Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея. Закон электромагнитной индукции

Учебно-методический комплекс

Тема 3.12 Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея. Закон электромагнитной индукции.

Выписка из рабочей программы дисциплины «Физика»

для профессии 23.01.03 Автомеханик.

МЕТОДИЧЕСКИЙ ЛИСТ

Тип занятия: комбинированный урок.

Вид занятия: беседа, объяснение с демонстрацией наглядных пособий, решение задач.

Продолжительность: 90 минут.

ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ

Учебные цели: сформировать представления о роли и месте физики в современной научной картине мира; понимание физической сущности наблюдаемых во Вселенной явлений через изучение явления электромагнитной индукции, магнитного потока, закона Фарадея; способствовать формированию умения владеть основополагающими физическими понятиями, уверенно пользоваться физической терминологией и символикой. Способствовать формированию умения организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения упражнений (ОК 2).

Развивающие цели: развивать интерес к будущей профессии, понимание сущности и социальной значимости (ОК 1), способствовать формированию умения решать физические задачи.

Воспитательные цели: способствовать развитию коммуникативных способностей; создавать условия для развития скорости восприятия и переработки информации, культуры речи; формировать умение работать в коллективе и команде (ОК 6).

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный с использованием информационных технологий, репродуктивный.

Место проведения: аудитория техникума.

Тема 3.5 «Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея. Закон электромагнитной индукции» входит в программу по учебной дисциплине «Физика» и занимает значительное место, т.к. знания, полученные при изучении данной темы необходимы для изучения многих тем как в рамках программы по физике, так и при изучении смежных дисциплин (химия, математика). Опасность работы с электроприборами заключается в том, что ток, магнитное поле тока и напряжение не имеют внешних признаков, которые позволили бы человеку при помощи органов чувств (зрения, слуха, обоняния) обнаружить грозящую опасность и принять меры предосторожности. 

На данное занятие отводится 2 учебных часа. Во время комбинированного занятия проводится актуализация знаний в форме устного опроса, с целью проверки остаточных знаний, которые необходимых при изучении нового материала; непосредственное изучение нового материала; первичного закрепление нового материала с помощью решения задач по данной теме. Контроль уровня усвоения нового материала проводится в форме тестирования студентов. Каждому образованному человеку необходимо непрерывно пополнять свои знания в области физики, развивать интерес к будущей профессии, понимать сущность и социальную значимость (ОК 1), научиться организовывать свою деятельность, уметь выбирать методы и способы выполнения задач и в дальнейшем оценивать их качество (ОК2), а также необходимо для будущего медицинского работника научится работать в коллективе и команде (ОК6).

ПРИМЕРНАЯ ХРОНОКАРТА КОМБИНИРОВАННОГО ЗАНЯТИЯ

ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ

План изложения учебного материала по теме

«Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея. Закон электромагнитной индукции»

1.     История открытия явления.

2.     Опыты Фарадея.

3.     Изменение направления индукционного тока.

4.     Закон электромагнитной индукции. Магнитный поток.

5.     Возникновение вихревого магнитного поля.

1.     История открытия явления.

До середины XIX века считалось, что электрическое и магнитное поле не имеют никакой связи, и природа их существования различна. Но М. Фарадей был уверен в единой природе этих полей и их свойств. Явление электромагнитной индукции, обнаруженное им, впоследствии стало фундаментом для устройства генераторов всех электростанций. Благодаря этому открытию знания человечества о электромагнетизме шагнули далеко вперед.

Фарадей проделал следующий опыт: он замыкал цепь в катушке I и вокруг нее возрастало магнитное поле. Далее линии индукции данного магнитного поля пересекали катушку II, в которой возникал индукционный ток.

Рис. 1. Схема опыта Фарадея

На самом деле, одновременно с Фарадеем, но независимо от него, другой ученый Джозеф Генриобнаружил это явление. Однако Фарадей опубликовал свои исследования раньше. Таким образом, автором закона электромагнитной индукции стал Майкл Фарадей.

Сколько бы экспериментов не проводил Фарадей, неизменным оставалось одно условие: для образования индукционного тока важным является изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур (катушку).

1.     Опыты Фарадея.

Для проведения опыта он взял катушку с большим количеством витков и присоединил ее к миллиамперметру (прибору, измеряющему силу тока). По направлению вверх и вниз ученый передвигал магнит по катушке.

