Лабораторная работа № 3. Изучение законов последовательного и параллельного соединений проводников
Цели и задачи
- Цель по SMART: за 45 минут собрать две электрические цепи, измерить силу тока и напряжение на участках, вычислить сопротивления и экспериментально проверить закономерности последовательного и параллельного соединений проводников.
- Проверить на опыте, что при последовательном соединении сила тока одинакова на всех участках, а общее напряжение равно сумме напряжений на проводниках.
- Проверить на опыте, что при параллельном соединении напряжение на ветвях одинаково, а общий ток равен сумме токов в ветвях.
- Научиться собирать электрические цепи по схеме, выбирать пределы измерения приборов, заносить результаты в таблицу и оценивать погрешности измерений.
- Развивать навыки безопасной экспериментальной работы, аргументации вывода и самостоятельного контроля результата.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают значение экспериментальной проверки физических законов для инженерной и исследовательской деятельности.
- Проявляют ответственное отношение к электрической безопасности и оборудованию кабинета.
- Развивают готовность самостоятельно принимать решения при сборке схемы и объяснять полученный результат.
- Понимают связь лабораторного опыта с применением электрических цепей в бытовых и технических устройствах.
Метапредметные
- Планируют последовательность экспериментальных действий и распределяют роли в группе.
- Извлекают данные из шкал амперметра и вольтметра, представляют результаты в таблицах.
- Сравнивают экспериментальные значения с теоретическими закономерностями и формулируют вывод на основании данных.
- Используют математические вычисления, единицы измерения и оценку относительного расхождения.
- Аргументированно обсуждают результаты и корректируют действия при обнаружении ошибки в схеме.
Предметные
- Знать закономерности последовательного и параллельного соединений проводников.
- Уметь собирать цепи по принципиальной схеме с источником тока, ключом, резисторами, амперметром и вольтметром.
- Уметь измерять силу тока и напряжение, правильно подключая приборы в электрическую цепь.
- Владеть способами вычисления сопротивления участка по формуле $R=\frac{U}{I}$ и проверки общего сопротивления цепи.
- Уметь формулировать вывод о соответствии экспериментальных данных законам соединения проводников.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Осознают личную ответственность за соблюдение правил работы с электрическими цепями.
- Связывают точность измерений с качеством будущей профессиональной деятельности.
- Проявляют самостоятельность и готовность обосновывать собственный способ решения экспериментальной задачи.
- Оценивают собственный вклад в работу пары или группы.
Регулятивные УУД
- Принимают учебную задачу и формулируют критерии успешного эксперимента.
- Планируют сборку двух схем и последовательность измерений.
- Осуществляют самоконтроль полярности, пределов измерения и положения ключа.
- Сопоставляют результат с теоретическим прогнозом и исправляют выявленные ошибки.
- Оценивают качество лабораторной работы по предложенным критериям.
Познавательные УУД
- Строят и читают электрические схемы последовательного и параллельного соединений.
- Выделяют существенные признаки способов соединения проводников.
- Преобразуют показания приборов в расчётные величины и сравнивают данные.
- Моделируют общий участок цепи и проверяют физическую закономерность на опыте.
- Анализируют возможные причины расхождения результатов.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли экспериментатора, контролёра схемы и регистратора данных.
- Формулируют вопросы о способе подключения измерительных приборов.
- Аргументируют выбор места включения амперметра и вольтметра.
- Согласуют общий вывод группы и представляют его классу.
- Корректно обсуждают ошибки и предлагают способы их устранения.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить на каждую пару источник постоянного тока низкого напряжения, ключ, два резистора, соединительные провода, амперметр и вольтметр.
- Собрать два комплекта схем: последовательное соединение двух резисторов и параллельное соединение тех же резисторов.
- Распечатать инструктивные карты с принципиальными схемами, таблицами измерений и вопросами для вывода — по одной на каждого ученика.
