Sammenhengen mellom strøm og spenning

Transkript

1 Sammenhengen mellom strøm og spenning Naturfag oktober 2009 Camilla Holsmo Karianne Kvernvik Allmennlærerutdanningen

2 Innhold 1.0 Innledning Teori Faglige begreper Teoriforståelse Materiell og utstyr Utstyr Fremgangsmåte Risikovurdering Resultater Drøfting Naturvitenskapelig drøfting Naturfagdidaktisk drøfting Gruppearbeid Konklusjon... 9 Camilla Holsmo, Karianne Kvernvik

3 1.0 Innledning På 3. samling i naturfag var et av temaene under fenomener og stoffer elektrisitet. Vi utførte en rekke forsøk knyttet til de ulike områdene innenfor temaet elektrisitet. En av aktivitetene vi prøvde, var et forsøk som omhandlet strøm, spenning og resistans. Hensikten med denne aktiviteten er å undersøke sammenhengen mellom strøm og spenning. Forsøket skulle også inneholde minst en utregning av resistans. Aktiviteten ble presentert av lærer Espen Henriksen. Denne aktiviteten kan bidra til å nå flere kompetansemål i kunnskapsløftet. Elevene skal etter 7. årstrinn blant annet kunne gjennomføre forsøk med elektrisitet, beskrive og forklare resultatene (LK06, Naturfag). Etter 10. årstrinn skal elevene kunne forklare resultater fra forsøk med strømkretser ved bruk av begrepene strøm, spenning og resistans(lk06: Naturfag). I dette forsøket får elevene utforske sammenhengen mellom strøm og spenning. De må gjennom planen for forsøket beskrive hvordan forsøket skal gjennomføres, og elevene skal bruke resultatet til å komme fram til en konklusjon. 2.0 Teori 2.1 Faglige begreper Det som gjør noe elektrisk ladd, er overskudd eller underskudd av elektroner. Et atom som tar til seg elektroner, får et overskudd av negativ ladning. Et atom som gir fra seg elektroner, får et overskudd av positiv ladning. Elektrisk ladning har symbolet Q. Elektrisk strøm er en strøm av ladninger. Enheten for strøm er A; ampere. Likestrøm er strøm som har samme retning hele tiden. For å måle strømmen i en krets, bruker vi et ampermeter. Begrepet elektrisk spenninger et mål for den kraften som driver elektrisiteten gjennom for eksempel en ledning. Det er en elektrisk kraft som driver en ladning gjennom ledningen, for eksempel et batteri. Når ladningen er flyttet fra et tverrsnitt A til et tverrsnitt B i ledningen, har den elektriske kraften utført et elektrisk arbeid på ladningen. Dette arbeidet er avhengig av hvor stor ladningen er. arbeid per ladning kaller vi spenningen mellom A og B. Enheten for spenning er volt, V. For å måle spenningen, bruker vi et voltmeter. Camilla Holsmo, Karianne Kvernvik

4 Når vi skal måle strømmen gjennom en komponent, for eksempel en lampe, kobler vi ampermeteret i serie med komponenten. Et godt ampermeter har liten resistans sammenlignet med komponenten. Når vi skal måle spenningen over en komponent, kobler vi voltmeteret i parallell med komponenten. Et godt voltmeter har stor resistans sammenlignet med komponenten. Et materiale det går strøm gjennom, gjør motstand mot strømmen. Når elektronene strømmer gjennom materialet, støter de stadig på atomene i materialet. Da mister elektronene energi, og må stadig tilføres energi fra spenningskilden for å få strømmen videre. Som mål for motstand i en komponent bruker vi størrelsen resistans. Når vi legger en spenning over en komponent, er det resistansen i komponenten som bestemmer hvor stor strømmen blir. Enheten for resistans er ohm, Ω. Resistansen R i en komponent er forholdet mellom spenningen U over komponenten, og strømmen I gjennom komponenten: R= I U (Hansen: Fysikk for lærere, 1997) 2.2 Teoriforståelse Vi har funnet to kompetansemål (se innledning) som denne aktiviteten kan være med på å nå. Ved å bruke denne aktiviteten i skolen, ønsker vi å gi elevene en bedre forståelse for begrepene spenning, strøm og resistans. Gjennom denne aktiviteten håper vi at elevene oppdager sammenhengen mellom de forskjellige begrepene, og hvordan de fungerer i praksis. Vi ønsker at elevene skal lære å lage egen plan for et forsøk. Her vil elevene oppdage at det er viktig med en grundig og gjennomtenkt planlegging. Ved å måtte planlegge forsøket selv, får elevene ta del i sin egen læring. Vi mener at elevene lærer mer av forsøket ved å planlegge det selv, enn dersom lærer ga elevene en ferdig oppskrift. 3.0 Materiell og utstyr 3.1 Utstyr Til dette forsøket trenger en følgende utstyr (se bilde 1): 2 eller flere batteri Kabler Lyspærer Bilde 1: Utstyr Foto: Camilla Holsmo Camilla Holsmo, Karianne Kvernvik

