Μικροσενάριο RL σειράς

«Μικροσενάριο με φύλλο εργασίας με βάση μια προσομοίωση-εικονικό εργαστήριο στην ειδικότητα της Ηλεκτρολογίας»

Τίτλος Σεναρίου:

Επίλυση άσκησης σε ηλεκτρικό κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος RL σειράς σε εικονικό εργαστήριο και θεωρητικά.

Γνωστικό αντικείμενο: Ηλεκτροτεχνία ΙΙ (Θεωρία)

Διάρκεια: 2 διδακτικές ώρες

Τάξη: Γ’ ΕΠΑΛ – «Τεχνικός Ηλεκτρολογικών Συστημάτων, Εγκαταστάσεων και Δικτύων»

Διδακτικοί Στόχοι:

Οι μαθητές:

1.      Να επιλύουν άσκηση κυκλώματος εναλλασσόμενου ρεύματος RL σειράς.

2.      Να εμπεδώσουν το νόμο του Ohm και να τον εφαρμόζουν σωστά στα ηλεκτρικά κυκλώματα.

3.      Να κατανοήσουν τη συνδεσμολογία ενός κυκλώματος σειράς RL και τα χαρακτηριστικά μεγέθη του.

4.      Να εμπεδώσουν τις θεωρητικές γνώσεις με πειραματική επαλήθευση.

Υλικοτεχνική υποδομή – Ψηφιακό υλικό

·        Αίθουσα Εργαστηρίου Η/Υ ή Ηλεκτροτεχνίας εφόσον διαθέτει Η/Υ με σύνδεση στο διαδίκτυο για όλες τις ομάδες μαθητών

·        Βιντεοπροβολέας και Η/Υ με σύνδεση στο διαδίκτυο για τον διδάσκοντα

·        Βιβλίο Ηλεκτροτεχνίας Γ’ ΕΠΑΛ αποθηκευμένο σε ηλεκτρονική μορφή στον Η/Υ του διδάσκοντα:

http://ebooks.edu.gr/new/classcoursespdf.php?classcode=DSEPAL-C

·        Εκπαιδευτικό λογισμικό προσομοίωσης TINA PRO εγκατεστημένο στους Η/Υ:

http://en.freedownloadmanager.org/users-choice/Tina_Pro_Full_Version_Download.html

Συνοπτική Περιγραφή

Το μικροσενάριο αφορά στην επίλυση άσκησης ηλεκτρικού κυκλώματος εναλλασσόμενου ρεύματος RL σειράς με πειραματικό και θεωρητικό τρόπο και αναφέρεται στην Ενότητα 5.2.2.α του βιβλίου Ηλεκτροτεχνίας. Μπορεί να ενταχθεί και στη διδασκαλία του μαθήματος «Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνίας και Ηλεκτρικών Μηχανών». Δομείται σε 6 δραστηριότητες από τις οποίες η 2^η, 3^η και 4^η αποτελούν το περιεχόμενο του φύλλου εργασίας (Φ.Ε.).

Το Φ.Ε. είναι ένας οργανωμένος οδηγός ενεργειών που πρέπει να εκτελέσουν οι μαθητές για να επιτευχθεί η επίλυση της άσκησης και οι στόχοι της διδασκαλίας και αποτελεί το κύριο μέρος της, διάρκειας 70΄. Απαραίτητη είναι η συνεχής παρακολούθηση της πορείας εργασίας από τον διδάσκοντα και υποδείξεις, ιδιαίτερα στη θεωρητική επίλυση της άσκησης. Περιλαμβάνει παρατηρήσεις που οδηγούν σε συμπεράσματα μετά από συζήτηση στην τάξη.  

Στην αρχή του μικροσεναρίου γίνεται μια σύντομη αναφορά στο θέμα της διδασκαλίας και ανάκληση των θεωρητικών γνώσεων των μαθητών. Οι μαθητές πληροφορούνται για το πρόβλημα –άσκηση και για το σύνολο των επικείμενων εργασιών μέσα από έναν περιγραφικό προ-οργανωτή του Φ.Ε.