- Распечатать карточки ролей «экспериментатор», «контролёр безопасности», «регистратор» — по одной на каждую пару или тройку.
- Подготовить на доске памятку: амперметр включается последовательно, вольтметр — параллельно; перед изменением схемы ключ разомкнуть.
- Вывести на экран формулы $R=\frac{U}{I}$, $U=U_1+U_2$, $I=I_1+I_2$, $\frac{1}{R}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}$.
- Проверить исправность приборов, целостность проводов, соответствие пределов измерения и отсутствие оголённых повреждённых контактов.
- Подготовить калькуляторы, миллиметровую бумагу или электронную таблицу для обработки результатов.
- Разместить на каждом рабочем месте предупреждение: не замыкать источник напрямую и не менять соединения при замкнутом ключе.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и инструктаж по технике безопасности (5 мин)
Цель этапа: организовать безопасную работу групп и сформулировать готовность к эксперименту.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель приветствует класс и раздаёт инструктивные карты: "Сегодня мы работаем как небольшая лабораторная команда. Проверьте, что на столе есть источник, ключ, два резистора, амперметр, вольтметр и провода. Назначьте экспериментатора, контролёра и регистратора; если вы работаете вдвоём, распределите две роли между собой." | Проверяют комплект оборудования, записывают фамилии участников и распределяют роли. |
3 мин | Учитель показывает памятку на доске: "До замыкания ключа схема должна быть проверена. Амперметр включаем последовательно, вольтметр — параллельно участку. Нельзя соединять полюса источника проводом напрямую и нельзя перестраивать цепь под напряжением. Как поступим, если стрелка прибора отклоняется в обратную сторону?" | Формулируют правила: разомкнуть ключ, проверить полярность и поменять местами соединения; повторяют назначение каждого прибора. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Оборудование проверено, роли распределены, правила безопасности проговорены. Теперь выясним, какие закономерности мы должны подтвердить измерениями, а не просто записать по памяти."
Этап 2. Актуализация знаний и постановка экспериментальной задачи (5 мин)
Цель этапа: восстановить теоретические закономерности и определить, какие величины необходимо измерить.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель организует приём «Подумай — обсуди в паре — поделись»: "В течение 30 секунд вспомните, что происходит с током и напряжением при последовательном соединении. Затем обсудите ответ с партнёром. Запишите две проверяемые гипотезы." Учитель фиксирует на доске формулы и просит объяснить обозначения. | Индивидуально формулируют гипотезу, затем в паре записывают: "$I=I_1=I_2$ и $U=U_1+U_2$" для последовательного соединения; "$U=U_1=U_2$ и $I=I_1+I_2$" для параллельного. |
2 мин | Учитель задаёт вопрос: "Какие измерения позволят проверить каждую гипотезу? Почему одним амперметром нельзя одновременно измерить ток в двух ветвях?" | Отвечают: "Нужно измерить ток и напряжение на разных участках"; объясняют, что амперметр включают последовательно с исследуемым участком и переставляют при измерении разных токов. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы определили не только формулы, но и план проверки: собрать цепь, снять показания, вычислить сопротивления и сравнить величины. Переходим к практической сборке первой схемы."
