XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Закон Ома для младших школьников
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В жизни нас окружает много разной техники – компьютеры, телефоны, автомобили и другое. Они разные. Но у них есть и общее – для того, чтобы работать им нужна энергия, чаще всего электрическая[1].
Когда у меня появился электронный конструктор, я начал собирать схемы по инструкции. И стали появляться вопросы: «Почему лампочка сначала горит ярко, а потом начинает едва светиться», «Почему батарейки перестают работать и их надо менять». Моя бабушка рассказывала про электрический ток, про зарядку батареек, про лампы и светодиоды. Рисовала на листе бумаги как двигаются заряженные частицы в электрическом поле, но мне все равно было не очень понятно. Что это? Зачем они двигаются?
Про электричество мне давали читать книги для детей по занимательной физике (писатели из России [3,4], Норвегии [1] и США [2]). С бабушкой мы смотрели про электрический ток на сайтах в интернете [7-10]. Картинки интересные и красивые. Но мне бы хотелось понаблюдать за процессом вживую, сделать что-то своими руками.
Еще мне рассказали про основной закон электротехники – закон Ома.
Но объяснили, что изучают его школьники на уроках физики в старших классах. Как же так подумал я: ученик начальной школы, собирающий хотя бы и простые электрические схемы, есть, а понимания закона Ома нет.
Проблема для младших школьников: в начальных классах изучают простые арифметические действия. А законы физики описываются терминами
и формулами, которые для младших школьников еще не понятны.
И я задумался, что может быть есть способ показать и объяснить второклашкам что такое закон Ома, раз он такой важный.
Актуальность выбранной темы исследования: так как популярность электронных конструкторов растет, то у многих детей возникают некоторые проблемы с пониманием, что такое электрический ток и закон Ома. Поэтому важно исследовать способы как наглядно и понятно представить детям
эти основы.
Объект исследования: характеристики электрической цепи – напряжение, сила тока и сопротивление.
Предмет исследования: способы как наглядно представить связь характеристик электрического тока между собой.
Исследования основываются на том, что уже изложено в книгах [1, 4]
и в сети Интернет [7,10]. Предлагается «рассматривать электричество, сравнивая его с течением воды в трубах»[2].
Гипотеза: по результатам ожидаю, что предложенный мною способ наглядной демонстрации, что такое электрический ток, его характеристики
и закон Ома, во-первых, даст ребятам понятные объяснения о них, во-вторых, даст возможность самим создавать модели и проводить исследования.
Цель исследовательской работы– получить знания о законе Ома, понятные для учеников начальных классов.
Задачи и календарный план выполнения (начало работ- март 2020 г.):
- изучить источники литературы о том, что такое электрический ток;
- изучить какие есть способы наглядно представить понятие электрического тока и опробовать их на практике (сентябрь — ноябрь 2020 г);
- собрать модель электрической цепи (ноябрь 2020 г);
- изучить практические проявления закона Ома (декабрь 2020 г);
- выступить с докладом и показать одноклассникам наглядно, что такое закон Ома (январь 2021 г),
- провести опрос и оценить, насколько стал понятен закон Ома (январь 2021 г).
Методы исследований: теоретические – аналогия, моделирование, доказательство; эмпирические- изучение литературы и результатов, проведение экспериментов, наблюдение за процессами, измерение параметров, сравнение, опрос.
Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК И СВЯЗЬ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК МЕЖДУ СОБОЙ
С самого раннего детства нам говорят, что нельзя трогать розетки, грызть провода - там ток. А что такое электрический ток? Как это узнать?
Учебники объясняют понятие электрического тока как направленное движение заряженных частиц [1-4] (Рисунок 1 Приложение 1).
У меня вопрос: где и как можно увидеть электрический ток? Научная литература отвечает, что нигде и никак. Нет еще таких технологий, чтобы увидеть это движение. В учебниках есть схемы, изображающие движение заряженных частиц [1] (Рисунок 4 Приложение 2). Их называют электронами. Они очень-очень маленькие. Когда эти частицы двигаются не по направлению (Рисунок 3 Приложение 2), то есть как хотят, тогда это похоже на то, как мы бегаем на перемене в школе. Но когда учитель говорит нам, что пора идти в столовую и надо построиться, то мы все встаем в ряд и дружно идем по порядку. Вот то, как мы идем в столовую и похоже на направленное движение заряженных частиц – электронов.
Когда физики еще не знали о существовании электронов, то они считали, что электрический ток движется от плюса к минусу. Однако, когда открыли электроны, то узнали, что двигаются они от минуса к плюсу. Чтобы не путать всех остальных, не стали ничего менять и оставили принятое направление тока условно от плюса к минусу (Рисунок 5 Приложение 2).
Тем, кто впервые видит такие рисунки трудно понять их суть. Когда
мы что-то хотим узнать, то сначала выбираем самый простой метод – изучение.
Родители мне приносили разные книги по занимательной физике [1-4].
Я читал про электрический ток. Но мне все время хотелось увидеть,
как он «идёт». Мне нравится проводить различные эксперименты, собирать самому модели, что-то придумывать. В книгах предлагают сравнивать электрический ток с водой, а провода с трубами (Рисунок 2 Приложение 2).
«Как вода течет по склону под действием силы тяготения, так ток течет
от положительного вывода батарейки (+) к отрицательному (-).»[3] И в интернете можно найти видео и статьи, в которых предлагают представить,
что электрический ток «идет» по проводам, как вода течет в реке или из бочки, или какого-то сосуда (Приложение 3).
Все это надо представить. Представить, конечно, можно, не сложно.
Но интереснее, когда проводишь эксперимент с моделью, которую сделал сам.
Дома мне рассказывали про электрический ток и спрашивали:
«Тебе понятно?». Я отвечал, что вроде бы понятно. Но по моим ответам догадались, что мне не очень-то и понятно. Предложили самому собрать свою демонстрационную модель, в которой аналогом электрического тока будет всё
та же вода. Я обрадовался. Ура!!! Наконец-то, буду делать сам.
Для создания модели потребуются бутылки, капельница, шило, ножницы, воронка, герметик, марганцовка и вода (Фото 1 Приложение 4).
Демонстрационная модель это две бутылки, соединенные трубочкой
с регулируемым зажимом (Таблица 2 Приложение 4).
Для наблюдения за процессом прохождения воды по трубкам подготовил подкрашенный водный раствор. Взял кристаллы марганцовки (на кончике ножа) насыпал их в третью бутылку и добавил 2 стакана воды. Когда кристаллы растворились, вода окрасилась в малиново-розовый цвет. Теперь на трубке
в устройстве зажима-регулятора передвинул колесико вниз до упора, чтобы вода не смогла протекать по трубке. Крышку с приклеенной трубкой накрутил на свободную бутылку, но не до конца. В бутылку (с трубкой на дне) через воронку перелил водный раствор марганцовки. Установка собрана. Можно приступать к проведению эксперимента, показывающего как движется электрический ток, если сравнивать его с течением воды из одного сосуда
в другой.
Приступаем. Поднимаем на высоту вытянутой руки бутылку
с подкрашенным водным раствором. Другой рукой поднимаем вверх до самого упора колесо в зажиме-регуляторе и наблюдаем как вода переливается по трубке из верхней бутылки в нижнюю (пункт 9 (б) Таблица 2 Приложение 4). Вопрос: почему вода перетекает? Мне объяснили, что когда я налил в бутылку воду, то получился водяной столб. В этом столбе под действием силы притяжения Земли создается давление воды. И когда открыт зажим на трубке (то есть сдвинуто затворное колесо вверх), под давлением этого столба вода двигается по трубке. Только вода потечёт, если нет крышки на верхней бутылке, и слегка приоткрыта крышка на нижней бутылке, чтобы не создавать вакуума.
Я проверил. Закрутил крышку на верхней бутылке. Вода перестала течь. Открыл крышку, и вода сразу потекла. Я подумал, что это воздух давит
на водяной столб. Закрыл крышку на нижней бутылке. Вскоре вода перестала перетекать, приоткрыл – опять потекла. Я подумал, что когда вода начинает поступать в нижнюю бутылку, то она выталкивает воздух из бутылки
и занимает его место. Если крышка закрыта, то воздух не может выходить.
А если воздух не освободил место, то воде некуда поступать, и она перестает перетекать по трубке. Оказалось, что верно подумал и все очень просто понять, когда сам можешь наливать, крутить или двигать. Интересно.
Если сдвинуть колесо в зажиме чуть-чуть вниз, то пережимается трубка,
и вода начинает течь медленнее. Если еще чуть-чуть, то будет капать. А совсем передвинуть до упора вниз, то перестает капать.
Все слышали такие слова как электрическая цепь, напряжение
и сопротивление в ней. Я посмотрел эти слова в большом толковом словаре русского языка [5]. Сопротивление – это то, что мешает двигаться, то есть сопротивляется и задерживает движение. Напряжение — это нагрузка
от действующих внешних сил, которая давит на площадь.
В проведенном на водяной модели эксперименте подкрашенную воду представляли электрическим током. Тогда получается, что трубка в модели – это провод. А зажим с регулятором в виде колеса на трубке – это сопротивление. Верхняя бутылка– это плюс батарейки, нижняя бутылка – минус батарейки. Если зажим открыть полностью, то по аналогии
с электричеством получается, что убирается сопротивление. Вот так как подкрашенная вода движется по трубке, так и электрический ток идет
по проводам. В представленной водяной модели высота водяного столба – это напряжение. Скорость течения воды – это сила тока. Напряжение заставляет двигаться заряженные частицы и электрический ток идет со своей силой тока.
Во время эксперимента я все время поднимал и опускал свою установку. Было интересно, изменится ли что-нибудь при этом. Решил сравнить процессы на двух установках, находящихся на разных высотах (Таблица 3
Приложение 4).
Вода перетекала из бутылок, а я наблюдал и думал какая из нижних бутылок заполнится быстрее: в той установке, что выше, ниже или одинаково. Сначала мне казалось, что они наполняются с одинаковой скоростью
и «победителя» не будет. Однако очень быстро в лидеры вышла бутылка та, что расположена выше. Вода из нее перетекла за 3 минуты и 36 секунд, из другой –
за 4 минуты и 13 секунд (пункт 9 Таблица 3 Приложение 4).
Вопрос: почему? Я понимал, что между тем, что бутылка заполнилась водой быстрее и тем, что установка висит выше есть связь. Но не очень понимал почему именно так. И тогда я вспомнил что в первом эксперименте уже выяснял, что заставляет воду двигаться из верхней бутылки в нижнюю.
Это водяной столб, который создает давление. Высота водяного столба — это не только высота воды в бутылке, но и плюс высота воды в трубке от дна верхней бутылки до крышки в нижней. Вот и получается, что высота воды
в верхних бутылках перед началом проведения эксперимента была одинаковая, а вот высота воды в трубках разная. Замерил эти высоты. В той, что висит выше высота водяного столба составила 63 сантиметра, в другой - 40 сантиметров.
В модели, которая выше высота водяного столба больше. И на вопрос: почему бутылка наполнилась быстрее, ответ простой. Потому, что чем выше
она подвешена, тем больше высота водяного столба. А значит и давление больше. Поэтому скорость течение воды больше, и бутылка наполняется быстрее.
По аналогии с электричеством, можно сказать, что при одинаковом сопротивлении, если напряжение больше, то и сила тока больше. И наоборот, если напряжение меньше, то сила тока также меньше.
Такую зависимость силы тока от напряжения и сопротивления открыл
в 19 веке немецкий физик Георг Ом, когда проводил свои эксперименты.
Итак, проведя такие простые эксперименты с водой можно узнать, что такое электрический ток, сила тока, сопротивление и напряжение. Здорово.
Глава 2. Моделирование электрической цепи
и проявления закона Ома
Аналоговая водяная модель из бутылок помогла мне понять, что такое электрический ток и его характеристики: напряжение, сила тока, сопротивление.
На практике электрический ток может протекать только по замкнутой цепи (Рисунок 6 Приложение 5). Простейшая электрическая цепь состоит
из источника тока, потребителя тока, замыкающих устройств и соединительных проводов. Потребителями тока могут быть резисторы и светодиоды, замыкающими устройствами – выключатели. Кроме того, в электрическую цепь входят измерительные приборы, устройства защиты.
Зависимость характеристик электрического тока, которую открыл немецкий физик Георг Омм, я проверил на модели электрической цепи.
Чтобы быстро собирать и разбирать электрические модели можно использовать электронные конструкторы, которые позволяют собирать электрические цепи без паяльника, в нем соединение происходит обычными кнопками для одежды [6]. Элементы конструктора – те же, что присутствуют практически во всей окружающей нас технике.
В электрическую цепь я последовательно, то есть друг за другом, подсоединил: источник питания, мультиметр, резисторы, светодиод, переключатели (Фото 2 Приложения 6). Все элементы цепи соединены между собой проводниками синего цвета. Проводниками они называются, потому
что проводят электрический ток без сопротивления.
Прежде чем проводить эксперименты с электрической цепью следует изучить ее элементы.
Батарейка – это химический источник тока, возникающее на ее концах напряжение есть результат химической реакции. Чаще всего используется батарейка, у которой самое большое напряжение один с половиной вольт. Обозначается буквой V. Если требуется источник питания с напряжением больше, чем 1,5 V, то соединяются последовательно несколько батареек.
Мультиметр — это прибор, который измеряет напряжение, силу тока
и сопротивление. Силу тока измеряют в амперах. Когда сила маленькая,
то в миллиамперах, то есть в сто раз меньше ампера. В детском конструкторе токи маленькие, меньше одного ампера.
Резистор – это элемент, который оказывает сопротивление электрическому току, чтобы регулировать силу тока и напряжение в цепи. Чем выше сопротивление, тем меньший ток по нему протекает. На панели элемента указывают цифрами какое сопротивлением он оказывает: 100 ом или 1 килоом.
Светодиод — это не лампочка, это прибор, который светится, когда через него проходит электрический ток. Светодиод обязательно подключают
к батарейке через резистор и с соблюдением принятого движения тока от плюса
к минусу (плюс указывается на панели светодиода).
Переключатели используют для замыкания электрической цепи,
но только когда это требуется (чтобы источник питания не тратил свою энергию напрасно). В своей цепи я использовал движковый и кнопочный.
Проведем эксперимент.
Замкнем электрическую цепь движковым переключателем. Электрический ток идет через два резистора с общим сопротивлением одна тысяча сто ом (Фото 3 Приложение 6). Теперь исключим сопротивление на тысячу ом, замкнув кнопочный переключатель. Электрический ток теперь идет через один резистор с сопротивлением на сто ом (Фото 4 Приложение 6). Светодиод светит ярче, то есть сила тока стала больше. Это же подтверждают показатели мультиметра: в первом случае - 4 миллиампера, во втором –
9 миллиампер. В этом эксперименте использовался один и тот же блок питания с двумя батарейками, то есть напряжение было одинаковое.
Получается, что при одинаковом напряжении, если сопротивление больше (первый случай замыкания цепи), то сила тока меньше, чем во втором случае замыкания цепи. И наоборот, если сопротивление меньше, то сила тока больше (светодиод горит ярче).
Попробуем изменить условия эксперимента.
Увеличим напряжение в цепи, поставим еще один блок питания (Фото 5 Приложение 6). Посмотрим, как изменится сила тока. Светодиод стал светить ярче, чем с одним блоком питания (Фото 6, Фото 3 Приложение 6). А если пустим ток через один резистор с сопротивлением на 100 ом и два блока питания, то светодиод засияет как «звезда» (Фото 7 Приложение 6). Мультиметр показывает, что когда ток идет через два резистора, то его сила равняется 8 миллиампер, а когда через один резистор, то 36 миллиампер.
Получается, что когда сопротивление постоянно, а напряжение увеличивается, то и сила тока становится больше.
Итак, я узнал, что когда в электрической цепи напряжение постоянное,
то сила тока становится больше, если уменьшать сопротивление. Но если сопротивление делать больше, то тогда сила тока станет меньше. А также если
в цепи сопротивление постоянное, то сила тока станет больше, если будет больше напряжение. И наоборот, сила тока станет меньше, если будет меньше напряжение.
Вот такую связь между напряжением, сопротивлением и силой тока вывел Георг Ом. В честь него назван закон и единица измерения сопротивления – ом.
В старших классах, когда будем изучать физику раздел электричества узнаем, как вычислять эти параметры по формулам.
После того, как я завершил свои исследования, то выступил с докладом
в своем классе. Я рассказал обо всем, что узнал сам: про электрический ток,
про напряжение, силу тока и сопротивление, про то какие зависимости существуют между этими характеристиками. Показал все эксперименты, которые проводил, и работу мультиметра при определении заряда батареек (Фото 9 Приложение 7). После доклада предоставил возможность желающим самим измерить заряды батареек. Также показал ребятам, как с помощью электронного конструктора можно собрать полезные вещи, например, дверной звонок с сенсорным переключателем (Фото 8 Приложение 6).
Из желающих выстроилась очередь, каждый хотел всё потрогать, покрутить, послушать. И модели из бутылок с подкрашенной водой просили запустить. Даже девочкам было интересно.
Через несколько дней после доклада я провел в классе анкетирование.
Вопросы в анкете были и для тех ребят, кто до выступления знал, что такое электрический ток и для тех, кто раньше ничего не знал про него (Приложение 8). Опрос показал, что из 26 одноклассников 12 ранее знали, что такое электрический ток, но не знали про закон ОМА. Ученикам, которые ранее не знали про электроток (10 человек), после доклада стало понятно, что это такое. Также после доклада 16 ребят готовы рассказать другим что такое электроток и использовать при этом предложенную водяную модель. Кроме того, 17 человек узнали, как работать с мультиметром. К знаниям про закон ОМА проявили интерес 22 человека и 24 захотели узнать про него больше.
По результатам анкетирования я получил доказательства правдивости моей гипотезы о том, что если ребята будут своими руками собирать модели, поясняющие им что такое электрический ток, его характеристики
и их зависимости между собой (то есть закон Ома), то они продолжат изучения
и свои исследования в области электричества.
За время исследований я узнал много интересного про электрический ток
и закон Ома. Изучил литературу про электрический ток, его понятие и как все это можно наглядно представить. Показал, что если самим проводить эксперименты, собирать демонстрационные модели, то многое становиться понятнее, интереснее. Вызывает желание продолжить изучение и идти дальше по дороге знаний.
Научился проводить письменный опрос по составленной вместе
с родителями анкете. После доклада в классе о проведенных мною экспериментах, провел такое анкетирование среди одноклассников. Оно показало, что предложенный мною наглядный способ объяснения, что такое электрический ток и его характеристики, понятен для всех ребят.
Результаты экспериментов с электрической цепью: измерил параметры электрической цепи, сравнивал результаты и получил практическое подтверждение, что сила тока будет расти, если уменьшать сопротивление
и увеличивать напряжение.
Практическая значимость результатов исследования: Людям важно знать закон Ома, так как сопротивление тела человека уменьшается в сто раз при переутомлении, нервном возбуждении, при повышенном потоотделении. Слой кожи тела очень тонкий не более 0,2 миллиметра и легко пробивается бытовым напряжением 220 вольт. Например, человек понервничал
и сопротивление его тела упало, а он попал под действие электрического тока. То опасным для него будет напряжение уже в 35 вольт (это когда вместе последовательно соединены 24 «пальчиковые» батарейки).
Закон Ома является чрезвычайно полезным в технике. Во всех моих экспериментах сила тока проявляла себя, когда светился светодиод. Такое проявление называется световое. При работе лампы накаливания закон имеет
не только световое, но и тепловое проявление. Световое проявление закона Ома используется в современных светильниках с регуляторами яркости. Светильники с регуляторами делают освещение в комнате комфортным. Если нужно чтобы было очень ярко, то покрутили ручку в одну сторону, а чтобы светило не так ярко, то в другую. А еще инженеры «научили» современные светильники с регуляторами экономить электрическую энергию.
Закон Ома имеет проявления и в других направлениях: тепловое (полы
с подогревом, холодильники), магнитное, химическое, гидравлическое, пневматическое. Вот эти проявления я и буду исследовать в дальнейшем.
Но об одном из тепловых проявлений следует сообщить сейчас. Нельзя проводником с маленьким сопротивлением замыкать электрическую розетку или как-нибудь еще обычную осветительную сеть. Такие действия создают опасную ситуацию, которая называется коротким замыканием в цепи. Можно получить электрический ожог со смертельным исходом или сжечь незащищенное электрооборудование. Чтобы не допустить этого
в потребительских электрических сетях устанавливают автоматические выключатели, которые моментально отключают электроснабжение
при возникновении короткого замыкания.
Доклад заинтересовал ребят опытами. Я разъяснил им принцип работы
с электронным конструктором. Также показал в чем польза от знаний закона Ома на примере умения работы с мультиметром.
Выводы: Все поставленные задачи решены. Я доказал, что можно дома самому создать модель с водой для изучения электрического тока
и его характеристик. А также доказал, что закон Ома можно начать изучать
и в начальных классах. Конечно, не в полном объеме как при изучении
в старших классах. Но суть закона уже можно понять и сейчас. Будет легче понимать при дальнейшем изучении электричества.
Исследования показали, что выдвинутая мною до начала работы гипотеза подтвердилась.
Думаю, что материал моего исследования пригодится ребятам, которые хотят изучать электрический ток, его действия и влияние на окружающий мир.