Ακολουθεί η πειραματική επίλυση με τη χρήση του εικονικού εργαστηρίου TINA PRO (Δραστηριότητα 3). Το TINA PRO είναι ένα λογισμικό προσομοίωσης ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, με δυνατότητες υπολογισμού των μεγεθών τους. Οι μαθητές κατασκευάζουν τη συνδεσμολογία, εισάγουν τα δεδομένα και πραγματοποιούν μετρήσεις με όργανα μέτρησης. Η «αγκυροβόληση» της διδασκαλίας σε μια πραγματική κατάσταση μέσω του λογισμικού προσομοίωσης, βοηθά τους μαθητές να κατανοήσουν καλύτερα το κύκλωμα, τα στοιχεία του και τα χαρακτηριστικά τους, τις συνδέσεις και τη λειτουργία του. Η θεωρητική γνώση αφομοιώνεται μέσα από την πράξη και επιτυγχάνονται οι στόχοι 3 και 4. Για το λόγο αυτό αλλά και για την προσέλκυση του ενδιαφέροντος των μαθητών, η χρήση του λογισμικού προηγείται της θεωρητικής επίλυσης,.

Στη συνέχεια (Δραστηριότητα 4) λύνουν την άσκηση με θεωρητικό τρόπο και μεθοδολογία που υποδεικνύεται στο Φ.Ε. (στόχος 1). Ο διδάσκων εφιστά την προσοχή τους στη σωστή εφαρμογή του νόμου του Ohm στα τμήματα και σε όλο το κύκλωμα (στόχος 2).

Οι μαθητές καταγράφουν σε πίνακα τα αποτελέσματα των μετρήσεων και τα θεωρητικά, τα συγκρίνουν και επαληθεύεται έτσι πειραματικά η θεωρητική γνώση (στόχος 4).

Το μικροσενάριο ολοκληρώνεται με τη συνόψιση των κύριων σημείων και των συμπερασμάτων και την αξιολόγηση μέσα από ένα φύλλο αξιολόγησης σε ηλεκτρονική μορφή, που συμπληρώνουν οι μαθητές στο σπίτι.

Το φύλλο εργασίας και το φύλλο αξιολόγησης βρίσκονται σε ηλεκτρονική μορφή στο φάκελο του μαθήματος, στην επιφάνεια εργασίας κάθε Η/Υ και είναι διαθέσιμα στους μαθητές.

Προαπαιτούμενα είναι η διδασκαλία της θεωρίας RL σειράς και η εξοικείωση των μαθητών με το εκπαιδευτικό λογισμικό προσομοίωσης. Οι μαθητές εργάζονται σε ομάδες 2-3 ατόμων,  όπως και στο Εργαστήριο του μαθήματος.

1^η διδακτική ώρα

           

Δραστηριότητα 1 (10΄):

·        Ο διδάσκων αναφέρει στους μαθητές το θέμα της διδασκαλίας

·        Οι μαθητές ανακαλούν τις θεωρητικές γνώσεις των ενοτήτων:

Ωμική αντίσταση στο Ε.Ρ.-Πηνίο στο Ε.Ρ.- Κύκλωμα RL σειράς,

με ερωταπαντήσεις καθοδηγούμενες από τον διδάσκοντα, ο οποίος προβάλλει τα κατάλληλα διαγράμματα και τύπος από το βιβλίο της Ηλεκτροτεχνίας  (σελ.361,364,365, 369, 370). Το κύκλωμα RL (σελ.369, 370) παραμένει σε προβολή ώστε να μπορούν οι μαθητές να το ανακαλούν ανά πάσα στιγμή.  