5 Multimeter Motstandspinne Strømforsyner Det meste av utstyret er lett å skaffe. Batterier og lyspærer fås kjøpt på de fleste dagligvarebutikker, og koster under 50-lappen per produkt. På nettbutikken KPT naturfag 1 koster en pakke motstandspinner (30 stk) 18,-. Kabel, 1.7mm koster 50,- for 10 stykker 2. Det dyreste utstyret for dette forsøket er multimeteret og strømforsyneren. Den billigste strømforsyner/spenningskilde koster 265,- 3. Multimeteret koster ca 200,- på felleskjøpet 4 Forsøket kan eventuelt gjøres uten strømforsyner, hvor man kun bruker batterier. 3.2 Fremgangsmåte I forhold til denne aktiviteten kan det være fordelaktig å dele elevene inn i grupper. På denne måten får alle elevene mulighet til å delta aktivt i forsøket, og man slipper å vente på hverandre. Hvor store/små gruppene skal være, avhenger av tilgang på utstyr. Hver gruppe får utdelt batteri, ledninger, lyspærer, strømforsyning og motstandspinne. Først skal en lage en plan over forsøket. Denne planen skal inneholde hvilke utstyr som trengs, framgangsmåte med tegninger av koblingsskjema, og hvordan en har tenkt å bearbeide resultatene. Etter at planen er skrevet, skal en gjennomføre det som står i planen. Her er to forskjellige strømkretser som vi lagde da vi utførte forsøket. Den ene strømkretsen har ett batteri, mens den andre strømkretsen har to batteri (bilde 2). Istedenfor batteri kan en også bruke strømforsyning (bilde 3). Fordelen med det, er at en i større grad kan velge hvor mye spenning en vil ha i strømkretsen. I forsøket vi gjorde, brukte vi både 1 KPT naturfag (udatert) ( ) 2 KPT naturfag (udatert) ( ) 3 KPT naturfag (udatert) ( ) 4 Felleskjøpet (udatert) ( ) Bilde 2: Strømkrets med to batteri. Foto: Camilla Holsmo Camilla Holsmo, Karianne Kvernvik

6 kretser med batteri, og kretser med strømforsyning. I kretsene hvor vi brukte batteri, målte vi først hvor mange volt batteriet/batteriene gav. Ettersom batteriene har vært brukt, har de blitt svekket. Istedenfor lyspære kan en også bruke en motstandspinne. Strømforsyningen vi brukte, kunne stilles inn fra 1 til 12 V. Grunnen til at vi lagde strømkretser med forskjellig spenning, var at vi ville sammenligne hvilke endringer som skjer i strømmen når vi endret strømforsyningen (spenningen). I forsøket hvor vi brukte Bilde 3: Strømforsyner Foto: Camilla Holsmo strømforsyning, regnet vi også ut resistans. For å finne ut resistansen, tok vi utgangspunkt i formelen U=R I, som er formelen for spenning. For å finne resistans, blir formelen: R= I U 3.3 Risikovurdering Strømforsyningen som elevene bruker bør skje via strømskinner i taket. På denne måten unngår en at eventuelle skøyteledninger ligger løst på gulvet, som kan føre til at elevene snubler i ledningen. Da kan det oppstå skader på både ledninger og utstyr. I følge Sikkerhet i naturfag kan elevene bruke strømforsyning, men strømaggregatet trenger ikke å gi mer spenning enn 12V. Strømaggregatet må ikke gi mer spenning enn 50V av sikkerhetsmessige årsaker. For å avverge mulige farer er det viktig at utstyr, installasjon og ledninger sjekkes regelmessig. Dersom det oppdages feil eller skader, må ikke utstyret brukes før det er reparert. Typiske skader kan være: - Skade på ledningens isolasjon - Skader på kapsling til utstyr - Kontakter med knuste deksel - Ledninger som er trukket ut av strekkavlastning i plugg Camilla Holsmo, Karianne Kvernvik

