Materiały metodyczne dotyczące realizacji treści programowych z

Mirosław Tuleja mailto:[email protected]
Nauczycielka informatyki i techniki
Gimnazjum nr 1
Ul. Witosa 4
32-050 Skawina
Materiały metodyczne dotyczące realizacji
treści programowych z zakresu elektrotechniki
na lekcjach techniki w gimnazjum
Scenariusz lekcji: Pomiar prądu i napięcia w obwodach prądu stałego
Spis treści
1. Wstęp .................................................................................................................................
3
2. Charakterystyka przyrządów pomiarowych ......................................................................
5
2.1. Pomiar. Metoda pomiaru ................................................................................................
5
2.2. Podział przyrządów pomiarowych .................................................................................
6
2.3. Zasady budowy mierników ............................................................................................
8
2.4. Zasada działania przetworników analogowych ..............................................................
8
2.5. Analogowe przetworniki elektromechaniczne do pomiaru prądu stałego .....................
9
2.6. Oznaczenia i symbole na skalach ...................................................................................
13
2.7. Klasa dokładności ..........................................................................................................
15
2.8. Błędy pomiaru ................................................................................................................
16
3. Pomiary wielkości elektrycznych w obwodach prądu stałego ..........................................
17
3.1. Pomiar prądu ..................................................................................................................
17
3.2. Pomiar napięcia ..............................................................................................................
19
3.3. Technika przeprowadzania pomiarów ...........................................................................
20
4. Materiały metodyczne dotyczące realizacji treści programowych z zakresu
elektrotechniki na lekcjach techniki .................................................................................
22
4.1. Pomoce dydaktyczne stosowane na zajęciach ...............................................................
22
4.2. Scenariusz zajęć z techniki .............................................................................................
26
5. Podsumowanie ..................................................................................................................
36
6. Literatura ...........................................................................................................................
37
1. Wstęp
Człowiek poznaje świat przez doświadczenia i obserwacje zjawisk fizycznych, które
najczęściej przybierają formę pomiaru różnych wielkości, charakteryzujących każde ciało lub
zjawisko. Wynikiem tych obserwacji mogą być wnioski subiektywne, np. gdy stwierdzamy, że
jest zimno lub ciepło lub gdy oświadczamy, że ciężar jednego ciała jest większy od ciężaru
innego ciała. Stwierdzenia takie są na ogół niewystarczające, ponieważ chcemy wiedzieć ile razy
lub o ile jedna wartość jest większa od innej.
Doświadczenia, których wynikiem są nie tylko oceny jakościowe, lecz także ilościowe nazywa się pomiarami. Dziedzina wiedzy, która zajmuje się pomiarami nazywa się metrologią.
Metrologia zajmuje się zagadnieniami teoretycznymi i praktycznymi odnoszącymi się do
pomiarów, niezależnie od ich dokładności. Ze względu na ilościowe przedstawienie wyników,
obiektywność, jednoznaczność i możliwość oszacowania błędów wyników pomiarów metrologia stanowi podstawę wszystkich nauk doświadczalnych. Wyniki naukowe mają bowiem
wartość jedynie wówczas, gdy są doświadczalnie sprawdzalne i porównywalne, czego nie można
dokonać bez ilościowego i obiektywnego przedstawienia wyników obserwacji.
Istnieje również ścisły związek między postępem technicznym a rozwojem metrologii.
Postęp techniczny nie jest możliwy, jeżeli nie towarzyszy mu zwiększenie dokładności
pomiarów i skrócenie czasu potrzebnego do ich wykonania. Bez pomiaru nawet najśmielsza
hipoteza naukowa nie może się stać uznaną teorią. Poziom metrologii jest więc miernikiem
postępu w przemyśle i wpływa w sposób istotny na kształtowanie kultury technicznej
społeczeństwa.
Do zadań metrologii należy poszukiwanie zjawisk mogących stanowić wzorce
pomiarowe, porównywanie wartości różnych wzorców, opracowanie metod pomiarowych
służących do porównywania wielkości mierzonych i wzorcowych, konstruowanie narzędzi
pomiarowych oraz określenie granic dokładności wyników uzyskiwanych w pomiarach.
Przedmiotem tej publikacji jest opracowanie merytoryczne i metodyczne lekcji techniki
w klasach gimnazjalnych z zakresu metrologii elektrycznej tj. pomiaru prądu i napięcia
w obwodach prądu stałego metodą bezpośrednią. Skuteczna realizacja treści z elektrotechniki na
lekcjach techniki w szkołach podstawowych i gimnazjach wymaga przede wszystkim dobrego
przygotowania merytorycznego i metodycznego nauczycieli tego przedmiotu. z przygotowaniem
merytorycznym nie ma większych problemów, gdyż niezbędną wiedzę, a także umiejętności
techniczne zdobywają oni w trakcie studiów oraz czerpią z bogatej literatury. Większy problem
sprawia nauczycielom przygotowanie metodyczne. Główna przyczyna tkwi w niedoborze
2
odpowiednich materiałów metodycznych, które pomogłyby im w przygotowaniu się do lekcji.
Borykając się z podobnymi problemami jako nauczyciel techniki postanowiłem opracować
materiały, które stanowiły by istotną pomoc w realizacji treści programowych z zakresu
metrologii.
Rozdział drugi zawiera podstawowe informacje z zakresu miernictwa elektrycznego, ze
szczególnym uwzględnieniem treści niezbędnych do dobrego przygotowania się od strony
merytorycznej do lekcji. Mniemam, iż takie kompendium wiedzy będzie doskonałym skryptem –
wyręczającym z konieczności korzystania z innej literatury.
W rozdziale trzecim dokładnie przedstawiono zagadnienia związane z pomiarem prądu
i napięcia w obwodach prądu stałego i sposobem przeprowadzania pomiarów, metodą
bezpośrednią.
Na szczególną uwagę zasługuje rozdział czwarty. Zawiera on, bowiem przykład jednostki
metodycznej z zakresu miernictwa elektrycznego, przedstawiony w formie gotowego scenariusza
lekcji. Przedstawiono w nim także wykaz pomocy dydaktycznych niezbędnych do realizacji
zajęć z elektrotechniki w szkole.
Pragnę, aby niniejsza praca okazała się przydatna dla nauczycieli techniki, szczególnie
tych, którzy mają trudności w realizacji treści z zakresu elektrotechniki, gdyż cel, jaki
przyświecał mi przy opracowaniu tych materiałów zostanie wówczas zrealizowany.
3
2. Charakterystyka przyrządów pomiarowych
2.1. Pomiar. Metoda pomiaru
Pomiarem nazywa się czynności doświadczalne, mające na celu wyznaczenie wartości
wielkości mierzonej, wyrażającej się iloczynem liczby i jednostki miary.
Istotą każdego pomiaru jest porównanie wartości wielkości mierzonej z wzorcem miary
tej wielkości. Sposób porównania wartości mierzonej wielkości z wzorcem miary nazywa się
metodą pomiarową. w metrologii przez metodę pomiarową rozumie się, to, co w danym
sposobie pomiaru jest najważniejsze ze względu na istotę pomiaru. Metoda pomiaru zmienia się
istotnie, gdy zmienia się sposób realizacji porównania, przy czym szczególnie ważne jest to, czy
w procesie mierzenia wzorzec występuje, czy nie. Uznając takie kryterium za najważniejsze,
rozróżnia się dwie podstawowe metody pomiarowe:
− metodę pomiarową bezpośrednią;
− metodę pomiarową pośrednią.
W metodzie pomiarowej bezpośredniej wartość wielkości mierzonej otrzymuje się
bezpośrednio bez potrzeby wykonywania dodatkowych obliczeń. Przykładami tej metody są:
pomiar długości za pomocą przymiaru kreskowego, pomiar masy za pomocą wagi, pomiar
natężenia prądu amperomierzem, czy pomiar napięcia woltomierzem.
W metodzie pomiarowej pośredniej wartość wielkości mierzonej oblicza się z pomiarów
bezpośrednich innych wielkości. Zależność funkcjonalna wielkości mierzonej pośrednio od
wielkości mierzonych bezpośrednio, musi być znana. Przykład może stanowić pomiar rezystancji
za pomocą amperomierza i woltomierza, przy wykorzystaniu zależności funkcyjnych tych trzech
wielkości zgodnie z prawem Ohma. Można jednak budować złożone narzędzia pomiarowe, które
zapewniają bezpośredni pomiar wielkości „złożonych”. Na przykład moc P = U·I mierząc
pośrednio, mierzymy napięcie i prąd, a następnie obie wartości mnożymy przez siebie. Możemy
oczywiście użyć watomierza.
Rozróżnienie metody bezpośredniej i pośredniej jest szczególnie istotne ze względu
na procedurę oszacowania dokładności wyniku pomiaru.
