План занятия
Тема занятия: Лабораторная работа: «Изучение явления электромагнитной индукции»
Вид занятия - смешанный.
Тип занятия комбинированный.
Учебные цели занятия : изучить явление электромагнитной индукции
Задачи занятия :
Образовательная: изучить явление электромагнитной индукции
Развивающие. Развивать умение наблюдать, формировать представление о процессе научного познания.
Воспитательная. Развивать познавательный интерес к предмету, вырабатывать умение слушать и быть услышанным.
Планируемые образовательные результаты: способствовать усилению практической направленности в обучении физики, формировании умений применять полученные знания в различных ситуациях.
Личностные: с пособствовать эмоциональному восприятию физических объектов, умению слушать, ясно и точно излагать свои мысли, развивать инициативу и активность при решении физических задач, формировать умение работать в группах.
Метапредметные: р азвивать умение понимать и использовать средства наглядности (чертежи, модели, схемы). Развитие понимания сущности алгоритмических предписаний и умений действовать в соответствии с предлагаемым алгоритмом.
Предметные: о владеть физическим языком, умением распознавать соединения параллельные и последовательные, умение ориентироваться в электрической схеме, собирать схемы. Умение обобщать и делать выводы.
Ход занятия:
1. Организация начала урока (отметка отсутствующих, проверка готовности студентов к уроку, ответы на вопросы студентов по домашнему заданию) - 2-5 мин.
Преподаватель сообщает учащимся тему урока, формулирует цели урока и знакомит учащихся с планом урока. Учащиеся записывают тему урока в тетради. Преподаватель создает условия для мотивации учебной деятельности.
Освоение нового материала:
Теория. Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется.
Магнитное поле в каждой точке пространства характеризуется вектором магнитной индукции В. Пусть замкнутый проводник (контур) помещаем в однородное магнитное поле (см. рис.1.)
Рисунок.1.
Нормаль к плоскости проводника составляет угол с направлением вектора магнитной индукции .
Магнитным потоком Ф через поверхность площадью S называется величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь S и косинус угла между векторами и .
Ф=В S cos α (1)
Направление индуктивного тока, возникающего в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него определяется правилом Ленца: возникающий в замкнутом контуре индуктивный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
Применять правило Ленца надо так:
1. Установить направление линий магнитной индукции В внешнего магнитного поля.
2. Выяснить, увеличивается ли поток магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (Ф 0), или уменьшается ( Ф 0).
3. Установить направление линий магнитной индукции В" магнитного поля
индуктивного тока I пользуясь правилом буравчика.
При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в последнем появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС, называемые ЭДС индукции.
Согласно закону электромагнитной индукции, ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
Приборы и оборудование: гальванометр, источник питания, катушки с сердечником, дугообразный магнит, ключ, соединительные провода, реостат.
Порядок выполнения работы:
1. Получение индукционного тока. Для этого нужно:
1.1. Используя рисунок 1.1., собрать схему, состоящую из 2х катушек, одна из которых подключается к источнику постоянного тока через реостат и ключ, а вторая располагаясь над первой, подключена к чувствительному гальванометру. (см. рис. 1.1.)
Рисунок 1.1.
1.2. Замкнуть и разомкнуть цепь.
1.3. Убедиться в том, что индукционный ток возникает в одной из катушек в момент замыкания электрической цепи катушки, неподвижной относительно первой, при этом наблюдая направление отклонения стрелки гальванометра.
1.4. Привести в движение катушку, соединенную с гальванометром, относительно катушки, подключенной к источнику постоянного тока.
1.5. Убедиться в том, что гальванометр обнаруживает возникновения электрического тока во второй катушке при всяком ее перемещении, при этом направление стрелки гальвонометра будет изменяться.
1.6. Выполнить опыт с катушкой соединенной с гальванометром (см. рис. 1.2.)
Рисунок 1.2.
1.7. Убедиться в том, что индукционный ток возникает при движении постоянного магнита относительно катушки.
1.8. Сделать вывод о причине возникновения индукционного тока в проделанных опытах.
2. Проверка выполнения правила Ленца.
2.1. Повторить опыт из пункта 1.6.(рис.1.2.)
2.2. Для каждого из 4х случаев данного опыта зарисовать схемы (4 схемы).
Рисунок 2.3.
2.3. Проверить выполнения правила Ленца в каждом случае и заполнить по этим данным таблицу 2.1.
Таблица 2.1.
N опыта | Способ получения индукционного тока | ||||
Внесение в катушку северного полюса магнита | возрастает |
||||
Удаление из катушки северного полюса магнита | убывает |
||||
Внесение в катушку южного полюса магнита | возрастает |
||||
Удаление из катушки южного полюса магнита | убывает |
3. Сделать вывод о проделанной лабораторной работе.
