Урок 27. "Досліди Фарадея. Закон електромагнітної індукції" з фізики для 11 класу

11клас

Урок 27.

Досліди Фарадея. Закон електромагнітної індукції

Мета уроку:

навчальна: 

• формувати уявлення про взаємозв’язок між електричним і магнітним полями;
• ознайомити учнів із поняттями електромагнітної індукції, магнітного потоку, індукційного струму, закону електромагнітної індукції та правилом Ленца;
• продовжити формувати вміння аналізувати досліди;
• формувати знання про явище електромагнітної індукції та його практичне значення, закон електромагнітної індукції;
• сформувати розуміння учнями фізичного змісту закону Фарадея;
• формувати вміння учнів визначати напрям індукційного струму, умови його виникнення;
• формувати науковий світогляд й діалектичне мислення;
• продовжити формування інтересу до історії розвитку науки фізики.

розвивальна:

• розвивати спостережливість, кмітливість, міркування, вміння узагальнювати і систематизувати знання;
• з метою розвитку мислення розвивати вміння: пояснювати подібні матеріали; виявляти аналогії;
• розкривати загальне і конкретне; встановлювати закономірності;
•  встановлювати головне, суттєве у матеріалі, що вивчається.

виховна: 

• на прикладі біографічних фактів з життя М. Фарадея, показати цілеспрямованість і працьовитість вченого;
• виховувати уважність, зібраність, спостережливість, інтерес до предмету, самооцінку, бажання отримувати знання.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Наочність і обладнання: навчальна презентація, комп’ютер, підручник, прилади і матеріали для демонстрації явища виникнення індукційного струму,

гальванометр демонстраційний або міліамперметр, постійні магніти, пристрій для демонстрації правила Ленца, з’єднувальні провідники, джерело живлення, реостат, котушки. 

Очікувані результати:

• учні повинні розуміти суть явища електромагнітної індукції;
• давати означення індукційного струму;
• визначати його напрямок;
• пояснювати будову та принцип дії електромеханічного генератора електроенергії.

Хід уроку

Епіграф уроку:

«Недостатньо оволодіти премудрістю,

 потрібно також уміти користуватися нею»

/Цицерон/

І. Організаційний момент.

Привітання. Перевірка присутності учнів.

ІІ. Актуалізація опорних знань.

Усне опитування

• Які досліди підтверджують існування магнітного поля?
• Що таке магнітне поле? (магнітне поле – це особливий вид матерії, що виникає навколо постійних магнітів, провідників зі струмом, рухомих заряджених частинок і діє на них з певними силами.)
• Чим відрізняється магнітне поле від електричного поля?  (Магнітне поле має властивість вільно проникати у  речовину, чим   принципово     відрізняється від електричного поля.) 
• Яке поле називається однорідним? (Магнітне поле в певній частині простору називають однорідним, якщо в кожній його точці вектори магнітної індукції однакові як за модулем, так і за напрямком)
• Назвіть основні властивості магнітного поля.

(1)Магнітне поле замкнуте, воно не має ні початку ні кінця.

2) Магнітне поле створюється магнітом.

3) Магнітне поле здатне впливати на провідники по яким рухається струм.)

• На які класи поділяють речовини за магнітними властивостями? (діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики)

• Які магніти називають постійними? (Тіла, які тривалий час зберігають магнітні властивості, називають постійними магнітами)
• Як зробити електромагніт? (Для того щоб зробити сильний електромагніт треба обмотати цвях  ізольованим провідником і підключити до джерела.)

• Що таке сила Лоренца? (Сила Лоренца — сила, що діє на рухомий електричний заряд, який  перебуває в електромагнітному полі.)
• Сформулюйте правило свердлика. (Правило свердлика формулюється так: якщо напрям струму збігається з напрямом руху свердлика  (з правою різьбою), то напрям ліній магнітної індукції збігається з напрямом його обертального руху.)
• Назвіть основні частини електродвигуна. Яка з них «відповідає» за безперервне обертання ротора електродвигуна? (Основні частини електродвигуна постійного струму: ротор, статор, колектор. За безперервне обертання ротора «відповідає» колектор - пристрій, який автоматично змінює напрямок струму в рамці.)
• Що являє собою статор електродвигуна? (Статор  — нерухома частина електричної машини, що взаємодіє з рухомою частиною — ротором, виконує функцію магнітопроводу)
• Назвіть переваги електричних двигунів порівняно з тепловими. (Електродвигуни більш компактні, економічні (їхній ККД сягає 98 %), зручні в застосуванні (їхню потужність легко регулювати), не забруднюють довкілля.)