Этап 3. Сборка цепи при последовательном соединении (7 мин)
Цель этапа: собрать исправную цепь последовательного соединения и выполнить первичные измерения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает на экране схему: источник — ключ — амперметр — резистор $R_1$ — резистор $R_2$, а вольтметр подключается параллельно выбранному резистору. Реплика: "Сначала проследите путь тока от положительного полюса источника до отрицательного. Контролёр пальцем проверяет каждый участок схемы, а экспериментатор собирает цепь при разомкнутом ключе." | Сравнивают условные обозначения со схемой, собирают цепь, контролёр проверяет последовательность элементов и полярность приборов. |
2 мин | Учитель подходит к группам: "Покажите мне место включения амперметра и вольтметра. До замыкания ключа назовите ожидаемый результат: должны ли показания амперметра измениться при его переносе в другой участок последовательной цепи?" | Показывают места включения приборов, отвечают: "При идеальном последовательном соединении сила тока одинакова на всех участках". |
3 мин | Учитель даёт команду: "Замкните ключ на короткое время, снимите показания общего тока и напряжения на каждом резисторе. Затем разомкните ключ и сразу занесите данные в таблицу. Если показания нестабильны, сообщите об этом и повторите измерение." | Замыкают ключ, считывают $I$, $U_1$, $U_2$, размыкают ключ и записывают значения с единицами измерения. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Запись в тетрадях
Записать название работы, цель, оборудование, правила безопасности и таблицу: «Последовательное соединение: $I$, $U_1$, $U_2$, $U_1+U_2$, $R_1$, $R_2$, $R_{общ}$». Формулы: $R_1=\frac{U_1}{I}$, $R_2=\frac{U_2}{I}$, $R_{общ}=\frac{U_1+U_2}{I}$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Первая цепь собрана, измерения последовательного соединения получены. Теперь проверим, сохраняются ли те же выводы для цепи с разветвлением."
Этап 4. Сборка цепи при параллельном соединении (8 мин)
Цель этапа: собрать параллельную цепь и измерить ток в неразветвлённом участке и в обеих ветвях.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель демонстрирует схему: после ключа цепь разветвляется на две ветви с резисторами $R_1$ и $R_2$, затем соединяется обратно. Вольтметр подключён к концам каждой ветви, амперметр — в общий участок и затем поочерёдно в ветви. Учитель говорит: "Сначала найдите два узла. Между этими узлами напряжение должно быть одинаковым для обеих ветвей. Контролёр проверяет, что амперметр не оказался подключён поперёк источника." | Находят узлы на схеме, перестраивают цепь при разомкнутом ключе, подключают вольтметр параллельно ветви и амперметр последовательно с выбранным участком. |
3 мин | Учитель даёт инструкцию: "Измерьте общий ток $I$, ток в первой ветви $I_1$, ток во второй ветви $I_2$ и напряжение $U$ на параллельном участке. Для каждого измерения меняйте схему только при разомкнутом ключе. Записывайте показания сразу, не округляя преждевременно." | По очереди измеряют общий ток и токи в ветвях, измеряют напряжение на обеих ветвях, заносят данные в таблицу. |
2 мин | Учитель задаёт вопрос для проверки: "Если токи в ветвях отличаются, означает ли это неисправность? Как связать различие токов с сопротивлениями резисторов?" | Отвечают: "Нет, токи могут отличаться из-за разных сопротивлений; при одинаковом напряжении больший ток проходит через меньшее сопротивление". |
Запись в тетрадях
Записать таблицу «Параллельное соединение: $I$, $I_1$, $I_2$, $I_1+I_2$, $U_1$, $U_2$, $R_{общ}$». Формулы: $I=I_1+I_2$, $U_1=U_2$, $R_1=\frac{U_1}{I_1}$, $R_2=\frac{U_2}{I_2}$, $R_{общ}=\frac{U}{I}$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "В параллельной цепи мы измерили ток до разветвления и в каждой ветви, а также напряжение на ветвях. Теперь обработаем данные и установим, насколько эксперимент согласуется с теорией."
