Πειραματικές δραστηριότητες Ηλεκτρισμού - Ηλεκτρομαγνητισμού για το Λύκειο

Εισηγητές: Σακελλαρίου Μιλτιάδης, Φυσικός, Υπεύθυνος του ΕΚΦΕ Ιωαννίνων Νασίκα Αικατερίνη, Φυσικός, Msc Διδακτικής της Φυσικής.

ΠΕΡΙΛΗΨΗΕίναι γνωστό ότι ο ηλεκτρισμός - ηλεκτρομαγνητισμός είναι το κατ΄ εξοχή κεφάλαιο της Φυσικής που αναπτύχθηκε μέσα από ιστορικά πειράματα και ασφαλώς η κυρίαρχη διδακτική στρατηγική στην Α/θμια και Β/θμια Εκπαίδευση πρέπει να εστιάζει στο πείραμα.Πανεπιστημιακά συγγράμματα ηλεκτρομαγνητισμού πέραν της παρουσίασης εννοιών, νόμων, αποδείξεων με ανώτερα μαθηματικά δεν αγνοούν την πειραματική - εργαστηριακή φύση του συγκεκριμένου κεφαλαίου. Σε ονομαστά μουσεία, κέντρα Φυσικών Επιστημών δεσπόζουσα θέση κατέχουν τα εντυπωσιακά πειράματα ηλεκτρομαγνητισμού. Στην εισήγηση παρουσιάζονται ανθολογημένες πειραματικές δραστηριότητες ηλεκτρομαγνητισμού, με όσο γίνεται πιο απλή διαδικασία με όχι δυσεύρετα όργανα και συσκευές. Τα τελευταία χρόνια η διδασκαλία του ηλεκτρισμού έχει περιορισθεί στο μεν Γυμνάσιο στις τελευταίες σελίδες του βιβλίου της Γ τάξης, στο δε Γενικό Λύκειο στη Β΄ τάξη. Πολλές φορές, λόγω της επιμονής των διδασκόντων στις αρχικές ενότητες του βιβλίου της Β΄ Λυκείου και σε μια εκτενή ασκησιολογία, περιορίζεται ή παραμελείται η διδασκαλία του ηλεκτρισμού με πειραματικές δραστηριότητες ή εργαστηριακές ασκήσεις. Ακόμη επειδή ο ηλεκτρισμός δεν έχει σημαντική συνεισφορά στην εξεταζόμενη ύλη των πανελλήνιων εξετάσεων της Γ Λυκείου, οι μαθητές αποφοιτούν από το Λύκειο με ελλειμματικές γνώσεις ηλεκτρομαγνητισμού, χωρίς να έχουν συνδέσει ένα απλό κύκλωμα, χωρίς να έχουν δει το πείραμα Oersted ή το πείραμα της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday και αγνοούν έτσι τις βάσεις του σημερινού τεχνολογικού πολιτισμού. Σε μια προσπάθεια να διδάξουμε τις σημαντικές έννοιες και τα φαινόμενα του ηλεκτρομαγνητισμού, από τα άφθονα πειράματα ηλεκτρομαγνητισμού, ανθολογήσαμε μερικά βασικά πειράματα, τα περισσότερα όχι τόσο γνωστά, πλην όμως εντυπωσιακά άλλα απλά, άλλα σύνθετα, με όργανα που υπάρχουν στα Σχολεία, ή βρίσκονται εύκολα στο εμπόριο. Οι προτεινόμενες εργαστηριακές δραστηριότητες μπορούν να αξιοποιηθούν σε μορφή κυκλικού ή μετωπικού εργαστηρίου, ή σαν πείραμα επίδειξης με φύλλα εργασίας για τους μαθητέςΟι πειραματικές δραστηριότητες που αναπτύσσονται στην συνέχεια είναι:1) Από την αισθητοποίηση του ηλεκτρικού πεδίου στην παραγωγή εναλλασσόμενης τάσης.2) Τα αντίρροπα ρεύματα φόρτισης- εκφόρτισης πυκνωτή.3) Μέτρηση αντίστασης. 4) Εύρεση του τρόπου σύνδεσης λαμπτήρων.5) Ανίχνευση μαγνητικού πεδίου ευθύγραμμου ρευματοφόρου αγωγού.6) Ανίχνευση μαγνητικού πεδίου σωληνοειδούς.7) ΗΕΔ επαγωγής – επαγωγικά ρεύματα.8) Αυτεπαγωγή – Ενέργεια μαγνητικού πεδίου πηνίου- Καθυστέρηση στην ανάπτυξη του ρεύματος σε ένα πηνίο. ΕΙΣΑΓΩΓΗΟ ρόλος του εργαστηρίου είναι κεντρικός στα μαθήματα Φυσικών Επιστημών, γιατί οι μαθητές πρέπει να οικοδομούν να βάζουν σε λογική σειρά) την κατανόησή τους για τις έννοιες της Φυσικής. Αυτή η γνώση δεν μπορεί απλά να μεταφερθεί με τον διδάσκοντα, αλλά πρέπει να αναπτυχθεί από τους μαθητές σε αλληλεπίδραση με την φύση και τον διδάσκοντα. Είναι αποδεκτό ότι με τις πειραματικές δραστηριότητες – εργαστηριακές ασκήσεις οι μαθητές – μαθήτριες ανακρίνουν την φύση και αποσπούν τα μυστικά της. Ο σχεδιασμός των εργαστηριακών δραστηριοτήτων και των αντίστοιχων φύλλων εργασίας, πρέπει να στοχεύει ώστε οι μαθητές να αποκτήσουν τις ακόλουθες δεξιότητες ( Escobar and others, 1992): α) Μέτρηση των φυσικών ποσοτήτων με την κατάλληλη ακρίβειαβ) Αναγνώριση των παραγόντων που θα μπορούσαν να επηρεάσουν την αξιοπιστία των μετρήσεων τους.

