Тема урока:

«Создание компьютерной модели для исследования  процесса регулировки скорости  двигателя постоянного тока»

Цели урока:

Образовательные :

1. научить учащихся создавать и анализировать компьютерную мо­дель ДПТ для определения способов регулирования его скорости
2. показать  практическую важность изучаемого материала в будущей профессии

Воспитательные:

1.  воспитывать самостоятельность через организа­цию выполнения задания с его последующей проверкой
2.  прививать навыков самообразования и самовоспитания;
3.  продолжить формирование современных взглядов на изучение электротехники и информатики

Развивающие :

1. Развить навыков исследовательской деятельности учащихся программными средствами компьютера.
2. развивать у учащихся техническое мышление
3. интерес к изучаемому предмету
4. развивать интеллектуальные способности учащихся через формирование умения читать схемы, сравнивать, делать выводы

Методическая :

 показать применение компьютерного моделирования  на уроках электротехники, как одно из направлений использования компьютера на уроках.

Задачи урока:

1.   Научиться применять компьютерное моделирование для решения электротехнических задач.

2. Используя компьютерную модель ДПТ, определить зависимость скорости вра­щения двигателя от внешних факторов.

3. Проверить полученные закономерности опытным путем.

4.   Записать электромеханическую характеристику ДПТ.

Тип урока: комбинированный.

Методы обучения:

• по источнику знаний:  словесные, практические, наглядные;
• по уровню познавательной активности:  проблемный, частично-поисковый, исследовательский,  объяснительно-иллюстративный
• по принципу расчленения или соединения знаний:  аналитический, синтетический, сравнительный, обобщающий

Оснащение урока: персональные компьютеры; про­граммное обеспечение Windows, MS Excel; интерактивная доска, мультимедийный проектор, колонки,  модель двигателя постоянного тока (ДПТ); регулируемые источники питания — 2 шт.; реостаты — 2 шт.; провода соединительные; технологическая карта для учащихся;

Межпредметные связи: физика, математика, ТО автомобилей.

Ход урока.

 1.  Организационный этап.

Сегодня у нас вами необычный урок. Мы объединим с вами знания по двум предметам «Информатика и ИКТ» и «Электротехника». По предмету информатика по темам « Моделирование» и « Использование табличного редактора Excel» а по предмету «Электротехника» по теме «Двигатель постоянного тока».

II. Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности.

Все ли задачи, которые ставит перед нами жизнь, являются четкими и ясными?

Отвечают учащиеся : Конечно нет.

Поэтому одна из задач информатики –переход от неформальной, нечеткой задачи  к четкой формальной  модели, позволяющим решить эту задачи на компьютере. Для того чтобы нам с вами понять от чего же зависит работа  двигателя постоянного тока нам необходимо описать его работу совокупностью математических закономерностей, то есть создать его модель и затем исследовать по специальным алгоритмам.

Проблема: Необходимо  выяснить, как влияет на скорость двигателя изменение параметров двигателя постоянного тока.

Я думаю что вы догадались что ,  тема нашего урока?

Отвечают учащиеся : Создание компьютерной модели для исследования  процесса регулировки скорости,  двигателя постоянного тока

Давайте определим с вами задачи нашего урока.

Задачи урока:

1. Научиться применять компьютерное моделирование для решения электротехнических задач.
2. Используя компьютерную модель ДПТ, определить зависимость скорости вращения двигателя от внешних факторов.
3. Проверить полученные закономерности опытным путем.
4. Записать электромеханическую характеристику ДПТ.

Исходя из задач урока , какова же цель нашего урока?

Цель нашего урока научить вас создавать и анализировать компьютерную мо­дель ДПТ для определения способов регулирования его скорости.

III. Актуализация ранее изученных знаний.

Прежде чем приступить к построению модели , давайте проверим ваши знания по теме « ДПТ»

А) тестирование ( за компьютером)-5 мин.

Б) фронтальный опрос:

1. Какая электрическая машина называется двигателем?
2.  Что представляет простейший электродвигатель?
3.  Перечислите основные части ДПТ.

• работа у доски ( учащийся по слайду рассказывает об устройстве ДПТ)

В) проверка домашнего задания

1. « История создания ДПТ»-3.5 мин.( презентация)

Вы получаете профессию «Автомеханик» поэтому для вас важно знать, где используют ДПТ в автомобилях.

2. « Использование ДПТ в автомобилях»+ видеофрагмент

IV. Первичное усвоение новых знаний.

Итак, мы посмотрели с вами видеофрагмент который учащиеся сняли при прохождении производственной практики, а теперь вернемся с вами к теме сегодняшнего урока «Исследование ДПТ для определения способов регулирования его скорости».