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності.

Постановка навчальної проблеми.

Досі ми розглядали електричні та магнітні поля, які не змінюються в часі, так звані статичні поля. Ви вже знаєте, що електричне поле виникає навколо заряджених частинок, а магнітне – навколо постійних магнітів та постійних електричних струмів у нерухомих провідниках.

• А чи можуть взаємодіяти ці два види полів?
• Що ж станеться, якщо бодай одне з них стане змінним в часі?
• Який вид енергії є найбільш затребуваний в суспільстві? (Електроенергія)
• Як ви вважаєте, чому? (Простота у виробництві, простота у транспортуванні, простота у розподілі між споживачами, простота у перетворенні в інші види енергії, екологічно чистий вид енергії.)

Ми живемо у вік техніки і електрики. Я думаю ніхто із нас не уявляє  своє життя без оточуючої нас техніки: телевізорів, холодильників, комп’ютерів, мобільного зв’язку. Ні один із цих електронних приладів не може працювати без електричної енергії.

• А скажіть, будь ласка, чи можливе існування струму в провіднику без джерела електричного струму? (Відповіді учнів: ні.)

А давайте проведемо такий дослід. Візьмемо котушку, під’єднаємо її до гальванометра та почнемо рухати магніти вздовж цієї котушки.

• Що ми спостерігаємо? (відхилення стрілки гальванометра)
• Про що це свідчить? (про проходження електричного струму в котушці)
• То виходить, що струм може існувати в колі і без джерела струму?
• Чому так відбувається?

Відповіді на всі ці запитання ми зможемо отримати на сьогоднішньому уроці.

Я хочу вам зачитати слова Гельмгольца «Поки люди будуть користуватися благами електрики, вони будуть пам’ятати ім’я Фарадея».

IV. Вивчення нового матеріалу

1. Історія.

З моменту відкриття Ерстедом впливу електричного струму на магнітну стрілку дослідників заполонила думка: а чи не можна розв’язати і обернену задачу: перетворити магнетизм в електрику? У Франції над цією задачею ламали собі голову Ампер і Араго. В Швейцарії - професор механіки Женевської академії Жан Даніель Колладон. В Америці - молодий фізик Джозеф Генрі, відомий як людина, що створила один із найпотужніших електромагнітів у світі. В Англії над цією ж проблемою бився Фарадей.

З’ясувати сьогодні, хто першим побачив ефект створення струму в провіднику магнітним полем, досить важко. Розповідають, що швейцарський професор Колладон, намотавши дві обмотки на один каркас і ввімкнувши у другу у другу гальванометр, помітив, що стрілка приладу здригається при замиканні первинної котушки на електричну батарею. «Можливо, щось трусить прилад?» - подумав Колладон і... відніс гальванометр в іншу кімнату. Тепер, замкнувши рубильник, він вимушений був ходити із однієї кімнати в іншу. І коли приходив до приладу, то стрілка приладу мертво стояла на нулю.

Деякі історики науки стверджують, що Джозеф Генрі першим побачив, що при русі магніту біля провідника в ньому з’являється електричний струм. Він навіть збирався написати статтю про це. Але втратив час. В Америку прийшов журнал зі статтею Фарадея.

Майкл Фарадей був дуже акуратним. Всі свої досліди він детально записував в щоденник, малював схему і робив висновки, які вдавалося зробити. Записавши ще в 1822 році: «Перетворити магнетизм в електрику», Майкл не один раз повертався до цієї думки, придумуючи то один дослід, то інший. Знаючи, що цією проблемою цікавляться і інші експериментатори, він в 1831 році взявся за неї безпосередньо і працював як одержимий.

Ранком 29 серпня 1831 року він, як і раніше, включивши батарею в одну котушку, зафіксував поштовх, якого зазнавала стрілка гальванометра, що був включений у іншу котушку. Поштовх - і стрілка на нулю. При вимкненні теж саме, лише стрілка відхиляється в іншу сторону. В чому ж тут справа?