Во время проведения эксперимента, в катушке действительно появлялся электрический ток по причине изменения магнитного поля вокруг нее.

По наблюдениям Фарадея стрелка миллиамперметра отклонялась и указывала на то, что движение магнита порождает собой электрический ток. При остановке магнита стрелка показывала нулевую разметку, т.е. ток не циркулировал по цепи.

Рис. 2 Изменение силы тока в катушке за счет передвижения реостата.

Данное явление, при котором  ток возникает под действием переменного магнитного поля в проводнике, назвали явлением электромагнитной индукции.

1.     Изменение направления индукционного тока.

В своих последующих исследованиях Майкл Фарадей пытался выяснить, что влияет на направление возникающего индукционного электрического тока. Проводя опыты, он заметил, что изменяя числа мотков на катушке или полярность магнитов, направление электрического тока, которое возникает в замкнутой сети, меняется.

1.     Закон электромагнитной индукции. Магнитный поток.

Явление электромагнитной индукции определяется возникновением электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь этого контура.

Основной закон Фарадея заключается в том, что электродвижущая сила (ЭДС) прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Определение магнитного потока:

Магнитным потоком Ф через поверхность S называют количество линий вектора магнитной индукции B, проходящих через поверхность S.

Формула магнитного потока:

Ф = BS cosα , здесь α - угол между направлением вектора магнитной индукции B и нормалью к поверхности S.

Из формулы магнитного потока видно, что максимальным магнитный поток будет при cos α = 1, а это случится, когда вектор B параллелен нормали к поверхности S. Минимальным магнитный поток будет при cos α = 0, это будет, когда вектор B перпендикулярен нормали к поверхности S, ведь в этом случае линии вектора B будут скользить по поверхности S, не пересекая её.

А по определению магнитного потока учитываются только те линии вектора магнитной индукции, которые пересекают данную поверхность.

Измеряется магнитный поток в веберах (вольт-секундах): 1 вб = 1 в * с. Кроме того, для измерения магнитного потока применяют максвелл: 1 вб = 10⁸ мкс. Соответственно 1 мкс = 10^-8 вб.

Магнитный поток является скалярной величиной.

Формула закона электромагнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом:

Рис. 3. Формула закона электромагнитной индукции

И если сама формула, исходя из вышесказанных объяснений не порождает вопросов, то знак «-» может вызвать сомнения. Оказывается, существует правило Ленца – русского ученого, который проводил свои исследования, основываясь на постулатах Фарадея. По Ленцу знак «-» указывает на направление возникающей ЭДС, т.е. индукционный ток направлен так, что магнитный поток, который он создает, через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое вызывает данный ток.

Закон Фарадея-Максвелла

В 1873 году Дж. К. Максвелл по-новому изложил теорию электромагнитного поля. Уравнения, которые он вывел, легли в основу современной радиотехники и электротехники. Они выражаются следующим образом:

Edl = -dФ/dt – уравнение электродвижущей силы

Hdl = -dN/dt – уравнение магнитодвижущей силы.

Где E – напряженность электрического поля на участке dl; H – напряженность магнитного поля на участке dl; N – поток электрической индукции, t – время.

1.     Возникновение вихревого магнитного поля.

1 Вб = 1 Тл · 1 м².

Симметричный характер данных уравнений устанавливает связь электрических и магнитных явлений, а также магнитных с электрическими. Физический смысл, которым определяются эти уравнения, можно выразить следующими положениями:

• если электрическое поле изменяется, то это изменение всегда сопровождается магнитным полем.
• если магнитное поле изменяется, то это изменение всегда сопровождается электрическим полем.

Рис. 4. Возникновение вихревого магнитного поля

Также Максвелл установил, что распространение электромагнитного поля равна скорости распространения света.

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ ПО ПРЕДЫДУЩЕЙ ТЕМЕ (устно)

«Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитных и электрических полях»

1.     Сформулируйте понятие и выведите формулу для нахождения силы Лоренца.

Ответ: Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δl с силой тока I, находящийся в магнитном поле B, может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда.

Пусть концентрация носителей свободного заряда в проводнике есть n, а q – заряд носителя. Тогда произведение n q υ S, где υ – модуль скорости упорядоченного движения носителей по проводнику, а S – площадь поперечного сечения проводника, равно току, текущему по проводнику: 

Выражение для силы Ампера можно записать в виде: 

Так как полное число N носителей свободного заряда в проводнике длиной Δl и сечением S равно n S Δl, то сила, действующая на одну заряженную частицу, равна 

Эту силу называют силой Лоренца. Угол α в этом выражении равен углу между скоростью  и вектором магнитной индукции  .

