LEERACTIVITEIT: De stroomkring in beeld Duur leeractiviteit Graad Richting Vak Onderwijsnet Leerplan 2 3 ASO/TSO Fysica Toegepaste Fysica Elektriciteit Vrij onderwijs/go Bruikbaar in alle leerplannen met een onderdeel elektriciteit Bijvoorbeeld in GO 2014/010 Lesdoelen Leerlingen kunnen de verschillende oorzaken voor een elektrische stroom (bron + gesloten stroomkring) aanduiden in voorbeelden uit het dagelijks leven. Leerlingen kunnen het model van de elektronenstroom toepassen op eenvoudige stroomkringen. Fysische wereld Kernideeën Er vloeit maar een elektrische stroom in een elektrisch circuit als de stroomkring gesloten is (4G/M4). Perspectieven Denk- en werkwijzen Modellen Patrone n Oorzaken Stromen, cycli en behoud Modellen maken Argumenteren op basis van data 1
Perspectieven Denk- en werkwijzen Suggesties voor de begeleiding van de leeractiviteit Patrone n Welke patroon vind je terug in de werkende opstellingen? Welk patroon vind je terug in de niet werkende opstellingen? Lesuitwerking deel 1: basisconcept (1u) Leerlingen krijgen 1 gloeilamp, 1 koperdraad en 1 batterij en moeten proberen de lamp te laten branden. Ze noteren enkele opstellingen die wel werken en enkele die niet werken. Ze zoeken een patroon in zowel de werkende als de niet werkende opstellingen. Oorzaken Onderzoek de oorzaken van een elektrische stroom in een kring. De verschillende opstellingen worden naast elkaar gezet. Leerlingen formuleren de gevonden patronen (zowel voor de werkende (stroomkring is gesloten) als de niet werkende opstelling (stroomkring is open)). Op basis van deze patronen laat je de leerlingen formuleren wat de oorzaken zijn voor een elektrische stroom. Onder de oorzaken verstaan we de nodige en voldoende voorwaarden waardoor er een elektrische stroom vloeit. Gebruik hiervoor de volgende vorm: Als X (de voorwaarde(n)) geldt dan is er een elektrische stroom Argumenteren op basis van data Laat de leerlingen reageren op elkaars ideeën:. Vermijd in dit stadium om zelf de oplossing te formuleren. Draag er wel zorg voor dat de data uit het onderzoek correct wordt gebruikt. Zorg er voor dat de oorzaken scherp geformuleerd worden. Dus als aan X (de Bespreek de voorgestelde redeneringen. Breng (indien nodig) volgende elementen in: een grote gloeilamp waarbij je de gloeidraad duidelijk ziet en een lampfitting waarin het aanvoer- en afvoercontact goed te herkennen is. Het feit dat je naar de stroomkring kan kijken via de energiestroom of via de materiestroom. 2
oorzaken geformuleerd door een leerling) voldaan is dan zal er altijd een stroom vloeien? Daag hen uit om eventueel tegenvoorbeelden te zoeken. Achtergrond voor de leraar. Zoals in de bijgevoegde schets is aangeduid, zijn de leerlingendenkbeelden dikwijls gebaseerd op een lineair oorzaak-gevolg systeem (1 oorzaak: batterij verbonden met lamp 1 gevolg brandend licht). Dit klopt enkel op het energetisch niveau (de energie stroomt inderdaad van de batterij naar de lamp) maar als we de elektronenstroom (d.i. een materiestroom) onderzoeken komen we uit op een gesloten stroomkring (de elektronen verdwijnen niet in de lamp of de draad). Er zijn 2 polen aan een batterij die als in- en uitgang van de elektronenstroom fungeren. De elektronen krijgen extra energie van de batterij en verliezen deze energie in de lamp. De batterij alleen is niet de oorzaak van de stroom, wel de batterij in combinatie met een gesloten stroomkring. Het is voor de leerlingen belangrijk dat ze een duidelijk beeld hebben van hoe de elektrische