Detta är en något omarbetad version av Studiehandledningen som användes i tryckta kursen på SSVN. Sidhänvisningar hänför sig till Quanta A 2000, ISBN 91-27-60500-0 Där det har varit möjligt har motsvarande saker angetts för nyare boken Quanta A 2003, ISBN 91-27-60507-2 i parenteser som dessa: {} Det finns många nyframtagna interaktiva sidor med simuleringar, filmer osv. i webbkursen som du bör kolla, i synnerhet om boken inte ger dig en helt klar bild av sammanhangen. Nivå A gäller elever som bara siktar på Godkänd. Nivå B gäller de som siktar högre. {Uppgifts urval för 2003 utgåvan: I listan förekommer uppgiftsnummer som kan vara följd av b = bedömd som svårare av lärare här, * = "svårare uppgift" enligt boken, och L = det finns en Ledtråd i boken på sidorna 246-248. Om man inte får till en L uppgift titta på Ledtrådar innan du kollar i facit! 502; 504; 510; 512; 513; 514; 516; 530; 529; 531; 532; 534; 539; 543; 544; 545; 549; 550; 551; 553; 555; 561; 565 } Elektronen och laddning Mål: Du ska efter detta moment veta att det finns positiva och negativa laddningar och hur de påverkar varandra. Du ska också veta vad ledare, halvledare, isolator, elektrisk influens och polarisation innebär. Dessutom ska du förstå och kunna räkna med Coulombs lag. Att göra: Läs sidorna 175 till 185 {186-193} i boken. Det inledande exemplet på s. 175 {ej med} är bra att läsa igenom och fundera på eftersom det följs upp lite längre fram i kapitlet. Därefter följer det några sidor med en bra överblick på den historiska utvecklingen angående elektronen och elektricitet. På sidorna 180-185 {189-193}tas sedan viktiga fenomen vad det gäller laddningar upp. Lägg märke till lagen om den elektriska laddningens bevarande (längst ner på sidan 180) {189}. Laddning kan varken skapas eller förintas. Kroppar kan endast laddas upp genom att man separerar positiva och negativa laddningar från varandra. Lägg också märke till enheten för laddning 1 Coulomb, 1C. Coulombs lag och exemplet kring den är viktig att förstå och lära sig. Vill du se hur hans uppställning såg ut ska du titta på sidan 181 {190}. Ytterligare ett räkneexempel. Exempel: Två små identiska kulor laddas. Den ena kulan ges laddningen +3,0 nc och den andra 9,0 nc. Kulorna får beröra varandra och avlägsnas sedan från varandra så att avståndet mellan deras centra blir 45 cm. Detta sker så att ingen laddning går förlorad till omgivningen. Hur stor blir den elektrostatiska kraften på var och en av de laddade kulorna nu? Files\OLK19\StudanvElläraQuantaA.doc Sidan 3 av 6
Lösning: Då kulorna kommer i kontakt med varandra kommer elektronerna från den negativt laddade kulan att strömma över till den positiva och en del av laddningarna kommer att neutralisera varandra. Tillsammans har de båda kulorna nu laddningen ( + 3,0 9,0 ) nc = -6,0 nc. Eftersom kulorna är identiska kommer laddningarna att fördelas lika dvs. 3,0 nc på vardera kulan. Enligt Coulombs lag blir kraften på var och en av kulorna 9 2 9 (3,0 10 ) F = 9,0 10 N = 0,40µ N 2 0,45 Som är repellerande eftersom kulorna har samma laddningar med samma tecken. Läs igenom avsnittet om ledare, halvledare och isolatorer. Det är viktigt att du förstår vad de är och skillnaden mellan dem. I avsnittet om elektrisk influens kan du fundera på vad som händer om vi med hjälp av en metalltråd ansluter ett laddat elektroskop till jord?! JA! Den laddas ur, jordning brukar det kallas för. Vad är det som händer egentligen? Jo, om elektroskopet har positiv överskott laddning neutraliseras denna av ledningselektroner som strömmar till från jorden. Om laddningen från början är negativ, strömmar elektronöverskottet istället till jorden. Nu kan du gärna prova på att göra miniprojekt 26 {s. 193}. Nivå A: 402, 403, 407, 410, 413, 416, 417 Nivå B: 412, 418, 419 Files\OLK19\StudanvElläraQuantaA.doc Sidan 4 av 6
Spänning och ström Mål: Du ska efter detta moment veta vad ett elektriskt fält är, kunna rita ut det och beräkna det. Du ska också veta vad en elektrisk spänning och ström är och kunna utföra beräkningar med ström. Att göra: Läs sidorna 186 till 193 {194-204}. Nu införs ett nytt, kanske lite abstrakt begrepp, det elektriska fältet. Det elektriska fältet beskrivs både med styrka och med riktning men observera att storleken på det elektriska fältet visas genom att rita täta eller glesa linjer. Tätt mellan linjerna innebär stor elektrisk fältstyrka medan glest innebär liten elektrisk fältstyrka. Definitionen av den elektriska fältstyrkan ser du överst på sidan 187.