7 4.0 Resultater Strømkrets med batteri I kretsen med ett batteri var spenningen 4,2 V. Ampermeteret viste 39 milliampere, som tilsvarer 0,039 A. I kretsen med 2 batteri, var spenningen 8.55V. Strømmen var 58 milliampere; 0,059 A. Vi der at selv om vi doblet spenningen, ble ikke strømmen doblet. Det er likevel tydelig at det skjer endringer i strømmen når vi øker spenningen. Strømkrets med strømforsyner Spenning, U Milliampere Ampere Resistans, Ohm Ω 1 volt 18,5 0, volt 25,4 0, ,47 3 volt 31,7 0, ,63 4 volt 38 0, ,26 5 volt 44,5 0, ,36 6 volt 49 0, ,45 7 volt 53,8 0, ,11 8 volt 58 0, ,93 9 volt 62 0, ,16 10 volt 66 0, ,51 11 volt 71 0, ,93 12 volt 74 0, ,16 Her er resultatene fra forsøket hvor vi brukte strømforsyner. I likhet med forsøket hvor vi brukte batteri, ble ikke strømmen doblet selv om vi doblet spenningen. Selv om ikke strømmen dobles av doblet spenning, ser vi også her merkbare endringer. Vi har også regnet ut resistansen for hvert av forsøkene. Eksempel på utregning: 1V 1V: 54, 05 0,0185 Vi ser at resistansen øker betraktelig for hvert av forsøkene. 5.0 Drøfting 5.1 Naturvitenskapelig drøfting Før vi gjennomførte forsøket, trodde vi at strømmen ville doble seg dersom vi doblet spenningen. Etter å ha sammenlignet resultatene, ser vi at dette ikke er tilfelle. Vi ser også at Camilla Holsmo, Karianne Kvernvik

8 resistansen øker for hvert av forsøkene. I forkant trodde vi at motstanden ville bli den samme ettersom vi hele tiden brukte en og samme lyspære. Resistansen i en metallisk leder øker når temperaturen øker. For hvert av forsøkene vi gjorde, ble lyspæren varmere. Desto høyere temperaturen ble i glødetråden, desto sterkere vibrerte partiklene, og det ble vanskeligere for elektronene å passere. Dette forklarer både hvorfor strømmen ikke ble doblet av doblet spenning, og hvorfor resistansen økte. For å få en ideell motstand som er lik for alle forsøkene, er det hensiktsmessig å bruke en motstandspinne istedenfor lyspære. Motstandspinnen vil ha den samme resistansen hele tiden, den vil ikke bli varm på samme måte som glødetråden i lyspæren blir. Dersom vi hadde brukt motstandspinne, ville grafen som viser forholdet mellom spenning og strøm vært en proporsjonal, lineær graf. Hadde vi lagd en graf av våre resultater, ville ikke denne grafen blitt proporsjonal. (Hansen, Fysikk for lærere 1997: 203). 5.2 Naturfagdidaktisk drøfting Hensikten med denne aktiviteten er å undersøke sammenhengen mellom strøm og spenning. Ser vi på resultatene fra forsøket, ser vi tydelig at strømmen øker dersom vi øker spenningen. I dette forsøket får elevene selv oppleve at strømmen øker dersom spenningen økes. Elevene vil se at lyspæren lyser sterkere desto mer spenning som tilføres. Ved å lage en tabell, slik som vi har gjort, er det lett å se at strømmen øker. Vi mener at ved å gjøre dette forsøket blir teoristoffet visualisert på en måte som gjør det lettere å forstå enn hvis lærer bare forteller om det. Forsøk som dette kan både brukes som innledning til emnet, eller etter at begrepene om strøm og spenning er blitt introdusert. Fordelen ved å bruke forsøket som introduksjon, er at praktisk arbeid ofte skaper undring og interesse blant elevene. Dette kan føre til at elevene får sterkere motivasjon for videre læring. Når elevene videre skal jobbe med begrepene, har de noe konkret å knytte fagstoffet opp til. Ulempen med å bruke forsøket som introduksjon, er at elevene ikke får maksimalt utbytte av forsøket. Dersom elevene på forhånd har gått gjennom begrepene, vil de forhåpentlig vis ha en større forståelse av det som egentlig skjer. Elevene vil Camilla Holsmo, Karianne Kvernvik

