VWO Module E1 Elektrische schakelingen

Transcriptie

1 VWO Module E1 Elektrische schakelingen Bouw de schakelingen voor een elektrische auto. Naam: V WO Module E1 P agina 1 38

2 Titel: Auteur: Eigenfrequentie, VWO module E1: Elektrische schakelingen Simon de Groot Datum: 4 december 2017 Deze module is onderdeel van eigenfrequentie, een serie lesmodules voor bovenbouw HAVO en VWO. Deze module is mede mogelijk gemaakt door LerarenOntwikkelFonds en de Onderwijscoöperatie. Voor het didactisch concept, andere versies van deze module en andere modules uit dezelfde serie: V WO Module E1 P agina 2 38

3 Hoe werkt eigenfrequentie? Deze module vervangt een deel van je gebruikelijke lesmethode. Een module bestaat uit een deel waarin je zelfstandig opdrachten verwerkt om theorie te leren. Ook bevat iedere module een deel waarbij je een product oplevert. Dat kan bijvoorbeeld een poster of een presentatie zijn. Je hoort van je docent hoe je met deze module om moet gaan. Je werkt bijvoorbeeld in twee-, drie-, of viertallen. Ook bepaalt je docent of deze werkbladen moeten worden ingeleverd. Naast deze werkbladen kunnen er nog aantekeningen worden gegeven of kan het zijn dat je opdrachten uit je lesboek maakt. Ook dat hoor je van je docent. Dit symbool wil zeggen dat je even moet overleggen met je docent. Dit symbool wil zeggen dat je je telefoon, tablet of chromebook mag gebruiken. Regelmatig worden tekstlinks getoond. Deze links zijn ook te vinden op Heb je deze module gebruikt als docent of als leerling? Dan horen we graag wat je er van vindt via 1. Noteer hieronder de afspraken die met je docent gemaakt zijn. V WO Module E1 P agina 3 38

4 Inleiding Als afsluiting van module E1 bouw je zelf de schakeling van een elektrische auto op een interactieve poster. De bedoeling is dat iemand aan de poster kan zien hoe de schakeling bij zo n auto in elkaar zit. De poster is interactief omdat een aantal elektrische onderdelen op de poster echt werken. Locatie van de elektromotoren in de Tesla model S. (bron tesla.com) Jullie interactieve poster wordt op school opgehangen zodat andere leerlingen kunnen zien hoe jullie auto werkt. Voordat je het echte ontwerp gaat maken ontdek je welke kennis je nodig hebt om zo n schakeling te kunnen maken. Wat je wel vast kunt doen is een naam bedenken voor jullie auto. 2. Bedenk vast een naam of merknaam voor jullie auto. Je mag de vraag ook even open laten en later invullen. `... V WO Module E1 P agina 4 38

5 Basisbegrippen In een auto wordt gebruik gemaakt van een spanningsbron, elektromotor en elementen zoals verlichting en andere elektronica. Om te begrijpen hoe deze elementen samenwerken moet je wel iets weten over begrippen als spanning en stroomsterkte. Schema s en symbolen Voor het maken van schakelschema s is het handig als iedereen dezelfde symbolen gebruikt. Een aantal ken je al. 3. Vul hieronder de betekenis van de elektrische symbolen in. Zoek ze eventueel op. Grootheden en eenheden Het is handig als je vast een aantal grootheden, symbolen en eenheden kent die bij elektriciteit horen. Een aantal leer je later. Onderstaande termen ken je als het goed is al. Toch is de exacte betekenis nu nog niet zo belangrijk. 4. Vul onderstaand schema in. Zoek eventueel op. grootheid symbool Eenheid Symbool Spanning Volt Vermogen Ampère V WO Module E1 P agina 5 38

6 Weerstanden Hieronder zie je afbeeldingen van elektrische componenten op een printplaat. 5. Omcirkel in de afbeeldingen de weerstanden. Zoek eventueel zelf afbeeldingen om mee te vergelijken. 6. Vraag je docent of er in de klas ook andere voorbeelden van weerstanden zijn. Regels voor stroomsterkte Hieronder staan de resultaten van een aantal experimenten. Je gaat proberen een regel of wet op te stellen voor stroomsterkte zodat het resultaat van het experiment klopt met je eigen regel. De regel mag je in woorden omschrijven. Bekijk de resultaten van het eerste experiment. 7. Onze regel voor stroomsterkte wordt:... V WO Module E1 P agina 6 38