1

γ) Επιδέξιοι χειρισμοί των υλικών, συσκευών, εργαλείων και των οργάνων της μέτρησης.δ) Σαφείς περιγραφές των παρατηρήσεων και των μετρήσεων τους.ε) Παρουσίαση της πληροφορίας στην κατάλληλη μορφή με τους κατάλληλους λεκτικούς, εικονογραφικούς, γραφικούς και μαθηματικούς όρους.στ) Εξαγωγή λογικών συμπερασμάτων και δυνατότητα συζήτησης από τις παρατηρήσεις τους.ζ) Δυνατότητα να υποστηρίζουν λογικά τα συμπεράσματα και τις προβλέψεις τουςη) Ενεργή συμμετοχή στα πλαίσια ομάδων (άλλοι μαθητές και ο διδάσκων) για συνεργατική – διανοητική εργασία. Οι εργαστηριακές δραστηριότητες αποβλέπουν στο να βοηθήσουν τους μαθητές και τις μαθήτριες να συλλάβουν το αφηρημένο χρησιμοποιώντας το συγκεκριμένο και χειροπιαστό που είναι η πειραματική διάταξη.

ΟΚΤΩ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ

1) Από την αποτύπωση ομογενούς ηλεκτρικού πεδίου στην παραγωγή εναλλασσόμενης τάσης

Στόχος: Η παρατήρηση αρκετών επιμέρους φαινομένων, η μέτρηση μεγεθών (το ομογενές ηλεκτρικό πεδίο, το αγώγιμο μέσο, το εκκρεμές με την ακίδα, η παρατήρηση της κηλίδας στον παλμογράφο) και το τελικό αποτέλεσμα: ο συγχρονισμός της ταλάντωσης της ακίδας στο νερό με την ταλάντωση της κηλίδας στην οθόνη του παλμογράφου.

