TECHNIEK-WETENSCHAPPEN TOEGEPASTE FYSICA DERDE GRAAD

Transcriptie

1 TECHNIEK-WETENSCHAPPEN TOEGEPASTE FYSICA DERDE GRAAD september 2004 LICAP BRUSSEL

2

3 TECHNIEK-WETENSCHAPPEN TOEGEPASTE FYSICA DERDE GRAAD TSO LEERPLAN SECUNDAIR ONDERWIJS LICAP BRUSSEL September 2004 (vervangt D/1992/0279/070) ISBN Vlaams Verbond van het Katholiek Secundair Onderwijs Guimardstraat 1, 1040 Brussel

4

5 Inhoud DEEL 1 THEORIE 1 Beginsituatie Algemene doelstellingen Algemene pedagogisch-didactische wenken Taak van de leraar Werkvormen Jaarplanning Technische toepassingen en vraagstukken Contexten Informatie- en communicatietechnologie (ICT) Veiligheid- en milieuaspecten Leerplandoelstellingen, leerinhouden, pedagogisch-didactische wenken en didactische middelen Uitrusting en didactisch materiaal Evaluatie Bibliografie...33 DEEL 2 LABORATORIUM Inleiding Beginsituatie Algemene doelstellingen en vaardigheden Algemene vaardigheden en doelstellingen Specifieke doelstellingen de graad TSO Techniek-wetenschappen 3 Inhoud

6 3 Pedagogisch-didactische wenken Algemene wenken in verband met organisatie en uitvoering Gesloten, open en onderzoekspracticum Specifieke wenken in verband met de veiligheid Informatie- en communicatietechnologie Leerplandoelstellingen, leerinhouden en pedagogisch-didactische wenken Evaluatie Waarom beoordelen? Hoe beoordelen? Minimale materiële vereisten Bibliografie Techniek-wetenschappen 3de graad TSO Inhoud

7 DEEL 1 THEORIE Eerste leerjaar: 4-5 uur/week Tweede leerjaar: 4-5 uur/week 1 Beginsituatie De leerlingen in deze studierichting tonen door hun keuze brede belangstelling voor natuurwetenschappen en techniek. In het fundamenteel gedeelte van de gekozen studierichting volgen ze 3/2 uur Toegepaste Biologie, 5/6 uur Toegepaste Chemie en 4 (of 6) uur Toegepaste Fysica. De leerlingen die in de 2 de graad Techniekwetenschappen hebben gevolgd kregen 2 uur Fysica en 2 uur Laboratorium fysica. Daardoor hebben ze naast kennis, inzicht, cognitieve en praktische vaardigheden ook een aantal basisvaardigheden (meet en rekentechnieken, tekenen van grafieken, maken van een verslag,...) verworven. Ze bezitten voorkennis van fysische concepten en wetten i.v.m. de structuur van de materie (deeltjesmodel), de geometrische optica, een elementaire behandeling van de basisbegrippen uit de mechanica (krachten, arbeid, energie en vermogen), de gaswetten, warmte en faseovergangen. Het feit dat deze leerlingen kiezen voor Techniek-wetenschappen wijst op een positieve houding t.o.v een theoretisch technische opleidingsvorm voor wetenschappen in het algemeen en voor fysica in het bijzonder. We mogen dan ook aannemen dat deze gemotiveerde leerlingen een extra inspanning zullen leveren om de verschillen t.a.v. het startniveau van leerlingen uit 2 de graad Techniek-wetenschappen weg te werken. 2 Algemene doelstellingen Toegepaste fysica is een netwerk van begrippen, regels, wetten, theorieën en modellen. De kennis van dit netwerk maakt het mogelijk verschijnselen te ordenen, toe te lichten of te verklaren. Aangezien Techniekwetenschappen binnen het technisch onderwijs een richting is die voorbereidt op hoger onderwijs is het uitgangspunt dat elke leerling deze kenniselementen op een aangepast beheersingsniveau kan verwerven. Even belangrijk is het aanleren van vaardigheden, inzichten en attituden om met die kennis iets te kunnen doen. Dit geheel aan kennis, vaardigheden, inzichten en attituden moet de leerlingen aansporen om hun persoonlijkheid verder harmonisch te ontwikkelen en reikt hen elementen aan om adequaat vragen en problemen uit het dagelijkse leven nu en in de toekomst op te lossen. In die zin zijn de wetenschappen in het algemeen en Toegepaste fysica in het bijzonder ook buiten hun specifiek domein, cultuurscheppend en -bepalend. De leerlingen leren eveneens een relatie te leggen tussen hun schoolse kennis en de technisch-technologische en maatschappelijke wereld waarin ze leven. Het werken met ICT en het gebruik van contexten die verband houden met diverse toepassingen van fysica (o.a. uit de industriële en medische wereld) helpen de aandacht richten op wetenschappelijke en technische aspecten van onze samenleving. Rekening houdend met de persoonlijkheidskenmerken van leerlingen die voor een wetenschappelijk-technische studierichting kiezen in de 3 de graad mag men zich niet uitsluitend beperken tot het bespreken van de klassieke toepassingen of verschijnselen uit hun ervaringswereld. Men moet het aandurven om nieuwe technische toepassingen, die voor leerlingen spannend en uitdagend zijn te behandelen. Het is de opdracht van de leerkracht Toegepaste fysica de leerlingen in contact te brengen met de snel veranderende technologie en haar impact op onze hedendaagse samenleving. Deze aanpak zal er eveneens toe bijdragen de waarde van de tweedeling tussen denken en doen, tussen zuivere en toegepaste kennis te relativeren. De algemene doelstellingen van Toegepaste fysica en het aanleren van bijgaande vaardigheden zijn gericht op het verwerven van inzicht en het kunnen omgaan met de wetenschappelijke (1) de socio-culturele (2) en toegepaste componenten (3) van fysica. 1 Door het verwerven van fundamentele fysische feitenkennis, het aanleren van de natuurwetenschappelijke methode en het ontwikkelen van een wetenschappelijke grondhouding zijn de leerlingen in staat om belangrijke fysische begrippen, wetten en principes in de specifieke vaktaal te omschrijven en waar nodig ook wiskundig en grafisch weer te geven; 3de graad TSO Techniek-wetenschappen 5 Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

