VLAAMS VERBOND VAN HET KATHOLIEK SECUNDAIR ONDERWIJS LEERPLAN SECUNDAIR ONDERWIJS TOEGEPASTE FYSICA

VLAAMS VERBOND VAN HET KATHOLIEK SECUNDAIR ONDERWIJS LEERPLAN SECUNDAIR ONDERWIJS

TOEGEPASTE FYSICA DRUK- EN AFWERKINGSTECHNIEKEN DRUKVOORBEREIDINGSTECHNIEKEN GRAFISCHE TECHNIEKEN Fundamenteel gedeelte Complementair gedeelte Derde graad TSO

Brussel - Licap: D/1998/0279/032B - september 1998

INHOUD

1

BEGINSITUATIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2 2.1 2.2

ALGEMENE DOELSTELLINGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Basisdoelstellingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 3

3

ALGEMENE PEDAGOGISCH-DIDACTISCHE WENKEN EN DIDACTISCHE MIDDELEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

4

OVERZICHT VAN DE LEERINHOUDEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

LEERPLANDOELSTELLINGEN, LEERINHOUDEN, PEDAGOGISCHDIDACTISCH WENKEN EN DIDACTISCHE MIDDELEN . . . . . . . . . . . . . . Bouw van de stof: elektrische aspecten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Basisbegrippen in verband met de elektrische stroomkring . . . . . . . . . . . . . . . De elektrische weerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energie en vermogen in een elektrische stroomkring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schakelen van weerstanden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Permanente magneten en elektromagneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektromagnetische krachtwerking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Het elektromagnetisch inductieverschijnsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 6 7 7 8 8 9 9 10

6

MINIMALE MATERIELE VEREISTEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

7

EVALUATIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

8

BIBLIOGRAFIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

COMPLEMENTAIR GEDEELTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

TV Toegepaste fysica D/1998/0279/032B

2

Druk- en afwerkingstechn. - Drukvoorbereidingstechn. Grafische technieken 3de graad TSO

1

BEGINSITUATIE

De meeste leerlingen komen uit de tweede graad van de studierichting ‘Grafische technieken’ waar in het vak TV Toegepaste chemie/Toegepaste fysica voor wat de fysica betreft, enkel optica aan bod kwam. Er kan dus vanuit gegaan worden dat deze leerlingen quasi geen voorkennis hebben die aansluit bij het onderstaand leerplan. Er kunnen ook leerlingen uit de tweede graad komen die de studierichting ‘Grafische wetenschappen’ gevolgd hebben en bijgevolg het vak TV Elektriciteit gekregen hebben. Bij deze leerlingen is er wel voorkennis aanwezig die aansluit bij onderstaand leerplan. 2

ALGEMENE DOELSTELLINGEN

2.1

Inleiding

De laatste jaren is er meer inzicht ontstaan in de intuïtieve ideeën die leerlingen hebben voorafgaand aan het formele elektriciteitsonderwijs. Deze ideeën blijken vaak negatief te interfereren met de te onderwijzen concepten. Daarom moet men de lessen elektriciteit zoveel mogelijk opvatten als een proces waarin de misconcepten omgebogen worden via eigen denkactiviteiten en minder als een product waarbij de leraar de leerling overstelpt met leerinhouden. Men zal er zoveel mogelijk naar streven om door middel van leerlingenparticipatie relaties tussen elektrische grootheden en wetten langs experimentele weg af te leiden. Te abstracte redeneringen worden vermeden. Bovendien moet men zoveel mogelijk trachten om de verschillende elektrische begrippen in een realistische context te plaatsen (praktische toepassingen, leefwereld, veiligheid ...).

2.2 2.2.1

Basisdoelstellingen Cognitief

Naast het aanleren van elektrische basisbegrippen en het verwerven van inzicht in de verschillende relaties tussen deze begrippen onderling, moet er verder gewezen worden op de toepasbaarheid in de techniek en de leefwereld (gebruik van elektrische energie, huishoudapparaten, veiligheidsmaatregelen ...). Er moet naar gestreefd worden dat de leerlingen in staat zijn: - belangrijke begrippen en wetten van de elektriciteitsleer in de specifieke vaktaal correct weer te geven, - eenvoudige theoretische problemen en denkvragen in verband met elektriciteit op te lossen, - eenvoudige praktische toepassingen van elektriciteit die voorkomen in de leefwereld te verklaren, - elementaire veiligheidsmaatregelen kennen en er naar te handelen. 2.2.2

Affectief

Door kennis van en inzicht in de elektriciteit werd er een oplossing gevonden voor de basisbehoeften en noden van de menselijke samenleving (energievoorziening, verlichting, verwarming ...). Dagelijks gebruiken we voor verschillende werkzaamheden elektrische toestellen. De elementaire kennis van de fysische achtergrond van de elektriciteit en van eenvoudige toepassingen is dus noodzakelijk en levert een nuttige bijdrage tot de bredere vorming van de leerling. Het vak Elektriciteit kan dus:


3


- een belangrijk aandeel leveren bij de overgang van een algemene naar een technische vorming. Er wordt immers naast het observeren en inzichtverwerving ook aangetoond hoe leerinhouden en elektriciteit geïntegreerd worden in praktische toepassingen,- verwondering leren opbrengen voor het ontwerp van elektrische toestellen die meestal voorbeelden zijn van menselijke creativiteit, doorzettingsvermogen en vindingrijkheid, - leergierigheid en drang naar inzicht in een elektrisch schema bijbrengen. 2.2.3

Psychomotorisch

Door het feit dat het aanbrengen van de leerstof bij voorkeur langs experimentele weg ondersteund wordt moeten de leerlingen in staat zijn om bij demonstratieproeven: - betrouwbare waarnemingen te doen, - mee te helpen bij het realiseren van elektrische stroomkringen.