stroom doorheen een gloeilamp gaat. Belangrijk is ook dat ze kunnen zien dat er een aanvoer- en afvoercontact is. Stromen, cycli en behoud Hoe loopt energie en materie doorheen het systeem? Laat de leerlingen zelfstandig tekenen hoe de energie en de materie doorheen een gesloten stroomkring (met een gloeilamp in) gaat. Expliciteer dat de leerlingen een model gemaakt hebben voor een elektrische stroom. Breng correcte voorstellingen aan bord. Dit zijn de modellen die je verder gaat gebruiken. Modellen kernidee Er vloeit maar een elektrische stroom in een elektrisch circuit als de stroomkring gesloten is (4G/M4). Besluit: Elektrische energie wordt naar een lamp getransporteerd via een elektronenstroom. De elektronen krijgen energie van de bron/batterij. Doordat de elektronen niet zo maar verdwijnen moet de stroomkring 3
gesloten zijn om de stroom te laten vloeien. Modellen maken Leerling hun stroomkringmodel in concrete situaties. Inoefenen: Zoek de gesloten stroomkring en bron in voorbeelden uit het dagelijks leven. Ideaal als de voorwerpen kunnen open gemaakt worden. Hieronder enkele mogelijkheden. Lesuitwerking deel 2: Verdieping (2u) Modellen maken kernidee Breid een bestaand model uit met ladingen. Zoek een verband tussen de ladingen en de elektrische stroom. Koppel met de volgende (reeds geziene) wetenschappelijke ideeën Laat de leerlingen het model voor de draad en de lamp uitbreiden door hierin zowel de positieve als de negatieve ladingen te tekenen. Laat hen ook duidelijk aanduiden waar de ladingen zich bevinden en hoe en waarom deze ladingen bewegen. Bespreek enkele interessante tekeningen. Laat leerlingen elkaars tekeningen onderzoeken. 4G/H4ab: Veel geleidende materialen, zoals metalen, bevatten vrije elektronen. Deze elektronen worden niet aangetrokken door de atoomkernen. Onder invloed van elektrische krachten bewegen de vrije elektronen zich gelijktijdig doorheen het materiaal en resulteren in een elektrische stroom. In isolerende materialen, zoals glas, zijn de elektronen (sterker) gebonden aan de atoomkernen, waardoor er geen stroom van Ga dieper in op de punten waar veel verwarring rond bestaat. 4
Modellen maken betekenis doorheen het materiaal gaat. Vergelijk en bespreek de door de leerlingen aangebrachte tekeningen/modellen. Enkel de negatieve ladingen (elektronen) in de draad bewegen. Koppel dit aan reeds geziene kernideeën (zie 4G/H4ab) In de geleider zijn er overal statische positieve ladingen, enkel de elektronen verplaatsen zich. Laat hen de statische ladingen in een kleur zetten. Doelstelling is uit te komen bij een tekening die er min of meer als volgt uitziet (zwarte bolletjes zijn de bewegende elektronen, de witte bolletjes zijn de statische positieve ladingen (ionen)). Vermijd in deze fase de ladingstroom doorheen de batterij. Deze is afhankelijk van het soort batterij en enkel relevant als de batterij grondig wordt onderzocht. Men kan wel eenvoudig stellen dat de batterijspanning de elektronen doorheen de draad duwt. In de batterij wordt chemische energie omgezet om de spanning over de batterij elektronen te onderhouden. Oorzaken Treden oorzaak en gevolg gelijktijdig op? Dat oorzaken en gevolgen zo goed als gelijktijdig kunnen optreden is niet evident voor leerlingen. Een moment om bij deze mogelijkheid stil te staan. Besluit: De vrije elektronen bewegen doorheen de geleiders. Ze krijgen elektrische energie van de batterij en verliezen die energie ter hoogte van de lamp. We onderzoeken nog extra eigenschappen van de elektronenstroom Teaser: Welke lamp gaat eerst aan? 5
