МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ АМУРСКОЙ ОБЛАСТИ
АМУРСКАЯ ОБЛАСТЬ
ТАМБОВСКИЙ ОКРУГ
МОУ САДОВСКАЯ СОШ
ИЗУЧЕНИЕ ТЕМЫ «ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ»
НА УРОКАХ ФИЗИКИ 7-9 КЛАССАХ» С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВОЙ ЛАБОРАТОРИИ ПО ФИЗИКЕ
ВЫПОЛНИЛ: Зайцев Дмитрий, обучающийся 9 класса, МОУ Садовская СОШ Тамбовского округа
РУКОВОДИТЕЛЬ: ПОЙДА Т. Е., руководитель центра естественно-научного и технологического направления «Точка роста»
2023 г.
Оглавление
Классические опыты Фарадея в школьном курсе
Объяснения возникновения индукционного тока
Электромагнитная индукция позволяет раскрыть и понять природу появления электричества, его свойств и возможного применения.
Изучение электромагнитных явлений, в том числе и электромагнитной индукции, трудно для учащихся школы. Поэтому в курсе физики принято трактовать закон электромагнитной индукции как обобщение экспериментальных данных.
Актуальность исследования проблемы базируется на необходимости совершенствования методики преподавания в связи с созданием в сельских школах Центров естественно-научного и технологического направления «Точка роста». Современные цифровые лаборатории по физике помогут учащимся в изучении данного явления.
Цель работы – провести обзор явления электромагнитной индукции в
рамках обучения физике учеников 9 классов и рассмотреть практические методики преподавания данной темы.
Задачи:
1. Изучить рекомендованные методики наблюдения явления электромагнитной индукции в методических рекомендациях.
2. Создать свои демонстрационные опыты с помощью цифровой лаборатории, характеризующие электромагнитные явления.
3. Отработать методики проведения и составить рекомендации для проведения демонстраций в курсе изучения темы.
Объект исследования – процесс изучения физики
Предмет исследования – методика изучения явления электромагнитной
индукции на уроках физики в 7- 9 классе.
В разделе физики «Электромагнитная индукция» учащиеся 7-9
классов впервые знакомятся с явлениями, связанными с изменениями электрического и магнитного полей.
Учащиеся средней школы в 7–9 классе знакомились с гальваническими элементами, где в результате химических реакций внутренняя энергия реагирующих веществ преобразует её в электрическую. Ученики слышали и о солнечных батареях, устанавливаемых на искусственных спутниках Земли. В этих батареях в электрическую энергию преобразуется энергия излучения Солнца. Но мощность этих источников очень мала, а стоимость производимой на них электроэнергии в сотни раз выше стоимости энергии, вырабатываемой тепловыми двигателями. И если бы источниками электроэнергии служили только гальванические элементы и солнечные батареи, то электроэнергию невозможно было бы использовать столь широко и в таких масштабах, которые характерны для современного общества.
Магнитные явления были известны ещё в древнем мире. Компас был изобретён более 4500 лет тому назад. В Европе он появился приблизительно в XII веке новой эры.
В 1820 году опыт датского физика Эрстеда показал существование взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями.
Опыт Эрстеда заключается в следующем. На столе располагают магнитную стрелку, которая ориентируется с севера на юг в магнитном поле Земли, и параллельно ей сверху проводник, соединённый с источником тока. При замыкании цепи стрелка повернётся на 90° и встанет перпендикулярно проводнику. При размыкании цепи стрелка вернётся в первоначальное положение. Если изменить направление тока на противоположное, то стрелка повернётся в обратную сторону. Опыт Эрстеда доказывает, что вокруг проводника, по которому течёт электрический ток, существует магнитное поле, которое действует на магнитную стрелку. После открытия явления возникновения магнитного поля вблизи проводника с током Эрстед разослал результаты своих исследований большинству ведущих учёных Европы.
Получив эти данные, французский математик и физик Ампер приступил к своей серии экспериментов и через некоторое время продемонстрировал публике опыт по взаимодействию двух параллельных проводников с током. Ампер установил, что если по двум расположенным параллельно проводникам течёт электрический ток в одну сторону, то такие проводники притягиваются, если ток течёт в противоположные стороны – проводники отталкиваются.
Из своих опытов Ампер сделал следующие выводы:
1. Вокруг магнита, или проводника, или электрически заряженной движущейся частицы существует магнитное поле.
2. Магнитное поле действует с некоторой силой на заряженную частицу, движущуюся в этом поле.
3. Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, поэтому магнитное поле действует на проводник с током.
Работам М. Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Ампера, Био, Савара, проведённых в 1820 г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь, как уже отмечалось, действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендикулярно проводнику.
Фарадей поставил перед собой вопрос: не стремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника с током? Опыт подтвердил гипотезу. В 1821 г. М. Фарадей дал описание физического прибора. В левом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника. В правом сосуде стержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Поскольку в этом опыте впервые фигурирует магнитоэлектрическое устройство с непрерывным движением, то вполне правомерно начать именно с этого устройства историю электрических машин вообще и электродвигателя в частности. После открытий Эрстеда и Ампера стало ясно, что электричество обладает магнитной силой.
