Omschrijving
In de voorgaande practica hebben de leerlingen kennisgemaakt met geladen deeltjes, de krachten tussen de deeltjes en het elektrische veld rond deeltjes. In deze simulatie maken leerlingen kennis met een homogeen elektrisch veld. Een homogeen elektrisch veld hebben de leerlingen leren kennen in de extra opdrachten van P2. De simulatie die in dit practicum wordt gebruikt is deels geschreven in het Grieks, dit hoeft echter geen belemmering te zijn voor het gebruik van de simulatie omdat dezelfde symbolen worden gebruikt voor de grootheden. Een vertaling van de woorden is in dit document bijgevoegd. Er zijn wel Engelstalige simulaties maar deze geven niet alle informatie die we in dit practicum nodig hebben. Deze simulatie maakt gebruik van de verhouding qm
in plaats van afzonderlijk massa en lading. Er wordt eventueel gezocht naar een andere simulatie met dezelfde mogelijkheden.
Leerdoelen
Dit practicum heeft de volgende leerdoelen:
- Inzicht in het gedrag van een geladen deeltje in een elektrisch veld
- Het begrip deeltjesversneller
- Verband tussen elektrische veldsterkte en spanning
- Verband tussen spanning en eindsnelheid
- Verband tussen elektrische energie en kinetische energie
Voorkennis
- Begrip van elektrische lading, elektrische veldsterkte, spanning en elektrische kracht
- Begrip van kinetische energie
- Coördinatentransformatie
Benodigdheden
- Laptop of Chromebook
- https://seilias.gr/go-lab/html5/motionInUniformElectricField.plain.html
Vertaling Griekse woorden
In het besturingsmenu staan een aantal Griekse woorden. Hieronder staat het Grieks en de Nederlandse vertaling (aangepast aan de context van deze simulatie).
|
Grieks |
Nederlandse betekenis (binnen context) |
|
Αργή Προβολή |
Versneld of vertraagd afspelen |
|
Τάση |
Spanning over condensatorplaten |
|
Αρχική Ταχύτητα |
Beginsnelheid |
|
Γωνία |
Hoek |
|
Ειδικό Φορτίο |
Verhouding lading/massa |
|
Κλίμακα Διανυσμάτων |
Schaal van de vectoren |
|
Συνιστώσες |
Krachtontbinding |
Klassikale introductie van het practicum
De simulatie uit P1 zou als uitgangspunt genomen kunnen worden. Hierin zien leerlingen dat de ballon versneld naar de trui gaat. Waar hangt de snelheid van de ballon vanaf? (ladingsverschil en massa)- Hoe zou je dit experiment kunnen vertalen naar een laboratoriumopstelling? (E,M buis)
- De simulatie uit P2 zou gebruikt kunnen worden om te laten zien dat er tussen condensatorplaten een homogeen elektrisch veld bestaat (dit is één van de extra opdrachten uit P2).
- Welke grootheden kun je variëren?
- Korte demonstratie van de simulatie (leg uit wat je kunt instellen met het menu). Leg uit dat de spanning wordt aangegeven met het symbool V in plaats van het in Nederland gebruikelijke U.
Uitvoering
- Laat de leerlingen de hoek op 90° graden zetten (het deeltje beweegt dan omhoog)
- Verplaats het deeltje naar de onderste plaat in het midden
- Zet de beginsnelheid op 0.
- Geef elk groepje een eigen vraag
Laat de groepjes de volgende onderzoekvragen onderzoeken:
Wat is het verband tussen:
- De spanning V en de snelheid v waarmee het deeltje de positieve plaat treft
- De verhouding q/m en de snelheid v waarmee het deeltje de positieve plaat treft
- De versnelling (en kracht) op het deeltje en de spanning V (in Nederlands U).
- De spanning U en de kinetische energie waarmee het deeltje de plaat treft (neem m de massa van het elektron)
- Het verband tussen q/m en de versnelling.
- De snelheid v waarmee het deeltje de plaat treft en de afstand tussen de platen (zorg ervoor dat de breedte van de platen gelijk blijft).
- De sterkte van het elektrische veld E en de afstand tussen de platen (simulatie hoeft daarvoor niet afgespeeld te worden)
- De sterkte van het elektrische veld E en de spanning V (simulatie hoeft daarvoor niet afgespeeld te worden)
- De sterkte van het elektrische veld E en de lengte van de platen (eenvoudige opdracht maar wel de moeite waard van het bespreken omdat dit gevolgen heeft voor de totale hoeveelheid lading op de platen. Deze opdracht kan als extra opdracht gegeven worden aan een groepje dat snel klaar is)
Laat leerlingen hun onderzoeksvraag en hypothese boven aan het bord zetten.
Organisatie
Tijdsplanning (50 - 70 minuten):
- Introductie (10 minuten)
- Onderzoeken + verwerken op whiteboards (30 minuten)
- Kringgesprek (25 minuten)
Klassenorganisatie
- Door het grote verscheidenheid aan onderzoeksvragen is het belangrijk dat leerlingen duidelijk hun onderzoeksvraag noteren op het whiteboard.
- Om verwarring te voorkomen is het handig om op het bord de verschillende onderzoeksvragen (kort) neer te zetten en daarbij het nummer van de groep. Dan zijn leerlingen minder onzeker welke vraag ze moeten beantwoorden.
- Neem ruim de tijd voor deze simulatie omdat het een hele rijke omgeving is waar veel onderwerpen aan bod komen en kunnen worden toegelicht (b.v. elektronvolt, waarom maakt de afstand tussen de platen niet uit, afleiding
). Een blokuur wordt aanbevolen. - Als afronding zou je een deeltje een horizontale beginsnelheid kunnen geven. Laat leerlingen uitrekenen welke eindsnelheid hij zou hebben als hij de platen raakt. Dit is een goede voorbereiding op de massaspectrometer.
Inhoud kringgesprek
Alle groepjes moeten hun whiteboard presenteren omdat ze allemaal een bijdrage leveren aan het totale model.
- Veranderde de grootte van de kracht op het deeltje tijdens het bewegen?
- Veranderde de grootte van de kracht als de spanning veranderde?
- Veranderde de grootte van de kracht als de afstand tussen de platen veranderde?
- Relateer de antwoorden op de onderzoeksvragen steeds aan de vragen hierboven
- Waarom verandert de eindsnelheid niet als de afstand tussen de platen verandert, terwijl de kracht op het deeltje wél verandert? (
of via een energiebeschouwing 
) - Definitie van de eenheid elektronvolt
Inhoud logboek
- De kracht op het deeltje is constant daardoor ook een constante versnelling (d.w.z. een eenparig versnelde beweging)
- Hoe groter de afstand tussen de platen, hoe kleiner het elektrische veld (
) - Formule van elektrische energie
- De kinetische energie van het deeltje bij de bovenste condensatorplaat is gelijk aan de elektrische energie bij de onderste plaat. (
) - Afstand tussen de platen heeft geen invloed op de eindsnelheid van het deeltje omdat de geleverde arbeid door de elektrische kracht gelijk blijft (ondanks dat E kleiner wordt, maar dat wordt gecompenseerd door groter afstand)
- Definitie van de elektronvolt