{196} Exempel: Figuren visar det elektriska fältet omkring två laddningar med motsatt tecken. a) Rita pilspetsar åt rätt håll på fältlinjerna. b) Rita ut kraftriktningen på en positiv laddning placerad i P. c) Rita ut kraftriktningen på en negativ laddning placerad i Q. d) Rita ut kraftriktningen på en positiv laddning placerad i R. Lösning: Sedan kommer vi in på fenomenet elektrisk skärmning. Ett fenomen som de flesta någon gång funderat på att utnyttja när det åskar ute. Ska jag sätta mig i bilen eller inte? På sidan 191 {201}införs två viktiga begrepp, spänning och ström. Elektriska spänningen förklaras närmre lite längre fram i boken när de beskriver elektrisk energi på sidan 202 {217}. Ström definieras som den laddning som per tidsenhet passerar ett tvärsnitt av ledaren och ström har enheten 1 Ampere, 1A = 1C/s. Observera att strömmens riktning är motsatt elektronernas rörelseriktning på grund av elektronens negativa laddning. Lägg märke till kopplingsschemana längst ner på sidan 192 {202}. En del av er kanske redan känner till och är vana vid kopplingsscheman men för er andra är det väldigt viktigt att ni lär er rita och förstå dessa. Files\OLK19\StudanvElläraQuantaA.doc Sidan 5 av 6
Exempel: Hur många elektroner passerar under en sekund genom ett tvärsnitt av en ledare då strömmen i ledaren är 3,0 A? Lösning: 19 Storleken på en laddning hos en elektron är e = 1,60 10 C. Antalet elektroner sätter jag till n st. Den sammanlagda laddningen Q blir då n e. Eftersom Q = I t så får vi att n e = 3,0 1,0 As. 3,0 19 D.v.s. n = = 1,875 10 19 1,60 10 19 Alltså antalet elektroner per sekund är 1,875 10 stycken. Nu är det dags att räkna igen. Tänk på att alltid rita figur om det inte redan finns en. Det underlättar för dig själv och krävs när du lämnar in insändningsuppgifter och skriver prov. Nivå A: 420, 424, 430, 433 Nivå B: 425, 432 Files\OLK19\StudanvElläraQuantaA.doc Sidan 6 av 6
Resistans Mål: Du ska efter detta moment veta vad resistans, resistivitet och Ohms lag är och kunna utföra beräkningar med dem. Dessutom ska du kunna beräkna ersättningsresistans, ström och spänning i både serie- och parallellkopplade kretsar. Att göra: Läs sidorna 194 till 200 {205-214}. Detta moment har lite färre sidor än de flesta men det här är ett mycket viktigt moment. Läs noga igenom alltihopa. Tänk på att i kretsar som på sidan 198 {210} är spänningen olika över R1 och R2 (om inte R1 = R 2.) Summan av deras spänningar är lika med spänningen som ligger över de båda. Strömmen genom seriekopplade komponenter (som dessa) är samma för alla. För parallellkopplade komponenter är spänningen samma för alla. Nivå A: 434, 435, 437, 442, 446, 447, 448 Nivå B: 453, 454 Effekt, energi och elektronen i arbete Mål: Du ska efter detta moment veta vad elektrisk effekt och energi är och kunna beräkna dem. Du ska också veta vad en kondensator är och kunna beräkna dess kapacitans. Begreppen polspänning, emk och inre resistans ska du också känna till och kunna räkna med. Att göra: Börja med att läsa sidorna 201 till 205 {215-220} och räkna de övningsuppgifter som hör till. Sedan kan du som en sammanfattning och avslutning på kapitlet läsa igenom sidorna 206 till 210. {ej med} På sidorna 201 och 202 {215-217} definieras ytterligare ett par viktiga bitar inom elläran nämligen elektrisk effekt och energi. Jag gör en alternativ förklaring till hur man kommer fram till de olika formlerna. Files\OLK19\StudanvElläraQuantaA.doc Sidan 7 av 6
Vi betraktar en positiv laddning i ett homogent elektriskt fält mellan två plattor. + + + + + + + A B - - - - - - - - - Antag att vi flyttar laddningen uppåt i bilden. Från A till B. Vi måste då påverka den med en kraft som är lika stor som den elektriska kraften. Det arbete, W, vi utför vid förflyttningen blir alltså proportionellt mot partiklens laddning. Den elektriska spänningen U mellan punkterna A och B definieras då enligt W = q U där W är det arbete som krävs för att flytta partiklen mellan punkterna. Detta samband gäller också för elektroner som förflyttas av det elektriska fältet i en ledare. Eftersom den transporterade laddningen Q kan skrivas Q = I t där I är strömmen i ledningen så kan sambandet skrivas somw = U I t. Detta samband kallas Joules lag. Ur Joules lag kan vi få ett uttryck för den elektriska effekten P. Effekten kan uttryckas som W energin, W som utvecklas under en viss tid, t dividerad med denna tid dvs. P =. Detta t ger P = U I Detta är bara ytterligare ett sätt att förklara det som redan står i boken. Välj själv det som du förstår bäst. Ännu en viktig elektrisk komponent, kondensatorn, förklaras på sidorna 203 och 204. {överförd till QuantaB boken}. Polspänning, emk och inre resistans är tre begrepp som till stor del handlar om batteriers och andra elektriska komponenters egenskaper. Det är viktigt att du förstår vad begreppen innebär och att du lär dig räkna med dem. Nu får du som avslutning läsa igenom sidorna 206-210 {ej med}. Nivå A: 455, 457, 460, 463, 473, 474, 477 Nivå B: 470, 475, 479, 482 Gör nu studiearbete 4 och redovisa och få hjälp i webbstödet Files\OLK19\StudanvElläraQuantaA.doc Sidan 8 av 6