Этап 5. Обработка результатов и проверка законов (8 мин)
Цель этапа: вычислить сопротивления, сравнить измеренные суммы и оценить расхождение результатов.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель обращается к классу: "Используйте данные своей группы. Для последовательной цепи вычислите $R_1$, $R_2$ и $R_{общ}$, затем сравните $U$ с $U_1+U_2$. Для параллельной цепи сравните $I$ с $I_1+I_2$ и найдите $R_{общ}$. Результаты округляйте разумно, сохраняя единообразие единиц." | Выполняют вычисления, заносят результаты в таблицы, проверяют размерности: сопротивление — в омах, ток — в амперах, напряжение — в вольтах. |
2 мин | Учитель записывает на доске формулу относительного расхождения: $\delta=\frac{|X_{эксп}-X_{теор}|}{X_{теор}}\cdot100\%$. Реплика: "Для одной проверяемой закономерности вычислите относительное расхождение. Если оно не равно нулю, назовите физические причины, а не просто напишите, что вы ошиблись." | Вычисляют одно или два расхождения, называют причины: погрешность приборов, сопротивление проводов, нагрев резисторов, неточность считывания. |
2 мин | Учитель организует взаимопроверку: "Обменяйтесь листами с соседней парой. Проверьте три позиции: правильность подключения приборов, формулы и единицы измерения. Напишите партнёрам две сильные стороны и одно пожелание." | Проверяют работу по чек-листу, отмечают найденные неточности и формулируют корректирующий совет. |
Эталон решения
Для последовательного соединения: 1) вычислить $R_1=\frac{U_1}{I}$ и $R_2=\frac{U_2}{I}$; 2) найти экспериментальное общее сопротивление $R_{общ}=\frac{U_1+U_2}{I}$; 3) сравнить $U$ и $U_1+U_2$; 4) сделать вывод $I=I_1=I_2$ и $U=U_1+U_2$ с учётом погрешности. Для параллельного соединения: 1) сравнить $U_1$ и $U_2$; 2) проверить $I=I_1+I_2$; 3) вычислить $R_{общ}=\frac{U}{I}$; 4) сравнить его с теоретическим значением $R_{теор}=\frac{R_1R_2}{R_1+R_2}$; 5) указать причины расхождения.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Обработка превращает показания приборов в доказательство закономерности. Осталось индивидуально проверить, умеете ли вы самостоятельно распознать способ соединения и выбрать формулу."
Этап 6. Индивидуальная проверка и формулировка вывода (7 мин)
Цель этапа: проверить самостоятельное применение законов соединения проводников и оформить вывод лабораторной работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель раздаёт индивидуальную мини-карточку: "Решите две ситуации. Первая: в последовательной цепи $I=0{,}20$ А, $U_1=2{,}0$ В, $U_2=4{,}0$ В. Найдите общее напряжение и сопротивление каждого резистора. Вторая: в параллельной цепи $I_1=0{,}30$ А, $I_2=0{,}20$ А, $U=6{,}0$ В. Найдите общий ток и общее сопротивление." | Индивидуально решают задачи: для первой ситуации получают $U=6{,}0$ В, $R_1=10$ Ом, $R_2=20$ Ом; для второй — $I=0{,}50$ А, $R_{общ}=12$ Ом. |
2 мин | Учитель просит свериться с эталоном на экране: "Сначала проверьте формулу, затем подстановку и единицы. Исправление ошибки выполните другим цветом, чтобы увидеть собственную точку роста." | Сверяют решение, подчёркивают формулы, исправляют ошибки и отмечают причину ошибки. |
1 мин | Учитель даёт задание оформить итог: "Сформулируйте вывод в трёх частях: что проверяли, что получили, почему возможна небольшая погрешность." | Записывают вывод: законы подтверждены в пределах погрешности; указывают измеренные соотношения и причины расхождения. |
Запись в тетрадях
Оформить вывод: «При последовательном соединении сила тока на участках одинакова, а общее напряжение равно сумме напряжений. При параллельном соединении напряжение на ветвях одинаково, а общий ток равен сумме токов в ветвях. Экспериментальные расхождения объясняются погрешностью приборов, сопротивлением проводов и нагревом проводников».
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Индивидуальная проверка показала, что вы умеете перейти от схемы и показаний к расчёту. Завершим работу рефлексией: оценим не только ответ, но и качество экспериментального процесса."