3

ALGEMENE PEDAGOGISCH-DIDACTISCHE WENKEN EN DIDACTISCHE MIDDELEN

In onze lespraktijk moeten we streven naar een zo sterk mogelijke leerlingenparticipatie en het leren leren. Dit betekent dat de leerling tijdens de les zoveel mogelijk in situaties wordt geplaatst waarin hijzelf met en over fysische gegevens moet nadenken. De les moet een dialoog zijn. Een leraar die vragen stelt en ze zelf beantwoordt treedt niet in dialoog met zijn leerlingen. Dit moet zoveel mogelijk worden vermeden. De gestelde vragen moeten klaar en duidelijk worden geformuleerd; het antwoord eveneens. Een duidelijk en scherp geformuleerd probleem bevordert het vinden van de oplossing. Taal en inhoud van de verklaringen moeten afgestemd zijn op het niveau van de leerlingen. Een les mag in geen geval een monoloog worden, noch een dicteerles of een schrijfles. Teveel schrijven door leraar en leerlingen stoort de leeractiviteit en is een rem voor het leergesprek. De leerling wordt zoveel mogelijk geconfronteerd met situaties, die zo dicht mogelijk de realiteit benaderen. Dit wil zeggen dat ze moeten aansluiten bij de leefwereld van de leerling of bij het studiedomein. Dit kan gebeuren door het zoeken naar voorbeelden en toepassingen uit de elektriciteitspraktijk of via het uitvoeren van demonstratieproeven. Een demonstratieproef verloopt via een reeks vragen, waarop de leerlingen het antwoord moeten vinden door waarnemen en redeneren. Eveneens moeten denkvragen en rekenproblemen over de leerstof worden gesteld. Naast standaardproblemen geven we eveneens enkele vraagstukken die een eigen verwerking van de verworven inzichten vereisen. Het is wettelijk voorzien dat het SI-eenhedenstelsel wordt gebruikt. Bij vermelding van een grootheid bij de leerinhouden wordt verwacht dat de SI-eenheid wordt aangegeven in de les. Voor het gebruik van de namen van grootheden en de symbolen ervan, evenals hun eenheden verwijzen we naar de Belgische normen die hieromtrent worden uitgevaardigd. Men kan zich hiervoor wenden tot: BIN (Belgisch Instituut voor Normalisatie) Brabançonnestraat 31 1040 Brussel Tel. (02)733 42 54 Het gebruik van de computer is naast de demonstratieproef met de klassieke middelen aan te bevelen. In heel wat gevallen biedt hij een meerwaarde, zoals het direct beschikbaar zijn van grafieken, het vlug kunnen veranderen van parameters ... Ongetwijfeld zullen leraren, die een computer met interfacekaart en meetpaneel ter beschikking hebben, gebruikmaken van dit handig meetapparaat om demonstratieproeven uit te voeren.


4


Het VVKSO biedt in het kader van het navormingsproject “Integratie van de informatica in de fysica” een aantal programma’s aan zoals de basisexperimenten Resist en/of het experimenteerkader labsoft. We leven in een maatschappij die steeds meer de invloed ondergaat van de technologie. Werken met elektriciteit houdt gevaren in. Het gevaar van elektrocutie kan behandeld worden via de begrippen weerstand van het menselijk lichaam en de stroom door het menselijk lichaam. Kortsluiting en overbelasting zijn sleutelbegrippen in verband met elektrische veiligheid. Tot slot nog enkele specifieke tips voor de lespraktijk. - Bijzondere aandacht besteden aan de probleemstelling bij het begin van de les. - Belangstelling opwekken en de leerling motiveren voor hetgeen moet aangeleerd worden. - Gebruik geen begrippen zonder na te gaan of de betekenis ervan gekend is. - Op het einde van de les vestigt men nog eens de aandacht op de nieuw ingevoerde begrippen en relaties. - Elke les wordt met een korte synthese besloten, zodat de leerlingen de hoofd- en bijzaken van elkaar kunnen onderscheiden. Deze synthese wordt in het begin van een nieuwe les even herhaald, bijvoorbeeld onder de vorm van een korte steekproef. Volgend tijdschema kan een hulp zijn bij het opstellen van het jaarplan.

1 2 3 4 5 6 7 8

Eerste leerjaar

Aantal uren

Bouw van de stof: elektrische aspecten Basisbegrippen in verband met de elektrische stroomkring De elektrische weerstand Energie en vermogen in een elektrische stroomkring Schakelen van weerstanden Permanente magneten en elektromagneten Elektromagnetische krachtwerking met inbegrip van het motorprincipe Elektromagnetische inductie met inbegrip van het generatorprincipe

2 3 4 4 4 2 3 3

TOTAAL

4

25

OVERZICHT VAN DE LEERINHOUDEN

1 Bouw van de stof: elektrische aspecten - Ladingen - Verband met de atoomstructuur - Elektrische stroom - Geleiders en niet-geleiders 2 Basisbegrippen in verband met de elektrische stroomkring - De stroombron of spanningsbron, elektrische stroomsterkte en -gelijkspanning - De technische stroomzin - De elektrische stroomkring - Meten van spanningen en stroom - Praktische toepassingen in verband met elektrische spanning en stroom 3

De elektrische weerstand - De elektrische weerstand


5


-

Verband tussen de spanning en de stroomsterkte bij een weerstand De wet van Ohm, grafische voorstelling Wet van Pouillet: resistiviteit Invloed van de temperatuur op de weerstand4

4

Energie en vermogen in een elektrische stroomkring - Elektrische energie, joule-effect - Elektrisch vermogen. Eenheid van het elektrisch energieverbruik - Praktische toepassingen, veiligheidsaspecten

