Урок-открытие по теме "Электромагнитная индукция"

Цели урока:

• познакомиться с новыми свойствами электрического и магнитного полей, с явлением электромагнитной индукции; выяснить, что гипотеза и эксперимент являются методами научного познания;
• расширить кругозор при изучении истории открытия электромагнитной индукции; выявить место этого явления в жизни людей, изучить его практическое значение, развить интерес учащихся к предмету.
• воспитание убеждённости в возможности познания законов и использовании их в практической жизни на благо человека, а также воспитания уважения к учёным, которые отдавали себя науке целиком.

Оборудование: гальванометр, две катушки, магнит, реостат, ключ, подковообразный магнит, соединительные провода, стальной стержень, источник питания; интерактивная доска.

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Новый материал.

Учитель: Здравствуйте! Мы с вами продолжаем изучать электродинамику – физику электромагнитных явлений. Сегодня у нас необычный урок. Мы попытаемся «открыть» новое для вас явление, которое было открыто Майклом Фарадеем в XIX веке. Это явление – электромагнитная индукция. Цель нашего урока – ознакомиться со свойствами уже известных вам электрического и магнитного полей, убедиться в единстве материального мира, убедиться в том, что гипотеза и эксперимент являются методами познания мира; Выявить место этого явления в электродинамике, в физике в целом и в жизни людей.

На открытие нам отводится всего 45 минут, Майкл Фарадей решал эту задачу 10 лет.

Давайте представим себе, что мы с вами находимся в XIX веке, в лаборатории Фарадея. Конечно, наши приборы отличаются от тех, что были тогда, да и многое из того, о чём Фарадей даже не догадывался, нам уже известно. Ему потребовалось для открытия годы, заполненные поисками, догадками, удачными и неудачными экспериментами. Как известно в науке нет столбовой дороги, и отрицательный результат не менее важен для учёного, чем положительный.

Фарадей годами носил в жилетном кармане маленький полосовой магнитит и проволочную катушку как постоянное напоминание о ещё нерешенной проблеме. Его дневники заполнялись аккуратно сделанными записями о результатах бесчисленных экспериментов.

Пусть наши тетради станут на сегодняшнем уроке рабочими дневниками, в которые мы будем заносить результаты наших исследований.

Открываем тетради и записываем: «ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ».

Давайте сейчас вспомним тот рубеж, на котором мы остановились при изучении электродинамики. Вы знаете, что вокруг любых неподвижных зарядов существует электрическое поле, а если эти заряды заставить упорядоченно двигаться, т.е. создать электрический ток, то вокруг этих упорядоченно движущихся зарядов возникает магнитное поле. Очевидно, что между электрическим и магнитным полями существует теснейшая зависимость.

Электрический ток способен намагнитить кусок железа, а не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока?

Итак, выдвигаем проблему МОЖЕТ ЛИ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ВЫЗВАТЬ ПОЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА?

Обратимся к эксперименту. Возьмём гальванометр, полосовой магнит, две катушки, реостат, ключ, источник питания. Вспомним назначение каждого из этих устройств и условное обозначение на схеме.

(фронтальный опрос – беседа)

Воросы:

• Для чего служит гальванометр?
• Как обозначается на схеме?
• Для чего служит реостат?
• Как обозначается на схеме?
• Что вы знаете об этом предмете? (полосовой магнит)
• Что произойдёт, если по проводнику пропустить электрический ток?
• А для чего нужен ключ в электрических цепях?
• Для чего служит источник питания?

Учитель: Катушка представляет собой проводник, намотанный на каркас. Такая катушка соединённая с источником питания, представляет собой электромагнит. Следовательно, если мы катушку соединим с источником питания, то вокруг неё возникает магнитное поле. А для чего нужен ключ в электрических цепях?

Учитель: А теперь переходим к экспериментам, но прежде давайте ещё раз вспомним какую проблему мы хотим решить.

У нас имеется полосовой магнит, вокруг которого существует магнитное поле, катушка – проводник, в котором должен появиться электрический ток, и гальванометр, который должен зафиксировать появление тока.

(Проводится эксперимент: магнит располагается рядом с катушкой, катушка присоединяется к гальванометру).

Вопрос по ходу эксперимента: Появился ток?

Ответ: Нет

Вопрос по ходу эксперимента: Изменим положение катушки магнита. Магнит помещаем в катушку. Есть ток?

Ответ: Нет.

Учитель: Долгое время учёным также, как и нам сейчас не удавалось обнаружить связь тока и магнитного поля. Почти одновременно с Фарадеем получить электрический в катушке с помощью магнита пытался швейцарский физик Колладон. Индикатор тока – гальванометром служила лёгкая магнитная стрелка. Что бы избежать влияние на неё постоянного магнита, который вдвигался в катушку, эта стрелка была вынесена в соседнюю комнату, туда же были протянуты провода от катушки. Вставив магнит в катушку, Колладон шел в соседнюю комнату и с огорчением убеждался, что гальванометр ничего не показывает. Изменим опыт. Соединим катушку с гальванометром, а затем внесём магнит в катушку и вынесем из катушки. (Опыт проводит ученик)

Вопрос по ходу эксперимента: Что мы видим?