4
2.2. Podział przyrządów pomiarowych
Przyrządem pomiarowym nazywamy narzędzie pomiarowe, które zapewnia teoretycznie
jednoznaczne przetwarzanie wielkości mierzonej na inną wielkość według znanej zależności lub
na liczbowy wynik, tj. na wartość tej wielkości mierzonej. Zadanie takie przyrząd może
urzeczywistnić na wiele sposobów.
Proces przetwarzania pomiarowego wielkości mierzonej na wynik dokonuje się
w przyrządzie pomiarowym w dłuższym łańcuchu przetwarzania. Wyróżnienie ogniw tego
łańcucha, tj. rozpoznanie struktury, ma istotny wpływ na poznanie właściwości pomiarowych
przyrządu, ponieważ właściwości przyrządu są wypadkową właściwości ogniw i sposobu ich
sprzężenia. Ponadto, ogniwa takie mogą być łączone w wielu kombinacjach, co prowadzi do
znacznej liczby odmian przyrządów, których właściwości można przewidzieć, jeżeli znane są
właściwości ogniw i sposoby łączenia. Poznanie właściwości ogniw zapewnia efektywniejsze
poznanie przyrządów, ponieważ ogranicza pozorną rozmaitość konstrukcji (odmian).
Umiejętność rozłożenia przyrządu na ogniwa pomiarowe o typowych właściwościach
i określenia jego struktury powinna być ważnym celem poznania zasady działania przyrządu.
Znając strukturę przyrządu, można powiedzieć, jaką metodę pomiaru urzeczywistnia przyrząd.
Ogniwa, z których jest zbudowany łańcuch przetwarzania przyrządu nazywa się
przetwornikami pomiarowymi lub elementami przetwornikowymi. Przetwornik może być użyty
samodzielnie jako szczególnie prosty miernik (np. miernik wskazówkowy - amperomierz,
woltomierz itp.). Przetwornik, który może być miernikiem, występuje zawsze jako ogniwo
ostatnie w strukturze złożonych przyrządów pomiarowych.
Ogólnie przetworniki pomiarowe dzielimy na:
− przetworniki analogowe;
− przetworniki cyfrowe.
W technice analogowej mamy do czynienia z przetwarzaniem analogowym wielkości
ciągłych (np. droga przemieszczenia wskazówki woltomierza jako wynik przetwarzania
napięcia), a przejścia do wyniku w postaci cyfrowej dokonywał człowiek - obserwator w chwili
odczytu, tj. chwili, w której położeniu wskazówki przyporządkował on liczbę przybliżoną.
z nieskończenie wielkiej liczby różnych możliwych położeń wskazówki, obserwator był wstanie
wyróżnić skończoną ich liczbę, ponieważ mało różniące się stany odczytywał jako jeden i ten
sam. Tę zdolność rozróżniania różnych stanów w metrologii nazywa się rozdzielczością. Tak
więc przejście do postaci cyfrowej dokonuje się w analogowej technice przetwarzania w ostatnim
ogniwie łańcucha pomiarowego przy udziale człowieka.
5
Przetwarzanie cyfrowe obejmuje zagadnienia: przetwarzania analogowo - cyfrowego,
cyfrowo - analogowego i cyfrowo - cyfrowego. Przetwarzanie analogowo - cyfrowe jest ważnym
zagadnieniem metrologii, ponieważ jest nowoczesnym sposobem realizacji idei mierzenia.
Przetwarzanie cyfrowo - analogowe ma znaczenie pomocnicze, przede wszystkim w procesie
automatyzacji mierzenia, jako np. realizacja sterowanego wielomiarowego wzorca napięcia.
Przetwarzanie cyfrowo - cyfrowe jest techniką informatyczną używaną w metrologii do realizacji
funkcji numerycznych i logicznych techniki cyfrowej.
Przetwarzanie analogowo - cyfrowe (symbol A/C) jest specyficznym zagadnieniem
pomiaru wielkości ciągłej za pomocą tzw. techniki cyfrowej i jest najważniejszą operacją tej
techniki pomiarowej w stosunku do wielkości ciągłych.
Technika cyfrowa jest naturalną techniką dla wielkości nieciągłych, kiedy wielkość może
mieć przeliczalną liczbę stanów lub dla wielkości, której pomiar oparty jest na zliczeniu, np. na
zliczeniu zdarzeń okresowych przy pomiarze czasu.
W cyfrowej technice pomiarowej przetwarzanie analogowo - cyfrowe jest podstawowym
działaniem realizowanym w łańcuchu przetwarzania pomiarowego bez udziału człowieka.
Zasadę budowy elektronicznych układów pomiarowych przedstawiono na rysunku (rysunek 1).
Rysunek 1. Zasada budowy elektronicznych układów pomiarowych
6
2.3. Zasady budowy mierników
Podstawowym warunkiem prawidłowo prowadzonego procesu pomiarowego jest
niezakłócenie kontrolowanego przebiegu. Spełnienie tego warunku możliwe jest wtedy, gdy moc
pobierana przez przyrządy pomiarowe jest znikomo mała w stosunku do mocy obwodu
kontrolnego. Stąd też wynika dążenie konstruktorów do budowy mierników o możliwie małej
mocy pobieranej, a co za tym idzie o bardzo małym momencie napędowym.
Dalszym powodem zmuszającym konstruktorów do miniaturyzacji ustrojów są trudności
związane z rozpraszaniem ciepła wytwarzanego wewnątrz miernika. Grzanie się ustroju
powoduje różnice wskazań przy dorywczym i stałym włączeniu miernika.
Konstruktorzy mierników mają więc trudne zadanie do spełnienia - budowę
niezawodnego urządzenia o bardzo małej mocy.
W przypadku przyrządu pomiarowego niezawodność jest równoznaczna z prawidłowym
wskazaniem. Zależność funkcjonalna między kątem obrotu organu ruchomego a wielkością
działającą na ustrój powinna być ściśle dotrzymana, jest to możliwe pod warunkiem eliminacji
wszelkich czynników szkodliwych, a przede wszystkim tarcia. Wykrywanie i eliminacja
czynników szkodliwych jest główną troską konstruktora. Znajomość tych czynników
i umiejętność określania ich wpływu na wskazania miernika powinna cechować użytkownika.
2.4. Zasada działania przetworników analogowych
Analogowym przetwornikiem pomiarowym jest prosty przyrząd, który zgodnie
z określoną zasadą fizyczną przetwarza mierzoną wielkość fizyczną na inną wielkość fizyczną
wg. znanej zależności z określoną, znaną dokładnością. w szczególnym przypadku przetwornik
może przetwarzać miarę danej wielkości fizycznej na inną miarę tej samej wielkości np. dzielnik
napięcia, przekładnik prądowy.
Przetwornik pomiarowy w podstawowym zakresie charakteryzowania go można opisać
za pomocą dwu zmiennych wielkości: tzw. wielkości na wejściu (mierzonej - x), która wymusza
stan fizyczny przetwornika oraz tzw. wielkość na wyjściu, która jest odpowiedzią przetwornika
na wymuszenie i jednocześnie wynikiem pomiaru (wychylenie - α). Wejście i wyjście
przetwornika należy rozumieć nie konkretnie, jako zaciski przyrządu, lecz abstrakcyjnie jako
miejsce oddziaływania wielkości fizycznej.
7
Wielkością mierzoną (x) jest najczęściej prąd elektryczny doprowadzamy do ustroju
pomiarowego miernika. Pod działaniem wielkości (x) w ustroju miernika powstaje siła
napędzająca (Fn) przesuwająca organ ruchomy łącznie ze wskazówką względem części
nieruchomej na drodze (l). Wielkość przesunięcia (l) odpowiada wychyleniu (α).
Siła (Fn) działająca na organ ruchomy przyrządu pomiarowego zależy od wartości
wielkości mierzonej. Jeżeli wielkość mierzona (x) jest za mała aby wytworzyć siłę (Fn) należy
zastosować układ pomiarowy przed ustrojem mający za zadanie zwiększenie wartości wielkości
(x) na wejściu.
Gdyby na organ ruchomy działała tylko jedna siła , przesuwał on by się względem części
nieruchomej w sposób ciągły, dopóki nie napotkał by na przeszkodę np. zderzak. Miernik ma
jednak za zadanie wskazywać określoną wartość wielkości mierzonej, czyli ma się ustawić
w odpowiednim miejscu podziałki. Zatrzymanie organu w danym miejscu uzyskuje się przez
wprowadzenie do ustroju siły zwracającej (Fz), która jest skierowana przeciwnie niż siła (Fn).
Analogowe przetworniki elektromechaniczne są to przetworniki wielkości elektrycznych,
z reguły natężenia prądu i w jednym przypadku napięcia, na wielkość mechaniczną - drogę
przemieszczenia wskazówki. Są one stosowane jako końcowe przetworniki pomiarowe
elektrycznych przyrządów pomiarowych - analogowych mierników elektrycznych. w większości
tych mierników przetworniki elektromechaniczne są jednocześnie głównymi przetwornikami
pomiarowymi.