5

Schakelen van weerstanden - Stroom- en spanningswetten - Vervangingsweerstand voor: . serieschakeling van weerstanden . parallelschakeling van weerstanden . gemengde schakeling van weerstanden (U) - Vermogen bij serie- en parallelschakeling van weerstanden - Toepassingen

6

Permanente magneten en elektromagneten - Permanente magneten: . magnetische en niet-magnetische stoffen . magneetpolen . magnetisch veld en veldlijnen - Elektromagneten: . elektrische stroom als oorzaak van het magnetisch veld (rechte geleider en solenoïde) . verklaring van magnetisme van de materie . toepassingen van elektromagneten, bijvoorbeeld: bel, relais, luidspreker

7

Elektromagnetische krachtwerking met inbegrip van het motorprincipe - De lorentzkracht - Zin, richting en grootte van de lorentzkracht. Magnetische inductie - Krachtwerking van een magneetveld op een stroomvoerende kader - Toepassing: de gelijkstroommotor

8

Het elektromagnetisch inductieverschijnsel met inbegrip van het generatorprincipe - Het begrip magnetische flux - Fluxverandering als oorzaak van inductiespanning: wet van Faraday-Lenz - Gegenereerde EMS in een rechte geleider bewegend in een magneetveld - Gegenereerde EMS in een winding draaiend in een magneetveld - Toepassing: het generatorprincipe

5

LEERPLANDOELSTELLINGEN, LEERINHOUDEN, PEDAGOGISCHDIDACTISCH WENKEN EN DIDACTISCHE MIDDELEN

Per leerstofonderdeel worden eerst de leerplandoelstellingen geformuleerd gevolgd door de leerinhouden in een ander lettertype en vervolgens de pedagogisch-didactische wenken.


6


5.1

Bouw van de stof: elektrische aspecten

- Een atoom schematisch kunnen voorstellen. - Het begrip ‘elektrische stroom’ kunnen definiëren. - Het verschil tussen geleiders en niet-geleiders kunnen verklaren, op basis van het al of niet bevatten van vrije ladingsdragers.

Elektrische ladingen Verband met de atoomstructuur van de stof Definitie van elektrische stroom Geleiders en niet-geleiders In dit leerstofonderdeel ligt de nadruk op de elektrische structuur van de materie. De bedoeling hiervan gaat niet verder dan het verklaren van de klassieke wrijvingsproefjes. Het is niet de bedoeling hier reeds het begrip stroomsterkte te definiëren, maar wel elektrische stroom als verplaatsing van ladingen (elektronen) te zien. Een elektrische stroom kan voorkomen in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen. Enkel elektrische stroom in vaste stoffen zal verder behandeld worden.

5.2

Basisbegrippen in verband met de elektrische stroomkring

- De grootheden elektrische stroomsterkte, -spanning kunnen omschrijven en hun eenheden kunnen geven. - De technische stroomzin in een stroomkring kunnen aanduiden. - Weten hoe de stroom en spanning in een elektrische stroomkring worden gemeten en met welke apparatuur. - Enkele voorbeelden van elektrische stroomkringen kunnen bespreken.

Elektrische stroomkring: @ gelijkspanningsbron, begrip spanning @ stroomsterkte, technische stroomzin @ meten van spanning en stroom Praktische toepassingen in verband met spanning en stroom Om zo concreet mogelijk de basisbegrippen in verband met een elektrische stroomkring aan te brengen gebruiken we bij voorkeur het vloeistof-stroommodel. Zoals bij een gesloten vloeistofkring een pomp nodig is, is er in een elektrische kring een toestel nodig dat de nodige energie levert. Zo’n toestel wordt (bij voorkeur) spanningsbron genoemd. Vanzelfsprekend voert men nadien met een elektrische stroomkring en een lampje als stroomsterkte-indicator enkele kwalitatieve waarnemingsproeven uit en leert men de technische stroomzin aanduiden. Nadien kan men met de volt- en ampèremeter de stroom en spanning leren meten. Bij het werken met stroomkringen en het bespreken van toepassingen (technische toestellen) is het gebruik van audiovisuele media (transparanten, computer... ) het aangewezen middel om het “ leren leren” efficiënter en aanschouwelijker te maken. Als voorbeeld uit de leefwereld kan bijvoorbeeld het ééngeleidersysteem bij fiets, auto ... besproken worden.


7


5.3

De elektrische weerstand

- De grootheid weerstand kunnen definiëren en de eenheid kennen. - Een eenvoudige elektrische stroomketen met een weerstand schematisch kunnen tekenen en de factoren kunnen opnoemen die de stroomsterkte beïnvloeden. - De wet van Ohm kennen en hem grafisch kunnen voorstellen. - Eenvoudige rekenvraagstukken in verband met de wet van Ohm kunnen oplossen. - De factoren die de weerstand van een geleider bepalen kennen en hun relatie in een formule kunnen weergeven (wet van Pouillet). - Weten dat de temperatuur de waarde van een weerstand kan doen toenemen of afnemen.

Elektrische weerstand Verband tussen spanning en stroomsterkte bij een weerstand Wet van Ohm, grafische voorstelling Wet van Pouillet: resistiviteit Invloed van de temperatuur op de weerstand: PTC- en NTC-weerstanden De verhouding van de spanning over een schakelelement en de stroomsterkte erdoor, definieert men als weerstand van dit schakelelement. Bij een weerstand die voldoet aan de wet van Ohm is die verhouding constant. Trek er de aandacht op dat het woord weerstand dubbel wordt gebruikt namelijk als grootheid en als naam voor een elektrische component.

5.4

Energie en vermogen in een elektrische stroomkring

- Het joule-effect kunnen toelichten. - De formule voor het bepalen van het elektrisch vermogen van een elektrisch toestel kennen en kunnen toepassen. - De kWh als eenheid van elektrische energie kennen en kunnen gebruiken. - Enkele praktische toepassingen in verband met warmteontwikkeling en veiligheid kennen en kunnen verklaren.

