Цель: дать понятие о явлении электромагнитной индукции, его закономерностях и причинах, вызывающих данное явление.
Задачи:
- расширить знания учащихся о магнитных и электрических полях, ознакомив их с новым вихревым электрическим полем и фундаментальным свойством этих полей – взаимной пораждаемостью вихревого магнитного и вихревого электрического поля;
- развивать научный взгляд на природу физических явлений, убеждая учащихся в объективности законов реального мира и их познаваемости;
- развивать физическую логику, выяснять причинно-следственные связи при решении расчетных и логических задач;
- обеспечить наглядность физического эксперимента, учить наблюдательности.
Для реализации этих задач я тщательно поэлементно продумываю все части урока, так как планирование каждого занятия – это сложный в творческом отношении этап в работе каждого учителя, требующий от него профессиональных знаний, мастерства и учительской интуиции одновременно.
Вовлечь всех ребят в работу по узнаванию нового, поддерживать их активность в течение всего урока позволяет метод создания проблемных ситуаций и творческий поиск ответов на поставленные задачи. При этом на каждом уроке должна создаваться атмосфера теплоты и доброжелательности между учителем и ребятами. Ведь надо вместе решать проблемы! Состояние эмоционального настроения, увлеченность, взволнованность учителя и учащихся должны насыщать весь процесс познания.
Высокий темп урока мне удается обеспечивать комментированным управлением творческого процесса. Комментированное управление – это выработка навыка: наблюдаю – мыслю – рассуждаю – делаю выводы.
Комментированное управление состоит:
- из коллективного исполнения, когда под руководством учителя сами учащиеся мобилизуют свои силы, выясняют причинно-следственные связи явления, делают выводы и строят опорные логические цепочки;
- из обратной связи – коллективного воспроизведения: применения логических цепочек при поиске ответов на поставленные задачи, при закреплении нового материала.
Логические цепочки позволяют учить детей мыслить вслух, опираясь на опорно-логические схемы. Это способствует повышению уровня речевой культуры и сильных, и слабых учащихся, помогают свободно и логично излагать физический материал (тренировка монологической речи).
Приведу примеры составления и использования опорно-логических цепочек при введении понятия электромагнитной индукции и изучении закономерностей этого явления в 11-м классе.
Первое, что необходимо сделать учителю – вызвать живой интерес к изучению нового материала. Использую для этого катушку Томсона с принадлежностями: проводящий контур из нескольких витков медной проволоки, замкнутый на электрическую лампочку (3,5В – 4,5В), закрепленный на деревянной панельке, и набор толстых сплошных колец из меди и алюминия, свободно надеваемых на железный сердечник катушки.
Наблюдение 1. Прошу учеников внимательно наблюдать опыт и по-возможности его объяснить. Свои действия за демонстрационным столом я подробно комментирую: подключаю катушку Томсона к источнику переменного напряжения (220В), подношу проводящий контур с маленькой электрической лампочкой к сердечнику катушки Томсона и осторожно надеваю его на сердечник. Лампочка загорается, то ярче, то слабее, когда контур перемещается вдоль сердечника. Это наблюдение вызывает удивление всех учащихся. Возникает проблема: “Почему загорается лампочка, надетая на сердечник?”. Что является причиной возникновения электрического тока в замкнутом контуре? Чтобы закрепить интерес к новой теме, я провожу 2-е наблюдение: надеваю несколько колец на сердечник. Они под тяжестью падают вниз. Подключаю катушку Томсона к напряжению (~220В). Учащиеся восторженно удивлены: кольца взлетают вверх вдоль сердечника и “парят” в воздухе. Я несколько затягиваю опыт с парением колец. При отключении тока кольца падают вниз. Далее ученик, пожелающий мне помочь освободить сердечник от колец, неожиданно бросает их и говорит, что они сильно нагреты и обжигают руки. Это еще больше удивляет их. Я кратко комментирую опыт. Все, что сейчас наблюдали ученики (свечение лампочки проводящего контура и нагревание сплошных колец) – это проявление явления электромагнитной индукции в разных вариантах, которые широко используются в технике, в частности, для плавки металлов в вакууме и производства электроэнергии. А ведь электроэнергетика – это основа промышленного производства и экономики любой страны. Оно проникло во все стороны человеческой деятельности, и, сегодня делает нашу жизнь такой комфортной.
Итак, задача нашего урока следующая: выяснить причину возникновения электромагнитной индукции и ее закономерности. Возвращаемся к опыту №1 и попытаемся его объяснить: Почему загорается лампочка? Почему нагреваются кольца? Слушаю разные мнения учащихся. Но для того, чтобы был сформулирован верный ответ, надо с большой тщательностью повторить отдельные вопросы электродинамики 10 класса, учитывая то обстоятельство, что юноши и девушки легко забывают прошлогодний материал. Для быстрого и осмысленного повторения я применяю транспаранты к графопроектору (или в бумажном исполнении на доске). Подключаю весь класс к репродуктивному мышлению, ставя и решая одну задачу за другой, не снижая темпа.