Этап 7. Рефлексия, оценивание и уборка рабочих мест (5 мин)
Цель этапа: оценить достижение цели, зафиксировать затруднения и безопасно завершить эксперимент.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель предлагает приём «Светофор»: "Покажите зелёную карточку, если можете самостоятельно собрать обе схемы и объяснить законы; жёлтую — если нужна тренировка измерений; красную — если осталось принципиальное затруднение. Одним предложением объясните свой выбор." | Поднимают карточки, формулируют самооценку: "Мне нужно ещё потренироваться выбирать место амперметра" или "Я могу объяснить оба закона по данным таблицы". |
2 мин | Учитель задаёт вопросы: "Какой результат сегодня был самым убедительным? Где возникла наибольшая погрешность? Какой элемент схемы вы проверяли первым?" | Отвечают с опорой на собственные таблицы, называют конкретные измерения и действия контроля. |
1 мин | Учитель говорит: "Разомкните ключи, отключите источники, аккуратно разберите цепи и разложите оборудование по комплектам. Регистраторы сдайте заполненные карты." | Размыкают ключи, отключают источники, разбирают схемы, проверяют комплектность и сдают лабораторные листы. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — цепи собраны безопасно и самостоятельно, амперметр и вольтметр подключены правильно, все измерения и вычисления выполнены, таблицы заполнены с единицами, оба закона подтверждены аргументированным выводом, причины погрешности названы корректно.
- «4» — схема и измерения выполнены правильно, но допущена одна неточность в вычислении, округлении или оформлении; вывод о закономерностях в целом верен.
- «3» — собрана хотя бы одна цепь и получены основные показания, но есть две или более ошибки в подключении, расчётах или выводе; после подсказки учителя ученик может объяснить различие последовательного и параллельного соединений.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Какая закономерность последовательного соединения подтверждена вашими числами? | Выявление умения связывать теоретическую формулу с экспериментальными данными. |
Почему амперметр включают последовательно, а вольтметр — параллельно? | Проверка понимания назначения измерительных приборов и структуры цепи. |
На каком шаге возникло затруднение: сборка, измерение или обработка? | Выявление конкретной точки затруднения для последующей коррекции. |
Какое правило безопасности вы считаете самым важным и почему? | Оценка осознанности безопасного поведения и личной ответственности. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня вы не просто воспроизвели формулы, а проверили их в реальной электрической цепи. Мы убедились, что при последовательном соединении ток одинаков, а напряжение распределяется по участкам, тогда как при параллельном соединении одинаково напряжение, а ток разделяется по ветвям. Типичная ошибка — подключить амперметр поперёк участка или изменить схему при замкнутом ключе, поэтому всегда начинайте с проверки безопасности. На следующем уроке мы используем эти закономерности для анализа более сложных цепей и расчёта их параметров."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Оформить окончательный отчёт: цель, оборудование, две схемы, таблицы измерений, вычисления сопротивлений и вывод по каждому виду соединения. | Закрепляет структуру лабораторного отчёта; при проверке обратить внимание на схемы, единицы измерения и соответствие вывода данным. |
Средний (повышающий) | Решить 3 задачи на расчёт общего сопротивления, силы тока и напряжения при последовательном и параллельном соединении двух проводников с другими числовыми данными. | Закрепляет применение формул; проверить выбор закона, запись формулы до подстановки и размерность ответа. |
Продвинутый (дополнительный) | Проанализировать бытовую электрическую систему с двумя параллельными потребителями и описать, почему отключение одного потребителя не прекращает работу другого; привести расчётный пример с выбранными сопротивлениями. | Развивает функциональную грамотность и перенос лабораторных закономерностей в технический контекст; проверить физическую корректность модели и аргументацию. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Как изменится общий ток при добавлении ветви параллельно? Почему общее сопротивление параллельного соединения меньше сопротивления каждой ветви? В каком случае напряжение на двух проводниках одинаково? Где должен быть амперметр при измерении тока в ветви?»