8 het ordenend, verklarend en voorspellend karakter van fysische modellen, structuren en theorieën te doorzien; bij een waarneming of de beschrijving van een natuurkundig verschijnsel te herkennen welke begrippen of wetten bij het verschijnsel een rol spelen. 2 Door het aanleren van cognitieve en vakspecifieke vaardigheden zijn de leerlingen in staat om eenvoudige strategieën te gebruiken voor het aanleren van nieuwe kennis zoals aantekeningen maken, hoofd - van bijzaken te onderscheiden, te schematiseren, verbanden te leggen, te reflecteren op eigen functioneren, zicht te krijgen en sturing te geven aan het eigen leerproces en het eigen leerproces bewaken; fysische informatie in verschillende gegevensbestanden op te zoeken, te verzamelen, te ordenen en te verwerken eventueel met behulp van ICT; hun kennis en inzicht in de natuurwetenschappelijke methode te gebruiken om verzamelde gegevens te ordenen volgens gemeenschappelijke kenmerken en door te analyseren onderlinge verbanden en mogelijke veralgemeningen op te sporen; wetenschappelijke modellen, principes en wetten verantwoord te interpreteren; in te zien dat modellen in de fysica besluiten toelaten die experimenteel kunnen worden getoetst en op basis van de resultaten kunnen worden verfijnd of uitgebreid; de natuurkundige feitenkennis te gebruiken om theoretische problemen en denkvragen op te lossen, alsook om deze toe te passen in concrete situaties uit leefwereld en techniek; alleen of in groep een opdracht uit te voeren en er een verslag over uit te brengen. 3 Door inzicht verwerven in fysica als maatschappelijk verschijnsel en als toegepaste en praktische wetenschap zijn de leerlingen in staat om de betekenis van toegepaste fysica voor de samenleving te doorzien, alsook de waarden en de beperkingen ervan; de wetenschappelijke en technologische problemen in een voldoend ruime maatschappelijke context te plaatsen en de complexiteit van dergelijke problemen te erkennen; de interacties tussen toegepaste fysica, techniek en samenleving in hun historische en hedendaagse evolutie te plaatsen. 3 Algemene pedagogisch-didactische wenken Om de algemene doelstellingen, de vaardigheden en de vakspecifieke doelstellingen van de fysicaleerstof te bereiken, worden de didactische werkvormen die Actief leren bevorderen sterker benadrukt. Het aanleren en inoefenen van algemene en specifieke vaardigheden (functionerende kennis) wordt geaccentueerd zodat leerlingen niet alleen de leerstof kennen maar ook kunnen gebruiken zowel in theoretische als in technische toepassingen (Technisch - technologische vorming) en in leefwereldsituaties. 3.1 Taak van de leraar In het onderwijs is er een visie ontwikkeld waarbij kennisverwerving niet een passief aanvaardend maar een actief construerend proces is. Bij deze visie staat het leerproces centraal. Toch weten we dat binnen ons onderwijs het nog teveel de leraar is die de meeste activiteiten uitvoert terwijl de leerling het leerproces passief ondergaat. Dit is dus niet de meest aangewezen manier om leerlingen te laten leren. Leren gebeurt door een activiteit van diegene die leert. Hij is het die zelf actie onderneemt. Het is de taak van de leraar om die actie voor te bereiden door leeractiviteiten te ontwerpen, te begeleiden en het resultaat te evalueren. Naast het opdoen van kennis moet de leerling deze kennis correct kunnen gebruiken of toepassen. Binnen de lessenpraktijk mag de leraar 6 Techniek-wetenschappen 3de graad TSO TV Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

9 daarom niet alleen aandacht hebben voor het verwerven van vakspecifieke leerinhouden (kennisoverdracht). Hij moet verschillende leeractiviteiten ontwikkelen en vaardigheden aanleren en inoefenen (voordoen, begeleiden, activeren) die een brede verwerking van de leerstof mogelijk maken zoals ordenen, vergelijken, inductief redeneren (besluiten trekken uit waarnemingen), deductief redeneren (voorspellen), abstraheren en formaliseren (toepassen van modellen en formules), analyseren, problemen oplossen,... Leerlingen bouwen met dit soort opdrachten zelf hun kennen en kunnen op (leren leren, zelfstandig leren, actief leren). Het is een uitdaging voor de leraar om in het fysicaonderwijs deze leeractiviteiten in te zetten en van de leerlingen actief lerenden te maken in allerlei situaties: bij het aanbrengen van een theorie, bij een demonstratieproef, een onderwijsleergesprek, het planmatig oplossen van probleemopgaven. Ook moeten metacognitieve vaardigheden en activiteiten aan bod komen waardoor de leerling in staat is om het eigen leerproces te reguleren en te evalueren. De verschuiving van product- naar procesgericht onderwijs waarbij de vaardigheid in het gebruik van cognitieve en metacognitieve leeractiviteiten centraal staat, moet tot een diepere en ook een gewijzigde verwerking van de leerstof leiden. Bepaalde vaardigheden (begrijpen en onthouden, integreren en toepassen) zullen in samenhang met het aanbrengen van de leerinhouden moeten worden aangeleerd en ingeoefend. Hierbij verschuift de rol van de leraar van een docerende en instruerende naar een meer begeleidende rol m.a.w. van een leraargestuurd naar een meer leerlingengestuurd fysicaonderwijs. Het is vanzelfsprekend dat er een verticale en horizontale samenwerking is met de collega s. Er worden afspraken gemaakt over vaardigheden, wiskundige technieken en leerinhouden die op het snijvlak liggen van twee vakken: met de collega s Wiskunde (oplossen van kwadratische vergelijkingen, e-machten, afgeleiden, integralen) en met de collega s Chemie bijv. in verband met atoombouw. 3.2 Werkvormen De leerplancommissie is van mening, dat het mogelijk is om langs verschillende werkvormen tot de geformuleerde doelstellingen en vaardigheden te komen. Daarom pleiten we voor een gevarieerde aanpak van de leerstof. Leerlingen moeten in de les meer doen dan enkel opschrijven en luisteren (cognitieve overdracht van informatie). Nog altijd is bij vele leerkrachten het geven van uitleg en het afleiden van een relatie een te belangrijk en tijdrovend lesonderdeel. Niet zelden vullen zij er de hele les mee in de hoop op die manier zoveel mogelijk informatie over te dragen. Dergelijke manier van lesgeven laat leerlingen in de veronderstelling dat fysica slechts een opeenstapeling is van feiten en formules. De meeste leerlingen beleven dergelijke lessen meestal als saai en weinig enthousiasmerend. Enkel frontaal lesgeven of doceren mogen we als een gedateerde en achterhaalde vorm van kennisoverdracht beschouwen. Informatie kan niet alleen van cognitieve, maar ook van affectieve en motorische aard zijn. We geven de voorkeur aan die werkvormen waarbij alle aspecten van het leren aan bod komen en die het actief leren bevorderen. Door een grotere activiteit worden de leerlingen gemotiveerd om te leren. Motivatie blijkt uit de inspanningen die we waarnemen bij leerlingen. Leerlingen leren misschien uit hun fouten maar worden ook gemotiveerd door hun successen. Een goed voorbereide demonstratieproef, directe instructie (basisinformatie en standaardvaardigheden aanleren en helpen verwerken), een open maar actief onderwijsleergesprek waarbij leerlingen hun kennis kunnen zichtbaar maken, samenwerkend leren (groepswerk), uitdagende opdrachten, uitvoeren van leerlingenproeven en maakbare toetsen kunnen de betrokkenheid van de leerlingen groter maken en hun inzet en hun diep nadenken stimuleren. Met dit leerplan beoogt men een basis van de fysica te leggen door een grondige behandeling van bepaalde domeinen van de klassieke Fysica in hun tweeledig aspect: het theoretische en het experimentele alsook de leerlingen te laten kennis maken met enkele aspecten van de elektronica en fysische verschijnselen en technische toepassingen (bv. Laser) die verklaard en toegepast werden in de tweede helft van de twintigste eeuw, de zogenaamde moderne fysica. Het proefondervindelijk karakter van de Fysica moet ook in de lessen tot zijn recht komen. Demonstratieproeven en leerlingenpractica (Toegepaste fysica - Laboratorium) staan daarvoor in. Van leerlingen die deze leerinhouden verwerkt hebben, mag verwacht worden dat ze zelfstandig een meting kunnen uitvoeren en meetresultaten kunnen verwerken en interpreteren en er een mondeling of schriftelijk verslag kunnen over uitbrengen. 3de graad TSO Techniek-wetenschappen 7 Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