Στην αποτύπωση του ομογενούς ηλεκτρικού πεδίου με τη συσκευή του αγώγιμου χαρτιού (σχήμα 1) ή με τη συσκευή της λεκάνης με νερό, τα δυο ηλεκτρόδια συνδέονται σε πηγή συνεχούς τάσης.Το ηλεκτρόδιο Α έχει δυναμικό 12 V, το ηλεκτρόδιο Β έχει δυναμικό 0 V. Το αγώγιμο μέσο (χαρτί ή νερό) διαρρέεται από ελάχιστο ρεύμα. Μεταξύ των ηλεκτροδίων παράγεται απομίμηση ομογενούς ηλεκτρικού πεδίου με ισοδυναμικές γραμμές παράλληλες στα ηλεκτρόδια. Η τάση VΑΓ , που μετρείται με ένα πολύμετρο κυμαίνεται από 12V μέχρι 0V, καθώς ο ακροδέκτης κινείται από το Α προς το Β. Στο μέσο Μ του ΑΒ είναι 6V.

Ξεκινώντας από αυτή την πειραματική δραστηριότητα , πραγματοποιούμε μια απλή συσκευή στην οποία η τάση που μετρούμε ή παρατηρούμε σε ηλεκτρονικό παλμογράφο είναι εναλλασσόμενη.

Σε μια γυάλινη λεκάνη (ΜΡ 005) ρίχνουμε νερό βρύσης μέχρι το 1/4 του ύψους της. (Σχήμα 2) Στις απέναντι πλευρές της λεκάνης τοποθετούμε δυο επίπεδα μεταλλικά ελάσματα από λαμαρίνα. Συνδέουμε τα ελάσματα με τους πόλους δυο μπαταριών συνδεμένων σε σειρά στην θήκη των μπαταριών. Το ένα ηλεκτρόδιο έχει δυναμικό 4,5V, το άλλο - 4,5V.

2

Μπορεί να χρησιμοποιηθεί τροφοδοτικό με ακροδέκτες - 5V, 0V, +5V. Το νερό διαρρέεται από ελάχιστο ρεύμα (8mA). Ανάμεσα στα δυο ηλεκτρόδια αναπτύσσεται ομογενές ηλεκτρικό πεδίο.Στο χάλκινο νήμα, μήκους περίπου 85 cm, είναι δεμένη μια μολυβένια σφαίρα (βαρίδι αλιείας) στην οποία έχει στερεωθεί μεταλλική ακίδα. Προσέχουμε ώστε στην αρχική κατακόρυφη θέση του νήματος, η ακίδα να είναι στο μέσο της απόστασης των δυο ηλεκτροδίων. Η σφαίρα με την ακίδα αφήνεται να αιωρηθεί σαν εκκρεμές που είναι, με περίοδο Τ= 1,8s. Η ακίδα κινείται μεταξύ δυο συμμετρικών θέσεων. Καθώς η ακίδα χαράσσει το νερό συναντά σε κάθε σημείο της τροχιάς της δυναμικό από αV μέχρι –αV.Η εναλλασσόμενη τάση χαμηλής συχνότητας 0,5Hz, μεταξύ της ακίδας και του ενδιάμεσου ακροδέκτη των μπαταριών (0V) οδηγείται στην είσοδο κατακόρυφης απόκλισης ψ ενός ηλεκτρονικού παλμογράφου. Με την σάρωση εκτός, και την κατάλληλη ενίσχυση του σήματος, παρατηρούμε την κηλίδα να κάνει κατακόρυφη ταλάντωση σε συγχρονισμό με την κίνηση του εκκρεμούς.

2. Φόρτιση – εκφόρτιση πυκνωτή. Τα ρεύματα φόρτισης – εκφόρτισης είναι αντίρροπα.

Στόχοι: Η παρατήρηση της διαδικασίας φόρτισης – εκφόρτισης ενός πυκνωτή, η εξάρτηση του ρυθμού φόρτισης από την τιμή της αντίστασης, η διαπίστωση ότι τα ρεύματα φόρτισης - εκφόρτισης είναι αντίρροπα.

