Методика вивчення теми ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ

4. Методика вивчення основних питань теми

Приступаючи до вивчення електромагнітної індукції, слід актуалізувати знання учнів про особливості електричного (здатність діяти на нерухомі заряди) і магнітного полів (здатність діяти з певною силою на заряди, що рухаються, причому ця сила залежить від модуля і напрямку вектора швидкості). Це дозволить зробити висновок, що для того, щоб установити, з яким полем доводиться мати справу в даному випадку, потрібно дослідити їх дію на заряджені частинки.

Після цього доцільно познайомити учнів з ідеями Фарадея про єдину природу електричних і магнітних явищ, розповісти про те, як було відкрите явище електромагнітної індукції та його наукову і практичну значимість. На основі серії дослідів учнів детально знайомлять з явищем електромагнітної індукції та його проявами. Змоделювати історичний дослід М.Фарадея можна, використавши універсальний трансформатор з котушками на 120/220 В та 6/12 В і джерело постійного струму на 4-12 В. Котушки на 120 В і 6 В насаджують на осердя трансформатора і замикають магнітопровід ярмом. Котушку на 120 В через вимикач приєднують до джерела струму, а до котушки на 6 В приєднують гальванометр від демонстраційного вольтметра. Замикаючи і розмикаючи вимикач, спостерігають відхилення стрілки гальванометра.

Демонструючи досліди, звертають увагу на наступне:

1) котушки ізольовані одна від одної;

2) струм у другій котушці виникає лише під час замикання або розмикання кола першої котушки, тобто коли відбувається зміна значення сили струму і пов’язана з ним зміна магнітного поля, яке пронизує витки обох котушок;

3) напрям індукційного струму залежить від того чи зменшується, чи збільшується магнітний потік, що пронизує другу котушку, а також від напрямку струму в першій котушці (напрямку вектора магнітної індукції створюваного нею поля).

Дещо змінивши установку (ярмо встановлюють на осердя вертикально і одягають на нього другу котушку), демонструють виникнення індукційного струму під час руху котушок одна відносно одної. Слід також показати, що індукційний струм виникає й у випадку руху прямого провідника в магнітному полі, якщо останній перетинає лінії магнітної індукції.

Після цього подібні досліди доцільно провести з котушкою та постійним магнітом.

Аналізуючи результати дослідів учні повинні прийти до таких висновків:

1. Змінне магнітне поле здатне породжувати електричне поле, яке спричиняє виникнення індукційного струму в замкнутому контурі.

2. Напрям індукційного струму залежить:

а) від характеру зміни магнітного потоку, що пронизує контур (наростає потік, чи спадає), або напрямку руху провідника в магнітному полі;

б) від напрямку вектора магнітної індукції поля.

3. Сила струму індукції в даному замкнутому провіднику залежить від швидкості зміни магнітного потоку, що пронизує контур.

Аналізуючи різні випадки виникнення ЕРС індукції, підводять учнів до узагальненого висновку, що за будь-якої зміни магнітного потоку, що пронизує контур, у ньому виникає ЕРС індукції (індукційний струм, якщо контур замкнутий) незалежно від того, чим зумовлена зміна потоку. ЕРС індукції відіграє ту ж роль, що й ЕРС джерела струму в колі.

Подальша задача полягає в тому, щоб знайти кількісний вираз закону для визначення ЕРС індукції. Для цього потрібно звернути увагу учнів на те, що з усіх поставлених дослідів випливає висновок про залежність значення індукційного струму, а отже й ЕРС індукції, від швидкості зміни магнітного потоку через замкнутий контур.

Потім розглядають рух провідника у магнітному полі з швидкістю v і, спираючись на знання учнів про дію сили Лоренца на рухомі заряди, виводять формулу . З’ясовують також, що у початковій момент через контур проходить магнітний потік Ф1 а коли провідник переміститься – Ф2. За час руху Δt магнітний потік змінився на величину ΔФ=Ф1-Ф2 отже

Аналізуючи отриману формулу, підкреслюють, що неодмінною умовою виникнення ЕРС індукції є зміна магнітного потоку, а значення ЕРС залежить від швидкості зміни цього потоку.