10 3.3 Jaarplanning Het afwerken van dit leerplan is een dwingende plicht. Toch moeten niet alle verplichte leerstofpunten van dit leerplan maximaal worden uitgewerkt. Het behoort tot de pedagogische vrijheid van de leerkracht om zelf bepaalde accenten te leggen. De leerkracht, die zorgt voor een goede dosering van zowel demonstratieproeven als het geven van directe instructie als het laten maken van opgaven, mag niet in tijdnood komen. Hij kan zich hierbij ook laten leiden door motieven en interesse van leerlingen en via contexten of het bespreken van technische toepassingen wijzen op het gebruik en de effectiviteit van fysische principes in de dagelijkse werkelijkheid (realistische fysica). Zelfactiviteit van de leerling is zoals reeds eerder vermeld eveneens belangrijk. Het belang dat aan een leerstofinhoud dient te worden gehecht is niet altijd recht evenredig met het aantal leerstofpunten in de leerinhouden en/of het aantal doelstellingen die moeten worden nagestreefd. Het is evident dat de leerstof die traditioneel tot het curriculum behoort vaak in kortere termen en doelstellingen te vatten is dan nieuwe leerstofpunten. De uitbreidingsleerstof is niet verplicht. De leerkracht oordeelt, rekening houdend met de beschikbare tijd en de mogelijkheden van de klasgroep, in welke mate hij nog de uitbreidingsleerstof (naar eigen keuze) kan behandelen. Volgende tijdschema s en leerstofordening zijn richtlijnen om leraren te helpen bij het opstellen van hun jaarplan. De volgorde waarin deze onderdelen behandeld worden behoort tot de pedagogische vrijheid van de leerkracht, op voorwaarde dat de logische vakstructuur behouden blijft. Zo kan in het eerste leerjaar bv. eerst Elektriciteit en Elektromagnetisme behandeld worden en pas daarna Mechanica. In het tweede jaar is enkel nodig dat Trillingen en golven en Voorbeelden van golven na elkaar volgen. Voor de onderdelen Elektronica en Kernfysica is de keuze vrij. De onderdelen die tot de verplichte leerstof behoren staan in normaal lettertype. De onderdelen die deel uitmaken van de uitbreidingsleerstof staan overal cursief aangegeven. Die scholen die kiezen voor 3 uur theorie zijn derhalve niet verplicht al de uitbreidingsleerstof te behandelen. Het behoort tot de pedagogische vrijheid van de leerkracht hier een didactisch verantwoorde keuze te maken. 1 ste leerjaar (50 u u.): 1 Mechanica (23 u u.) Kinematica (11 u. + 5 u.) Rust en beweging (1 u.) De ERB (2 u. + 1 u.) De EVRB (6 u.) De valbeweging (2 u. + 1 u.) Samenstellen van bewegingen (+ 3 u.) Dynamica (12 u. + 9 u.) De beginselen van Newton (5 u. + 2 u.) Arbeid en energie (4 u.) Gravitatie (3 u.) Evenwicht (+ 3 u.) Krachtstoot en bewegingshoeveelheid (+ 4 u.) 2 Elektrodynamica (14 u. + 7 u.) Elektrische ladingen en elektrisch veld (4 u. + 2 u.) Ladingstransport (3 u.) Schakelen van weerstanden (5 u.) Onderzoek van weerstanden (1 u.) 8 Techniek-wetenschappen 3de graad TSO TV Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

11 Spanningsbronnen (+ 3 u.) Condensatoren (1 u. + 2 u.) 3 Elektromagnetisme (13 u. + 4 u.) Permanente en elektromagneten (3 u.) Magnetische werking van elektrische stroom (2 u.) Elektromagnetisch krachtwerking (4 u. + 2 u.) Het verschijnsel elektromagnetische inductie (4 u. + 2 u.) 2 de leerjaar (50 u u. uitbreiding): 1 Trillingen en golven (18 u u.) De ECB (4 u.) De harmonische trilling (5 u. + 3 u.) De vrije gedempte harmonische trilling (+ 1 u.) De gedwongen harmonische trilling (1 u.) Samenstellen van trillingen (+ 3 u.) Lopende golven (4 u.) Eigenschappen van lopende golven (4 u.) Staande golven (+ 4 u.) 2 Voorbeelden van golven (11 u. + 9 u.) Geluid (3 u. + 1 u.) Ontstaan en eigenschappen van licht (4 u. + 4 u.) Wisselspanning en wisselstroom (4 u. + 4 u.) 3 Elektronica (10 u. + 5 u.) Halfgeleiders (2 u.) De diode (4 u. + 1 u.) De bipolaire transistor (4 u.) De transistor als versterker (+ 3 u.) De transistor als schakelaar (+ 1 u.) 4 Kernfysica (11 u.) Radioactiviteit (7 u.) Energie uit atoomkernen (4 u.) 3de graad TSO Techniek-wetenschappen 9 Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

