишите формулы для расчета границ относительных и абсолютных погрешностей определения мощности лампы, сопротивления и температуры ее спирали.

Ход работы

1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений.

2.      Измерьте мультиметром сопротивление лампы при комнатной температуре. В дальнейшем это значение сопротивления считать равным R₀.

.        Подготовьте мультиметр для измерения силы постоянного тока.

.        Соберите экспериментальную установку по схеме рис.1.

.        Включите выпрямитель и установите ползун реостата в положение, при котором напряжение на лампе составляет 0,4 В.

.        Занесите показание мультиметра, соответствующее этому напряжению в таблицу.

.        Увеличивайте напряжение на лампе с интервалом 0,4 В до максимально возможного и заносите в таблицу показания мультиметра, соответсвующие каждому значению напряжения.

.        Вычислите границы абсолютных погрешностей прямых измерений напряжения и силы тока.

.        Вычислите по формуле (1) мощность, потребляемую лампой в те моменты опыта, когда напряжение на ней соответствовало значениям, указанным в таблице.

.        Вычислите границу абсолютной погрешности, с которой получено значение мощности лампы для каждого измерения.

.        Вычислите по формуле (2) сопротивление спирали лампы в те моменты опыта, когда напряжение на ней соответствовало значениям, указанным в таблице.

.        Вычислите границу абсолютной погрешности, с которой получено значение сопротивления спирали лампы для каждого измерения.

.        Вычислите по формуле (4) температуру спирали лампы в те моменты опыта, когда напряжение на ней соответствовало значениям, указанным в таблице.

.        Вычислите границу абсолютной погрешности, с которой получено значение температуры спирали лампы для каждого измерения.

.        Постройте график зависимости силы тока в лампе от приложенного к ней напряжения.

.        Постройте график зависимости мощности, потребляемой лампой от приложенного к ней напряжения.

.        Постройте график зависимости температуры спирали от приложенного к лампе напряжения.

.        Постройте график зависимости сопротивления спирали от ее температуры.

.        Сделайте вывод по виду построенных графиков о том, как менялись потребляемая лампой мощность, сопротивление и температура спирали при увеличении приложенного к лампе напряжения.

.        Сделайте вывод о том, как изменялось сопротивление спирали лампы при увеличении ее температуры.

Контрольные вопросы

1. Как объяснить зависимость сопротивления спирали лампы от температуры?

2.      Какие характеристики измерительных приборов должны быть изменены и как, чтобы повысить точность измерения мощности рассмотренным способом.

.        Как объяснить то факт, что сила тока в лампе изменялась не прямо пропорционально изменению напряжения?

Дополнительные задания

1. По графику I (U) определите силу тока, соответствующую напряжению, указанному на цоколе лампы. Сравните полученное значение тока со значением, указанным на цоколе.

2.      По графику I (U) определите сопротивление спирали лампы при минимальном и максимальном ее накалах. Сравните данные, полученные при анализе графика, со значениями, взятыми из таблицы. [29, стр 19]

d) наблюдения

Под наблюдением понимают относительно длительное, целенаправленное и планомерное восприятие предметов и явлений окружающей действительности; метод познания действительности на основе непосредственного восприятия. Научно поставленное наблюдение строится по заранее обдуманному плану, ведется систематически, имеет строго определенную задачу.

Успех наблюдений зависит от ясности и конкретности поставленной цели наблюдения, наличия необходимых знаний о наблюдаемых предметах и явлениях, умения анализировать и синтезировать материал наблюдения, четкой фиксации результатов наблюдения в форме протокола, схемы, чертежа, рисунка и т.д.

Для выработки обобщенного умения самостоятельно вести наблюдения необходимо познакомить студентов с общей структурой наблюдений:

1. формулировка цели наблюдения.

2.      выбор объекта наблюдения.

.        выяснение условий, необходимых для наблюдения.

.        практическое создание условий, необходимых для наблюдения.

.        планирование наблюдения.

.        выбор способа фиксирования (кодирования) наблюдаемого.

.        выполнение наблюдения, сопровождаемое фиксированием получаемой информации.

.        анализ результатов наблюдения.

.        формулирование выводов и их фиксирование.

