Innhold. Viktig informasjon om Kraft og Spenning. Skoleprogrammets innhold. Lærerveiledning Kraft og Spenning ( Trinn)

Transkript

1 Lærerveiledning Kraft og Spenning ( Trinn) Innhold Viktig informasjon om Kraft og Spenning... 1 Forarbeid... 3 Temaløype... 6 Etterarbeid Viktig informasjon om Kraft og Spenning Vi ønsker at lærere og elever er forberedt når de kommer til VilVite. Lærerveiledningen inneholder viktig informasjon om skoleprogrammet og skal derfor leses gjennom. Skoleprogrammets innhold Kompetansemål fra Kunnskapsløftet i naturfag, Fenomener og stoffer: Forklare resultater fra forsøk med strømkretser ved bruk av begrepene strøm, spenning, resistans, effekt og induksjon Forklare hvordan vi kan produsere elektrisk energi fra fornybare og ikke-fornybare energikilder Gjøre forsøk og enkle beregninger med arbeid, energi og effekt Kraft og Spenning er et program hvor elevenes læringsutbytte og teoretiske forståelse økes om man benytter tilgjengelig for- og etterarbeid. Det er opp til den enkelte lærer å velge om VilVites forarbeid eller om annet tilgjengelige læringsmateriale benyttes, det viktigste er at elevene er forberedt når de besøker VilVite. I forarbeidet jobber elevene med viktige begrep som vi møter igjen på VilVite. De vil også få en økt forståelse for elektrisitet i hverdagen gjennom praktiske hjemmeoppgaver. For at elevene skal få utbytte av skoleprogrammet er det viktig å være godt forberedt til besøket. Elevene bør kjenne begrepene elektrisk strøm, spenning, effekt og resistans, og elektrisk-, bevegelses- og stillingsenergi (oppgaver finnes i forarbeidet). På VilVite deles undervisningen opp i to deler, hvor den ene foregår i vårt Vitenteater og den andre i utstillingen, med servering av lett lunch i mellom. I Vitenteateret vil elevene først lære om hvordan vannkraftproduksjon foregår i Norge i dag. Så fokuserer vi på el-sikkerhet gjennom oppgaver og diskusjon rundt relevante filmatiserte situasjoner. Etter en matbit vil elevene gå gjennom en løype i utstillingen med oppgaver som berører følgende tema: Vannog vindkraft, ENØK, hvordan en el-motor virker, og Ohms lov. Løypen er en blanding av teori og praksis, hvor elevene må gjennomføre eksperiment i utstillingen for å løse oppgavene. Til Side 1

2 slutt er det satt av tid til selvstendig utforsking av utstillingen, før bussen kjører klassen tilbake til skolen. I etterarbeidet jobber elevene videre med teori knyttet til eksperimentene og undervisningen de gikk gjennom på VilVite. Elevene jobber med dataene de selv genererte på Kraftverket og på Motstanden. Etterarbeidet er lagt opp som en kombinasjon mellom oppgaver på minvilvite.no og oppgaveark som tar utgangspunkt i dataene til elevene. Oppgavene fokuserer på energiformer, krefter og arbeid, samt forståelse av ohms lov, og den praktiske betydningen av denne. Gå inn på og trykk på knappen Logg inn min side til høyre i bildet. Logg inn med eposten og passordet hver enkelt registrerte på VilVite. Under Kraftverket i venstre meny, velg Min energi for å se en animasjon av eksperimentet. Etter at animasjonen er ferdig kommer det til syne tre knapper nede til høyre i bildet: Skriv ut, Last ned regneoppgaver og Restart. Trykk først Skriv ut for å printe skjermbildet. Dette inneholder informasjon som skal brukes videre i oppgavene. (Eventuelt kan man gå tilbake og se animasjonen på nytt for å få tilgang til de samme dataene.) Selve oppgavesettet finnes som pdf under knappen Last ned regneoppgaver. Rådataene fra Kraftverket kan også lastes ned i excel-format. Dette ligger i underkant av animasjonen. Under Menyen Oppgaver ligger det interaktive oppgaver som det er en fordel at elevene gjennomfører. Det ligger også utfyllende informasjon i menyen Spørsmål og svar. Under finner du forarbeid, temaløype, og oppgaveark til etterarbeid til Kraft og Spenning, med forslag til svar. Side 2

