Разработка урока"Опыты Фарадея. Электромагнитная индукция"
Цель работы: Изучить явление электромагнитной индукции.
Оборудование: Миллиамперметр, катушка-моток, магнит дугообразный, источник питания, катушка с железным сердечником от разборного электромагнита, реостат, ключ, провода соединительные, модель генератора электрического тока (одна на класс).
Указания к работе:
1. Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.
2. Наблюдая за показаниями миллиамперметра, подводите один из полюсов магнита к катушке, потом на несколько секунд остановите магнит, а затем вновь приближайте его к катушке, вдвигая в неё (рис. 196). Запишите, возникал ли в катушке индукционный ток во время движения магнита относительно катушки; во время его остановки.
Запишите, менялся ли магнитный поток Ф, пронизывающий катушку, во время движения магнита; во время его остановки.
4. На основании ваших ответов на предыдущий вопрос сделайте и запишите вывод о том, при каком условии в катушке возникал индукционный ток.
5. Почему при приближении магнита к катушке магнитный поток, пронизывающий эту катушку, менялся? (Для ответа на этот вопрос вспомните, во-первых, от каких величин зависит магнитный поток Ф и, во-вторых, одинаков
ли модуль вектора индукции В магнитного поля постоянного магнита вблизи этого магнита и вдали от него.)
6. О направлении тока в катушке можно судить по тому, в какую сторону от нулевого деления отклоняется стрелка миллиамперметра.
Проверьте, одинаковым или различным будет направление индукционного тока в катушке при приближении к ней и удалении от неё одного и того же полюса магнита.
4. Приближайте полюс магнита к катушке с такой скоростью, чтобы стрелка миллиамперметра отклонялась не более чем на половину предельного значения его шкалы.
Повторите тот же опыт, но при большей скорости движения магнита, чем в первом случае.
При большей или меньшей скорости движения магнита относительно катушки магнитный поток Ф, пронизывающий эту катушку, менялся быстрее?
При быстром или медленном изменении магнитного потока сквозь катушку сила тока в ней была больше?
На основании вашего ответа на последний вопрос сделайте и запишите вывод о том, как зависит модуль силы индукционного тока, возникающего в катушке, от скорости изменения магнитного потока Ф, пронизывающего этукатушку.
5. Соберите установку для опыта по рисунку 197.
6. Проверьте, возникает ли в катушке-мотке 1 индукционный ток в следующих случаях:
а) при замыкании и размыкании цепи, в которую включена катушка 2;
б) при протекании через катушку 2 постоянного тока;
в) при увеличении и уменьшении силы тока, протекающего через катушку 2, путём перемещения в соответствующую сторону движка реостата.
10. В каких из перечисленных в пункте 9 случаев меняется магнитный поток, пронизывающий катушку 1? Почему он меняется?
11. Пронаблюдайте возникновение электрического тока в модели генератора (рис. 198). Объясните, почему в рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает индукционный ток.
Рис. 196
Изучением явления электромагнитной индукции занялся вплотную первым Майкл Фарадей. Точнее сказать, он установил и исследовал это явление в поисках способов превратить магнетизм в электричество.
У него на решение такой задачи ушло десять лет, мы же сейчас пользуемся плодами его труда повсеместно, и не представляем себе современную жизнь без применения электромагнитной индукции . В 8 классе, мы уже рассматривали эту тему, в 9 классе это явление рассматривается уже более детально, но вывод формул относится к курсу 10 класса. По этой ссылке вы можете перейти для ознакомления со всеми аспектами данного вопроса.
Явление электромагнитной индукции: рассмотрим опыт
Мы рассмотрим, что представляет собой явление электромагнитной индукции. Можно провести опыт, для которого понадобится гальванометр, постоянный магнит и катушка. Соединив гальванометр с катушкой, мы вдвигаем внутрь катушки постоянный магнит. При этом гальванометр покажет изменение тока в цепи.