С помощью транспаранта №1 учащиеся в процессе беседы воспроизводят в памяти необходимые знания: условия возникновения тока в замкнутой цепи.
1. Ток в замкнутой электрической цепи возникает
тогда, когда в цепи действуют сторонние силы. Они
работают в источнике, разделяют заряды и
накапливают их на полюсах, обеспечивая
постоянную разность потенциалов на полюсах
источника тока. А значит во внешней цепи,
подключенной к зажимам источника тока, создается
электрическое поле, которое перемещает заряд q от
к 
2. Мерой работы сторонних сил в источнике тока является Э.Д.С. источник тока.
3. Величина тока I в замкнутой цепи определяется по закону Ома:
4. Если же внешнюю цепь разомкнуть, то на концах разомкнутой цепи будет разность потенциалов, численно равная ЭДС источника.
Повторив эти положения, возвращаемся к опыту №1, ученики из активной беседы формулируют (путем отбора предложений) вывод:
Чтобы в замкнутой цепи возник ток, в ней должны действовать сторонние силы (правило №1).
Вопрос: Какова природа сторонних сил в этом опыте? Что работает внутри контура и зажигает лампочку? Какие сторонние силы могут привести свободные заряженные частицы в проводнике в направленное движение?
Идет отбор предложений. Кто-то из учащихся предлагает, что сторонними силами может быть магнитное поле сердечника. “Оно приводит в движение свободные заряженные частицы в контуре”. Но другие учащиеся высказываются отрицательно, так как знают из предыдущей темы правило: магнитное поле действует только на движущиеся заряды, поэтому магнитное поле сердечника не может их привести в движение. И только сейчас ученики понимают, что неподвижные заряженные частицы в проводящем контуре может привести в движение только электрическое поле. Да! Оно действует в плоскости контура! Оно направленно горизонтально, перпендикулярно магнитным силовым линиям сердечника! Но откуда оно взялось? Новая проблема!
Чтобы ученики дали правильный ответ, я предлагаю наблюдать следующий опыт: подключаю ту же катушку Томсона к источнику постоянного тока. Вношу в магнитное поле сердечника проводящий контур. Лампочка не зажигается, тока в контуре нет! А в опыте №1 ток в проводящем контуре есть! Почему? Новая проблема.
Прошу учащихся сравнить магнитные поля в пространстве вокруг сердечника и сформулировать ответ на вопрос. Он однозначен: только переменное магнитное поле могло создать вокруг себя переменное электрическое поле, которое действует в плоскости контура, перпендикулярно линиям индукции магнитного поля катушки и сердечника, и создает электрический ток в контуре. В этом учащиеся убеждаются на опыте при изменении плоскости ориентации контура относительно магнитопровода катушки с переменным током.
Продолжаем рассуждать используя транспарант №2. Это новый вид электрического поля: оно вихревое, его силовые линии в отличие от электрического поля замкнуты. Оно не связано с зарядами. Оно порождается переменным магнитным вихревым полем и его всегда можно обнаружить в пространстве вокруг переменного магнитного поля с помощью замкнутого проводящего контура. В этом еще раз убеждаются учащиеся, наблюдая за другим традиционным опытом с дроссельной катушкой, замкнутой на гальванометр, и постоянным магнитом.
На вопрос: “Что работает в проводящем контуре?” или “Что является причиной возникновения электрического тока в проводящем контуре, помещенном в переменное магнитное поле?”, учащиеся сознательно отвечают: “Работают сторонние силы в виде вихревого поля. Эта работа измеряется ЭДС, действующей вдоль контура и создающей в контуре электрический ток, величина которого прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна сопротивлению контура по закону Ома:
Установив причину возникновения тока в контуре, вместе с классом строим рисунок и составляем логическую цепочку процесса возникновения электромагнитной индукции. Процесс построения комментируется учителем и вырастает на “глазах” ребят.
R – это сопротивление проводящего контура [Ом].
S – площадь, ограниченная проводящим контуром [м2].
N – число витков в проводящем контуре.
~
Фвнеш.S –
переменный внешний магнитный поток,
пронизывающий контур площадью S.
Эта цепочка раскрывает причинно-следственные связи явления. Пользуясь ею, учащиеся сознательно объясняют явление электромагнитной индукции. Цепочку можно читать слева направо, справа налево, или с середины, как захотят ребята.
Составляем правило вслух, сопровождая слова движением указки. Пробуем читать логическую цепочку слева направо.
- Явление, при котором переменный внешний магнитный поток, пронизывающий проводящий контур, наводит в нем ЭДС индукции, которая в замкнутом контуре создает индукционный ток, а в разомкнутом контуре индукционную разность потенциалов, численно равную ЭДС индукции.
- Справа налево читается так: Явление
возникновения индукционного тока в замкнутом
контуре под действием
, возникающей в контуре при изменении
внешнего магнитного потока, пронизывающего
данный контур. - Явлением электромагнитной индукции (Э.М.И.)