Важливим моментом у вивченні теми є встановлення правила для визначення напрямку індукційного струму та знаку ЕРС. Для цього вводять постійний магніт у виток і за відхиленням стрілки гальванометра визначають напрямок індукційного струму у витку. Звертають увагу на те, що магнітний потік, який пронизує контур витка, змінювався, і пропонують учням пов’язати напрям вектора індукції магнітного поля і характер зміни потоку магнітної індукції з напрямком індукційного струму. За напрямком струму, одним з відомих учням способів, визначають напрямок вектора магнітної індукції його поля, наприклад у центрі витка, і зміну в тій же точці вектора магнітного поля магніту. З’ясовують, що коли магніт підводять до котушки, то індукція магнітного поля збільшується. Індукційний струм, що виникає, має такий напрямок, що вектор індукції створеного ним магнітного поля протилежний вектору індукції магнітного поля магніту. Якщо магніт віддаляти – напрямки векторів індукції магнітних полів, створених індукованим у котушці струмом і магнітом, співпадають. Отже, індукційний струм має такий напрямок, що створений ним магнітний потік перешкоджає зміні магнітного потоку , який його спричинив. Використавши прилад для демонстрації правила Ленца перевіряють одержаний висновок і демонструють відсутність індукованого струму у розрізаному кільці.

Додатковим варіантом експерименту може служити дослід, установка для якого показана на (мал. 54 ) Під час замикання кола котушки кільце відштовхується від осердя, під час розмикання – притягується.

Мал. 55

Слід звернути увагу учнів на те, що правило Ленца випливає з закону збереження енергії і тому може бути виведене на основі таких міркувань. Піднятий на висоту h над витком магніт має потенціальну енергію W1 = mgh. Якщо немає індукційних струмів (виток не замкнутий), то mgh = mv2/2, де v – швидкість магніту на рівні витка. Потенціальна енергія повністю перетворюється в кінетичну. Якщо ж виток замкнутий, то в ньому виникає індукційний струм і частина механічної енергії перейде в енергію електричного струму. Швидкість падіння магніту повинна зменшуватися. Отже, магніт повинен відштовхуватися витком, і на стороні витка, зверненої до магніту, виникає однойменний магнітний полюс. Таким чином, приходять до того ж правила Ленца.

Ознайомлення учнів з явищем самоіндукції доцільно провести в такій послідовності.

1. На основі демонстраційного експерименту знайомлять учнів з явищем самоіндукції [9, с. 322; 24, с. 163; 35, с. 214], та з’ясовують його механізм.

2. Змінюючи кількість витків котушки та використовуючи різні осердя показують, що явище проявляється по різному для різних контурів (провідників) залежно від форми, кількості витків, наявності осердя, способів намотування і ін. Звертають увагу на те, що магнітний потік, який пронизує площу, обмежену контуром, пропорційний силі струму Ф ~ I і вводять нову фізичну величину – індуктивність або коефіцієнт самоіндукції контура L. Тоді значення магнітного потоку, що виникає в контурі під час протікання струму, можна виразити через силу струму і індуктивність так: Ф = LI.

3. На основі загального закону електромагнітної індукції дедуктивним шляхом одержують формулу для визначення ЕРС самоіндукції:

і роблять висновок, що ЕРС самоіндукції пропорційна швидкості зміни сили струму в колі.

4. З’ясовують, що індуктивність визначає ЕРС самоіндукції, яка може виникнути в даному контурі при зміні сили струму в ньому на 1 А за 1 с та вводять одиницю індуктивності 1 Гн як індуктивність такого контура, в якому при зміні сили струму на 1 А за 1 с виникає ЕРС самоіндукції 1 В.

5. Розглядають прояви цього явища в техніці, необхідність врахування та приклади використання.

У тому, що магнітне поле має енергію учні переконуються при спостереженні спалахування неонової лампочки або лампочки розжарення, приєднаних паралельно котушці, виникнення сильного іскрового розряду, а то й дуги, під час розмикання вимикача в колі з великою індуктивністю та їх аналізу з точки зору закону збереження енергії. Доцільно також привернути увагу учнів на аналогію між проявом самоіндукції та наданням нерухомому тілу певної швидкості. У результаті учні мають прийти до висновку, що явище електромагнітної індукції (самоіндукції) підпорядковане закону збереження і перетворення енергії. За рівномірної зміни сили струму в контурі, джерело струму виконує роботу проти індукційного електричного поля, яке протидіє наростанню струму. Енергія створеного магнітного поля дорівнюватиме цій роботі, тобто

Врахувавши, що IC=Imax/2, ΔI=Imax одержують формулу для визначення енергії магнітного поля контуру із струмом:

[18, с.33].

