Електричні вимірювання в шкільній лабораторії

Електричні вимірювання в шкільній лабораторіїМетодика організації, класифікація приладів та практичні досліди у середній та старшій школі. Слайд 1 з 25

Розділ І. Основи метрологіїВступ до електричних вимірювань, класифікація похибок та загальні поняття вимірювальних систем. Слайд 2 з 25

Слайд 3 з 25 Педагогічний аспект. Електричні вимірювання формують у школярів базові навички експериментаторів, критичне мислення та вчать бачити безпосередній зв'язок між абстрактними фізичними законами та реальними технологічними процесами навколо нас. Методичний підхід. Для учнів, студентів (майбутніх викладачів або лаборантів) важливо розуміти структуру шкільного кабінету фізики, специфіку роботи учнівського лабораторного комплекту та вміти самостійно готувати складні вимірювальні установки. ЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВИМІРЮВАНЬ

Слайд 4 з 25 Сила струму (I): Кількість електричного заряду, що проходить крізь поперечний переріз провідника за одиницю часу. Електрична напруга (U): Робота електричного поля з переміщення одиничного позитивного заряду між двома точками. Електричний опір (R): Властивість матеріалів перешкоджати проходженню електричного струму. Потужність (P): Швидкість виконання роботи електричним струмом або швидкість перетворення енергії в колі. Частота (f): Кількість повних періодів коливань змінного струму або напруги за секунду. ОСНОВНІ ФІЗИЧНІ ВЕЛИЧИНИ

Слайд 5 з 25{C0 A835 DA-3 B3 D-4 C19-932 E-4 DA478 E98 C75}Фізична величина. Позначення. Одиниця виміру. Скорочення. Основна розрахункова формула. Сила струму. IАмпер. АI = Q / t. Електрична напруга. UВольт. ВU = A_e / QЕлектричний опір. RОм. Ом. R = ρ · l / SЕлектрична потужність. PВат. Вт. P = U · IСИСТЕМА ОДИНИЦЬ SI ТА ФОРМУЛИ

Слайд 6 з 25 Абсолютна похибка. Визначає межі, в яких знаходиться дійсне значення вимірюваної величини. Відносна похибка. Показує якість проведеного експерименту у відсотках відносно виміряного значення. ПОХИБКИ ВИМІРЮВАНЬ У ФІЗИЦІ

Розділ ІІ. Електровимірювальні прилади. Аналогові та цифрові пристрої: конструкція, принципи роботи та правила експлуатації в школах. Слайд 7 з 25

Слайд 8 з 25 Традиційне навчальне обладнання. Аналогові демонстраційні та лабораторні амперметри і вольтметри залишаються базовими в школі завдяки своїй наочності: Візуалізація руху стрілки дає чітке розуміння динаміки процесу. Навчання правильному зчитуванню шкали з урахуванням ціни поділки. Стійкість до легких перевантажень у порівнянні з дешевими цифровими мультиметрами. СТРІЛОЧНІ АНАЛОГОВІ ПРИЛАДИ

Слайд 9 з 25 Магнітоелектрична. Працює на взаємодії котушки зі струмом і постійного магніту. Має найвищу точність, але працює тільки на постійному струмі. Електромагнітна. Струм проходить через нерухому котушку, намагнічуючи рухоме осердя. Надійні, працюють на постійному та змінному струмах. Електродинамічна. Заснована на взаємодії двох котушок зі струмом (рухомої та нерухомої). Дуже точні прилади для змінного струму. КЛАСИФІКАЦІЯ СИСТЕМ ПРИЛАДІВ

Слайд 10 з 25 Послідовне включення. Амперметр завжди вмикається в коло послідовно зі споживачем, силу струму в якому потрібно виміряти. Внутрішній опір амперметра робиться якомога меншим, щоб не впливати на режим роботи досліджуваної ділянки. Правила захисту. Ніколи не підключайте амперметр безпосередньо паралельно джерелу живлення! Це призведе до короткого замикання, виходу приладу з ладу та можливого пошкодження джерела струму. АМПЕРМЕТР: РОБОТА ТА ПІДКЛЮЧЕННЯ

Слайд 11 з 25 Паралельне включення. Вольтметр підключають паралельно до ділянки кола, на якій вимірюють напругу. Для мінімізації впливу приладу на коло його внутрішній опір має бути надзвичайно великим (сотні кілоом або мегаоми). Додатковий опір. Для розширення межі вимірювання стрілочного вольтметра послідовно з його вимірювальним механізмом встановлюється додатковий резистор, що обмежує струм у приладі. ВОЛЬТМЕТР: РОБОТА ТА ПІДКЛЮЧЕННЯ

ЦИФРОВІ МУЛЬТИМЕТРИ В КОЛЕДЖІУніверсальність та швидкість. Цифровий мультиметр є основним інструментом сучасного лаборанта чи учня завдяки своїм можливостям: Автоматичний вибір діапазону вимірювання. Поєднання функцій амперметра, вольтметра, омметра та ємнісного вимірника в одному корпусі. Можливість збереження даних або виведення графіків на ПК.

