ΣΧΕΔΙΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΤΑΞΗ : Β΄ ΛΥΚΕΙΟΥ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ

ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΕΠΑΓΩΓΗ

Α. Διδακτικοί στόχοι

Οι μαθητές πρέπει:

1. Να μπορούν να χρησιμοποιούν κατάλληλα ένα πηνίο, ένα μαγνήτη, και καλώδια έτσι ώστε να δημιουργείται ΗΕΔ από επαγωγή στο πηνίο και να χρησιμοποιούν ένα γαλβανόμετρο για την πιστοποίηση του επαγωγικού ρεύματος.

2. Να χρησιμοποιούν με κατάλληλο τρόπο ένα πηνίο που μαζί με ένα διακόπτη και καλώδια, αποτελούν ένα κύκλωμα και να παρατηρούν με τη βοήθεια γαλβανομέτρου, το επαγωγικό ρεύμα σε ένα άλλο γειτονικό πηνίο.

3. Να διατυπώνουν υποθέσεις για την ερμηνεία της δημιουργίας ρεύματος σε κυκλώματα που δεν περιέχουν μπαταρίες.

4. Να γνωρίζουν ότι η μεταβολή της μαγνητικής ροής σε ένα κλειστό συρμάτινο πλαίσιο, έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος.

Β. Παρουσίαση της ενότητας

4 Όταν η θέση ενός μαγνήτη σε σχέση με ένα πηνίο ή και αντίστροφα συνέχεια μεταβάλλεται, τότε στο πηνίο δημιουργείται ΗΕΔ. Αυτό αποδίδεται στη μεταβολή του αριθμού των δυναμικών γραμμών του μαγνητικού πεδίου που τέμνουν τις επιφάνειες των σπειρών του πηνίου. Δηλαδή στη μεταβολή της μαγνητικής ροής.

4 Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει ένα πηνίο μεταβάλλεται, τότε σε ένα άλλο γειτονικό πηνίο που είναι μέρος κλειστού κυκλώματος, εμφανίζεται – επάγεται ρεύμα. Και στην περίπτωση αυτή το επαγόμενο ρεύμα αποδίδεται στη μεταβολή του αριθμού των δυναμικών γραμμών του μαγνητικού πεδίου.

4 Με οποιανδήποτε τρόπο και αν μεταβάλλεται ο αριθμός των δυναμικών γραμμών που τέμνουν την επιφάνεια ενός κλειστού συρμάτινου πλαισίου, τότε το σύρμα διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα.

Γ. Εναλλακτικές ιδέες των μαθητών

Οι μαθητές στη μεγάλη τους πλειοψηφία δυσκολεύονται να αποδεχτούν ότι είναι δυνατό να δημιουργηθεί ρεύμα σε ένα κύκλωμα χωρίς την ύπαρξη μπαταρίας. . Επειδή έχουν συνηθίσει να αλλάζουν μπαταρίες στις συσκευές καθημερινής χρήσης, πιστεύουν ότι αυτές είναι και οι μοναδικές πηγές ηλεκτρικής ενέργειας, έστω αν υπάρχει και το ποδήλατο που είναι ηλεκτρικά αυτόνομο με τη βοήθεια του «δυναμό». Εδώ, η καθημερινή εμπειρία δημιουργεί σύγχυση και παρανοήσεις. Ακόμα και αν δουν το βασικό πείραμα δημιουργίας επαγωγικού ρεύματος εξακολουθούν να είναι επιφυλακτικοί.

Δ. Διδακτικές προτάσεις

Πιστεύουμε ότι για το συγκεκριμένο θέμα είναι σκόπιμο να ξεκινήσουμε με την πιο κάτω ερώτηση, που μπορεί να δημιουργήσει γνωστικές συγκρούσεις.:

«Πιστεύετε ότι είναι δυνατό ένα πηνίο να λειτουργήσει σα μπαταρία, ώστε να ανάψει μια λάμπα;»

Βέβαια αμέσως μετά τις σχετικές απαντήσεις, πρέπει να γίνουν οι πιο κάτω δραστηριότητες ως πειράματα επίδειξης ή εναλλακτικά να χρησιμοποιήσουμε το λογισμικό που θα σας υποδείξουμε στη συνέχεια.