Πραγματοποιούμε το κύκλωμα του σχήματος 3. Με το κλείσιμο του διακόπτη στη θέση 1, διαπιστώνουμε τη βαθμιαία αύξηση της ένδειξης του βολτομέτρου που δείχνει την τάση VC του πυκνωτή. Όταν στη θέση του βολτομέτρου έχουμε ηλεκτρονικό παλμογράφο η ταχύτητα μετατόπισης της κηλίδας (με τη σάρωση εκτός) ή της οριζόντιας γραμμής (με σάρωση) δείχνει την ταχύτητα φόρτισης του πυκνωτή.

Μεταφέρουμε τον διακόπτη στη θέση 2. Ο πυκνωτής εκφορτίζεται. Η ένδειξη του βολτομέτρου ελαττώνεται βαθμιαία

μέχρι να μηδενιστεί, η κηλίδα του παλμογράφου επιστρέφει στην αρχή των αξόνων της οθόνης.

Επαναλαμβάνουμε τα παραπάνω με άλλη τιμή αντίστασης (100Ω, 1ΚΩ) Διαπιστώνουμε ότι ο πυκνωτής αργεί όλο και περισσότερο να φορτισθεί – εκφορτισθεί.

Πραγματοποιούμε το κύκλωμα του σχήματος 3β. Τα δυο led είναι παράλληλα συνδεμένα, με αντίθετη πολικότητα. Κλείνουμε τον διακόπτη στη θέση (1), οπότε η φορά του ρεύματος είναι από το σημείο α προς το σημείο β. Για ελάχιστο χρονικό διάστημα, όσο διαρκεί η φόρτιση του πυκνωτή, φωτοβολεί το LED 1. Αφού ο πυκνωτής φορτισθεί, μεταφέρουμε τον διακόπτη στη θέση (2). Ο πυκνωτής εκφορτίζεται. Η φορά του ρεύματος είναι από το σημείο β προς το σημείο α.

3

Φωτοβολεί για λίγο, όσο διαρκεί η εκφόρτιση, το LED 2.

3) Μέτρηση αντίστασης Στόχοι: Η πραγματοποίηση απλού ηλεκτρικού κυκλώματος, ο τρόπος σύνδεσης αμπερόμετρου – βολτόμετρου για την εύρεση της τιμής της αντίστασης, η ανάγνωση των ενδείξεων, η διαπίστωση της επιτυχίας της μέτρησης.

Σε κουτί από φιλμ τοποθετούμε αντιστάτη 10Ω 15W, που να μπορεί να περάσει ρεύμα μέχρι 1 Α χωρίς υπερθέρμανση του αντιστάτη. Ο αντιστάτης κλείνεται στο κουτί, ώστε να μην διακρίνεται η τιμή της αντίστασης.Πραγματοποιούμε το κύκλωνα του σχήματος. Από τις ενδείξεις του βολτομέτρου και του αμπερόμετρου (π.χ.V=10V, I=1A) υπολογίζεται η τιμή της αντίστασης (R=10Ω).Στη συνέχεια βγάζουμε τον αντιστάτη από το κουτί και διαπιστώνουμε την ακρίβεια ή όχι της μέτρησης. Στη τάξη διανέμεται φύλλο εργασίας για την πειραματική δραστηριότητα, ερωτήσεις και άλλες εφαρμογές.

4) Ανακάλυψη του τρόπου σύνδεσης τριών λαμπήρων.

Στόχοι: Η εξοικείωση με πραγματικά ηλεκτρικά κυκλώματα και με τεχνικά θέματα. Στο «παιχνίδι» αυτό ο τρόπος σύνδεσης των λαμπτήρων δεν φαίνεται. Τα καλώδια είναι κρυμμένα μέσα σε ένα «μαύρο» κουτί. Όπως φαίνεται στο σχήμα 4 στην πάνω επιφάνεια του κουτιού υπάρχουν τρία λαμπάκια, ενώ στην εμπρός όψη υπάρχουν οι ακροδέκτες

τροφοδοσίας όπου συνδέουμε την ηλεκτρική πηγή. Τα λαμπάκια χρωματίζονται με μαρκαδόρο ώστε να είναι πιο εύκολη η αναγνώριση και η περιγραφή του τρόπου σύνδεσης. Για να βρούμε τον τρόπο σύνδεσης μπορούμε να αφαιρούμε διαδοχικά ένα – ένα τα λαμπάκια και παρατηρούμε αν τα άλλα λαμπάκια εξακολουθούν να φωτοβολούν ή όχι, αν η φωτοβολία τους ελαττώνεται ή αυξάνεται. Στη συνέχεια με άνοιγμα του κουτιού

διαπιστώνουμε αν προβλέψαμε σωστά τον τρόπο σύνδεσης.

