Методична розробка уроку фізики на тему: «Трансформатор. Виробництво, передавання та використання енергії змінного струму».

Управління освіти і науки

Чернігівської обласної державної  адміністрації

Чернігівський професійний будівельний ліцей

 Методична розробка уроку фізики на тему:

«Трансформатор. Виробництво, передавання та використання енергії змінного струму».

Тема уроку.  Трансформатор. Виробництво, передавання та використання енергії змінного струму.

Мета уроку:

•      навчальна: розширити знання учнів отримані на  уроках спецтехнології про призначення, будову і принцип дії трансформатора; сформувати знання в учнів про  способи передачі електричної енергії на великі відстані;  удосконалити навички розв’язування якісних та розрахункових задач.
•      розвиваюча: продовжити формування компетентності у природничих науках через ознайомлення з практичним використанням трансформатора, розвивати в учнів дослідницькі навички, вміння аналізувати вивчений матеріал з теми та застосовувати набуті знання на практиці.
•      виховна:  виховувати зібраність, відповідальність,  наполегливість, уміння відстоювати свою думку,  зосередженість та охайність під час виконання завдань, самостійність, любов до обраної професії.

Методична мета уроку:  підвищення ефективності уроку шляхом використання сучасних освітніх технологій.

Тип уроку: комбінований урок

Обладнання: екран, ноутбук, мультимедійний проектор, мультимедійна презентація, набір універсального трансформатора,  з’єднувальні провідники, амперметри, вольтметри, лампочка, опорний конспект.

План уроку

І. Організаційний момент.

• Створення психологічного клімату. Пам'ятка «Шести-Я»

ІІ. Актуалізація опорних знань :

• Вправа «Встанови відповідність»

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності.

ІV. Вивчення нового матеріалу

• Будова трансформатора
• Принцип роботи трансформатора
• Режими роботи трансформатора
• ККД трансформатора
• Історія винайдення трансформатора
• Застосування трансформаторів.
• Виробництво, передавання та використання енергії електричного струму.

V. Закріплення вивченого матеріалу

• Розв’язування задач
• Вправа «Знайди помилку»

VІ. Підведення підсумків уроку

• Рефлексія. Вправа «Валіза, м'ясорубка, кошик»

VІІ. Домашнє завдання.

Хід уроку

І. Організаційний момент.

Друзі, сьогодні в нас незвичний урок, бо ми маємо продемонструвати що знаємо і вміємо. Цілком природно, якщо ви відчуваєте хвилювання. Нехай побороти його допоможе «Пам'ятка 6-я»:

Я - учень

Я – особистість творча

Я – впевнений у своїх силах

Я – активно працюватиму на уроці

Я – маю гарний настрій

Я – бажаю своїм одногрупникам успіху.

ІІ. Актуалізація опорних знань.

• Вправа «Встанови відповідність»

Відповіді учнів: 1- Е, 2- В, 3-А, 4-Є, 5-Г, 6-Б, 7-Д, 8-Ж.

 ІІІ. Мотивація навчальної діяльності.

        Ми вже не уявляємо своє життя без мобільного телефону. Це і засіб зв’язку, і фотоапарат, і ігровий пристрій. Звичайно, коли розряджається мобільний телефон,  ми без вагань вмикаємо  зарядний пристрій в мережу і приєднуємо його до телефону. Чи дивились що написано на зарядному пристрої? Чому він не згорає? Адже на виході ми отримуємо тільки 4 В. Який пристрій буде зменшувати напругу. З цим питанням нам і доведеться сьогодні розібратись на уроці.

Оголошення теми і мети уроку.

ІV. Вивчення нового матеріалу

• Будова трансформатора

       Змінити постійну напругу дуже складно, а між тим змінну напругу можна перетворювати – підвищувати і знижувати – досить просто і майже без втрат енергії. Це є однією з основних причин того, що в техніці переважно користуються змінним, а не постійним струмом. Прилади, за допомогою яких здійснюють перетворення напруги змінного струму, носять назву трансформаторів.