Δραστηριότητα 1

Χρησιμοποιούμε ένα πηνίο 300 σπειρών, ένα γαλβανόμετρο μηδενός και ένα ραβδόμορφο μαγνήτη όπως φαίνεται στο σχήμα.

Πλησιάζουμε απότομα το μαγνήτη με τον ένα πόλο του στο πηνίο έτσι ώστε οι άξονες πηνίου και σωληνοειδούς, περίπου να συμπίπτουν.

Όλοι οι μαθητές πρέπει να παρατηρήσουν την εκτροπή της βελόνας και να δώσουν μια εξήγηση σύμφωνα με τις γνώσεις που έχουν.

§ Ρωτάμε τι θα συμβεί αν αφήσουμε ακίνητο το μαγνήτη μέσα στο πηνίο.

Παίρνουμε απαντήσεις και διαπιστώνουμε πειραματικά την ορθότητά τους.

Συμπληρώνουμε το φύλο εργασίας.

§ Ρωτάμε τι θα συμβεί αν απομακρύνουμε απότομα το μαγνήτη από το πηνίο.

Παίρνουμε απαντήσεις και διαπιστώνουμε πειραματικά την ορθότητά τους.

Συμπληρώνουμε το φύλο εργασίας.

Τώρα μπορούμε να διατυπώσουμε το εξής συμπέρασμα: «Όταν αλλάζει η θέση ενός μαγνήτη ως προς ένα πηνίο ή και αντίστροφα, τότε το πηνίο συμπεριφέρεται σαν μπαταρία» . Συμπληρώνουμε το φύλο εργασίας.

Το σημείο αυτό πρέπει να πούμε ότι πολλές από τις μεγάλες ανακαλύψεις οφείλονται στη φυσική διαίσθηση των επιστημόνων, ρωτώντας τους μαθητές αν πιστεύουν ότι απλά ερωτήματα όπως : «Αφού το ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί μαγνητικό πεδίο, γιατί και το μαγνητικό πεδίο να μη δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα;» είναι δυνατό να οδηγήσουν σε μεγάλες ανακαλύψεις.

Στη συνέχεια θέτουμε το ερώτημα : «Αφού ένα ηλεκτρισμένο σώμα προκαλεί στατικό ηλεκτρισμό σε ένα γειτονικό αγωγό – επάγει αντίθετα φορτία στα άκρα του – γιατί και ο ηλεκτρισμός σε κίνηση (ρεύμα) σε ένα κύκλωμα, να μην επάγει ηλεκτρισμό σε κίνηση (ρεύμα) σε ένα άλλο γειτονικό κύκλωμα;» και ζητούμε να μας πουν αν πιστεύουν ότι μπορεί να συμβεί κάτι ανάλογο και πως θα το ελέγξουν. Παίρνουμε αρκετές απαντήσεις και εκτελούμε τη ακόλουθη δραστηριότητα.

Δραστηριότητα 2

Χρησιμοποιούμε δύο κατάλληλα πηνία ώστε το ένα να χωράει μέσα στο άλλο όπως φαίνεται στο σχήμα. Πρώτα κλείνουμε και μετά ανοίγουμε το διακόπτη παρατηρώντας τις αποκλείσεις τις βελόνας του γαλβανομέτρου.

§ Ρωτάμε τους μαθητές αν και πάλι το εξωτερικό πηνίο συμπεριφέρεται σαν μπαταρία και πότε συμβαίνει αυτό.

Συμπληρώνουμε το φύλο εργασίας.

Η ερώτηση «Που μπορεί να οφείλεται το ρεύμα στο εξωτερικό πηνίο;» οδηγεί στην ταξινόμηση των παρατηρήσεων και στη συσχέτισή τους με το ερώτημα που είχαμε θέσει στο τέλος της δραστηριότητας 1. Συμπληρώνουμε το φύλο εργασίας.