Именно с этого момента, судя по всему, у М. Фарадея начинают складываться представления о всеобщей «взаимопревращаемости сил».
В 1821 году М. Фарадей сделал запись в своём дневнике: «Преврати магнетизм в электричество».
Тысячи опытов и 10 лет напряжённого труда, затраченного на решение сформулированной задачи. В августе 1831 г. был сделан решающий опыт, а 24 ноября на заседании в Королевском обществе была изложена сущность явления электромагнитной индукции.
Таким образом, был обнаружен новый источник электрической энергии, помимо ранее известных (процессы трения и химические процессы), - индукция и новый тип этой энергии - индукционное электричество.
Электромагнитная индукция (лат. Inductio - guide) - явление генерации вихревого электрического поля переменным магнитным полем. Если замкнутый проводник вводится в переменное магнитное поле, в нем появится электрический ток. Появление этого тока называется током индукции, а сам ток называется индукцией[1].
1) Опыт один. На одну непроводящую основу намотали две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй — подключены к источнику тока. В момент замыкания и размыкания цепи второй катушки индикаторная стрелка гальванометра обязательно отклонялась. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тёк в противоположном направлении.
2) Опыт два. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру. При этом вторая катушка перемещалась относительно первой. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
3) Опыт три. Опыт по взаимодействию магнита и катушки с током: при внесении магнита в катушку в цепи возникает электрический ток, при вынесении также возникает ток, но другого направления. Сила тока зависит от скорости внесения (вынесения) магнита[2].
Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.
Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем.
Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.
Свойства вихревого электрического поля:
источник – переменное магнитное поле;
обнаруживается по действию на заряд;
не является потенциальным;
линии поля замкнутые.
Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.
Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток[3].
Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции, когда изменяющийся магнитный поток, вызывающий ЭДС индукции, создаётся током в самом контуре. Если ток в рассматриваемом контуре по каким-то причинам изменяется, то изменяется и магнитное поле этого тока, а, следовательно, и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС самоиндукции, которая, согласно правилу Ленца, препятствует изменению тока в контуре[4].
Уже к 70-м годам позапрошлого века в основных чертах был разработан генератор, пригодный для промышленного производства дешёвой электроэнергии. С помощью этого генератора механическая энергия преобразуется в электрическую.
В индукционных генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Индукционный генератор состоит из двух частей: подвижной, которая называется ротором, и стационарной, которая называется статором. Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции. Индукционные генераторы имеют относительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении. В настоящее время существует много типов индукционных генераторов, но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, который создаёт магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, состоящая из последовательно соединённых витков, в которых индуцируется переменная электродвижущая сила. Поскольку электродвижущие силы, индуцированные в последовательно соединённых витках, суммируются, амплитуда электродвижущей силы индукции в обмотке пропорциональна числу витков в ней.
Генераторы энергии играют решающую роль в развитии нашей технологической цивилизации, поскольку они позволяют нам получать энергию в одном месте и использовать её в другом. Например, паровой двигатель может преобразовывать энергию сжигания угля в полезную работу, но эту энергию можно использовать только в том случае, если установлены угольная печь и паровой котёл. Электростанция может быть расположена очень далеко от потребителей электроэнергии - и, тем не менее, снабжать ею фабрики, дома и т. д.[5].
Мы знаем, что магнитные явления были известны ещё в древнем мире.
При изучении темы «Постоянные магниты» наряду с классическими опытами взаимодействия постоянных магнитов проведём исследование постоянного магнита с помощь цифровой лаборатории.
Для этого на ноутбук устанавливаем программу «физика практикум» и подключаем датчик магнитного поля. Запустим программу. Датчик определится самостоятельно. На экране монитора появится шкала вертикальная, составляющая вектора магнитной индукции, и горизонтальная шкала реального времени.
Возьмём постоянный магнит. У нас это дуговой магнит, и поднесем датчик к середине магнита. Запустим измерения, нажав на зелёную кнопку.
|
|
|
Рис.1. Фиксирование наличия сильного магнитного поля в полюсах магнита |
Мы увидим, как на графике вычерчивается линия нулевого показателя. Поднесём датчик к одному из полюсов: на мониторе виден резкий скачок показаний, поднесем датчик к другому полюсу и вновь увидим скачок противоположных значений (см. рис 1). Таким образом, мы повышаем наглядность на уроке и прекрасно демонстрируем наличие двух полюсов у магнита, и ещё мы можем измерить показания датчика.
В 1820 году опыт датского физика Эрстеда показал существование взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями.
Классический демонстрационный опыт в школе: на столе располагают магнитную стрелку, которая ориентируется с севера на юг в магнитном поле Земли, и параллельно ей сверху проводник, соединённый с источником тока. При замыкании цепи стрелка повернётся на 90° и встанет перпендикулярно проводнику. При размыкании цепи стрелка вернётся в первоначальное положение. Если изменить направление тока на противоположное, то стрелка повернётся в обратную сторону.