Так как никакого источника тока у нас в цепи нет, то логично предположить, что ток возникает вследствие появления магнитного поля внутри катушки. Когда мы будем вытаскивать магнит обратно из катушки, мы увидим, что снова изменятся показания гальванометра, но его стрелка при этом отклонится в противоположную сторону. Мы опять получим ток, но уже направленный в другую сторону.
Теперь проделаем похожий опыт с теми же элементами, только при этом мы зафиксируем магнит неподвижно, а надевать на магнит и снимать с него мы теперь будем саму катушку, подсоединенную к гальванометру. Мы получим те же результаты стрелка гальванометра будет показывать нам появление тока в цепи. При этом, когда магнит неподвижен, тока в цепи нет стрелка стоит на ноле.
Можно провести измененный вариант такого же опыта, только постоянный магнит заменить электрическим, который можно включать и выключать. Мы получим схожие с первым опытом результаты при движении магнита внутри катушки. Но, кроме того, при выключении и выключении неподвижного электромагнита, он будет вызывать кратковременное появление тока в цепи катушки.
Катушку можно заменить проводящим контуром и проделать опыты по перемещению и вращению самого контура в постоянном магнитном поле, либо же магнита внутри неподвижного контура. Результаты будут те же появление тока в цепи при движении магнита или контура.
Изменение магнитного поля вызывает появление тока
Из всего этого следует вывод, что изменение магнитного поля вызывает появление электрического тока в проводнике . Ток этот ничем не отличается от тока, который мы можем получить от батареек, например. Но чтобы указать причину его возникновения, такой ток назвали индукционным.
Во всех случаях у нас менялось магнитное поле, а точнее, магнитный поток через проводник, вследствие чего и возникал ток. Таким образом, можно вывести следующее определение:
При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока.
На этом уроке мы проведем лабораторную работу №4 «Изучение явления электромагнитной индукции». Целью этого занятия будет изучение явления электромагнитной индукции. С помощью необходимого оборудования мы проведем лабораторную работу, в конце которой узнаем, как правильно изучать и определять это явление.
Цель - изучение явления электромагнитной индукции .
Оборудование:
1. Миллиамперметр.
2. Магнит.
3. Катушка-моток.
4. Источник тока.
5. Реостат.
6. Ключ.
7. Катушка от электромагнита.
8. Соединительные провода.
Рис. 1. Экспериментальное оборудование
Начнем лабораторную работу со сбора установки. Чтобы собрать схему, которую мы будем использовать в лабораторной работе, присоединим моток-катушку к миллиамперметру и используем магнит, который будем приближать или удалять от катушки. Одновременно с этим мы должны вспомнить, что будет происходить, когда будет появляться индукционный ток.
Рис. 2. Эксперимент 1
Подумайте над тем, как объяснить наблюдаемое нами явление. Каким образом влияет магнитный поток на то, что мы видим, в частности происхождение электрического тока. Для этого посмотрите на вспомогательный рисунок.
Рис. 3. Линии магнитного поля постоянного полосового магнита
Обратите внимание, что линии магнитной индукции выходят из северного полюса, входят в южный полюс. При этом количество этих линий, их густота различна на разных участках магнита. Обратите внимание, что направление индукции магнитного поля тоже изменяется от точки к точке. Поэтому можно сказать, что изменение магнитного потока приводит к тому, что в замкнутом проводнике возникает электрический ток, но только при движении магнита, следовательно, изменяется магнитный поток, пронизывающий площадь, ограниченную витками этой катушки.
Следующий этап нашего исследования электромагнитной индукции связан с определением направления индукционного тока . О направлении индукционного тока мы можем судить по тому, в какую сторону отклоняется стрелка миллиамперметра. Воспользуемся дугообразным магнитом и увидим, что при приближении магнита стрелка отклонится в одну сторону. Если теперь магнит двигать в другую сторону, стрелка отклонится в другую сторону. В результате проведенного эксперимента мы можем сказать, что от направления движения магнита зависит и направление индукционного тока. Отметим и то, что от полюса магнита тоже зависит направление индукционного тока.
Обратите внимание, что величина индукционного тока зависит от скорости перемещения магнита, а вместе с тем и от скорости изменения магнитного потока.
Вторая часть нашей лабораторной работы связана будет с другим экспериментом. Посмотрим на схему этого эксперимента и обсудим, что мы будем теперь делать.
Рис. 4. Эксперимент 2
Во второй схеме в принципе ничего не изменилось относительно измерения индукционного тока. Тот же самый миллиамперметр, присоединенный к мотку катушки. Остается все, как было в первом случае. Но теперь изменение магнитного потока мы будем получать не за счет движения постоянного магнита, а за счет изменения силы тока во второй катушке.
В первой части будем исследовать наличие индукционного тока при замыкании и размыкании цепи. Итак, первая часть эксперимента: мы замыкаем ключ. Обратите внимание, ток нарастает в цепи, стрелка отклонилась в одну сторону, но обратите внимание, сейчас ключ замкнут, а электрического тока миллиамперметр не показывает. Дело в том, что нет изменения магнитного потока, мы уже об этом говорили. Если теперь ключ размыкать, то миллиамперметр покажет, что направление тока изменилось.
Во втором эксперименте мы проследим, как возникает индукционный ток , когда меняется электрический ток во второй цепи.
Следующая часть опыта будет заключаться в том, чтобы проследить, как будет изменяться индукционный ток, если менять величину тока в цепи за счет реостата. Вы знаете, что если мы изменяем электрическое сопротивление в цепи, то, следуя закону Ома, у нас будет меняться и электрический ток. Раз изменяется электрический ток, будет изменяться магнитное поле. В момент перемещения скользящего контакта реостата изменяется магнитное поле, что приводит к появлению индукционного тока.
В заключение лабораторной работы мы должны посмотреть на то, как создается индукционный электрический ток в генераторе электрического тока.
Рис. 5. Генератор электрического тока
Главная его часть - это магнит, а внутри этих магнитов располагается катушка с определенным количеством намотанных витков. Если теперь вращать колесо этого генератора в обмотке катушки будет наводиться индукционный электрический ток. Из эксперимента видно, что увеличение числа оборотов приводит к тому, что лампочка начинает гореть ярче.
Список дополнительной литературы:
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н. Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 347-348. Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 классы. Учебник для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.3. Синяков, В.А. Слободсков. - М.: Дрофа, 2005. - 476с. Пурышева Н.С. Физика. 9 класс. Учебник. / Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Чаругин В.М. 2-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2007.
План занятия
Тема занятия: Лабораторная работа: «Изучение явления электромагнитной индукции»
Вид занятия - смешанный.
Тип занятия комбинированный.
Учебные цели занятия : изучить явление электромагнитной индукции
Задачи занятия :
Образовательная: изучить явление электромагнитной индукции
Развивающие. Развивать умение наблюдать, формировать представление о процессе научного познания.
Воспитательная. Развивать познавательный интерес к предмету, вырабатывать умение слушать и быть услышанным.
Планируемые образовательные результаты: способствовать усилению практической направленности в обучении физики, формировании умений применять полученные знания в различных ситуациях.
Личностные: с пособствовать эмоциональному восприятию физических объектов, умению слушать, ясно и точно излагать свои мысли, развивать инициативу и активность при решении физических задач, формировать умение работать в группах.
Метапредметные: р азвивать умение понимать и использовать средства наглядности (чертежи, модели, схемы). Развитие понимания сущности алгоритмических предписаний и умений действовать в соответствии с предлагаемым алгоритмом.
Предметные: о владеть физическим языком, умением распознавать соединения параллельные и последовательные, умение ориентироваться в электрической схеме, собирать схемы. Умение обобщать и делать выводы.
Ход занятия:
1. Организация начала урока (отметка отсутствующих, проверка готовности студентов к уроку, ответы на вопросы студентов по домашнему заданию) - 2-5 мин.
Преподаватель сообщает учащимся тему урока, формулирует цели урока и знакомит учащихся с планом урока. Учащиеся записывают тему урока в тетради. Преподаватель создает условия для мотивации учебной деятельности.
Освоение нового материала:
Теория. Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется.
Магнитное поле в каждой точке пространства характеризуется вектором магнитной индукции В. Пусть замкнутый проводник (контур) помещаем в однородное магнитное поле (см. рис.1.)
Рисунок.1.
Нормаль к плоскости проводника составляет угол с направлением вектора магнитной индукции .
Магнитным потоком Ф через поверхность площадью S называется величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь S и косинус угла между векторами и .
Ф=В S cos α (1)
Направление индуктивного тока, возникающего в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него определяется правилом Ленца: возникающий в замкнутом контуре индуктивный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
Применять правило Ленца надо так:
1. Установить направление линий магнитной индукции В внешнего магнитного поля.
2. Выяснить, увеличивается ли поток магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (Ф 0), или уменьшается ( Ф 0).
3. Установить направление линий магнитной индукции В" магнитного поля
индуктивного тока I пользуясь правилом буравчика.
При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в последнем появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС, называемые ЭДС индукции.
Согласно закону электромагнитной индукции, ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
Приборы и оборудование: гальванометр, источник питания, катушки с сердечником, дугообразный магнит, ключ, соединительные провода, реостат.
Порядок выполнения работы:
1. Получение индукционного тока. Для этого нужно:
1.1. Используя рисунок 1.1., собрать схему, состоящую из 2х катушек, одна из которых подключается к источнику постоянного тока через реостат и ключ, а вторая располагаясь над первой, подключена к чувствительному гальванометру. (см. рис. 1.1.)
Рисунок 1.1.
1.2. Замкнуть и разомкнуть цепь.
1.3. Убедиться в том, что индукционный ток возникает в одной из катушек в момент замыкания электрической цепи катушки, неподвижной относительно первой, при этом наблюдая направление отклонения стрелки гальванометра.
1.4. Привести в движение катушку, соединенную с гальванометром, относительно катушки, подключенной к источнику постоянного тока.
1.5. Убедиться в том, что гальванометр обнаруживает возникновения электрического тока во второй катушке при всяком ее перемещении, при этом направление стрелки гальвонометра будет изменяться.
1.6. Выполнить опыт с катушкой соединенной с гальванометром (см. рис. 1.2.)
Рисунок 1.2.
1.7. Убедиться в том, что индукционный ток возникает при движении постоянного магнита относительно катушки.
1.8. Сделать вывод о причине возникновения индукционного тока в проделанных опытах.
2. Проверка выполнения правила Ленца.
2.1. Повторить опыт из пункта 1.6.(рис.1.2.)
2.2. Для каждого из 4х случаев данного опыта зарисовать схемы (4 схемы).
Рисунок 2.3.
2.3. Проверить выполнения правила Ленца в каждом случае и заполнить по этим данным таблицу 2.1.
Таблица 2.1.
N опыта | Способ получения индукционного тока | ||||
Внесение в катушку северного полюса магнита | возрастает |
||||
Удаление из катушки северного полюса магнита | убывает |
||||
Внесение в катушку южного полюса магнита | возрастает |
||||
Удаление из катушки южного полюса магнита | убывает |
3. Сделать вывод о проделанной лабораторной работе.
4. Ответить на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы:
1. Как должен двигаться замкнутый контур в однородном магнитном поле, поступательно или вращательно, чтобы в нём возник индуктивный ток?
2. Объясните, почему индуктивный ток в контуре имеет такое направление, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока его вызвавшего?
3. Почему в законе электромагнитной индукции стоит знак « - »?
4. Сквозь намагниченное кольцо вдоль его оси падает намагниченный стальной брусок, ось которого перпендикулярна плоскости кольца. Как будет изменяться ток в кольце?
Допуск к лабораторной работе 11
1.Как называется силовая характеристика магнитного поля? Её графический смысл.
2.Как определяется модуль вектора магнитной индукции?
3.Дайте определение единицы измерения индукции магнитного поля.
4.Как определяется направление вектора магнитной индукции?
5.Сформулируйте правило буравчика.
6.Запишите формулу расчета магнитного потока. Каков его графический смысл?