7 Bekijk nu de resultaten van het tweede experiment. Als je regel voor stroomsterkte moet worden aangepast noteer je dat hieronder. 8. Onze regel voor stroomsterkte wordt/blijft nu: Je gaat nu kijken hoe voorspellend je regel voor stroomsterkte is. Hieronder staan 3 schakelingen. Bij enkele ampèremeters moet de waarde nog worden ingevuld. 9. Beredeneer met behulp van je eigen regel wat op de stippellijnen moet worden ingevuld. V WO Module E1 P agina 7 38

8 V WO Module E1 P agina 8 38

9 10. Vraag aan je docent een antwoordenkaart en controleer je antwoorden. Je hebt nu zelf een regel opgesteld voor stroomsterkte. De stroomsterkte is een maat voor de grootte van de elektrische stroom. 11. Leg in eigen woorden uit wat volgens jou elektrische stroom is. 12. Zoek op wat de betekenis is van de eenheid ampère. 13. Leg uit of deze betekenis klopt met jullie idee van elektrische stroom. Uit de eenheid blijkt ook welke formule je kunt gebruiken voor het verband tussen stroomsterkte, lading en tijd. 14. Laat zien hoe dit verband er in formulevorm uit ziet. 15. Bereken en noteer bij de spanningsbronnen op de vorige pagina s overal hoeveel lading de batterij verlaat in 60 seconden. 16. Gaat er ook lading naar de batterij toe? V WO Module E1 P agina 9 38

10 Stroomsterkte in een simulatie Om beter te begrijpen wat er gebeurt in een elektrische schakeling kun je gebruik maken van een computersimulatie. 17. Leg uit wat wordt bedoeld met een simulatie. 18. Open de applet via bit.ly/ef-schakelingen en bouw een schakeling zoals hieronder, maar je mag gerust je eigen schakeling ontwerpen. De waarde van weerstanden en spanningsbron doet er nu niet toe. 19. Leg uit of de beweging van de bolletjes overeenkomen met jullie idee van elektrische stroom. Met de draadloze stroommeter in de applet kan de stroomsterkte op diverse plaatsen gemeten worden. 20. Controleer daarmee nog een keer je regel voor stroomsterkte. V WO Module E1 P agina 10 38

11 Hoe zit dat nou met de richting van de stroomsterkte en de richting van de bewegende bolletjes in de applet? 21. Tja. Omschrijf dat eens in je eigen woorden. Maak gebruik van de applet. Door gebruik te maken van de betekenis van de eenheid ampère kun je de lading van de bolletjes in de applet bepalen. 22. Voer die bepaling uit. Eventueel zoek je de betekenis van elektrische lading nog op. 23. Denk je dat er echt bolletjes in een draad bewegen. Leg uit waarom wel/niet. V WO Module E1 P agina 11 38

12 Elektrische stroom ervaren 24. Vraag je docent om een batterij, een lampje en een stukje constantaandraad. 25. Laat het lampje branden (zonder het draadje te gebruiken). Teken hierboven hoe je dat hebt gedaan. 26. Vervang het lampje door de constantaandraad en laat ook deze ook branden. Pas op! 27. Leg uit wat hier gebeurt. 28. Voer de twee experimenten ook uit in de applet en kijk wat daar gebeurt. 29. Overleg met je docent over je antwoorden. V WO Module E1 P agina 12 38

13 Regels voor spanning Spanning meten Spanning wordt gemeten door een spanningsmeter (ook wel voltmeter genoemd) parallel aan te sluiten. Later zal je zien waarom. In onderstaande afbeelding staat weer het resultaat van een experiment. Het linker- en rechterschema zijn hetzelfde en geven exact dezelfde informatie. 30. Wat zou een reden kunnen zijn om de linker afbeelding te gebruiken? 31. Wat zou een reden kunnen zijn om de rechter afbeelding te gebruiken? Vanaf nu gebruiken de notatie zoals in de rechter afbeelding. De voltmeter wordt dus niet getoond in de schema s. Ook laten we de ampèremeters vanaf nu achterwege. Probeer nu een regel of wet op te stellen voor spanning zodat de resultaten van bovenstaand experiment kloppen met je regel. De regel mag je in woorden omschrijven. 32. Onze regel voor spanning is:.... V WO Module E1 P agina 13 38

