Πειραματική Επιστημονική Έρευνα στο Νόμο του ΩΜ (Ohm)
Οι μαθητές και μαθήτριες του τμήματος παίρνουν ως ΥΠΟΘΕΣΗ της Επιστημονικής έρευνας την θεωρία που διδάσκονται στο μάθημα της Φυσικής Γ Γυμνασίου τον ΝΟΜΟ ΤΟΥ ΩΜ. Πειραματίζονται με την βοήθεια προσομοιωτή μεταβάλλοντας τα μεγέθη, ΕΝΤΑΣΗ, ΤΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ και στο τέλος καταλήγουν στο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ εάν ΙΣΧΥΕΙ η θεωρία.
Ως δραστηριότητα τους δίνετε το Φύλλο Εργασίας (ΕΡΓΑΣΙΑ 3) και ζητείται από τους μαθητές να ανοίξουν στον παρακάτω σύνδεσμο την προσομοίωση με τον ΝΟΜΟ ΤΟΥ ΩΜ:
https://phet.colorado.edu/sims/html/ohms-law/latest/ohms-law_en.html
Η δραστηριότητα συνδέεται με τους στόχους του μαθήματος που έχουν τεθεί «Τι θα συμβεί σε ένα από τα μεγέθη V, R, I αν γνωρίζουν δύο από αυτά, και μεταβάλλουμε ένα από το τρία μεγέθη, διατηρώντας το δεύτερο σταθερό και αυξομειώνοντας το τρίτο μέγεθος»
1.Υπόθεση: Αρχικά ζητείται από τους μαθητές να προβλέψουν τι θα συμβεί αν έχουμε σταθερή την Tάση V και διπλασιάσουμε την Αντίσταση R.
2.Πείραμα και συλλογή δεδομένων: Μετά τις προβλέψεις, οι μαθητές εκτελούν την προσομοίωση και καταγράφουν σε Πίνακα τις τιμές που προκύπτουν.
3.Έλεγχος υποθέσεων: Στις ομάδες τους οι μαθητές παρατηρούν και συζητούν τα αποτελέσματα/τιμές που προκύπτουν από την εκτέλεση της προσομοίωσης με τις αντίστοιχες τιμές και επιχειρούν να βγάλουν συμπεράσματα για τις σχέσεις που συνδέουν τα μεγέθη.
ΘΕΩΡΙΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ
Νόμος του Ωμ
Γκέοργκ Σιμόν Ωμ (1787-1854)
Γερμανός φυσικός που διατύπωσε το νόμο που συνδέει την τάση και την ένταση του ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό.
Το απλούστερο ίσως δίπολο που μπορούμε να μελετήσουμε είναι ένας μεταλλικός αγωγός, ένα μεταλλικό σύρμα. Όταν στα άκρα (πόλους) του σύρματος εφαρμόζουμε ηλεκτρική τάση, τότε από το σύρμα διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα.
Ποια είναι η ποσοτική σχέση που συνδέει την ηλεκτρική τάση με την ένταση του ρεύματος που προκαλεί σε έναν αγωγό; Πώς δηλαδή μεταβάλλεται η τιμή της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό όταν μεταβάλλουμε τη διαφορά δυναμικού που εφαρμόζουμε στα άκρα του;
Για να απαντήσουμε στις ερωτήσεις μας, θα καταφύγουμε πάλι στο πείραμα. Μεταβάλλουμε τις τιμές ηλεκτρικής τάσης που εφαρμόζουμε στα άκρα ενός μεταλλικού αγωγού. Μετράμε την τάση στα άκρα του αγωγού με ένα βολτόμετρο και την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό με ένα αμπερόμετρο (εικόνα 2.27).
Αν αυξήσουμε την τάση που εφαρμόζουμε στα άκρα του αγωγού, τότε η ένταση του ρεύματος που τον διαρρέει μεγαλώνει.