называется явление возникновения ЭДС индукции в
проводящем контуре под действием переменного
внешнего магнитного потока, пронизывающего
данный контур, в результате чего в замкнутом
контуре возникает индукционный ток
, а в разомкнутом контуре –
индукционная разность потенциалов, численно
равная ЭДС индукции 
Далее, эту цепочку дополняем знаниями, добытыми из серии опытов с дроссельной катушкой, замкнутой на гальванометр, с разным числом витков, с разной скоростью движения магнита, объясняющей от чего зависит величина ЭДС индукции. Формулируем закон Фарадея, введя понятие скорости изменения магнитного потока. Дописываем цепочку. В конечном виде она выглядит так, как изображено на транспаранте №3.
Теперь следующая задача. Используя логическую цепочку, научить учащихся анализу и алгоритму решения задач по данной теме. Не мешает повторение сведений по магнитному потоку, используя готовый транспарант №4.
Пример решения расчетно-логической задачи с постановкой вопросов, следующих друг за другом.
В проводящем контуре сопротивлением R=5.Ом изменяется магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, так, как показано на графике зависимости Ф от t. Ответить на вопросы:
- В какие промежутки времени в проводящем контуре возникает ЭДС индукции? Объяснить.
- В какие промежутки времени ЭДС индукции будет максимальной? Объяснить и рассчитать.
- Построить график зависимости ЭДС индукции от
времени в соответствии с графиком зависимости Ф
от t. Что означает знак (-) (Ответ: направление
индукционного тока).
- В какие моменты времени в пространстве, окружающим проводящий контур, возникнет вихревое поле?
- В какие моменты времени в проводящем контуре возникает индукционный ток? Как его можно рассчитать (Ответ: по закону Ома).
- Как бы вы рассчитали напряженность вихревого
электрического поля в проводнике. (Ответ: Е=
В расчетных задачах я требую, чтобы учащиеся выполняли анализ условия по алгоритму в такой последовательности:
Анализ:
- Явление электромагнитной индукции: ~
- По закону Фарадея:
или 
- q – заряд, протекающий в контуре за время
- Eвихр.эл.п.
t: 
В виде расчетной задачи можно предложить следующую:
Плоская рамка площадью 0,1м2, ограниченная
проводящим контуром с сопротивлением 5.Ом,
находится в магнитном поле, индукция которого за
время t изменяется от
2Тл до -2Тл. Какой заряд протечет по контуру за
время t, если вектор
индукции перпендикулярен плоскости рамки.
Методом указанного анализа учащиеся легко получают расчетную формулу для заряда:
Вызывают затруднение у ребят логические задачи.
Пример 1. На транспаранте изображено неоднородное магнитное поле с силовыми линиями, идущими из плоскости листа. Две одинаковые проволочные рамки движутся с одинаковыми скоростями в разных направлениях. В каком случае возникнет ток в рамке? Можно дать ответ на выбор:
- только в I рамке
- только во II рамке
- в обоих рамках
- ни в одной рамке
Многие учащиеся выбирают ошибочный ответ 3), упуская из логической цепочки главное: изменение магнитного потока ?Фs с течением времени, а это происходит только в I рамке. Верный ответ 1).
Допускают ошибки в логических задачах в тех случаях, когда необходимо представить изменение магнитного потока при поворотах рамки в однородном магнитном поле.
Пример 2. Одна и та же рамка вращается в
одном и том же однородном магнитном поле вокруг
вертикальной оси (I случай), в другом случае
вокруг горизонтальной оси (II случай), с
одинаковой частотой. В какой из них возникнет
индукционный ток? Одинакова ли будет в рамках?
Ученики делают ошибки, так как не могут оценить изменение магнитного потока при повороте рамки. Надо им помочь представить, как изменяется число силовых линий (условно), проходящих через площадь рамки (к примеру: 100 силовых линий через площадь рамки – это соответствует Фs max, то при повороте рамки их число уменьшается, следовательно и Фs тоже уменьшается, и т.д. ). Ответ: только в I рамке.
Пример 3. В однородном магнитном поле вокруг
оси ОО1 с одинаковой частотой вращаются
две рамки. Возникнет ли в обоих рамках? В какой из них
возникнет большая ЭДС?
Учащиеся, отвечая на вопрос, используя
логическую цепочку, сравнивая изменение
магнитного потока при повороте на одинаковые
углы, должны использовать формулу и 
и 
, так как 
, S1=S2, и углы 
при повороте изменяются
одинаково.
Подводя итоги, анализируя ошибки, еще раз
напоминаем ученикам, что главное в явлении
электромагнитной индукции является левая часть
логической цепочки, проявляющаяся в законе
Фарадея в виде выражения: 
. А знак минус в формуле
Фарадея, определяет направление индукционного
тока. Знать это правило необходимо потому, что
знак (-) – это проявление закона природы и его
надо не только видеть, читать, но и понимать, так
как без знания правила Ленца человек не смог бы
создать индукционные генераторы электрической
энергии – основу энергетики, ни трансформаторов,
ни электродвигателей.
Понять правило Ленца и научиться применять его на практике – задача следующих уроков.