Урок з фізики у 11 класі - "Електромагнітна індукція. Закон електромагнітної індукції"

 

 

 

Конспект уроку

на тему: « Електромагнітна індукція»

 

 

11 клас

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Матеріал підготував:

Вчитель вищої категорії

Кліщинського  НВК

Коваленко В.М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема: Електромагнітна індукція. Закон електромагнітної індукції. Індуктивність. Енергія магнітного поля котушки зі струмом.

Мета: познайомити учнів із явищем електромагнітної індукції; показати значення цього явища для фізики й техніки, увести поняття індуктивності та енергії магнітного поля котушки зі струмом. Формувати науковий світогляд й діалектичне мислення; розвивати спостережливість, кмітливість. Продовжити формування інтересу до історії розвитку науки.

Демонстрації: Явище електромагнітної індукції. Правило Ленца. Явище самоіндукції. Малюнки, схеми, відеофрагменти, які ілюструють магнітний потік, індуктивність, енергію магнітного поля котушки. Презентація ходу уроку.

Тип уроку: Комбінований.

Хід уроку

1.    Організація класу
2. Перевірка домашнього завдання

Перевірку домашнього завдання провожу у формі виконання тестової самостійної роботи у двох варіантах із застосуванням взаємоперевірки за готовими відповідями.

Самостійна робота з теми «Магнітне поле»

Варіант 1

1. Виберіть найправильніше продовження фрази: «Магнітні поля створюються ...“

А.... як нерухомими, так і рухомими електричними зарядами.

Б.... нерухомими електричними зарядами.

В.... електричними рухомими зарядами.

2.               Напрям струму в обмотці підковоподібного електромагніту показано стрілками (рис.). Визначте полюси сердечника.

А. Зліва - N, справа - S. Б. Обидва N. В. Обидва S. Г. Зліва - S, справа - N.

3. Що спостерігається в досліді Ампера? Виберіть правильне твердження.

А. Магнітна стрілка повертається поблизу провідника зі струмом.

Б. Два провідники зі струмом взаємодіють один з одним.

В. Дві магнітні стрілки взаємодіють одна з одною.

4. Визначте напрям сили Ампера (рис.):

А. Вліво. Б. Вправо. В. Вгору. Г. Вниз.

5. Виберіть найправильніше продовження фрази: «Сила   

     Лоренца — це сила, з якою магнітне поле діє на ...“

А. ...рухомий електричний заряд.

Б. ... провідник зі струмом.

     В. ... нерухомий електричний заряд.

6. Як зміниться сила, що діє на заряджену частинку, яка рухається; в однорідному магнітному полі, якщо заряд частинки зменшиться у 2 рази? Виберіть правильну відповідь.

А. Зменшиться у 2 рази. Б. Збільшиться у 2 рази. В. Не зміниться.

7. Електрон в однорідному магнітному полі обертається проти годинникової стрілки (рис.). Куди напрямлений вектор В ?

А. До нас. Б. Від нас. В. Вліво. Г. Вправо.

8. Виберіть правильне твердження щодо магнітних властивостей різних речовин.

    А. Магнітна проникність заліза менша за 1.

    Б. Залізо є феромагнетиком.

    В. Магнітна проникність парамагнетиків менша за 1.

    Г. Магнітна проникність діамагнетиків більша за 1.

9. Провідник зі струмом розташований у однорідному магнітному полі. При цьому на провідник діє сила так, як показано на рис. Відзначте, які з наведених нижче

тверджень правильні.

А. Сила Ампера діє тільки на рухомий провідник.

Б. Магнітне поле напрямлене до нас.

В. Якщо збільшити довжину провідника в 3 рази, сила, діюча на

провідник, збільшиться в 9 разів.

Г. Якщо силу струму в провіднику зменшити в 3 рази, сила, діюча на провідник, зменшиться в 3 рази.

1	2	3	4	5	6	7	8	9
В	Г	Б	Б	А	А	А	Б	Г

Варіант 2

1. Що спостерігається в досліді Ерстеда? Виберіть правильне твердження.

А. Провідник зі струмом діє на електричні заряди.

Б. Магнітна стрілка обертається поблизу провідника зі струмом.

В. Магнітна стрілка обертається поблизу зарядженого провідника.

2. Круглий виток проводу вільно висить на проводах, які підводять струм. По витку тече струм указаного на рис. напряму. Як поведе себе виток, якщо до нього піднести магніт південним полюсом від читача до рисунка?

А. Відштовхнеться. Б. Притягнеться. В. Повернеться. Г. Не реагуватиме.

3. Як зміниться сила Ампера, діюча на прямолінійний провідник зі струмом у однорідному магнітному полі, в разі зменшення довжини провідника у 2 рази? Провідник розташований перпендикулярно до вектора індукції. Виберіть правильну відповідь.

А. Збільшиться у 2 рази. Б. Зменшиться у 2 рази. В. Не зміниться.

4. Визначте напрям струму в провіднику(рис.):

А. Вліво. Б. Вправо. В. До нас. Г. Від нас.

5. Протон рухається у магнітному полі (рис). В якому напрямі діє сила Лоренца?

