Методическое пособие к лабораторной работе «Измерение переменного электрического напряжения.» по дисциплине «Физика»

Методическая разработка открытого занятия по теме «Измерение переменного электрического напряжения» дисциплины «Физика»

Штырляева Галина Валерьевна

Преподаватель технических дисциплин

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «ДХТ им Красной Армии»

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«ДЗЕРЖИНСКИЙ ХИМИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ ИМЕНИ КРАСНОЙ АРМИИ»

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА тема: «Измерение переменного электрического напряжения»
дисциплина: ОУД.14 ФИЗИКА для студентов и преподавателей курс 1 специальности 15.02.12 " Монтаж, техническое обслуживание и ремонт промышленного оборудования (по отраслям) "

Выполнил: преподаватель Штырляева Г.В. фамилия, имя, отчество

2024 г.

ОДОБРЕНО Учебно-методической комиссиией технических дисциплин Протокол № __ От « » 2024г. Председатель комиссии Штырляева Г.В.	Составлено в соответствии с Государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускника по дисциплине «Физика»

Методическая разработка. ГБПОУ «ДХТ им Красной Армии», Дзержинск, 2024 год. – 22 стр.

Составитель: преподаватель Штырляева Г.В.

Данная методическая разработка разработана в помощь преподавателям и студентам для самостоятельной работы, практического изучения переменного электрического напряжения.

Материалы методической разработки позволяют расширить знания студентов по этой теме, повысить их интерес к дисциплине, осознать необходимость этих знаний в их будущей профессии и быту.

Разнообразие методов и форм обучения позволило создать благоприятные условия для качественного контроля и организации учебной деятельности студентов.

Вспоминаются определения и формулы параметров колебаний, графическая иллюстрация зависимостей параметров. Обсуждаются правила техники безопасности по использованию электроизмерительных и бытовых приборов в домашних условиях и на производстве.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………..…………………..5

Приложение 1

Технологическая карта……………………………………………………………………… 6

Ход урока………………………………………………………….………………….……. 9

Приложение 2

Методические указания для студентов………………………………………….............… 20

Список литературы………………………………………………………………………… 22

Введение

В настоящее время мы не представляем жизни без электрических приборов: компьютер, пылесос, холодильник…. Да и без сотового телефона теперь никто не обходится. Современная микроэлектроника потребляет постоянное напряжение примерно 5В, а в сети у нас переменное напряжение 220В с частотой 50 Гц. Возникает необходимость преобразования «сетевого» напряжения. Любое зарядное устройство содержит данный преобразователь. Постоянное напряжение не может преодолеть большое расстояние и располагается непосредственно с «потребителем электрической энергии». Так аккумулятор находится в непосредственной близости с микросхемами телефона. Переменное напряжение – волна, имеющая длину (дальность распространения), интенсивность (максимальное значение), частоту и период….

Данные параметры электромагнитной волны для нас невидимы, но опасны.

В данной лабораторной работе экспериментально с помощью лабораторного стенда и осциллографа студенты наблюдают за преобразованием напряжения поэтапно, выясняя роль каждого элемента в схеме.

Рассматривается возможность экспериментального исследования переменного напряжения, получаемого с помощью генератора (источника ЭДС). Исследуются параметры переменного напряжения, измеряемые с помощью вольтметра и осциллографа.

Приложение 1

Технологическая карта урока

Дата: 21.03.2024

Дисциплина: Физика

ТЕМА: «Измерение переменного электрического напряжения».

Группа М 11 специальность 15.02.12 " Монтаж, техническое обслуживание и ремонт промышленного оборудования (по отраслям) "

Кто проводит: Штырляева Г.В. – преподаватель физики, аудитория 211

Цель урока:

Получение навыков измерения переменного электрического напряжения. Ознакомление с особенностями влияния формы и частоты измеряемого напряжения на показания средств измерений. Приобретение навыков работы с осциллографом.

Задачи урока:

• Образовательные:

1. Экспериментально проверить зависимость изменения индуцируемого напряжения от скорости вращения и направления ротора генератора.

2. Комментировать результаты (достоверность, прогнозы, методы улучшения).

3. Рассчитывать параметры переменного напряжения: максимальное и действующее напряжение, период, частоту.

4. Планировать и разрабатывать методы проверки своих идей и гипотез.