4

Όπως στο σχήμα 4β φαίνεται:

Στην σύνδεση (Α) που τα λαμπάκια είναι συνδεμένα σε σειρά, όποιο λαμπάκι και να αφαιρέσουμε τα άλλα δυο σβήνουν.

Στην σύνδεση (Β) με τα λαμπάκια συνδεμένα παράλληλα, όποιο λαμπάκι και αν αφαιρέσουμε τα άλλα δυο εξακολουθούν να φωτοβολούν, και μάλιστα με την ίδια ένταση.Στην σύνδεση (Γ) με τα δυο λαμπάκια σε σειρά και το τρίτο λαμπάκι συνδεμένο παράλληλα, όποιο λαμπάκι και αν αφαιρέσουμε υπάρχουν ένα ή δυο που δεν σβήνουν.

Στη σύνδεση (Δ) με δυο λαμπάκια παράλληλα και σε σειρά με το τρίτο, υπάρχει μόνο ένα λαμπάκι (αυτό που είναι συνδεμένο σε σειρά) που αφαιρώντας το τα άλλα δυο σβήνουν.

Συμπεράσματα για τον τρόπο σύνδεσης των λαμπτήρων προκύπτουν και από την αρχική φωτοβολία των λαμπτήρων, πως αυτή μεταβάλλεται με την αφαίρεση ενός λαμπτήρα. Ακόμη συνδέοντας κατάλληλα στην είσοδο του κουτιού, βολτόμετρο – αμπερόμετρο, μπορούμε να διαπιστώσουμε σε ποια σύνδεση αντιστοιχεί η μικρότερη ή μεγαλύτερη ισοδύναμη αντίσταση.

5) Ανίχνευση μαγνητικού πεδίου ευθύγραμμου ρευματοφόρου αγωγού.

Στόχοι: Η ανίχνευση του μαγνητικού πεδίου ευθύγραμμου ρευματοφόρου αγωγού, η εξάρτηση του μαγνητικού πεδίου Β από την απόσταση r , και από την ένταση του ρεύματος Ι που διαρρέει τον αγωγό.

Στην διάταξη του σχήματος (5) ο κατακόρυφος ευθύγραμμος αγωγός, μήκους περίπου 2μ, διαρρέεται από εναλλασσόμενο ρεύμα 2Α περνάει εφαπτομενικά από την πλευρά του τραπεζιού.Ο αγωγός τροφοδοτείται από εναλλασσόμενη τάση 20V μέσω ροοστάτη (10Ω, 5Α - ΗΛ230.2)Το κύκλωμα ανίχνευσης του μαγνητικού πεδίου αποτελείται από ένα πηνίο 24.000 σπειρών (ΗΛ353.0) εφοδιασμένο με τον βραχύ πυρήνα (ΗΛ 366.0). Οι ακροδέκτες του πηνίου συνδέονται με την είσοδο Υ ενός καθοδικού παλμογράφου.Το εναλλασσόμενο ρεύμα που διαρρέει τον αγωγό ΓΔ παράγει στο οριζόντιο επίπεδο του τραπεζιού εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Φροντίζουμε ώστε οι μαγνητικές γραμμές να συναντούν κάθετα την επιφάνεια του πηνίου. Από κάθε σπείρα του πηνίου διέρχεται εναλλασσόμενη μαγνητική ροή, που μεταβάλλεται χρονικά από -BS μέχρι BS. Στα άκρα του πηνίου αναπτύσσεται εναλλασσόμενη τάση που ενισχύεται κατάλληλα στον παλμογράφο. Με

5

τη σάρωση εκτός. Το μήκος της κατακόρυφης γραμμής στην οθόνη του παλμογράφου είναι ανάλογο με το πλάτος Β0 του μαγνητικού πεδίου του ρευματοφόρου αγωγού.

