2. Методична розробка лабораторно-практичного уроку з фізики «Дослідження електричного кола змінного струму з послідовним з’єднанням індуктивного, ємнісного та активного опорів».

Анотація

Ця методична розробка уроку фізики присвячена проблемі використання інформаційно-комунікаційних технологій на уроках фізики у системі професійно-технічної освіти. У розробці показано метод використання програми NI Multisim для виконання  лабораторного практикуму з фізики. Використання ІКТ забезпечує формування предметних компетентностей учнів з фізики та дає простір для творчості викладачу. Матеріали розробки можуть бути цікаві викладачам фізики і електротехніки.

Зміст

1. Вступ.
2. Методична розробка лабораторно-практичного уроку з фізики «Дослідження електричного кола змінного струму з послідовним з’єднанням індуктивного, ємнісного та активного опорів».
3. Джерела.
4. Додатки.

Вступ

Останнім часом в освітньому просторі набув поширення феномен «віртуальна лабораторія». Програмно-апаратні можливості комп’ютерної техніки дозволяють ефективно застосовувати ЕОМ у навчальному експерименті, зокрема при вивченні дисциплін: «Фізика» і «Електротехніка».

Крім безпосередньо ЕОМ, у своїй роботі, викладач фізики може використовувати спеціально створене програмне забезпечення, що організовує зміну параметрів моделі чи схеми та унаочнює у вигляді графічного відображення відповідні процеси на екрані комп’ютерного монітора. На сьогодні є значна кількість таких програмних продуктів: Micro-Cap, NI Multisim, OrCAD, Protel, P-CAD тощо. Ряд із них включає в себе фіксовану кількість конкретних моделей, але є й такі, що дозволяють користувачеві створювати свої власні моделі, задавати їхнім елементам довільні параметри та характеристики, керувати їхньою роботою.

До таких засобів відноситься, зокрема, комп’ютерне середовище схемотехнічного моделювання NI Multisim. Це програмне забезпечення можна використовувати як для вивчення електро- та радіотехнічних дисциплін, так і для розгляду питань електромагнітних явищ із загальної фізики. Тобто, це досить складний та універсальний програмний продукт. Можливості використання даної програми ми описували в статті  на сайті formula.kr.ua, де також у вигляді відеофрагментів дали більш детальну інструкцію із створення конкретних електричних схем, використання вимірювальних приладів тощо.

NI Multisim дозволяє створювати та редагувати моделі принципових електричних схем пристроїв, розраховувати режими роботи моделей, проводити їхній аналіз та представляти дані у зручній для подальшої роботи формі. Програма містить велику кількість електричних компонентів. Також передбачена можливість поповнення бібліотеки власними елементами. Особливістю цієї системи схемотехнічного моделювання є наявність контрольно-вимірювальних приладів, що за зовнішнім виглядом та характеристиками наближені до їх апаратних аналогів.

У середовищі NI Multisim віртуальні прилади включаються у віртуальну схему. Процес проходження струму в колі, робота вимірювальних приладів симулюється. Тому програмні засоби такого типу часто називаються симуляторами.

Інтерфейс симулятора NI Multisim складається з головного меню, панелі інструментів, на якій також розміщені бібліотека компонентів, лінійка контрольно-вимірювальних приладів та робочої області. Компоненти можна розташовувати на «робочому столі», перетягуючи за допомогою миші. Натиснувши лівою кнопкою миші на «контакті» одного елемента, підвівши курсор до «контакту» іншого та відпустивши кнопку, можна сполучити ці «деталі» віртуальним провідником. У такий спосіб користувач може легко скласти електронну схему, до якої аналогічно можна підключити необхідні вимірювальні прилади. Увести або відредагувати параметри того чи іншого елементу схеми можна подвійним натисканням лівої кнопки миші після наведення її на відповідний компонент. У меню, що з’явилося, закладка Label служить для написання позначення елементу, Value – для введення значень компонентів. Тобто, даний програмний продукт має зручний, інтуїтивно-зрозумілий інтерфейс для користувача. NI Multisim має можливість збереження зображення зібраної схеми для подальшої роботи, наприклад, складання звіту проведеної лабораторної роботи, або збереження окремих частин схеми (підсхем) з можливістю їхнього подальшого неодноразового використання при моделюванні ряду інших складних задач.

Приклад схеми для перевірки законів Кірхгофа, складеної у середовищі NI Multisim, показано на рис. 1.

