Elektrisitet og magnetisme (5. 7. trinn) av Kai Håkon Sunde

Transkript

1 Lærerveiledning Elektrisitet og magnetisme (5. 7. trinn) av Kai Håkon Sunde Informasjon om skoleprogrammet Elektrisitet og magnetisme ligger som grunnlag for vårt tekniske samfunn. Vi vil vise elevene noen prinsipper og noe av matematikken bak disse fenomenene. Et skoleprogram er først og fremst et interaktivt faglig program ledet av en vitevert. Programmene holdes enten i vårt teater (vitenteater) eller undervisningsrom (vitelab). En fellesnevner er at alle skoleprogram er praktisk rettet, samtidig som det gir faglig utbytte. Som et supplement til skoleprogrammet, anbefales elever og lærere å besøke bestemte apparater/eksperiment i utstillingen. Skoleprogrammene vil vare ca 45 minutter når ikke annet er gitt. Skoleprogrammet kan begynne allerede ute på skolene, i de enkelte klassene. Vi ønsker at alle klassene har jobbet med temaet før de deltar på skoleprogrammet på VILVITE. Forslag til for- og etterarbeid er derfor presentert på vår hjemmeside. Det er opp til den enkelte lærer å velge om dette brukes i undervisningen eller ikke, alt etter ønske og tilgang på utstyr. Veiledning, forslag til eksperimenter og svar på oppgaver er presentert på de følgende sidene. Elektrisitet og magnetisme I skoleprogrammet Elektrisitet og magnetisme for mellomtrinnet, blir teori vist gjennom praktiske øvelser og elektronisk voteringssystem. Elevene får lage strøm med en generator, koble enkle elektriske kretser og lage en elektromotor. Vi berører følgende kompetansemål i lærerplanen: Naturfag; Gjennomføre forsøk med magnetisme og elektrisitet, beskrive og forklare resultatene. Naturfag; teknologi og design: planlegge, bygge og teste enkle produkter som gjør bruk av elektrisk energi, forklare virkemåten og beskrive prosessen fra idé til ferdig framstilt produkt. Matematikk; måling: velge egnet måleredskaper og gjøre praktiske målinger i forbindelse med dagligliv og teknologi Læreplanen har flere formål. Et av disse er matematikk som redskap. Skoleprogrammet i sin helhet, det vil si inklusiv for- og etterarbeid, viser matematikk som redskap: Opplæringa veksler mellom utforskende, lekende, kreative og problemløsende aktiviteter og ferdighetstrening. I arbeid med teknologi og design og i praktisk bruk, viser matematikk sin nytte som redskapsfag. Elektrisitet og magnetisme, trinn Side 1

2 Forarbeid Dette er oppgaver som elevene kan gjøre før besøket på VILVITE. Oppgavene er valgfrie, men utbyttet av skoleprogrammet vil være større om en har gått gjennom dette og gjort disse oppgavene på forhånd. Forarbeidet inneholder følgende punkter: 1. Elektriske kretser 2. Rekneoppgaver 3. Spørsmål til undring 4. Praktiske eksperimenter 5. Relevante eksperimenter på VilVite Elektriske kretser For at elevene skal være faglig forberedt når de kommer, er det en fordel at dere har studert tema litt på forhånd. Det enkleste er om dere går gjennom elektriske koblinger på tavlen, eller bedre om du forklarer med et demonstrasjonsforsøk. Den mest lærerike forberedelsen er likevel at elevene får anledning til å gjøre sine egne koblinger. Behov for å kjenne begrepene 1. Spenning med måleenhet (volt). (En parallell er vanntrykket i et rør). 2. Strøm med måleenhet (ampere). (En parallell er vannstrømmen i røret). 3. Motstand med måleenhet (ohm). (En parallell er en delvis stengt kran som bremser vannet i røret. Motstand blir ikke forklart og presentert på VILVITE). 4. Effekt med måleenhet (watt). (Energiforbruket). Lover som beskriver egenskaper ved elektriske kretser vi kommer innpå. Ohms lov: U=R*I, spenning = motstand ganger strøm. Hvis en kjenner spenning og strøm, vil en kunne regne ut motstanden. Kjenner en motstand og strøm, kan en regne ut spenningen osv. Trekanten til høyre viser alle tre oppstillingnene. U=RI, R=U/I og I=U/R (Motstand blir ikke forklart og presentert på VILVITE). Effektloven: P=U*I, Power= spenning ganger strøm. Vi kan lett måle spenning og strøm, og på den måten får vi effekten. Kirchofs slyngelov og Kirchofs knutepunktslov: Bakgrunn: En fysiker ved navn Kirchof fant tidlig i elektrisitetens historie frem til to prinsipper som har vist seg å være nyttige i arbeidet med elektriske kretser. De er enkle å bruke både matematisk og praktisk. o Kirchofs slyngelov: Hvis du har to lyspærer og spenningskilde koblet i serie i en krets, vil spenningen over lyspære 1, pluss spenningen over lyspære 2, bli det samme som spenningen til batteriet. Spenningen til batteriet fordeler seg ut over alle komponentene ntene i kretsen langs slyngen du følger. Har du et 4,5V batteri og to like lyspærer, vil det være 2,25V over den ene pæren og 2,25V over den andre. Til sammen blir det 4,5V som er batteriets spenning. Spenningen til batteriet og spenningen over komponentene e vil slik alltid balansere hverandre. Elektrisitet og magnetisme, trinn Side 2