Κλείνουμε το διακόπτη και μετακινούμε το ένα πηνίο σε σχέση με το άλλο.

Παρατηρούμε την απόκλιση της βελόνας για την κατεύθυνση κάθε μετατόπισης και συμπληρώνουμε το φύλο εργασίας.

Στο σημείο αυτό πρέπει να κάνουμε μια ομαδοποίηση των φαινομένων ανάλογων με αυτό της Δραστηριότητας 1 και των φαινομένων που είναι ανάλογα με αυτό της Δραστηριότητας 2 . Ενώ το αποτέλεσμα είναι ίδιο – ρεύμα στο κύκλωμα πηνίο, γαλβανόμετρο – τα αίτια φαίνεται να διαφέρουν.

Δραστηριότητα 3

Τρέξτε εκτελέστε την εφαρμογή applet, Induced Current.htm από τη διεύθυνση http://www.phys.hawaii.edu/~teb/optics/index.html ή από το σκληρό σας δίσκο.

Με την εφαρμογή αυτή γίνεται εύκολα κατανοητή η σχέση της μεταβολής του αριθμού των δυναμικών γραμμών που τέμνουν την επιφάνεια ενός πλαισίου και του επαγόμενου ρεύματος. Τώρα μπορούμε να ομαδοποιήσουμε τα προηγούμενα φαινόμενα και να αποδώσουμε τη δημιουργία επαγωγικού ρεύματος στη μεταβολή της μαγνητικής ροής.

Δυο ανάλογες εφαρμογές μπορείτε να βρείτε και στο CD «ΦΥΣΙΚΗ ΙΙ» (Εκδόσεις Γενναδίου Σχολής) που έχει διανεμηθεί σε όλα τα Ενιαία Λύκεια από το ΥΠΕΠΘ.

Δεξιότητες - Στάσεις

Η μελέτη ενός φαινομένου όπως το προηγούμενο, προκαλεί τους μαθητές να ασκήσουν την ικανότητα συσχετισμού, ταξινόμησης και αξιολόγησης γεγονότων κατά τη διάρκεια κάθε δραστηριότητας. Είναι επίσης σκόπιμο να προτρέψουμε τους μαθητές να μας προτείνουν δικούς τους τρόπους που θα οδηγούσαν στην μεταβολή της μαγνητικής ροής μέσα από συρμάτινα πλαίσια με σκοπό τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος. Επιπλέον η αναφορά στις κεφαλές κασετοφώνου και pick-up στις οποίες τα μικρά επαγωγικά ρεύματα που δημιουργούνται είναι ικανά να έχουν μετά την ενίσχυσή τους τα γνωστά ηχητικά αποτελέσματα, θα προκαλέσει θετική στάση προς τις Φυσικές επιστήμες και την Τεχνολογία.

Αναφορές στην ιστορία και την εξέλιξη της επιστήμης

Το πρώτο πείραμα και η πρώτη απόπειρα παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος από το μαγνητικό πεδίο, ιστορικά αποδίδεται στον Michael Faraday και έγινε γύρω στο 1831. Ο Faraday χρησιμοποίησε ένα σιδερένιο δακτύλιο σε κάθε ημιπεριφέρεια του οποίου ήταν τυλιγμένο από ένα κομμάτι χάλκινο σύρμα. Υπήρχαν δηλαδή δυο ανεξάρτητα πηνία πάνω στον ίδιο δακτύλιο. Σε κάθε αποκατάσταση ή διακοπή του ρεύματος στο ένα πηνίο, παρουσιαζόταν απόκλιση της βελόνας του γαλβανομέτρου που είχε συνδεθεί στο άλλο πηνίο, σε αντίθετες κατευθύνσεις. Ο Faraday δημιούργησε ηλεκτρικό ρεύμα και σε ένα περιστρεφόμενο μεταλλικό δίσκο του οποίου ένα μέρος της περιφέρειάς του έκοβε τις δυναμικές γραμμές ενός μαγνητικού πεδίου. Η ανακάλυψη και η εκμετάλλευση του φαινομένου αυτού, έμελλε να είναι καθοριστική για τον πολιτισμό μας.

Εποπτικό υλικό και μέσα διδασκαλίας

· Ένα πηνίο 300 σπειρών με υποδοχές σύνδεσης

· Ένα γαλβανόμετρο με υποδοχές σύνδεσης

· Καλώδια με ακροδέκτες

· Ένα απλός διακόπτης με υποδοχές σύνδεσης

· Το σύστημα των δυο πηνίων από τα οποία το ένα περνάει μέσα από το άλλο

· Η/Υ και σύνδεση με το Internet.

· Βιντεοπροβολέα

· Οθόνη προβολής

Φύλλο Εργασίας του μαθητή

ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΕΠΑΓΩΓΗΣ

ΤΑΞΗ : Β΄ ΛΥΚΕΙΟΥ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ

Δραστηριότητα 1

1. Όταν ο μαγνήτης παραμένει ακίνητος μέσα στο πηνίο, τότε :

......……………………………………………………………………………………………….

2.. Όταν τραβάμε απότομα το μαγνήτη μακριά από το πηνίο, τότε :

......……………………………………………………………………………………………….

3. Η βελόνα του γαλβανομέτρου αποκλίνει, κάθε φορά που :

......……………………………………………………………………………………………….

Δραστηριότητα 2

4. Το εξωτερικό πηνίο συμπεριφέρεται σα μπαταρία κάθε φορά που :

......……………………………………………………………………………………………….

Δραστηριότητα 3

5. Σε κάθε περίπτωση, το ρεύμα στο εξωτερικό πηνίο αποδίδεται :

…………………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………………

Φύλλο ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ

ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΕΠΑΓΩΓΗΣ

ΤΑΞΗ : Β΄ ΛΥΚΕΙΟΥ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ

1. Δείξτε με ένα σχέδιο πως θα χρησιμοποιηθεί ένας μαγνήτης , για να έχουμε ρεύμα σε ένα πηνίο. Το ρεύμα θα δείξει ένα γαλβανόμετρο.

……………………………………………………………………………………………………………

2. Στο πηνίο του διπλανού σχήματος, το ρεύμα είναι συνεχές και σταθερό. Η ένδειξη του αμπερομέτρου είναι :

Α. Σταθερή (υπάρχει σταθερό ρεύμα στο δακτύλιο)

Β. Μηδενική (δεν υπάρχει ρεύμα στο δακτύλιο)

Γ. Μεταβαλλόμενη (μεταβαλλόμενο ρεύμα στο δακτύλιο)

Κυκλώστε τη σωστή απάντηση.

Αν το ρεύμα στο πηνίο ήταν συνεχές αλλά μεταβλητής έντασης, ποια θα ήταν τότε η ένδειξη του αμπερομέτρου;

Α. Β. Γ.

Κυκλώστε τη σωστή απάντηση.

Σε κάθε περίπτωση να δικαιολογήσετε την απάντησή σας.

……………………………………………………………………………………………………………

3. Σε ποια από τις πιο κάτω περιπτώσεις στο μεταλλικό δακτύλιο υπάρχει ρεύμα και γιατί;

x          x          x          x

x          x          x          x

x          x          x          x

x          x          x          x

x          x          x          x

x          x          x          x

x          x          x          x

x          x          x          x

x          x          x          x

x          x          x          x

x          x          x          x

x          x          x          x

α.                                                    β.                                                      γ.

Μετατόπιση σε μαγνητικό πεδίο Περιστροφή σε μαγνητικό πεδίο Ηρεμία σε μαγνητικό πεδίο

4. Με ποιες προϋποθέσεις ένα πηνίο, συμπεριφέρεται σαν την μπαταρία; Ποια είναι η εσωτερική αντίσταση;

......……………………………………………………………………………………………….