Введение в теорию электромагнитной индукции

Разделы: Физика

Цель: дать понятие о явлении электромагнитной индукции, его закономерностях и причинах, вызывающих данное явление.

Задачи:

  • расширить знания учащихся о магнитных и электрических полях, ознакомив их с новым вихревым электрическим полем и фундаментальным свойством этих полей – взаимной пораждаемостью вихревого магнитного и вихревого электрического поля;
  • развивать научный взгляд на природу физических явлений, убеждая учащихся в объективности законов реального мира и их познаваемости;
  • развивать физическую логику, выяснять причинно-следственные связи при решении расчетных и логических задач;
  • обеспечить наглядность физического эксперимента, учить наблюдательности.

Для реализации этих задач я тщательно поэлементно продумываю все части урока, так как планирование каждого занятия – это сложный в творческом отношении этап в работе каждого учителя, требующий от него профессиональных знаний, мастерства и учительской интуиции одновременно.

Вовлечь всех ребят в работу по узнаванию нового, поддерживать их активность в течение всего урока позволяет метод создания проблемных ситуаций и творческий поиск ответов на поставленные задачи. При этом на каждом уроке должна создаваться атмосфера теплоты и доброжелательности между учителем и ребятами. Ведь надо вместе решать проблемы! Состояние эмоционального настроения, увлеченность, взволнованность учителя и учащихся должны насыщать весь процесс познания.

Высокий темп урока мне удается обеспечивать комментированным управлением творческого процесса. Комментированное управление – это выработка навыка: наблюдаю – мыслю – рассуждаю – делаю выводы.

Комментированное управление состоит:

  • из коллективного исполнения, когда под руководством учителя сами учащиеся мобилизуют свои силы, выясняют причинно-следственные связи явления, делают выводы и строят опорные логические цепочки;
  • из обратной связи – коллективного воспроизведения: применения логических цепочек при поиске ответов на поставленные задачи, при закреплении нового материала.

Логические цепочки позволяют учить детей мыслить вслух, опираясь на опорно-логические схемы. Это способствует повышению уровня речевой культуры и сильных, и слабых учащихся, помогают свободно и логично излагать физический материал (тренировка монологической речи).

Приведу примеры составления и использования опорно-логических цепочек при введении понятия электромагнитной индукции и изучении закономерностей этого явления в 11-м классе.

Первое, что необходимо сделать учителю – вызвать живой интерес к изучению нового материала. Использую для этого катушку Томсона с принадлежностями: проводящий контур из нескольких витков медной проволоки, замкнутый на электрическую лампочку (3,5В – 4,5В), закрепленный на деревянной панельке, и набор толстых сплошных колец из меди и алюминия, свободно надеваемых на железный сердечник катушки.

Наблюдение 1. Прошу учеников внимательно наблюдать опыт и по-возможности его объяснить. Свои действия за демонстрационным столом я подробно комментирую: подключаю катушку Томсона к источнику переменного напряжения (220В), подношу проводящий контур с маленькой электрической лампочкой к сердечнику катушки Томсона и осторожно надеваю его на сердечник. Лампочка загорается, то ярче, то слабее, когда контур перемещается вдоль сердечника. Это наблюдение вызывает удивление всех учащихся. Возникает проблема: “Почему загорается лампочка, надетая на сердечник?”. Что является причиной возникновения электрического тока в замкнутом контуре? Чтобы закрепить интерес к новой теме, я провожу 2-е наблюдение: надеваю несколько колец на сердечник. Они под тяжестью падают вниз. Подключаю катушку Томсона к напряжению (~220В). Учащиеся восторженно удивлены: кольца взлетают вверх вдоль сердечника и “парят” в воздухе. Я несколько затягиваю опыт с парением колец. При отключении тока кольца падают вниз. Далее ученик, пожелающий мне помочь освободить сердечник от колец, неожиданно бросает их и говорит, что они сильно нагреты и обжигают руки. Это еще больше удивляет их. Я кратко комментирую опыт. Все, что сейчас наблюдали ученики (свечение лампочки проводящего контура и нагревание сплошных колец) – это проявление явления электромагнитной индукции в разных вариантах, которые широко используются в технике, в частности, для плавки металлов в вакууме и производства электроэнергии. А ведь электроэнергетика – это основа промышленного производства и экономики любой страны. Оно проникло во все стороны человеческой деятельности, и, сегодня делает нашу жизнь такой комфортной.

Итак, задача нашего урока следующая: выяснить причину возникновения электромагнитной индукции и ее закономерности. Возвращаемся к опыту №1 и попытаемся его объяснить: Почему загорается лампочка? Почему нагреваются кольца? Слушаю разные мнения учащихся. Но для того, чтобы был сформулирован верный ответ, надо с большой тщательностью повторить отдельные вопросы электродинамики 10 класса, учитывая то обстоятельство, что юноши и девушки легко забывают прошлогодний материал. Для быстрого и осмысленного повторения я применяю транспаранты к графопроектору (или в бумажном исполнении на доске). Подключаю весь класс к репродуктивному мышлению, ставя и решая одну задачу за другой, не снижая темпа.