12 3.4 Technische toepassingen en vraagstukken Fysica uit zich onder twee vormen. Enerzijds is zij een conceptueel kader om natuurverschijnselen te beschrijven, te ordenen, te verklaren of te voorspellen. Anderzijds moet ook de nadruk gelegd worden op de toepassingen van dit conceptueel kader in de ervaringswereld of voor het voldoen van materiële noden of behoeften. Dit tweede aspect brengt mee dat techniek in onze samenleving een belangrijke plaats inneemt waardoor de invloed van de techniek in ons werk, in onze leefomgeving en in onze vrije tijd groot is. Techniek biedt daarbij enerzijds oplossingen voor bestaande problemen, maar wordt anderzijds ook dikwijls als bedreigend ervaren. Het doel is vooral: vaardigheden en attitudes ontwikkelen voor het functioneren in een door technologische ontwikkelingen veranderde samenleving. Leerlingen dienen daarom ook hun capaciteiten voor het beoordelen van technische realisaties en het bespreken van technische problemen d.m.v. de fysicaleerstof te ontwikkelen. Op tal van plaatsen in het curriculum zijn technische toepassingen van fysische principes (technische toestellen) en de fysicaleerstof met elkaar verbonden. Dit is zo veel omvattend en voortdurend in ontwikkeling dat het onmogelijk is om in de leerinhouden een volledige en gedetailleerde opsomming te geven. Leraren zijn dan ook vrij om naar keuze dieper in te gaan op de problemen bij de realisatie en het gebruik van een technisch toestel of apparaat waarvan een fysisch principe aan de basis ligt. Voor leerlingen die een wetenschappelijke studierichting volgen is het maken van vraagstukken of het oplossen van problemen in de vervolgopleiding dikwijls aan de orde van de dag. Uitgaande hiervan lijkt het normaal om de leerlingen expliciet te helpen hun vaardigheid bij oplossen van vraagstukken en problemen te vergroten. Er is een duidelijk onderscheid tussen het oplossen van een probleem of vraagstuk en het maken van een oefenopgave of standaardopgave. In het laatste geval is het van voren af duidelijk langs welke weg de oplossing moet verlopen, welke wet of formule toegepast moet worden, en hoe de berekeningen zullen verlopen. In het eerste geval daarentegen, heeft de leerling geen kant en klare weg naar de oplossing tot zijn of haar beschikking, maar moet hij of zij zelf een keuze maken van een of meer wetten en formules die van toepassing zijn, en zelf een plan maken voor de oplossing, die dikwijls meer dan een stap vraagt. Voor dit proces heeft men een strategie nodig, een reeks van denkstappen die in een bepaalde volgorde worden uitgevoerd met het doel tot een antwoord te komen. De context van een probleem kan ontleend zijn aan de alledaagse werkelijkheid, maar kan ook theoretisch en abstract zijn. Voor het oplossen van deze ingeklede vraagstukken moet een systematische probleemaanpak worden aangeleerd en ingeoefend. Dit garandeert dat leerlingen algemene oplossingsstrategieën (vaardigheden) en denkpatronen zich eigen maken en ze in nieuwe situaties kunnen gebruiken (transfer). Een belangrijke stap in het leerproces is dat leerlingen verwoorden hoe ze hebben gewerkt en welke denkpatronen ze hebben gevolgd. Dit is reflecteren en ontwikkelen van metacognitie. Het maken van opdrachten alleen, in duo s of in groepsverband stelt de leerlingen in staat sommige vakoverschrijdende eindtermen na te streven zowel op het vlak van leren leren (LELE 3, 4, 5, 7 en 8) als op het vlak van sociale vaardigheden (SOVA 4 en 5). Zo kan bv. de VOET LELE 3 nagestreefd worden door de nodige materiaalconstanten op te zoeken in een tabel of door bv. vanuit een context een bepaalde argumentatie op te bouwen. Bij het oplossen van vraagstukken zal het SI - eenhedenstelsel gebruikt worden. Er zijn uiteraard ook niet SI - eenheden die toegelaten zijn zoals ev, km/h... Voor het correct gebruik van de namen van grootheden en de symbolen ervan, evenals hun eenheden, verwijzen we naar NBN-normen die hieromtrent worden uitgevaardigd. Men kan zich hiervoor wenden tot: BIN, Brabançonnelaan 31, 1040 Brussel. Met het algemeen in gebruik nemen van het rekentoestel voor het verwerken van meetresultaten of bij het oplossen van vraagstukken is het nodig om aandacht te schenken aan het aantal cijfers in het resultaat. Leerlingen moeten met een elementair besef van nauwkeurigheid de resultaten van berekeningen kunnen weergeven. Het toepassen van foutentheorie voor leerlingen in het secundair onderwijs is te omslachtig en te moeilijk. Het werken met beduidende cijfers en de vuistregels die we aanleren voor het berekenen van resultaten bieden hiervoor een eenvoudige en elegante oplossing. Het toepassen hiervan gebeurt consequent bij alle berekeningen. 10 Techniek-wetenschappen 3de graad TSO TV Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

13 3.5 Contexten Fysica is de wetenschap die natuurlijke situaties en verschijnselen onderzoekt en beschrijft d.m.v. een bepaald soort wetten en principes die we fysische wetten en principes noemen. Deze principes en wetten hebben zonder deze reële situaties geen betekenis. Als we deze wetten en principes onderwijzen zonder ze nadrukkelijk te betrekken op leefwereldsituaties of leefwereldverschijnselen, onderwijzen we geen fysica maar wiskunde. Immers wiskundige begrippen en termen hebben geen referentie buiten de theorie en ontlenen hun betekenis aan hun plaats binnen een systeem van afspraken en regels. In deze zin is het gebruik van contexten in de fysica de logica zelf. Aan het gebruik van contexten worden binnen het fysicaonderwijs een drietal functies toegeschreven, nl. een motivatie-verhogende, een begripsvormende en een begripstoepassende functie. Deze drie functies vormen samen met een degelijke vakstructuur de nodige voorwaarden voor een efficiënt fysicaonderwijs. Het toepassen van fysische principes, regels en wetten op praktijksituaties (Toegepaste fysica) is zeker niet nieuw. Vroeger ging het vooral om technische toepassingen achteraf en eerder als randversiering dan als, wezenlijk deel van de leerstof. Door een context als inleiding te gebruiken of door ze te integreren bij het aanbrengen van de leerstof en in opdrachten kan men voorkomen dat er een kloof blijft tussen wat in het leerboek staat en wat in de leefwereld gebeurt. Daarnaast kunnen contexten meehelpen om de betekenis van de aangeleerde begrippen en de bruikbaarheid ervan in het dagelijkse leven te vergroten. Ze kunnen ook helpen om de kenmerkende eigenschappen van een begrip op een concrete wijze voor te stellen. Het kenmerk van een goede context is dus dat hij functioneel is en aansluit bij de leefwereld van de leerlingen. Eventueel kan hij de historische ontwikkeling van een bepaald fysicadomein en de bijhorende maatschappelijke gevolgen beschrijven. Voorbeelden zijn: elektriciteit en veiligheid, straling en gezondheid, beweging en sport, beweging en verkeersveiligheid, muziek en trillingen Naast fysische zijn er vaak andere niet-fysische aspecten aan contexten te onderscheiden (chemische, biologische, technische, geografische, economische, ethische,...). Dit breed kader kan er voor zorgen om de maatschappelijke en de culturele betekenis van de fysica te onderstrepen. Om een context succesvol in de klas te gebruiken moet hij aansluiten op het niveau van de leerlingen, de fysische begrippen moeten voor de leerlingen herkenbaar aanwezig zijn en de opbouw van de les moet zodanig zijn dat de leerlingen actief aan de les kunnen deelnemen en hun leerervaringen kunnen uitwisselen. Probleemoplossend werken kan zo ook kwalitatief gebeuren door het stellen van denkvragen of andere vragen bij een relevante context. 3.6 Informatie- en communicatietechnologie (ICT) De betekenis en de relevantie van het gebruik de computer in het fysica- en toegepast fysicaonderwijs is groot en zal op korte termijn nog aanzienlijk toenemen. Het gebruik van de computer biedt nieuwe didactische mogelijkheden en in bepaalde gevallen een meerwaarde voor het fysicaonderwijs. Het gaat in het bijzonder om het verwerven van informatie (Internet), het meten met de computer bij demoproeven, het verwerken van numerieke gegevens, het direct beschikbaar zijn van grafieken, gebruik van rekenmodellen, interactieve simulatieprogramma s, leerlingen cd-rom met oefenopgaven en toetsen met directe feedback. ICT zal het fysicaonderwijs verrijken. Leerkrachten kunnen meer en nauwkeuriger demonstratieproeven uitvoeren en leerlingen kunnen zelfstandiger en actiever omgaan met de leerstof. Daardoor is het fysicaonderwijs aan het veranderen. De computer is geen vervanger van onderdelen van het leerplan, maar maakt een andere wijze van interactief en onderzoekend leren mogelijk. Leerkrachten die in de fysicaklas een computer met interfacekaart, meetpaneel en sensoren ter beschikking hebben, kunnen van dit meetapparaat gebruik maken om demonstratieproeven uit te voeren en de metingen via tabellen en grafieken visueel voor te stellen. Zowel bij het opstellen en het uitvoeren van een demonstratieproef moet de aandacht in de eerste plaats uitgaan naar de fysische aspecten van de proef en niet naar de registratie en de verwerking. Zo kan men door het sturen van de meting de invloed van de verschillende factoren op de meetresultaten op korte tijd onderzoeken. Proeven die met klassiek didactisch materiaal slechts kwalitatief uitgevoerd kunnen worden bieden met de computer vaak betere perspectieven. We denken hier b.v. aan het opmeten van de inductiespanning, aan krachtmetingen, aan de registratie van bewegingen, het tonen van transistorkarakteristieken en aan het registreren van trillingen en golfverschijnselen. Het zal wellicht nog enkele jaren duren voor dat er voldoende computers in de klas voor de leerlingen ter beschikking zijn. Didactische vernieuwingen zoals het werken met modellen zouden dan in de klaspraktijk een kans moeten krijgen. Het toetsen met modellen (modelléren) en deze vergelijken met resultaten uit experimenten, brengen een verbinding tot stand tussen het fysisch fenomeen en hoe men denkt het te kunnen omschrijven. Pakketten die dit toelaten of andere interactieve programma s op cd-rom, creëren een nieuw type leeromgeving. 3de graad TSO Techniek-wetenschappen 11 Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