4. Ответить на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы:
1. Как должен двигаться замкнутый контур в однородном магнитном поле, поступательно или вращательно, чтобы в нём возник индуктивный ток?
2. Объясните, почему индуктивный ток в контуре имеет такое направление, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока его вызвавшего?
3. Почему в законе электромагнитной индукции стоит знак « - »?
4. Сквозь намагниченное кольцо вдоль его оси падает намагниченный стальной брусок, ось которого перпендикулярна плоскости кольца. Как будет изменяться ток в кольце?
Допуск к лабораторной работе 11
1.Как называется силовая характеристика магнитного поля? Её графический смысл.
2.Как определяется модуль вектора магнитной индукции?
3.Дайте определение единицы измерения индукции магнитного поля.
4.Как определяется направление вектора магнитной индукции?
5.Сформулируйте правило буравчика.
6.Запишите формулу расчета магнитного потока. Каков его графический смысл?
7.Дайте определение единицы измерения магнитного потока.
8.В чем заключается явления электромагнитной индукции?
9.Какова причина разделения зарядов в проводнике, движущемся в магнитном поле?
10.Какова причина разделения зарядов в неподвижном проводнике,находящемся в переменном магнитном поле?
11.Сформулируйте закон электромагнитной индукции. Запишите формулу.
12.Сформулируйте правило Ленца.
13.Объясните правило Ленца на основе закона сохранения энергии.
Студент должен:
уметь: обращаться с физическими приборами и использовать их при проведении лабораторных работ; исследовать явление электромагнитной индукции – определить от чего зависят величина и направление индукционного тока; пользоваться необходимой справочной литературой;
знать: методы измерения мощности, потребляемой электроприбором; зависимости мощности, потребляемой лампочкой от напряжения на её зажимах; исследовать зависимость сопротивления проводника от температуры.
Обеспеченность занятия
Оборудование и инструменты: миллиамперметр, катушка-моток, магнит дугообразный, магнит полосовой, источник постоянного тока, две катушки с сердечниками, реостат, ключ, длинный провод, соединительные провода.
Раздаточные материалы:
Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы
Индукционный ток в замкнутом контуре возникает при изменении магнитного потока через площадь, ограниченную контуром. Изменение магнитного потока через контур можно осуществить двумя различными способами:
1) изменением во времени магнитного поля, в котором находится неподвижный контур при вдвигании магнита в катушку или при выдвигании;
2) движением этого контура (или его частей) в постоянном магнитном поле (например, при надевании катушки на магнит).
Инструкция по выполнению лабораторной работы
Катушку-моток подключите к зажимам миллиамперметра, а затем надевайте и снимайте ее с северного полюса дугообразного магнита с различной скоростью (см. рисунок), и для каждого случая замечайте максимальную и минимальную силу индукционного тока и направление отклонения стрелки прибора.
Рисунок 9.1
1. Переверните магнит и вдвиньте медленно южный полюс магнита внутрь катушки, а затем выдвиньте его. Повторите опыт с большей скоростью. Обратите внимание на то, куда в этот раз отклонялась стрелка миллиамперметра.
2. Сложите два магнита (полосовой и дугообразный) одноименными полюсами и повторите эксперимент с разной скоростью движения магнитов в катушке.
3. Подключите к зажимам миллиамперметра вместо катушки длинный провод, свернутый в несколько витков. Надевая и снимая витки провода с полюса дугообразного магнита, заметьте максимальную силу индукционного тока. Сравните ее с максимальной силой индукционного тока, полученной в опытах с тем же магнитом и катушкой, и обнаружьте зависимость ЭДС индукции от длины (числа витков) проводника.
4. Проанализируйте ваши наблюдения и сделайте выводы относительно причин, от которых зависят величина индукционного тока и его направление.
5. Соберите цепь, изображенную на рисунке 1. Катушки со вставленными в них сердечниками должны быть расположены близко одна к другой и так, чтобы их оси совпадали.
6. Проведите следующие эксперименты:
а) поставьте ползунок реостата в положение, соответствующее минимальному сопротивлению реостата. Замкните цепь ключом, наблюдая за стрелкой миллиамперметра;
б) разомкните цепь ключом. Что изменилось?
в) поставьте ползунок реостата в среднее положение. Повторите опыт;
г) поставьте ползунок реостата в положение, соответствую шее максимальному сопротивлению реостата. Замкните и разомкните цепь ключом.
7. Проанализируйте ваши наблюдения и сделайте выводы.
Лабораторная работа № 10
УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРА
Студент должен:
уметь: определять коэффициент трансформации; пользоваться необходимой справочной литературой;
знать: устройство и принцип работы трансформатора.
Обеспеченность занятия
Оборудование и инструменты: источник регулируемого переменного напряжения, трансформатор лабораторный разборный, вольтметры переменного тока (или авометр), ключ, провода соединительные;
Раздаточные материалы: данные методические рекомендации по выполнению лабораторных работ.