5. Оценивать и учитывать риски при проведении практических работ.

6. Предлагать пути улучшения эксперимента.

• Развивающие:

1. Коммуникационные - умения эффективно работать как в команде, так и индивидуально;

2. Информационные - поиск нужной информации из ранее выполненных работ.

3. Познавательной деятельности - поиск решений проблемных ситуаций.

• Воспитательные:

1. Работа в парах, обсуждение работы с другими учащимися и преподавателем развивают уважение к мнению окружающих способность общаться надлежащим образом со сверстниками и со взрослыми.

Вид урока: лабораторная работа

Оборудование: - лабораторный стенд «Электроника», вольтметр, осциллограф, генератор, лампа, соединительные провода, источник постоянного тока, сетевое напряжение.

Межпредметные связи: тема урока связана с математикой посредством

построения графика, выполнения вычислений и знания тригонометрии.

План урока:

1. Организационный момент (5 мин.)

2. Тема урока. Определение критерия успеха. (вступление) (5 мин.)

3. Совместное исследование проблемы: преобразование переменного напряжение в постоянное (15мин.)

4. Демонстрация и обсуждение, порядок проведения исследования переменного напряжения с помощью генератора и осциллографа. (10 мин.)

5. Моделирование. Выполнение работы. Творческие задания в группах. Учащиеся делают измерения, проводят расчеты, заполняют таблицы. (20 мин.)

6. Конструирование нового способа действий. Учащиеся чертят график, обозначают результаты измерений на графике. (5 мин.)

7. Переход к этапу частного решения задач. Учащиеся рассчитывают параметры переменного напряжения. (5 мин.)

8. Рефлексия. Ответы на контрольные вопросы, вывод. (15 мин.)

9. Итоги урока. Выставление оценок. (10 мин.)

Технологическая карта

Название, содержание  этапа урока	Цель этапа	Деятельность педагога	Деятельность учащихся				Результат
			Познавательная	Коммуникативная	Регулятивная
Организационный момент 5 мин	Готовность к занятию	Педагог концентрирует внимание		Приветствуют педагога	Проверяют уровень своей готовности к уроку	Оформленное содержание и подготовленный бланк отчета.
Вступление Тема урока 5 мин	Создание проблемной ситуации, фиксация новой проблемной задачи Определение критерия успеха.	Обсуждение и анализ прошлых тем. Осуществляет постановку учебной проблемы, называет тему урока, совместно с учащимися формулирует цели	Определяют предел измерений и цену деления осциллографа и вольтметра.	Отвечают на вопросы педагога, вспоминают формулы определения	Записывают в отчет тему, цель и оборудование.	В бланке отчета тема, цель, оборудование и подготовленная таблица для занесения результатов практических опытов.
Совместное исследование проблемы 10 мин	Поиск решения учебной задачи	Анализ формулы действующего напряжения и зависимости изменения переменного напряжения и тока во времени Анализ законов Ома. Фиксирует предложенные учениками гипотезы, курирует их обсуждение	Анализируют, аргументируют и доказывают свою точку зрения	Осознанно строят речевые высказывания, рефлексируют	Обсуждают способы ее решения	Формирование четких мыслительных процессов, выработка умения анализировать информацию
Демонстрация и инструктаж 10 мин	Последовательность выполнения работы. Правила работы с оборудованием.	Демонстрирует работу установки, снимает показания с приборов, фиксируя данные на доске. Анализирует полученный результат графически.	Самостоятельная проверка учащимися установки	Задают уточняющие вопросы,	Исследуют условия учебной задачи,	Выработка умения обращения с оборудованием, заполнение журнала по ТБ.
Моделирование. Выполнение работы 20 мин	Работа с оборудованием.	Организует учебное взаимодействие учеников с последующей записью результатов в таблицу.	Проводят коллективное исследование.	Работают в парах.	Самостоятельно работаю над ошибками.	Умение структурировать знания
Конструирование нового способа действий 10 мин	Построение графика.	Организует учебное взаимодействие учеников с последующей проверкой результатов с помощью графической зависимости.	Фиксируют в графические модели. Проверяют графики с помощью осциллографа и вольтметра	Участвуют в обсуждении содержания материала	Принимают и сохраняют учебную цель и задачу. Осуществляют самоконтроль	Выработка УУД: оценка, контроль, коррекция.
Переход к этапу частного решения задач 5 мин	Расчет параметров	Оценка результатов и проверка с помощью вольтметра	Осуществляют работу по выполнению отдельных операций	Учатся формулировать собственное мнение и позицию	Осуществляют самоконтроль По графику	Умение выбирать наиболее эффективные способы решения задач.
Применение переменного и постоянного напряжения. Ответы на контрольные вопросы. Рефлексия 15 мин	Коррекция оценки с групповой на индивидуальную, в зависимости от ответа учащегося.	Организует коррекционную работу. Уточняет практическое значение и применение данных зависимостей. Концентрирует внимание учащихся и контролирует восприятие информации.	Отработка операций, в которых допущены ошибки	Строят рассуждения, понятные для собеседника. Умеют использовать речь для регуляции своего действия	Самопроверка. Отрабатывают способ в целом. Осуществляют пошаговый контроль по результату	Самоопределение, самоусвоение знаний
Итоги урока. 10 мин	Выставление оценок.	Выставление оценок в отчетах и учебном журнале.		Помощь товарищам. Сдача оборудования.	Приведение в порядок рабочего места.	Подготовка бланка отчета.