14 Bekijk nu de resultaten van het volgende experiment. Als je regel moet worden aangepast noteer je dat eronder. 33. Onze regel voor spanning wordt/blijft nu:.... Bekijk nu de resultaten van het laatste experiment. Als je regel (weer) moet worden aangepast noteer je dat eronder. V WO Module E1 P agina 14 38

15 34. Onze regel voor spanning wordt/blijft nu:.... Je gaat nu kijken hoe voorspellend je regel voor spanning is. Hieronder staan 3 schakelingen. Bij enkele weerstanden moet de waarde nog worden ingevuld. Beredeneer met behulp van je eigen regel wat op de stippellijnen moet worden ingevuld. V WO Module E1 P agina 15 38

16 35. Vraag aan je docent een antwoordenkaart en controleer je antwoorden. Je hebt nu zelf een regel opgesteld voor spanning. 36. Leg in eigen woorden uit wat naar jouw idee spanning is. 37. Overleg met je docent over je antwoorden In BINAS tabel 5 staat dat een definitie van de eenheid Volt gelijk is aan Joule per Coulomb. Uit deze definitie kan de betekenis van spanning worden afgeleid. 38. Vul onderstaande zin aan met de juiste grootheden en eenheden. De spanning in is gelijk aan de hoeveelheid per.. Op basis van de eenheid kan een formule worden afgeleid die weergeeft hoe de elektrische energie afhangt van de spanning en de lading. 39. Omcirkel hieronder de juiste formule. V WO Module E1 P agina 16 38

17 40. Leg uit of deze formule overeenkomt met jullie idee van spanning. Spanning in een simulatie 41. Open de applet via bit.ly/ef-schakelingen en bouw een schakeling zoals hieronder, maar je mag gerust je eigen schakeling ontwerpen. De waarde van weerstanden en spanningsbron doet er nu niet toe. 42. Teken in het schema hierboven hoe je de spanningsmeter moet aansluiten over één van de weerstanden. 43. Controleer met de spanningsmeter nog een keer je regel voor spanning. Aan de bolletjes in de simulatie is niet te zien wat spanning is. V WO Module E1 P agina 17 38

18 44. Bedenk een manier waarop de makers van de applet spanning zichtbaar zouden kunnen maken in de bolletjes. Teken eventueel hoe de applet er dan uit zou zien. V WO Module E1 P agina 18 38

19 Verband tussen spanning en stroomsterkte In een schakeling heb je te maken met spanning én stroomsterkte. Deze grootheden kunnen niet los van elkaar worden gezien. 45. Vraag je docent om een weerstandsblokje. Hieronder zie je een diagram. Je gaat hierin een grafiek maken waarin de spanning over het weerstandsblokje is uitgezet tegen de stroomsterkte door het weerstandsblokje. 46. Zet de juiste grootheden en eenheden vast bij de assen 47. Vraag aan je docent om de materialen die nodig zijn om deze schakeling te bouwen 48. Voer de meting uit. Noteer de meetgegevens in de tabel en in de grafiek. V WO Module E1 P agina 19 38

20 Je hebt nu het verband tussen spanning en stroomsterkte gemeten. 49. Wat valt je op aan de grafiek de je hebt gemaakt? In een simulatie is het verband ook te vinden. Open de applet bit.ly/ef-schakelingen, bouw een schakeling en onderzoek het verband tussen spanning en stroomsterkte. Controleer wat er gebeurt met de stroomsterkte als de spanning wordt verhoogd. 50. Beschrijf in woorden het verband tussen spanning en stroomsterkte. In de natuurkunde wordt het verband tussen spanning en stroomsterkte de wet van Ohm genoemd. 51. Zoek deze wet op in BINAS of via internet. 52. Leg uit of deze wet klopt met het verband dat je zelf had gevonden. 53. Bepaal uit de gevonden grafiek de grootte van de weerstand van je weerstandsblokje. 54. Overleg met je docent over hoe je tot het antwoord op de vorige vraag bent gekomen. V WO Module E1 P agina 20 38

21 Toepassen 55. Vul de ontbrekende gegevens in door je gevonden regels consequent toe te passen. V WO Module E1 P agina 21 38

22 56. Vul de ontbrekende gegevens in door je eigen regels consequent toe te passen. V WO Module E1 P agina 22 38

