Предмет: технология

Разработка учебного кейса по теме:

«Источники и потребители

электрической энергии.

Электрические цепи»

Введение

Знать основы электротехники необходимо каждому человеку уже потому, что наша жизнь без электричества немыслима. Заменить перегоревшую лампочку, собрать елочную гирлянду, заменить поврежденный шнур питания и т.д. и при этом не подвергнуть себя опасности, рассчитать стоимость электрической энергии – далеко не полный перечень умений, которые формирует раздел «Электротехнические работы» программы основной школы по технологии.

Задача

Осуществить сборку модели электроосветительного прибора. Нарисовать схему цепи. Рассчитать стоимость электрической энергии, потребленной прибором за месяц работы.

Дополнительная информация

Электрическим током называется упорядоченное направленное движение заряженных частиц.

Источником тока называется устройство, создающее электрический ток.

Для некоторых бытовых приборов, например фонаря, радиоприемника, нам необходимы небольшие источники электрического тока. Они делятся на две группы — гальванические элементы, которые в быту часто называют батарейками, и аккумуляторы.

Гальванические элементы — это источники тока одноразового пользования. Их принцип работы основан на преобразовании энергии химической реакции в электрическую энергию.

Аккумуляторы отличаются от гальванических элементов тем, что их можно заряжать.

Любой источник тока имеет два полюса — положительный «+» и отрицательный «–». Прежде чем использовать источник тока в виде батарейки или аккумулятора, необходимо правильно определить полярность устройства, для которого предназначен источник тока. При вставке батарейки или аккумулятора в устройство знак «+» источника тока должен совпадать со знаком «+» устройства, а «–» — с «–».

Для беспрерывной выработки электрического тока построены электростанции. Электростанции — это предприятия, вырабатывающие электрический ток. Электрический ток, вырабатываемый электростанциями, поступает в квартиры и различные предприятия.
      На электростанциях электрический ток вырабатывается большими генераторами. Генератор — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.
      Для выработки электрического тока используются разные источники энергии.

На гидроэлектростанциях (ГЭС) используют энергию падающей воды, которая вращает лопасти больших генераторов.

На тепловых электростанциях (ТЭС) используют энергию сгорающего топлива, на атомных электростанциях (АЭС) — ядерную энергию. Существуют также электростанции, использующие ветровую и солнечную энергии.

Для того чтобы засветила электрическая лампочка, заработал телевизор и другие электрические приборы, необходимо собрать электрическую цепь. Самая простая электрическая цепь состоит из источника электрического тока, проводников тока, ключа и потребителя тока.

Источником тока в квартире можно назвать розетку, в которую ток поступает от генератора электростанции.

Проводниками электрического тока являются провода в изолированной оболочке. Они соединяют между собой все элементы электрической цепи.
      В каждой электрической цепи присутствует ключ. Он замыкает и размыкает электрическую цепь. В домашних условиях ключи — это бытовые переключатели, которыми мы включаем и выключаем освещение, а также переключатели на самих бытовых устройствах.

Потребителями электрического тока являются все электрические приборы, такие как чайник, лампочки, телевизор и т. д.

Условные обозначения элементов электрической цепи на схемах

Последовательное соединение проводников

Параллельное соединение проводников

      Какое действие оказывает электрический ток на человека? Мы уже знаем, что проводниками электрического тока могут быть металлические провода. Но электрический ток могут проводить любые вещества, в которых есть носители зарядов.
      Вода является хорошим проводником электрического тока. Об этом необходимо помнить, если на воде вас застала гроза. Нужно срочно пристать к берегу и подождать, пока она пройдет.
      Человеческое тело также является проводником электрического тока. Проходя через тело человека, электрический ток вызывает резкое сокращение мышц и может поразить жизненно важные органы. Нередки случаи смерти при поражении электрическим током.
      Опасность поражения электрическим током требует обязательного соблюдения правил безопасности при работе с электроприборами. Поэтому нельзя самостоятельно проводить ремонтные работы, связанные с неполадками в электрической цепи.
      Мастера-электрики, проводя ремонтные работы, прежде всего отключают электроприбор от электрической цепи, а затем только устраняют неисправность. Производить ремонт различного электрического оборудования можно только инструментом, ручки которого изолированы.

  Нельзя трогать оборванные оголенные провода, свисающие со столбов, они могут находиться под электрическим током. Если случайно взять рукой такой провод, то в результате неконтролируемого резкого сокращения мышц руку самостоятельно освободить невозможно.
      Освобождать пострадавшего от действия электрического тока необходимо, не дотрагиваясь до его тела. Лучше всего для этого воспользоваться резиновыми диэлектрическими перчатками или деревянной палкой. В крайнем случае можно обмотать руку сухой тканью и оттаскивать пострадавшего за части одежды (например, за воротник).