W środowisku elektryków przetworniki elektromechaniczne nazywane są ustrojami
pomiarowymi. Zależnie od zasady fizycznej nazywane są ustrojami magnetoelektrycznymi,
elektromagnetycznymi,
elektrodynamicznymi,
ferrodynamicznymi,
elektrostatycznymi
i elektrotermicznymi.
2.5. Analogowe przetworniki elektromechaniczne do pomiaru prądu stałego
Miernik magnetoelektryczny jest najbardziej rozpowszechnionym przetwornikiem
elektromechanicznym stosowanym w miernikach prądu stałego i przemiennego, dokładnych
i przeciętnych, o małej i dużej czułości.
Moment
napędowy
ustroju
magnetoelektrycznego
wywołany
jest
wzajemnym
oddziaływaniem pola magnetycznego wytworzonego przez magnes trwały oraz uzwojenia, przez
8
które przepływa prąd elektryczny. w zależności od konstrukcji ustroju pomiarowego przyrządu
rozróżnia się:
− ustrój magnetoelektryczny o magnesie ruchomym (rysunek 2);
− ustrój magnetoelektryczny o cewce ruchomej (rysunek 3).
Rysunek 2. Konstrukcja przetwornika magnetoelektrycznego o magnesie ruchomym:
1 - magnes ruchomy; 2 - cewka nieruchoma; 3 - magnes nieruchomy;
4 - bocznik magnetyczny; 5 - tłumik powietrzny; 6 - ekran magnetyczny
Źródło: Dyszyński J., Hagel R.: „Miernictwo elektryczne”, WSiP, Warszawa 1985
9
Rysunek 3. Konstrukcja przetwornika magnetoelektrycznego o cewce ruchomej:
1 - magnes trwały; 2 - nabiegunniki; 3 - rdzeń; 4 - szczelina powietrzna; 5 - cewka;
6 - wskazówka; 7 - masy równoważące; 8 - sprężyny; 9 - bocznik magnetyczny
Źródło: Dyszyński J., Hagel R.: „Miernictwo elektryczne”, WSiP, Warszawa 1985
Pierwsze rozwiązanie jest mało popularne, spotyka się je w tanich, mało dokładnych,
odpornych na wstrząsy miernikach technicznych (np. w pojazdach mechanicznych).
Najczęściej stosuje się drugie rozwiązanie, w którym organem ruchomym ustroju jest
cewka, a część nieruchomą ustroju stanowi magnes trwały. Magnes trwały wytwarza pole
magnetyczne w szczelinach między zakończonymi walcowo nabiegunnikami a umieszczonym
współosiowo stalowym rdzeniem. Dwa boki cewki znajdują się w szczelinach. Oś obrotu cewki
pokrywa się z osią rdzenia. Szerokość szczelin jest stała, więc boki cewki znajdują się zawsze
w polu o stałej indukcji magnetycznej. Dwie spiralne sprężyny doprowadzają prąd do cewki
i służą jednocześnie do wytwarzania momentu napędowego.
Jeżeli przez cewkę płynie prąd stały, to na boki cewki umieszczone w szczelinach
działają siły. Wartość tych sił zależy od indukcji magnetycznej w szczelinie, od głębokości
zanurzenia boków cewki w polu magnetycznym, od liczby zwojów cewki i od prądu.
10
Pod działaniem sił cewka dąży do zajęcia takiego położenia, żeby kierunek pola magnesu był
zgodny z kierunkiem jej własnego pola magnetycznego. w tym położeniu energia pola
magnetycznego cewki osiąga największą możliwą wartość. Odbywa się to w myśl zasady,
że każdy obwód z prądem dąży do powiększenia swej energii magnetycznej.
Cewka ruchoma ustroju magnetoelektrycznego miernika jest nawinięta na prostokątnym
korpusie aluminiowym. Boczna powierzchnia wygięta jest w kształcie walca. Taki kształt
korpusu pozwala na uzyskanie największego luzu między szczeliną a nabiegunnikami i rdzeniem
przy danej szerokości szczeliny i niezmienionym przekroju uzwojenia cewki. Brzegi korpusu są
zawinięte, co zapobiega spadaniu zwojów. Uzwojenie wykonane jest z cienkiego przewodu
miedzianego, rzadziej aluminiowego izolowanego emalią lub jedwabiem. Po nawinięciu
impregnuje się uzwojenie lakierem izolacyjnym.
W czasie ruchu obrotowego cewka przecina pole magnesu. w korpusie i uzwojeniu płyną
prądy indukowane tłumiące wahania cewki (tłumienie magnetyczne). Do cewki przymocowana
jest wskazówka lub lusterko wskazówki świetlnej.
Cewka ruchoma obraca się na czopach. Czopy zaciśnięte w aluminiowych tulejach
nakleja się lakierem izolacyjnym na uzwojenie. Spotyka się również zawieszenie taśmowe.
Końce uzwojenia połączone są galwanicznie ze sprężynkami. Sprężyny umocowane są
przeciwskrętnie (skręty zwojów w przeciwną stronę). Obie sprężyny ustroju mają zwykle
jednakowe wymiary i są z tego samego materiału. Przy zmianie temperatury otoczenia długość
obu sprężyn pozostaje jednakowa tak, że organ ruchomy nie zmienia położenia spoczynkowego.
Zmiana temperatury otoczenia wpływa jednak na sprężystość sprężyn. Stałe sprężyn zmieniają
się co wywołuje uchyb temperaturowy.
Jakość
i czułość
miernika
zależy
w dużym
stopniu
od
wykonania
obwodu
magnetycznego. Im większa jest indukcja w szczelinie powietrznej tego obwodu, tym mniejsza
jest liczba zwojów cewki potrzebnych do otrzymania wymaganego momentu napędowego.
Ciężar organu ruchomego zmniejsza się, zmniejszają się więc naprężenia w czopach lub też
w taśmach zawieszeniowych. Odporność mechaniczna ustroju rośnie. Zwiększenie indukcji, przy
niezmienionej liczbie zwojów, pozwala natomiast na zmniejszenie prądu potrzebnego do
uzyskania pełnego odchylenia ustroju. Ustrój staje się czulszy.
Indukcja w szczelinie nie jest jednak jedynym kryterium przy ocenie obwodu
magnetycznego. Dużą rolę odgrywa również i stałość indukcji w czasie. Zmiana indukcji
oznacza bowiem zmianę wskazań miernika. Indukcja jest stała wówczas, gdy do wywołania
nawet niewielkiej zmiany potrzebne jest duże natężenie pola obcego działającego
rozmagnesowująco.
11
2.6. Oznaczenia i symbole na skalach
Dla zorientowania użytkownika z jakim przyrządem pomiarowym ma do czynienia
polskie przepisy normalizacyjne przewidują, że na skali miernika w widocznym miejscu
powinny być umieszczone następujące oznaczenia i symbole:
⇒
nazwa lub znak wytwórni;
⇒
numer fabryczny miernika;
⇒
rok wykonania;
⇒
symbol jednostki wielkości mierzonej;
⇒
symbol rodzaju ustroju pomiarowego;
⇒
symbol klasy dokładności;
⇒
symbol rodzaju prądu;
⇒
częstotliwość znamionowa lub znamionowy zakres częstotliwości (gdy częstotliwość
znamionowa wynosi 50 Hz, podawanie jej nie jest konieczne);
⇒
symbol ustawienia;
⇒
symbol napięcia probierczego;
⇒
temperatura znamionowa (w przypadku gdy temperatura znamionowa wynosi 20°C,
podawanie jej nie jest konieczne);
⇒
przekładnia przekładników (transformatorów miernikowych), tylko w przypadku mierników
przeznaczonych do pracy z przekładnikami.
12
Symbole umieszczane na skali przyrządów pomiarowych przedstawione zostały
w zamieszczonej poniżej tablicy.
Lp. Symbol
Nazwa
1.
Ustrój magnetoelektryczny o cewce ruchomej
2.
Ustrój magnetoelektryczny o magnesie ruchomym
3.
Ustrój elektromagnetyczny
4.
Przetwornik prądu stałego
5.
Przetwornik prądu zmiennego
6.
Przetwornik prądu stałego i zmiennego
7.
Ustawienie przyrządu poziome
8.
Ustawienie przyrządu pionowe
9.
Ustawienie przyrządu pochyłe (np. pod kątem 60°)
10.
Izolacja przetwornika sprawdzana napięciem 2 KV
11.
Klasa dokładności wyrażona w procentach zakresu pomiarowego,
np. 1%
12.
Klasa dokładności wyrażona w procentach wartości rzeczywistej
wielkości mierzonej
13.
Zacisk uziemienia ochronnego
14.