2.     Сформулируйте правило левой руки для нахождения силы Лоренца.

Ответ: Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, так же, как и направление силы Ампера, может быть найдено по правилу левой руки или по правилу буравчика.

 ПРАВИЛО ЛЕВОЙ РУКИ для заряженной частицы с целью определения направления силы, действующей на отдельную заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Если ЛЕВУЮ РУКУ расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной частицы), то отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на частицу силы.

Взаимное расположение векторов ,  и  для положительно заряженной частицы показано на рисунке.

 Модуль силы Лоренца  численно равен площади параллелограмма, построенного на векторах  и  помноженной на заряд q

Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам   и .

3.     Опишите движение заряженной частицы в магнитном поле.

Ответ: При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется.

Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость  лежит в плоскости, перпендикулярной вектору  то частица будет двигаться по окружности радиуса 

Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы.

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен 

Это выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения не зависит от скорости υ и радиуса траектории R.

Угловая скорость движения заряженной частицы по круговой траектории 

называется циклотронной частотой. Циклотронная частота не зависит от скорости (следовательно, и от кинетической энергии) частицы. Это обстоятельство используется в циклотронах – ускорителях тяжелых частиц (протонов, ионов). Принципиальная схема циклотрона приведена на рисунке.

4.     Опишите движение заряженной частицы в электрическом поле.

Ответ: Электрическое поле создается между пластинами плоского конденсатора, магнитное поле – в зазоре между полюсами электромагнита. Начальная скорость  заряженных частиц направлена перпендикулярно векторам  и 

На частицу, движущуюся в скрещенных электрическом и магнитном полях, действуют электрическая сила  и  магнитная сила Лоренца. При условии E = υB. эти силы точно уравновешивают друг друга. Если это условие выполняется, частица будет двигаться равномерно и прямолинейно и, пролетев через конденсатор, пройдет через отверстие в экране. При заданных значениях электрического и магнитного полей селектор выделит частицы, движущиеся со скоростью .

Далее частицы с одним и тем же значением скорости попадают в камеру масс-спектрометра, в которой создано однородное магнитное поле  Частицы движутся в камере в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, под действием силы Лоренца. Траектории частиц представляют собой окружности радиусов   Измеряя радиусы траекторий при известных значениях υ и B' можно определить отношение . В случае изотопов (q₁ = q₂) масс-спектрометр позволяет разделить частицы с разными массами.

Современные масс-спектрометры позволяют измерять массы заряженных частиц с точностью выше 10^–4.

Критерии оценки:

Оценка «5» - на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ и ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «4» - на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ, но не ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «3» - на поставленный вопрос студент дал неполный ответ и не смог ответить на дополнительный вопрос;

Оценка «2» - не ответил на поставленный вопрос.

ПРИЛОЖЕНИЕ №2

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ И СИСТЕМАТИЗАЦИИ НОВЫХ ЗНАНИЙ (письменно, не оценивается)

Физика 11 Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы А. Кирик стр.4 начальный уровень №1-6, стр. 6 достаточный уровень №1, 2, 3.

Эталоны ответов к заданиям для закрепления и систематизации

ПРИЛОЖЕНИЕ № 3

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

(Устно, не оценивается. Эталоны ответов к вопросам для предварительного контроля знаний содержатся в исходном материале)

1.     Расскажите об истории открытия явления.

2.     Какие еще ученые занимались данным явлением?

3.     Сформулируйте определение электромагнитной индукции.

4.     Опишите опыты Фарадея.

5.     От каких факторов зависит направление индукционного тока?

6.     От чего зависит сила возникающего индукционного тока?

7.     Дайте определение магнитного потока.

8.     При каком условии магнитный поток, пронизывающий контур, будет максимальным?

9.     Сформулируйте закон электромагнитной индукции.

10. На что указывает знак «-» в формуле закона электромагнитной индукции?

11. По какому правилу можно определить направление индукционного тока?

12. Почему возникающее магнитное поле называется вихревым?