3 o Kirchofs knutepunktslov: Loven sier at strøm aldri blir borte. Strømmengden som går ut fra den ene polen på batteriet er helt lik strømmengden som går inn i batteriet på den andre polen. Hvis en strømkrets er forgrenet ved at elektriske komponenter er parallelt koblet, vil strømmen som går inn mot forgreiningspunktet være helt lik til strømmen som går ut fra forgreiningen. Vi kan sammenligne dette med to elver som møtes. Summen av vannet som renner sammen etter at de møttes, er lik mengden vann som var i de to elvene. Det samme prinspippet gjelder ved forgrening av elver. Hvis lyspære 1 kobles parallelt og ikke serielt med lyspære 2, kan du måle strømmen med amperemeteret som går gjennom hver av pærene. Du vil da finne at summen av de to strømmengdene, er lik strømmen ut fra batteriet. På VILVITE får elevene i par koble kretser. Før de kommer, bør elevene vite følgende: Aldri å kortslutte batterier. Forklaring: En kortslutning er hvis ledningene kobles slik at strømmen ikke møter noen hindringer. Strømmen flyter da fra plusspolen på batteriet og rundt kretsen til minuspolen. Grunn: Batteriene blir utladet på kort tid. Det er også fare for at batteriene blir for varme innvendig, med konsekvens at det skjer en gassutvikling. Gassutviklingen kan få batteriene til å revne og batterisyre sprutes ut. Behovet for en sluttet krets. Forklaring: Strømmen fra batteriet kan kun bre seg ut i ledninger og elektriske komponenter. Skal det gå strøm i kretsen må det være en sammenhengende passasje fra den ene polen på batteriet, rundt den elektriske kretsen og tilbake til batteriet. Regneoppgaver Effekt er et mål for hvor kraftig pæren lyser. Vi måler effekt i watt. Effekt regnes ut ved å gange spenningen med strømstyrken. For å finne strømstyrken, når spenningen og effekten er oppgitt, må effekt deles med spenning. Elevene skal regne ut effekt når de kjenner strøm og spenning, regne ut strøm når de kjenner effekt og spenning. 1. Spenningen i strømnettet hjemme er 220 volt. Hvis du har en lyspære på 60 watt på rommet ditt, hva er strømstyrken i denne lyspæren? 60 watt Fasit: = 0,27 ampere 220volt 2. Om du har en lyspære på gangen på 40 watt, hva er strømstyrken i denne lyspæren? 40 watt Fasit: = 0,18 ampere 220volt Elektrisitet og magnetisme, trinn Side 3

4 Spørsmål til undring Før elevene kommer til VILVITE, ber vi dem om å tenke gjennom disse spørsmålene: Hva forbinder du med ordet elektrisitet? Hva er strøm? Hva driver strømmen i ledningen? Andre aktuelle spørsmål, er: Når ble lyspæren oppfunnet? Når kom den første El-bilen? Når fikk vi det første vannkraftverket? Når ble det vanlig å ha elektrisitet innlagt i husene i Norge? Hva menes med vekselstrøm? Hva menes med likestrøm? Praktisk eksperiment: Hva er å være magnetisk? Tre metaller er magnetiske: Jern, kobolt og nikkel. Å ha kjennskap til dette er viktig i flere sammenhenger. Nedenfor er et forslag til eksperiment som skal gi elevene forståelse for magnetisme. Utstyr: små neodynmagneter fra Clas Ohlson. (Magnetene brukes også i etterarbeidet). stavmagnet engangstallerken av plast kar med vann Praktisk gjennomføring: Elevene får hver sin neodynmagnet fra Clas Ohlson. De kan gå rundt og sjekke og finne ut hva som er magnetisk. Prøv å konkludere til slutt. Magnetene knuser lett, så elevene bør advares mot å kaste/slippe dem på magnetiske materialer. De vil trolig finne ut at jern og mange jernlegeringer og nikkel (smykker) er magnetiske. Kobolt er også magnetisk, men det er ikke så vanlig å ha i klasserommet. (Brukes i en del verktøy) La dem kjenne hvordan de små magnetene vrir seg rundt i hånden når den føres i nærheten av en stavmagnet. Dette vil gi dem en viss fornemmelse av retningen til magnetfeltlinjene som omgir en stavmagnet. Praktisk eksperiment: En artig og lærerik aktivitet Lag et kompass ved å feste neodynmagneten til hodet av en skrue eller jernspiker. Legg så dette på en engangstallerken av plast i en skål med vann. Pass på at det ikke er jern i umiddelbar nærhet. Understellet på pulter kan forstyrre. Hvis tallerkenen flyter fritt uten å berøre kantene vil den rette seg nord/syd ganske raskt. Tar elevene i kanten av tallerkenen og endrer vinkelen til magneten, vil de kjenne at den stritter imot. Dette er en kraft som jordens magnetfelt er årsak til. Slå gjerne en teip over skruen/magneten slik at den ikke flytter seg på tallerkenen. Hvis dere snur magneten på skruen, vil spissen på skruen nå snu seg og peke i motsatt retning. Elektrisitet og magnetisme, trinn Side 4