Nastawianie wskazówki na zero (korektor)
15.
Osłona (ekranowanie) magnetyczna
16.
Osłona elektrostatyczna
17.
Odsyłacz do oddzielnego dokumentu (np. na przyrządach łatwych
do uszkodzenia)
13
2.7. Klasa dokładności
Klasa dokładności jest ważnym, umownym oznaczeniem zasadniczych właściwości
przyrządu pomiarowego, a zwłaszcza jego dokładności. Przyrządy pomiarowe o jednakowej
klasie dokładności spełniają takie same wymagania odnośnie dokładności.
Klasę dokładności miernika elektrycznego określa się jako wartość błędu względnego
(ściśle - błędu granicznego dokładności wskazań) wyrażonego w procentach największego
wskazania przyrządu:
δ%max = (Xmax / Xm) • 100%
Z zależności tej wynika, że pomiar jest tym dokładniejszy, im bliższa jest wartość
wielkości mierzonej (Xm) - wartości największego wskazania (Xmax). Mierniki wskazówkowe
należy zatem dobierać tak, aby wskazania mieściły się w 1/3 końcowej części podziałki.
Uwagi o klasie dokładności:
⇒
Pojęcie klasy dokładności stosuje się do różnych nieelektrycznych i elektrycznych narzędzi
pomiarowych, np. do mierników, wzorców miar, przekładników i innych przyrządów.
⇒
Klasa dokładności określa błąd przyrządu pomiarowego w jego normalnych warunkach
użytkowania. Przez normalne warunki użytkowania rozumie się warunki, które powinny być
przestrzegane w celu poprawnego stosowania przyrządu i które uwzględniają jego budowę,
wykonanie i przeznaczenie. Wskazania miernika pracującego w warunkach różniących się od
normalnych mogą być obarczone dodatkowymi błędami.
⇒
Polskie przepisy przewidują pięć klas dokładności: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5.
⇒
Liczba określająca klasę określa zarazem wartość uchybu granicznego w procentach
(δmax-100%) dla mierników należących do danej klasy. Na przykład miernik klasy dokładności
1,5 nie powinien wskazywać w normalnych warunkach pomiaru większego uchybu względnego
niż 1,5%.
⇒
Na skalach mierników spełniających wymagania przepisów norm umieszczone są oznaczenia
wskazujące do jakiej klasy miernik został zaliczony przez wytwórnię. Jako oznaczenia służą
liczby określające klasę dokładności przyrządu.
14
2.8. Błędy pomiaru
Wskutek niedokładności przyrządów pomiarowych, nieodpowiednich warunków pomiaru
oraz nieumiejętności obserwatora wynik pomiaru, czyli wartość wielkości mierzonej otrzymana
w czasie pomiaru (Xm), zwykle różni się od nieznanej wartości rzeczywistej (Xr) tej wielkości.
Wartość rzeczywista wielkości mierzonej na ogół nie jest znana, gdyby się nawet
zdarzyło, że wynik pomiaru jest równy wartości rzeczywistej, to i tak obserwator o tym nie może
wiedzieć i nie może tego wykorzystać. Dlatego też wprowadzono pojęcie wartości poprawnej
wielkości. Wartość poprawna (Xp) wielkości jest to wartość przybliżona w takim stopniu do
wartości rzeczywistej tej wielkości, że różnica między nimi może być pominięta z punktu
widzenia celu, dla którego pomiar jest wykonywany.
Rozróżniamy następujące rodzaje błędów pomiarowych:
1. systematyczne - których pochodzenie i wartość są znane mierzącemu i można je wyeliminować
przez odpowiednie podejście do pomiaru lub na drodze matematycznej. Rozróżnia się tu uchyb
bezwzględny i względny.
− Uchyb bezwzględny - jest to różnica między wartością zmierzoną (Xm) a wartością wielkości
mierzonej (Xr). Może on być dodatni lub ujemny.
∆ = Xm - Xr
Wartość wielkości mierzonej występującą we wzorze powyżej, może być: wartością rzeczywistą,
wartością poprawną lub średnią arytmetyczną wyników serii pomiarów.
− Uchyb względny - jest dokładnością pomiaru wyrażającą się liczbowo stosunkiem uchybu
bezwzględnego do wartości rzeczywistej.
δ = ∆/Xr
Bardzo często uchyb względny wyrażony jest w procentach.
δ% = (∆/Xr) ·100%
2. przypadkowe - powstają wskutek niedoskonałości naszych zmysłów oraz zmiennych w czasie
wpływów zewnętrznych, jak obce pola magnetyczne i elektryczne, zmiany temperatury itp.
15
3. nadmierne - powstają w wyniku nieprawidłowego wykonania pomiaru przez co całkowicie ten
pomiar unieważniają. Mogą one wynikać z uszkodzenia przyrządu pomiarowego, niewłaściwej
obsługi lub pomyłki w odczycie wskazania (omyłki).
W celu zmniejszenia uchybu należy:
a) zwracać uwagę na klasę miernika;
b) dobierać zakres miernika tak, by wychylenia były jak największe, tzn. wskazówka wychylała się
poza połowę skali;
c) dokładnie odczytywać wskazania mierników;
d) kilkakrotnie powtarzać pomiar.
3. Pomiary wielkości elektrycznych w obwodach prądu stałego
3.1. Pomiar prądu
Prądem elektrycznym nazywamy ukierunkowany ruch ładunków elektrycznych
(w praktyce swobodnych elektronów). Ładunki elektryczne poruszają się w przewodniku pod
wpływem różnicy potencjałów występującej na jego końcach. Jedną z wielkości, które opisują
przepływ prądu, jest natężenie prądu elektrycznego (oznaczamy je symbolem I). Mówimy, że im
więcej elementarnych ładunków elektrycznych przepływa przez przekrój poprzeczny
przewodnika w jednostce czasu, tym większe jest natężenie prądu elektrycznego. Jednostką
natężenia prądu elektrycznego jest jeden amper (1 A). Amper jest podstawową jednostką
w elektrotechnice, ujętą w obecnie obowiązującym międzynarodowym układzie jednostek
tzw. układzie SI, który obejmuje wszystkie dziedziny nauki i techniki. Za jej pomocą
definiowane są jednostki innych wielkości elektrycznych.
Jeden amper jest to prąd elektryczny, nie zmieniający się, który płynąc w dwu
równoległych prostoliniowych nieskończenie długich przewodach o przekroju kołowym,
znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości jednego metra (1 m) od siebie, wywołuje
między tymi przewodami siłę 2·10-7N (niutona) na każdy metr długości. Jak widać, definicja
ampera wykorzystuje fakt, iż przewodniki z prądem oddziałują na siebie pewną siłą. Wiąże więc
ona ze sobą jednostki wielkości mechanicznych z jednostkami wielkości elektrycznych.
16
Prąd elektryczny mierzy się za pomocą przyrządów zwanych amperomierzami. Na tarczy
podziałowej przyrządu znajduje się symbol jednostki wielkości mierzonej, w tym przypadku
litera A. Amperomierz włącza się do układu pomiarowego zawsze szeregowo z odbiornikiem
energii, tak że przez przyrząd pomiarowy i odbiornik przepływa ten sam prąd i (rysunek 4).
Amperomierz pobiera energię elektryczną z obwodu pomiarowego, co jest przyczyną
występowania błędów pomiarowych. Błąd pomiaru jest tym mniejszy, im mniejsza jest
rezystancja wewnętrzna amperomierza Ra, wówczas napięcie zasilające U i napięcie
odbiornikowe Uodb = U - Ra ·I są sobie z zadowalającym przybliżeniem równe, a moc pobierana
przez amperomierz jest tak mała, że moc na zaciskach wejściowych P = U·I jest w przybliżeniu
równa mocy pobieranej przez odbiornik Podb = P - Ra·I.
Do poszerzania zakresu pomiarowego amperomierza na prąd stały stosujemy boczniki
(rysunek 5). Przy oznaczeniu przez Ia prądu płynącego przez amperomierz, przez Ib - płynącego
przez bocznik, stosując prawo Ohma w układzie złożonym z dwóch gałęzi połączonych
równolegle otrzymujemy zależność:
Ia:Ib = Rb:Ra
Jeżeli rezystancja bocznika Rb jest znacznie mniejsza od rezystancji wewnętrznej
amperomierza Ra, to cały prawie prąd i gałęzi głównej przepływa przez bocznik. Na przykład
przy stosunku Rb:Ra=1:99 mamy Ib:Ia=99:1 i zaledwie 1% prądu i z gałęzi głównej przepływa
przez amperomierz. Amperomierz z bocznikiem może być od razu wyskalowany na prąd i gałęzi
głównej, nie zaś na prąd Ia płynący przez przyrząd pomiarowy.
