Методика вивчення теми “ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ”

1. Науково-методичний аналіз змісту та структура теми

Тема “Електромагнітна індукція” є однією з ключових тем розділу “Електродинаміка” програми старшої школи.

При вивченні теми “Електромагнітна індукція” учні вперше знайомляться з явищами, пов’язаними зі змінами електричних і магнітних полів.

Її зміст і структуру показано на структурно-логічній схемі.

Матеріал теми містить декілька вузлових питань, на яких доцільно зосередити увагу учнів: явище електромагнітної індукції, закон електромагнітної індукції, ідеї Максвелла щодо взаємозв’язку змінних електричних і магнітних полів, принцип відносності в явищах електромагнітної індукції, практична значимість цього явища. Фактично весь матеріал, який пов’язаний з електродинамікою нестаціонарних явищ, базується на явищі електромагнітної індукції. Вчення про електромагнітну індукцію є базою для розуміння учнями матеріалу, що вивчається в наступних темах: “Електромагнітні коливання”, “Електромагнітні хвилі”, “Основи спеціальної теорії відносності”.

Засвоєння теми “Електромагнітна індукція” неможливе без використання учнями знань і вмінь, засвоєних раніше в розділі “Електродинаміка”. Зокрема, володіння поняттями електричного поля, напруженості електричного поля, електрорушійної сили, магнітного поля, вектора індукції магнітного поля, магнітного потоку, сили Лоренца, розуміння умов існування електричного струму та ін.

Вчення про електромагнітну індукцію є базою для розуміння учнями матеріалу що вивчається в наступних темах: “Електромагнітні коливання” та “Електромагнітні хвилі”, “Основи спеціальної теорії відносності”.

Для кращого засвоєння учнями поняття електромагнітного поля необхідно розглянути індуковане електричне поля в системі відліку, де виявляється змінне магнітне поле. Слід звернути увагу на те, що індукується не ЕРС, а електричне вихрове поле. ЕРС є тільки фізичною величиною, за допомогою якої описують це поле. Саме вивчаючи електромагнітну індукцію, учні вперше знайомляться із взаємозв’язком та взаємозалежністю змінних у часі електричних і магнітних полів, з’ясовують відмінність між індукційним електричним і електростатичним полями.

Особлива увага приділяється з’ясуванню взаємної обумовленості й зв’язку двох явищ: 1) будь-який рух заряджених частинок пов’язаний з магнітним полем; 2) зміна магнітного поля викликає рух вільних заряджених частинок у замкнутому контурі.

Незважаючи на порівняно невеликий об’єм навчального матеріалу та, відповідно час, що відводиться на вивчення явища електромагнітної індукції й інших понять і законів, що розглядаються у цій темі, вона має виключно важливе значення для подальшого вивчення питань електродинаміки нестаціонарних процесів.

Політехнічний зміст матеріалу теми “Електромагнітна індукція” передбачає розкриття практичної значимості цього явища для сучасного суспільства. Учення про електромагнітну індукцію – одне з тих фундаментальних питань фізики, на яких ґрунтується дія багатьох сучасних технічних установок. Закон електромагнітної індукції пояснює численні явища в неживій і живій природі, лежить в основі багатьох розділів сучасної електро- і радіотехніки. Явище електромагнітної індукції використовується в електромеханічних генераторах, за допомогою яких виробляється практично вся електроенергія в світі. Тому під час вивчення теми висвітлюються відповідні технічні застосування цього явища.

2. Основні поняття теми та їх науково-методичний аналіз

Центральним поняттям теми є поняття електромагнітної індукції – виникненні ЕРС індукції у провідному контурі, який знаходиться у змінному магнітному полі, або рухається у постійному магнітному полі. Електромагнітна індукція відкрита англійським фізиком М.Фарадеєм у 1931 році.

Електричний струм викликаний ЕРС індукції називають індукційним струмом. Цей струм може виникнути, якщо провідний контур замкнутий.

Потік індукції магнітного поля (магнітний потік) – узагальнене поняття, що характеризує просторову локалізацію магнітного поля.