14 Er kunnen veel meer open vragen worden gesteld, waar de leerling de computer kan inschakelen om er het antwoord op te vinden. Bij onderzoekend leren zijn contextrijke leersituaties belangrijk. Nieuwe media zoals de cd-rom, kunnen in dit verband realistische beelden van fysische verschijnselen in de klas brengen. Fysicaleerkrachten die over het informaticalokaal beschikken, kunnen de leerlingen nu reeds de kans geven om de leerstof met behulp van de moderne informaticatechnologie, actief en zelfstandig in te oefenen en te verwerken. Hetgeen hierboven vermeld werd voor de computer, geldt ook in zekere mate voor andere audiovisuele media. Vrijwel alle school-tv-programma s evenals een groot aantal instructieve programma s kunnen zinvol in klassituaties aangewend worden. Alhoewel videobeelden nooit de werkelijkheid kunnen vervangen, kunnen enkele minuten van een goed videoprogramma soms beter inzicht bijbrengen dan uren frontaal lesgeven, zonder te spreken van de erbij horende tijdwinst. Het gebruik van de retroprojector met goed leesbare of duidelijke transparanten beschouwen we als een verworvenheid. Meer en meer maakt men gebruik van de Video-Data-Projector om de beelden van presentaties of meetresultaten te tonen op groot scherm. 3.7 Veiligheid- en milieuaspecten We leven in een maatschappij die steeds meer de invloed ondergaat van de technologie en de producten die technologie voortbrengt. Deze producten en apparaten houden gevaren in zodat veiligheidsaspecten belangrijk zijn. Aandacht voor veiligheid zou moeten behoren tot de courante burgerzin van elk lid van onze maatschappij. Voor de exacte wetenschappen is er dus een taak weggelegd op dit domein want Fysica, Chemie en Biologie leveren de basiskennis in dit verband. Het fysisch begrippenkader is aanwezig om de leerlingen verantwoorde informatie te geven i.v.m. veiligheid in de domeinen elektriciteit, ioniserende straling en mechanica. Het gevaar van elektrocutie kan behandeld worden via de begrippen weerstand van het menselijk lichaam en stroom door het menselijk lichaam. Kortsluiting (brandveiligheid), overbelasting (stroomonderbreking) en massasluiting ("stroomverlies") zijn sleutelbegrippen i.v.m. elektrische veiligheid. Binnen het kader van de veiligheid speelt de goede inrichting van het vaklokaal een cruciale rol. Vooral de elektrische installatie en een eventuele gasinstallatie vragen bijzondere aandacht. De elektrische installatie wordt zeker beveiligd met een automatische lekstroomschakelaar of eventueel met noodstop. Zeer in het bijzonder wijzen we erop dat leerlingen bij het uitvoeren van practicum in open - kring - situaties slechts mogen werken met een maximale spanning van 24 V (spanningen van 0 tot 24 V noemt men veiligheidsspanningen). Voor het mechanisch domein zijn krachten, arbeid en energie de sleutelbegrippen. Denken we hierbij aan de verkeersveiligheid (valhelm, kreukelzone, veiligheidsgordel, airbag). Binnen de fysica hanteert men ook een aantal chemicaliën. Telkens wanneer dit gebeurt wijst men de leerlingen op allerlei veiligheidsaspecten in verband met het veilig omgaan met stoffen (R- en S- zinnen, een goede etikettering). Het opbergen van de scheikundige producten gebeurt in daartoe aangepaste en af te sluiten kasten. 12 Techniek-wetenschappen 3de graad TSO TV Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