А. Вліво.

Б. Вправо.

В. Вгору.

Г. Вниз.

6. Провідник зі струмом розташований перпендикулярно до площини рис. і перебуває в однорідному магнітному полі, вектор індукції якого напрямлений до нас. Струм у провіднику напрямлений від нас. Відзначте, які з наведених нижче тверджень правильні.

А. З боку магнітного поля на провідник діє сила, напрямлена вправо.

Б. Сила Ампера не дорівнює нулю.

В. Із боку магнітного поля на провідник не діє сила.

Г. Якщо зменшити довжину провідника, то сила, діюча на

провідник, збільшиться.

 

7. Електрон рухається в магнітному полі по колу, як вказано на рис. Відзначте, які з наведених нижче тверджень правильні.

А. Магнітне поле напрямлене до нас.

Б. Із боку магнітного поля на електрон діє сила, напрямлена по радіусу до центра кола.

В. Якщо швидкість електрона буде меншою, радіус кола збільшиться.

Г. Магнітне поле здійснює роботу над електроном.

8. Виберіть правильне твердження щодо магнітних властивостей різних речовин.

А. Магнітна проникність заліза менша за 1.

Б. Магнітна проникність парамагнетиків менша за 1.

В. Магнітна проникність парамагнетиків більша за 1.

Г. Магнітна проникність діамагнетиків більша за 1.

9. Як зміниться сила, що діє на заряджену частинку, яка рухається; в однорідному магнітному полі, якщо заряд частинки зменшиться у 2 рази? Виберіть правильну відповідь.

А. Зменшиться у 2 рази. Б. Збільшиться у 2 рази. В. Не зміниться.

1	2	3	4	5	6	7	8	9
Б	А	Б	В	А	В	Б	В	А

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності

Бесіда.

1. Який вид енергії є найбільш затребуваний в суспільстві?

Електроенергія.

2. 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.

Демонстрація застосування електричної енергії, мотивація необхідності вивчення явища електромагнітної індукції, що лежить в основі виробництва електроенергії.

Після показу фрагменту зачитуємо 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. Явище електромагнітної індукції.

Явище виникнення електричного струму в замкненому провіднику, який знаходиться в змінному магнітному полі, називається електромагнітною індукцією.

Струм, який виникає в провіднику, назвали індукційним струмом.

На практиці напрям струму, який виникає в замкнутому колі внаслідок електромагнітної індукції, 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.

Для випадку, коли провідник рівномірно рухається в однорідному магнітному полі, значення ЕРС індукції обчислюється за формулою:

Ɛ = BLsinα

3. Потік магнітної індукції.

Поняття потоку магнітної індукції та одиниці його вимірювання ввожу за допомогою демонстрування відеофрагменту «Потік магнітної індукції».

Ф = BScosα

де Ф - магнітний потік; В - модуль магнітної індукції поля; α - кут між нормаллю до площини контуру і індукцією магнітного поля.

Величина, що дорівнює добутку магнітної індукції на площу замкнутого контуру на косинус кута (між вектором індукції та нормаллю до контуру), називається магнітним потоком або потоком магнітної індукції.

Аналіз формули показує, що мінімальне значення магнітного потоку (Ф = 0) буде, коли а = 90°, тобто площина контуру паралельна лініям індукції магнітного поля. Якщо α = 0, то магнітний потік буде максимальним (Ф = BS)

Магнітний потік є скалярною фізичною величиною. У СІ магнітний потік вимірюють у веберах (Вб), на честь відомого німецького фізика В. Вебера.

Якщо індукція магнітного поля 1 Тл, а площа контуру, крізь який проходить магнітний потік, 1 м², то магнітний потік дорівнює 1 веберу (1 Вб):

1 Вб = 1 Тл×1 м².

Будь-які зміни індукції магнітного поля чи площі контуру спричиняють зміну магнітного потоку і викликають явище електромагнітної індукції.

4. Правило Ленца

Дослідження відомого російського фізика Е. X. Ленца дали змогу встановити універсальне правило для визначення напряму індукційного електричного струму на основі зовнішніх проявів цього явища. З цією метою Е. X. Ленц дослідив взаємодію замкнутого провідника і змінного магнітного поля, яке викликало струм у провіднику.

Індукційний струм в замкнутому провіднику має такий напрям, що його магнітне поле компенсує зміну магнітного потоку, яка викликала цей струм.

Демонстрування взаємодії постійного магніту і струмопровідного кільця суцільного і розрізаного.

5. Закон електромагнітної індукції

Отже, підчас зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, у ньому на вільні заряди починають діяти сторонні сили, дія яких характеризується ЕРС індукції (енергетична характеристика індукційного електричного поля).

Закон електромагнітної індукції (закон Фарадея):

ЕРС індукції дорівнює за модулем швидкості зміни магнітного потоку через площу контуру замкнутого провідника:

Ɛ =

Цей закон формулюється саме для ЕРС, а не для індукційного струму і виражає суть явища, що не залежить від властивостей провідників. Для виникнення струму провідник має бути замкнутим, і сила струму залежить не тільки від швидкості зміни магнітного потоку, а й від опору провідника:

I_i =

Індукції буде в N разів більша: Ɛ_і = N

6. Самоіндукція. Індуктивність.