Ответ: В катушке появился электрический ток!

Вопрос по ходу эксперимента: Почему он не появлялся в первых двух случаях и появился сейчас?

Ответ: Магнит был неподвижен, а теперь двигается.

Учитель: совершенно верно. Трудно было додуматься до главного, а именно только движущийся магнит или меняющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в катушке. Что же помешало Колладону сделать это открытие?

Класс: Во время движения магнита он должен был находиться у гальванометра, а он в это время был у магнита.

Учитель: Правильно. Открыть явление электромагнитной индукции помешала неправильная постановка опыта.

А можно этот же опыт провести иначе, если в качестве магнита взять ещё одну катушку, соединённую с источником питания. (Учитель собирает цепь и поясняет).

Одна катушка подключена к источнику питания, создаёт магнитное поле, а во второй во время её движения должен появиться электрический ток. (Вызванный к доске ученик проводит эксперимент – поднимает и опускает катушку относительно сердечника).

Вот мы с вами и «открыли» явление электромагнитной индукции, которое заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающий контур, постоянно меняется.

Откройте учебник и найдите вывод. Давайте прочитаем его и запишем:

«В ЗАМКНУТОМ ПРОВОДЯЩЕМ КОНТУРЕ ВОЗНИКАЕТ ТОК ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ЧИСЛА ЛИНИЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ, ПРОНИЗЫВАЮЩИЙ ПОВЕРХНОСТЬ, ОГРАНИЧЕННУЮ ЭТИМ КОНТУРОМ».

Учитель: Теперь давайте послушаем несколько сообщений о Майкле Фарадее.

1 сообщение

Явление электромагнитной индукции было открыто 29 августа 1831 г. редкий случай, когда дата нового замечательного открытия известна точно. Вот описание первого опыта, данное самим Фарадеем в его работе «Экспериментальное исследования по электричеству». «На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной 203 фута (1 фут равен 30,5 см) Между её витками намотана проволока такой же длины, но изолированная от первой хлопковой нитью. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая с сильной батареей…при замыкании цепи удавалось заметить внезапное, но чрезвычайное слабое действие на гальванометр, то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще какого – либо индукционного действия на другую спираль…»

В дневнике Фарадея записана дата исторического открытия явления...

2 сообщение

Фарадей родился в предместье Лондона в 1791 году. Он рано узнал нужду, рос среди простых людей.

Варильщиц пива,
Женщин – пекарей,
И шестобитчиц видел.
И ткачих,
Портных и пошлин сборщиков на рынках,
И медников, и множество других, -

Иак описывает Хуш В. Окружение будущего учёного. Отец его был кузнецом, мать – горничной. В возрасте 14 лет он поступил в переплётную мастерскую. Увлёкшись чтением книг по электричеству и химии, он сам проделывает описанные в них опыты. В 1813 г. Фарадей поступает на работу в лабораторию профессора Деви в качестве ассистента. А затем начинает самостоятельные исследования.

3 сообщение

Вообще Фарадей не щадил себя, занимаясь наукой. Серьёзно укоротили его жизнь химические опыты, в которых обильно использовалась ртуть. Она беспрерывно (хотя и ненамеренно) проливалась на пол, а затем испарялась. Оборудование его лаборатории было абсолютно непригодным с точки зрения самой элементарной техники безопасности.

Вот письмо самого Фарадея: «В прошлую субботу у меня случился ещё один взрыв, который опять поранил мне глаза. Одна из моих трубок разлетелась с такой силой, что осколком пробило оконное стекло, точно ружейной пулей. Мне теперь лучше, я надеюсь, что через несколько дней буду видеть так же хорошо, как и раньше. Но в первое мгновение после взрыва глаза мои были прямо – таки набиты крошками стекла. Из них вынули тридцать осколков».

Золотая голова, золотые руки, невероятное упорство и любовь к науке – вот секрет успеха Фарадея.

Учитель: Открытия Фарадея получили всемирное признание. Русский учёный Столетов писал: «Никогда со времён Галилея свет не видел стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея». Скажите, вам уже Фарадея?

Ответ: Закон электролиза носит имя Фарадея.

Учитель: А теперь попробуем выяснить некоторые свойства возникающие при электромагнитной индукции тока.

Обратимся к нашему первому опыту. Попробуем двигать магнит в катушку разными полюсами. Видим, что направление возникающего в катушке индукционного тока зависит от тока, каким полюсом мы вносим магнит, - южным или северным.

Попробуем изменить скорость внесения и вынесения магнита. Что наблюдаем?

Ответ: Чем быстрее перемещается магнит относительно катушки, тем больше индукционный ток.

Учитель: Причина – изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих все витки катушки. При этом совершенно безразлично, что двигать: магнит или катушку.