ПРИЛОЖЕНИЕ №4

КОНТРОЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ (письменно)

Тест

1.     Кто одновременно с Фарадеем открыл явление электромагнитной индукции?

1.      Джозеф Генри

2.      Э.Х. Ленц

3.      Дж.К. Максвелл

4.      Ш. Кулон

 2.В каком веке было открыто явление электромагнитной индукции?

1.      в XVII

2.      в XVIII

3.      в XIX

4.      в XX

3. Фарадей был уверен, что электрическое и магнитное поле:

1.      не имеют ни какой связи друг с другом

2.      имеют общую природу

3.      ничем не отличаются друг от друга

4.      ни один из ответов не является правдой

4.Для образования индукционного тока необходимо:

1.      изменение магнитного потока

2.      хаотичное движение молекул

3.      неизменность магнитного потока

4.      ни одно из утверждений ни является верным

1.     По закону Фарадея ЭДС:

1.      равна скорости изменения магнитного потока

2.      прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока

3.      обратно пропорциональна скорости изменения магнитного потока

4.      не зависит от скорости изменения магнитного потока

6. Знак «-» в формуле закона электромагнитной индукции указывает:

1.      на направление тока

2.      на уменьшение времени изменения магнитного потока

3.      на направление возникающей ЭДС

4.      ни одно из утверждений не является верным

7. Явление электромагнитной индукции стало:

1.      фундаментом для устройства генераторов всех электростанций

2.      основой для устройства ветряных мельниц

3.      основой для устройства гидростанций

4.      ни одно из утверждений не является верным

8. Скорость распространения электромагнитного поля:

1.      больше скорости света

2.      меньше скорости света

3.      равна скорости распространения света

4.      ни одно из утверждений не является верным

9. При электромагнитной индукции ток возникает:

1.      в замкнутом электропроводящем контуре

2.      в незамкнутом контуре

3.      вне контура

4.      ни одно из утверждений не является верным

10. В каком году Максвелл по-новому изложил теорию электромагнитного поля?

1.      в 1879

2.      в 1765

3.      в 1873

4.      в 1901

Эталоны ответов к заданиям контролирующего материала:

Критерии оценки:

за 7 правильных ответов– «3» балла;

за 8 правильных ответов – «4» балла;

за 9, 10 правильных ответов – «5» баллов.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ВНЕАУДИТОРНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Цель: Определить объем информации для самостоятельной работы студента, обратить внимание на значимые моменты.

Время для выполнения задания: 45 минут.

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцкий, Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений (с приложением на электронном носителе). Базовый и профильный уровни - М.: Просвещение, 2016 г., с. 31-35, параграфы 7, 8 прочитать, конспект выучить; подготовить сообщение по теме «Майкл Фарадей».

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ СООБЩЕНИЯ

1. Сообщение оформляется на компьютере, сдается преподавателю в мультифоре.

2. Шрифт TimesNewRoman, 14 пт, межстрочный интервал – одинарный, поля по 1,5 см справа и слева, текст выравниваются по ширине, заголовок – посредине. Ф.И. автора – по правому краю.

3. Объем сообщения – 2-3 страницы формата А4; время выступления – не более 5 минут.

4. В сообщении не выделяются главы; недопустимы орфографические ошибки, опечатки, записи и исправления ручкой или карандашом.

5. В конце сообщения указывается список информационных источников.

6. Сообщение может сопровождаться мультимедийной презентацией (по желанию автора).

!!! Определите самостоятельно, соответствует ли Ваше сообщение требованиям к оформлению. Для этого внимательно прочтите их и подчеркните каждое выполненное требование. Проведите коррекцию работы по тем требованиям, которые не выполнены.

Критерии оценки:

• студент выучил конспект – «3» балла;
• студент прочитал параграфы и выучил конспект, владеет информацией из учебника – «4» балла;
• студент выучил конспект, владеет информацией из учебника, подготовил сообщение, соответствующее требованиям – «5» баллов.

Список использованных источников

1.Батышев С.Я. Профессиональная педагогика: Учебник для студентов, обучающихся по педагогическим специальностям и направлениям /С.Я.Батышев. – М.: Ассоциация «Профессиональное образование»/, 1997. – 512 с.

2.Батышев С.Я. Реформа профессиональной школы: Опыт, поиск, задачи, пути реализации. – М.: Высшая школа, 1987. –340 с.

3. Болдырев Н. И., Гончаров Н. К., Есипов Б. П. и др. Педагогика. - М.: Наука, 1998.

