Seite 1 von 3 EXPERIMENTELLES SEMINAR II FÜR LA MIT
Werbung
D IDAKTIK DER P HYSIK EXPERIMENTELLES SEMINAR II FÜR LA SEMESTERWOCHE 09 MIT UNTERRICHTSFACH PHYSIK (RS, HS, GS) THEMA: REIHEN- UND PARALLELSCHALTUNG – GRUNDLAGEN UND ANWENDUNGEN Zu diesem Thema gibt es mehr Versuche als Gruppen. Wählen Sie in Absprache mit dem Kursleiter bewusst und frühzeitig aus, welchen Versuch Sie am Versuchsnachmittag durchführen wollen! Natürlich müssen Sie sich auch mit den Kommilitone/innen absprechen. Gruppe 1 1.1 Führen Sie einen Demonstrationsversuch vor, mit dem die Kirchhoff´schen Regeln bestätigt werden können! Fertigen Sie jeweils auch eine Schaltskizze einschließlich der erforderlichen Messgeräte an. Formulieren Sie Ihre Erkenntnisse in Worten und halten Sie diese in mathematischer Symbolsprache fest. 1.2 Schalten Sie ein Lämpchen L1: 6V/0,6W und ein Lämpchen L2: 6V/3W in Reihe und betreiben Sie die Schaltung mit einem regelbaren Netzgerät (0 - 30V / 0 - 2,5A)! Was erwarten Sie, wenn Sie die Netzspannung vorsichtig hochregeln? Begründen Sie Ihre Erwartung! Führen Sie nun den Versuch durch und erhärten Sie Ihre Begründung durch eine geeignete Messung! 1.3 Bauen Sie nebenstehende Schaltung auf und stellen Sie die Spannung so ein, dass das Lämpchen leuchtet! (Wenn ein Lämpchen mit den angegebenen Daten nicht zur Verfügung steht, verwenden Sie eines mit vergleichbarem el. Widerstand!) Dunkeln Sie dann den Fotowiderstand mehr und mehr ab und beobachten Sie die Spannungsanzeige! Erklären Sie das Meßergebnis! Formulieren Sie für die Reihenschaltung den Zusammenhang zwischen den Widerständen und den daran anliegenden Spannungen in Worten und in mathematischer Kurzschreibung! Gruppe 2 2.1 Betreiben Sie ein Lämpchen (12V / 0,1A) bei voller Leistung. Schalten Sie nun ohne die Spannung zu verändern eine zweite, baugleiche Lampe in Reihe! Wie hell werden die beiden Lampen jetzt im Vergleich zu vorher leuchten? Begründen Sie Ihre Voraussage und überprüfen Sie diese experimentell! 2.2 Demonstrieren Sie zwei Möglichkeiten die Lampen bei voller Helligkeit leuchten zu lassen. Begründen Sie ausgehend von diesem Versuch wie die Haushaltsgeräte geschaltet sein müssen! 2.3 Ein Lämpchen mit den Kenndaten 6V / 40mA soll betrieben werden. Es steht aber nur eine Stromquelle mit einer Spannung von 6V zur Verfügung. Welche Beschaltung ist vorzunehmen, damit das Lämpchen nicht durchbrennt? Zeichnen Sie einen Schaltplan und führen Sie zuerst eine Rechnung durch! 2.4 Schätzen Sie im Kopf die Leistungsaufnahme des vorgeschalteten Widerstandes und den Wirkungsgrad der Lämpchenschaltung! ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ G:\D1\ExpSem\ESemUFP2\SW09\ESemUFP2-SW109-Reihen- und Parallelschaltung (Grundl u Anwdngn.docx Seite 1 von 3 ESemUFP2-SW109-Reihen- und Parallelschaltung (Grundl u Anwdngn.docx Gruppe 3 3. Ein Lämpchen mit den Kenndaten 12V / 0,1A soll betrieben werden. Es steht aber nur eine Stromquelle mit einer Spannung von 25V zur Verfügung. 3.1 Demonstrieren Sie – zuerst mit Hilfe eines Drahtes und dann mit einem Schiebewiderstand – das Prinzip der Spannungsteilung! 3.2 Lösen Sie das „Lämpchenproblem“ mit Hilfe einer Spannungsteilerschaltung! Gehen Sie so vor, dass Sie zuerst mit Hilfe eines Spannungsteilers die erforderliche Spannung herstellen und schließen Sie dann das Lämpchen an! Verwenden Sie zur Spannungsteilung einmal einen Schiebewiderstand von 11Ω und dann einen mit 320Ω und erklären Sie die unterschiedlichen Beobachtungen! Welche der beiden Alternativen ist die günstigere und warum? Welche Regel ergibt sich daraus für die Dimensionierung von Spannungsteilerschaltungen! 3.3 Ein Gerät mit der Betriebsspannung UG und dem Betriebsstrom IG wird an einem Spannungsteilerwiderstand betrieben, dessen Widerstand gerade ein Zehntel des Gerätewiderstandes betragen soll. Die zur Verfügung stehende Spannung betrage Uo . Berechnen Sie die Werte der Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 in Abhängigkeit von den Gerätedaten und der Spannung U0. Gruppe 4 Wagenscheins 3-Lampen-Versuch 5.1 Drei gleiche Lampen werden entsprechend der Abbildung an eine Quelle angeschlossen. Zunächst ist der Schalter offen. Überlegen Sie was passiert wenn der Schalter geschlossen wird. Argumentieren Sie qualitativ! Überprüfen Sie ihre Hypothese durch schließen des Schalters! max. 10V 5.2 Wie verhalten sich bei geschlossenem Schalter - I1 zu I2 - I2 zu I3 - U1 zu U2 - U2 zu U3 Begründen Sie Ihre Ergebnisse ohne schriftliche Rechnung! 