Sähköilmiöt: 8. luokan fysiikan oppitunti

Fyysisen opetustunti 8. luokalle aiheesta: «Sähköiset ilmiöt»
Tunnin tavoite:

1. Kertaa ja jäsennä aihepiirin «Sähköiset ilmiöt» keskeiset periaatteet ja lait

2. Edistää oppilaiden tiedonhankintatoimintaa ja kiinnostusta fysiikkaan

3. Tukea etsivän asenteen ja yhteistyön henkeä sekä osoittaa tämän aiheen tietojen käytännöllinen merkitys

4. Edistää ryhmässä toistensa auttamista

5. Opettaa lapsia itsenäisesti ja objektiivisesti arvioimaan omaa työtään

Tunnin kulku:
1 Organisointivaihe
Lapset! Kaikilla edellisillä tunneilla olemme käsitelleet aihetta «Sähköiset ilmiöt». Ja tänään meidän on vedettävä yhteen kaikesta siitä, mitä olette oppineet ja mitä osaatte — siitä, mistä tänään puhumme, te tiedätte. Joten ei tarvitse pelätä, vaan keskittyä ja asennoitua siihen, että te tiedätte kaiken, ja silloin suoriudumme mistä tahansa tehtävästä.

1. asema – Teoreettinen
   Vastatkaa kysymyksiin, ja muistakaa merkitä vihkoon rastilla oikein vastatut kysymykset.

2. Mikä on sähkövirta?

3. Miten Ohmin laki lausutaan?

4. Jännitteen yksikkö?

5. Resistanssin yksikkö?

6. Mitkä aineet ovat eristeitä?

7. Mistä hiukkasista atomin ydin koostuu?

8. Mikä laite mittaa sähkövirran voimakkuutta?

9. Virran voimakkuuden mittayksikkö?

10. Mikä laite on tarkoitettu jännitteen mittaamiseen?

11. asema – Vertailu
    Nimetkää kaksi johtimien yhdistämistapaa. Antakaa vertailu näille yhdistelmille.
    Sarja­­yhdistys                                      Rinnakkaisyhdistys

12. Piirin elementit yhdistyvät                  1. Piirin elementit yhdistyvät
    

       sarjassa                                              rinnakkain

13. Vakioarvo:                                     2. Vakioarvo:
        sähkövirta                                               jännite

14. Jos yksi kuormittaja                         3. Piiri toimii, vaikka yksi
        vikaantuisi, koko piiri                        kuormittajista vikaantuisi.
        avautuisi

15. asema – Tehtäväasema
    Jokaiselle oppilaalle annetaan yksilöllinen tehtävä. Kun he ratkaisevat sen, heidän on taulukkoon löydettävä oma vastauksensa ja nimettävä koodi – kirjain. Jos ratkaiset oikein, muodostuu sananlasku.

№
Tehtävän tiedot
Kirjain­koodi
1
I = 5 A, U = 220 V, R = ?
 B
2
R = 1000 Ω, U = 220 V, I = ?
 G
3
0,5 kA = ? A
 R
4
0,22 kV = ? V
 O
5
I = 25 A, R = 4 Ω, U = ?
 Z
6
0,127 kV = ? V
 U
7
Sarjayhdistelmä:
I₁ = 100 A, I₂ = 100 A, I = ?
 Z
8
Rinnakkaisyhdistelmä:
U₁ = 220 V, U₂ = 220 V, U = ?
 O
9
I = 10 A, U = 150 V, R = ?
 N
10
ρ = 1,1 Ω·mm²/m, l = 1 m, S = 0,1 mm², R = ?
 T
11
2 kΩ = ? Ω
 I
12
100 cm = ? m
 K
13
Sarjayhdistelmä:
I₁ = 15 A, I₂ = 15 A, I = ?
 N
14
0,800 kA = ? A
 E
15
I = 10 A, U = 1000 V, R = ?
 Z
16
Rinnakkaisyhdistelmä:
I₁ = 20 A, I₂ = 40 A, I = ?
 A
17
0,030 kV = ? V
 Š
18
2 kA = ? A
 I
19
I = ?, U = 110 V, R = 10 Ω
 T
20
I = 1 A, U = 60 V, R = ?
 A

VASTAUKSET
KIRJAIN­KOODI
0,22
G
500
R
220
O
100
Z
2000
I
15
N
11
T
1
K
30
Š
60
A
800
E
127
U
44
V

Näin syntyy tomilainen sananlasku «Ukko­tammella ukkosta ei voi välttää».

