Электромагнитная индукция (11 класс)

Конспект урока в 11 классе по теме

«Электромагнитная индукция».

учитель физики и астрономии

Иголкин Сергей Владимирович

МБОУ «Школа №123»

г.Нижний Новгород, 2021

Цели:

образовательные:

-сформировать представление о явлении электромагнитной индукции;

-сформулировать условие возникновения индукционного тока;

развивающие:

-развивать умения наблюдать, сопоставлять, сравнивать и обобщать результаты экспериментов;

-развивать умение находить решение проблемы;

воспитательные:

-прививать на примере биографии великого ученого общечеловеческие ценности;

-воспитывать познавательную потребность и интерес к предмету;

-расширять кругозор учащихся.

Оборудование: две катушки (от разборного трансформатора) на общем сердечнике, гальванометр, ключ, реостат, источник тока, провода, два полосовых магнита, модель электромагнита;

портрет М. Фарадея;

интерактивное пособие «Наглядная физика», интерактивная доска, мультимедийный проектор.

Урок-лекция с созданием проблемных ситуаций, с использованием демонстрационного эксперимента и наглядности (создание проблемных ситуаций и их поиск обеспечивает обратную связь на уроке, демонстрационный эксперимент и наглядность повышают эффективность лекции).

Ход урока.

I. Организационный момент.

II. Мотивация учебной деятельности.

Китайская пословица гласит:

«Человек может стать умным тремя путями:

путём подражания – это самый лёгкий путь, путём опыта – это самый трудный путь, и путём размышления – это самый благородный путь».

Сегодня на уроке нам предстоит поразмышлять.

Работа миллионов электродвигателей и генераторов электрического тока во всем мире основана на явлении электромагнитной индукции.

Открытие явления электромагнитной индукции относят к наиболее выдающимся открытиям XIX века.

Слава эпохального открытия явления принадлежит английскому физику Майклу Фарадею.

Его называли властителем молний и королем физиков. А он всю жизнь оставался скромным, читал лекции для детей и верил в великие тайны Природы и Бога.

Воспитание на примере жизни и деятельности выдающихся ученых.

Примечание. Привести биографические данные с целью воспитания трудолюбия, настойчивости, честности, бескорыстия (что особенно важно в наши дни, когда часто побеждает меркантильность).

Дэви (знаменитый химик) взял Майкла Фарадея своим секретарем и вскоре предложил Майклу сопровождать его в путешествии по странам Европы. Майкл - лаборант, секретарь, даже слуга. Леди Дэви требовала, чтобы он прогуливал ее мопса, и однажды в Швейцарии отказалась сесть за один стол с Фарадеем. Если бы знала чопорная и капризная шотландка, что потомки будут вспоминать ее только благодаря этому молчаливому юноше, заботившемуся о походной лаборатории ее мужа!

Фарадей сформулировал свое кредо: «Наблюдать, изучать и работать». Кредо, которому он следовал всю свою жизнь.

Своим трудолюбием он приводил в изумление всех, кто его знал. Образ жизни его был в высшей степени скромен, почти суров. Личную независимость он ставил выше всего, а к внешним почестям обнаруживал полное пренебрежение. Вместе с тем Фарадей до конца своей жизни оставался глубоко религиозным. Небо над ним не было всегда безоблачным. Ему не верили, завидовали, обвиняли в том, что он ворует чужие научные идеи. Но Фарадей был честен и чист. Он просто с детства привык все перепроверять на собственном опыте, видел дальше, шел дальше тогда, когда останавливались, оставив надежды на успех, другие.