Ход урока

Тип урока: лабораторная работа.

Цель урока:

Получение навыков измерения переменного электрического напряжения. Ознакомление с особенностями влияния формы и частоты измеряемого напряжения на показания средств измерений. Приобретение навыков работы с осциллографом.

Задачи урока:

• Образовательные:

1. Экспериментально проверить зависимость изменения индуцируемого напряжения от скорости вращения и направления ротора генератора.

2. Комментировать результаты (достоверность, прогнозы, методы улучшения).

3. Рассчитывать параметры переменного напряжения: максимальное и действующее напряжение, период, частоту.

4. Планировать и разрабатывать методы проверки своих идей и гипотез.

5. Оценивать и учитывать риски при проведении практических работ.

6. Предлагать пути улучшения эксперимента.

• Развивающие:

1. Коммуникационные - умения эффективно работать как в команде, так и индивидуально;

2. Информационные - поиск нужной информации из ранее выполненных работ.

3. Познавательной деятельности - поиск решений проблемных ситуаций.

• Воспитательные:

1. Работа в парах, обсуждение работы с другими учащимися и преподавателем развивают уважение к мнению окружающих способность общаться надлежащим образом со сверстниками и со взрослыми.

Вид урока: лабораторная работа

Оборудование: - лабораторный стенд «Электроника», вольтметр, осциллограф, генератор, лампа, соединительные провода, источник постоянного тока, сетевое напряжение.

Межпредметные связи: тема урока связана с математикой посредством

построения графика, выполнения вычислений и знания тригонометрии.

План урока:

1. Организационный момент (5 мин.)

2. Тема урока. Определение критерия успеха. (вступление) (5 мин.)

3. Совместное исследование проблемы: преобразование переменного напряжение в постоянное (15мин.)

4. Демонстрация и обсуждение, порядок проведения исследования переменного напряжения с помощью генератора и осциллографа. (10 мин.)

5. Моделирование. Выполнение работы. Творческие задания в группах. Учащиеся делают измерения, проводят расчеты, заполняют таблицы. (20 мин.)

6. Конструирование нового способа действий. Учащиеся чертят график, обозначают результаты измерений на графике. (5 мин.)

7. Переход к этапу частного решения задач. Учащиеся рассчитывают параметры переменного напряжения. (5 мин.)

8. Рефлексия. Ответы на контрольные вопросы, вывод. (15 мин.)

9. Итоги урока. Выставление оценок. (10 мин.)

1. Организационный момент.

Оформление работы по ГОСТу. Определение предела измерений и цены деления осциллографа и вольтметра.

2. Тема урока. Определение критерия успеха. (вступление)

В настоящее время мы не представляем жизни без электрических приборов: компьютер, пылесос, холодильник…. Да и без сотового телефона теперь никто не обходится.

Потребители (компьютеры, телевизоры, телефоны) работают на постоянном напряжении, которое из переменного в постоянное преобразовывается в выпрямителях блоков питания.

