Філоненко І.І., Бердянський державний педагогічний університет

Модель дозволяє будувати, досліджувати якісно та кількісно електричні кола постійного та змінного струму, що складаються із джерел постійного та змінного струму, лампи, опору, вимикача, конденсатора, катушки індуктивності. Для дослідження моделі можна використати вольтметр (один на модель), амперметр (кількість на модель не обмежена), один дистанційний амперметр, секундомер, показати графік напруги чи сили струму. Створену модель можна зберегти в окремому файлі.

моделювання кола постійного струму on-line модулювання кола змінного струму on-line скачати модель

 8 клас. Побудова кола постійного струму

Для кола постійного струму можна використати довільну кількість резисторів, батарей, ламп, вимикачів. Характеристики будь-якого елемента можна змінити у його контекстному меню (права кнопка мишки). Для дослідження моделі можна використати один вольтметр, один дистанційний амперметр, довільну кількість амперметрів. Методичні властивості моделі розширені можливістю перемикати відображення  елементів  між "реальним" та схематичним, показати характеристики всіх елементів чи окремо, показати схему великою, середньою чи зменшеною, змінити опір з'єднувальних дротів, показати чи сховати схематичне зображення електронів, показати розрахунки до схеми.

Електричне коло. Сила струму

Актуалізація: взаємодія однакових зарядів,  сутність електризації впливом, гальванічний елемент, зв'язок швидкості руху молекул із температурою.

Виклад матеріалу. Якщо один кінець провідника зарядити негативно, тобто передати туди надлишкову кількість електронів, то електрони будуть відштовхуватися і розподіляться по провіднику - виникне короткочасний електричний струм. Джерело струму, наприклад, гальванічний елемент, дозволяє підтримувати на кінцях провідника постійну різницю кількості електронів і, відповідно, досягти постійного впорядкованого руху електронів - електричного струму. Будуємо коло із провідника і джерела струму, показуємо рух електронів.

Рухаючись провідником, електрони наштовхуються на ядра кристалічної решітки, змушують їх коливатися частіше, що проявляється як розігрів провідника. Розігріте до високої температури тіло починає світитися, отримуємо електричну лампу. Додаємо в коло електричну лампу.

Щоб зручніше користуватися лампою в колі повинен бути вимикач. Додаємо в коло вимикач.

Показуємо умовні позначення джерела струму, лампи, вимикача, дротів, малюємо принципову схему електричного кола.

Від чого залежить яскравість світла лампи? Чи більше електронів вдариться об ядра кристалічної решітки, тим швидше вони будуть коливатися, тим більша буде температура, тим яскравіше світло. Змінюємо напругу джерела струму, впевнюємося, що електрони рухаються швидше і лампа світить яскравіше.

Для характеристики дії електричного струму самої кількості електронів мало. А раптом в одному випадку 100 електронів пройшло провідником за 1 с, а другому - за 1 добу? Від кількості електронів дія струму залежатиме пропорційно, від часу обернено пропорційно. А як бути із тим, що електрони в провіднику навіть без електричного струму рухаються хаотично і навіть коли беруть участь у створенні електричного струму, то все одно продовжують рухатися хаотично, щобправда зміщюючить всі в одному напрямі? Потрібно враховувати не всю кількість електронів, а тількі ті, які пройшли через поперечний переріз провідника. А раптом електричний струм створюється не тільки електронами, а іншими зарядженими частинками? Потрібно казати не кількість електронів, а заряд. Чи потрібно враховувати напрям провідника (зміниться кількість електронів від зміни положення провідника)? З урахування усіх попередніх поправок отримуємо фізичну величину - сила струму. Можна сформулювати таке визначення сили струму

Сила струму:

1. Фізична величина, що не має напряму (скалярна фізична величина).
2. Характеризує величину дії електричного струму.
3. Показує заряд, що пройшов через поперечний переріз провідника за одиницю часу. Тому формула I=Δq/Δt
4. Позначається буквою I.
5. Вимірюється в амперах - A.
6. Прилад для вимірювання сили струму - амперметр.

Як підключати амперметр до електричного кола? Припустімо, нам потрібно виміряти силу струму в лампі. Тобто, амперметр повинен вимірювати заряд, що пройшов через лампу за певний проміжок часу. Тому амперметр, потрібно встановлювати так само, як і лічильник води чи газу - послідовно (тут можна намалювати схему із лічильником води в квартирі). Додати в електричне коло амперметри між всіма елементами, показати що сила струму однакова.

 Що буде, якщо амперметр під'єднати паралельно? У кращому випадку амперметр покаже силу тока не через лампу, а через себе, в гіршому - зіпсується через перегрів дротів. Додати в електричне коло амперметр паралельно і показати, що електрони рухаються значно швидше, покази амперметрів підключених послідовно і паралельно суттєво відрізняються.

Електрична напруга

За яких умов в електричному колі існує постійний електричний струм? Якщо джерело струму створює постійну різницю кількості електронів на кінцях провідника. Як і в випадку із струмом самої кількості електронів для опису джерела не вистачає. По-перше, коло може бути розірваним, а здатність джерела розділяти заряди нікуди не дінеться. Тому для джерела кількість електронів взагалі не показник. Показником тут є та сила, з якою джерело струму "тягне" електрони, і та відстань, яку електрони внаслідок проходять, тобто робота. По-друге, однакову роботу одне джерело виконає за 1 с, а другому потрібно буде 1 хвилина. Тому потрібно враховувати роботу за одиницю часу. Чи буде залежати робота джерела від напряму дротів? Ні. Підсумовуючі, можна сформулювати таки визначення електричної напруги.

Електрична напруга:

1. Фізична величина, що не має напряму (скалярна фізична величина).
2. Характеризує здатність джерела струму до створення електричного струму.
3. Показує роботу, що виконана джерелом за одиницю часу, тому формула U=ΔA/Δt.
4. Позначається буковою U.
5. Вимірюється в вольтах - В.
6. Прилад для вимірювання електричної напруги - вольтметр.

Як підключати вольтметр до електричного кола? Якщо вольтметр підключити до кола послідовно, то він буде вимірювати силу струму, але дуже неточно (чому так відбувається ми довідаємося пізніше). Вольтметр підключают паралельно. Додати до кола вольтметр і показати різницю правильного і неправильного вимірювання.

Електричний опір

Ми розглянули причину електричного струму - напругу джерела струму, розглянули наслідок - електричний струм певної сили, але не розглянули умови які впливають на силу струму. Провідники можут бути з різих матеріалів і тому електрони при русі будуть натикатися на ядра кристалічної решітки де більше, а де меньше. Провідник "опирається" руху електронів, а фізичну величину для опису цього явища називають електричний опір. Змінюємо в параметрах моделі опір дротів, резистора або лампи і спостерігаємо вповільнення руху електронів. На жаль, модель не дозволяє продемонструвати залежність опору від площі перерізу, довжини чи матеріалу провідника.

Закон Ома для ділянки електричного кола

Актуалізація: пряма та обернена пропорційність

Добре було б вивчити цей матеріал у формі самостійного дослідження. По інструкції збираємо схему досліду - лампа, вимикач, гальванічний елемент, амперметр, підключаємо до гальванічного елементу вольтметр. Змінюємо напругу елемента - сила струму змінюється пропорційно. Змінюємо опір лампи - сила струму змінюється обернено пропорційно. Тому можна зробити висновок, що І~U/R. Пробуємо поділити значення напруги на опір і з'ясовуємо, що коефіцієнт пропорційності дорівнює 1, тобто І=U/R. Звертаємо увагу, що напруга батареї може бути розрахована з використанням закону Ома, але реально від сили струму та опору вона не залежить. Так само і опір може бути підрахований, але не залежить ні від сили струму, ні від напруги (якщо температура провідника не змінюється). Модель не дозволяє врахувати зміну опору провідника з температурою, потрібено показати дослід, або хоча б обговорити цю проблему.

Наостанок, або як додаткове завдання можна запропонувати підключити вольтметр до лампи і змінюючи опір дротів спостерігати за зміною напруги. Що це, порушення закону Ома? Відповідь дуже проста - це не та ділянка кола.

Послідовне і паралельне з'яднання провідників

Теж краще провести у формі самостійного дослідження. Хай складають схеми, вимірюють напруги та силу струму, розраховують загальний опір і роблять висновки. Залишиться тільки показати, як теоретично отримати формули загального опору для послідовного та паралельного з'єднання.

Л/р Визначення опору провідника за допомогою амперметра і вольтметра

Провести за допомогою моделі можна, але приховати значення опору неможливо і тому учень завжди може зазирнути у властивості резистора.

Робота і потужність струму

Лабораторну роботу за допомогою моделі провести можна, але це по суті тренування у вимірюванні сили струму та напруги і до деякої міри закріплення формул роботи та потужності.

NB! Звісно, що в залежності від оснащеності школи модель можна використати не тільки для викладення нового матеріалу, але і для перевірки розв'язання задачі, для проведення лабораторної роботи, для розв'язання задач на побудову електричного кола із заданими властивостями. 

Л/р з визначення ККД

Провести неможливо.

 10 клас. Побудова кола змінного струму

До попередньої моделі додаються джерело змінного струму, конденсатор, котушка індуктивності, вимірювач часу, графіки сили струму та напругу.

Змінний електричний струм

Модель дозволяє зібрати коливальний контур і спостерігати зміну заряда та сили струму в ньому.

Можна показати, що при змінному струмі електрони в провіднику коливаються.

Змінючи частоту джерела струму, показуємо, що при достатньо високій частоті мигтіння лампи не буде помітно (спіраль не встигає охолонути + інерція зору).

Підбравши параметри лампи можна показати, що змінній струм проходить через конденсатор завдяки зарядженню та розрядженню конденсатора (на пластинах конденсатора відстежується зміна величини та знаку заряда).

Постависши котушку індуктивності можна показати, що вона має значний опір для змінного струму, сповільнює збільшення сили струму при включенні.

Показати електричний резонанс можна, але незручно, бо графік коливань обмежений і налаштувати його неможливо.

Недоліки:

1. При збереженні у випадаючому списку символи кирилиці відображаються прямокутниками.
2. При збереженні потрібно вписувати не тільки назви, а і розширення файлу моделі.
3. Схематичне зображення резистора та вимикача не відповідає прийнятим в українських школах.
4. Графік відображає тільки останні 5 секунд, напругу в діапазоні від -20 до 20 В, силу струму від -3 до 3 А.