7.Дайте определение единицы измерения магнитного потока.
8.В чем заключается явления электромагнитной индукции?
9.Какова причина разделения зарядов в проводнике, движущемся в магнитном поле?
10.Какова причина разделения зарядов в неподвижном проводнике,находящемся в переменном магнитном поле?
11.Сформулируйте закон электромагнитной индукции. Запишите формулу.
12.Сформулируйте правило Ленца.
13.Объясните правило Ленца на основе закона сохранения энергии.
Студент должен:
уметь: обращаться с физическими приборами и использовать их при проведении лабораторных работ; исследовать явление электромагнитной индукции – определить от чего зависят величина и направление индукционного тока; пользоваться необходимой справочной литературой;
знать: методы измерения мощности, потребляемой электроприбором; зависимости мощности, потребляемой лампочкой от напряжения на её зажимах; исследовать зависимость сопротивления проводника от температуры.
Обеспеченность занятия
Оборудование и инструменты: миллиамперметр, катушка-моток, магнит дугообразный, магнит полосовой, источник постоянного тока, две катушки с сердечниками, реостат, ключ, длинный провод, соединительные провода.
Раздаточные материалы:
Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы
Индукционный ток в замкнутом контуре возникает при изменении магнитного потока через площадь, ограниченную контуром. Изменение магнитного потока через контур можно осуществить двумя различными способами:
1) изменением во времени магнитного поля, в котором находится неподвижный контур при вдвигании магнита в катушку или при выдвигании;
2) движением этого контура (или его частей) в постоянном магнитном поле (например, при надевании катушки на магнит).
Инструкция по выполнению лабораторной работы
Катушку-моток подключите к зажимам миллиамперметра, а затем надевайте и снимайте ее с северного полюса дугообразного магнита с различной скоростью (см. рисунок), и для каждого случая замечайте максимальную и минимальную силу индукционного тока и направление отклонения стрелки прибора.
Рисунок 9.1
1. Переверните магнит и вдвиньте медленно южный полюс магнита внутрь катушки, а затем выдвиньте его. Повторите опыт с большей скоростью. Обратите внимание на то, куда в этот раз отклонялась стрелка миллиамперметра.
2. Сложите два магнита (полосовой и дугообразный) одноименными полюсами и повторите эксперимент с разной скоростью движения магнитов в катушке.
3. Подключите к зажимам миллиамперметра вместо катушки длинный провод, свернутый в несколько витков. Надевая и снимая витки провода с полюса дугообразного магнита, заметьте максимальную силу индукционного тока. Сравните ее с максимальной силой индукционного тока, полученной в опытах с тем же магнитом и катушкой, и обнаружьте зависимость ЭДС индукции от длины (числа витков) проводника.
4. Проанализируйте ваши наблюдения и сделайте выводы относительно причин, от которых зависят величина индукционного тока и его направление.
5. Соберите цепь, изображенную на рисунке 1. Катушки со вставленными в них сердечниками должны быть расположены близко одна к другой и так, чтобы их оси совпадали.
6. Проведите следующие эксперименты:
а) поставьте ползунок реостата в положение, соответствующее минимальному сопротивлению реостата. Замкните цепь ключом, наблюдая за стрелкой миллиамперметра;
б) разомкните цепь ключом. Что изменилось?
в) поставьте ползунок реостата в среднее положение. Повторите опыт;
г) поставьте ползунок реостата в положение, соответствую шее максимальному сопротивлению реостата. Замкните и разомкните цепь ключом.
7. Проанализируйте ваши наблюдения и сделайте выводы.
Лабораторная работа № 10
УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРА
Студент должен:
уметь: определять коэффициент трансформации; пользоваться необходимой справочной литературой;
знать: устройство и принцип работы трансформатора.
Обеспеченность занятия
Оборудование и инструменты: источник регулируемого переменного напряжения, трансформатор лабораторный разборный, вольтметры переменного тока (или авометр), ключ, провода соединительные;
Раздаточные материалы: данные методические рекомендации по выполнению лабораторных работ.