Любое зарядное устройство содержит данный преобразователь. Постоянное напряжение не может преодолеть большое расстояние и располагается непосредственно с «потребителем электрической энергии». Так аккумулятор находится в непосредственной близости с микросхемами телефона. Переменное напряжение – волна, имеющая длину (дальность распространения), интенсивность (максимальное значение), частоту и период….

Передача электроэнергии производится переменным напряжением (волной). Передавать ток низкого напряжения (100 – 200 В) на расстояние более 2 км из-за больших потерь в проводах невыгодно. Для уменьшения потерь необходимо увеличивать напряжение. Устройство, которое могло бы ток высокого напряжения преобразовывать в ток низкого напряжения – трансформатор. Схема передачи переменного тока на большие расстояния приведена на рисунке. Ток низкого напряжения, вырабатываемый электрогенератором, подается на трансформатор. Трансформатор преобразует ток низкого в ток высокого напряжения, далее ток по линии электропередач поступает к месту потребления электроэнергии. В месте потребления электроэнергии трансформаторы преобразуют ток высокого напряжения в ток низкого напряжения. После преобразования электроэнергия поступает к потребителю. С потребителями электроэнергии электростанции связаны либо воздушными, либо кабельными линиями электропередач (ЛЭП).

Данные параметры электромагнитной волны для нас невидимы, но опасны.

В данной лабораторной работе экспериментально с помощью лабораторного стенда и осциллографа студенты наблюдают за преобразованием напряжения поэтапно, выясняя роль каждого элемента в схеме. Современная микроэлектроника потребляет постоянное напряжение примерно 5В, а в сети у нас переменное напряжение 220В с частотой 50 Гц.

Рассматривается возможность экспериментального исследования переменного напряжения, получаемого с помощью генератора (источника ЭДС). Исследуются параметры переменного напряжения, измеряемые с помощью вольтметра и осциллографа.

В ранее выполненных лабораторных работах мы проверяли законы Ома для участка и полной цепи, а также параллельное и последовательное соединение потребителей электрической энергии, а также исследовали зависимость мощности от напряжения на зажимах потребителя.

3. Совместное исследование проблемы: Анализ формулы действующего напряжения и зависимости изменения переменного напряжения и тока во времени.

Сегодня, ребята, мы попытаемся, используя уже накопленные нами знания, пройти сложный путь первооткрывателей.

Что такое напряжение? В каких единицах оно измеряется? (разность потенциалов)

Амплитудное значение U m гармонического напряжения связано с его текущим u(t) значением зависимостью: u(t) = U m sin(t + φ) .

Что касается непериодических сигналов, то они характеризуются пиковыми значениями (максимальными значениями из всех мгновенных значений за время наблюдения). Амплитудное и пиковое значения могут быть измерены с помощью осциллографа. При измерении переменного напряжения синусоидальной формы, как правило, интересуются его действующим значением (показаниями вольтметра).

U m   U д,

Основные параметры:

• Уравнения (зависимость)

• Действующие значения напряжения и тока

• Период Т (с)

• Циклическая частота f=1/T (Гц)

• Угловая частота w=2πf (Величины f,w Т у тока и напряжения одинаковы)

Выпрямительные схемы коммутируют полупериоды переменного напряжения таким образом, что в результате на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности.

Если на выходе выпрямителя параллельно включить конденсатор, то он будет заряжаться при росте напряжения с выпрямителя, замедляя этот рост, и разряжаться, когда напряжение с выпрямителя уменьшается или отсутствует, противодействуя, таким образом, спаду напряжения. Поэтому напряжение будет меньше пульсировать, т.е. сгладится.

Задание

Написать законы изменения напряжения u(t) и силы тока i(t) для электроплитки сопротивлением 50 Ом, включенной в сеть переменного тока с частотой 50 Гц и напряжением 220 В (действующее).

Демонстрация преподавателем эксперимента

Чтобы проверить, графическую зависимость фиксируем в конспекте графическое изменне напряжения на осциллографе.

Демонстрация преподавателя:

1 Проверяем входное напряжение после трансформатора. Определяем амплитуду, измеряем напряжение вольтметром.

2. Наблюдаем за изменение напряжения после преобразования однополупериодным выпрямителем. Зарисовываем в отчет осциллограмму.

3. Наблюдаем за изменение напряжения после преобразования мостовым выпрямителем. Зарисовываем в отчет осциллограмму.

