Открытый урок "Явление электромагнитной индукции. Опыты Фарадея. Закон Ленца"

Разделы: Физика


Задачи урока:

  • изучить явление электромагнитной индукции и условия его возникновения;
  • рассмотреть историю вопроса о связи магнитного поля и электрического;
  • показать причинно-следственные связи при наблюдении явления электромагнитной индукции, раскрыть отношения явления и его сущности при постановке опытов;
  • продолжить формирование изменений, наблюдать, выделять главное, объяснять увиденное.

Оборудование: разборный школьный трансформатор, гальванометр, постоянный магнит, аккумулятор, источник переменного тока, реостат, ключ, замкнутый виток с низковольтной лампой, соединительные провода, стержень с двумя алюминиевыми кольцами на концах, одно из которых сплошное, другое с разрезом, портрет М.Фарадея, телевизор, в/ф "Явление электромагнитной индукции", карточки-задания, кроссворды, ребус, криптограмма, оборудование для опытов.

I. Оргмомент.

II. Мотивация учебной деятельности

Учитель. Мы с вами прошли тему "Электромагнетизм". Сегодня нам предстоит выяснить, как вы усвоили этот материал. Обобщим знания о магнитном поле, будет совершенствовать умения объяснять магнитные явления. Раскроем особенные и общие черты магнитного и электрического полей, проведем контроль знаний, продолжим формирование умений наблюдать, обобщать, синтезировать изученное.

III. Практическая работа -КМД-

Класс делится на 4 группы. Они работают так:

Первая группа – пишет физический диктант. (Приложение 1.)
Вторая группа – решает кроссворд. (Приложение 2.)
Третья группа – решает качественные задачи. (Приложение 3.)

И получают баллы за каждую работу. Потом обмениваются между собой заданиями.

Четвертая группа – четверо играют в карты.

Пока они готовятся, желающие получить жетоны, правильно отвечают на поставленные вопросы:

– В каком месте Земли магнитная стрелка обоими концами показывает на юг? (На северном географическом полюсе)

– Если поднести несколько раз к часам сильный магнит, то показания часов будут неправильными. Как объяснить это? (Стальная пружина и другие стальные детали часов, намагничиваясь, взаимодействуют друг с другом, вследствие чего правильный ход часов нарушается)

– Где ошибка?

– Правильно ли указано направление тока?

Учитель. А вот, что написал о магнитных явлениях Д.И. Менделеев, мы сможем сказать, если расшифруем, что здесь написано. (Приложение 3). К доске идет...

Решение задач.

IV. Изучение нового материала

Учитель. Ранее в электродинамике изучались явления, связанные или обусловленные существованием постоянных во времени (статических и стационарных) электрических и магнитных полей. Появляются ли новые явления при наличии переменных полей? Впервые явление, вызванное переменным магнитным полем, наблюдал в 1831году М.Фарадей. Он решал ПРОБЛЕМУ: может ли магнитное поле вызвать появление электрического тока в проводнике? А теперь посмотрим опыты и послушаем объяснение их.

По итогам зачета объявляются оценки и комментируются.

Учитель. А сейчас переходим к изучению новой темы. Цель урока мы узнаем, если разгадаем ребус. (Приложение 2) Да, да! Именно эти слова записал Майкл Фарадей в своем дневнике в 1822 году. "Превратить магнетизм в электричество". После открытия Эрстедом в 1820 году магнитного поля, было установлено, что магнитное поле и эл.ток всегда существуют одновременно. Фарадей, зная о тесной связи между током и магнитном полем, был уверен, что с помощью магнитного поля можно создать в замкнутом проводнике эл.ток. Он провёл многочисленные опыты и доказал это, открыв в 1831году явление электромагнитной индукции.
С биографией М.Фарадея нас познакомит студент ...

V. Демонстрация опытов Фарадея.

Учитель. Рассмотрим опыты Фарадея, с помощью которых он открыл явление электромагнитной индукции.

1. Возьмем соленоид, соединенный с гальванометром (рис. 1), и будем вдвигать в него постоянный магнит. Оказывается, что при движении магнита стрелка гальванометра отклоняется. Если же магнит останавливается, то стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. То же самое получается при выдвижении магнита из соленоида или при надевании соленоида на неподвижный магнит. Такие опыты показывают, что индукционный ток возникает в соленоиде только при относительном перемещении соленоида и магнита.

Рис. 1

Рис. 1

2. Будем опускать в соленоид В катушку с током А (рис. 2). Оказывается, что и в этом случае в соленоиде В возникает индукционный ток только при относительном перемещении соленоида В и катушки А.

Рис. 2

Рис. 2

3. Вставим катушку А в соленоид В и закрепим их неподвижно (рис. 3). При этом тока в соленоиде нет. Но в моменты замыкания или размыкания цепи катушки А в соленоиде В появляется индукционный ток. То же самое

Рис. 3

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 4

получается в моменты усиления или ослабления тока в катушке А с помощью изменения сопротивления R.
В дальнейшем цепь катушки А, соединенную с источником электрической энергии, будем называть первичной, а цепь соленоида В, в которой возникает индукционный ток, – вторичной. Эти же названия будем применять и к самим катушкам.

4. Включим первичную катушку в сеть переменного тока, а вторичную катушку соединим с лампой накаливания (рис. 4). Оказывается, лампа непрерывно горит, пока в первичной катушке течет переменный ток.
Нетрудно заметить, что общим для всех описанных опытов является изменение магнитного поля в соленоиде, которое и создает в нем индукционный ток.
Выясним теперь, всякое ли изменение магнитного поля вокруг замкнутого контура наводит в нем индукционный ток. Возьмем плоский контур в виде рамки, соединенной с гальванометром. Поместим рядом с рамкой магнит так, чтобы его линии индукции не проходили внутри рамки, а находились в ее плоскости (рис. 5а).

Рис. 5

Рис. 5

Оказывается, что при перемещении рамки или магнита вдоль плоскости рисунка стрелка гальванометра не отклоняется. Если же рамку поворачивать вокруг оси 00' (рис. 5б), то в ней возникает индукционный ток.

На основании описанных опытов можно сделать следующий вывод: индукционный ток (и э. д. с. индукции) в замкнутом контуре появляется только в том случае, когда изменяется магнитный поток, который проводит через площадь, охваченную контуром.
С помощью этого явления может получится эл. ток практически любой мощности, а это позволяет широко использовать эл. энергию в промышленности. Получается она в основном с помощью индукционных генераторов, принцип работы которых основан на явлении эл-магнитной индукции. Поэтому Фарадей по праву считается одним из основателей электротехники.

Рассмотрим подробнее явление электромагнитной индукции.

Пусть в однородном магнитном поле с индукцией В находится прямолинейный металлический проводник длиной L.
Приведем этот проводник в движение со скоростью так, что бы угол между векторами В и составлял 90 градусов, то вместе с проводником будут направленно двигаться и его собственные электроны, так как их движение происходит в магнитном поле, то на них должна действовать сила Лоренца.
С помощью правила левой руки можно установить, что свободные электроны будут смещаться к концу А. И тогда между А и В возникает напряжение U , которое создаст в нем эл. силу Fэл., которая уравновесит Fл. Fэл.= Fл., в этом случае смещение электронов прекратится.
Fэл.= Е . q = U/L . q, а Fл.= В . . q . sinU/L . q = В . . q . sinU = В . . L . sin, но напряжение на полюсах при разомкнутой цепи = Е.
Еинд.= В . . L . sin

Рис. 6

Рис. 6

А если проводник включить в цепь, то в ней возникает индукционный ток.

Направление индукционного тока, возникающего в прямолинейном проводнике при его движении в магнитном поле, определяется по правилу правой руки (рис. 7): если правую руку расположить вдоль проводника так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а отогнутый большой палец показывал направление движения проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока в проводнике.

Рис. 7

Рис. 7

VI. Закон Ленца.

Учитель. В катушке, замкнутой на гальванометр, при перемещении магнита, возникает индукционный ток. Как определить направление индукционного тока? По правилу правой руки? (А переломов не бойтесь!) Давайте определим это!
Индукционный ток создает собственное магнитное поле. Связь между направлением индукционного тока в контуре и индуцирующим магнитным полем была установлена Ленцем.
Пусть имеется катушка, вокруг катушки существует изменяющееся магнитное поле и оно пронизывает витки другой катушки. А при всяком изменении магнитного поля, пронизывающего контур замкнутого проводника, в нем наводится индукционный ток. А как определить направление индукционного тока? По правилу правой руки?
Обратимся к опыту. Почему кольцо отталкивается от магнита? А с прорезью нет? (U – тока нет.)