Joule-effect, elektrische energie Elektrisch vermogen Praktische eenheid van het elektrisch “energieverbruik” Praktische toepassingen in verband met warmteontwikkeling en veiligheidsaspecten Een elektrisch toestel onttrekt elektrische energie aan een spanningsbron en zet deze energie om in een andere soort energie. Bestaat dat toestel uit draadweerstanden dan wordt de elektrische energie omgezet in warmte. Het tempo waarin dit gebeurt, noemen we het vermogen. Dat is de hoeveelheid energie die het toestel per seconde kan omzetten. Een aangewezen toepassing is de huisinstallatie waarbij het meten van het “energieverbruik” gebeurt met een kWh-meter. Het vermijden van overbelasting en kortsluiting moet zeker behandeld worden.


8


5.5

Schakelen van weerstanden

- Bij de serie- en parallelschakeling van weerstanden respectievelijk de spanningen stroomwetten kunnen afleiden en kunnen toepassen op eenvoudige kringen. - De vervangingsweerstand voor een serie- en een parallelschakeling kunnen berekenen. - De vervangingsweerstand van een gemengde schakeling kunnen berekenen. (U) - Het ontwikkeld vermogen bij de serie- en parallelschakeling van weerstanden kunnen bepalen. - Enkele toepassingen in verband met “verbruikers” op de netspanning kunnen verklaren. - Toepassingen in verband met het uitbreiden van het meetbereik van volt- en ampèremeter en in verband met het meten van weerstanden kunnen verklaren. (U)

Spanning- en stroomwetten bij de serie- en parallelschakeling van weerstanden Vervangingsweerstand voor: @ de serieschakeling van weerstanden @ de parallelschakeling van weerstanden @ de gemengde schakeling van weerstanden (U) Vermogen bij de serie- en parallelschakeling Toepassingen: @ schakelen van verschillende verbruikers op de netspanning @ uitbreiden van het meetbereik van meettoestellen (U) @ meten van een weerstand met de brug van Wheatstone (U) De formules voor de vervangingsweerstand en voor de stroom en -spanningswetten moeten zeker experimenteel afgeleid worden. Het is niet de bedoeling hier ingewikkelde netwerken in te voeren of de wetten van Kirchhoff te gebruiken om stroom- en spanningsvergelijkingen op te stellen en op te lossen.

5.6

Permanente magneten en elektromagneten

-

De ferromagnetische stoffen kunnen opnoemen. De onderlinge krachtwerking tussen twee magneten toelichten. Het begrip magnetisch veld kunnen omschrijven. Bij een staafvormige en een U-vormige magneet het veldlijnenpatroon kunnen schetsen. Weten dat een elektrische stroom een magnetisch veld veroorzaakt en dit veld kunnen beschrijven voor een rechte stroomvoerende geleider en voor een solenoïde. - De herkomst van het magnetisme in de materie kunnen toelichten. - Enkele toepassingen van elektromagneten kunnen geven en verduidelijken.

Permanente magneten - magnetische en niet-magnetische stoffen - magneetpolen - magnetisch veld en veldlijnen Elektromagneten - elektrische stroom als oorzaak van magnetisch veld . bij een rechte stroomvoerende geleider (proef van Oersted) . bij een solenoïde TV Toegepaste fysica D/1998/0279/032B

9


- verklaring van het magnetisme in de materie - toepassingen van elektromagneten, bijvoorbeeld: bel, relais, luidspreker De studie van de pemanente magneten is geen studieobject op zich maar is opgenomen in de leerinhouden in functie van de verschijnselen die zich voordoen in het elektromagnetisme. Belangrijk zijn hier het veldbegrip en de afspraak in verband met de zin van de veldlijnen. Via proefjes kunnen de vuistregels voor de vorm en de zin van de veldlijnen geïllustreerd worden. Uit de overeenstemmende velden van een permanente staafmagneet en een solenoïde (eventueel met ijzeren kern) kan men besluiten dat binnenin de materie eveneens 'kringstromen' moeten voorkomen die verantwoordelijk zijn voor het gedrag van de materie. Het is niet de bedoeling de formules voor de grootte van de veldsterkte voor de verschillende stroomvoerende geleiders af te leiden en te behandelen.

5.7 -

Elektromagnetische krachtwerking

Het gedrag van een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld kunnen omschrijven. De zin van de lorentzkracht bepalen met behulp van een vuistregel en de grootte ervan kunnen bepalen. Het begrip magnetische inductie (B) kunnen omschrijven. Met behulp van de lorentzkracht de werking van een gelijkstroommotor kunnen verklaren.

De lorentzkracht Richting, zin en grootte van de lorentzkracht. Magnetische inductie Krachtwerking van een magneetveld op een stroomvoerend kader Toepassing: de gelijkstroommotor De waarde van de magnetische inductie geeft de sterkte van het magnetisch veld aan. Daarom hoeft men de veldsterkte H niet te definiëren. De definitie van de magnetische inductie B wordt afgeleid uit de formule van de lorentzkracht F = B.I.L. Een belangrijke toepassing van de magnetische inductiewerking is de werking van de elektrische motor.

5.8 -

Het elektromagnetisch inductieverschijnsel

De betekenis van het begrip magnetische flux kunnen verwoorden. De oorzaak van het ontstaan van inductiespanning toelichten. De zin en de grootte van de inductiespanning kunnen verklaren. Het onstaan van een EMS bij een rechte geleider bewegend in een magnetisch veld kunnen toelichten. De formule voor het bepalen van de gegenereerde EMS kennen. De werking van een wisselstroomgenerator kunnen verklaren.