С помощью транспаранта №1 учащиеся в процессе беседы воспроизводят в памяти необходимые знания: условия возникновения тока в замкнутой цепи.

1. Ток в замкнутой электрической цепи возникает тогда, когда в цепи действуют сторонние силы. Они работают в источнике, разделяют заряды и накапливают их на полюсах, обеспечивая постоянную разность потенциалов на полюсах источника тока. А значит во внешней цепи, подключенной к зажимам источника тока, создается электрическое поле, которое перемещает заряд q от к

2. Мерой работы сторонних сил в источнике тока является Э.Д.С. источник тока.

3. Величина тока I в замкнутой цепи определяется по закону Ома:

4. Если же внешнюю цепь разомкнуть, то на концах разомкнутой цепи будет разность потенциалов, численно равная ЭДС источника.

Повторив эти положения, возвращаемся к опыту №1, ученики из активной беседы формулируют (путем отбора предложений) вывод:

Чтобы в замкнутой цепи возник ток, в ней должны действовать сторонние силы (правило №1).

Вопрос: Какова природа сторонних сил в этом опыте? Что работает внутри контура и зажигает лампочку? Какие сторонние силы могут привести свободные заряженные частицы в проводнике в направленное движение?

Идет отбор предложений. Кто-то из учащихся предлагает, что сторонними силами может быть магнитное поле сердечника. “Оно приводит в движение свободные заряженные частицы в контуре”. Но другие учащиеся высказываются отрицательно, так как знают из предыдущей темы правило: магнитное поле действует только на движущиеся заряды, поэтому магнитное поле сердечника не может их привести в движение. И только сейчас ученики понимают, что неподвижные заряженные частицы в проводящем контуре может привести в движение только электрическое поле. Да! Оно действует в плоскости контура! Оно направленно горизонтально, перпендикулярно магнитным силовым линиям сердечника! Но откуда оно взялось? Новая проблема!

Чтобы ученики дали правильный ответ, я предлагаю наблюдать следующий опыт: подключаю ту же катушку Томсона к источнику постоянного тока. Вношу в магнитное поле сердечника проводящий контур. Лампочка не зажигается, тока в контуре нет! А в опыте №1 ток в проводящем контуре есть! Почему? Новая проблема.

Прошу учащихся сравнить магнитные поля в пространстве вокруг сердечника и сформулировать ответ на вопрос. Он однозначен: только переменное магнитное поле могло создать вокруг себя переменное электрическое поле, которое действует в плоскости контура, перпендикулярно линиям индукции магнитного поля катушки и сердечника, и создает электрический ток в контуре. В этом учащиеся убеждаются на опыте при изменении плоскости ориентации контура относительно магнитопровода катушки с переменным током.

Продолжаем рассуждать используя транспарант №2. Это новый вид электрического поля: оно вихревое, его силовые линии в отличие от электрического поля замкнуты. Оно не связано с зарядами. Оно порождается переменным магнитным вихревым полем и его всегда можно обнаружить в пространстве вокруг переменного магнитного поля с помощью замкнутого проводящего контура. В этом еще раз убеждаются учащиеся, наблюдая за другим традиционным опытом с дроссельной катушкой, замкнутой на гальванометр, и постоянным магнитом.

На вопрос: “Что работает в проводящем контуре?” или “Что является причиной возникновения электрического тока в проводящем контуре, помещенном в переменное магнитное поле?”, учащиеся сознательно отвечают: “Работают сторонние силы в виде вихревого поля. Эта работа измеряется ЭДС, действующей вдоль контура и создающей в контуре электрический ток, величина которого прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна сопротивлению контура по закону Ома:

Установив причину возникновения тока в контуре, вместе с классом строим рисунок и составляем логическую цепочку процесса возникновения электромагнитной индукции. Процесс построения комментируется учителем и вырастает на “глазах” ребят.

R – это сопротивление проводящего контура [Ом].

S – площадь, ограниченная проводящим контуром [м2].

N – число витков в проводящем контуре.

~Фвнеш.S – переменный внешний магнитный поток, пронизывающий контур площадью S.

Эта цепочка раскрывает причинно-следственные связи явления. Пользуясь ею, учащиеся сознательно объясняют явление электромагнитной индукции. Цепочку можно читать слева направо, справа налево, или с середины, как захотят ребята.

Составляем правило вслух, сопровождая слова движением указки. Пробуем читать логическую цепочку слева направо.