Μπορούμε ακόμη να διαπιστώσουμε ότι με την αύξηση της απόστασης του μέσου του πηνίου από τον κατακόρυφο ρευματοφόρο αγωγό το μαγνητικό πεδίο ελαττώνεται, (ελάττωση του μήκους της κατακόρυφης γραμμής στον παλμογράφο) και ότι με την αύξηση του ρεύματος Ι το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται.

Με μεταβολή του προσανατολισμού του πηνίου, ώστε οι μαγνητικές γραμμές να περνούν παράλληλα από τις σπείρες του πηνίου, όπως είναι επόμενο, δεν ανιχνεύεται εναλλασσόμενη τάση, το μήκος της κατακόρυφης γραμμής μηδενίζεται.

6) Ανίχνευση μαγνητικού πεδίου σωληνοειδούςΣτόχοι: Η ανίχνευση του μαγνητικού πεδίου ενός σωληνοειδούς, η εύρεση του

τρόπου μεταβολής του μαγνητικού πεδίου κατά μήκος του άξονα του σωληνοειδούς, εφαρμογή της αμοιβαίας επαγωγής στην ανίχνευση μαγνητικού πεδίου

Το σωληνοειδές (από το σετ του ζυγού ρεύματος ΗΛ. 305) τροφοδοτείται από εναλλασσόμενη τάση με μέγιστη ένταση ρεύματος 4-5 Α. Το εναλλασσόμενο ρεύμα παράγει εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Το ανιχνευτικό πηνίο τετραγωνικής ή κυκλικής διατομής διαμέτρου 5-6 cm στερεώνεται σε ξύλινη ράβδο με τους ακροδέκτες του συνδεμένους στην είσοδο Ψ ενός καθοδικού παλμογράφου. Από κάθε σπείρα του μικρού πηνίου ανίχνευσης διέρχεται μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή και επομένως στα άκρα του εμφανίζεται εναλλασσόμενη τάση που ενισχύεται κατάλληλα στον παλμογράφο. Το μήκος της κατακόρυφης γραμμής στον παλμογράφο, με τη σάρωση εκτός, είναι ανάλογο του πλάτους του μαγνητικού πεδίου που συναντάει το πηνίο ανίχνευσης, καθώς μετακινείται κατά μήκος του άξονα του σωληνοειδούς Μετακινώντας το μικρό πηνίο ανίχνευσης κατά μήκος του σωληνοειδούς διαπιστώνουμε την μεταβολή του μαγνητικού πεδίου σε συνάρτηση με την απόσταση x από το άκρο της ξύλινης βάσης. Όπως προκύπτει από τη γραφική παράσταση Β-x το μαγνητικό πεδίο είναι ομογενές με μέγιστο μέτρο στην κεντρική περιοχή του σωληνοειδούς από x = 8cm μέχρι x = 16cm. Η σήραγγα του σωληνοειδούς αρχίζει στη θέση με x = 4cm και τελειώνει στη θέση με x = 20cm

7) ΗΕΔ Επαγωγής. Επαγωγικά ρεύματαΣτόχοι: Η διαπίστωση της μετατροπής του μαγνητισμού σε ηλεκτρισμό, η

επιβεβαίωση ή «ανακάλυψη» του νόμου της επαγωγής του Faraday.Η οπτικοποίηση του επαγωγικού ρεύματος με τη φωτοβολία της φωτοδιόδου.