Наблюдать магнитное поле вокруг проводника с током удобнее всего, используя катушку с током и магнитную стрелку, которая устанавливается в торец катушки при включении электрического тока (см. рис.2.)
|
|
|
Рис.2 Взаимодействие соленоида и магнитной стрелки |
Наряду с классическим опытом, доказывающим существование магнитного поля вокруг проводника с током, покажем опыт с помощью цифровой лаборатории. Для это катушку индуктивности присоединим к источнику тока последовательно с лампочкой. Лампочка играет роль индикатора, показывающая, что по цепи течёт электрический ток.
Запустим программу и поднесем датчик магнитного поля к середине катушки. Мы увидим, как на графике вычерчивается линия нулевого показателя. Поднесём датчик к одному из концов: на мониторе виден скачок показаний, поднесем датчик к другому концу и вновь увидим скачок противоположного значения магнитной индукции (см. рис.3).
|
|
|
Рис.3 Фиксация с помощью цифровой лаборатории магнитного поля соленоида |
Таким образом, мы демонстрируем, что вокруг проводника существует магнитное поле, что катушка стала соленоидом и похожа на постоянный магнит. А еще мы можем измерить значение магнитной индукции.
В школе нам показывают классические опыты, демонстрируют явление электромагнитной индукции, в том числе и опыт по взаимодействию магнита и катушки с током: при внесении магнита в катушку в цепи возникает электрический ток. С помощью переменного магнитного поля мы получили электрическое поле. С помощью цифровой лаборатории мы можем провести демонстрационный эксперимент явления электромагнитной индукции. Для этого воспользуемся цифровым датчиком напряжения, постоянным магнитом и катушкой индуктивности из набора “Лаборатория L-микро”. Возьмём цифровой датчик напряжения. Подключим его к компьютеру и откроем цифровую лабораторию (программа установлена заранее). Подключим датчик напряжения к катушке индуктивности. Включаем цифровую лабораторию. Зайдём в настройки и на вертикальной шкале выставим пределы от -2 до +2 вольт. Датчик показывает 0.
Введём в катушку магнит северным полюсом. На мониторе видим всплеск(см.рис.4).
|
|
|
Рис.4 Явление электромагнитной индукции |
Выводим магнит из катушки - вновь виден всплеск, но противоположного знака.
Значит, первое - в катушке возникает ток, второе - ток имеет разное направление при вводе и выводе магнита из катушки (см. рис.5)
|
|
|
Рис.5 |
Поменяем полюс магнита, вновь наблюдаем всплески, только при вводе южного полюса - такой, как при выводе северного полюса из магнита.
Если магнит не движется в катушке, то ток не возникает. Следовательно, только переменное, то есть меняющееся в пространстве и времени магнитное поле порождает электрическое.
Увеличим скорость движения ввода и вывода магнита в катушку. Видим, что высота всплесков возрастает. Значит, ток, возникающий в замкнутом контуре зависит от скорости изменения магнитного поля. Кроме визуального наблюдения при работе с цифровой лабораторией можно проводить цифровизацию показаний, что увеличивает наглядность.
В методических рекомендациях к цифровой лаборатории по физике базового уровня в разделе “Электричество” есть работа 3.8 “Наблюдение явления электромагнитной индукции”. В качестве индикатора применяется цифровой осциллографический датчик, что сложновато для учащихся 8 класса. Да и опыт более трудоёмкий.
Для проведения работы мы возьмём трубку из оргстекла и вставим в неё пробку из пенки так, чтобы она оказалась на расстоянии 5-6 см от стола. Установим трубку вертикально. Опустим в трубку магнит и наденем на неё катушку. Подключим к выводам катушки щупы Канала №1 (красного) осциллографического датчика. Подключим осциллографический датчик к USB-порту компьютера с помощью кабеля и запускаем программу “цифровая лаборатория”. В окне программы открываем сценарий 3.8. Запускаем работу и опускаем катушку с верхнего края цилиндра. На экране мы увидим два всплеска напряжения. Когда катушка падает мимо северного полюса, а затем падение мимо южного полюса магнита.
Цифровые лаборатории по физики позволяют расширить демонстрационные эксперимент по электромагнитным явления, сделать его более зрелищными и информационными.
Рамках сотрудничества с Кванториумом им.Ланкина БГПУ мы участвовали в создании цифрового образовательного контента для сотрудников образовательных организаций, образовательных центров «Точка роста» и записали три образовательных ролика, в том числе и работа с датчиком напряжения для демонстрации электромагнитной индукции и с датчиком магнитного поля.
1. https://multiurok.ru/
2. https://uchitel.pro/
3. https://fizi4ka.ru/egje-2018-po-fizike/jelektromagnitnaja-indukcija.html
4. https://pandia.ru/
5. https://natalibrilenova.ru/elektromagnitnaya-induktsiya-opyityi-primenenie/
Настоящий материал опубликован пользователем Пойда Татьяна Евгеньевна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