Δραστηριότητα 2 (8΄):

·        Οι μαθητές χωρίζονται σε ομάδες και μοιράζεται το φύλλο εργασίας, ένα σε κάθε ομάδα. Αυτό περιλαμβάνει:

1.      Την άσκηση (κύκλωμα RL σειράς)

2.      Μια σύντομη περιγραφή της πορείας που θα ακολουθηθεί (προ-οργανωτής)

3.      Την πορεία της εργασίας δομημένη σε βήματα

·        Οι ομάδες μελετούν την άσκηση και το πώς θα εργαστούν (σημεία 1. και 2. του Φ.Ε.) και γίνεται συζήτηση στην τάξη.  

Δραστηριότητα 3 (27΄):

Βήματα 1 -4 του φύλλου εργασίας

·        Πάνω στο σχέδιο του κυκλώματος, οι μαθητές ονομάζουν με γράμματα τα άκρα των στοιχείων του κυκλώματος (Α,Β,Γ) για την καλύτερη εποπτεία των συνδέσεων και σημειώνουν τάσεις και ρεύματα. Οργανώνουν δεδομένα και ζητούμενα.

·        Θέτουν σε λειτουργία το εικονικό εργαστήριο TINA PRO. Εκεί, κατασκευάζουν το κύκλωμα, εισάγουν τα δεδομένα, πραγματοποιούν μετρήσεις με αμπερόμετρο και βολτόμετρα και τις καταγράφουν στο φύλλο εργασίας.

·        Συγκρίνουν το άθροισμα U_R + U_L με τη U και διατυπώνουν ένα συμπέρασμα. Αυτό προκύπτει μέσα από συζήτηση στην τάξη, καθοδηγούμενη από τον διδάσκοντα και με τη βοήθεια της απεικόνισης στον παλμογράφο των κυματομορφών U_R και U_L (διπλή δέσμη).  

2^η διδακτική ώρα

Δραστηριότητα 4 (35΄):

Βήματα 5 -6 του φύλλου εργασίας

·        Οι μαθητές υπολογίζουν τα ζητούμενα της άσκησης με τους τύπους της θεωρίας. Δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στη σωστή εφαρμογή του νόμου του Ohm στα τμήματα του κυκλώματος, ώστε να αντικαθιστούν τα μεγέθη στον τύπο, με τις σωστές τιμές (πολύ συχνό λάθος είναι η λανθασμένη αντικατάσταση). Προτείνεται, σε όλα τα μεγέθη του τύπου, να χρησιμοποιούν δείκτες που να δηλώνουν το τμήμα του κυκλώματος όπου γίνεται η εφαρμογή του νόμου του Ohm κι έπειτα να κάνουν αντικατάσταση. Καταγράφουν τα αποτελέσματα.

·        Επαληθεύουν το διανυσματικό άθροισμα των τάσεων.

·        Επαληθεύουν πειραματικά τη θεωρία, συγκρίνοντας τα θεωρητικά με τα πειραματικά αποτελέσματα. 

Δραστηριότητα 5 (8΄):

·        Ο διδάσκων κάνει μια συνόψιση των κύριων σημείων της συνδεσμολογίας RL σειράς με τη συμμετοχή των μαθητών.

  

Δραστηριότητα 6 (2΄):

·        Ο διδάσκων αποστέλλει στα e-mails των μαθητών, ένα φύλλο αξιολόγησης διάρκειας 20΄για να συμπληρωθεί στο σπίτι και να επιστραφεί στον ίδιο ηλεκτρονικά. Πρόκειται για μια απλή άσκηση RL σειράς.

ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

Τάξη: Γ’ ΕΠΑΛ – «Τεχνικός Ηλεκτρολογικών Συστημάτων, Εγκαταστάσεων και Δικτύων»

Μάθημα: Ηλεκτροτεχνία ΙΙ (Θεωρία)

Ενότητα: Κύκλωμα RL σε σειρά

Μέλη ομάδας:                                                                                            

1.      …………………………………..

2.      …………………………………..

3.      …………………………………..