6

Πραγματοποιούμε τη διάταξη του σχήματος (7). Στο κλασσικό πείραμα της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής το πηνίο συνδέεται με γαλβανόμετρο ή μιλλιαμπερόμετρο. Εδώ στη θέση του γαλβανόμετρου τοποθετούνται δυο φωτοδίοδοι (led) συνδεμένες παράλληλα με αντίθετη πολικότητα. Χρησιμοποιούμε πηνίο με 24.000 σπείρες και πεταλοειδή μαγνήτη. Με το πλησίασμα και την απομάκρυνση του μαγνήτη στο πηνίο διαπιστώνουμε:1) Την μετατροπή του μαγνητισμού σε ηλεκτρισμό, όπως είχε χαρακτηριστικά σημειώσει ο Faraday για τα πρώτα πειράματα της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.2) Η ταχύτερη μετακίνηση του μαγνήτη σχετικά με το πηνίο, προκαλεί μεγαλύτερο επαγωγικό ρεύμα και άρα εντονότερη φωτοβολία της φωτοδιόδου.3) Όταν ο μαγνήτης δεν κινείται σε σχέση με το πηνίο, δεν προκαλείται επαγωγικό ρεύμα4) Η αντίθετη φορά του επαγωγικού ρεύματος, όταν ο μαγνήτης πλησιάζει – απομακρύνεται από το πηνίο, όπως δείχνει η φωτοβολία του ενός από τα δυο LED κάθε φορά.. Όταν ο μαγνήτης πλησιάζει φωτοβολεί το ένα led , όταν απομακρύνεται φωτοβολεί το άλλο led.

8) Αυτεπαγωγή – Ενέργεια μαγνητικού πεδίου πηνίου- Καθυστέρηση στην ανάπτυξη του ρεύματος σε ένα πηνίο.

Πραγματοποιούμε το κύκλωμα του σχήματος 8α . Το πηνίο των 300 σπειρών, τοποθετημένο στον κλειστό λυόμενο πυρήνα, συνδέεται παράλληλα με ένα λαμπάκι (3,8 -0,3 Α). Το σύστημα πηνίο – λαμπάκι τροφοδοτείται μέσω ροοστάτη από μια μπαταρία 4,5 V.Φροντίζουμε με τον ροοστάτη ώστε το λαμπάκι να φωτοβολεί μέτρια. Το πηνίο διαρρέεται από ένταση ρεύματος Ιπ. Λόγω του κλειστού μαγνητικού κυκλώματος το επάνω τμήμα του λυόμενου πυρήνα δεν αποσπάται με τράβηγμα, παρά μόνο αν διακόψουμε το ρεύμα.Με το άνοιγμα του διακόπτη, στο πηνίο εμφανίζεται ΗΕΔ αυτεπαγωγής. Το πηνίο αναλαμβάνει για λίγο ρόλο ηλεκτρικής πηγής. Το λαμπάκι φωτοβολεί στιγμιαία έντονα. Η ενέργεια του μαγνητικού πεδίου του πηνίου μετατράπηκε σε θερμική – φωτεινή ενέργεια στο λαμπάκι.

Πραγματοποιούμε το κύκλωμα του σχήματος 8β.Ο ένα κλάδος αποτελείται από ένα πηνίο 1200 σπειρών τοποθετημένο στον κλειστό λυόμενο πυρήνα, και ένα λαμπάκι Λ1 (3,8 – 0,3Α).Ο άλλος κλάδος αποτελείται έναν ροοστάτη και ένα ακριβώς ίδιο λαμπάκι Λ2 . Φροντίζουμε με τον ροοστάτη τα δυο λαμπάκια να φωτοβολούν εξίσου. Στη συνέχεια ανοίγομε τον διακόπτη.