Самоіндукція — це явище виникнення сторонніх сил (що характеризуються ЕРС індукції) у провідному контурі під час зміни магнітного поля, створеного змінним струмом у цьому ж провіднику.

Як відомо учням, енергетичною характеристикою вихрового електричного поля є ЕРС індукції. Оскільки самоіндукція є окремим випадком електромагнітної індукції, то для визначення ЕРС самоіндукції можна застосувати формулу:             

Ɛ_с = N, де N – кількість витків.

Однак на практиці ЕРС самоіндукції пов'язують не зі швидкістю зміни магнітного потоку, а зі швидкістю зміни сили струму.

Якщо вважати, що форма контуру залишається незмінною і магнітний потік змінюється тільки за рахунок зміни сили струму, то для ЕРС самоіндукції дістанемо:

 Ɛ_с = L

Індуктивність — характеристика властивостей контуру зі струмом. Струм /, що протікає по будь-якому замкнутому контуру, створює магнітний потік Ф, що пронизує поверхню, обмежену цим провідником. Якщо провідник нерухомий і магнітні властивості середовища не змінюються, магнітний потік пропорційний силі струму: Ф~ І або Ф = LI, де L — величина, що характеризує контур (наприклад котушку) і середовище, що його оточує (осердя).

За такого способу введення індуктивності її фізичний зміст визначається за виразом: 

L =

Індуктивність — це власна якість провідного контуру, зумовлена відношенням зміни потоку магнітної індукції, що пронизує контур, до зміни сили струму в ньому.

З останнього виразу випливає, що індуктивність чисельно дорівнює потоку магнітної індукції, який створюється силою струму в 1 А. Із цього ж виразу визначають і одиницю індуктивності — генрі, яка названа на честь Джозефа Генрі:

   1 Генрі — це індуктивність такого провідника, в якому струм силою в 1А створює магнітний потік у 1 Вб.

Для розв'язування задач із використанням формули Ɛ_с = L можна дати й інше визначення індуктивності та одиниці її вимірювання.

При І = 1 А і t = 1 с дістаємо: Ɛ_с = L. Таким чином, зі зростанням індуктивності зростає і ЕРС індукції.

Індуктивність провідника дорівнює 1 Гн, якщо в ньому під час зміни сили струму в 1 А за 1 с виникає ЕРС самоіндукції в 1 В.

7. Енергія магнітного поля.

У досліді з лампочкою під час розмикання вимикача вона на мить спалахує яскравим білим світлом. Звідки ж береться енергія, що поглинається лампочкою в момент її спалаху й перетворюється в ній на тепло та світло? Адже спалах відбувається під час розмикання ключа, тобто під час зникнення магнітного поля цієї котушки. Таким чином, ми доходимо висновку, що енергія, яка поглинається лампочкою в момент розмикання вимикача, була раніше запасена у вигляді енергії магнітного поля котушки.

Таким чином, описане вище явище самоіндукції наочно показує, що магнітне поле має запас енергії. Ця енергія витрачається на створення магнітного поля, і її можна дістати назад під час зникнення поля. I²

Енергія магнітного поля струму визначається виразом: W =  .

5. Розв’язування задач

Задача 1.

Магнітний потік, що пронизує контур провідника, рівномірно змінився на 0,45 Вб, внаслідок чого виникла ЕРС індукції 1,5 В. Визначте час зміни магнітного потоку.

Відповідь: 0,3 с.

Задача 2.

За 5 мс у рамці, обмотка якої складається з 25 витків проводу, магнітний потік збільшився з 6 мВб до 8 мВб. Визначте ЕРС індукції в рамці.

Відповідь: 10 В.

Задача 3.

Скільки витків проводу має бути в обмотці котушки, щоб внаслідок рівномірної зміни магнітної індукції від 0,2 Тл до 0,3 Тл протягом 4 мс у ній збуджувалася ЕРС 10 В? Площа поперечного перерізу котушки 50 см².

Відповідь: 80 витків.

6.   Завдання додому

Вивчити § 33 - § 39.

Розв’язати вправу 19 (3).

7. Підведення підсумків уроку

 

 

 

 

Література:

1. Гончаренко С.У. Фізика: Підручник для 11 класів середніх загальноосвітніх шкіл. - К.: Освіта, 2002.
2. Бар'яхтар В.Г., Божинова Ф.Я., Кірюхін М.М., Кірюхіна О.О. Фізика: підручник для 11 класів. Академічний рівень. Профільний рівень. Xарків видавництво «Ранок», 2011.
3. Гончаренко С.У. Фізика: Підручник для 10 класів середніх загальноосвітніх шкіл. - К.: Освіта, 2002.
4. Гельфгат І.М. Фізика-11. Збірник задач/І.М.Гельфгат, І.Ю.Ненашев. - Харків: Гімназія, 2002.
5. Кирик Л.А. Фізика-11. Різнорівневі самостійні й контрольні роботи. - Харків: Гімназія, 2002.