15 4 Leerplandoelstellingen, leerinhouden, pedagogisch-didactische wenken en didactische middelen De cursief gedrukte leerplandoelstellingen en leerinhouden behoren tot de uitbreidingsleerstof voor de keuze 3 u/week theorie Fysica. Het behoort tot de pedagogische vrijheid en verantwoordelijkheid van de leerkracht hieruit een didactisch verantwoorde keuze te maken. EERSTE LEERJAAR 1 Mechanica 1.1 Kinematica Rust en beweging De relativiteit van de beweging omschrijven. Relativiteit van rust en beweging De begrippen positievector, baan, baancoördinaat, afgelegde weg en tijdsinterval hanteren. Positievector, baan, positieverandering en tijdsinterval Bij rechtlijnige bewegingen kiezen we de x-as (of de y-as) volgens de baan en gebruiken we de coördinaat x (of y). De positie van een bewegend lichaam in functie van de tijd wordt beschreven via de modelvoorstelling van een puntmassa De eenparig rechtlijnige beweging Van een E.R.B. de snelheid omschrijven en berekenen. x(t)- en v(t)-grafieken tekenen en interpreteren. De E.R.B.: het begrip snelheid, positieverandering, x(t)- en v(t)-diagrammen Opdrachten De definitie van de ERB kan aangebracht worden via de beweging van een luchtbel in een vloeistofbuis. Er kan hier gebruikt gemaakt worden van het feit dat uit de wiskunde gekend is dat een rechte voorgesteld wordt via een eerstegraadsvergelijking. Het begrip snelheid wordt ook als een vectoriele grootheid beschreven De eenparig veranderlijke beweging Toelichten wanneer een veranderlijke beweging eenparig versneld of vertraagd is. Het begrip versnelling omschrijven. x(t)-, v(t)- en a(t)-grafieken tekenen en interpreteren. De E.V.R.B. met en zonder beginsnelheid Formules voor versnelling, snelheid en positieverandering, x(t)-, v(t)- en a(t)- diagrammen Opdrachten 3de graad TSO Techniek-wetenschappen 13 Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

16 Niet elke versnelde beweging is ook eenparig versneld. Als je met je fiets optrekt dan zal meer dan waarschijnlijk de snelheid niet gelijkmatig toenemen. Bij het maken van opdrachten moet er zeker voldoende tijd worden gespendeerd aan interpretatie van en grafisch voorstellen van eenparig versnelde en vertraagde bewegingen. Met de huidige moderne middelen (digitale positiesensor via gatenwieltje of ultrasone afstandssensor) kan je zelfs de grafieken als uitgangspunt nemen. Er kan hier gebruik gemaakt worden van het feit dat uit de wiskunde gekend is dat een parabool voorgesteld wordt via een tweedegraadsvergelijking. Er kunnen ook beweging in de realiteit gefilmd worden en via aangepaste software (videometen) kunnen de overeenkomstige diagrammen geinterpreteerd worden. Bij het maken van rekenvraagstukken mag zeker niet overdreven worden De valbeweging De vrije val als een voorbeeld van een eenparig versnelde beweging zonder beginsnelheid toelichten. Realistische problemen i.v.m. de vrije val oplossen. De verticale worp omhoog als een voorbeeld van een eenparig vertraagde beweging met beginsnelheid toelichten. De vrije val: valversnelling Valhoogte, valtijd, snelheid Opdrachten De verticale worp omhoog Via een valbuis kan aangetoond worden dat in het luchtledige de valtijd vanop eenzelfde hoogte onafhankelijk is van de massa. Bij kleine en zware massa s, die een niet al te hoge snelheid bereiken kan je de vrije val goed benaderen. Zo kan er experimenteel worden aangetoond dat een vrije val een eenparig versnelde beweging is zonder beginsnelheid Samenstellen van bewegingen Het onafhankelijkheidsbeginsel bij het samenstellen van bewegingen omschrijven en in concrete gevallen toepassen. Het onafhankelijkheidsbeginsel Samenstellen van 2 E.R.B., de horizontale worp, de schuine worp Vanuit een experiment kan het onafhankelijkheidsbeginsel aangetoond worden: de valtijd bij een horizontale worp is gelijk aan de valtijd bij een vrije val. Vermits we hier een beweging in twee dimensies hebben, wordt de positie weergegeven door twee coördinaten x en y. 1.2 Dynamica De beginselen van Newton De invloed van de resulterende kracht en van de massa op de verandering van bewegingstoestand van een voorwerp kwalitatief en kwantitatief beschrijven. Beginselen van Newton traagheidsbeginsel verband tussen F, m en a: F = m.a 14 Techniek-wetenschappen 3de graad TSO TV Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

17 Het derde beginsel van Newton weergeven en in concrete situaties toelichten, en daarbij de krachten schetsen, ook in de gevallen met spankrachten en normaalkrachten. De wrijvingskrachten met het contactoppervlak toelichten in concrete situaties. Oorzaak van ERB en EVRB beginsel van actie en reactie Normaalkrachten en spankrachten Wrijvingskracht met de bodem Je start bij voorkeur met een controle van de voorkennis op het gebied van kracht (statische en dynamische uitwerking van kracht). Via het eerste en het tweede beginsel wordt de oorzaak van een ERB en een REVB aangegeven. Merk op dat een voorwerp in rust is of eenparig rechtlijnig aan het bewegen is als de resultante van de krachten nul is. Heb je een constante krachtvector dan heb je een E.V.R.B. In dit hoofdstuk stoot je op de preconcepties van de leerlingen. Geef goed aan in welke omstandigheden je werkt. Zo is de valtijd in het luchtledige, zoals gekend, onafhankelijk van de massa, maar zal in de atmosfeer de valtijd kleiner worden bij een grotere massa. Het duurt immers langer vooraleer een zware massa een wrijvingskracht ondervindt die even groot is als de zwaartekracht erop en de beweging eenparig wordt. Het voorbeeld van sky-diving bij parachutisten is hier een aansprekend voorbeeld. Het beginsel van actie en reactie is één van de meest gekende, maar minst begrepen items uit de fysica. Het geeft in de eerste plaats weer dat krachten altijd in paren voorkomen. Zo is het voor de leerlingen eigenaardig dat de kracht van de aarde op zijn lichaam even groot is als de kracht van zijn lichaam op de aarde. Wij vallen naar de aarde toe en niet andersom. De krachten zijn weliswaar even groot, maar de versnelling is afhankelijk van de massa. Men wijst er de leerlingen op dat de actie- en reactiekrachten steeds aangrijpen op verschillende lichamen en bijgevolg niet kunnen worden opgeteld. Een lichaam dat ergens op steunt ondervindt van die steun een kracht, de normaalkracht. Een lichaam dat ergens aan hangt, ondervindt van de ophanging een kracht, de spankracht Arbeid en energie De formules voor de verschillende soorten mechanische energie weergeven. Behoud van energie toepassen in concrete voorbeelden. Kinetische energie Gravitatie potentiële energie en elastische potentiële energie Behoud van energie Het is aangewezen de begrippen arbeid en vermogen en hun eenheden eventjes te reactiveren. Bij het begrip arbeid wordt de hoekafhankelijkheid geïntroduceerd en bij het begrip vermogen de formule P = F v. De verschillende formules voor de energie kunnen worden afgeleid via de formule voor de arbeid. Bij het afleiden van de formule voor de elastische potentiële energie is de kracht afhankelijk van de uitrekking. Vermits integraalrekening nog niet gekend is kan men dat omzeilen door de arbeid voor te stellen als de oppervlakte onder de F(x)-grafiek. Bij het begrip arbeid introduceren we hier de hoekafhankelijkheid (als de kracht en de verplaatsing loodrecht op elkaar staan is er geen arbeid) en bij het begrip vermogen de formule P = F.v bij een eenparig aangedreven toestel Gravitatie De algemene gravitatiewet omschrijven en in een historische context plaatsen. Gravitatie Zwaartekracht, zwaartepunt, zwaarteveld-sterkte en factoren die de zwaarteveldsterkte beïnvloeden 3de graad TSO Techniek-wetenschappen 15 Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