Χρόνος συμπλήρωσης: 70΄  

1.      ΆΣΚΗΣΗ

Κύκλωμα RL σειράς έχει ωμική αντίσταση R=9Ω και πηνίο με συντελεστή αυτεπαγωγής L=(0,16π) Η. Τροφοδοτείται από εναλλασσόμενη τάση ενεργού τιμής U=10V, f=50Hz.

Να βρεθούν:

1)      Η σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος Ζ

2)      Η ενεργός τιμή της έντασης του ρεύματος Ι

3)      Η τάση U_R

4)      Η τάση U_L  

2.      ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΠΟΡΕΙΑΣ ΠΟΥ ΘΑ ΑΚΟΛΟΥΘΗΣΕΤΕ

·        Αφού μελετήσετε την άσκηση, στο σχέδιο του κυκλώματος, θα σημειώσετε με γράμματα τα άκρα των στοιχείων, τα ρεύματα και τις τάσεις.

·        Θα κατασκευάσετε τη συνδεσμολογία στο εικονικό εργαστήριο TINA PRO και θα πραγματοποιήσετε μετρήσεις για να βρείτε τα ζητούμενα (άγνωστα) στοιχεία της άσκησης.

·        Στη συνέχεια, θα λύσετε την άσκηση χρησιμοποιώντας τους τύπους της θεωρίας.

·        Θα συγκρίνετε τα πειραματικά και τα θεωρητικά αποτελέσματα.

·        Παράλληλα, θα κάνετε παρατηρήσεις σχετικές με τα χαρακτηριστικά του κυκλώματος.

3.      ΠΟΡΕΙΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

Βήμα 1- Μελετείστε την άσκηση 

Να μελετήσετε την εκφώνηση της άσκησης. Πάνω στο σχέδιο που ακολουθεί, να ονομάσετε με τα γράμματα Α, Β τα άκρα της R και Β, Γ τα άκρα του πηνίου L. Πάνω στο σχέδιο, να σημειώσετε τα ρεύματα και τις τάσεις: Ι, Ι_R , Ι_L , U, U_R , U_L . Να σημειώσετε τα δεδομένα και τα ζητούμενα, στις παρακάτω στήλες.

Δεδομένα ………….  ………..... .................. ................. ................. .................

Ζητούμενα …………. …………. ………….. …………. …………. …………..

Βήμα 2 – Κατασκευάστε το κύκλωμα

·        Να ενεργοποιήσετε το εικονικό εργαστήριο TINA PRO στον υπολογιστή σας.

·        Να κατασκευάσετε τη συνδεσμολογία RL σε σειρά.

·        Σύμφωνα με τα δεδομένα, να δώσετε τιμές στην ωμική αντίσταση R, την αυτεπαγωγή L, την τάση της πηγής U και την κυκλική συχνότητα ω*.

*Η κυκλική συχνότητα ω δεν υπάρχει στα δεδομένα της άσκησης. Να την υπολογίσετε από τον τύπο ω=2πf. (π=3,14)          ω = ……………………………………………….

Βήμα 3 – Κάντε μετρήσεις και λύστε την άσκηση πειραματικά

·        Να συνδέσετε ένα αμπερόμετρο σε όποιο σημείο του κυκλώματος επιθυμείτε και τρία βολτόμετρα, ένα στην πηγή, ένα στην ωμική αντίσταση R και ένα στο πηνίο L.

·        Να δώσετε εναλλασσόμενη τάση στο κύκλωμα.

·        Να καταγράψετε τις ενδείξεις των οργάνων στον Πίνακα 1.

	Μετρήσεις στο λογισμικό προσομοίωσης - εικονικό εργαστήριο  TINA PRO	Θεωρητικοί υπολογισμοί
Ρεύμα κυκλώματος I
Τάση UR
Τάση UL
Τάση πηγής U

Πίνακας 1

Βήμα 4 - Παρατηρείστε

·        Να υπολογίσετε το άθροισμα U_R+U_L.  Να το συγκρίνετε με την τάση U της πηγής.

U_R+U_L  =  ........Volt.  U =  ……V      Είναι ίσα; (ναι/όχι) …..………..