Rysunek 4. Amperomierz do pomiaru natężenia prądu pobieranego przez odbiornik
17
Rysunek 5. Amperomierz z bocznikiem służącym do poszerzania zakresu pomiarowego
3.2. Pomiar napięcia
Napięcie elektryczne mierzy się za pomocą przyrządów zwanych woltomierzami.
Na tarczy podziałowej przyrządu znajduje się symbol jednostki wielkości mierzonej, w tym
przypadku litera V. Woltomierz włącza się do obwodu pomiarowego zawsze równolegle, między
te punkty, pomiędzy którymi chcemy zmierzyć napięcie, tak że przyrząd pomiarowy i odbiornik
są pod tym samym napięciem (rysunek 6).
Woltomierz, tak samo jak amperomierz, pobiera energię elektryczną z obwodu
pomiarowego. Powstający wskutek tego błąd pomiaru jest tym mniejszy, im większa jest
rezystancja wewnętrzna woltomierza Rv, czyli im mniejsza konduktancja wewnętrzna Gv = 1/Rv,
wówczas prąd w gałęzi głównej i i prąd płynący przez odbiornik Iodb = i - Gv·U są sobie
w zadawalającym przybliżeniem równe, a moc pobierana przez woltomierz jest tak mała, że moc
na zaciskach wejściowych P = U·I jest w przybliżeniu równa mocy pobieranej przez odbiornik
Podb = P - Gv·U
Do poszerzania zakresu pomiarowego woltomierza na prąd stały stosujemy opornik
szeregowy, którego rezystancję oznaczamy przez Rsz (rysunek 7). Stosując prawo Kirchhoffa
w odniesieniu do napięć w układzie złożonym z dwóch elementów połączonych szeregowo,
otrzymujemy stosunek napięć:
Uv:Usz = Rv:Rsz
Jeżeli rezystancja opornika szeregowego Rsz jest znacznie większa od rezystancji
woltomierza Rv, to całe prawie napięcie doprowadzone U występuje na oporniku szeregowym.
Woltomierz z opornikiem szeregowym może być od razu wyskalowany na napięcie
doprowadzone U, nie zaś na napięcie Uv występujące na przyrządzie pomiarowym.
18
Rysunek 6. Woltomierz do pomiaru napięcia na odbiorniku
Rysunek 7. Woltomierz z opornikiem szeregowym służącym do poszerzania zakresu
pomiarowego
3.3. Technika przeprowadzania pomiarów
Ćwiczenia praktyczne z elektrotechniki spełnią swoją rolę i przyniosą pozytywne
korzyści jedynie wówczas, gdy będą starannie zaplanowane i przygotowane oraz ciekawie
prowadzone przez nauczyciela. Taki stan rzeczy wpłynie na większe zaangażowanie uczniów
w lekcję i przyczyni się do lepszego opanowania przez nich wiadomości i umiejętności
przewidzianych w programie nauczania.
Mając to na uwadze należy pamiętać o zgromadzeniu odpowiednich środków
dydaktycznych takich, jak: zestawy montażowe, przyrządy pomiarowe, tablice i plansze oraz
prawidłowej realizacji poszczególnych faz ćwiczenia.
Pierwszą czynnością poprzedzają montaż obwodów elektrycznych jest dokładne
przeanalizowanie schematów ideowych będących przedmiotem ćwiczeń. Następnie należy
odpowiednio przygotować stanowisko pracy, gromadząc na nim niezbędne elementy i przyrządy
pomiarowe, mając te czynności za sobą możemy przystąpić do montażu obwodów
elektrycznych. Po sprawdzeniu prawidłowości połączenia danego układu możemy przystąpić do
prac pomiarowych. Należy jednak zwrócić szczególną uwagę na:
19
1. Ustawienie miernika . Przed rozpoczęciem właściwych pomiarów należy sprawdzić,
czy położenie miernika jest zgodne z oznaczeniem na skali, a następnie, czy wskazówka
miernika stoi na zerze. Jeśli nie miernik należy „wyzerować” korektorem.
2. Podziałkę miernika. Następnie należy zapoznać się z podziałką miernika, aby nie mylić
się przy odczytywaniu w czasie pomiaru. Podziałka przyrządu może być wykreślona w działkach
lub od razu w mierzonej wielkości (ampery, wolty). w przypadku podziałki wykonanej
w działkach obliczamy tzw. stałą podziałki tj. liczbę mierzonych jednostek przypadających
na 1 działkę. Obliczamy ją dzieląc zakres pomiarowy przyrządu przez liczbę działek.
Cp = Z/dz [A/dz, V/dz]
Wartość wskazaną przez miernik oblicza się mnożąc stałą podziałki przez wartość
wychylenia wskazówki (w działkach).
W = Cp·α
Analogicznie postępujemy w przypadku zasilania mierników z przekładników lub
stosowania do pomiarów boczników i posobników, notując stałą liczbową, przez którą należy
pomnożyć odczytane wskazania miernika.
3. Odczyt miernika. Wskazania należy odczytywać z możliwie największą dokładnością.
Obserwator powinien zajmować w stosunku do miernika taką pozycję, aby linia przeprowadzona
między źrenicą oka a końcem wskazówki była prostopadła do podziałki miernika.
Nieprzestrzeganie tej zasady powoduje, że wskazówka miernika pokrywa się dla obserwatora
z niewłaściwym miejscem podziałki, przez co powstaje błąd odczytu zwany uchybem paralaksy.
w celu uniknięcia uchybu paralaksy zaopatruje się skalę w szczelinę przebiegającą wzdłuż
podziałki, a pod szczeliną umieszcza się lustro - skala lustrzana. Podczas odczytywania wyniku
pomiaru obserwator powinien się tak ustawić, żeby wskazówka pokrywała swój odbicie
w lustrze.
20
4. Materiały metodyczne dotyczące realizacji treści programowych z zakresu
elektrotechniki na lekcjach techniki
4.1. Pomoce dydaktyczne stosowane na zajęciach
Celowa działalność dydaktyczno - wychowawcza, skierowana na kształtowanie
umiejętności technicznych uczniów, musi stosować oprócz odpowiednio dobranych form
i metod możliwie najskuteczniejsze środki ich realizacji w jak najbardziej sprzyjających
warunkach.
Proces nauczania zajęć z elektrotechniki realizowanych w warunkach przedmiotu technika
w klasach gimnazjalnych wymaga zastosowania odpowiednich środków dydaktycznych.
Ograniczone możliwości finansowe, powstałych w ramach Reformy Edukacji z 1999 roku
(która zakładała nie tylko zmiany strukturalne polskiego szkolnictwa, ale także wiele zmian
organizacyjnych) - gimnazjów, prowadzą w praktyce do stosunkowo skromnego wyposażenia,
niemniej jednak właściwe zaopatrzenie stanowiska roboczego warunkuje poprawny pod
względem dydaktycznym przebieg procesu nauczania i uczenia się. w tym celu rozpatrzymy
propozycję wyposażenia pracowni w zestawy ćwiczeniowe typu manipulacyjnego. Dzięki
wykorzystaniu tego typu zestawów można oczekiwać:
1. Zwiększenia umiejętności praktycznego rozwiązywania zadań technicznych, wykształcenia
postawy myślenia technicznego i woli dążenia do poznania empirycznego;
2. Stworzenia uczniom możliwości twórczej pracy i wykazania się umiejętnościami manualnymi;
3. Nauczania wnikliwej i krytycznej oceny faktów własnej pracy oraz formułowania wniosków
dotyczących czynności badawczo - pomiarowych;
4. Możliwości uzyskania obiektywnej oceny uwzględniającej inwencję i aktywność twórczą
uczniów;
5. Uzyskania umiejętności racjonalnej współpracy w małej grupie poprzez przydział czynności
przygotowawczych, myślowych i manualnych w toku badań układów;
6. Nauczania czytania prostych schematów elektrycznych, korzystania z nich w toku pracy oraz
przemyślenia czynności przed działaniem;
7. Zdecydowanego zwiększenia atrakcyjności zajęć lekcyjnych.
W trakcie realizowania treści z elektrotechniki na szczególną uwagę zasługuje
wykorzystanie zestawów do montażu takich, jak:
21
1. Komplet do montowania obwodów elektrycznych z silniczkiem;
2. Zestaw elementów do montażu w zakresie elektrotechniki;
3. Zestaw „Laboratorium 200”.
Komplet do montowania obwodów elektrycznych z silniczkiem
Komplet przeznaczony jest do ćwiczeń uczniowskich na zajęciach z przedmiotu
technika w klasach szkoły podstawowej.
Cele dydaktyczne możliwe do osiągnięcia przy ćwiczeniach z elementami kompletu:
− poznanie prostych elementów elektrycznych i ich symboli;
− nauka czytania prostych schematów ideowych;
− wprowadzenie pojęć: zamknięty i otwarty obwód elektryczny;
− poznanie prostych sposobów regulacji w obwodach elektrycznych.