Вы уже знаете, что вокруг электрического тока всегда существует магнитное поле. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.
Но если электрический ток, как говорят, «создаёт» магнитное поле, то не существует ли обратного явления? Нельзя ли с помощью магнитного поля «создать» электрический ток?
Такую задачу в начале XIX в. пытались решить многие учёные. Поставил её перед собой и английский учёный Майкл Фарадей. «Превратить магнетизм в электричество» - так записал в своём дневнике эту задачу Фарадей в 1822 г. Почти 10 лет упорной работы потребовалось учёному для её решения.
Майкл Фарадей (1791-1867)
Английский физик. Открыл явление электромагнитной индукции, экстратоки при замыкании и размыкании
Чтобы понять, как Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество», выполним некоторые опыты Фарадея, используя современные приборы.
На рисунке 119, а показано, что если в катушку, замкнутую на гальванометр, вдвигается магнит, то стрелка гальванометра при этом отклоняется, указывая на появление индукционного (наведённого) тока в цепи катушки. Индукционный ток в проводнике представляет собой такое же упорядоченное движение электронов, как и ток, полученный от гальванического элемента или аккумулятора. Название «индукционный» указывает только на причину его возникновения.
Рис. 119. Возникновение индукционного тока при движении магнита и катушки относительно друг друга
При извлечении магнита из катушки снова наблюдается отклонение стрелки гальванометра, но в противоположную сторону, что указывает на возникновение в катушке тока противоположного направления.
Как только движение магнита относительно катушки прекращается, прекращается и ток. Следовательно, ток в цепи катушки существует только во время движения магнита относительно катушки.
Опыт можно изменить. На неподвижный магнит будем надевать катушку и снимать её (рис. 119, б). И опять можно обнаружить, что во время движения катушки относительно магнита в цепи снова появляется ток.
На рисунке 120 изображена катушка А, включённая в цепь источника тока. Эта катушка вставлена в другую катушку С, подключённую к гальванометру. При замыкании и размыкании цепи катушки А в катушке С возникает индукционный ток.
Рис. 120. Возникновение индукционного тока при замыкании и размыкании электрической цепи
Можно вызвать появление индукционного тока в катушке С и путём изменения силы тока в катушке А или движением этих катушек относительно друг друга.
Проделаем ещё один опыт. Поместим в магнитное поле плоский контур из проводника, концы которого соединим с гальванометром (рис. 121, а). При повороте контура гальванометр отмечает появление в нём индукционного тока. Ток будет появляться и в том случае, если рядом с контуром или внутри него вращать магнит (рис. 121, б).
Рис. 121. При вращении контура в магнитном поле(магнита относительно контура) изменение магнитного потока приводит к возникновению индукционного тока
Во всех рассмотренных опытах индукционный ток возникал при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь.
В случаях, изображённых на рисунках 119 и 120, магнитный поток менялся за счёт изменения индукции магнитного поля. Действительно, при движении магнита и катушки относительно друг друга (см. рис. 119) катушка попадала в области поля с большей или меньшей магнитной индукцией (так как поле магнита неоднородное). При замыкании и размыкании цепи катушки А (см. рис. 120) индукция создаваемого этой катушкой магнитного поля менялась за счёт изменения силы тока в ней.
При вращении проволочного контура в магнитном поле (см. рис. 121, а) или магнита относительно контура (см. рис. 121, б") магнитный поток менялся за счёт изменения ориентации этого контура по отношению к линиям магнитной индукции.
Таким образом,
- при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, ограниченную замкнутым проводником, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока
В этом и заключается явление электромагнитной индукции.
Открытие электромагнитной индукции принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX в. Оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники.
На основании явления электромагнитной индукции были созданы мощные генераторы электрической энергии, в разработке которых принимали участие учёные и техники разных стран. Среди них были и наши соотечественники: Эмилий Христианович Ленц, Борис Семёнович Якоби, Михаил Иосифович Доливо-Добровольский и другие, внёсшие большой вклад в развитие электротехники.
Вопросы
- С какой целью ставились опыты, изображённые на рисунках 119-121? Как они проводились?
- При каком условии в опытах (см. рис. 119, 120) в катушке, замкнутой на гальванометр, возникал индукционный ток?
- В чём заключается явление электромагнитной индукции?
- В чём важность открытия явления электромагнитной индукции?
Упражнение 36
- Как создать кратковременный индукционный ток в катушке К 2 , изображённой на рисунке 118?
- Проволочное кольцо помещено в однородное магнитное поле (рис. 122). Стрелочки, изображённые рядом с кольцом, показывают, что в случаях а и б кольцо движется прямолинейно вдоль линий индукции магнитного поля, а в случаях в, г и д - вращается вокруг оси ОО". В каких из этих случаев в кольце может возникнуть индукционный ток?