Het begrip magnetische flux Fluxverandering als oorzaak van inductiespanning: wet van Faraday-Lenz Gegenereerde EMS in een rechtlijnige geleider bewegend in een magneetveld Gegenereerde EMS in een winding draaiend in een magneetveld Toepassing: het generatorprincipe De flux is een maat voor het aantal veldlijnen door een oppervlak. Experimenteel wordt aangetoond dat een fluxverandering in een spoel, op welke wijze deze ook geschiedt, een spanning doet ontstaan aan de uiteinden van die spoel. TV Toegepaste fysica D/1998/0279/032B

10 Druk- en afwerkingstechn. - Drukvoorbereidingstechn. Grafische technieken 3de graad TSO

Men wijst er vooral op dat het de verandering is van het aantal ingesloten veldlijnen die de inductiespanning doet ontstaan. Indien de kring gesloten is vloeit er een inductiestroom. Uit dit verschijnsel volgt de wet van Faraday-Lenz. De belangrijkste toepassing van het genereren van een spanning door een fluxverandering is de generator met als voorbeeld de fietsdynamo. 6

MINIMALE MATERIELE VEREISTEN

6.1

Basisinfrastructuur

- Een aangepaste demonstratietafel met energievoorziening

6.2 -

Basismateriaal

Retroprojector A-meter en V-meter en/of multimeter Statieven en toebehoren Snoeren, klemmen, en dergelijke Elektrische componenten (schakelaars, weerstanden, weerstandsdraden, spoelen) Regelbare spanningsbron, batterij

6.3

Specifiek materiaal

- Klein materiaal voor het aantonen van lading - Materiaal voor het afleiden van: @ wet van Ohm @ wet van Pouillet @ stroom- en spanningswetten @ energie en vermogen in een elektrische stroomkring - Veiligheidsaspecten: gewone en automatische smeltveiligheden, differentieelschakelaar - Elektromagnetisme @ naald-, staaf- en U-vormige magneten, weekijzeren kernen @ rechte geleider voor proef van Oersted en solenoïde @ opbouwmateriaal voor een gelijkstroommotor @ opbouwmateriaal voor een generator 7

EVALUATIE

Het doel van de evaluatie is na te gaan in welke mate de leerlingen zowel de algemene vaardigheden als de leerplandoelstellingen hebben bereikt. De evaluatievragen moeten daarom in de eerste plaats op die doelstellingen gericht zijn. Dit kan gebeuren door permanente evaluatie en door formatieve en summatieve toetsen. Bij de evaluatie zal men zorgen voor voldoende afwisseling in vorm (bepaal, verklaar, schets, construeer, noem, leid af, toon aan ...) en naar inhoud (kennis-, inzichts- en toepassingsvragen). Bij meerkeuzetoetsen zal men eventueel een verklaring van het aangeduide antwoord vragen. Aangezien het experiment, werken met grafieken en omgaan met informatie belangrijk zijn, mag dit eveneens terug te vinden zijn in de evaluatie.



Zorg voor de nodige afwisseling in korte en lange vragen en overdrijf niet in rekenvraagstukken waarvan de oplossing via meerdere stappen bekomen wordt (kettingvragen). Een goede redenering volgend op een foutief cijferresultaat wordt ook nog positief gequoteerd. Met het algemeen gebruik van de computer, is het voor wat de lay-out van een proefwerk betreft, nog moeilijk aanvaardbaar, dat het aangeboden wordt onder de vorm van een handgeschreven tekst. Streef eveneens naar een aanvaardbare en evenwichtige normering van de vragen. Werken met een vooraf opgesteld correctiemodel zal de objectiviteit en de betrouwbaarheid van de beoordeling zeker in de hand werken. 8

BIBLIOGRAFIE

8.1 -

Uitgaven van pedagogisch-didactische centra

Eekhoutcentrum, KULAK, Universitaire Campus, 8500 Kortrijk. Pedic, Coupure Rechts 314, 9000 Gent. DiNAC, Bonnefantenstraat 1, 3500 Hasselt. Vliebergh-Sencieleergangen: Fysica, Naamsestraat 61, 3000 Leuven. Syllabi Navorming VVKSO, Integratie van de computer in de Fysica.

8.2

Tijdschriften

Onder andere - Exaktueel, Tijdschrift voor Natuurkundeonderwijs, Afdeling Didactiek Natuurkunde KUN, Toernooiveld 1, 6525 ED Nijmegen. 8.3

Naslagwerken

- INAV, Informatie Natuurwetenschappen Vlaanderen, Uitgeverij Plantyn, Antwerpen.

8.4

Leerboeken

De leraar zal catalogi van educatieve uitgeverijen raadplegen.



DRUK- EN AFWERKINGSTECHNIEKEN Derde graad TSO TV TOEGEPASTE FYSICA Complementair gedeelte Tweede leerjaar: 1 uur/week

In voege vanaf 1 september 1998

D/1998/0279/032B

Complementair gedeelte TV Toegepaste fysica D/1998/0279/032B


INHOUD

1

BEGINSITUATIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2

ALGEMENE DOELSTELLINGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

3

ALGEMENE PEDAGOGISCH-DIDACTISCHE WENKEN EN DIDACTISCHE MIDDELEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

4

OVERZICHT VAN DE LEERINHOUDEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

5 5.1 5.2 5.3

LEERPLANDOELSTELLINGEN, LEERINHOUDEN, PEDAGOGISCHDIDACTISCHE WENKEN EN DIDACTISCHE MIDDELEN . . . . . . . . . . . . . . Mechanica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Periodieke verschijnselen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Condensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 17 19 20

6

MINIMALE MATERIELE VEREISTEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

7

EVALUATIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

8

BIBLIOGRAFIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21



1

BEGINSITUATIE

De doelstellingen van het leerplan TV Toegepaste fysica van het eerste leerjaar van de derde graad en van het leerplan TV Toegepaste chemie/Toegepaste fysica (gedeelte over optica) gelden als beginsituatie. Wanneer de leerlingen via het complementair gedeelte in de tweede graad ‘Grafische technieken’ het vak TV Mechanica/ Toegepaste fysica gevolgd hebben is er een grotere voorkennis aanwezig. 2

ALGEMENE DOELSTELLINGEN

Op het einde van de derde graad zouden de leerlingen in staat moeten zijn om: - belangrijke begrippen en wetten van de fysica in de specifieke vaktaal correct weer te geven; - de wetenschappelijke kennis die ze bezitten kunnen aanwenden voor het verklaren van sommige technische realisaties uit de grafische sector; - te zoeken naar de concretisering van de fysica in het dagelijkse leven en in technische toepassingen uit de grafische sector; - weerbaar te zijn in een technische omgeving en kritisch te staan ten opzichte van maatschappelijke problemen met fysische en technische aspecten; - zich kritisch op te stellen tegenover propaganda en reclame; - zin te hebben voor relativering, waardoor het essentiële van het bijkomstige kan onderscheiden worden; - verwondering op te brengen voor de harmonie en de complexiteit die schuil gaat in fysische verschijnselen. 3

ALGEMENE PEDAGOGISCH-DIDACTISCHE WENKEN EN DIDACTISCHE MIDDELEN

Fysica heeft zowel theoretische als experimentele aspecten. Dit impliceert dat de leerlingen in het fysicaonderwijs ook kennis dienen te maken met het experiment. Omwille van de beperkte lestijd gebeurt dit hier met behulp van demonstratieproeven hoewel het laten uitvoeren van een leerlingenproef steeds vrijblijvend in het lesgeven kan geïntegreerd worden. Toegepaste fysica betekent bovendien dat fysica in de praktijk moet worden getoetst dit wil zeggen dat er eveneens voldoende aandacht wordt besteed aan hoe men fysische wetten en principes in de techniek of in het dagelijks leven toepast. Dit zal bij voorkeur gebeuren door zoveel als mogelijk fysicaproblemen in een concrete context te plaatsen. Het experimenteel karakter van het fysicaonderricht mag niet leiden tot een ordeloos uitvoeren van proeven om de proeven, doch elk experiment moet doelbewust ingeschakeld worden, hetzij om een probleem te stellen, hetzij om tot de oplossing te komen van een vooraf gesteld fysisch probleem. Zo ook mag de aandacht voor het theoretisch aspect niet resulteren in inzichtloos manipuleren van wiskundige formalismen. Bij het leren van fysica tracht de leerling wetenschappelijke inzichten in de verschijnselen en de proeven te verwerven. Dit kan niet overeenkomen met het passief opnemen van een hoeveelheid kennis. Het leren ontdekken en begrijpen van de leefwereld en van technische toepassingen is een proces waarbij de leerling zelf actief zijn mening vormt, door nieuwe ervaringen, informatie en concepten toe te voegen aan zijn eigen ideeën en begrippen. Bij leerlingactief onderwijs geeft de leraar informatie en instructie waar nodig en volgt het leerproces vanop een zekere afstand. Hij vermijdt om de problemen onmiddellijk zelf op te lossen. Hij richt de leerling op het doel van de taak door aanzetten te geven of door te helpen bij het herdefiniëren van het probleem. Voor het realiseren van leerlingactief onderwijs moet aan een aantal randvoorwaarden voldaan zijn. Men dient te beschikken over een goed uitgerust en voldoend groot vaklokaal (zie brochure VVKSO ‘Didactische infrastructuur voor het onderwijs in de natuurwetenschappen’).



Vanzelfsprekend moet het nodige demonstratiemateriaal aanwezig zijn (zie brochure VVKSO ‘Didactisch materiaal voor het onderwijs in de natuurwetenschappen’). Het is wettelijk voorzien dat het SI-eenhedenstelsel gebruikt wordt. Bij vermelding van een grootheid bij de leerinhouden wordt verwacht dat de SI-eenheid wordt aangegeven in de les. Rekenvaardigheden onder andere in verband met het metriek stelsel en de wetenschappelijke notatie (via machten van 10 of voorvoegsels) zijn permanent na te streven vaardigheden. Daarenboven worden de benaderingsregels bij berekeningen met gemeten resultaten consequent toegepast bij alle berekeningen, oefeningen en metingen in de loop van het jaar. Een multimediale aanbreng van de leerstof is aan te bevelen dit wil zeggen dat men naast het uitvoeren van demonstratieproeven zo nodig ook gebruikmaakt van transparanten, dia’s, video en computer. In heel wat gevallen biedt het gebruik van de computer een meerwaarde, zoals het direct beschikbaar zijn van grafieken, het vlug kunnen veranderen van parameters ... Het VVKSO biedt een aantal computerprogramma’s aan, specifiek voor de leerlingen van de derde graad komt het experimenteerkader labsoft (harmonische trilling en golven) en de basisexperimenten Trillingen, hiervoor in aanmerking. In het vaklokaal kan de computer gebruikt worden om meetgegevens te registreren en/of in grafiek om te zetten en/of te verwerken. Bij de opstelling van het experiment moet de aandacht van de leerlingen gevestigd worden op de fysische aspecten van het experiment en niet op de registratie en de verwerking door de computer. Door het sturen van de meting kan de invloed van verschillende factoren op de meetresultaten op korte tijd getoond worden. Proeven die met gewone middelen slechts kwalitatief uitgevoerd kunnen worden bieden met de computer vaak betere perspectieven. We denken hier bijvoorbeeld aan proeven rond trillingen en golven. Wanneer in de tweede graad van de studierichting ‘Grafische technieken’ de leerlingen het vak TV Mechanica/Toegepaste fysica uit het complemetair gedeelte niet gevolgd hebben kan men beter eerst enkele leerinhouden van dit vak aanbieden ter vervanging van enkele leerinhouden naar keuze uit onderstaand leerplan. Volgend tijdschema kan een hulp zijn bij het opstellen van het jaarplan. LEERINHOUDEN 1