5 Relevante eksperimenter i utstillingen på VILVITE Motorblomsten Direkte analogi til det elevene skal lage i etterarbeidet Elektromagneten Gir sammenheng mellom elektrisitet og magnetisme. Steppermotoren/vekselstrømsmotoren Også denne gir sammenheng mellom elektrisitet og magnetisme og viser hvordan en magnetisk kjerne kan rotere hvis strømmen veksler mellom ulike spoler. Elektromotoren Viser hvilke vilkår som må være til stede for at en motor skal kunne rotere. Magneter, spoler og strøm i spolene. Vindturbinen Luft kan brukes som medium til å lage elektrisk energi. En vindturbin drives rundt av vind du lager ved å trø rundt en vifte. At det er tungt å trø viser hvor mye energi det faktisk er i kraftig vind, og at litt av det kan utvinnes ved en vindturbin. Hydrogenraketten Håndkraft brukes til å generere elektrisk energi. Energien omgjøres til kjemisk energi i hydrogen og oksygen, og omsettes så til termisk energi som gir mekanisk bevegelsesenergi til raketten. Kraftverket Vann pumpes opp, renner ned på et vannhjul som driver en generator. Elektrisitet og magnetisme, trinn Side 5

6 Etterarbeid for elevene Praktisk eksperiment: Elektromotor En av de aller mest betydningsfulle elektriske innretningene er elektromotoren. Få elektriske oppfinnelser forenkler livene våre så mye som den. Motoren finnes i mange utforminger. Den vi skal lage i dette eksperimentet er lite effektiv, men den er svært enkel å lage. Til dette trenger du: En skrue En liten magnet Et AA-batteri En kort ledningsbitte, avisolert i hver ende. Fremgangsmåte Prøv å få skruen til å snurre rundt som i en motor. Hvis du prøver eksperimentet før du og klassen din kommer til VILVITE, kan du spørre viteverten som holder skoleprogrammet om eventuell hjelp. Tips for gjennomføring av eksperimentet: For å få til eksperimentet må elevene feste magneten på skruehodet. Heng så skruen med spissen oppunder minuspolen på batteriet. På grunn av magnetisk tiltrekning, holdes skruen på plass. Hold batteriet mellom tommel og langfinger slik at pekefinger er ledig og kan trykke den ene enden av ledningen mot plusspolen. Hold batteri og leding slik at skruen henger fritt ned etter spissen. Bruk så den andre hånden og berør ytterkanten av magneten med den andre enden av ledningen. Skruen skal nå rotere. Elektrisitet og magnetisme, trinn Side 6

7 Hvorfor begynner skruen å rotere? Problemstillingen er utenfor læreplanen. Her er noen forklaringer. 1. Den enkleste forklaringen: Det er en nær sammenheng mellom elektrisitet og magnetisme. Hvis det går strøm i en ledning, lar den seg påvirke av magneter. Det er kreftene som oppstår mellom strøm og magneter som får skruen til å rotere. Hvis du vil vise elevene sammenhengen mellom strøm og magnetisme, kan du lage en elektromagnet med dem. Surr ledning eller isolert kobbertråd rundt en spiker, kobl til et batteri så det går strøm i ledningen. Se om spikeren er blitt en magnet og klarer å løfte opp binderser fra bordet. 2. En faglig mer omfattende forklaring: Hvis en leder henger fritt på tvers i et magnetfelt og du sender strøm gjennom den, vil den bevege seg sidelengs ut av magnetfeltet (se figur). Kraft På VILVITE har vi en utstillingsmodell som heter motorblomst. Der er det mange slike ledninger som stråler ut fra et felles sentrum i en plate. Se figur under. Strøm En magnet lager et magnetfelt som går gjennom ledningene et sted nær kanten av platen. Ved å la det gå strøm gjennom ledningen som stikker inn under magneten, vil skiven dreie rundt og neste ledning får strøm. Det gjør at skiven dreier videre og stadig nye ledninger får strøm gjennom seg og opprettholder bevegelsen. Dette er også tilfellet med skruen. Magneten som står på enden av skruen, lager et magnetfelt tilsvarende hesteskomagneten i figuren. Strømmen går fra spissen av skruen til kanten av magneten. Dette tilsvarer motorblomsten hvor strømmen går fra sentrum og ut til periferien. Strømmen går altså innenfra og ut gjennom et magnetfelt og det oppstår en kraft som får skruen til å dreie i en retning. Snur du magneten på enden av skruen, vil den rotere andre N veien. Det kan være vanskelig å se at det ikke er noen forskjell på om det er en sammenhengende plate, eller mange enkeltledninger hver for seg fra midten og ut. Strømmen tar den korteste vei, så i praksis blir det som om det er uendelig mange enkle ledninger tett i tett, og derved spinner skruen rundt. Elektrisitet og magnetisme, trinn Side 7