9 ha større mulighet til å forklare det som skjer når spenningen økes. Praktisk arbeid støtter opp og forsterker den kunnskapen elevene allerede sitter inne med (Van Marion, 2008: 80). I dette forsøket må elevene også selv lage en plan for hvordan forsøket skal gjennomføres og bearbeides. Dette kan være med på å gi elevene et økt læringsutbytte. Elevene får på denne måten ta del i sin egen læring, og gruppen får sammen diskutert hvordan hver enkelt oppfatter oppgaven. Diskusjonene kan være med på å øke forståelsen for fagstoffet. For en elev kan det ofte være lettere å forstå begreper dersom en medelev forklarer, enn hvis læreren forklarer. Medeleven har et språk som ligger mye nærmere ens eget språk. For at elevene skal kunne lage en plan selv, må læreren være tilgjengelig, både for å hjelpe og for å kontrollere at alle gruppene får lagd en gjennomførbar plan Gruppearbeid Med tanke på hvor mye utstyr som er tilgjengelig i norske skoler, er det hensiktsmessig å dele elevene inn i grupper når et slikt forsøk skal utføres. Det er selvfølgelig både fordeler og ulemper med gruppearbeid som arbeidsmetode. Klassen består av mange ulike typer elever, hvor ikke alle samarbeider like godt. Det vil i en klasse også være et faglig sprik mellom elevene. Som lærer har en ansvar for at alle elever får læringsutbytte av aktiviteten. Det er viktig å tenke på dette når en setter sammen grupper. Elevene kan få lov til å velge grupper selv. Fordelen med dette, er at elevene ofte velger å jobbe med personer de går godt over ens med. Ulempen med valgfrie grupper, er at det kan være elever som ikke får noen gruppe. Derfor mener vi at det beste er at lærer setter sammen grupper som er tilpasset hver enkelt elev. Grupper på 3-4 er det ideelle, da har alle elever arbeidsoppgaver. Grupper som blir større enn dette, kan føre til at noen blir sittende uten noe å gjøre. Det er ikke noe fasitsvar når det gjelder gruppearbeid, det er litt prøving og feiling. Vi mener at dersom en får gruppearbeid til å fungere, og at alle elevene er inkludert, kan dette være en god arbeidsmetode som er med på å forsterke motivasjon og engasjement blant elevene. 6.0 Konklusjon Vi mener at denne aktiviteten er egnet til å nå flere mål på ulike trinn. Gjennom forsøket får elevene forsterket begrepsforståelsen, og de får visualisert sammenhengen mellom spenning og strøm på en hensiktsmessig måte. Det å lage en plan for forsøket selv, mener vi fører til et økt læringsutbytte. Camilla Holsmo, Karianne Kvernvik

10 Etter å ha utført forsøket og diskutert resultatene, oppdaget vi at resistansen ikke var konstant i lyspæren. En motstandspinne ville hatt lik resistans hele tiden. Dersom vi skulle brukt dette forsøket med elever, ville vi brukt både lyspære og motstandspinne som motstand i strømkretsen. Dette for å vise at det er mulig å få dobbel strøm dersom en dobler spenningen. Ved å bruke begge gjenstandene, får en vist at forsøket kan få flere resultater, og at ingen av resultatene er feil. Her kan det være en fordel å bruke graf for å sammenligne de to resultatene. Det er også en mulighet å la noen grupper bruke lyspære, og noen grupper bruke motstandspinne. Dette kan skape rom for gode diskusjoner i etterkant av forsøket. Camilla Holsmo, Karianne Kvernvik

11 Kilder Felleskjøpet (udatert): Produktkatalog. Nedlastet fra ( ) Hansen, P.J.K (1997) Fysikk for lærere. H. Ascehoug & Co, 2.utgave KPT naturfag (udatert): Nettbutikk. Nedlastet fra ( ) Læreplanverket for kunnskapsløftet (2006) Læreplan i naturfag Van Marion, Peter og Alex Strømme (2008) Biologididaktikk Høgskoleforlaget Camilla Holsmo, Karianne Kvernvik