Συμπέρασμα: Στο κύκλωμα σειράς RL στο Ε.Ρ, η τάση της πηγής είναι ………………………… από το αλγεβρικό άθροισμα των τάσεων U_R και U_L .

·        Να απεικονίσετε στον παλμογράφο τις κυματομορφές U_R και U_L .

·        Έχουν διαφορά φάσης; (ναι/όχι) …………..

·        Να συζητήσετε στην τάξη, με τον καθηγητή σας, πώς αυτή η διαφορά φάσης επηρεάζει την άθροιση των τάσεων.

Βήμα 5 – Χρησιμοποιείστε τους τύπους και λύστε την άσκηση θεωρητικά

1)      Να υπολογίσετε τη σύνθετη αντίσταση Ζ του κυκλώματος:

Ζ=……………………. (τύπος)

Χρειαζόσαστε το X_L :

X_L =……………(τύπος)

Χρειαζόσαστε το ω (έχει υπολογιστεί στο Βήμα2)

Οπότε:       X_L =………………………………………

Ζ =…………………………………………………………………………….

2)      Να υπολογίσετε την ενεργό τιμή της έντασης του ρεύματος Ι

Εφαρμόζετε το νόμο του Ohm στα άκρα της (συνολικής) σύνθετης αντίστασης Ζ (από το σημείο Α μέχρι το σημείο Γ)

Ι = ………………………………………………………………………………..

3)      Να υπολογίσετε την τάση U_R

Εφαρμόζετε το νόμο του Ohm στα άκρα της ωμικής αντίστασης R (από το σημείο Α μέχρι το σημείο Β)

U_R  = ………………………………………………………………………………..

4)      Να υπολογίσετε την τάση U_L

Εφαρμόζετε το νόμο του Ohm στα άκρα του πηνίου L (από το σημείο B μέχρι το σημείο Γ). Προσέχετε ότι η αντίσταση του πηνίου είναι η X_L και όχι η L.

U_L  = ………………………………………………………………………………..

·        Να καταγράψετε τα αποτελέσματα στον Πίνακα 1. 

·        Για επαλήθευση, να υπολογίσετε την τάση της πηγής U από το διανυσματικό διάγραμμα των τάσεων (βλ. βιβλίο θεωρίας) με το Πυθαγόρειο Θεώρημα, χρησιμοποιώντας τις τιμές που βρήκατε παραπάνω:

U= …………………………………………………………………………………..

Συμπέρασμα:  Στο κύκλωμα σειράς RL στο Ε.Ρ., η τάση της πηγής προκύπτει από το ……………………………   ……..……………………  των τάσεων U_R και U_L .

Βήμα 6 – Επαληθεύστε τη θεωρία με πειραματικό τρόπο

·        Στον Πίνακα 1, να συγκρίνετε τα αποτελέσματα των μετρήσεων του TINA PRO με αυτά που προέκυψαν από τη χρήση της θεωρίας. Τι παρατηρείτε;

 ……………………………………………………………………………………

ΦΥΛΛΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ

Τάξη: Γ’ Ηλεκτρολόγων ΕΠΑΛ

Μάθημα: Ηλεκτροτεχνία ΙΙ

Διδακτική ενότητα: Κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος RL σειράς

Ημερομηνία: ………………….

Ονοματεπώνυμο μαθητή/τριας:  ………………….............                                                                                          

Χρόνος συμπλήρωσης: 20΄  

Κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος RL σειράς

                       

Σε ένα κύκλωμα RL σειράς εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση. Η ωμική αντίσταση είναι 6Ω και η επαγωγική αντίσταση είναι 8Ω. Το κύκλωμα διαρρέεται από ρεύμα 5Α.

Η πτώση τάσης στην ωμική αντίσταση είναι:

……………………………………………………………………………………….

Η πτώση τάσης στην ωμική αντίσταση είναι:

…………………………………………………………………………………………

Η τάση της πηγής είναι:

………………………………………………………………………………………….