Если ДПТ с сопротивлением обмотки якоря R_я включить в сеть с напряжением  U, то в момент пуска в якоре установится ток . I _я=U/ R _я

В результате  взаимодействия якоря с магнитным полем полюсов якорь начнет вращаться. Так как его обмотка начнет вращаться в магнитном поле, то в ней будет индуцироваться ЭДС, которая будет направлена против  приложенного к двигателю напряжения. Величина этой ЭДС прямо пропорциональна числу оборотов двигателя и величине магнитного потока. E=cnФ, но в отличие от генератора в двигателе эта ЭДС будет меньше приложенного от сети напряжения на величину падения напряжения в якоре машины. U=E+I _яR _я= cnФ+ I _яR _я, отсюда ток в якоре I _я=U- cnФ / R _я

Поскольку сопротивление якоря мало, то пусковой ток в нем будет очень большим, превышая номинальный в десятки раз, от такого тока может пострадать обмотка якоря, коллектор и щетки. Поэтому пусковой ток ограничивают путем включения последовательно с обмоткой якоря пускового реостата ,т.е. I _я=U- cnФ/ R _я+  R _{д ,}отсюда скорость вращения двигателя

Эта формула является электромеханической характеристикой двигателя.

Откройте учебник на странице  227, и запишите в тетрадь формулу для расчета пускового тока, для расчета тока в якоре, для расчета скорости вращения двигателя.

Посмотрите на формулу расчета скорости двигателя и проанализируйте:

1. От каких параметров зависит скорость двигателя? (Напряжение, магнитный поток, добавочное сопротивление в цепи якоря.)

   Какие величины остаются постоянными в процессе работы машины? (Rя- сопротивление якоря, С - постоянная конструктивная величина.)

 Мы видим , что скорость вращения двигателя прямо пропорциональна подводимому напряжению и обратно пропорциональна величине магнитного  потока. Отсюда следует , что регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока можно осуществлять:

а) Включением доба­вочного сопротивления;

б) изменением питающего напряжения;

в) изменение маг­нитного потока с помощью регулирования сопротивления в цепи обмотки возбуждения.

Итак вернемся к нашей проблеме: Необходимо  выяснить, как влияет на скорость двигателя изменение этих параметров.

При решении электротехнической задачи в качестве основного инструмента мы будем использовать компьютер и его программное обеспечение, в частности электронные таблицы Excel.

Алгоритм решения проблемы:

1. Построим  компьютерную модель двигателя постоянного тока
2. Проверим закономерность формулы опытным путем
1. Подготовительный этап:

Для того , чтобы построить компьютерную модель из курса «Информатики и ИКТ» необходимо вспомнить:

• Что такое модель?

Модель — упрощенное представление о реальном объекте, процессе или явлении.

• Что такое компьютерная модель?

Компьютерная модель — это модель, реализуемая средствами программной среды.

• Вспомните и дайте определение в чем заключается процесс моделирования?

Моделирование — построение модели для исследования и изучения объекта.

В нашей работе мы будем использовать табличный редактор MS Excel.

• Вспомните для чего служит табличный редактор?

Для оперативного выполнения  различного рода расчетов, математических операций, построения диаграмм.

• Из чего состоит электронная таблица?

Из столбцов и строк. Ячейка – место пересечения столбца и строки.

• Из чего состоит адрес ячейки?

Он состоит из заголовка столбца и заголовка строки. ( Например А1)

• Что такое абсолютная ссылка?

Абсолютные ссылки используются для указания адреса ячейки, вычисляемого в абсолютной системе координат и не зависящего от текущей ячейки (они имеют вид $A$1)

• Дайте определения диаграммы.

Это графическое представление данных рабочего листа.

2.  Этапы построения компьютерной модели:
1. постановка задачи;
2. описание основных информационных характеристик модели;
3. Создание алгоритмической основы модели
4. Исследование процесса
5. анализ результатов.

Таким образом, сегодня в результате моделирования работы ДПТ необходимо будет получить дополнительную информацию об объекте и способах изменения его скорости. Решать поставленную задачу будем двумя способами:

• Проведением компьютерного эксперимента
• Проведением лабораторной работы.

1.  Постановка задачи:

Скорость двигателя стартера описывается уравнением

Необходимо выяснить, к каким изменениям скорости приведет:

а)      изменение питающего напряжения;

б)      изменение добавочного сопротивления в цепи якоря;

в)      изменение магнитного потока.

          2. Описание основных информационных характеристик модели:

а)      питающее напряжение-U;

б)      добавочное сопротивление в цепи якоря-;

в)      магнитный поток-Ф.