4. asema – Kirjallinen
   Selittäkää sananlaskun merkitys: «Ukotammella ukkosta ei voi välttää».
   Vastatkaa kysymyksiin:
   

   ? Mikä on ukkonen? (Ukkonen on ilmakehän ilmiö, jossa pilvissä tai pilven ja maan välillä syntyy sähköisiä purkauksia — salamat, joihin liittyy ukkonen. Tavallisesti ukkonen muodostuu voimakkaissa kumpu–sadekuuropilvissä ja liittyy rankkasateeseen, raekuuroihin ja puuskaiseen tuuleen.)
   
   ? Selittäkää vielä toisen sananlaskun, korealaisen, merkitys: Suojautuakseen salamalta päälaelle ei laiteta sankoa.
   ? Mikä on salama? (Sähköpurkaus, joka voi johtaa elävien olentojen kuolemaan.)
   ? Minkä laitteen tutkijat Lomonosov ja Franklin keksivät johdattaakseen salaman purkauksen pois asunnostaan? (Salaman­ohjain eli ukkosjohtin)
   ? Mihin niitä käytetään?

Pieniä tietoja salamanohjaimesta
Salamanohjain (arkikielessä myös «ukosto­ohjain») on laite, joka asennetaan rakennuksiin ja tarkoitettu suojaamaan salamaniskulta.
Sen uskotaan keksineen Benjamin Franklin vuonna 1752, vaikka on todisteita, että vastaavanlaisia rakenteita oli käytössä ennen tuota vuotta (esim. Nevjanski-torni, paperilennokit Jacques Romain).
Se koostuu kolmesta toisiinsa kytketystä osasta:

1. Salamanotain — vastaanottaa salaman purkauksen, sijaitsee kohdassa, jossa yhteys salaman kanavaan todennäköinen; voi olla metallinen piikki, johtavaa materiaalia oleva verkko tai metallikaapeli rakennuksen yläpuolella

2. Maadoitusjohto tai virrankuljetin — johdin, joka johtaa varauksen salamanottimesta maadoittimeen; yleensä riittävän poikkipinta-alan omaava johto

3. Maadoitin — johto tai useampi toisiinsa yhdistetty johto, jotka ovat kosketuksissa maaperään; yleensä metallilevy, joka on upotettu maahan

Salamanottimen, maadoitusjohdon ja maadoittimen osat kytketään ja kiinnitetään tukirakenteeseen. Koska salaman iskun riski kasvaa maanpäällisen kohteen korkeuden myötä, salamanotin sijoitetaan mahdollisimman korkealle — joko suoraan suojauskohteeseen tai erilliseen rakennelmaan lähellä suojattavaa kohdetta.
Kuten näemme, talo todella kohtaa vaaran, jolta sen pelastaa salamanohjain johdattamalla purkauksen maahan.

Muutamia faktoja

L. N. Tolstoi. Kuinka poika kertoi, kuinka ukkonen kohtasi hänet metsässä.
«Yhtäkkiä tuli pimeä, alkoi sataa ja jyrisi. Pelästyin ja istahdin suuren tammipuun alle. Salama välähti niin kirkkaasti, että silmiäni sattui ja nipistin silmäni kiinni. Pääni päällä räiskähteli ja jyrisi; sitten jotain osui päähäni. Kaaduin ja makasin kunnes sade lakkasi. Kun heräsin, koko metsä valui puista, linnut lauloivat ja aurinko leikki. Suuri tammi oli rikkoutunut ja kannosta nousi savua. Ympärilläni olivat palasia tammesta. Pukuni oli täysin märkä ja tarttui ihoon, päässäni oli kyhmy ja tuntui hieman kipeältä.»
? Mitä poika ei tiennyt, kun salama iski häneen?
? Mitkä ovat käyttäytymissäännöt ukkosella?
Pojalla ei ollut tietoa siitä, että salama iskee usein korkeisiin ja erillään seisoviin kohteisiin. Salamaniskulta välttyäkseen on noudatettava seuraavia perustavia sääntöjä:

• Älä lähesty korkeita kohteita (puita, pylväitä) eikä salamanottimia, varsinkaan nojautua niihin

• Älä pysy korkeilla tai avoimilla paikoilla

• Älä oleskele jokien, purojen ja vesistöjen rannoilla; älä ui niissä
  ? Mitä tehdä, jos ihminen on saanut salamaniskun?
  (Ennen lääkärin saapumista: tehdä keinokuiva­hengitys.)