3 Forarbeid Vi anbefaler at det brukes et minimum av 1 skoletime på forarbeidet, i tillegg til hjemmeoppgavene. Forslag til svar står i kursiv under hver oppgave. Forklar 1. Beskriv vannets kretsløp: Vannets kretsløp drives av solen. Energien fra solen fordamper vannet fra hav og innsjøer. Etter en stund kondenserer vannet til skyer, og faller ned til jorda som regn og snø. Vannet renner så ut i innsjøer og havet igjen. 2. Hva er stillingsenergi? Stillingsenergi er energi en gjenstand har på grunn av sin posisjon. For eksempel har vannet i fjellet stillingsenergi i forhold til havet, fordi vannet er høyere oppe enn vannet i havet, og automatisk renner ned til havet hvis vi ikke hindrer det. Vi kan lagre stillingsenergien ved å holde igjen vannet i fjellet. 3. Hva er bevegelsesenergi? Bevegelsesenergi er energi en gjenstand har fordi den beveger seg. Vannet som renner ned en fjellside kan for eksempel brukes til å male mel, eller produsere elektrisk energi. 4. Hva er elektrisk strøm, og hva måles det i? Elektrisk strøm er bevegelsen av ladde partikler i en leder, typisk elektroner i en ledning. Vi måler strømmen i Ampere (A), som er et uttrykk for antall elektroner som passerer et tverrsnitt av lederen i et gitt tidsintervall. 5. Hva er elektrisk resistans, og hva måles det i? Elektrisk resistans (motstand) skaper motstand for den elektriske strømmen. Jo større resistans, desto vanskeligere blir det for strømmen å bevege seg gjennom. Stor resistans gir altså lite strøm. Materialer med liten resistans er gode leder, mens dem med høy resistans kaller vi for isolatorer. Resistans måles i Ohm (Ω). 6. Hva er elektrisk spenning, og hva måles det i? Elektrisk spenning er trekkraften som driver elektrisk strøm i en krets. Spenning måles i Volt (V). 7. Hva er elektrisk effekt, og hva måles det i? Elektrisk effekt er hvor raskt vi bruker elektrisk energi. Effekt måles i Watt (W). Hvis noe bruker mye energi, kan det være lettere å snakke om kilowatt (kw) istedenfor watt (W). Kilowatt betyr tusen watt: 1kW = 1000W. 8. Hva måles energiforbruket i en bolig i? Når vi skal regne ut energiforbruket i, for eksempel en bolig, må vi se på effekten (W) vi bruker og hvor lenge vi bruker energi, tiden (h). Vi bruker gjerne mye energi i et hus, og derfor snakker vi om kilowatt (kw), for det blir lettere å bruke til blant annet Side 3

4 utregninger. Energiforbruket måles derfor i kilowattimer (kwh).én kwh tilsvarer 1000 watt som står på i en time (evt. mer eller mindre effekt som står på lengre eller kortere, for eksempel 500 W i to timer, eller 2000 W i en halv time) Finn og regn ut Ohms lov: Ohms lov forteller oss om sammenhengen mellom resistans (elektrisk motstand), strøm og spenning. Hvis vi f.eks. dobler spenningen (mens vi holder resistansen konstant), blir strømmen dobbelt så stor. Hvis vi derimot dobler resistansen (mens vi holder spenningen konstant), blir strømmen halvparten så stor. Vi kan skrive Ohms lov som en formel: U R* I Hvor U er spenningen (måles i volt, V), R er den elektriske resistansen (motstanden) og I er strømmen (måles i ampere, A). Vi måler resistansen i ohm, som skrives som Ω (den greske bokstaven Omega). Effektloven: Effektloven forteller oss om sammenhengen mellom strøm, spenning og effekt. Hvis vi dobler strømmen, dobles også effekten, hvis spenningen holdes konstant. Hvis vi dobler spenningen og holder strømmen konstant, vil effekten dobles. Formelen for effektloven er: P U * I Hvor P er effekten (måles i watt, W), U er spenningen (måles i volt, V) og I er strømmen (måles i ampere, A). Finn sikringsskapet hjemme. 9. Har dere jordfeilbryter? Dette sjekker elevene hjemme i sikringsskapet 10. Hvor mye strøm (A) tåler sikringen på kretsen til kjøkkenet? Typisk 16 A. Ved variasjon kan det diskuteres hvorfor det er en forskjell. Ofte lavere i gamle hus fordi vi hadde færre elektriske apparater før etc. 11. Hvor mye strøm (A) tåler sikringen på kretsen til stuen? Typisk 10A 12. Hva skjer hvis det går mer strøm gjennom kretsen enn det som står på sikringen? Gamle sikringer: En motstand som er en del av kretsen inne i sikringen blir så varm at den smelter av. Da blir kretsen brutt, og strømmen går. Side 4