Skład kompletu:
− podstawka pod baterię typu 3R12
− oprawka żarówki na podstawce
− silnik elektryczny na podstawce
− rezystor suwakowy
− wyłącznik
− komplet przewodów
Komplet do montowania obwodów elektrycznych z silniczkiem został zatwierdzony
przez
Zjednoczenie
Przemysłu
Pomocy
Naukowych
i Zaopatrzenia
Szkół
pismem
nr KB-117-P-4/78 z dnia 22 maja 1978 roku do użytku w klasach szkoły podstawowej.
Komplet ten produkowany jest przez Fabrykę Pomocy Naukowych w Nysie.
22
Zestaw elementów do montażu w zakresie elektrotechniki
Zestaw do montażu układów elektrycznych oparty został na elementach, które
uczniowie poznali w klasach młodszych. Korzystając z zestawu uczniowie realizują ćwiczenia,
poznają
i utrwalają
symbole
graficzne
elementów
i schematy
elektryczne,
mogą
eksperymentować np. dobierając samodzielnie elementy spełniające rolę czujników,
przełączników lub odbiorników. Uczniowie mogą sprawdzić w praktyce szereg zjawisk i praw
fizycznych.
Swoboda działania jaką daje zestaw, ma wiele walorów kształcących, a ponadto daje
wiele zadowolenia. Każdy opracowany samodzielnie nowy układ elektryczny uczniowie mogą
sprawdzić i wyciągnąć wnioski z jego funkcjonowania i zastosowania.
Skład zestawu:
− podstawka pod baterie (2 szt.)
− wyłącznik (2 szt.)
− przełącznik dwupozycyjny (2 szt.)
− żarówka (3 szt.)
− gniazdo wtykowe
− silnik
− dzwonek
− rezystor suwakowy
− bezpiecznik
− grzejnik
Zestaw elementów do montażu w zakresie elektrotechniki został zatwierdzony przez
Zjednoczenie Przemysłu Pomocy Naukowych i Zaopatrzenia Szkół pismem nr STR-PT-11/81
z dnia 3 lutego 1981 roku, sprawdzając się znakomicie jako pomoc naukowa do przedmiotu
technika zarówno dla szkół podstawowych jak i gimnazjów. Zestaw produkowany jest przez
Fabrykę Pomocy Naukowych w Nysie.
23
Zestaw „Laboratorium 200”
Zestaw „Laboratorium 200” umożliwia poznanie elementów stosowanych do budowy
prostych układów elektrycznych. Montowanie układów polega na wykonaniu odpowiednich
połączeń na płycie montażowej między zaciskami sprężynowymi, które znajdują się obok
każdego elementu. Połączenia te wykonuje się przewodami, przechowywanymi w jednym
z pojemników obudowy. Wykaz połączeń składa się z liczb od 1 do 35. Liczby oddzielone
myślnikiem oznaczają sprężyny, które powinny być połączone ze sobą przewodami np. 2 - 34
lub 4 - 24 - 26, a także 15 →, gdzie strzałka oznacza przewód, którego drugi koniec nie jest
przyłączony do elementów układu. Zestaw powinien być zasilany ogniwami typu R - 14.
Skład zestawu:
Na płycie montażowej zestawu „Laboratorium 200” znajdują się:
− ogniwa E1 = 1,5V i E2 = 1,5V
− rezystory R1 = R2 = 5,1Ω ± 5% - 0,5W, R3 =20Ω ± 10% - 0,25W, R4 = 2,7Ω ±10% - 1W
− diody świecące DS1 DS2 - CQP443 C
− kondensatory elektrolityczne C1 = 100F / 6V i C2 = 220F / 6V
− żarówki Z1, Z2, Z3 = 1,2V / 0,2A
− potencjometr Rp - DL104 = 100Ω ± 20% - 1W
− bezpiecznik topikowy B - WBAT = 500mA
− wyłącznik W
− wyłącznik przyciskowy Wp
Zestaw „Laboratorium 200” znajduje się na liście środków dydaktycznych zalecanych
przez Ministra Edukacji Narodowej do użytku w szkołach (Dziennik Urzędowy MEN nr 1
z dnia 5 lutego 1993 roku). Zestaw produkowany jest przez firmę Elbox w Warszawie.
Opisane powyżej zestawy montażowe można nabyć jako „gotowe produkty”, lub
korzystając z załączonej specyfikacji podzespołów wchodzących w skład zestawu zorganizować w miarę możliwości we własnym zakresie. w tym drugim przypadku koniecznie
stanie się opracowanie schematów ideowych obwodów możliwych do realizacji przy
wykorzystaniu zawartych w naszym zestawie elementów.
Do realizacji treści programowych z zakresu elektrotechniki dotyczących zagadnień
związanych z pomiarami wielkości elektrycznych niezbędne jest dodatkowe zaopatrzenie
klaso-pracowni technicznej w cyfrowe mierniki uniwersalne, lub analogowe mierniki
magnetoelektryczne typu wskazówkowego.
24
4.2. Scenariusz zajęć z techniki
Temat: Pomiar prądu i napięcia w obwodach prądu stałego.
I. Operacyjne cele instrumentalne.
1. Wiadomości
1.1 Wiadomości − uczniowie zapamiętują pojęcia: pomiar, pomiar prądu, pomiar napięcia,
do zapamiętania. przyrząd pomiarowy (miernik), amperomierz, woltomierz;
− uczniowie potrafią rozróżniać rodzaje przyrządów pomiarowych, oraz
prawidłowo wymieniają sposoby przeprowadzania pomiaru: prądu
(amperomierzem) i napięcia (woltomierzem) w obwodach prądu stałego;
− uczniowie prawidłowo rozróżniają rodzaje pomiarów: pomiar prądu,
pomiar napięcia;
− uczniowie potrafią wymieniać elementy i przyrządy pomiarowe
potrzebne do połączenia określonego układu pomiarowego;
1.2 Wiadomości Uczeń potrafi wyjaśnić:
do zrozumienia. − różnicę pomiędzy pomiarem prądu a pomiarem napięcia wynikającą
z konieczności zastosowania różnych przyrządów pomiarowych
i odpowiedniego ich podłączenia do układu pomiarowego;
− znaczenie pojęć: pomiar, pomiar prądu, pomiar napięcia, miernik,
amperomierz, woltomierz;
− potrzebę poznania oraz przeprowadzania pomiarów w elektrotechnice
jak i szeroko pojętej technice;
2. Umiejętności
2.1 Umiejętności − uczniowie potrafią opisać sposób przeprowadzania pomiaru prądu
intelektualne.
i napięcia w prostych obwodach prądu stałego;
− prawidłowo dobierają przyrząd pomiarowy do przeprowadzenia
określonego pomiaru;
− potrafią opisać sposób podłączenia amperomierza i woltomierza;
− potrafią prawidłowo zinterpretować wynik pomiaru;
25
2.2 Umiejętności − uczniowie potrafią prawidłowo przeprowadzić pomiar prądu płynącego
praktyczne.
przez dowolny odbiornik i napięcia na nim panującego;
− we właściwy sposób posługują się przyrządami pomiarowymi
(miernikami);
− prawidłowo odczytują wyniki pomiarów;
− poprawnie odczytują i wykonują schematy ideowe;
3. Zdolności poznawcze
3.1 Wyobraźnia − konstrukcyjna: ukształtowanie modelu wyobrażeniowego układu do
techniczna.
przeprowadzania pomiaru prądu płynącego przez odbiornik i napięcia na
nim panującego;
− operacyjna: ukształtowanie modelu wyobrażeniowego przebiegu
czynności przy pracach badawczo - pomiarowych w odniesieniu do
pomiaru wielkości elektrycznych;
3.2 Myślenie
− graficzne: analiza przebiegu czynności przy pomiarze prądu i napięcia;
techniczne.
− wyobrażeniowe: rozstrzyganie o poprawności zastosowania danego
miernika do przeprowadzenia pomiaru określonej wielkości elektrycznej;
− pojęciowe: zrozumienie i zapamiętanie istoty pojęć: przeprowadzanie
pomiaru, pomiar wielkości elektrycznej;
3.3 Rozwijanie
− ćwiczenia w zakresie gotowości i wierności pamięci logicznej przez
procesów
ciągłą repetycję wniosków ze spostrzeżeń;
pamięci.
3.4 Język
– rozwijanie umiejętności poprawnego posługiwania się językiem
techniczny.
technicznym poprzez zwrócenie uwagi na poprawne nazewnictwo pojęć,
czynności, przyrządów itp.
3.5
− wywołanie zainteresowań działalnością doświadczalno - pomiarową na
Zainteresowania skutek zrozumienia potrzeby przeprowadzania operacji pomiarowych.
techniczne.