SALAMA
Salaman arvaamaton käyttäytyminen on outoa ja käsittämätöntä. Salama voi tappaa ihmisen ilman että se koskettaa hänen vaatteitaan, voi riisua henkilön alasti vahingoittamatta häntä, polttamalla vain vaatteet. Joskus salama polttaa vain alusvaatteet, ylävaate jää vahingoittumattomaksi. Merkitystä on enemmänkin maaperän johtavuudella kuin puun korkeudella; salama iskee usein puihin, joiden juuristo on kehittynyt syvälle ja maaperä on kosteaa.
Salama kulkee mieluiten johtavien hiukkasten kokoontumisalueiden kautta. Kerran salama iski matalaan putkeen korkean putken läheisyydessä, koska matala putki savusi ja savu on hyvä sähkönjohde. Salama voi iskeä lentokoneeseen, joka päästää pakokaasuja ukkospilven läheisyydessä. Salamaniskun vaikutus maaperään riippuu maakerrosten johtavuudesta, maan rakenteesta ja kosteudesta. Esimerkiksi salama iskee useammin savimaahan kuin hiekkaan, koska saven johtavuus on suurempi. Usein salama iskee kuruissa ja rotkoissa, koska kosteutta kertyy pohjalle ja joskus virtaavat purot.

Tehtävä «Arvaa sukunimi».
Nimeä tiedemies, jonka sukunimi on viisi kirjainta:
Ensimmäinen kirjaimen on ensimmäinen sähkövirran lähteen nimessä vaadittavasta latauksesta; toinen on toinen kirjain resistanssin yksikön nimessä; kolmas on kolmas kirjain virran voimakkuutta mittaavan laitteen nimessä; neljäs on neljäs kirjain sähkövirran yksikön nimessä; viides (ja viimeinen) on viimeinen kirjain jännitteen mittauslaitteen nimessä.
Vastaus: Amper.

Kuvittelemme tämän tilanteen. Meille on tullut ilmoitus: Huomio! Veto!
Teidän on monilaitteellisessa kaupungissa löydettävä etsittävät ja kerrottava laitteesta kaikki, mitä tiedätte. Kuunnelkaa tarkasti.
Salainen nimimerkki – Galvanometri.
Se voi vaihtaa ulkoasuaan, olla laboratoriolaite, demonstrointilaite tai tekninen. Nimensä se sai ranskalaisen fyysikon ja matemaatikon mukaan. Se toimii sarjassa. Rinnassa sillä on kuva latinalaisen aakkosen ensimmäisestä kirjaimesta.
Mistä laitteesta on kyse? (ampeerimittari)
Se muistuttaa ulkoisesti kumppaniaan. Se vaihtaa ulkoasuaan, toimii harkiten, yksin vuorovaikutuksessa kohteensa kanssa. Sen toimintatyyli on rinnakkainen. Rinnassa sillä on kuva latinalaisen sanan VICTORY ensimmäisestä kirjaimesta (jäähdytysmitari) (volttimittari)

Taukohetki.
Lapset, kerran suuria ajattelijoita kuten Sokratesa kysyttiin, mikä elämän helpointa? Hän vastasi, että opettaa toisia on helpointa, mutta itsensä tunteminen on vaikeinta.
Fysiikan tunneilla puhumme luonnon tuntemisesta. Mutta tänään kurkistetaan «sisimpäämme». Miten me koemme ympäröivän maailman? Taiteilijoina vai ajattelijoina?
Nouskaa, kohottakaa kädet ylös, venytelkää.
Kietokaa sormenne yhteen.
Katso, kumpi sormi — vasemman vai oikean käden — jäi päällimmäiseksi? Tuloksen kirjaa «V» (vasen) tai «O» (oikea).
Risti kädet rinnallenne («Napoleonin asento»). Kumpi käsi on päällä?
Taputtakaa käsiänne. Kumpi käsi on päällä?
Vedetään yhteen.
Oletetaan, että tulos «VVV» vastaa taiteellista persoonallisuustyyppiä, ja «OOO» ajattelijatyypille.
Mikä ajattelutapa dominoi luokassanne?
Jotkut ovat «taiteilijoita», jotkut «ajattelijoita», mutta useimmat ovat harmonisesti kehittyneitä persoonia, joissa toimii sekä looginen että kuvallinen ajattelu. Ja nyt voimme siirtyä ulkoisen maailman tuntemiseen.