Тоді він вирішив змінити умови досліду. При наявності залізного стержня поштовхи стрілки стали набагато сильнішими. Фарадей знову і знову змінює умови експериментів і робить висновок: «Електрична хвиля виникає лише при русі магніту, а не через його властивості, які він має в спокої» .

Це був розв’язок! Розв’язок задачі, яку сформулював майже десять років тому.

2.  Досліди Фарадея.

Демонстрація.

Якщо котушка і магніт нерухомі, то струму в котушці немає. Під час руху магніту стрілка гальванометра відхиляється, що свідчить про наявність електричного струму. Причому, якщо під час руху магніту в одному напрямі стрілка гальванометра відхиляється, наприклад, вправо, то під час руху в зворотному напрямі стрілка відхилятиметься вліво, що свідчить про зміну напряму струму в котушці. Явище виникнення електричного струму в замкненій котушці можна спостерігати також, якщо рухати саму котушку відносно нерухомого магніту або змінювати силу струму в іншій котушці, яка разом з досліджуваною надіта на спільне осердя.

На підставі проведених дослідів, можна зробити висновок, що електричний струм у замкненій котушці виникає тільки тоді, коли магнітне поле, що пронизує її, змінюється.

• То за яких умов виникає електричний струм? (Електричний струм виникає тільки в ті моменти, коли магніт перебуває в русі щодо котушки.)
• Що ж  є дійсною причиною виникнення  електричного струму в провіднику, який ми будемо називати індукційним? (Індукційний струм виникає в котушці (в замкнутому провідному контурі) при зміні магнітного потоку, що пронизує контур)

Індукційний струм – це струм, отриманий у замкненому провіднику внаслідок зміни зовнішнього магнітного поля.

Струм виникає лише під час відносного руху магніту і провідника!

3. Причини виникнення індукційного струму

• Що є причиною виникнення індукційного струму?

1. Провідний контур рухається в магнітному полі. Якщо провідний контур перетинає силові лінії магнітного поля, то в контурі виникає індукційний струм. При цьому вільні заряди в контурі рухаються під дією сили з боку магнітного поля.

2. Нерухомий провідний контур розташований у змінному магнітному

полі. Виникнення індукційного струму в нерухомому провіднику не можна пояснити дією магнітного поля на вільні заряди, адже на нерухомі частки магнітне поле не діє. Значить, виникнення індукційного струму в нерухомому провіднику можна пояснити тільки тим, що на вільні заряди діє сила з боку електричного поля.

Отже, змінне магнітне поле породжує електричне поле. Саме електричне, а не магнітне поле діє на вільні заряджені частки в провіднику і створює, таким чином, індукційний струм.

4. Напрямок індукційного струму

Якщо змінювати магнітне поле, що пронизує котушку, то в котушці виникає індукційний струм. Унаслідок цього котушка сама стає магнітом.

Досліди свідчать:

1) якщо магніт наближати до котушки, то котушка буде відштовхуватися

              від магніту;

2) якщо магніт віддаляти від котушки, то котушка притягуватиметься до   

    магніту.

Це означає:

1) якщо кількість ліній магнітної індукції, що пронизують котушку,  

    збільшується, то в ній виникає індукційний струм такого напрямку, що 

    котушка буде обернена до магніту однойменним полюсом.

2) якщо кількість ліній магнітної індукції, що пронизують котушку,

              зменшується, то в котушці виникає індукційний струм такого 

              напрямку, що котушка буде обернена до магніту різнойменним

              полюсом.

Знаючи полюси котушки та скориставшись правою рукою, можна визначити напрямок індукційного струму.

5. Явище електромагнітної індукції.

Явище електромагнітної індукції – це виникнення електричного струму в провідному контурі, який або розміщено нерухомо в змінному магнітному полі, або переміщається в постійному полі так, що кількість ліній магнітної індукції, які перетинають контур, змінюється.

Напрям індукційного струму визначають за правилом правої руки: якщо праву руку розмістити в полі так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, відставлений великий палець відповідав би напряму руху провідника, то витягнуті пальці руки вказуватимуть напрям індукційного струму в провіднику.

Розрахунок електрорушійної сили.

Для випадку, коли провідник рівномірно рухається в однорідному магнітному полі, значення ЕРС індукції залежить від магнітної індукції поля, довжини прямого провідника та швидкості його руху в магнітному полі, враховуючи кут між векторами і .

ε =