II. Operacyjne cele kierunkowe
1. Kształtowanie 1. Gospodarności przez właściwe użytkowanie sprzętu elektrotechnicznego
takich postaw
i aparatury pomiarowej.
społeczno –
2. Dyscypliny przez:
moralnych, jak:
− zapewnienie dobrej organizacji pracy,
26
− przestrzeganie zasad bezpieczeństwa przy pracy z prądem elektrycznym;
− kontrolę uzyskanych wyników,
− utrzymanie optymalnego rytmu lekcji przy dostosowaniu go do
możliwości percepcji ucznia,
− utrzymanie ładu i porządku na stanowisku pracy;
3. Samokontroli przez umożliwienie ustosunkowania się do odpowiedzi
uczniów.
4. Współodpowiedzialności za skutek wspólnej oceny za pracę dla całej
grupy.
III. Metody pracy
− problemowa, badań laboratoryjnych, pomiar wielkości elektrycznych;
IV. Forma pracy
− zbiorowa, grupowa;
V. Czas trwania
− 2*45 minut;
VI. Środki dydaktyczne
− tablice i plansze, foliogramy, zestawy montażowe, przyrządy pomiarowe typu
wskazówkowego;
VII. Treści programowe
1. Elementy
− organizacja warsztatu pracy, estetyka na stanowisku pracy,
kultury pracy.
przestrzeganie zasad BHP przy pracy z prądem elektrycznym;
2. Podstawy
– przyrządy pomiarowe, montaż i demontaż obwodów elektrycznych
techniki.
o połączeniu szeregowym i równoległym, pomiar napięcia woltomierzem
i natężenia prądu amperomierzem;
27
Przebieg lekcji
Ogniwo
Przebieg lekcji
Czynności
N: Przygotowuje pracownię i środki dydaktyczne. Wita się
organizacyjne.
z uczniami i sprawdza obecność.
Czas
5 min.
U: Rozpakowują się.
N: Zwraca uwagę uczniów na to, że codziennie spotykają się
z różnego rodzaju pomiarami np.: z pomiarem długości,
pomiarem temperatury, prędkości itp.
U: Podają praktyczne przykłady tych pomiarów.
N: Zapytuje o celowość przeprowadzania czynności
pomiarowych.
U: Trafnie odpowiadają na zadane pytanie, wymieniając
mnóstwo powodów np. po to, by dowiedzieć się czy mamy
gorączkę, szybko jedziemy itp.
N: w czym wyrażony jest wynik pomiaru? - to kolejne
pytanie zadane przez prowadzącego lekcję.
U: Każda zmierzona przez nas wielkość jest podawana
w odpowiedniej jednostce, ilość wody podajemy w litrach,
długość w cm, m, lub w przypadku drogi w km.
N: Wyjaśnia uczniom, co będzie tematem dzisiejszej lekcji.
Zapisuje temat lekcji na tablicy.
U: Przepisują temat lekcji do zeszytu przedmiotowego.
Analiza.
N: Do dzisiejszej lekcji potrzebne nam będą zdobyte
wcześniej wiadomości.
N: Może ktoś z Was przypomni nam jakie dwie wielkości
charakteryzują obwód elektryczny.
U: Prąd i napięcie.
N: Na dzisiejszej lekcji poznamy metody pomiaru tych
wielkości. Jak myślicie jak można zmierzyć wielkość prądu
i napięcia w obwodzie elektrycznym?
U: Dokonuje się tego specjalnymi miernikami.
N: Tak. Pierwszą wielkością elektryczną, którą już
poznaliśmy jest prąd elektryczny. Co jest jednostką tej
wielkości?
28
15 min.
Ogniwo
Przebieg lekcji
Czas
U: Amper lud jednostki pochodne, jak mA.
N: Demonstruje uczniom amperomierz, zwracając uwagę na
widoczne elementy jego budowy tj.: podziałkę i zawarte na
niej informację, zaciski i inne.
U: Słuchają wyjaśnień nauczyciela.
N: Posługując się planszą i miernikiem wyjaśnia uczniom
podstawowe symbole umieszczane na elektrycznych
przyrządach pomiarowych dotyczące rodzaju ich ustroju,
ustawienia przyrządu, jego dokładności itp.
U: Zauważają, że obok zacisków miernika widnieją
oznaczenia „+”, „-”.
N: Oznaczenia te jak i symbol na skali miernika sugerują, że
tego miernika będziemy mogli użyć tylko do pomiaru prądu
stałego.
N: Demonstruje drugi miernik, na którego skali widnieje
literka V. Litera ta oznacza, że miernik ten będzie mierzył
ilość woltów. Jakiej wielkości jednostką jest wolt?
U: Napięcia.
N: Do czego więc użyjemy tego miernika?
U: Będziemy nim mierzyć napięcie elektryczne.
N: Korzystając z planszy przedstawiającej budowę miernika
magnetoelektrycznego omawia elementy konstrukcyjne
przyrządu i jego uproszczoną zasadę działania.
U: Oglądają rzeczywisty ustrój. Zadają pytania dotyczące
budowy i działania.
Planowanie.
N: Prosi uczniów o narysowanie na tablicy schematu
elektrycznego obrazującego połączenie żaróweczki
z bateryjką, oraz wskazanie kierunku i drogi przepływu
prądu w tym obwodzie.
U: Rysują schemat i wskazują drogę przepływającego prądu
od bieguna dodatniego do ujemnego baterii.
N: Jak już wiemy do pomiaru prądu służy przyrząd
pomiarowy zwany amperomierzem. Jak należy go wpiąć do
29
20 min.
Ogniwo
Przebieg lekcji
Czas
naszego obwodu, by zmierzył on prąd który przepływa przez
żarówkę.
U: Dokonują próby poprawnego wrysowania amperomierza
w obwód.
N: Wyjaśnia sposób poprawnego wpięcia amperomierza do
obwodu, zwracając uwagę na biegunowość miernika.
N: Wyjaśnia sposób wpięcia woltomierza do obwodu tak by
mierzył on napięcie które występuje na żarówce.
U: Dokonują próby narysowania prawidłowo podpiętego
woltomierza.
N: Rysuje na tablicy schematy ideowe obwodów
elektrycznych, które będą przedmiotem części ćwiczeniowej
lekcji. Poleca uczniom otwarcie zeszytów przedmiotowych,
dyktuje krótką i zwięzłą notatkę oraz prosi o staranne
przerysowanie schematów z przyrządami pomiarowymi,
który uprzednio narysował na tablicy.
U: Zapisują notatkę i starannie przerysowują schematy
elektryczne do zeszytu.
Przygotowanie.
N: Dzieli klasę na zespoły, w których uczniowie wykonywać 5 min.
będą ćwiczenia.
U: Dyżurni (asystenci) rozdają potrzebne do ćwiczeń
zestawy montażowe z elektrotechniki, przyrządy pomiarowe,
baterie i przewody elektryczne. Zespoły przygotowują swoje
stanowiska pracy.
N: Przypomina o prawidłowej postawie podczas
wykonywania ćwiczeń, BHP podczas pracy z prądem
elektrycznym oraz porządku na stanowisku pracy.
Ćwiczenia.
N: Udziela ostatnich wskazówek i poleca rozpoczęcie
ćwiczeń.
U: Rozpoczynają w zespołach ćwiczenia montażowo pomiarowe. Montują układ 1 i 2.
30
30 min.
Ogniwo
Przebieg lekcji
1. Układ pomiarowy natężenia prądu - amperomierzem.
2. Układ pomiarowy napięcia - woltomierzem.
N: Dokonuje obchodu stanowisk pracy uczniów, wstępnie
orientuje się w problemach uczniów Sprawdza prawidłowość
wykonania prac montażowych i odczytu wielkości.
Następnie poleca wykonanie pomiarów wg układu 3.
3. Pomiar napięcia na odcinkach obwodu za pomocą
woltomierza.
N: Należy zmierzyć napięcie na zaciskach każdej żarówki
i napięcie baterii przy pracującym układzie. Wyniki
pomiarów wpisać do tabelki.
U: Przerysowują tabelkę, dokonują pomiarów, zapisują
31
Czas
Ogniwo
Przebieg lekcji
wyniki.
Pomiar.
Wartość
zmierzonego
napięcia.
Ż1
U1
Ż2
U2
Ż3
U3
Suma
Uc
Napięcie
baterii
Ub
..........V
..........V
..........V
..........V
..........V
N: Obserwuje pracę uczniów, koryguje błędy, udziela
wskazówek dotyczących poprawnego wykonania ćwiczenia.
Pytania do uczniów:
– ile wynosi suma napięć na wszystkich żarówkach?
– jaki jest stosunek napięcia mierzonego na zaciskach każdej
żarówki do napięcia baterii, jeżeli w obwodzie są trzy
szeregowo połączone żarówki?
N: Poleca dokonać pomiaru napięcia na żarówkach przy
połączeniu równoległym, wg układu 4. Pytania dla uczniów:
– dlaczego na wszystkich żarówkach jest taka sama wartość
napięć?