7

Με το κλείσιμο του διακόπτη, η ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον κλάδο του ροοστάτη λαμβάνει ακαριαία την τελική της τιμή. Το λαμπάκι Λ 2 φωτοβολεί ακαριαία.Στο πηνίο εμφανίζεται ΗΕΔ αυτεπαγωγής, που αντιτίθεται για λίγο στην αύξηση του ρεύματος που διαρρέει τον κλάδο με το πηνίο. Το λαμπάκι Λ1 φωτοβολεί κλάσμα του δευτερολέπτου αργότερα από το Λ2. Η ένταση του ρεύματος στον κλάδο με το πηνίο καθυστέρησε ελάχιστα να φτάσει την τελική της τιμή.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑΟι παραπάνω πειραματικές δραστηριότητες με τα κατάλληλα φύλλα εργασίας μπορούν να αποτελέσουν τον πυρήνα μιας ερευνητικής – διερευνητικής διδασκαλίας στην οποία η διαδικασία της μάθησης είναι απόκτημα της εμπειρίας, οι μαθητές μαθαίνουν κάνοντας, και όπου το ενδιαφέρον οδηγεί στην προσπάθεια. Το φύλλο εργασίας για την κάθε πειραματική δραστηριότητα, ανάλογα με την μέθοδο διδασκαλίας που θα προτιμηθεί, περιέχει το σχήμα της πειραματικής διάταξης, οδηγίες για την πραγματοποίησή της, ερωτήσεις για πρόβλεψη τι θα συμβεί, πίνακες καταγραφής μετρήσεων, καταγραφής παρατηρήσεων, ερωτήσεις επέκτασης σε νέα προβλήματα.Μέσω της πειραματικής δραστηριότητας, και των κατάλληλων ερωτήσεων στο φύλλο εργασίας μπορεί να αναδειχθούν οι προϋπάρχουσες αντιλήψεις των μαθητών, και να καταβληθεί προσπάθεια να ενισχυθούν οι επιστημονικά σωστές και να απορριφθούν οι εσφαλμένες Οι πειραματικές δραστηριότητες που πραγματοποιήθηκαν είχαν σκοπό να συσχετίσουν την θεωρία του ηλεκτρισμού - ηλεκτρομαγνητισμού με απλές και κατανοητές διατάξεις. Μέσα από τους στόχους κάθε πειραματικής διαδικασίας αναδείξαμε τις παιδαγωγικές προσεγγίσεις των δραστηριοτήτων που περιλαμβάνουν: παρατηρήσεις φαινομένων, μετρήσεις φυσικών μεγεθών, πειραματικές επαληθεύσεις, απόκτηση δεξιοτήτων χειρισμού οργάνων, καταγραφή και επεξεργασία μετρήσεων σε φύλλα εργασίας, πειραματικές επαληθεύσεις νόμων, οπτικοποιήσεις αφηρημένων εννοιών (φωτοβολία της φωτοδιόδου) και αιτιολογήσεις αποτελεσμάτων σύμφωνα με τη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού. Βιβλιογραφία

1) Ζησιμόπουλος Γ., Καφετζόπουλος Κ., Μουτζούρη, Παπασταματίου Ν., (2002): Θέματα Διδακτικής για τα μαθήματα των Φυσικών Επιστημών) Εκδόσεις Πατάκη – Αθήνα.2) Καλογήρου Η., Ναστόπουλος Σ., Σακελλαρίου Μ. (2000): Εργαστηριακός Οδηγός Φυσικής Λυκείου γενικής παιδείας ΟΕΔΒ – Αθήνα.3) Κόκκοτας Π., Καραπαναγιώτης Β., Αρναουτάκης Ι., Καρανίκας Ι., Κουρέλης Ι.: (1988) Πειράματα Φυσικής Εκδόσεις Γρηγόρη – Αθήνα.

8

4) Κολιόπουλος: (1993) Η πειραματική διδασκαλία των φυσικών επιστημών στην Ελλάδα Εκδόσεις Πνευματικού – Αθήνα. 5) Μπουρούτης Ιωάννης: (1987) Πειράματα Φυσικής – Βιβλίο Δεύτερο ΟΕΔΒ - Αθήνα6) Duncan Tom: (1983) Advanced Physics Fields, Waves and Atoms John Murray – London. 7) Escobar, Hickman, Morse, Preece (1992) The role of laboratory activities in high school physics, Approved by the AAPT executive board , November 1992.8) Zitzewitz, Neff: (1995) Merrill Physics Principles and Problems Glencoe 9) Nelcon, Parker (1982): Advanced Level Physics Heinemnn Educational Books – London.10) Tomasino, Fauris, Parent, Patrigeon, Simon (1995): Physique - Editions Nathan

9