Аналізуючи досліди, з’ясовують, які сили обумовлюють рух електричних зарядів у провідниках. Учням відомо, що на електричні заряди можуть діяти електричні й магнітні сили. Останні в тому випадку, якщо заряди рухаються, наприклад, за наявності струму в провідниках. Оскільки ж на початку досліду струму в провідниках не було, спричинити впорядкований рух електричних зарядів могло лише електричне поле. Його дія спостерігається при зміні магнітного поля. Існування струму в замкнутому контурі свідчить про те, що силові лінії індукційного електричного поля, на відміну від поля електростатичного, замкнуті. Користуючись правилом Ленца, можна визначити напрямок вектора напруженості в кожній точці поля.

На закінчення корисно підвести підсумок вивченого, повторити й узагальнити найважливіші відомості про електричні й магнітні поля, звернувши увагу учнів на наступне.

1. Магнітне поле, що змінюється, спричинює появу особливого вихрового електричного поля, яке й забезпечує рух носіїв зарядів по замкнутому колу. При цьому ЕРС індукції тим більша, чим менший час, протягом якого змінюється магнітний потік.

2. Провідний контур є всього лише індикатором індукованого електричного поля, яке може існувати й без нього, зокрема у вакуумі.

5. Типові задачі

Формування вмінь і навичок застосовувати знання здобуті в процесі вивчення теми здійснюється на основі розв’язування задач, які за змістом можна поділити на такі види:

На визначення напрямку індукційного струму (застосування правила Ленца).

Визначити напрям руху магніту на зображеного на малюнку.

На застосування закону Фарадея:

У витку, виготовленому з алюмінієвого дроту довжиною 10 см і площею поперечного перерізу 1,4 мм2 (мал. 56), швидкість зміни магнітного потоку 10 мВб/с. Знайти силу індукційного струму.
Мал. 56

На визначення ЕРС індукції в рухомих провідниках:

Реактивний літак, що має розмах крил 50 м, летить горизонтально зі швидкістю 800 км/год. Визначте різницю потенціалів, що виникає між кінцями крил, якщо вертикальна складова індукції магнітного поля Землі дорівнює 5•105 Тл. Чи можна використовувати цю різницю потенціалів для вимірювання швидкості польоту літака?

На визначення ЕРС самоіндукції

Яка ЕРС самоіндукції збуджується з обмотці електромагніту з індуктивністю 0,4 Гн під час рівномірної зміни сили струму в ній на 5 А за 0,02 с?

На визначення енергії магнітного поля

При зміні сили струму в котушці, індуктивність якої L, в n разів енергія магнітного поля змінилася на ΔW. Визначити початкове значення енергії W та сили струму І.

Комбіновані задачі

Два металевих стрижні розташовані вертикально і замкнуті вгорі провідником. По цим стержням без тертя і порушення контакту ковзає перемичка довжиною 0,5 см і масою 1 г. Уся система знаходиться в однорідному магнітному полі з індукцією 10–2 Тл, перпендикулярному до площини рамки. Швидкість руху перемички, що встановилася – 1 м/с. Знайдіть опір перемички. Опором стрижнів і дроту знехтувати.

6. Організація контролю і обліку знань учнів

Контроль знань учнів доцільно організувати, враховуючи ті дидактичні завдання, які мають бути реалізовані в процесі вивчення теми. Для перевірки якості засвоєння учнями основних понять та формул доцільно провести фізичний диктант.

Для з’ясування рівня сформованості вмінь застосовувати правило Ленца, закон електромагнітної індукції та визначати ЕРС індукції в рухомих провідниках можна провести самостійну роботу, що включає задачі-малюнки на визначення напрямку індукційних струмів за різних умов їх виникнення та розрахункові задачі на визначення ЕРС індукції.

На останньому уроці після узагальнення навчального матеріалу проводять контрольну роботу.

Запитання для самоконтролю

1. Які освітні завдання мають бути вирішені під час вивчення теми „Електромагнітна індукція”?
2. Яка послідовність вивчення теми?
3. Які можливі підходи до вивчення явища електромагнітної індукції?
4. Як пояснити правило Ленца з точки зору закону збереження й перетворення енергії?
6. Як ввести поняття індуктивності контуру?
5. Яка роль фізичного експерименту під час вивчення теми?
6. Які демонстрації можуть бути поставлені для перевірки правила Ленца?
7. Які вміння мають бути сформовані в процесі розв’язування задач з теми?
8. Які основні види задач мають бути розв’язані під час вивчення теми?

Попередня сторінка На початок сторінки Наступна сторінка







© 2003-2023 Методика навчання фізики в середній школі | Хостинг: RCHosting