Значення магнітного потоку розраховують як добуток площі замкнутого контура на модуль індукції магнітного поля, в якому він знаходиться, та косинус кута між індукцією та нормаллю до площини контура Ф=BScosα

Одиницею магнітного потоку в СІ є вебер (1 Вб).

Згідно закону Фарадея, ЕРС індукції в контурі прямо пропорційна швидкості зміни магнітного потоку. З урахуванням правила Ленца у системі СІ цей закон записують так:

Записаний у такому вигляді цей закон має універсальний характер і може застосовуватися як у випадку, коли контур пронизує змінне магнітне поле, так і у випадку руху провідника в постійному магнітному полі.

ЕРС індукції дорівнює роботі з переміщення одиничного заряду в замкнутому контурі, яку виконує вихрове електричне поле. Саме вихрове електричне поле, згідно теорії Максвелла, породжується в просторі при зміні магнітного поля з часом. Вихрове поле безпосередньо не пов’язане з частинками (тілами), які мають електричні заряди.

При зміні магнітного потоку виникає вихрове електричне поле напруженістю . Індуковане електричне поле, як і електростатичне поле, характеризується напруженістю , яка визначається силою, з якою поле діє на одиничний заряд. Фізичну величину, яка характеризує електричне поле і чисельно дорівнює роботі цього поля з переміщення тіла з одиничним зарядом замкнутим контуром називають ЕРС індукції.

Самоіндукція – окремий випадок електромагнітної індукції і полягає у виникненні ЕРС індукції в тому самому контурі, в якому протікає змінний електричний струм. При протіканні електричного струму провідником, наприклад, обмоткою котушки, навколо нього виникає магнітне поле, яке охоплює увесь оточуючий простір, у тому числі й простір всередині котушки. Якщо сила струму в контурі змінюється, змінюється й магнітне поле, породжене цим струмом, і, відповідно, в контурі виникає ЕРС індукції, яку називають ЕРС самоіндукції.

Індуктивність – фізична величина, яка характеризує електромагнітні властивості контуру (котушки, провідника) і є визначальною в процесі самоіндукції. Вона залежить від кількості витків, що припадають на одиницю довжини котушки, геометричних розмірів, форми, магнітних властивостей середовища. Оскільки магнітний потік всередині котушки пропорційний силі струму, то індуктивність є коефіцієнтом пропорційності і визначається відношенням магнітного потоку всередині котушки до сили струму в обмотці Ф=Li; L=Ф/i . Одиницею індуктивності в СІ є генрі (1 Гн).

Якщо внаслідок зміни сили струму в провіднику на 1 А за 1 с у ньому індукується ЕРС самоіндукції 1 В, то цей провідник має індуктивність 1 Гн.

Енергія магнітного поля – це фізична величина, що чисельно дорівнює роботі джерела електричного струму, необхідної для компенсації ЕРС самоіндукції в момент замикання кола.

3. Навчальний фізичний експеримент

Фізичний експеримент під час вивчення даної теми передбачає проведення низки демонстрацій та виконання однієї лабораторної роботи. Основні дидактичні завдання, які вирішуються за допомогою демонстраційного експерименту можна розділити на три групи:

Електромагнітна індукція [9, с.314; 24,с. 151; 35,с. 209]. Виникнення ЕРС індукції в рухомих провідниках [9, с.314]. Струми Фуко [9,с. 320; 24,с. 159; 35, с.221]. Самоіндукція [9, с. 322; 24, с.163 ; 35, с. 214]. Правило Ленца [9, с.317; 24, с.154; 35, с.213]. Залежність ЕРС індукції від швидкості зміни магнітного потоку [9, с. 317 ; 24, с.155]. Залежність ЕРС самоіндукції від індуктивності контура та швидкості зміни сили струму [9, с.324 ; 24, с. 169 ; 35, с.213] .

Програмою передбачено виконання лабораторної роботи ”Вивчення явища електромагнітної індукції”. Робота описана в підручниках.