4. Наблюдаем за изменение напряжения после преобразования конденсатором. Зарисовываем в отчет осциллограмму.

5. Производим (по группам) исследование работы генератора. Зарисовываем в отчет осциллограмму.

Отчет по лабораторному занятию должен содержать:

1. Дату, номер лабораторной работы, ее название;

2. Цель лабораторной работы;

3. Оборудование;

4. Основные формулы или законы, используемые в работе;

5. Таблицу, заполненную результатами измерений и расчетов;

6. Расчеты требуемых величин;

7. Выводы из лабораторной работы;

8. График зависимости изменения напряжения и тока от времени.

9. Ответы на контрольные вопросы. (устно)

1. Демонстрация и обсуждение установки, порядок проведения работы.

1. Моделирование. Выполнение работы. Творческие задания в группах (не более 2х человек). Учащиеся делают измерения, проводят расчеты, заполняют таблицы по инструкции:

Приложение 2

Тема: Измерение переменного электрического напряжения

Цель лабораторной работы:

• Получение навыков измерения переменного электрического напряжения.

Ознакомление с особенностями влияния формы и частоты измеряемого

напряжения на показания средств измерений. Приобретение навыков работы с осциллографом.

Оборудование:

• осциллограф, вольтметр, макет выпрямителя с фильтром.

Теория

Амплитудное значение U m гармонического напряжения связано с его

текущим u(t) значением зависимостью: u(t) = U m sin(t + φ) .

Что касается непериодических сигналов, то они характеризуются пиковыми значениями (максимальными значениями из всех мгновенных значений за время наблюдения). Амплитудное и пиковое значения могут быть измерены с помощью осциллографа. При измерении переменного напряжения синусоидальной формы, как правило, интересуются его действующим значением (показаниями вольтметра).

U m   U д,

Выпрямительные схемы коммутируют полупериоды переменного напряжения таким образом, что в результате на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности.

Если на выходе выпрямителя параллельно включить конденсатор, то он будет заряжаться при росте напряжения с выпрямителя, замедляя этот рост, и разряжаться, когда напряжение с выпрямителя уменьшается или отсутствует, противодействуя, таким образом, спаду напряжения. Поэтому напряжение

будет меньше пульсировать, т.е. сгладится.

Методика выполнения лабораторной работы

1. Познакомьтесь с осциллографом, определите цену деления и предел измерения.

2. Подключить на входе схемы осциллограф.

3. Получить на экране осциллографа устойчивое изображение трех-четырех периодов сигнала, используя внутреннюю синхронизацию. Нулевую линию сигнала установить на нижний край экрана. Вертикальный масштаб выбрать так, чтобы сигнал занимал большую часть высоты экрана.

4. Зарисовать (или сфотографировать и затем зарисовать) наблюдаемую осциллограмму напряжения. На рисунке соблюсти масштаб (по

числу клеток на экране) и отметить оси системы координат на шкале экрана.

1. Измерить по осциллограмме амплитудное значение, период и частоту напряжения. Результаты измерения занести в таблицу. На осциллограмме отметьте действующее значение напряжения.

2. Подключить осциллограф на выходе выпрямителя.

3. Зарисовать (или сфотографировать и затем зарисовать) наблюдаемую осциллограмму напряжения.

4. Подключить осциллограф при подключении конденсатора (переключив тумблер).

5. Зарисовать наблюдаемые осциллограммы напряжения без подключенного конденсатора и при его подключении.

6. Сопоставить полученную осциллограмму с осциллограммами для предыдущего случая.

7. Запишите изменение напряжение от времени u(t) по полученным данным.

Все результаты измерения переменного напряжения занести в таблицу.

№ опыта	Амплитудное значение напряжения, U m ,В	Действующее значение напряжения U д, В	Период Т,с	Частота, Гц
1

Контрольные вопросы (устно)

1. Определение переменного электрического тока.

2. Перечислите основные характеристики переменного тока.

3. Дайте определение действующего значения напряжения, тока, ЭДС.

4. Назначение в схеме диодов.

5. Назначение в схеме конденсатора.

Итоги урока. Выставление оценок.

Список литературы:

1. Дмитриева, В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: Лабораторный практикум: Учебное пособие / В.Ф. Дмитриева. - М.: Academia, 2019.

2. Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля : учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования / В. Ф. Дмитриева. — 6 е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2019