***Он никогда не щадил себя, занимаясь наукой. Серьезно укоротили его жизнь химические опыты, где широко использовалась ртуть, беспрерывно проливавшаяся на пол, а затем испарявшаяся. Оборудование его лаборатории было абсолютно негодным с точки зрения самой элементарной техники безопасности. Вот письмо самого Фарадея: «В прошлую субботу у меня случился еще один взрыв, который опять поранил мне глаза. Одна из моих трубок разлетелась вдребезги с такой силой, что осколком пробило оконное стекло, точно ружейной пулей. Мне теперь лучше, и я надеюсь, что через несколько дней буду видеть так же хорошо, как и раньше. Но в первое мгновение после взрыва глаза мои были прямо-таки набиты кусочками стекла. Из них вынули тринадцать осколков…»

Заслуживает восхищения история открытия явления электромагнитной индукции.

Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи. Каждому небольшому исследованию он посвящает параграф в лабораторных записях (изданы в Лондоне полностью в 1931 году под названием «Дневник Фарадея»). О работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф «Дневника» помечен номером 16041. Блестящее мастерство Фарадея-экспериментатора, одержимость, четкая философская позиция не могли не быте вознаграждены, но ожидать результата пришлось долгих десять лет (в кармане Фарадей многие годы носил магнит, который напоминал ему, что рано или поздно он должен, как записал в 1822 году в своем дневнике, «превратить магнетизм в электричество»).

III. Целеполагание.

Какую цель мы ставим перед собой на уроке?

Изучить суть явления «превращения магнетизма в электричество».

Почему для его открытия потребовалось десять лет упорного труда и не только Фарадея.

IV. Сообщение темы урока.

V. Актуализация опорных знаний.

Что предшествовало открытию явления электромагнитной индукции?

Поддерживающее повторение - «борьба с забыванием».

Вопрос. В суть открытия Эрстеда?

Ответ. В 1820 году Ганс Христиан Эрстед обнаружил, что провод, по которому идёт ток, действует на магнитную стрелку.

Из опыта Г. Эрстеда следует, что вокруг этого проводника существует магнитное поле.

Вопрос. Как открытие Эрстеда служит людям? Продемонстрируйте.

Ответ. В 1825 году английский инженер Уильям Стёрджен изготовил первый электромагнит. Электромагниты нашли широкое применение их в технике.

(На демонстрационном столе среди оборудования находится модель электромагнита. Учащийся выбирает модель и демонстрирует его работу).

Помимо промышленного использования, магниты стали широко применяться в медицине: еще в конце XIX — начале XX века электромагнит служил самым лучшим способом для извлечения инородных тел из полости глаза.

VI. Изучение нового материала.

Электрический ток, рассуждал М. Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока? Долгое время эту связь обнаружить не удавалось. Обратимся к эксперименту.

Опыты Фарадея можно воспроизвести следующим образом: замкнем катушку на гальванометр - высокочувствительный прибор для измерения малых постоянных и переменных электрических токов.

Опыт 1. Внести магнит в катушку северным полюсом.

Вопрос. Что наблюдали?

Ответ. При внесении магнита в катушку, замкнутой на гальванометр, наблюдается отклонение стрелки прибора.

Вопрос. Какой вывод можем сделать?

Ответ. В катушке возникает электрический ток.

Опыт 2. Оставить магнит в катушке.

Вопрос. Что наблюдали?

Ответ. Если магнит неподвижен относительно катушки, стрелка гальванометра не отклоняется. Следовательно, электрический ток не возникает.

Опыт 3. Вынести магнит из катушки северным полюсом.

Вопрос. Что наблюдали?

Ответ. При вынесении магнита из катушки опять наблюдаем отклонение стрелки гальванометра и делаем вывод, что в катушке возник электрический ток.

Учитель. Таким образом, «магнетизм породил электричество». В этом случае ток называют индукционным (от лат. inductio — наведение).

Повторим серию опытов.

Опыт 4. Внести магнит в катушку южным полюсом.

Опыт 5. Оставить магнит в катушке.

Опыт 6. Вынести магнит из катушки южным полюсом.

Вопрос. Что наблюдали?

Ответ. При внесении или вынесении магнита в катушку южным полюсом, замкнутую на гальванометр, наблюдается отклонение стрелки, значит, в катушке возникает электрический ток. Если магнит неподвижен относительно катушки, стрелка не отклоняется электрический ток не возникает.