18 Gravitatiekracht omschrijven. Zwaartekracht als een geval van gravitatiekracht toelichten. Het gewicht van een versneld lichaam toelichten. Gewicht van een versneld lichaam Bij de historische situering kan Newton geplaatst worden in het rijtje Copernicus, Galilei, Brahe, Keppler, Haley. Je kan er de leerlingen attent op maken dat een astronaut in een baan om de aarde gewichtloos is omdat hij aan het vallen is. Hij bevindt zich nog heel dicht bij de aarde. Laat de leerlingen bv. bereken hoe groot g is op een hoogte van 350 km. Dit is zo ongeveer de hoogte waarop het I.S.S. met Frank De Winne aan boord zich bevond. Daar gewicht gedefiniëerd is als de kracht op de ondersteuning of ophanging is het gewicht van een lichaam dat een versnelling naar beneden ondergaat kleiner en is het gewicht bij een versnelling naar boven groter. Dit kan geïllustreerd worden met liftproblemen Evenwicht De voorwaarde voor translatie-evenwicht in concrete situatie toelichten. Het moment van een kracht weergeven en toelichten. Voorwaarde voor rotatie-evenwicht in concrete situaties toelichten en hanteren. Evenwichtsvoorwaarde bij translatie Moment van kracht Evenwichtsvoorwaarde bij rotatie + toepassingen Het belang van de krachtarm bij het moment van een kracht, kan gewezen worden op het gevaar van het opheffen van een last met gekromde rug. Om rugklachten te vermijden tilt men het best met een rechte rug vanuit hurkstand. M.b.v. de momentenstelling (evenwichtsvoorwaarde bij rotatie) kan bv. de kracht uitgerekend worden, die de biceps moet uitoefenen om een bepaalde massa op te heffen. De massa van de voorarm wordt op 2,0 kg geschat en de biceps is via een pees aan de voorarm vast op ongeveer 5,0 cm van het ellebooggewricht Krachtstoot en bewegingshoeveelheid De begrippen krachtstoot en bewegingshoeveelheid weergeven en toepassen. Behoud van bewegingshoeveelheid toepassen bij botsingen. Onderscheid tussen elastische en niet- elastische botsingen toelichten. Krachtstoot en Bewegingshoeveelheid Beginsel van behoud van bewegingshoeveelheid Elastische en niet-elastische botsingen Kreukelzones en veiligheidsgordels bij auto s zijn praktische voorbeelden waarmee we het verband tussen krachtstoot en bewegingshoeveelheid kunnen illustreren. 16 Techniek-wetenschappen 3de graad TSO TV Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

19 2 Elektrodynamica 2.1 Elektrische ladingen en elektrisch veld Het bestaan van 2 soorten ladingen, hun onderlinge wisselwerking beschrijven en de eenheid van lading weergeven. Een geleider en een isolator van elkaar onderscheiden. Elektrische krachtwerking omschrijven als een veldkracht en het begrip veldsterkte toelichten. Het verband tussen potentiële energie en potentiaal toelichten. Lading en verband met de atoomstructuur. Eenheid. Krachtwerking: wet van Coulomb Geleiders en isolatoren Elektrisch veld, veldsterkte en veldlijnen van een homogeen en een radiaal veld Elektrische potentiaal Spanning omschrijven als potentiaalverschil. Potentiaalverschil, spanning Men zal enkele wrijvingsproefjes uitvoeren en verklaren. Hierbij ontstaat geen lading, maar grijpt een verplaatsing van ladingen plaats. Het is de bedoeling de elektrische stroom te zien als een verplaatsing van ladingen. Een elektrische stroom kan voorkomen in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen. Alleen de stroom in vaste stoffen zal verder behandeld worden. Zoals de elektrische veldsterkte de krachtwerking in een bepaald positie weergeeft, zo geeft de elektrische potentiaal de potentiële energie weer in een bepaalde positie, onafhankelijk van de lading die in die positie geplaatst wordt. Inzicht in het veldlijnenpatroon van eenvoudige ladingsverdelingen kan vlug verkregen worden via een simulatie op pc. 2.2 Ladingstransport De grootheden elektrische stroomsterkte en spanning omschrijven en hun eenheden hanteren. Een eenvoudige elektrische schakeling schematisch weergeven en de conventionele stroomzin aangeven. De stroom en de spanning in een elektrische stroomkring meten. Het formeel verband tussen U en I bij een geleider omschrijven. Het thermisch effect van elektrische stroom verklaren en berekenen en in enkele praktische toepassingen beschrijven. Stroom, stroomsterkte Spanning, spanningsbron Conventionele stroomzin Verband tussen spanning en stroom: weerstand. Wet van Ohm Elektrische energie, vermogen enjoule-effect Toepassingen, zoals bv. gloeilamp, smeltveiligheid, kookplaat, broodrooster,... Om zo concreet mogelijk de basisbegrippen i.v.m. een elektrische stroomkring aan te brengen gebruiken we bij voorkeur het vloeistof-stroommodel. Hierbij wordt spanning vergeleken met een hydrostatisch drukverschil. Zoals bij een gesloten vloeistofkring een pomp nodig is die het drukverschil onderhoudt, is er in een elektrische kring een toestel nodig dat de nodige energie levert. Zo een toestel wordt bij voorkeur spanningsbron genoemd. Vanzelfsprekend voert men nadien met een elektrische stroomkring en een lampje als stroomsterkte-indicator enkele 3de graad TSO Techniek-wetenschappen 17 Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