5.3 Wie verhalten sich die Stromstärken durch Lämpchen 1 bei offenem und geschlossenem Schalter? (QS=7) Gruppe 5: Messbereichserweiterung >60mA 6 mA 3.1 Der Messbereich eines Strommessers (kein Messgerät mit eine Digitalanzeige, sondern ein Zeigerinstrument verwenden!)soll von 6mA auf 60mA erweitert werden. Führen Sie diese Erweiterung entsprechend dem nebenstehenden Aufbau konkret durch! Ermitteln Sie dazu zuerst den Innenwiderstand des Messgeräts, berechnen Sie dann den Wert des notwendigen Shunts und stellen Sie sich dann einen solchen Widerstand her! 2.2 Erweitern Sie den Messbereich eines Spannungsmessers von 1V auf 10V! ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ UNIVERSITÄ T R EGENSBURG – F ACHDIDAKTIK P HYSIK – J.R. G:\D1\ExpSem\ESemUFP2\SW09\ESemUFP2-SW109-Reihen- und Parallelschaltung (Grundl u Anwdngn.docx Seite 2 von 3 ESemUFP2-SW109-Reihen- und Parallelschaltung (Grundl u Anwdngn.docx Gruppe 6: Innenwiderstand einer Stromquelle 6.1 Messen Sie die Leerlaufspannung einer 9V-Batterie. Betreiben Sie nun ein Lämpchen mit der Batterie und messen Sie dabei die Spannung am Ausgang der Batterie und den Lämpchenstrom! Erklären Sie die Messergebnisse anhand eines Ersatzschaltbildes und bestimmen Sie den Innenwiderstand der Batterie! 6.2 Bereiten Sie eine Präsentation vor (übersichtlichen Tafelanschrieb überlegen!), in der Sie auf zwei verschiedene Arten erklären, wie die Ausgangsspannung einer Stromquelle von der Belastung der Stromquelle abhängt! Gruppe 7: Widerstandsmessbrücke und Dehnungsmessstreifen 5.1 Informieren Sie sich über den Aufbau und die Funktionsweise eines Dehnungsmeßstreifens! 5.2 Messen Sie mit einem Widerstandsmesser den el. Widerstand des auf einen Plexiglasstab aufgeklebten Dehnungsmeßstreifens und messen Sie, in welchem Bereich sich der el. Widerstand des Meßstreifens verändert, wenn der Stab gebogen und damit der Meßstreifen gedehnt wird! 5.3 Bauen Sie aus dem Dehnungsmeßstreifen, zwei 2,2 kOhm-Widerständen und einem Drehpotentiometer (1 kOhm) eine Meßbrückenschaltung (Info siehe unten!) auf, legen Sie eine Gleichspannung von max. 10V an und bringen Sie mit Hilfe des Potentiometers die Meßbrücke zum Abgleich! 5.4 Verbiegen Sie jetzt das Kunststofflineal und stellen Sie die Differenzspannung mit Hilfe eines Zeigerinstruments dar! Wie kann man diese Anordnung als Kraftmesser kalibrieren? Info: Widerstandsmeßbrücke Verhalten sich die Widerstände R1 und R2 so, wie die Widerstände R3 und R4, so tritt keine Ausgangsspannung UA auf. Die Brücke ist abgeglichen. Dies ist unabhängig von einer etwaigen Schwankung von UE der Fall. Überlegen Sie dies, mit Hilfe der Maschenregel! Verändert sich nun der Widerstand R1 um einen Wert dR, dann ergibt sich eine Ausgangsspannung UA, die linear mit dR wächst. Selbststudium Arbeiten mit den Simulationsprogrammen Telektra und Crocodile Physics (auf den Rechnern der Physikdidaktik installiert!) a. Simulieren Sie zwei Schaltungen zur Bestätigung der Kirchhoff´schen Regeln! b. Simulieren Sie den Realversuch von Gruppe 5! c. Bei Zeit: Simulieren Sie noch weitere Schaltungen aus den Versuchen der anderen Gruppen! Literaturstudium und/oder Internetrecherche zu folgenden Fragen: a. Worin besteht die Gefährdung des el. Stromes für den Menschen? b. Welche Stromstärken sind für den menschlichen Körper gefährlich? c. Wovon hängt die durch den Körper fließende Stromstärke ab? d. Welche Spannungen sind gefährlich? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ UNIVERSITÄ T R EGENSBURG – F ACHDIDAKTIK P HYSIK – J.R. G:\D1\ExpSem\ESemUFP2\SW09\ESemUFP2-SW109-Reihen- und Parallelschaltung (Grundl u Anwdngn.docx Seite 3 von 3 ESemUFP2-SW109-Reihen- und Parallelschaltung (Grundl u Anwdngn.docx e. Warum ist Wechselstrom der Frequenz 50Hz gefährlicher als Gleichstrom? http://www.lfas.bayern.de/publ/e-energ/e-energ.htm ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ UNIVERSITÄ T R EGENSBURG – F ACHDIDAKTIK P HYSIK – J.R. G:\D1\ExpSem\ESemUFP2\SW09\ESemUFP2-SW109-Reihen- und Parallelschaltung (Grundl u Anwdngn.docx Seite 4 von 4