Проделаем опыт с реостатом. Если изменить силу тока в катушке, то будет меняться и магнитное поле внутри неё. Это изменение также вызовет индукционный ток во второй катушке, который и зафиксирует гальванометр.

Обратимся к нашим дневникам и запишем в них эти два свойства индукционного тока:

• Направление индукционного тока зависит от ориентации полюсов магнита
• Величина индукционного тока зависит от скорости изменения числа линий магнитной индукции, пронизывающий контур. И не зависит от способа этого изменения.

Таким образом, мы выяснили и обобщили свойства возникающего индукционного тока, а более подробно познакомимся на следующих уроках.

Сейчас поговорим о применении электромагнитной индукции. Удивительно далеко вперёд смотрел Майкл Фарадей. Ведь «польза» превращения магнетизма в электричество выявилось много лет спустя. Фарадей вывел науку об электричестве из лаборатории. 3362 параграфа его знаменитой книги «опытные исследования по электричеству» - вот итог его работы. Без появления этой книги (написанной без единой формулы, но содержащий описание тончайших опытов) невозможно представить электротехнику. Там указан путь к современным электрогенераторам. Фарадей не только описал принцип действия нового устройства, но построил и испытал его.

Фарадей установил между полюсами подковообразного магнита вращающийся медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии диска) можно было снимать электрическое напряжение. Это был первый – униполярный – электрический генератор.

Сегодня без генераторов мы не можем представить себе ни энергетику, ни транспорт.

Открытие электромагнитной индукции подготовило почву для другого грандиозного открытия, сделанного Герцем, - открытие электромагнитных волн. А это, в свою очередь, вызвало развитие радио, телевидения.

Нельзя умолчать и о том, что явление электромагнитной индукции лежит в основе действия телефона.

4 сообщение.

Первый практически пригодный для передачи человеческой речи телефон изобрёл Александр Грейман Белл.

25 июня 1876 г. 29-летний Белл впервые публично продемонстрировал свой телефон на I Всемирной электротехнической выставке в Филадельфии. Каким же было первое сообщение переданное по телефону?

Белл передал своему помощнику фразу: «говорит Белл. Если вы меня слышите, то подойдите к окну и помашите шляпой».

В телефоне Белла для передачи и для приёма использовались одинаковые устройства – так называемые трубки Белла, основными деталями, которых были электромагнит и рупор с кожаной мембраной и жесткой прикреплённой ней тягой. Когда человек говорит в рупор, мембрана колебалась под действием изменяющего звукового давления и через прикреплённую к её центру тягу приводила в движение сердечник электромагнита, подсоединенного к батарее. Изменение положения сердечника относительно обмотки вызывало изменение магнитного потока. В результате в общей однопроводной цепи, соединяющий передатчик с приёмником, постоянный ток преобразовывался в переменный ток звуковой частоты.

 
Конструкция первого телефона А.Белла

Соответственно к её сердечнику другого (приёмного) электромагнита с разной силой и частотой притягивалась тяга, которая заставляла колебаться приёмную мембрану. Приёмный рупор воспроизводил те же звуки, что произносились в передающий рупор.

Давайте вспомним, с каким физическим явлением мы сегодня познакомились?

В чём состоит это явление?

III. Закрепление нового материала.

Учитель: Предлагаю разгадать кроссворд в котором отражены некоторые моменты сегодняшнего урока.

Кроссворд

Вопросы.

1. Наука об общих закономерностях природы. (физика)
2. Проводник намотанный на каркас. (катушка)
3. Катушка, соединенная с источником тока (электромагнит)
4. Явление возникновения тока в проводящем контуре при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающий его (индукция)
5. Шотландский учёный, создавший первый телефон (Белл)
6. Раздел физики, в котором изучают электромагнитные явления(электродинамика)

1
2
3
4
5
6

А теперь давайте решим экспериментальную задачу.

Катушку от универсального трансформатора (на 220 В) установили на кольце штатива и подключили к гальванометру. Над ней закрепили сильный подковообразный магнит, а внутрь ввели железный стержень (длиной 25-30 см и диаметром 6-10 мм). Перемещайте стержень от одного полюса магнита к другому.. Почему при этом возникает ток?

Ответ: при перемещении стержня от полюса к полюсу он перемагничивается. В результате магнитное поле внутри стержня и вокруг него меняется. Это изменение магнитного поля возбуждает в катушке ЭДС индукции, а последняя создаёт ток в цепи.

IV. Подведение итогов.

Вывод:

1. Мы решили поставленную проблему: выяснили, что магнитное поле может вызвать появление электрического тока, т.е. Открыли явление электромагнитной индукции.
2. Познакомились с историей этого вопроса
3. Осознали роль эксперимента в науке
4. Узнали новые факты об учёных, внесших свой вклад в развитие науки
5. Расширили свой кругозор

Пройденная тема очень важна для радиотехники.

V. Дома:

внимательно прочитайте записи урока и желающие могут подготовить презентации по теме: «Электромагнитная индукция»