23 57. Controleer je antwoorden met behulp van de applet Hieronder staat nog een schakeling. Deze schakeling staat ook in de klas. Alle weerstanden hebben een waarde van 100 Ω. Tussen A en B is een spanningsbron aangesloten van 9,0 Volt. 58. Pas je regels voor spanning, stroomsterkte en weerstand toe en bepaal daarmee de stroomsterkte die de batterij moet leveren. 59. Controleer het antwoord door een ampèremeter aan te sluiten in de schakeling in de klas. 60. Hoeveel elektrische lading verlaat de batterij in 1,0 minuut? 61. Hoeveel elektrische energie verlaat de batterij in 1,0 minuut? V WO Module E1 P agina 23 38

24 Weerstand of geleidbaarheid De wet van Ohm geeft het verband tussen spanning en stroomsterkte. Sommige mensen zeggen dat de weerstandswaarde dus een getal is dat aangeeft hoe moeilijk elektrische stroom ergens doorheen kan. 62. Leg uit of je het daarmee eens bent Je kunt ook een met een getal aangeven hoe gemakkelijk stroom ergens doorheen kan. Dat getal noemen je dan de geleidbaarheid. 63. Zoek op welk symbool en eenheid gebruikt wordt voor geleidbaarheid Leg uit welke formule je dus kunt gebruiken voor de geleidbaarheid G en bereken de geleidbaarheid van een weerstand met een waarde van 200 Ω Overleg met je docent over je antwoorden op bovenstaande vragen. V WO Module E1 P agina 24 38

25 Bijzondere gevallen Je hebt nu zelf opgestelde regels die in iedere schakeling werken. Voor speciale gevallen kunnen nog extra regels opgesteld worden. Parallelschakeling Bekijk onderstaande parallelschakeling. 66. Maak gebruik van je eigen regels voor spanning, stroomsterkte, weerstand en geleidbaarheid en vul de juiste waarden in op de stippellijnen. 67. Welke regels gelden blijkbaar in een parallelschakeling? De totale geleidbaarheid is een logisch gevolg van de geleidbaarheid van de afzonderlijke weerstanden. 68. Leg dat uit door gebruik te maken van de betekenis van geleidbaarheid. V WO Module E1 P agina 25 38

26 Serieschakeling Bekijk onderstaande serieschakeling: 69. Maak gebruik van je eigen regels voor spanning, stroomsterkte, weerstand en geleidbaarheid en vul de juiste waarden in op de stippellijnen. 70. Welke regels gelden blijkbaar in een serieschakeling? De totale geleidbaarheid is een logisch gevolg van de geleidbaarheid van de afzonderlijke weerstanden. 71. Leg dat uit door gebruik te maken van de betekenis van geleidbaarheid. V WO Module E1 P agina 26 38

27 Samenvatten Je hebt nu basisregels voor elektrische schakelingen zelf opgesteld en toegepast. 72. Zet de regels hieronder nog een keer zorgvuldig onder elkaar. Regel voor stroomsterkte: Regel voor spanning: Verband tussen spanning en stroomsterkte: 73. Vind je het nodig de speciale regels voor parallel- en serieschakeling ook hier toe te voegen? 74. Zo ja, doe dat dan hieronder. V WO Module E1 P agina 27 38

28 Ook heb je definities gevonden of opgesteld over spanning en stroomsterkte. 75. Zet deze definities hier nog onder elkaar. Zet ook de eenheid erbij. Stroomsterkte is Spanning is Weerstand is Geleidbaarheid is 76. Als je het nodig vindt andere zaken te noteren in deze samenvatting, dan doe je dat hieronder. V WO Module E1 P agina 28 38

29 Wetenschappelijke notatie Stroomwet van Kirchhoff In de natuurkunde wordt voor elektrische stroom de stroomwet van Kirchhoff gebruikt. Daarin wordt per punt in een schakeling de inkomende en uitgaande stroom aan elkaar gelijk gesteld. Als stroom die het punt ingaat als positief getal wordt weergegeven en stroom die het punt uitgaat als negatief, dan kan de wet worden samengevat als: Voor ieder knooppunt geldt: I =0 77. Leg uit of jullie regel voor stroomsterkte klopt met de stroomwet van Kirchhoff. Spanningswet van Kirchhoff In de natuurkunde wordt voor spanning de spanningswet van Kirchhoff gebruikt. Daarin wordt gesteld dat voor ieder kring in een schakeling de spanning van de spanningsbron gelijk moet zijn aan de som van de spanning die over de afzonderlijke onderdelen staat. Als de bronspanning positief genomen wordt en de spanning over de weerstanden negatief dan kan de wet als volgt worden samengevat: Voor iedere kring geldt: U =0 78. Leg uit of jullie regel voor spanning klopt met de spanningswet van Kirchhoff. V WO Module E1 P agina 29 38