Отже, використання моделей, створених за допомогою спеціального комп’ютерного середовища, не є складним завданням. Подібні симулятори роблять «доступними» такі складні та дорогі прилади, як генератор сигналів, осцилографи, аналізатори спектрів та ін. Причому, окрім безпосередньо комп’ютера та програмного забезпечення жодне додаткове обладнання більше не потрібне. Проте, крім такого переліку позитивів, слід мати на увазі, що модель, створена у найдосконалішій віртуальній лабораторії, – це лише комп’ютерна імітація реальних явищ та об’єктів. Об’єктами ж вивчення мають бути реальні явища, а підміна їх абстрактними поняттями й символами за недостатньої бази спостережень і досвіду нерідко веде до згубного формалізму, коли за удаваними знаннями відсутня їх сутність.

У процесі вивчення навіть складних схемотехнічних дисциплін роботі принаймні з рядом простих реальних електричних кіл має передувати робота з моделями. Інакше виникає ризик комп’ютерну підтримку навчального експерименту перетворити на його комп’ютерну дискредитацію. Перетворення навчального експерименту з областей електро- та радіотехніки в набір модельних імітацій може призвести до формування неправильного уявлення учнів про методи формування електричних сигналів, їх перетворення, обробку, про методи та інструменти досліджень. Більшість методистів стверджують, що використання комп’ютерного моделювання виправдане лише в тому випадку, якщо експеримент, що моделюється, з об’єктивних причин (складність, небезпечність, висока ціна матеріалів) не може бути проведений у навчальному закладі.

З іншого боку, які б не були досконалі програми-симулятори, – вони працюють з ідеалізованими моделями реальних елементів, що може призвести до відображення на вимірювальних приладах хибних результатів.

Окрім моделювання складних електричних кіл під час проведення лабораторних та розрахунково графічних робіт програмне середовище N1 Multisim зручно використовувати для експрес-перевірки параметрів електричних кіл, які учні розраховують теоретично на практичних заняттях.

Отже, в умовах недостатньої кількості сучасного лабораторного обладнання та необхідності значних капіталовкладень для створення та утримання нових лабораторій у навчальних закладах, функціонування віртуальної лабораторії видається можливим способом проведення наочних демонстрацій або лабораторних робіт, пов’язаних із вивченням розрахунку електричних кіл та процесів перетворення у них сигналів. Проте, для того, щоб об’єктом вивчення під час навчання не стали виключно комп’ютер та встановлене на ньому програмне забезпечення, ЕОМ доцільно доповнювати реальною апаратною частиною, що дозволяє використовувати його не лише для роботи програм-симуляторів.

Використання програм-емуляторів вимірювальних приладів, які дозволяють візуалізувати певним чином перебіг реальних процесів формування та перетворення електричних сигналів на екрані монітора, проводити вимірювання параметрів електричних кіл та здійснювати їх аналіз є дещо складнішим з точки зору реалізації, але ефективнішим напрямком розвитку віртуальної лабораторії.

2. Методична розробка лабораторно-практичного уроку «Дослідження електричного кола змінного струму з послідовним з’єднанням індуктивного, ємнісного та активного опорів»

Опорний план-конспект

Тема уроку: ЛПР № 1. Дослідження електричного кола змінного струму з послідовним з’єднанням індуктивного, ємнісного та активного опорів

Мета уроку:

Знаннєвий компонент: повторити поняття «електричний струм», «джерела струму», «опір»; навчити учнів збирати електричні кола змінного струму та виконувати вимірювання струму, напруги, потужності; експериментально перевірити закони послідовного з’єднання індуктивного, ємнісного та активного опорів;

Діяльнісний компонент: формувати вміння встановлювати причинно-наслідкові зв’язки між знаннями про струм та вмінням складати прості електричні кола, вимірювати силу струму, напругу і потужність; розвивати в учнів пошукову і пізнавальну активність, спостережливість, логічне мислення, уяву, самостійність, наполегливість, впевненість у собі.

Ціннісний компонент: сприяти розумінню важливості значення законів фізики в житті; спонукати розвитку уміння приймати обґрунтоване рішення щодо безпечного використання знань про струм та електричні кола, дотримуватися правил електробезпеки в побуті; формувати науковий світогляд та інтерес до вивчення електротехніки.

Тип уроку:  урок формування вмінь та навичок.

Вид уроку:  лабораторно-практична робота.

Демонстрації: презентація і анімація «Дослідження електричного кола змінного струму з послідовним з’єднанням індуктивного, ємнісного та активного опорів», фрагменти відео та анімацій.