5 Automatsikringer: En sensor måler temperaturen inne i sikringen. Hvis denne temperaturen blir for høy, kuttes strømmen. 13. Bruk effektloven over. Spenningen som er i ledningen i et vanlig hus er 220 volt. Hvor mye effekt (W) kan du koble til samtidig i stuen uten at sikringen går? 10A x 220V = 2200 W = 2,2 kw 14. Bruk effektloven. Hvor mye strøm går det gjennom en lyspære på 40 W? 40W / 220V = 0,18 A 15. Bruk Ohms lov. Hvor mye resistans er det i lyspæren på 40 W? 220V / 0,18A = 1210 Ω 16. Hvor mye strøm går det gjennom en lyspære på 60 W? 60W / 220V = 0,27 A 17. Hvor mye resistans er det i denne lyspæren? 220V / 0,27A = 806,6 Ω 18. Nevn 3 materialer/stoff som har lav resistans (er gode elektriske ledere). Metaller, saltvann, karbon (for eksempel blyet i blyanter) 19. Nevn 3 materialer/stoff som har høy resistans (er gode elektriske isolatorer). Plast, gummi, glass Side 5

6 Temaløype Dette er løypen som elevene skal gjennom i utstillingen på VilVite etter at de har vært inne i Vitenteateret. Under oppgavene er det gitt forslag til svar i kursiv. Løypen har ingen rekkefølge på postene, elevene går dit det ikke er kø. For å kunne gjøre oppgavene, må elevene både gjennomføre eksperimentene og finne utfyllende informasjon på Vitepunktene. Etter at oppgavearkene er utfylt, anbefaler vi at lærer samler disse inn for senere gjennomgang på skolen. Dette oppgavearket skal leveres til læreren når dere er ferdige. Del klassen inn i grupper på tre og tre. Navn på gruppedeltakerne: Registrering I utstillingen finnes det mange vitepunkt. Gå til ett av dem, og legg kortet ditt inntil det gule merket rett over skjermen. Trykk på: 1. Norwegian 2. Jeg vil registrere meg/logge inn 3. Nei, har ikke registrert meg tidligere 4. Fyll så inn navn, e-post og passord (Ikke fyll inn resten, det tar bare lang tid). 5. Når du er ferdig, trykker du Gå videre 6. Etter du har gjort det, kan du logge ut L- mekker: Hva må du gjøre med kontaktene for at motoren skal gå? Vi må bøye begge kontaktene inn mot midten slik at de berører kontaktflatene på motoren. Vi får da en sluttet krets, og motoren kan gå rundt. Hold kontaktene inntil motoren. Hvordan påvirker magnetene motoren? Hva skjer når: Begge magnetene er bøyd ut fra motoren: Motoren går ikke rundt En magnet er bøyd inn mot motoren: Motoren går rundt Begge magnetene er bøyd inn mot motoren: Motoren går raskere rundt Hvorfor er magnetene så viktige for at motoren skal gå rundt? Rundt magneter er det usynlige kraftfelt, kalt magnetfelt. Strømførende ledninger som er inne i et magnetfelt dyttes i en bestemt retning. Hvis magnetfeltet blir sterkere, for eksempel ved å bøye en ekstra magnet inn mot ledningene, vil kraften bli sterkere, og motoren vil gå raskere rundt. Nå har vi brukt strøm til å lage bevegelse. Hva kaller vi apparater som bruker bevegelse til å lage strøm? Apparater som lager strøm av bevegelse kalles generatorer Side 6

7 Kraftverket Hold kortene deres inntil det gule merket rett under skjermen. Sykle deretter på syklene til det er ca 30 liter i hver tank. Vi har nå pumpet vann opp i magasinet vårt. Slipp vannet ned igjen ved å trykke på den hvite knappen på høyre side av den røde boksen. Se på skjermen til høyre. Omtrent hvor mye effekt produserer kraftverket? 1,5-3,5 watt I fjellene finnes det store magasiner i form av oppdemmede innsjøer. Hvorfor er disse magasinene så viktige? Magasinene holder vannet igjen oppe i fjellet, og lagrer dermed stillingsenergien i vannet. Dette gjør at vi kan slippe vannet ned og lage strøm når vi vil. Hva driver vannets kretsløp (hvor kommer energien fra)? Energien kommer fra solen Fyll inn disse fire uttrykkene på rett plass: Stillingsenergi, elektrisk energi, arbeid, bevegelsesenergi Sykkel Magasin Turbin Generator Arbeid Stillingsenergi Bevegelsesenergi Elektrisk energi Side 7