Учитель. Казалось бы, все просто. Но почему потребовалось десять лет? Какого рода случайности могли помешать открытию, показывает следующий факт. Почти одновременно с Фарадеем получить электрический ток в катушке с помощью магнита пытался швейцарский физик Колладон. В ходе работы он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, куда Колладон вводил магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату и там присоединены к гальванометру. Вставив магнит в катушку, Колладон шел в соседнюю комнату и с огорчением убеждался, что гальванометр не показывает тока. Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром, а кого-нибудь попросить заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит не вызывает в ней тока.

Можно в наблюдаемых нами опытах двигать катушку относительно недвижного магнита.

Опыт 7. Движение катушки относительно магнита.

Вопрос. Что наблюдали?

Ответ. При движении катушки относительно магнита наблюдаем отклонение стрелки гальванометра и делаем вывод, что в катушке возник электрический ток.

Учитель. Давайте подумаем, что происходит при движении магнита относительно катушки или катушки относительно магнита.

Вокруг магнита существует магнитное поле.

Поддерживающее повторение - «борьба с забыванием».

Вопрос. Как можно графически представить магнитное поле?

Ответ. С помощью силовых линий. Это линии, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с вектором магнитной индукции.

Вопрос. Что характеризует величина - магнитная индукция?

Ответ. Магнитная индукция - характеристика магнитного поля (характеризует силовое действие магнитного поля).

Вопрос. Что собой представляют силовые линии магнитного поля полосового магнита?

Ответ. Силовые линии магнитного поля магнита - замкнутые линии. Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный, замыкаясь внутри магнита.

Вопрос. Как с помощью силовых линий можно судить о величине магнитного поля?

Ответ. По густоте силовых линий можно судить о величине магнитного поля: магнитное поле сильнее, силовые линии гуще.

Учитель. Для дальнейшего объяснения нужно ввести величину - магнитный поток, который характеризует магнитное поле, пронизывающее определенную поверхность.

Слайд.

Магнитный поток Ф через плоскую поверхность - скалярная физическая величина, численно равная произведению модуля магнитной индукции B на площадь поверхности S и на косинус угла между нормалью к поверхности и магнитной индукцией:

Ф = BS cos α.

В СИ единицей магнитного потока является вебер (Вб).

Вопрос. Исходя из определения магнитного потока, подумайте, каким образом может изменяться магнитный поток?

Ответ. Путем изменения площади контура S, путем изменения величины магнитного поля В, путем изменения угла α.

Слайд.

При приближении магнита к катушке (замкнутому контуру) (или катушки к магниту) увеличивается магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром. При удалении магнита от замкнутого контура (или катушки от магнита) уменьшается магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром.

Слайд.

Итак, делаем вывод: индукционный ток возникает в замкнутом контуре, если магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром, изменяется.

Мозговой штурм.

Вопрос.

Приведенные опыты демонстрируют явление электромагнитной индукции. А можно с помощью других установок продемонстрировать возникновение индукционного тока?

Ответ. Можно постоянный магнит заменить электромагнитом.

Учитель. Выберите необходимое оборудование, соберите установку и продемонстрируйте возникновение индукционного тока.

Ответ. Нужно взять вторую катушку и замкнуть ее на источник тока. Эта катушка играет роль электромагнита. Ее приближать и удалять от катушки, замкнутой на гальванометр. Или можно двигать первую катушку относительно второй.

Опыт 8. Движение второй катушки относительно первой.

Опыт 9. Движение первой катушки относительно второй.

Ответ. Убедились, что в момент движения катушек относительно друг друга возникает индукционный ток.

Мозговой штурм.

Вопрос. В опытах 8, 9 постоянный магнит заменили электромагнитом. Что еще можно изменить в данной установке, чтобы получить изменение магнитного потока через катушку, замкнутую на гальванометр?