Обладнання та наочність: плакати, картки з опорними блок-схемами, металеві провідники, вимірювальні прилади, джерело струму, вимикач, з'єднувальні провідники;  інструктивно-контролююча картка; віртуальна лабораторія multisim (джерело струму, резистори, реостати, котушки індуктивності, конденсатори,  амперметри, вольтметри, мультиметри, інструктивно-контролююча картка з електричною схемою).

Ключові компетентності:

1. Спілкування державною мовою: уміння доречно та коректно використовувати фізичні терміни й поняття; в усній та письмовій формах чітко та грамотно формулювати думки, результати і висновки; доводити власну точку зору та вміти дискутувати з  теми уроку.

2. Математична компетентність: уміння застосовувати математичні методи для обґрунтування та розкриття змісту фізичних теорій, опрацювання результатів експериментальних досліджень; уміння сприймати та відтворювати фізичну інформацію щодо опису явищ і процесів у формі математичних рівнянь й графічних залежностей.
3. Інформаційно-цифрова компетентність: уміння користуватися сучасними інформаційно-комунікаційними пристроями як засобами вимірювання; працювати з цифровим обладнанням віртуальних лабораторій.
4. Основні компетентності у природничих науках і технологіях: уміння пояснювати природні явища, процеси на основі фізичних знань.
5. Уміння вчитись впродовж життя: уміння організовувати самоосвіту з фізики: визначати мету, планувати, добирати необхідні засоби.
6. Ініціативність і підприємливість: виявляти здатність до роботи в команді, бути ініціативним, генерувати ідеї, брати відповідальність за прийняття рішень.
7. Екологічна грамотність і здорове життя: уміння усвідомлювати причинно-наслідкові зв’язки між природними процесами та явищами; берегти природу та вести здоровий спосіб життя.

Очікувані результати навчально-пізнавальної діяльності учнів:

• дають визначення термінам «електричний струм», «джерела струму», «опір»;
• збирають електричні кола змінного струму;
• виконують вимірювання струму, напруги, потужності;
• експериментально перевіряють закони послідовного з’єднання індуктивного, ємнісного та активного опорів;
• встановлюють причинно-наслідкові зв’язки між знаннями про струм та вмінням складати прості електричні кола, вимірювати силу струму, напругу і потужність;
• розуміють важливість значення законів фізики в житті;
• приймають обґрунтоване рішення щодо безпечного використання знань про струм та електричні кола;
• дотримуються правил електробезпеки в побуті.

Додаток 1

Орієнтовні запитання учнів один до одного

•   Дайте визначення постійного та змінного струму.
•   Що є джерелами змінного струму?
•   Навіщо потрібні вимірювальні прилади, якими приладами вимірюють струм, напругу, опір, потужність?
•   Опишіть схему кола змінного струму з послідовним з’єднанням індуктивного та активного опорів.
•   Чим відрізняються послідовне і паралельне з’єднання провідників.
•   Визначте поняття активної реактивної та повної потужностей. В яких одиницях їх вимірюють?
•   Що таке коефіцієнт потужності?
•   Дати визначення поняття резонансу напруг.
•   За яких умов відбувається резонанс напруг і зміною яких величин його можна досягти?
•   Як застосовується резонанс напруг і яка з ним пов’язана небезпека?

Додаток 2

Інструктивно-контролююча картка

Лабораторний практикум № 1

Тема.  Дослідження електричного кола змінного струму з послідовним з’єднанням індуктивного, ємнісного та активного опорів.

Мета. Дослідити електричне коло змінного струму, що складається з послідовно з’єднаних індуктивної котушки, конденсатора та активного опору. Експериментально визначити діючі значення струмів і напруг, встановити співвідношення між параметрами кола, кут зсуву фаз між напругою і струмом, отримати навички використання вимірювальних приладів.

Обладнання та ППЗ: віртуальна лабораторія multisim - джерело змінної ЕРС, резистори, котушки індуктивності, конденсатори, реостати,  амперметри, вольтметри, мультиметри, ватметри, осцилограф, інструктивно-контролююча картка.

Теоретичні відомості:

Повним опором кола змінного струму, яке не містить джерела електроенергії, називають відношення діючого значення синусоїдної напруги на вході кола до діючого значення вхідного струму:

,

Закон Ома:

ємнісний опір,

,

- індуктивний опір,

Формули для визначення активної, реактивної та повної потужностей мають вигляд:                             ;  ;  .  

Наведені потужності також розраховують за діючими значеннями струму й відповідних опорів за формулами: ;  ; .

Одиниці вимірювання потужностей:

 =1 ВА, 1 кВА; = 1 Вт, 1 кВт; =1 ВАр, 1 кВАр.