«Ihmisen turvallisuus».
Opettaja: Elämässä kohtaamme monia sähkölaitteita.
Jokaisen, joka kohtaa sähköasennuksia, on ymmärrettävä selvästi sähkövirtaan liittyvä vaara, noudatettava tarkasti työturvallisuusohjeita ja osattava auttaa loukkaantunutta.

• Mikä sähkövirran voimakkuus on ihmiselle turvallinen? (noin 1 mA)

• Mikä virta aiheuttaa vakavia vammoja? (10 mA)

• Mikä virta on hengenvaarallinen? (yli 100 mA)

• Korkea jännite on hengenvaarallinen.

• Mikä jännite on turvallinen kosteassa tilassa? (enintään 12 V)

• Ja mikä jännite on turvallinen kuivassa tilassa? (enintään 36 V)

4. Kilpailu «Etsi virhe!»
   Mutta jotta voisimme aloittaa työn, meidän on muistettava turvallisuussäännöt.
   Kokoamisen yhteydessä on oltava selvillä turvallisuussäännöt…
   Muistetaan, että kytkettäessä ampeerimittari kytketään … (sarjaan)
   Ja volttimittari kytketään kahdella johdolla erikseen piiriin … (rinnakkain)

5. Pöydällä: virtalähde, volttimittari, lamppu, reostaatti, liitäntäjohdot, kytkin. Kootkaa piiri kaavion mukaan; tutkikaa, miten volttimittarin osoittamat arvot ja lampun hehku muuttuvat, kun reostaatin liukusäädintä siirretään. (1 oppilas)

6. Pöydällä: virtalähde, volttimittari, ampeerimittari, reostaatti, vastus, kytkin, liitäntäjohdot. Kootkaa piiri kaavion mukaan, mittaamalla virta ja jännite vastuksessa eri liukusäädinten asennoissa (1,2,3,4). Esittäkää mittaustulokset taulukkona. Piirtäkää saatujen tulosten perusteella graafi. Tehkää johtopäätös. (1 oppilas)

Tunnin yhteenveto.
Venäläisrunoilija Jakov Petrovitsh Polonski sanoi 1800-luvulla:
Tieteen valtakunnalla ei ole rajaa —
Jossain sen ikuisen voiton jäljet,
Sanan ja teon yhdistys,
Voima ja valo.
Näitä sanoja voi hyvin soveltaa merkittävään tieteenalaamme — fysiikkaan, joka on antanut meille niin paljon löytöjä ja valottanut elämäämme kirjaimellisesti ja kuvainnollisesti. Ja kuinka paljon vielä tuntematonta ympärillämme! Kuinka suuri toiminta-ala uteliaalle mielelle, taitaville käsille ja tutkivalle luonnolle! Lanseeratkaa siis oma «ikuinen ajattelijanne», ja eteenpäin!

«Fysikaalinen viestikisa» (yhdistä nuolilla).

Elämäntarina
Saksalainen fyysikko Georg Simon Ohm (1787–1854), jonka mukaan sähkövastuksen yksikkö on nimetty ja joka on esimerkillinen sähkötekniikan laki, syntyi 16. maaliskuuta 1787 Erlangenissä (Bayern). Hänen isänsä oli kaupungin tunnettu mekaanikkomestari. Poika Ohm auttoi isää pajassa ja oppi paljon. Hän olisi voinut jatkaa isän työtä mekaanikona, mutta Ohmilla oli kunnianhimo tulla tiedemieheksi ja toimia Saksan parhaissa yliopistoissa. Hän aloitti opintonsa Erlangenin yliopistossa ja valmistui vuonna 1813. Hänen ensimmäinen työnsä oli fysiikan ja matematiikan opettaja reaalikoulussa Bambergissa.