г)        сила тока якоря-

д)        скорость вращения двигателя - n

3. Создание алгоритмической основы модели

Во-первых, использование модели, ее анализ и наблюдение за ней позволят нам познать суть реально существующего более сложного объекта, каковым является, в частности, двигатель постоянного тока .

Во-вторых, модель позволяет глубоко изучить какое-то конкретное свойство, например способы изменения скорости, не учитывая менее существенные признаки.

Электронные таблицы — одна из самых распространенных программных сред об­щего назначения; с ее помощью можно решать разнообразные задачи; результаты моделирования проявляются сразу (графики).

Итак перед вами  рабочий лист книги MS Excel. Работать будем по следующему алгоритму:

1. В качестве исходных данных принимаем параметры  двигателя: U=465 В, Iя=0 А, Rя=0,01 Ом, C=10, Ф=0,071Вб, R_до6=0
2. Выделим мышью область ячеек А1:N4
3. Установим шрифт Times New Roman, размер 16
4. В ячейку С3 введем название- естественная характеристика
5. В ячейку J3 введем название характеристики -исскуственная характеристика
6. В ячейки A2,B2,C2,D2,E2,F2 вводим соответственно U, C, Ф,Rя,R_до6, Iя,n.
7. Выделяем ячейки A2,B2,C2,D2,E2,F2 ,G2, копируем, и вставляем в ячейку H2

8. В третью строку вводим числовые данные значений
9.  Выделяем ячейки A3,B3,C3,D3,E3,F3 , копируем, и вставляем в ячейку H3
10. Изменить содержимое ячейки L3 (R_до6) на 0,04.
11.   В ячейку F4 вставим  числовое значение-4320
12. В ячейку G3 в строке формул записываем формулу G3: =(A$3-F3*(D$3+E$3))/(B$3*C$3).
13.  Выделить мышью ячейку G3 и, удерживая правую кнопку мыши, скопиро­вать ее содержимое в ячейку G4.
14.  Выделить мышью ячейку G3 и, удерживая правую кнопку мыши, скопиро­вать ее содержимое в ячейку N3
15.  Выделим мышью ячейку N3 изменим в строке формул E$3 на L$3.
16.  В ячейку М4 в строке формул введем абсолютную ссылку М4: =F$4
17.  Выделить мышью ячейку N3 и, удерживая правую кнопку мыши, скопиро­вать ее содержимое в ячейку N4.

18. Выделяем область ячеек G3:G4

 19. Выбираем команду Вставка, щелкаем по вкладке Диаграмма

20. Выбираем тип- диаграммы Точечная, формат -2

21. Переместим появившуюся диаграмму

 22. Во вкладке данные выбираем Выбрать данные

23. В появившемся диалоговом окне добавляем элементы легенды:

Имя ряда1-ячейка С3,значения Х- ячейкиF3:F4,значения Y- G3:G4

Имя ряда2-ячейка С3,значения Х- ячейки M3:M4,значения Y- N3:N4

24. Получаем два графика выходящих из одной точки

5. . Первичная проверка понимания.

4. Исследование модели.

Так строятся два графика зависимости скорости двигателя от тока якоря п = f(_I_a), которая называется электромеханической характеристикой ДПТ. При R_до6 = 0 такая характеристика — естественная, при R_до6 = 0,04 Ом получаем искусственную характеристику. Изменим параметры и вновь построим графики. Проанализируйте по изменению графиков какие параметры влияют на скорость вращения. Результаты запишите в тетрадь

Здоровьесберегающий элемент урока.

Далее вам ребята предлагается начать практическую работу по исследованию ДПТ. Настроиться на эту нелегкую работу нам поможет простое упражнение. Существует много различных способов настроиться на работу. Я предлагаю вам один из них.

- Сядьте поудобнее на стуле, запрокиньте ногу на колено, придержите ее руками, закройте глаза. Это поза бесконечности. Сосредоточьтесь над знаком бесконечность – вытянутая горизонтальная восьмерка. Она находится над вашим теменем, плавно колеблется над вашей головой. Вы его ярко представили. Постарайтесь удержать это изображение в вашем мысленном образе в течение нескольких секунд. (Пауза – молчание в течение 5 сек.) Спасибо! Откройте глаза ребята. Когда человек сталкивается с бесконечностью, он невольно задумывается о своем здоровье.

VI. Первичное закрепление.

3). Проверка полученных закономерностей опытным путем:

1. Компьютерный эксперимент :

Итак приступим к исследованию скорости ДПТ.