Якщо (резистивно – індуктивні кола), реактивна потужність – додатна, а якщо (резистивно – ємнісні кола), – від’ємна.

Повна потужність характеризує найбільше значення активної потужності, яку можна одержати в колі за заданих діючих значень напруги та струму (тобто, якщо ). На щитках генераторів, моторів і трансформаторів як номінальну потужність вказують їх повну потужність у вольт-амперах (ВА) або кіловольт-амперах (кВА).

Величину називають коефіцієнтом потужності. Він показує, яку частину всієї потужності, виробленої джерелом електроенергії, складає активна потужність.

Очевидно, що чим більший , тим економніше працює енергосистема, так як при одних і тих же значеннях струму й напруги джерела можна одержати більшу активну потужність. Або при певних значеннях напруги і потужності джерела можна передавати активну енергію меншим струмом, що зменшує втрати в лінії.

Приклад 1.  Визначимо повний опір, коефіцієнт потужності, діючі значення струму і напруг на елементах, активну, реактивну і повну потужності електричного кола (рис.) з послідовно сполучених резистивного опору , індуктивності і ємності , яке приєднане до електричної мережі синусоїдної напруги з діючим значенням і частотою .

Розв’язання

Реактивні опори та повний опір кола

Коефіцієнт потужності  

Діюче значення струму  

Діючі значення напруг на активному, індуктивному та ємнісному опорах:

Діюче значення загальної напруги

 Потужності:

- активна    

- реактивна   

- повна            

Підготовчий етап:

1.               Опрацювати теоретичний блок.
2.               Розглянути схему 1. змодельовану в програмі multisim та вказати прилади в її складі:

3.               Записати дані вимірювальних приладів на схемі в таблицю 1.:

4.               Записати формули необхідні для обчислень:

5.               Виконати обчислення та заповнити таблию 2.:

6.               Побудуйте трикутник опорів:
7.               Дати відповіді на питання:

• Дати визначення поняттям активного та реактивного опорів і наведіть приклад трикутника опорів.
• Визначте поняття активної реактивної та повної потужностей. В яких одиницях їх вимірюють?
• Що таке коефіцієнт потужності?
• Дати визначення поняття резонансу напруг.
• За яких умов відбувається резонанс напруг і зміною яких величин його можна досягти?
• Як застосовується резонанс напруг і яка з ним пов’язана небезпека?

Пам’ятайте!

Обов’язки учня (студента) при виконанні лабораторних робіт:

1. До виконання роботи допускається студент, який проходив інструктаж з техніки безпеки по виконанню робіт в лабораторії.
2. Перед початком лабораторної роботи студент зав’язаний перевірити візуально цілісність приладів, кабелів та провідників.
3. В разі пошкодження приладів студент повинен повідомити про це керівника.
4. Перед вмиканням приладів у мережу, студент повинен показати керівникові зібрану схему для перевірки.
5. Отримавши дозвіл керівника, студент має право вмикати прилади в мережу.
6. Під час виконання роботи забороняється вставати з робочого місця без дозволу керівника.
7. Під час виконання роботи забороняється залишати прилади, включені в мережу.
8. В разі виникнення небезпечних ситуацій, студент повинен вимкнути прилади і повідомити керівника.
9. По закінченні роботи студент повинен розібрати схему, вимкнути прилади, прибрати робоче місце, здати черговим провідники та кабелі.

Практична частина роботи:

Хід роботи

1.     Ознайомитися з лабораторною установкою, схемою.
2.     Зібрати схему 1. для дослідження кола змінного струму з послідовним з’єднанням індуктивного та активного опорів.
3.     Після перевірки схеми, встановити напругу джерела живлення в межах 50 – 80 В і в процесі виконання роботи підтримувати сталою.
4.     Змінюючи активний опір від мінімального значення до максимального, дослідити співвідношення між струмом і напругами в схемі для 3-5 значень опору резистора.
5.     Виконати обчислення та заповнити таблицю.
6.     Змінюючи індуктивність від мінімального значення до максимального, дослідити співвідношення між струмом і напругами в схемі для 3-5  положень осердя котушки (відповідно, 3-5 значень індуктивності котушки).  
7.     Виконати обчислення та заповнити таблицю 3.
8.     Скласти звіт.
9.               Додатково.
   1. За даними таблиці побудувати графіки залежностей струму від активного та реактивного опорів.
   2. Для одного з дослідів побудувати векторну діаграму напруг і струму в колі.

Місце для обчислень:

Висновки: