Τίτλος Ενότητας:

 Μέτρηση της Ηλεκτρικής Τάσης με τη χρήση Βολτομέτρου σε κύκλωμα Συνεχούς ρεύματος.

Τάξη ή Τάξεις στις οποίες απευθύνεται

Απευθύνεται στους μαθητές της Β΄ ΕΠΑ.Λ.  του τομέα Ηλεκτρολογίας, Ηλεκτρονικής και αυτοματισμού.

Σε αυτή την ενότητα  θα μελετηθεί η μέτρηση της ηλεκτρικής τάσης με τη χρήση βολτομέτρου σε ένα κύκλωμα συνεχούς ρεύματος. Το διδακτικό αυτό σενάριο προορίζεται  για εξ’ αποστάσεως μάθηση. Οι μαθητές έχουν ήδη διδαχθεί το αναγκαίο θεωρητικό υπόβαθρο για την πραγματοποίηση του σεναρίου. Θα διευκολυνθούν όμως, μέσω των δραστηριοτήτων που προτείνονται, να κατανοήσουν τη λειτουργία του βολτομέτρου, τη σύνδεσή του στο κύκλωμα, την έννοια της πολικότητας καθώς και θα αναγνωρίσουν ποιοι παράγοντες μπορεί να επηρεάσουν τη μέτρηση της τάσης. Οι μαθητές θα υλοποιήσουν με τη βοήθεια του προσομοιωτή PhET Colorado, τις δραστηριότητες που τους δίνονται ώστε να κατανοήσουν, να κατασκευάσουν και να καταλήξουν στα επιθυμητά συμπεράσματα. Έχει επιλεχθεί η διερευνητική μέθοδος (δομημένη διερεύνηση).

Διδακτικοί στόχοι & Αναμενόμενα αποτελέσματα

Οι μαθητές στο τέλος των δραστηριοτήτων, θα πρέπει είναι σε θέση:

• να σχεδιάζουν ένα απλό Ηλεκτρικό Κύκλωμα  Συνεχούς Ρεύματος
• να μπορούν να επιλέγουν και να χρησιμοποιούν το βολτόμετρο ως όργανο μέτρησης της ηλεκτρικής τάσης.
• να συνδέουν ένα βολτόμετρο κατάλληλα ώστε να μετρηθεί η τάση στα άκρα μιας αντίστασης.
• να αντιλαμβάνονται την έννοια της πολικότητας καθώς και της φοράς του ρεύματος κατά τη μέτρηση της τάσης με βολτόμετρο.
• να γνωρίζουν τους παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν τη μέτρηση της τάσης με βολτόμετρο.
• να αντιλαμβάνονται ποια είναι η επιρροή του κάθε παράγοντα στη μέτρηση.
• να κατανοούν καλύτερα τις θεωρητικές γνώσεις της ενότητας αξιοποιώντας προσομοιώσεις.
• να αξιοποιούν την προσομοίωση του “PhET Colorado” στη δημιουργία και παρατήρηση ηλεκτρικών κυκλωμάτων συνεχούς ρεύματος καθώς και στην παραμετροποίηση των στοιχείων τους.
• να αναλαμβάνουν πρωτοβουλίες και να παίρνουν αποφάσεις.
• να αναπτύξουν δεξιότητες στη χρήση ΤΠΕ (προσομοιώσεων, εκπαιδευτικών λογισμικών).