8 Spinnvind Hva skjer i de fire rommene over vindkammeret når du sykler på sykkelen? Lysene tennes, jo raskere du sykler, desto flere rom lyser opp. Fyll inn stegene i prosessen: Sykkel Vifte Vindmølle Generator Lys Hva driver vinden ute i naturen (hvor kommer energien til vindkraftproduksjon egentlig fra)? Energien kommer fra solen Kan vi kalle denne energikilden fornybar? JA Hva skjer med vindenergiproduksjonen dersom det slutter å blåse? Den stopper opp Hva er den store fordelen til vannkraft i forhold til vindkraft? Vi kan lagre vann, men ikke vind. Dette gjør at vi kan produsere strøm fra vannkraft selv om det ikke regner akkurat da, men vindkraft er avhengig av at det blåser. Side 8

9 1001 Watt Skru av all strømmen i huset. Skru så på dusjbryteren. Hvor mye effekt bruker dusjen? 9000 W = 9 kw Hvor mye energi (kwh) ville du brukt dersom du dusjet i 20 min? 1. Gjør om svaret i oppgaven over til kilowatt. 2. Finn ut hvor stor del av en time 20 min er (bruk brøk). 3. Multipliser effekten med tiden den blir brukt. Effekt (kw) * Tid (h) = 9 kw * 1/3 h = 3 kwh Hvor mye energi (kwh) ville du spart dersom du dusjet i 10 min istedenfor 20 min? 9 kw * 1/6 h = 1,5 kwh (Evt. 3 kwh/2 = 1,5 kwh) Det er ca 2,3 mill boliger i Norge. Hvor mye energi (kwh) hadde vi spart på et år (365 dager) hvis alle boligene i Norge hadde dusjer 10 min mindre hver dag? 1,5 kwh * 365 d * husstander = kwh = 1,26 TWh (Terrawattimer). Til sammenligning produserte Norge nesten 143 TWh med strøm i 2008 (Kilde: SSB). Side 9

10 Etterarbeid Etterarbeidet er lagt opp som et oppgavesett som skal løses ved hjelp av informasjonen elevene selv genererte på VilVite. Elevene logger seg inn på Minvilvite.no og jobber med sine data der. MERK: Tallene og resultatene i dette settet vil variere fra gruppe til gruppe. Utregningene blir likevel de samme. Kraftverket I dette etterarbeidet skal du fylle inn dine tall fra eksperimentet Kraftverket. Tallene bruker du gjennom hele oppgavesettet. Du begynner først å fylle ut oversikten under. På de neste sidene finner du fremgangsmåten for utregningene. Noter tallene du får oppgitt på Min energi : Fra turbinen til bunnen av magasinet er 5,44 meter Høyden opp til tyngdepunktet i vårt vannmagasin (den røde ballen i animasjonen) er 0,42 meter Høyden opp til den røde ballen er altså 4,92 meter Bruk tallene til å regne ut energiproduksjonen og virkningsgraden til Kraftverket: 1. Regn ut hvor stor potensiell energi du har gitt vannet ved å pumpe vannet opp i magasinet. 2. Hvor mye elektrisitet ble produsert? 3. Hva er virkningsgraden, det vil si hvor mye av energien som ble elektrisitet? Tyngden av et kilogram vann er 9,81 Newton. Du må altså bruke en kraft på 9,81 Newton for å løfte en masse på et kilogram. Side 10

11 A Beregne mengde vann pumpet opp i magasinet Regn ut antall kg vann pumpet opp ved å beregne volumet i magasinet. Du bruker formelen: høyde (h) * lengde (l) * bredde (b) Det tilsvarer høyden opp til den røde ballen * lengde på magasinet * bredde på magasinet Side 11