             Трансформатор – електромагнітний пристрій, що перетворює змінний струм однієї напруги на змінний струм іншої напруги за незмінної частоти.

У найпростішому випадку трансформатор складається з двох котушок (обмоток) , надітих на замкнуте осердя (магнітопровід). Одна з обмоток - первинна - з'єднана з джерелом змінної напруги. Друга обмотка - вторинна - до якої приєднують навантаження, тобто прилади й пристрої, які споживають електроенергію. Осердя набирається з тонких ізольованих листів трансформаторної сталі Це потрібно для зменшення втрат у сталі на перемагнічування та нагрівання вихровими струмами.

• Принцип дії трансформатора

     Принцип дії трансформатора засновано на явищі електромагнітної індукції. 

При підключенні трансформатора до електричної мережі в витках його первинної обмотки протікає змінний струм, утворюючи змінне магнітне поле. Силові лінії змінного магнітного поля пронизують витки  вторинної обмотки і за рахунок явища електромагнітної індукції у вторинній обмотці виникає змінний струм тієї ж самої частоти, що і проходить через первинну обмотку. Для того щоб силові лінії магнітного поля не розсіювались у просторі у трансформатора є замкнутий сердечник.

 (Звертають увагу учнів, що лампочка яскраво світить тоді, коли котушка опущена вниз. Це говорить про те, що більша кількість силових ліній магнітного поля буде перетинати котушку, до якої приєднана лампочка. Проводячи цей дослід слід звернути учнів, що котушки ізольовані одна від одної і зв’язані тільки змінним магнітним полем).

Відношення діючих значень ЕРС, індукованих у первинній і вторинній обмотках трансформатора, дорівнює відношенню кількості витків в обмотках:

– коефіцієнт трансформації.

Знижувальний трансформатор – це трансформатор в якого коефіцієнт трансформації більший за одиницю . У знижувальних трансформаторах вторинна обмотка містить менше витків дроту, ніж первинна.

Підвищувальний трансформатор – це трансформатор в якого коефіцієнт трансформації менший за одиницю . У підвищувальних трансформаторах вторинна обмотка містить більше витків дроту, ніж первинна.

• Режими роботи трансформатора

Холостий хід трансформатора – це робота ненавантаженого трансформатора.

У режимі холостого ходу виконується рівність:

Якщо кількість витків у первинній обмотці більша, ніж у вторинній , то трансформатор понижує напругу .

Якщо кількість витків у первинній обмотці менша, ніж у вторинній , то трансформатор підвищує напругу .

Робота трансформатора під навантаженням - вторинну обмотку трансформатора замкнути на навантаження.

Під час роботи навантаженого трансформатора для діючих значень напруги і сили струму справджується приблизна рівність:

Це означає, що в підвищувальному трансформаторі сила струму більша в первинній обмотці , а в понижувальному трансформаторі сила струму більша у вторинній обмотці .

Якщо трансформатор ідеальний (втрати енергії дорівнюють нулю), то у скільки разів він збільшує напругу, у стільки ж разів він зменшує силу струму, і навпаки.

• ККД трансформатора.

Треба сказати, трансформатор належить до числа найдосконаліших перетворювачів енергії. ККД сучасних трансформаторів досягає 98-99% для потужних і близько 95% для менших "перетворювачів".

У трансформаторі, як і в будь-якому іншому технічному пристрої, існують певні втрати енергії.

Коефіцієнт корисної дії трансформатора – це відношення потужності , яку трансформатор віддає споживачеві електричної енергії, до потужності , яку трансформатор споживає з електричної мережі.

•           Історія винайдення трансформатора (представлена учнями з використанням скрайбінгу)
• Застосування трансформаторів

Трансформатори застосовують у випрямних пристроях, для живлення радіоапаратури, приєднання електровимірювальних приладів до кіл високої напруги, електрозварювання тощо.( демонстрація моделі індукційної печі, зварювального трансформатора.)

Виступ викладача спец технології.

• Виробництво, передавання та використання енергії електричного струму.