20 kwalitatieve waarnemingsproeven uit en leert men de conventionele stroomzin aanduiden. Nadien kan men met volt- en ampèremeter de stroom en de spanning leren meten. Als toepassing op de leefwereld kan de stroomkring bij een fiets, auto,... besproken worden. 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 gebruikt wordt nl. als grootheid en als schakelelement van energie. Een elektrisch toestel onttrekt elektrische energie aan een spanningsbron en zet deze energie om in een andere soort energie. Het tempo waarin dit gebeurt noemen we het vermogen d.w.z. de hoeveelheid energie die het toestel per seconde kan omzetten. 2.3 Schakelen van weerstanden Bij serie- en parallelschakeling van weerstanden respectievelijk de spanning- en stroomwetten weergeven en toepassen op eenvoudige kringen. Het begrip vervangingsweerstand omschrijven en de vervangingsweerstand berekenen voor een serie- en parallelschakeling. De gevaren en enkele bijhorende veiligheidsaspecten opsommen en toelichten. Serie- en parallelschakeling Stroom- en spanningsregels Vervangingsweerstand Elektrocutie, overbelasting, kortsluiting. Zekering, aarding, verliesstroomschakelaar De stroom- en spanningswetten worden experimenteel afgeleid. Het is niet de bedoeling hier de wetten van Kirchhoff te gebruiken om stroom- en spanningsvergelijkingen op te stellen en op te lossen. De formules voor de vervangingsweerstand worden experimenteel geverifieerd. Een groot gevaar bij elektriciteit is elektrocutie van onder spanning staande delen, als bv. een geleider contact maakt met de metalen behuizing van een toestel. Remedies hiertegen zijn aarding en de verliesstroomschakelaar. Elektroshocks kunnen ook een positief effect hebben, zoals het gebruik van de defibrillator. Hierbij wordt het hart terug in het juist ritme gebracht bij fibrillatie. Een ander gevaar treedt op bij overbelasting, waardoor kortsluiting en eventueel brand kan ontstaan. 2.4 Onderzoek van weerstanden De factoren die de weerstand van een draadvormige geleider bepalen en hun relatie in een formule weergeven en verklaren. Wet van Pouillet + invloed van de temperatuur op de weerstandswaarde De wet van Pouillet wordt experimenteel afgeleid, eventueel rechtstreeks via de ohmmeter. Het bijgaand onderwijsleergesprek biedt de kans wat dieper in te gaan op de wetenschappelijke methode. Bij constante temperatuur is de weerstand afhankelijk van 3 factoren. Bij onderzoek van de invloed van één van die factoren moet de twee andere factoren constant worden gehouden. Bij een gloeilamp neemt de temperatuur sterk toe bij stijgende spanning, waardoor de verhouding van spanning en stroomsterkte niet meer constant is en het U(I)-diagram geen rechte meer is. 18 Techniek-wetenschappen 3de graad TSO TV Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

21 2.5 Spanningsbronnen Het verschil tussen elektromotorische spanning (EMS) en klemspanning omschrijven. De kleinere waarde van de klemspanning bij stijgende belasting m.b.v. de inwendige weerstand van de bron verklaren. De bedoeling van een serie- en een parallelschakeling van bronnen toelichten aan de hand van voorbeelden. EMS en klemspanning Inwendige weerstand van een bron Schakelen van bronnen in serie in parallel gemengde schakelingen Toepassingen Omwille van de constante inwendige weerstand gebruikt men hierbij een batterij. Na vaststelling van klemspanning en EMS, verkleint men de belastingsweerstand. In een U(I)-grafiek verkrijgen we een dalende rechte. Zetten we U-U0 uit tegenover I, dan verkrijgen we een rechte door de oorsprong. De richtingscoëfficiënt van deze rechte is de inwendige weerstand van de bron. Een platte batterij is bv. een serieschakeling van 3 Leclanché-elementen (C-Zn) van 1,5 V. Een 12 V batterij bij een personenwagen bestaat uit een serieschakeling van 6 parallelschakelingen van loodaccu s (2,0 V). Eventueel kunnen deze onderwerpen enkel als leerlingenproef behandeld worden onder de vorm van een onderzoekslaboratorium. 2.6 Condensatoren Het condensatieverschijnsel bij ladingen toelichten en de formule en eenheid van capaciteit weergeven. Het condensatieverschijnsel: de condensator Capaciteit van een condensator en eenheid Het spanningsverloop bij het laden en het ontladen van een condensator weergeven. Het begrip tijdconstante verwoorden en er berekeningen mee uitvoeren. De formules voor het berekenen van de vervangingscapaciteit van een serie of parallelschakeling van condensatoren weergeven en toepassen. De formule voor de capaciteit van een vlakke condensator weergeven. Laden en ontladen van condensatoren Het begrip tijdsconstante bij een RC-kring Vervangingscapaciteit voor de serie- en parallelschakeling van condensatoren De vlakke condensator: permittiviteit Het condensatieverschijnsel van ladingen kan experimenteel aangetoond worden met een daartoe aangepaste elektroscoop (vlak bovenstuk). Met behulp van een pc met meetinterface kan het op- en ontladen van condensatoren langs experimentele weg op een aanschouwelijke manier (m.b.v. grafieken) worden behandeld. Leerlingen moeten inzien dat na t = 5.RC de condensator volledig opgeladen is of ontladen is. 3de graad TSO Techniek-wetenschappen 19 Toegepaste fysica Deel 1 Theorie

22 3 Elektromagnetisme 3.1 Permanente- en elektromagneten Magnetische verschijnselen bij permanente magneten beschrijven d.m.v. magneetpolen, magnetische krachtwerking, magnetisch veld en magnetische veldlijnen en enkele toepassingen van opnoemen. De vorm van het magnetisch veld rond een stroomvoerende draad, in een winding en in een spoel beschrijven en m.b.v. veldlijnen voorstellen. Enkele praktische toepassingen van elektromagnetisme verklaren. De oorsprong van het magnetisme van de materie verklaren en het magnetiseren en demagnetiseren ermee in verband kunnen brengen. Ferromagnetische en niet-ferromagnetische stoffen Permanente magneten: soorten magneetpolen en krachtwerking aardmagnetisme en het kompas Magnetisch veld en veldlijnen Elektromagnetisch veld: vorm en zin van de veldlijnen bij een stroomvoerende draad bij een stroomvoerende winding in een stroomvoerende spoel Toepassingen van permanente magneten Verklaring van het magnetisme van de materie De studie van de permanente magneten is geen studieobject op zich maar is opgenomen in de leerinhouden in functie van de verschijnselen die zich voordoen in het elektromagnetisme. Belangrijk hier zijn het veldbegrip en de afspraak i.v.m. de zin van de veldlijnen. Via proefjes kan je de vuistregels voor vorm en zin van het magnetisch veld illustreren. Uit de overeenstemmende velden van een permanente staafmagneet en een solenoïde (eventueel met weekijzeren kern) kan men besluiten dat binnenin de materie eveneens kringstromen moeten voorkomen die verantwoordelijk zijn voor het magnetisch gedrag van de materie. Het is niet de bedoeling de formules voor de grootte van veldsterkte bij de verschillende stroomvoerende geleiders af te leiden en te behandelen. Voorbeelden van toepassingen zijn de bel, de relais, de luidspreker, het opnemen van audio- en videomateriaal op magneetband, Elektromagnetische krachtwerking De richting, de zin en de grootte van de Laplacekracht op een rechte stroomgeleider en hiermee de magnetische inductie omschrijven De richting, de zin en de grootte van de Lorentzkracht op een bewegende lading bepalen. De richting, de zin en de grootte van de magnetische inductie rond een rechte geleider en in een spoel bepalen. Het werkingsprincipe van een technische toestel dat verband houdt met de laplacekracht/lorentzkracht uitleggen. De Laplacekracht en de Lorentzkracht De magnetische inductie in een solenoïde en rond een rechte geleider Praktische toepassingen zoals afbuiging in een beeldbuis, de Hallsonde 20 Techniek-wetenschappen 3de graad TSO TV Toegepaste fysica Deel 1 Theorie