12 B Beregne arbeid Regn ut hvor mye arbeid du har utført for å pumpe vannet opp i magasinet. Arbeid (w) er kraft (f) ganget med strekning (s). Kraft måler vi i Newton og strekning i meter. Formelen for arbeid er med engelske forkortelser: W=f*s Som vi kan lese Work is force by stretch. Regnestykket blir altså: kraft * strekning = arbeid Din utregning: Du må vite hvor stor kraft du trenger for å løfte vannet, og hvor høyt opp det kommer. Gang først massen med gravitasjonsakselerasjonen (g = 9,81 m/s 2 ) og du finner vi hvor stor tyngde vannet har: 270 kg * 9,81 = 2648,7 N Gang nå med høyden. Høyden er avstanden fra turbinen til midt i vannmassen, altså til den røde ballen. Du finner nå arbeidet som har vært utført for å flytte vannet så høyt opp. 2648,7 N * 4,92 m = 13031,6 Nm C Beregne potensiell energi Vi skal finne ut hvor mye potensiell energi vannet har når det er i magasinet. Side 12

13 Energi måler vi i Joule (J). Energien som vannet har, er den energien som du tilførte vannet da du brukte musklene for å pumpe opp vannet. Energien er altså nøyaktig lik arbeidet vi gjorde. 1 J = 1 Nm Som vi kan lese 1 Joule er lik 1 Newtonmeter: Din utregning: Du kan bruke svaret fra regnstykket over, og føre inn her: 13031,6 Nm = 13031,6 J Du har funnet den potensielle energien til vannet. Formelen for utregning, er: Ep = m * g * h Som vi kan lese Potensiell energi = Massen * tyngden * høyden Side 13

14 D- Produsere antall wattsekund Hvis ingen energi gikk tapt i Kraftverket, vil 1 Joule tilsvare ett Wattsekund, og da vet vi nøyaktig hvor mye strøm kraftverket kunne produsert. Hvor mange joul og dermed wattsekund produserte du? 13031,6 J = 13031,6 Wattsekund (Ws) E Beregne virkningsgraden Nå kan du sammenligne dette tallet med den mengden elektrisitet som faktisk ble produsert. Du skal med andre ord finne virkningsgraden. Virkningsgrad i et system finner vi ved å dele utført effekt på mulig effekt. Med biler er det for eksempel ofte slik at motoren yter 100 Watt, men hvis vi måler effekt på drivhjulene, finner vi at de yter 25 Watt. Virkningsgraden av denne bilen ville da være: Målt effect 25W 1 Mulig effekt = 100 W = 4 Vi kan gjøre om til prosent: 1 : 4 = 0,25 0,25 * 100% = 25%. Virkningsgraden til bilen er 25%. Din utregning: Du trenger å vite hvor mange sekunder turbinen og generatoren gikk under eksperimentet, og hvor mye strøm i gjennomsnitt som ble produsert. Turbinen gikk i 4 minutter og 20 sekunder Side 14

15 I sekunder blir dette 4 m * 60 = 240 s + 20 s til sammen 260 s I gjennomsnitt produserte Kraftverket 3,4 Watt Mengden av produsert strøm blir altså 3,4 Watt * 260 sekund = 884 Ws Side 15

16 Nå har du tall både for energimengden som magasinet potensielt har mulighet for å produsere, og for hvor mye strøm dere tre fikk produsert. Da kan dere sammenligne og finne virkningsgraden av dette kraftverket: Målt elektrisitet Mulig elektrisitet For dere ble det altså: 884 Ws Ws = 15 Nå kan du forkorte og finne virkningsgraden som en brøk. Hvis du deler tallene med mulig produsert elektrisitet og ganger med 100, får du virkningsgraden i prosent. 884 : = 0,067 0,067 * 100 = 6,7 Under vårt forsøk hadde kraftverket en virkningsgrad på: 6,7 % F Energien som aldri forsvinner Mye av energien dere brukte på å pumpe opp vannet, er altså gått med til annet enn produksjon av elektrisitet. Vi vet at energi ikke forsvinner. Den tar bare andre former. Noen spørsmål om dette: 1. Har dere forslag til hvor energien fra vannmagasinet blir av? Varme til omgivelsene, bevegelsesenergi i vannet etter turbinen 2. Er det mulig å øke virkningsgraden på Kraftverket? Justering av åpning i dysen, turbinbladene, generatoren Side 16

17 3. Kan du gi noen eksempler på systemer som du mener har - Lav virkningsgrad? Bil, påhengsmotor, dampmaskin, kullkraftverk, koking på bål - Høy virkningsgrad Vannkraftverk, stråleovn Side 17