Προϋπάρχουσες γνώσεις

• Αρχικά οι μαθητές αναμένεται να γνωρίζουν τις βασικές έννοιες ηλεκτρισμού (για παράδειγμα ηλεκτρική τάση, ένταση ηλεκτρικού ρεύματος, ηλεκτρική αντίσταση, κτλ), καθώς και τα όργανα μέτρησης για τα μεγέθη αυτά, πιο συγκεκριμένα το βολτόμετρο.
• Πρέπει επίσης να γνωρίζουν το συμβολισμό αυτών των μεγεθών καθώς και τις μονάδες μέτρησής τους.
• Ακόμα πρέπει να γνωρίζουν την πραγματική και την συμβατική φορά του ρεύματος, τον ανοικτό και κλειστό διακόπτη καθώς και την έννοια της πολικότητας.
• Οι μαθητές έχουν ξαναχρησιμοποιήσει το λογισμικό εικονικής προσομοίωσης PhET Colorado και έχουν ασχοληθεί με αυτό σε απλές ασκήσεις στο σχολικό εργαστήριο.
• Οι μαθητές είναι εξοικειωμένοι με την πλατφόρμα ασύγχρονης εξ΄αποστάσεως εκπαίδευση Openeclass που χρησιμοποιείται.

Eρευνητικά ερωτήματα

• Πως συνδέεται ένα βολτόμετρο κατάλληλα ώστε να μετρηθεί η τάση στα άκρα μιας αντίστασης;
• Πως αντιλαμβάνεστε την έννοια της πολικότητας καθώς και της φοράς του ρεύματος κατά τη μέτρηση της τάσης με βολτόμετρο;
• Ποιοι παράγοντες μπορεί να επηρεάσουν τη μέτρηση της τάσης με βολτόμετρο σε ένα απλό κύκλωμα Συνεχούς Ρεύματος;
• Με ποιο τρόπο επηρεάζει ο κάθε παράγοντας τη μέτρηση;

Γνωστικές παρανοήσεις για την ενότητα

Έχουν παρατηρηθεί παρανοήσεις:

• Στην διαφοροποίηση ηλεκτρικής τάσης και έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος, συχνά συγχέονται και δυσκολεύονται.
• Φορά ρεύματος. Σύμφωνα με τους φυσικούς το ρεύμα δεν έχει μια συγκεκριμένη αφετηρία αλλά μια κατεύθυνση. Υπάρχει η πραγματική φορά (από το (–) στο (+) της πηγής) και η συμβατική φορά (από το (+) στο (-) της πηγής). Οι μαθητές μπορεί να παρανοήσουν την πρόταση αυτή που αναφέρεται στη φορά (κατεύθυνση) του ρεύματος πιστεύοντας πως το ρεύμα ξεκινά από το (-) ή το (+) της πηγής.
• Μέτρηση με αντίθετη πολικότητα. Η πολικότητα στη μέτρηση με βολτόμετρο εξαρτάται από τη φορά του ρεύματος στο κύκλωμα και τη σύνδεση των ακροδεκτών του βολτομέτρου στο κύκλωμα. Χρειάζεται να συνδεθεί ο θετικός ακροδέκτης (+) στο άκρο της προς μέτρηση αντίστασης που συνδέεται με το θετικό (+) πόλο της πηγής και ο αρνητικός ακροδέκτης (-) με το άκρο της αντίστασης που συνδέεται με τον αρνητικό (-) πόλο της πηγής. Αν συνδεθούν οι ακροδέκτες του οργάνου αντίθετα δε θα καεί το όργανο ούτε η μέτρηση είναι λάθος όπως παρανοούν οι μαθητές,  αλλά βγάζει ένα (-) μπροστά από τη μετρούμενη τιμή που κατά απόλυτη τιμή είναι ίση με την τιμή που θα μας έδειχνε το όργανο αν οι ακροδέκτες συνδέονταν αντίθετα. Επομένως μέτρηση με (-) μπροστά από τη μετρούμενη τιμή σημαίνει αντίθετη πολικότητα, δεν είναι λάθος και δεν θα καεί το όργανο.
• Ανοικτό και κλειστό κύκλωμα. Οι μαθητές πολλές φορές μπερδεύονται σε αυτό και θεωρούν ότι όταν είναι κλειστό το κύκλωμα (κλειστός διακόπτης) δεν περνάει ρεύμα και ότι όταν είναι ανοικτό (ανοικτός διακόπτης) περνάει ρεύμα. Αυτό είναι λάθος. Στο κλειστό κύκλωμα περνάει ρεύμα και στο ανοικτό δεν περνάει.
• Ταχύτητα ηλεκτρονίων σε ένα ρευματοφόρο κύκλωμα. Η φυσική αναφέρει ότι τα ηλεκτρόνια σε ένα ρευματοφόρο κύκλωμα κινούνται πολύ αργά. Οι μαθητές όσον αφορά την ταχύτητα των ηλεκτρονίων σε ένα τέτοιο κύκλωμα θεωρούν ότι είναι πάρα πολύ μεγάλη αφού βλέπουν ότι με το που πατάμε να κλείσει ο διακόπτης αμέσως περνάει ρεύμα μέσα από την αντίσταση και μετράει το βολτόμετρο. Στην πραγματικότητα αυτό δεν ισχύει αλλά η κίνηση είναι αργή.
• Ηλεκτρική τάση και ρεύμα. Πολλές φορές οι μαθητές μπερδεύουν αυτά τα δύο μεγέθη ενώ υπάρχουν και μαθητές που νομίζουν ότι είναι το ίδιο. Η ηλεκτρική τάση (αιτία) προκαλεί την εμφάνιση του ηλεκτρικού ρεύματος(αποτέλεσμα) σε ένα κλειστό κύκλωμα. Επομένως δεν μπορεί να υπάρξει ηλεκτρικό ρεύμα δίχως την ηλεκτρική τάση πράγμα που πιθανόν να προκαλεί την παρανόηση.
• Αντίσταση αγωγού. θεωρούμε αμελητέα και δεν λαμβάνουμε συνήθως υπόψη μας στη  μέτρηση της τάσης με βολτόμετρο την τιμή της αντίστασης του αγωγού. Οι μαθητές αυτό το παρανοούν και θεωρούν ότι ο αγωγός δεν έχει καθόλου αντίσταση πράγμα που δεν ισχύει.
• Αντίσταση πηγής συνεχούς ρεύματος. θεωρούμε αμελητέα και δεν λαμβάνουμε συνήθως υπόψη μας στη μέτρηση της τάσης με βολτόμετρο την τιμή της αντίστασης της πηγής συνεχούς ρεύματος. Οι μαθητές αυτό το παρανοούν και θεωρούν ότι η πηγή συνεχούς ρεύματος δεν έχει καθόλου αντίσταση πράγμα που δεν ισχύει.
• Η τιμή αντίστασης στα άκρα της οποίας μετρούμε την τάση. Μεταβάλλοντας την τιμή της αντίστασης οι μαθητές θεωρούν ότι θα μεταβληθεί και η τιμή της ένδειξης του βολτομέτρου αφού θεωρούν ότι θα περάσει περισσότερο ρεύμα αν μειωθεί η τιμή της αντίστασης ή λιγότερο ρεύμα αν αυξηθεί η τιμή της αντίστασης. Όσον αφορά το ρεύμα δεν είναι λάθος αυτό που θεωρούν αλλά είναι λάθος να το συγχέουν με την ένδειξη του βολτομέτρου η οποία μένει σταθερή στη μεταβολή της τιμής της αντίστασης. Όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα άλλο ρεύμα και άλλο τάση και το βολτόμετρο μετράει τάση η οποία δε μεταβάλλεται με τη μεταβολή της αντίστασης

Το σενάριο θα υλοποιηθεί στον προσωπικό υπολογιστή του κάθε μαθητή.

Προτείνεται να υπάρχει σύνδεση στο διαδίκτυο για την είσοδο στις πλατφόρμες σύγχρονης μάθησης καθώς και για την είσοδο στο PhET Colorado.

Οι μαθητές πρέπει να έχουν κάνει εγγραφή στην πλατφόρμα που θα χρησιμοποιηθεί (openeclass).