Учитель. Если по катушке идет постоянный ток, то магнитное поле, созданное этой катушкой с током, также является постоянным. А если ток будет переменным, то и магнитное поле будет переменным. Но как с помощью источника постоянного тока создать переменное магнитное поле?

Вопрос. Что происходит в момент замыкания цепи?

Ответ. Ток в цепи второй катушки нарастает. Следовательно, усиливается магнитное поле, созданное этим током. Мы получим изменение магнитного потока через первую катушку и в ней возникнет индукционный ток.

Учитель. Остается проверить на опыте.

Опыт 10. Замыкание ключа в цепи второй катушки.

Опыт 11. Размыкание ключа в цепи второй катушки.

Ответ. Убедились, что в момент замыкания и размыкания ключа в цепи второй катушки в первой катушке возникает индукционный ток: при замыкании ключа ток нарастает и магнитное поле и, следовательно, магнитный поток через первую катушку нарастает. При размыкании ключа ток убывает, уменьшается магнитный поток через первую катушку и в ней возникает индукционный ток.

Мозговой штурм.

Вопрос. Можно ли изменять ток в цепи?

Ответ. Чтобы изменять ток, в цепь нужно подключить реостат. Реостат служит для изменения силы тока в цепи.

Опыт. Изменение силы тока в цепи второй катушки с помощью реостата.

Ответ. Убедились, что в момент перемещения бегунка реостата с целью изменения силы тока в цепи второй катушки в первой катушке возникает индукционный ток. Если по катушке идет постоянный ток, то индукционный ток не возникает.

Учитель. Сначала Фарадеем была открыта электромагнитная индукция в неподвижных относительно друг друга проводниках при замыкании и размыкании цепи. Затем, Фарадей с помощью опытов доказал: ток возникает при перемещении катушек относительно друг друга.

Таким образом, мы получали индукционный ток разными способами. Давайте напомним их.

Ответ. Перемещение магнита и катушки относительно друг друга.

Ответ. Перемещение одной катушки относительно другой.

Ответ. Изменение силы тока в одной из катушек.

Ответ. Замыкание и размыкание цепи.

Учитель. Делаем вывод: неважно, каким образом изменяется число линий магнитной индукции, чтобы в замкнутом контуре возник ток: меняется ли само поле, пронизывающее неподвижный контур, или же контур перемещается из области с одной густотой линий в область с другой густотой.

В этом суть явления электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция — это явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур.

Вы обратили внимание, что если быстро двигать магнит относительно катушки, быстро перемещать бегунок реостата, резко замыкать и размыкать ключ, то есть, если быстро изменяется магнитный поток, то индукционный ток будет сильнее, о чем свидетельствует отброс стрелки гальванометра. При нарастании магнитного потока через замкнутый контур индукционный ток имеет одно направление, а при убывании магнитного потока изменяет направление.

Установка на будущее.

На следующих уроках выясним, от чего зависит величина и направление индукционного тока.

VII. Закрепление изученного материала.

Учитель. Что узнали на уроке и что знать о явлении электромагнитной индукции.

Продолжите.

1. До Фарадея…

…электричество порождает магнетизм.

2. Фарадей…

…магнетизм превратил в электричество.

3. Индукционный ток возникает, если…

(демонстрация слайдов из интерактивного пособия).

4. Магнитный поток через замкнутый контур … (изменяется), в замкнутом контуре возникает … (индукционный ток). Причина изменения магнитного потока значения... (не имеет).

И в заключение, приведу слова немецкого физика Гельмгольца, который, оценивая роль Фарадея в истории человеческого общества, сказал: «До тех пор, пока люди пользуются благами электричества, они всегда будут с благодарностью вспоминать имя Фарадея»

VIII. Подведение итогов урока.

Выставление оценок.

IX. Домашнее задание.

§7 (учить).

Подготовьте сообщения о фактах из жизни Майкла Фарадея.

X. Рефлексия.

«Все было понятно».

«Остались вопросы».

«Заинтересовало трудолюбие Фарадея».