Mechanica Eenparig veranderlijke beweging Krachten Samenstellen van krachten Moment van een kracht

Aantal lesuren 13 4 5 2 2

2

Periodieke verschijnselen - Trillingen en golven - Fysische optica - Wisselstromen

8

3

Condensatoren

4 TOTAAL


25


4

OVERZICHT VAN DE LEERINHOUDEN

1

Mechanica - eenparig veranderlijke beweging - krachten . de principes van Newton . enkele bijzondere krachten - het moment van een kracht ten opzichte van een punt - samenstellen van krachten

2

Periodieke verschijnselen - trillingen en golven - fysische optica - wisselstromen . verloop . effectieve waarde . transformator

3

Condensatoren - capaciteit - gedrag in een gelijkspanningskring - gedrag in een wisselspanningskring

5

LEERPLANDOELSTELLINGEN, LEERINHOUDEN, PEDAGOGISCHDIDACTISCHE WENKEN EN DIDACTISCHE MIDDELEN

Per leerstofonderdeel worden eerst de doelstellingen geformuleerd, gevolgd door de leerinhouden in een ander lettertype en vervolgens de didactische wenken.

5.1 5.1.1 -

Mechanica Eenparig veranderlijke beweging

De versnelling kunnen omschrijven. De grafiek snelheid-tijd kunnen interpreteren. De grafiek positieverandering-tijd kunnen interpreteren. De vrije val als voorbeeld van een EVRB kunnen toelichten.

Versnelling Grafieken: v=f(t) en x=f(t) Vrije val De versnelling bij de EVRB is constant en kan bepaald worden als de verhouding van de snelheidsverandering in een tijdsinterval en dat tijdsinterval. Grafieken v= f(t) en x= f(t) moeten door de leerlingen enkel kunnen geïnterpreteerd worden. Door gebruik te maken van een rijbaan met helling of horizontale baan met toegevoegde aandrijving kan de versnelling bij een EVRB bestudeerd worden .



De valbeweging kan experimenteel onderzocht worden door hoogte-tijdmetingen die grafisch worden voorgesteld. 5.1.2

Krachten

5.1.2.1

Principes van Newton

- Het traagheidsbeginsel kunnen verwoorden. - Het verband tussen versnelling, massa en kracht kunnen weergeven. - Het principe van actie en reactie kunnen verwoorden en toepassen.

Traagheidsbeginsel Verband tussen versnelling en massa en kracht Actie en reactie Een uitwendige kracht wordt voorgesteld als oorzaak van een versnelling. Het verband tussen kracht, versnelling en massa kan nagegaan worden door een wagentje op een rijbaan met verschillende massa's te belasten en verschillende krachten te laten inwerken. 5.1.2.2

Enkele bijzondere krachten

- De zwaartekracht kunnen omschrijven als de kracht uitgeoefend door de aarde op voorwerpen en waarvan de grootte gelijk is aan Fz = mg. - Verduidelijken wanneer er wrijvingskrachten kunnen optreden. - De zin van de wrijvingskracht kunnen bepalen. - De betekenis van een wrijvingsfactor kunnen verduidelijken. (U) - Toelichten dat de centripetale kracht steeds aanwezig is bij de ECB. (U)

Zwaartekracht Wrijvingskracht Centripetale kracht (U) De zwaartekracht wordt bepaald als de kracht die de val van lichamen in het zwaarteveld veroorzaakt en bijgevolg de oorzaak is van de valversnelling. De wrijvingskracht wordt voorgesteld als een contactkracht. De wrijving kan nagegaan worden met wrijvingslichamen. Vermits bij de ECB de omtreksnelheidsvector niet constant is treedt er een kracht op die enkel de richting verandert en niet de grootte. Deze kracht is naar het middelpunt van de cirkel gericht en wordt de centripetale of middelpuntzoekende kracht genoemd. 5.1.2.3

Samenstellen van krachten

- De resultante van krachten die gelijktijdig op eenzelfde onvervormbaar lichaam inwerken kunnen omschrijven. - De resultante kunnen bepalen van twee krachten met dezelfde richting. - De resultante kunnen construeren van krachten met samenlopende richtingen, en de grootte hiervan kunnen bepalen als de richtingen loodrecht op elkaar staan. - De resultante kunnen bepalen van krachten met evenwijdige richtingen.



Resultante van krachten Dit punt kan ook experimenteel ondersteund worden door proeven waarin er gebruikgemaakt wordt van dynamometers. Wanneer via het complementair gedeelte van de tweede graad het vak TV Mechanica/Toegepaste fysica aangeboden wordt geschiedt er een korte herhaling met uitbreiding van de leerstof. 5.1.2.4 -

Het moment van een kracht ten opzichte van een punt

De definitie van het moment van een kracht ten opzichte van een punt kunnen verwoorden. De som van de momenten van coplanaire krachten ten opzichte van een punt in het vlak kunnen bepalen. Een krachtenkoppel kunnen definiëren. (U) Het moment van een krachtenkoppel kunnen afleiden en weergeven. (U)

Definitie Momentenstelling Krachtenkoppel (U) Dit punt wordt ook experimenteel aangebracht. De momentenstelling wordt ook de stelling van Varignon genoemd. Het moment van een krachtenkoppel wordt afgeleid als een som van twee momenten.

5.2 5.2.1 -

Periodieke verschijnselen Trilling en golven

De uitwijking bij een harmonische trilling met behulp van een y(t)-diagram kunnen interpreteren. Toelichten dat een golf een trilling is die zich voortplant. De golflengte kunnen omschrijven. Het verband tussen golflengte en frequentie kunnen verwoorden.