  1. Явление, при котором переменный внешний магнитный поток, пронизывающий проводящий контур, наводит в нем ЭДС индукции, которая в замкнутом контуре создает индукционный ток, а в разомкнутом контуре индукционную разность потенциалов, численно равную ЭДС индукции.
  2. Справа налево читается так: Явление возникновения индукционного тока в замкнутом контуре под действием , возникающей в контуре при изменении внешнего магнитного потока, пронизывающего данный контур.
  3. Явлением электромагнитной индукции (Э.М.И.) называется явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре под действием переменного внешнего магнитного потока, пронизывающего данный контур, в результате чего в замкнутом контуре возникает индукционный ток , а в разомкнутом контуре – индукционная разность потенциалов, численно равная ЭДС индукции

Далее, эту цепочку дополняем знаниями, добытыми из серии опытов с дроссельной катушкой, замкнутой на гальванометр, с разным числом витков, с разной скоростью движения магнита, объясняющей от чего зависит величина ЭДС индукции. Формулируем закон Фарадея, введя понятие скорости изменения магнитного потока. Дописываем цепочку. В конечном виде она выглядит так, как изображено на транспаранте №3.

Теперь следующая задача. Используя логическую цепочку, научить учащихся анализу и алгоритму решения задач по данной теме. Не мешает повторение сведений по магнитному потоку, используя готовый транспарант №4.

Пример решения расчетно-логической задачи с постановкой вопросов, следующих друг за другом.

В проводящем контуре сопротивлением R=5.Ом изменяется магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, так, как показано на графике зависимости Ф от t. Ответить на вопросы:

  1. В какие промежутки времени в проводящем контуре возникает ЭДС индукции? Объяснить.
  2. В какие промежутки времени ЭДС индукции будет максимальной? Объяснить и рассчитать.
  3. Построить график зависимости ЭДС индукции от времени в соответствии с графиком зависимости Ф от t. Что означает знак (-) (Ответ: направление индукционного тока).
  4. В какие моменты времени в пространстве, окружающим проводящий контур, возникнет вихревое поле?
  5. В какие моменты времени в проводящем контуре возникает индукционный ток? Как его можно рассчитать (Ответ: по закону Ома).
  6. Как бы вы рассчитали напряженность вихревого электрического поля в проводнике. (Ответ: Е=

В расчетных задачах я требую, чтобы учащиеся выполняли анализ условия по алгоритму в такой последовательности:

Анализ:

    1. Явление электромагнитной индукции: ~
    2. По закону Фарадея:
    4. или
    6. q – заряд, протекающий в контуре за время t:
    7. Eвихр.эл.п.

В виде расчетной задачи можно предложить следующую:

Плоская рамка площадью 0,1м2, ограниченная проводящим контуром с сопротивлением 5.Ом, находится в магнитном поле, индукция которого за время t изменяется от 2Тл до -2Тл. Какой заряд протечет по контуру за время t, если вектор индукции перпендикулярен плоскости рамки.

Методом указанного анализа учащиеся легко получают расчетную формулу для заряда:

Вызывают затруднение у ребят логические задачи.

Пример 1. На транспаранте изображено неоднородное магнитное поле с силовыми линиями, идущими из плоскости листа. Две одинаковые проволочные рамки движутся с одинаковыми скоростями в разных направлениях. В каком случае возникнет ток в рамке? Можно дать ответ на выбор:

  • только в I рамке
  • только во II рамке
  • в обоих рамках
  • ни в одной рамке

Многие учащиеся выбирают ошибочный ответ 3), упуская из логической цепочки главное: изменение магнитного потока ?Фs с течением времени, а это происходит только в I рамке. Верный ответ 1).

Допускают ошибки в логических задачах в тех случаях, когда необходимо представить изменение магнитного потока при поворотах рамки в однородном магнитном поле.

Пример 2. Одна и та же рамка вращается в одном и том же однородном магнитном поле вокруг вертикальной оси (I случай), в другом случае вокруг горизонтальной оси (II случай), с одинаковой частотой. В какой из них возникнет индукционный ток? Одинакова ли будет в рамках?

Ученики делают ошибки, так как не могут оценить изменение магнитного потока при повороте рамки. Надо им помочь представить, как изменяется число силовых линий (условно), проходящих через площадь рамки (к примеру: 100 силовых линий через площадь рамки – это соответствует Фs max, то при повороте рамки их число уменьшается, следовательно и Фs тоже уменьшается, и т.д. ). Ответ: только в I рамке.

Пример 3. В однородном магнитном поле вокруг оси ОО1 с одинаковой частотой вращаются две рамки. Возникнет ли в обоих рамках? В какой из них возникнет большая ЭДС?

Учащиеся, отвечая на вопрос, используя логическую цепочку, сравнивая изменение магнитного потока при повороте на одинаковые углы, должны использовать формулу и и , так как , S1=S2, и углы при повороте изменяются одинаково.

Подводя итоги, анализируя ошибки, еще раз напоминаем ученикам, что главное в явлении электромагнитной индукции является левая часть логической цепочки, проявляющаяся в законе Фарадея в виде выражения: . А знак минус в формуле Фарадея, определяет направление индукционного тока. Знать это правило необходимо потому, что знак (-) – это проявление закона природы и его надо не только видеть, читать, но и понимать, так как без знания правила Ленца человек не смог бы создать индукционные генераторы электрической энергии – основу энергетики, ни трансформаторов, ни электродвигателей.

Понять правило Ленца и научиться применять его на практике – задача следующих уроков.

Приложение 1