– ile wynosi stosunek napięcia mierzonego na zaciskach
żarówki do napięcia baterii?
– podaj różnicę między połączeniem szeregowym
a równoległym żarówek?
4. Schemat ideowy pomiaru napięcia.
U: Po zmontowaniu powyższego układu, zapisują dane,
podają wnioski i spostrzeżenia.
32
Czas
Ogniwo
Przebieg lekcji
Czas
N: Poleca wykonanie pomiarów przy połączeniu
szeregowo – równoległym (układ 5.).
5. Pomiar napięcia w układzie o połączeniu szeregowo równoległym.
U: Montują układ, dokonują pomiaru, zapisują wyniki:
U1=.....V
U2=.....V
Uc=.....V
Porównują wyniki wszystkich pomiarów.
N: Poleca przeprowadzenie pomiaru prądu w wg układu 6.
6. Schemat obwodu elektrycznego do pomiaru natężenia
prądu z rezystorem suwakowym.
U: Montują układ, dokonują pomiaru i zapisują wyniki.
Natężenie prądu przy:
Rmax=.....A
Rmin=.....A
Rśred.=.....A
N: Zapowiada wykonanie pomiaru natężenia prądu
płynącego w obwodzie z odbiornikami połączonymi
równolegle, wg układu 7.
33
Ogniwo
Przebieg lekcji
Czas
7. Schemat układu do pomiaru prądu płynącego przez
elementy połączone równolegle.
U: Montują obwód, odczytują wyniki, dane porównują
z układem 1.
Zakończenie.
N: Poleca zapisać spostrzeżenia, demontaż układów
10 min.
i złożenie zestawów.
U: Wykonują polecenia, wnoszą uwagi i zapytania.
N: Odpowiada na pytania zadane przez uczniów, wraz
z uczniami omawia wyniki przeprowadzonych ćwiczeń
montażowych i pomiarowych.
U: Wypowiadają się na temat uzyskanych wyników ćwiczeń.
N: Poleca dyżurnym (asystentom) zebranie złożonych
zestawów i przyrządów pomiarowych. Dokonuje oceny,
uwzględniając nie tylko poprawne wykonanie ćwiczeń
montażowych i pomiarowych, ale również aktywność
uczniów, ich zaangażowanie na lekcji i postawę podczas
wykonywania ćwiczeń.
Rekapitulacja.
N: Podsumowuje wiadomości i umiejętności, które
uczniowie zdobyli podczas lekcji. Zapowiada temat
następnych zajęć, prosi o przygotowanie się do lekcji.
U: Pakują się i po pożegnaniu z nauczycielem opuszczają
pracownię.
34
5 min.
5. Podsumowanie
W nauczaniu podstaw elektrotechniki poza celami związanymi z tematyką programową
powinniśmy mieć na uwadze cele ogólniejsze. w tym przedmiocie bowiem, jak i w każdym
innym, nie tylko rozszerzamy wiedzę uczniów i kształtujemy ich umiejętności manualne (jakże
ważne w procesie kształcenia politechnicznego), ale także formujemy umiejętność współpracy
i współżycia
z innymi
ludźmi,
rozwijamy
pożyteczne
zainteresowania
i zamiłowania.
Dokładamy starań, aby znikły negatywne skłonności i przyzwyczajenia, aby wytworzyć
wartościowe
postawy
i ukierunkować
należycie
motywy
działania.
Obszar
naszego
oddziaływania jest ogromny, obejmuje on całą złożoną osobowość ucznia.
Skutki oddziaływań dydaktycznych przenikają w sferę treści wychowawczych, i to
zarówno skutki pozytywne, jak i negatywne. Można stwierdzić ogólnie, że utrzymujący się
jeszcze styl nauczania przedmiotów technicznych, w tym również techniki w szkole, wnosi
ze sobą wiele sytuacji wpływających w sposób niepożądany na proces kształtowania się
osobowości uczniów. Podstawowym, wymagającym omówienia problemem, jest tu związek
zachodzący między tym, co nazywamy „stylem” nauczania, a rodzajami motywów uczenia się,
jakie dany styl wyzwala. Wiadome jest, że u uczniów dominują lękowe motywy działania,
działania pod wpływem obawy przed złymi ocenami, pozostawieniem na drugi rok w tej samej
klasie itp. Ten represyjny styl oddziaływania, dający wprawdzie doraźne skutki, wytwarza przy
szczególnych warunkach środowiskowych ucznia swoistą postawę pozornej uległości,
niesumienności i egoizmu.
Nie wynika to z charakteru przedmiotów technicznych, z ich „oschłości”. Wręcz
przeciwnie, zawierają one treści, które kryją duże możliwości zainteresowania uczniów. Bardzo
dobrym przykładem na to, są lekcje elektrotechniki prowadzone w ramach techniki
w gimnazjum. Możliwości te pozostają jednak w większości przypadków nie wykorzystane –
choćby ze względu na niedobór pomocy dydaktycznych wchodzących w skład zaplecza klasopracowni technicznych. Elektrotechnika sformalizowana, podawana werbalnie, bez pokazów
i ciekawych ćwiczeń, zatraca dla uczniów swoje wartości motywacyjne, co prowadzi wręcz do
kształtowania się u naszych wychowanków negatywnej postawy do nauki i do przyszłej pracy
zawodowej.
Pragnę aby przygotowane przeze mnie materiały dzięki omówionym problemom stały się
pomocą dla nauczycieli techniki przy opracowaniu poprawnych pod względem metodycznym
lekcji, a zajęcia z elektrotechniki prowadzone w ramach przedmiotu technika niosąc wiele
materiału poznawczego w sposób ciekawy i atrakcyjny kształtowały u uczniów naukowy pogląd
na świat.
35
6. Literatura
Wymienione poniżej pozycje literatury służyły mi jako materiały źródłowe do napisania
niniejszej pracy. Osobom, które po lekturze mojej publikacji będą czuły potrzebę zgłębienia
pewnych treści polecam te pozycje, gdyż pomimo upływu czasu nie zdezaktualizowały się, zaś
„język” w jakim zostały napisane jest „czytelny”. Teza ta nie dotyczy zapewne pozycji
metodycznych, które w przeciwieństwie do literatury technicznej ciągle ewoluują.
1. Augustak K. i W. „Elektryczność wokół nas”, WKŁ, Warszawa 1986;
2. Bolkowski S. „Podstawy elektrotechniki”, WSiP, Warszawa 1986;
3. Czyżewski W. „Technika i wychowanie komunikacyjne dla gimnazjum”, Wydawnictwo Nowa
Era, Warszawa 2002;
4. Dyszyński J., Hagel R. „Miernictwo elektryczne”, WSiP, Warszawa 1985;
5. Dyszyński J., Hagel R. „Miernictwo elektryczne - Poradnik technika elektrotechnika”, WSiP,
Warszawa 1986;
6. Elonka S.M., Bernstein J.L. „Elektronika w pytaniach i odpowiedziach”, WNT, Warszawa 1968;
7. Franaszek M. „Elektrotechnika stosowana”, Wydawnictwo naukowe WSP, Kraków 1981;
8. Francuz W.M., Karpiński J., Sotomski S. „Metodyka nauczania zajęć praktycznych”, WSiP,
Warszawa 1992;
9. Furmanek W. „Dokąd zmierza wychowanie techniczne? Humanistyczne aspekty wychowania
przez technikę”, Rzeszów 1993;
10. Furmanek W. (red.) „Modelowanie treści kształcenia ogólnotechnicznego dla potrzeb nowego
systemu oświaty”, Rzeszów 1995;
11. Jędrzejczyk W. „Technika. Elektrotechnika i elektronika” Podręcznik dla klas I-III gimnazjum,
WSiP, Warszawa 2000;
12. Jędrzejczyk W. „Technika. Elektrotechnika i elektronika” Poradnik dla nauczyciela gimnazjum,
WSiP, Warszawa 2000;
13. Kozak W. „Zajęcia z elektrotechniki w szkole podstawowej”, PZWS 1972;
14. Lebson S. „Podstawy miernictwa elektrycznego”, WNT, Warszawa 1972;
15. Program szkoły podstawowej. i gimnazjum „Informatyka 2000”, WSiP, Warszawa 2000;
16. Swoboda T.(red.) „Zagadnienia metodyczne w nauczaniu podstaw elektrotechniki”, PWSZ,
Warszawa 1970;
17. Walat W. „Zestaw rocznych planów pracy dydaktycznej dla nauczycieli techniki – informatyki
w gimnazjum”, Wydawnictwo Oświatowe FOSZE, Rzeszów 2000;
18. Walat W., Furmanek W. „Technika i informatyka dla klas gimnazjum”, Wydawnictwo
Oświatowe FOSZE, Rzeszów 1999.
36