4. Большой энциклопедический словарь. 2-е изд. перераб. и доп. – М.: «Большая Российская энциклопедия»; СПб.: «Норинт», 2007. – 1456 с.

5. Бордовская Н.В., Реан А.А. Педагогика. Учебник для вузов- CПб.: Питер, 2000.

6. Буланова-Топоркова М.В. Педагогика и психология высшей школы: учебное пособие. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2002. - 544 с.

7. Подласый И.П. Педагогика: 100 вопросов - 100 ответов: учеб. пособие для вузов/ И. П. Подласый. - М.: ВЛАДОС-пресс, 2004. - 365 с.

8. Общая и профессиональная педагогика: Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Профессиональное обучение»: В 2-х книгах /Под ред. В.Д. Симоненко, М.В. Ретивых. - Брянск: Изд-во Брянского государственного университета/, 2003. - Кн.1 - 174 с.

9. Сластенин В.А. и др. Педагогика: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / В. А. Сластенин, И. Ф. Исаев, Е. Н. Шиянов; Под ред. В.А. Сластенина. - М.: Издательский центр "Академия", 2002. - 576 с.

10. Смирнов И.П. Проблемы развития профессионального образования в РФ // Стратегия профессионального образования молодежи. - М., 1995.– С.12-22.

11. Стандарты профессионального образования зарубежных стран. – М.: НПО, 2007.-42с.

12. Харламов И.Ф. Педагогика: Учебное пособие. 2-е изд. - М.: Высшая школа, 1990. -576 с.

13. Закон РФ «О высшем и послевузовском профессиональном образовании» //Бюллетень Госкомитета РФ по высшему образованию. - 1996. - №10. - С. 1-59.

14. Зеер Э.Ф. Психология профессионального образования: Учеб. пособие. -Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. проф.-пед. ун-та, 2000. - С. 181-224.

15. Зеер Э.Ф. Психология личностно ориентированного профессионального образования. - Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. проф.-пед. ун-та, 2000. - С 3-71.

16. Концепция модернизации российского образования на период до 2010 года. Одобрена Распоряжением Правительства РФ №1756-р от 29 декабря 2001 г. // Официальные документы в образовании. - 2002. - №4. - С. 3-31.

17. Маркова А.К. Психология профессионализма. - М., 1996. — С. 49-57; 262-270.

18. Шелтен А. Введение в профессиональную педагогику: Учеб. пособие. -Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. проф-пед. ун-та, 1996. - С. 91-106; 154-164.

19. Новиков A.M. Профессиональное образование в России. - М.: Просвещение, 1997. - 254 с.

20. Семушина Л.Г., Ярошенко Н.Г. Содержание и технологии обучения в средних специальных учебных заведениях: учеб. пособие для преп. учреждений сред. проф. образования - М.: Мастерство, 2001. - 272 с.

21. Беляева А.П.Дидактические принципы профессиональной подготовки в профтехучилищах: Методическое пособие.- М.:Высш.шк.,1991.,с.143-184

22. Коменский Я.А. Избранные педагогические сочинения.-М.:1982г.,с.242-404.

23. Педагогика. Учебное пособие для студентов педагогических вузов и педагогических колледжей / Под ред. И.П. Пидкасистый. - М.: Педагогическое общество России, 1998. - 640с., с.129-192.

24.Кукушин В.С. Введение в педагогическую деятельность: учебное пособие. Изд-е 2-е М.: ИКЦ «МарТ», Рост он/Д, 2005 год

25. Под общ. ред. Н. Л. Селивановой. Гуманистические воспитательные системы вчера и сегодня//Под общ. ред. Н. Л. Селивановой. — М.: Пед. об-во России, 1998 г.—336 с.

26. Симоненко В.Д. – Общая и профессиональная педагогика – М.: Вентана-граф, 2006 год

27. Кларин М. В. Технология обучения: идеал и реальность// Кларин М. В.— Рига, «Эксперимент», 1999 г.—180 с.

Internet

1.www.dist-edu.ru

2.www.hse.ru

3.http://ito.bitpro.ru

4.www.ui.usm.ru

5.http://biro.ufanet.ru

6.http://kampi.kcr.ru2.9 Технология дистанционного обучения

7. http://refleader.ru/jgemerrnaujgmer.html

Скачано с www.znanio.ru