2. Выявление общих существенных свойств класса наблюдаемых объектов

В формирований понятий ток, заряд, напряжение, сопротивление все большее значение приобретают словесно-логический компонент мышления, теоретические обоснования. Но это ни в коей мере не означает снижения роли в этом процессе наглядно-образного практически-действенного компонентов. Во всех случаях, когда при формировании понятий представляется возможным опираться на наглядные образы и практический действия учащихся, сопровождающихся их активной мыслительной деятельностью.

Все основные понятия при изучении постоянного тока следует вводить на примере тока в металлах. В этом случае электрический ток определяют как упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля.

Формируют это понятие на основе ряда опытов и аналогий.

3. Абстрагирование

Особенность формирования физических понятий, заключается в том, что многие из формируемых в электричестве понятий являются понятиями высокой степени абстрактности. В курсе физики такими понятиями являются, например, понятия «электрическое поле», «ток» и т.д. Усвоение этих понятий требует высокого уровня развития абстрактного мышления учащихся и тщательно продуманного обоснования необходимости введения их в науке.

При формировании понятий высокой степени абстрактности возникает необходимость в использовании имитационных (мультипликация) фильмов, имитирующих механизм сложных явлений и процессов, скрытых от глаз человека; схем-моделей (строение атома, движение электрического тока по проводнику) и т.п.

4. Определение понятия

Важную дидактическую задачу представляет определение понятий, выработка умения давать правильные определения усеваемых понятий.

Известно несколько способов определения понятий. Наиболее распространенным из них является определение через ближайший род и видовое отличие.

В определениях через ближайший род и видовое отличие различают две части: определяемое понятие (definendum) и определяющее понятие (definiens). «Определяемое понятие это понятие, существенные признаки которого отыскиваются, а определяющее понятие - это понятие, отображающее родовой и видовой признаки».

На первом месте располагается определяемое понятие, на втором - указание ближайшего рода, на третьем видовое отличие. Усвоение правил и структуры определения помогает использование таблицы 1.

Таблица 1

Усвоение правил и структуры определения

5. Уточнение и закрепление в памяти существенных признаков понятия

Решение этой задачи достигается организацией специальных групп упражнений: а) по варьированию несущественных признаков, б) по дифференцировке (отграничению) сходных понятий, в) применением контробраза.

Суть упражнения по варьированию несущественных признаков заключается в том, что в объектах, предлагаемых вниманию, при наличии общих существенных признаков имеются свои индивидуальные различия, индивидуальные (несущественные) признаки. Студенты должны из всего разнообразия признаков выделить существенные.

6. Установление связей данного понятия с другими понятиями

Это осуществляется различными методами в зависимости от типа понятия. При формировании понятия о явлениях организуются опыты и наблюдения, на основе которых устанавливается зависимость явления от условий, в которых оно протекает. При формировании понятия о величине, как в нашем случае, об «электрическом токе» студенты сами выполняют опыт, на основе которого устанавливают факт существования электрического тока и заряда. Выявлению (уточнению) связей между величинами способствует построение графиков зависимости между величинами и их анализ. Этому способствует также анализ формул, полученных на основе опытов или теоретических рассуждений.

Студенты не сразу овладевают понятием, а постепенно усваивают его содержание, объем, связи и отношения с другими понятиями. В процессе изучения того или иного учебного предмета у студентов в начале формируются отдельные понятия, а за тем системы понятий (понятий определенной темы или раздела курса). Усвоение понятий одной системы осуществляется через их связь с понятиями других систем, так при формировании понятия электрического тока преподаватель опирается на понятие упорядоченного движения электрического заряда по проводнику.

Одновременно с процессом формирований новых понятий происходит углубление ранее сформированных, при этом раскрываются все новые и новые стороны, связи и отношения, уточняются границы применения. Этот процесс называется конкретизацией понятий.

7. Применение понятий в решении задач учебного характера

Целью данного этапа является выработка у студентов умения оперировать понятием в решении задач. При решении этих задач одновременно достигается также уточнение и закрепление знаний студентов о связях и отношениях данного понятия с другими, ранее усвоенными понятиями, а также дальнейшее их отграничение.

Решение задач иногда позволяет ввести новые понятия и формулы, выяснить изучаемые закономерности, подойти к изложению нового материала. Например после решения простейших задач на применение формулы I=q/Δt целесообразно решить задачу, в котором используют другие известные ранее понятия.

Ниже приведены примеры подобных задач

Задачи

. К концам проводника сопротивлением 10³ Ом приложено напряжение 2 В. Какой заряд проходит через поперечное сечение проводника в течение 5 с?