Modellen Bespreek een macroscopisch model voor de geleiding doorheen een draad. Het juiste antwoord is dat de drie lampen gelijktijdig aangaan. Kerstverlichting en straatverlichting zijn een interessant voorbeeld. Houd in het achterhoofd dat er bij heel grote afstanden (lichtseconden) wel verschillen kunnen bestaan, maar dat is vooral interessant als de leerlingen dit zelf zouden aanbrengen. Veel leerlingen blijven vastzitten aan het idee dat een gevolg altijd na een oorzaak komt. Ze denken dat de draad en lamp geleidelijk worden gevuld met elektronen die er oorspronkelijk niet waren. Breng hier tegen in dat de draad voordat de batterij werd aangesloten reeds gevuld was met elektronen. De batterij duwt nieuwe elektronen in de draad en die duwen de reeds aanwezige elektronen vooruit. Gebruik een knikker/tennisbal analogie om dit duidelijk te maken (zie figuur). De draad blijft dus steeds volledig gevuld met elektronen en alle elektronen bewegen simultaan. Een interessant weetje hierbij is dat de gemiddelde snelheid waarmee de elektronen doorheen de draad gaan vrij traag is (in Cu draad ongeveer 0.3 mm/s) Besluit: De vrije elektronen bewegen simultaan doorheen de geleiders. Een model is een vereenvoudiging/benadering van de werkelijkheid (bevat enkel hoofd- en geen bijzaken), het is niet de werkelijkheid De gebruikte modellen (vb. het model met de tennisballen, het PHETmodel, ) zijn een sterke voorstelling van de elektronenstroom, maar ze verwaarlozen ook een heleboel aspecten. Zo worden de elektronen groot 6
Modellen Modellen maken zelf. Het laat toe om (binnen bepaalde grenzen) het gedrag van het systeem te begrijpen en te voorspellen. Gebruik het elektronenmodel van elektrische stroom in simulaties. voorgesteld, waardoor de misconceptie kan ontstaan dat geleider vooral uit elektronen bestaat. In werkelijkheid zijn de elektronen zo klein dat de kans dat ze op elkaar botsen verwaarloosbaar is. Ze kunnen elkaar wel beïnvloeden (wegduwen) door de elektrische afstandskrachten (wet van Coulomb). Ook bewegen de elektronen veel complexer dan gesuggereerd. Er is een snelle thermische beweging van de elektronen, waardoor de vrije elektronen als een soort gas in het metaal chaotisch heen en weer bewegen. De driftsnelheid is een soort gemiddelde snelheid daar bovenop. Inoefenen: Gebruik Phet simulaties van elektrische stroomketens en laat de leerlingen zelf formuleren wat ze zien en koppelen aan de geleerde modellen (zie https://phet.colorado.edu/en/simulation/circuit-construction-kit-dc). 7
Gekende LPD die op deze les/leeractiviteit toegepast worden 4G/H4ab: Veel geleidende materialen, zoals metalen, bevatten vrije elektronen. Deze elektronen worden niet aangetrokken door de atoomkernen. Onder invloed van elektrische krachten bewegen de vrije elektronen zich gelijktijdig doorheen het materiaal en resulteren in een elektrische stroom. In isolerende materialen, zoals glas, zijn de elektronen (sterker) gebonden aan de atoomkernen, waardoor er geen stroom van betekenis doorheen het materiaal gaat. Leerplandoelen (LPD) LPD van deze les/leeractiviteit GO 2014/010 F6 de elektrische stroomsterkte omschrijven en berekenen. ASO Andere leerplannen met analoge LPD? Elk leerplan waarin het onderdeel elektriciteit aan bod komt. o GO 2014/010 o GO 2014/011 o D/2014/7841/015 o TSO Elk leerplan waarin het onderdeel elektriciteit aan bod komt. Welk Big Idea komt in deze les/leeractiviteit aan bod? Leerlijn kernideeën 8