Розділ ІІІ. Методи та схеми вимірювань. Аналіз схем вимірювань параметрів кіл, визначення опору, ємності та використання осцилографів. Слайд 13 з 25

Порівняння дидактичної та технічної ефективності методів вимірювання опору в кабінеті фізики коледжу та школи. Слайд 14 з 25 ПОРІВНЯННЯ МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ОПОРУ

Слайд 15 з 25 Принцип вимірювання. Опір резистора розраховується на основі показань двох приладів за законом Ома для ділянки кола. Це один із базових експериментів у школі: Вплив опору приладівІснує два варіанти схеми:•Малі опори: Вольтметр підключають паралельно до резистора, амперметр вимірює загальний струм.•Великі опори: Вольтметр підключають паралельно до послідовно з'єднаних амперметра та резистора. МЕТОД АМПЕРМЕТРА І ВОЛЬТМЕТРА

Слайд 16 з 25 Еталонний нульовий метод. Міст постійного струму дозволяє проводити вимірювання невідомого опору Rx за допомогою порівняння з еталонним регульованим опором R3: Схема балансу моста. При досягненні рівноваги справедливим є співвідношення: Метод заснований на досягненні рівноваги моста (струм І5 через гальванометр ІР дорівнює нулю). Висока точність вимірювання за рахунок відсутності потреби калібрування шкали вимірювальних головок. ВИМІРЮВАЛЬНИЙ МІСТ ВІТСТОНА

ОСЦИЛОГРАФ У ЛАБОРАТОРІЇ Аналіз динамічних сигналів. Осцилограф дає змогу візуалізувати часові залежності змінних струмів та напруг, що є необхідним для вивчення електромагнітних коливань: Визначення амплітуди, періоду та частоти сигналу. Спостереження фазових зсувів між струмом і напругою. Дослідження форми сигналів: синусоїдальна, прямокутна, пилкоподібна тощо.

Розділ IV. Практикум та експерименти. Покрокові алгоритми проведення лабораторних занять та аналіз експериментальних даних учнів. Слайд 18 з 25

Слайд 19 з 251. Складання кола. Підготовка схеми, перевірка з'єднань при вимкненому джерелі живлення.2. Вибір діапазону. Встановлення найбільшої межі вимірювання на приладах для запобігання перевантаження.3. Зняття показників. Реєстрація величин з урахуванням ціни поділки та кута зору (паралаксу).4. Обчислення похибок. Обробка результатів, порівняння похибок аналогових та цифрових систем. ЕТАПИ ПРОВЕДЕННЯ ВИМІРЮВАНЬ

Електричне коло та його основні елементи. Електричний коло – це сукупність пристроїв, що забезпечують можливість створення електричного струму. Основні елементи електричного кола – джерело, приймач і проводи, що їх з'єднують. Джерело електричної енергії – це пристрій, у якому енергія хімічна, теплова, промениста або механічна перетворюється в електричну енергію. У залежності від виду перетворюваної енергії розрізняють наступні типи джерел: механічні генератори, акумулятори, гальванічні елементи, термоелементи, фотоелементи. Допоміжні елементи кола – вимикачі, рубильники, амперметри, вольтметри.

Слайд 20 з 25 Хід роботи (лабораторна №1)Мета роботи: експериментально підтвердити прямо пропорційну залежність сили струму від прикладеної напруги на провіднику: Скласти послідовне коло з джерела живлення, реостата, амперметра та випробувального резистора. Підключити вольтметр паралельно до випробувального резистора. За допомогою реостата встановити 5 різних значень напруги. Записати покази амперметра для кожного кроку та занести дані в зведену таблицю. Побудувати графік вольт-амперної характеристики (ВАХ) резистора. Сформулювати висновок та обчислити середню абсолютну похибку вимірювань. ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАКОНУ ОМА

Слайд 21 з 25 Методологія дослідження. Визначення Електрорушійної сили (ε) та внутрішнього опору (r) джерела живлення за допомогою зміщення навантаження в колі: Послідовність дій. При розімкненому колі вольтметр підключають безпосередньо до клем джерела струму, реєструючи наближене значення ЕРС. Замикають коло на відомий опір і вимірюють силу струму з напругою, за формулами розраховують r. ВИЗНАЧЕННЯ ЕРС ДЖЕРЕЛА СТРУМУ

Розділ V. Безпека та сучасні технологіїПравила безпеки життєдіяльності під час занять та застосування цифрових датчиків нового покоління. Слайд 22 з 25

Слайд 23 з 25 Захист учнів та обладнання. При організації робіт з електрики в школі вчитель та лаборант зобов'язані неухильно дотримуватись правил охорони праці: Дозволена робоча напруга на лабораторних столах учнів не повинна перевищувати 36-42 В. Забороняється змінювати будь-які елементи схеми або торкатися контактів при увімкненому джерелі. Перед першим увімкненням схему обов'язково повинен перевірити керівник робіт. ПРАВИЛА БЕЗПЕКИ В ЛАБОРАТОРІЇ

СУЧАСНІ ЦИФРОВІ ЛАБОРАТОРІЇНовий стандарт шкільних вимірювань. STEM-освіта вимагає використання комп'ютеризованих комплексів з вимірювальними датчиками: Одночасний запис напруги та струму за допомогою АЦП перетворювачів. Побудова динамічних графіків на екрані планшета чи ноутбука в реальному часі. Можливість сполучення з мікроконтролерами платформи Arduino для створення власних робочих стендів.

Запитання та відповідіДякуємо за увагу! Готові відповісти на ваші запитання щодо методики вимірювань та організації шкільного кабінету фізики. Тема наступного заняття“Електричні вимірювання в контролі споживання електроенергії вдома”. Практичний посібник з моніторингу, підвищення енергоефективності, оптимізації витрат та забезпечення безпеки побутової електромережіСлайд 25 з 25