Физическая величина, которая показывает, какой электрический заряд прошел по проводнику за единицу времени, называется силой тока и обозначается буквой I.

      Единица силы тока называется ампером (А). Сила тока зависит от диаметра, длины проводника и вещества, из которого он сделан. Прибор, с помощью которого определяется сила тока, называется амперметром.

Как можно определить наличие электрического тока?

Движение электронов в проводнике мы не видим. Поэтому о наличии электрического тока мы можем судить только по тем действиям или явлениям, которые он оказывает.
      Тепловое действие электрического тока. Проводник, по которому течет электрический ток, нагревается. На этом явлении основана работа всех электронагревательных приборов, таких как утюг, паяльник, электрическая плитка.

Магнитное действие электрического тока. Если к проводнику с током поднести намагниченное тело, например компас, то можно увидеть, что стрелка компаса отклоняется от своего первоначального положения. Это значит, что электрический ток воздействует на другие тела. Магнитное действие электрического тока используется в электромагнитах.

      Химическое действие электрического тока. Если налить в банку дистиллированную (очищенную, не содержащую никаких примесей) воду и опустить в нее проводники, включенные в цепь с источником тока и электрической лампочкой, то лампочка не загорится. Если насыпать в банку медного купороса, то лампочка загорится. Это значит, что в растворе медного купороса появились частицы, способные переносить электрический заряд. Если через раствор медного купороса ток будет протекать достаточно продолжительное время, то можно увидеть, что на одном из электродов осаждается чистая медь. Это свойство электрического тока используется в промышленности для получения чистых металлов.

Под действием электрического поля происходит перемещение по проводнику электронов и возникает электрический ток, следовательно, электрическое поле совершает работу. Работу электрического поля называют работой электрического тока.
      Физическая величина, которая показывает, какую работу совершает электрический ток на участке проводника при перемещении электрического заряда в один кулон, называется электрическим напряжением и обозначается буквой U. Единица электрического напряжения называется вольт (В). Результат работы электрического тока мы наблюдаем при свечении лампочки, нагреве утюга, электроплиты и т. д. При этом электрическая энергия переходит в другие виды энергии: внутреннюю, механическую и т. д. Скорость выполнения работы, совершаемой электрическим током, характеризуется физической величиной, которая называется мощностью. Единицей мощности является ватт (Вт).
      На каждом электрическом приборе (потребителе электрического тока) указаны напряжение и мощность, на которое они рассчитаны. Если на электрической лампе написано: «220 В, 100 Вт», это значит, что при включении данной лампы в электрическую сеть, напряжением 220 В мощность электрического тока, т. е. работа, совершаемая электрическим током по переносу через лампу электрического заряда за единицу времени, будет равна 100 Вт.
      В быту применяется прибор для измерения потребленной электроэнергии (для измерения работы, совершенной электрическим током), который называется электрическим счетчиком. Когда через счетчик проходит электрический ток, то внутри него начинает вращаться диск. Скорость вращения этого диска зависит от силы тока и напряжения. Электрический счетчик показывает, какую работу совершает электрический ток за единицу времени при работе электроприборов, включенных в электрическую цепь. Работа в этом случае выражается в киловатт-часах (кВт/ч).

      В случае с электрической лампой при ее горении работа электрического тока будет равна 100 Вт/ч или 0,1 кВт/ч.

      Тепловое действие электрического тока нашло широкое практическое применение.
      Для обогрева помещений используют рефлекторы и камины. Все более широкое применение находят электрические плиты для приготовления пищи. Электрические утюги, чайники находятся в каждом доме. Несмотря на разное предназначение этих устройств, они имеют единый принцип работы. Все они имеют нагревательный элемент, который сделан в виде проволоки. Нагревательный элемент помещен в кварцевую или керамическую трубку, как, например, в рефлекторах или электрокаминах, либо уложен в пазы керамической пластины, как, например, в электроплитке. Температура, которая достигается в электрических нагревательных приборах, достаточно высокая. Поэтому рядом с ними нельзя размещать предметы, которые могут воспламениться.
      Во многих электроприборах находится элемент электрической цепи, который называется предохранитель. Он служит для того, чтобы в случае возрастания силы электрического тока больше того значения, на которое рассчитан прибор, отключить его и защитить от повреждения.
      Существуют плавкие и автоматические предохранители. Основным элементом в плавких предохранителях является тонкая проволока. Каждый предохранитель рассчитан на определенную силу тока. В случае превышения этого значения протекающего по проволоке предохранителя тока она перегорает и цепь размыкается. Такие предохранители устанавливаются в автомобилях для защиты электрооборудования. В бытовых электрических приборах в основном сегодня используются автоматические предохранители. У них разный принцип работы, но служат они для одного — в случае превышения силы тока больше определенного значения они автоматически разрывают электрическую цепь. Подобные электрические предохранители устанавливают в электрических щитах квартир. Они защищают всю электрическую цепь квартиры.

Скорость выполнения работы, совершаемой электрическим током, характеризуется физической величиной, которая называется мощностью.

      Через спираль лампы за определенное время проходит определенное количество электронов, имеющих электрический заряд.      Чем длиннее плоскость, по которой скатывается шарик, тем большее число соударений с гвоздями он будет испытывать. Электроны, двигаясь по проводнику, сталкиваются с атомами. Следовательно, чем длиннее проводник, тем большее противодействие со стороны атомов испытывают электроны.
      Количество электронов, которое способен пропустить проводник, зависит и от площади его поперечного сечения. Действительно, если ограничить площадь поверхности наклонной плоскости, то запустить в него сразу много шариков не получится. Через коридор одновременно сможет пройти только ограниченное число шариков (рис. 201). Следовательно, чем больше площадь поперечного сечения проводника, тем меньше его сопротивление.

      На примере наклонной доски и шариков мы выяснили, что сам проводник оказывает определенное противодействие проходящему по нему току. Величина, показывающая меру противодействия проводника прохождению по нему электрического тока, называется электрическим сопротивлением проводника и обозначается буквой R.

      Все физические величины, которые характеризуют электрический ток, находятся в тесной взаимосвязи. Изменение значения одной из величин приводит к изменению других. Основной закон, который связывает между собой электрические величины, называется законом Ома. Согласно закону Ома сила тока I на участке цепи равна отношению напряжения U на этом участке к его сопротивлению R: I = U/R.

С помощью закона Ома можно установить, как будет изменяться сила тока при постоянном напряжении. Если уменьшать сопротивление проводника, то сила тока будет резко возрастать. Это и происходит при коротком замыкании. Так называют момент соединения двух точек электрической цепи, подключенных к источнику тока (находящихся под электрическим напряжением), проводником, имеющим слишком маленькое сопротивление для данной цепи (рис. 203).

Именно поэтому нельзя резать провода, которые находятся под электрическим напряжением, ножом. Это непременно приведет к короткому замыканию, провода сильно разогреются и могут расплавиться. А если рукоятка ножа не будет изолирована, то человек получит поражение электрическим током.

По этой же причине нельзя ремонтировать или менять розетку, не отключив источник электрического питания. Замена лампочки в плафоне люстры также требует аккуратности. Если контакты в плафоне лампы находятся под напряжением, то это также может привести к короткому замыканию.

В случае износа или повреждения проводов, например, электрической лампы необходимо их заменить или надежно изолировать, для того чтобы избежать поражения электрическим током или короткого замыкания.

Выполни задание. 

1. Посмотри на рисунок , изображающий гальванические элементы и бытовые приборы. Определи, какой из элементов к какому бытовому устройству подойдет.

2. Опиши очередность своих действий, если перегорела лампа в люстре и требуется ее замена.
3. Рассмотри элементы электрической цепи помещения, в котором ты находишься. Определи, какие из них являются потребителями, какие источниками, какие проводниками электрического тока.
4. Определи, на каком действии электрического тока основана работа электрической лампочки.
5. В помещении круглосуточно горят три лампы мощностью 60, 75 и 100 Вт. Посчитай потребляемую электроэнергию этими лампами за месяц.
6. Определи, какие из электрических приборов, с которыми ты сталкиваешься в жизни, являются нагревательными. Объясни принцип их работы.

7. Какие виды энергии в перечисленных электростанциях преобразуются в электрическую энергию?

Лабораторно-практическая работа "Монтаж электрических цепей"

Работа № I

Сборка электрической цепи, состоящей из источника тока, лампочки, выключателя, соединительных проводов (простая электрическая цепь).

Порядок выполнения работы

1. Начертите в тетради схему простой электрической цепи.(рис1.)

2. Соедините с помощью выключателя, проводов, батарейки и лампочки в соответствии со схемой.

3. Поверните рычажок выключателя, замкните цепь.

4. Проверьте работу цепи.

5. Разомкните цепь.

6. Разберите цепь.

 Работа №2

Сборка электрической цепи, состоящей из источника тока, 2-х лампочек, выключателя, соединительных проводов. (соединение потребителей электроэнергии последовательное).