Ребята сидящие за компьютерами проводят исследование посредством использования электронных таблиц Excel, заносят в них информацию и строят графи­ки, пользуясь приведенным выше алгоритмом. Компьютер для нас – это не только развлечение, но и инструмент для серьезной работы. Поэтому мы должны помнить и соблюдать правила поведения и техники безопасности при работе с ЭВМ.

Учащиеся исследуют электромеханические характеристики по следующе­му плану:

1.  Убедиться, что графики естественной и искусственной характеристик ДПТ при включении в цепь якоря дополнительного сопротивления располагаются под разными углами наклона к горизонтальной оси и выходят из одной точки.

2.  Изменить у искусственной характеристики величину R_доб, задав значения 0,06 и 0,08 Ом, пронаблюдать за изменением угла наклона графика; записать в  тетрадь, как влияет увеличение дополнительного сопротивления в цепи якоря на скорость двигателя.

3.  Установить прежнее значение R_до6 = 0,04.

4.Изменить U, задав значения 420, 380, 300 В. Записать в тетрадь:

•    меняется ли угол наклона графика при изменении величины питающего напряжения;

•    как изменяется скорость двигателя при уменьшении напряжения.

5.  Установить прежнее значение U= 465 В.

6.Изменить у искусственной характеристики величину магнитного потока Ф, задав значения 0,065 и 0,06 Вб. Записать в тетрадь:

•    меняется ли угол наклона графика при изменении величины магнитного по­
тока;

•    как влияет ослабление магнитного потока на скорость двигателя.

7. Восстановить первоначальные значения данных в ячейках и закрыть про­грамму.

b. Лабораторная работа:

Для этого ребята,  сидящие на среднем ряду проводят лабораторную работу используя: схему подключения электродвигателя, источник тока, модель электродвигателя, реостат, ключ, соединительные провода. Результаты и выводы запишите в тетрадь, схема и эталон выполнения лабораторной работы лежит у вас на столе.

Перед началом работы вспомните пожалуйста,  о технике безопасности при работе  с электричеством и лабораторным оборудованием.( Инструкция перед вами на столе)

Один учащийся соберет схему подключения электродвигателя на демонстрационной доске и продемонстрирует зависимость скорости вращения двигателя от величины добавочного сопротивления.  (фото)

VII. Контроль усвоения, обсуждения допущенных ошибок и их коррекция.

5. Анализ результатов.

Проанализируйте результаты ваших исследований ответив на вопросы:

• Как влияет увеличение дополнительного сопротивления в цепи якоря на скорость двигателя?

·               Меняется ли угол наклона графика при изменении величины питающего напряжения;

·               Как изменяется скорость двигателя при уменьшении напряжения?

·              Меняется ли угол наклона графика при изменении величины магнитного потока;

·               Как влияет ослабление магнитного потока на скорость двигателя.

Давайте сравним данные полученные с помощью компьютерного моделирования и данные полученные  опытным путем. Какие можно сделать выводы? Можно ли сказать , что мы добились цели урока? Можно ли сделать вывод  раз зависимости полностью совпали, следовательно, с поставленной задачей урока мы справились?

Великий математик Р. Декарт говорил : « Мало знать –надо уметь применять!» и сегодня на уроке мы убедились, что на уроках электротехники в качестве инструмента для изучения работы различных устройств с успехом может применяться компью­тер и его программное обеспечение, с помощью которого можно решать не только математические, но и различные прикладные задачи.

Оценки за урок :

VIII. Информация о домашнем задании , инструктаж по его выполнению.

Запишите задание на дом:

1. Повторите разделы учебников:

Н.Д.  Угринович  « Информатика и ИКТ 10-11» §§ 5.5-5.7 стр. 253-264,

Ю.Г. Синдеев. §§ 10.5-10.6 стр. 225-233.

2. Написать реферат по предлагаемой теме( видеосюжет « Регулировка скорости движения «дворников» в автомобиле», создать тест для проверки знаний по изученному разделу, составить презентацию.

Предлагаемые темы :

1.            Практическое использовании выявленных способов регулирования двигателя.

2.            Компьютерное моделирование в моей профессии.

Обратите внимание, что вы можете выбрать одно из предложенных творческих заданий.

VIII Рефлексия. ( метод Светофор)

Давайте оценим наш урок. На ваших столах лежат листочки зеленого , красного и желтого цвета. Каждый оценивает свой вклад в работу группы: красный – не доволен, сделал не все, что мог; желтый – мог бы лучше; зеленый – сделал все, что в моих силах для успеха группы. Листочки наклеиваются на доску с изображением светофора, и от того какой сигнал светофора «загорится» ( т.е какого цвета листочков будет больше , мы сделаем с вами вывод об успешности нашего урока.