 Викладач: Де виробляється електроенергія? (на електростанціях)

Викладач: Назвіть споживачів електроенергії (споживачами електроенергії є підприємства, організації, великі та малі будинки).

Викладач: Під час передавання енергії від джерела до споживача на великі відстані неминучі її втрати, зокрема на нагрівання.

Згідно із законом Джоуля – Ленца кількість теплоти, що виділяється в провідниках, дорівнює:  (аналіз формули).  

Викладач: Як передати енергію з найменшими втратами? (зменшити втрати енергії на нагрівання можна або зменшити опір проводів або зменшити силу струму).

Викладач:  Розглянемо, як ці можливості реалізують на практиці. Від чого залежить опір проводу? (Активний опір проводу визначається матеріалом, з якого він виготовлений, його довжиною та площею поперечного перерізу: ).

Викладач: Для зменшення опору проводу слід зменшити питомий опір матеріалу, або збільшити площу поперечного перерізу проводу.

Збільшення площі поперечного перерізу призводить до значного збільшення маси проводів. Можна зменшити питомий опір, замінивши сталевий провід алюмінієвим, що й роблять у разі передавання електроенергії на великі відстані. Але це не розв’язує проблеми повністю: по-перше, порівняно зі сталлю алюміній досить дорого коштує; по-друге, передавання значної потужності за відносно невеликої напруги потребує досить великої сили струму.

Але якщо ту саму потужність передавати за великої напруги (відповідно за малої сили струму), то втрати енергії значно зменшуються. Наприклад, збільшення напруги в 10 разів приведе до зменшення в 10 разів і сили струму, отже, кількість теплоти, що виділиться в проводах під час передавання, зменшиться в 100 разів.

Саме тому перед тим, як передати енергію на великі відстані, потрібно підвищити напругу. І навпаки: після того як енергія дійшла до споживача, напругу потрібно знизити. Така зміна напруги здійснюється за допомогою трансформаторів.

Підвищувальні трансформатори розташовують поблизу генераторів змінного струму, встановлених на електростанціях. Це дозволяє передавати електроенергію на великі відстані за високих напруг (понад 500 кВ), завдяки чому втрати енергії в проводах значно зменшуються.

   У місцях споживання електроенергії встановлюють знижувальні трансформатори, в яких висока напруга, що подається від високовольтних ліній електропередачі, знижується до порівняно невеликих значень, за яких працюють споживачі електричної енергії.

V. Закріплення вивченого матеріалу.

• Розв’язування задач

1. Трансформатор підвищує напругу від 220 до 660 В і містить у первинній обмотці 840 витків. Визначити коефіцієнт трансформації. Скільки витків міститься у вторинній обмотці?

2. Первинна обмотка підвищувального трансформатора ввімкнена в мережу змінного струму з напругою 120 В. Напруга на вторинній обмотці 2400 В, а сила струму в ній 2 А. Визначте силу струму в первинному колі, а також вхідну й вихідну потужності, вважаючи, що втрат енергії в трансформаторі немає.

• 
  Вправа «Знайди помилку»

Учням пропонуються наступні фрази:

1 – осердя, виготовлено з листів електротехнічної сталі . (правильно)

2 – вторинна обмотка (неправильно)

3 – первинна обмотка(неправильно)

трансформатор підвищувальний (неправильно)

K > 1 (правильно)

На малюнку показано режим холостого ходу трансформатора. (неправильно)

Принцип роботи трансформатора базується на явищі електромагнітної індукції. (правильно)

VІ. Підсумок уроку.

• Рефлексія

Тепер учні зможуть дати відповідь на запитання, яке було поставлене на початку уроку

• Вправа «Валіза, м'ясорубка, кошик»

На дошці вивішуються малюнки валізи, м'ясорубки, корзини.

Валіза – всю інформацію, отриману на уроці, збережу.

М'ясорубка – інформацію перероблю, зайве викину.

Кошик – всю інформацію  викину.

Учням пропонується вибрати, що вони зроблять з інформацією, отриману на уроці.

VІІ. Домашнє завдання.

Опрацювати § 21, Вправа № 21 (2, 3)