Порядок выполнения работы

1. Начертите в тетради схему последовательного соединения потребителей электроэнергии из 2-х лампочек.

2. Соедините с помощью выключателя, электрической лампы, проводов и батареи в соответствии со схемой.

3. Поверните рычажок выключателя, замкните цепь.

4. Проверьте работу цепи.

5. Разомкните цепь.

6. Вывернуть одну лампочку.

7. Поверните рычажок выключателя, замкните цепь.

8. Проверьте работу цепи, будет ли гореть другая лампочка?

9. Разомкните цепь.

10.Разберите цепь.

Вопросы 

1. Из каких элементов состоят собранные вами электрические цепи?
2. Назовите материалы, проводящие и непроводящие электрический ток.
3. С какой целью применяются условные обозначения электрической цепи?
4. Подготовить краткий отчет

 В отчете укажите:

1. название работ;
2. схемы электрических цепей;
3. ответы на вопросы.

Работа № 3

Сборка электрической цепи, состоящей из источника тока, 3-х лампочек, переключателя, соединительных проводов.

Порядок выполнения работы

1. Начертите в тетради схему электрической цепи.

2. Соедините лампы накаливания с батареей и переключателем в соответствии со схемой.

3. Передвигая контактный рычаг, поочередно включите лампочки,

4. Разберите цепь.

Работа №4

Сборка электрической цепи, состоящей из источника тока, 2-х лампочек, переключателя, соединительных проводов. (соединение потребителей электроэнергии параллельное).

Порядок выполнения работы

1. Начертите в тетради схему параллельного соединения потребителей электроэнергии из 2-х лампочек

2. Соедините через выключатель лампы накаливания с батареей в соответствии со схемой.

3. Поверните рычажок выключателя, замкните цепь.

4. Проверьте работу цепи.

5. Разомкните цепь.

6. Вывернуть одну лампочку.

7. Поверните рычажок выключателя, замкните цепь.

8. Проверьте работу цепи, будет ли гореть другая лампочка?

9. Разомкните цепь.

10.Разберите цепь.

Вопросы 

1. С какой целью зачищают концы проводов перед подключением их к электроарматуре?
2. Чем отличаются проводники от изоляторов?
3. Из каких элементов состоит простейшая электрическая цепь?
4. Подготовить краткий отчет

В отчете укажите:

1. название работ;
2. схемы электрических цепей;
3. ответы на вопросы.

Подведение итогов.

Разработайте проект «Модель электроосветительного прибора».

Подберите необходимое оборудование, инструменты. Рассчитайте стоимость электрической энергии, потребленной за месяц.

Вставьте пропущенные слова:

В любую электроцепь войдут всегда

Источник, потребитель,… (провода)

При сборке надо знать для ясности

Правила техники…(безопасности)

Не забудем при сборке мы следовательно

Амперметр включаем… (последовательно)

А вольтметр двумя проводами отдельно

Включи к элементам цепи .. (параллельно)

С учетом полярности сводим концы.

Учитель нам скажет, что мы - …(молодцы !)

Методические рекомендации

Данный кейс «Источники и потребители электрической энергии. Электрические цепи» может быть использован в учебном процессе, позволит повысить интерес к специальным дисциплинам у обучающихся.

Данный кейс поможет повторить пройденный материал, самостоятельно освоить темы пропущенных занятий, закрепить изученный материал.

Метод кейсов позволяет на каждом занятии экономить учебное время, которое можно использовать для углубления и закрепления изучаемого материала, индивидуальной и творческой  работы с обучающимися.

Предлагаемая технология обучения основана на реальных жизненных ситуациях, поэтому обогащает обучающихся фактическим материалом, развивает интеллект, творческие способности, образное мышление, учит из множества решений находить самое рациональное и оригинальное.

Глоссарий

Электрический  ток -  упорядоченное направленное движение заряженных частиц.

Источник  тока - устройство, создающее электрический ток.

Гальванические элементы  -  это источники тока одноразового пользования.

Их принцип работы основан на преобразовании энергии химической реакции в электрическую энергию.

Электростанции — это предприятия, вырабатывающие электрический ток.

Генератор — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

Сила тока - физическая величина, которая показывает, какой электрический заряд прошел по проводнику за единицу времени. Обозначается буквой I.

Электрическое напряжение - физическая величина, которая показывает, какую работу совершает электрический ток на участке проводника при перемещении электрического заряда в один кулон. Обозначается буквой U. Единица электрического напряжения называется вольт (В).

Электрический счетчик - прибор для измерения потребленной электроэнергии (для измерения работы, совершенной электрическим током).

Мощность - скорость выполнения работы, совершаемой электрическим током.