Значит в кольце возник ток (инд.), магнитное поле. И можно определить поле. Поменяем полюса магнита. И видим: что взаимодействие между полюсами всегда препятствует движению магнита. Ленцу удалось обобщить эту закономерность: эту связь называют законом Ленца.

Определение: индукционный ток всегда имеет такое направление, при котором его магнитное поле противодействует причине его вызывающей.

Eщё раз повторим правило Ленца.

Вернемся к опыту. Стрелка гальванометра отклоняется тем дальше, чем быстрее вдвигается в соленоид магнит или катушка с током.

Э.д.с. индукции, возникающая в какой-либо цепи, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока – время, за которое происходит изменение магнитного потока. Знак минус показывает, что когда магнитный поток уменьшается ( – отриц.), э.д.с. создает индукционный ток, увеличивающий магнитный поток и наоборот.
Исходя из формулы:

1Bб = 1В 1с

VII. Закрепление материала.

Просмотр видеофильма "Электромагнитная индукция". Решение задач.

VIII. Задание на дом.

§ 23(2-6). № 18.10, № 18.12, № 14. Повторить "Эл.ток в газах"

IX. Итог урока.

Учитель. Спасибо вам за урок!.

Приложение 1.

Физический диктант

1. Напишите формулы для расчетов:

а) силы Лоренца;
б) магнитной проницаемости среды;
в) модуля вектора магнитной индукции;
г) магнитного потока;
д) силы Ампера;

2. Дополните следующие определения:

а) сила Лоренца – это ...
б) сила Ампера – это ...
в) температура Кюри – это ...
г) магнитная проницаемость среды характеризует ...

3. Какая физическая величина измеряется в теслах? Чему равна 1Тл?

4. Какими способами можно получить магнитное поле?

5. Какие величины характеризуют это поле?

6. Какую физическую величину измеряют в веберах? Чему равен 1Вб?

7. Дополните предложения:

а) У диамагнетиков они обладают свойством ...
б) У ферромагнетиков их отличительные свойства ...
в) У парамагнетиков для них характерно ...
г) Сила Ампера применяется ...
д) Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы состоят из .................,  действуют они так:
е) Сила Лоренца используется ...

Приложение 2.

КРОССВОРД “ДОГАДАЙТЕСЬ”

По вертикали в выделенных клетках: катушка проводов с железным сердечником внутри. В каждую клетку включая нумерованную напишите по букве так чтобы по горизонтали получить слова:

1. Ученый, впервые обнаруживший взаимодействие электрического тока и магнитные стрелки.
2. Место магнита, где наблюдаются наиболее сильные магнитные действия.
3. Устройство, работающее на слабых токах, при помощи которого можно управлять электрической цепью с сильными токами.
4. Изобретатель первого в мире телеграфного аппарата, печатающего буквы.
5 и 6. Приборы, совместное пользование которыми позволяет передавать звук на далекие расстояния.
7. Изобретатель электромагнитного телеграфа и азбуки из точек и тире.
8. Ученый, объяснивший намагниченность молекул железа электрическим током.
9. Прибор, служащий для ориентации на местности, основной частью которого является магнитная стрелка.
10. Русский ученый, который изобрел электрический телеграф с магнитными стрелками.
11. Одна из основных частей приборов 5 и 6, названных выше.
12. Приемник тока, служащий для превращения электрической энергии в механическую.
13. Вещество, из которого делают постоянные магниты.

Приложение 3.

РЕБУС

Рис. 8

Рис. 8

Прочитайте слова английского физика, которыми он определил поставленную перед собой задачу. Назовите ученого, год, когда эта задача была решена, и явление которое им было открыто.

КАКОЕ СЛОВО?

Отгадайте слово по буквам, каждую из которых надо определить, решив задачу

Рис. 9

Рис. 9

1. Мысленно поставьте стрелку по направлению тока на участке проводника НМ.
2. Каков номер в алфавите второй буквы слова, покажет после включения тока северный конец магнитной стрелки.
3. Поставьте знак направления тока в кружке изображающем сечение проводника, и из двух подсчетов выберите тот, который содержит этот знак.
4. Мысленно поставьте стрелку, указывающую направление магнитных линий внутри катушки с током.
5. Нужная буква стоит у северного конца магнитной стрелки.
6. Выберите букву, которая стоит у положительного полюса источника тока.

ПРОЧТИ ФРАЗУ

Рис. 10

Рис. 10

15.12.2004