Esitys «Sähköiskun tärkeimmät syyt»

Esimerkki 1. Henkilö, joka seisoo hyvin eristävällä pohjalla (esim. kuivalla puulattialla), koskee samanaikaisesti kahta johtoa, jotka ovat jännitteellisiä. Tällöin kehon kautta, sydämen ja keuhkojen kautta, kulkee virta kädestä toiseen. Tämä johtaa sydämen ja keuhkojen toiminnan häiriöihin. Kun jännite johtojen välillä ylittää 36 V (ellei virta katkaista nopeasti), sähköisku usein on kohtalokas.

Esimerkki 3. Henkilö seisoo hyvin johtavalla pohjalla, esimerkiksi kostealla maalla tai betonilattialla, ja koskettaa jännitteellistä johtoa. Virta kulkee kehon läpi käsikoskettelu­kohdasta jalkoihin. Seuraukset vastaavat edellisiä tapauksia. Siksi ei pidä koskaan lähestyä maahan pudonneita jännitteellisiä johtoja.

Esimerkki 4. Henkilö pitää kädessään sähkölaitetta, jonka syöttöjohto tai laitekäämi on koskettanut koteloa, ja samaan aikaan koskettaa maadoitettua esinettä. Virta kulkee kehon läpi maahan.

Vedetään yhteen:

– On vaarallista koskea samanaikaisesti kahteen jännitteiseen johtoon.
– On vaarallista koskea yhtä johtoa ja maadoitettua kappaletta samanaikaisesti.
– On vaarallista käyttää viallista sähkölaitetta.
– On vaarallista olla johtavalla alustalla ja koskea pudonneeseen jännitteiseen johtoon.

Oppilaan esitys «Sähkötyötapaturmia ehkäisevät varotoimet»

«Sähkövirran vaikutus ihmiseen»
Vielä kerran muistutan, että ihmisen keho on johtava. Sähkövirta kulkiessaan ihmiskehon läpi ärsyttää ja stimuloi elävää kudosta. Virran vaikutus eläviin kudoksiin on moninainen. Virran kulkiessa kehon läpi se aiheuttaa lämpö-, elektrolyysi-, mekaanista, biologista ja valovaikutusta.
Lämpövaikutuksessa kehon kudokset ylikuumentuvat ja elintoiminnot häiriintyvät virran kulkureitillä.
Elektrolyyttisessä vaikutuksessa virta aiheuttaa kudosten nesteissä elektrolyysin, mukaan lukien veressä, ja häiritsee sen fysikaalis-kemiallista koostumusta.
Mekaaninen vaikutus voi johtaa kudoksen repeämiin, kerrostumiseen tai kudoksista höyrystyvän nesteen aiheuttamaan iskun. Se liittyy lihasten voimakkaaseen supistumiseen jopa niiden repeytymiseen.
Biologinen vaikutus ilmenee hermoston ärsytyksenä ja liikayliherkkyytenä.
Valovaikutus voi vahingoittaa silmiä.

Sähköiskun vakavuus riippuu kehon kautta kulkeneesta virrasta, virran tyypistä (tasavirta vai vaihtovirta), sen kestoajasta sekä reitistä kehossa. Suurin riski syntyy, jos virta kulkee aivojen tai hengitystä ja sydäntä säätelevien hermokeskusten kautta.
Pidetään yleisesti, että sähkövirta voi aiheuttaa sydämen halvaantumisen. On mielenkiintoista, että virta 0,05–0,1 A on ihmiselle erityisen vaarallinen. Jos virta on selvästi yli 0,1 A, ei välittömiä kuolemantapauksia välttämättä tule, mutta vakavat palovammat voivat syntyä. Kirjallisuudessa on kuvattu tapauksia, joissa sähköistyksen aikana voimakas virta ei heti saavuttanut odotettua vaikutusta ja henkilö kirjaimellisesti alkoi palaa ennen kuolemaa.

Esitys «Ensiapu sähköiskussa»

Mielenkiintoista: salamat ylemmässä ilmakehässä
Vuonna 1989 havaittiin erityinen salamatyyppi — hulda­salama (elfit), yläilmakehän salamat. Vuonna 1995 löydettiin toinen yläilmakehän salamatyyppi — jetit.
Elfit