Τα αποτελέσματα των μετρήσεών μας καταγράφονται στον πίνακα 2.1. Στην τρίτη στήλη του πίνακα υπολογίζουμε το πηλίκο της τάσης προς την αντίστοιχη ένταση του ρεύματος, δηλαδή την αντίσταση του αγωγού. ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΤΕ ΟΤΙ ΓΙΑ ΚΑΘΕ ΖΕYΓΟΣ ΤΙΜΩΝ Ο ΛΟΓΟΣ V/I ΕΧΕΙ ΤΗΝ ΙΔΙΑ ΤΙΜΗ
| V (Volt) | I (mA) | R=V/I (Volt/A = Ω) |
|---|---|---|
| 0 | 0 | – |
| 1,5 | 7,5 | 200 |
| 3,0 | 15,0 | 200 |
| 4,5 | 22,5 | 200 |
| 6,5 | 30,0 | 200 |
| 7,5 | 37,5 | 200 |
| 9,0 | 45,0 | 200 |
Στη συνέχεια με τη βοήθεια των τιμών της τάσης και της έντασης που λαμβάνουμε από τον πίνακα 2.1 κατασκευάζουμε το διάγραμμα της έντασης (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό σε συνάρτηση με τη τάση V που εφαρμόζουμε στα άκρα του.
Η ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό (αποτέλεσμα) και η τάση που εφαρμόζεται στα άκρα του (αιτία) είναι μεγέθη ανάλογα.
Παρατηρούμε ότι το διάγραμμα της έντασης (Ι) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό σε συνάρτηση με την ηλεκτρική τάση (V) που την προκαλεί είναι μια ευθεία που διέρχεται από το μηδέν. Επομένως τα δύο αυτά μεγέθη είναι ανάλογα, δηλαδή ο λόγος τους διατηρείται σταθερός. Το γεγονός αυτό μπορούμε να το επιβεβαιώσουμε και από την τρίτη στήλη του πίνακα 2.1, όπου έχουμε υπολογίσει τους λόγους των αντιστοίχων τιμών τάσης–έντασης (V/I). Παρατήρησε ότι όλοι αυτοί οι λόγοι έχουν την ίδια τιμή. Ώστε η αντίσταση R του μεταλλικού αγωγού είναι σταθερή, ανεξάρτητη της τάσης που εφαρμόζουμε στα άκρα του, δηλαδή ένας μεταλλικός αγωγός είναι αντιστάτης.
Η γενίκευση πειραματικών δεδομένων παρόμοιων με τα προηγούμενα οδήγησε το Γερμανό φυσικό Ωμ (Ohm) στη διατύπωση ενός νόμου που είναι γνωστός ως νόμος του Ωμ:
Η ένταση (I) του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει ένα μεταλλικό αγωγό είναι ανάλογη της διαφοράς δυναμικού (V) που εφαρμόζεται στα άκρα του και αντιστρόφως ανάλογη με την αντίσταση R.
Σύμφωνα με το νόμο του Ωμ, η αντίσταση ενός μεταλλικού αγωγού είναι ανεξάρτητη της ηλεκτρικής τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του και της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που τον διαρρέει.
Έτσι αν η σχέση λυθεί ως προς το Ι προκύπτει:
Δηλαδή μπορούμε να πούμε ότι:
Η ένταση του ρεύματος που διαρρέει έναν αγωγό είναι ανάλογη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του αγωγού με σταθερά αναλογίας το 1/R.
Η σχέση αυτή αποτελεί τη μαθηματική έκφραση του νόμου του Ωμ. Η γραφική της παράσταση είναι μια ευθεία που διέρχεται από το μηδέν, όπως η εικονιζόμενη στην εικόνα 2.28.
ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ:
Οι μαθητές και μαθήτριες για να δημιουργήσουν την Εργασία 3 , θα πρέπει να χρησιμοποιήσουν το Φύλλο Έργου, και να δουν την Υποδειγματική Εργασία
Ο Καθηγητής
Χρήστος Αθ. Παλάτος