30 79. Leg uit of je nu de wetten van Kirchhoff gaat gebruiken of je eigen regels? 80. Overleg met je docent over je antwoorden. V WO Module E1 P agina 30 38

31 Schakeling elektrische auto Je gaat nu een schakeling maken voor een elektrische auto. Eigenlijk maak je een interactieve poster waarop inzichtelijk wordt hoe de schakeling van je auto werkt. Ontwerpeisen Je gaat een poster maken waarop een aantal actieve componenten is aangebracht. In ieder geval moet je ontwerp aan onderstaande eisen voldoen. - De poster heeft een educatief karakter; je kunt er iets van leren - De schakeling bevat 2 koplampen in de vorm van witte LEDs - De schakeling bevat 2 achterlichten in de vorm van rode LEDs - De schakeling bevat 1 motor - De schakeling bevat een schakelaar die de motor in- en uitschakelt - Alles wordt aangesloten op een spanningsbron van 9,0 Volt 81. Voeg zelf eventuele extra eisen toe Naast deze eisen kun je bij je ontwerp nog rekening houden met de volgende punten: - Duurzaamheid van het ontwerp - Degelijkheid van het ontwerp - Educatief karakter van de poster - Aantrekkelijkheid van de poster V WO Module E1 P agina 31 38

32 Schakelschema 82. Teken het schakelschema. Bij een schakelschema hoef je nog niet te letten op locatie van koplampen, achterlichten en motor. Wel let je op de juiste spanning en stroomsterkte. V WO Module E1 P agina 32 38

33 Benodigdheden 83. Noteer hieronder alle benodigdheden voor je poster. Zet achter alle benodigdheden hoeveel je ervan nodig hebt en wat de belangrijkste eigenschappen zijn. Dit is het boodschappenlijstje waarmee je naar je docent gaat. V WO Module E1 P agina 33 38

34 Layout van het ontwerp 84. Maak hieronder een schets van de layout van je poster. Je zorgt nu dat de plaats van de onderdelen klopt. Denk ook aan eventuele tekst, afbeeldingen, omlijsting, toelichting etc. V WO Module E1 P agina 34 38

35 Product maken 85. Ga nu het eindproduct maken. Als alles werkt wordt je interactieve poster opgehangen in de klas. Je krijgt dan van je docent een evaluatieformulier. Met dit formulier ga je zelf een aantal zaken controleren. Controle 86. Vraag je docent een controlekaart. Noteer hieronder het antwoord op de diverse vragen. Volledigheid: Duurzaamheid: Degelijkheid: Educatief karakter: 87. Noem 1 ding wat je in een nieuw ontwerp anders zou doen. V WO Module E1 P agina 35 38

36 Aantekeningen V WO Module E1 P agina 36 38

37 V WO Module E1 P agina 37 38

38 Voor de docent (Maar een leerling mag dit ook lezen) Evaluatie - Evaluatie voor leerlingen en docenten: Leerdoelen - Spanningswet van Kirchhoff - Stroomwet van Kirchhoff - Wet van Ohm - Definitie van spanning, stroomsterkte, lading, weerstand en geleidbaarheid - Eenheden voor spanning, stroomsterkte, lading, weerstand en geleidbaarheid - Interpreteren van gemengde schakelingen - Ontwerpen en bouwen van gemengde schakelingen - Ontwerpcriteria vertalen naar ontwerp - Evalueren van een ontwerp Voorkennis - Symbolen voor spanningsbron, weerstand, lichtbron, schakelaar - Parallel schakelen - In serie schakelen Benodigdheden - Batterij, fietslampje, constantaandraad - Kubus van 100 Ω weerstanden, met spanningsbron en ampèremeter - A3 karton - Kopertape - 2 rode en 2 witte LEDs per eindopdracht - Diverse weerstanden (50 Ω, 150 Ω, 250 Ω, 500 Ω) - Motortje, 1 per eindopdracht - Krokodillenklemmen - Spanningsbron 9,0 Volt V WO Module E1 P agina 38 38