Grafische voorstelling door middel van een y(t)-diagram Golf, golflengte en frequentie De harmonische trilling kan ingevoerd worden via de projectie van een ECB. Merk op dat een harmonische beweging periodisch is, maar een periodieke beweging niet noodzakelijk harmonisch is. Hoewel er doeltreffende computersimulaties bestaan, zijn een lang touw en een lange veer (bv. een slinky veer) nog altijd zeer eenvoudige en concrete hulpmiddelen om het begrip golf aan te brengen. Om duidelijk te stellen dat een golf voortplanting van energie en niet van materie is, kan het beeld gebruikt worden van een dobber op een wateroppervlak. Bij de definitie van golflengte kan men er via v = 8.f op wijzen dat voor een bepaalde middenstof de golflengte en de frequentie omgekeerd evenredig zijn met elkaar. Dit kan eveneens met een lang touw geïllustreerd worden. Bij de grafische voorstelling van een golf dient men duidelijk op het onderscheid te wijzen tussen de tijdsafhankelijke grafiek y(t) van een trilling en de plaatsafhankelijke grafiek y(x) van een golf (een momentopname). 5.2.2

Fysische optica

- Zichbaar licht kunnen situeren binnen het elektromagnetisch spectrum. - De kleuren van het spectrum kunnen opnoemen en het begrip complementaire kleur kunnen omschrijven.



Het elektromagnetisch spectrum Complementaire kleuren Het onderscheid tussen een mechanische en een elektromagnetische golf kan eerst gegeven worden. Bij het elektromagnetisch spectrum kunnen telkens de belangrijkste eigenschappen en toepassingen aangehaald worden. Door een sterke en smalle lichtbundel te laten invallen op het zijvlak van een glazen prisma kan men op een eenvoudige manier de kleurenschifting aantonen. Indien we gekleurde glazen of plastieken plaatjes voor een projector houden zien we de kleur van het voorwerp. We spreken in dit geval van filters. 5.2.3 -

Wisselstromen

Het onderscheid tussen wisselstroom en gelijkstroom kunnen toelichten. De effectieve waarde van een wisselstroom met haar betekenis kunnen weergeven. Het effectief vermogen zonder faseverschuiving kunnen bepalen. De bouw en de werking van de transformator kunnen weergeven.

Verloop van wisselstroom Effectieve waarde Transformator Het ontstaan en het verloop van wisselstroom kan geïllustreerd worden en verklaard worden door middel van de inductiewetten die behandeld werden in het vak TV Toegepaste fysica van het eerste leerjaar van de derde graad. De definitie en de grootte van de effectieve waarde van wisselstoom, wisselspanning en vermogen wordt gegeven.

5.3

Condensatoren

- De capaciteit van een condensator kunnen definiëren. - Het laden en ontladen van een condensator kunnen toelichten. - De impedantie in een capacitieve kring kunnen weergeven en interpreteren.

Capaciteit Gedrag in een gelijkspanningskring Gedrag in een wisselspanningskring Vertrekkend van een algemene definitie van de capaciteit kan de definitie van de capaciteit van een condensator gegeven worden. Het laden en het ontladen wordt experimenteel en via grafieken toegelicht. De waarde van de impedantie kan gemeten en verduidelijkt worden door gebruik te maken van de impedantiedriehoek. Eventueel kan het faseverschil hier ter sprake komen.



6

MINIMALE MATERIELE VEREISTEN

6.1

Basisinfrastructuur

Een aangepaste demonstratietafel met water- en energievoorziening

6.2 6.2.1

Materiaal Meetinstrumenten

- Dynamometers - Multimeters of stroom- en spanningsmeters 6.2.2 -

Illustratiemateriaal

Veren en massa's Voor de studie van de harmonische trilling Prisma's, lichtbronnen Transformator Condensatoren

7

EVALUATIE

Het doel van de evaluatie is na te gaan in welke mate de leerlingen de doelstellingen hebben bereikt. De evaluatievragen moeten daarom in de eerste plaats op die doelstellingen gericht zijn. Dit kan gebeuren door permanente evaluatie en door formatieve en summatieve toetsen. Bij de evaluatie zal men zorgen voor voldoende afwisseling in vorm (bepaal, verklaar, schets, construeer, noem, leid af, toon aan ... ) en naar inhoud (kennis-, inzichts- en toepassingsvragen). Bij meerkeuzetoetsen zal men een verklaring van het aangeduide antwoord vragen. Aangezien het experiment (demonstratieproeven) en werken met grafieken belangrijk zijn, mag dit eveneens terug te vinden zijn in de evaluatie. 8

BIBLIOGRAFIE

8.1 -

Uitgaven van pedagogisch-didactische centra

Eekhoutcentrum, KULAK, Universitaire Campus, 8500 Kortrijk. Pedic, Coupure Rechts 314, 9000 Gent. DiNAC, Bonnefantenstraat 1, 3500 Hasselt. Vliebergh-Sencieleergangen: Fysica, Naamsestraat 61, 3000 Leuven. Syllabi Navorming VVKSO, Integratie van de computer in de Fysica.



8.2

Tijdschriften

Onder andere - Exaktueel, Tijdschrift voor Natuurkundeonderwijs, Afdeling Didactiek Natuurkunde KUN, Toernooiveld 1, 6525 ED Nijmegen.

8.3

Naslagwerken

- INAV, Informatie Natuurwetenschappen Vlaanderen, Uitgeverij Plantyn, Antwerpen.

8.4

Leerboeken

De leraar zal catalogi van educatieve uitgeverijen raadplegen.



VLAAMS VERBOND VAN HET KATHOLIEK SECUNDAIR ONDERWIJS LEERPLAN SECUNDAIR ONDERWIJS TOEGEPASTE FYSICA

Recommend Documents