Цель работы: Изучить явление электромагнитной индукции.
Оборудование: Миллиамперметр, катушка-моток, магнит дугообразный, источник питания, катушка с железным сердечником от разборного электромагнита, реостат, ключ, провода соединительные, модель генератора электрического тока (одна на класс).
Указания к работе:
1. Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.
2. Наблюдая за показаниями миллиамперметра, подводите один из полюсов магнита к катушке, потом на несколько секунд остановите магнит, а затем вновь приближайте его к катушке, вдвигая в неё (рис. 196). Запишите, возникал ли в катушке индукционный ток во время движения магнита относительно катушки; во время его остановки.
Запишите, менялся ли магнитный поток Ф, пронизывающий катушку, во время движения магнита; во время его остановки.
4. На основании ваших ответов на предыдущий вопрос сделайте и запишите вывод о том, при каком условии в катушке возникал индукционный ток.
5. Почему при приближении магнита к катушке магнитный поток, пронизывающий эту катушку, менялся? (Для ответа на этот вопрос вспомните, во-первых, от каких величин зависит магнитный поток Ф и, во-вторых, одинаков
ли модуль вектора индукции В магнитного поля постоянного магнита вблизи этого магнита и вдали от него.)
6. О направлении тока в катушке можно судить по тому, в какую сторону от нулевого деления отклоняется стрелка миллиамперметра.
Проверьте, одинаковым или различным будет направление индукционного тока в катушке при приближении к ней и удалении от неё одного и того же полюса магнита.
4. Приближайте полюс магнита к катушке с такой скоростью, чтобы стрелка миллиамперметра отклонялась не более чем на половину предельного значения его шкалы.
Повторите тот же опыт, но при большей скорости движения магнита, чем в первом случае.
При большей или меньшей скорости движения магнита относительно катушки магнитный поток Ф, пронизывающий эту катушку, менялся быстрее?
При быстром или медленном изменении магнитного потока сквозь катушку сила тока в ней была больше?
На основании вашего ответа на последний вопрос сделайте и запишите вывод о том, как зависит модуль силы индукционного тока, возникающего в катушке, от скорости изменения магнитного потока Ф, пронизывающего этукатушку.
5. Соберите установку для опыта по рисунку 197.
6. Проверьте, возникает ли в катушке-мотке 1 индукционный ток в следующих случаях:
а) при замыкании и размыкании цепи, в которую включена катушка 2;
б) при протекании через катушку 2 постоянного тока;
в) при увеличении и уменьшении силы тока, протекающего через катушку 2, путём перемещения в соответствующую сторону движка реостата.
10. В каких из перечисленных в пункте 9 случаев меняется магнитный поток, пронизывающий катушку 1? Почему он меняется?
11. Пронаблюдайте возникновение электрического тока в модели генератора (рис. 198). Объясните, почему в рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает индукционный ток.
Рис. 196
Контрольные вопросы
1.Что такое электроемкость?
2. Дайте определение следующих понятий: переменный ток, амплитуда, частота, циклическая частота, период, фаза колебаний
Лабораторная работа 11
Изучение явления электромагнитной индукции
Цель работы: изучить явление электромагнитной индукции.
Оборудование: миллиамперметр; катушка-моток; магнит дугообразный; источник питания; катушка с железным сердечником от разборного электромагнита; реостат; ключ; провода соединительные; модель генератора электрического тока (одна).
Ход работы
1. Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.
2. Наблюдая за показаниями миллиамперметра, подводите один из полюсов магнита к катушке, потом на несколько секунд остановите магнит, а затем вновь приближайте его к катушке, вдвигая в нее (рис). Запишите, возникал ли в катушке индукционный ток во время движения магнита относительно катушки; во время его остановки.
3. Запишите, менялся ли магнитный поток Ф, пронизывающий катушку, во время движения магнита; во время его остановки.
4. На основании ваших ответов на предыдущий вопрос сделайте и запишите вывод о том, при каком условии в катушке возникал индукционный ток.
5. Почему при приближении магнита к катушке магнитный поток, пронизывающий эту катушку, менялся? (Для ответа на этот вопрос вспомните, во-первых, от каких величин зависит магнитный поток Ф и, во-вторых, одинаков ли модуль вектора индукции В магнитного поля постоянного магнита вблизи этого магнита и вдали от него.)
6. О направлении тока в катушке можно судить по тому, в какую сторону от нулевого деления отклоняется стрелка миллиамперметра.
Проверьте, одинаковым или различным будет направление индукционного тока в катушке при приближении к ней и удалении от нее одного и того же полюса магнита.
7. Приближайте полюс магнита к катушке с такой скоростью, чтобы стрелка миллиамперметра отклонялась не более чем на половину предельного значения его шкалы.
Повторите тот же опыт, но при большей скорости движения магнита, чем в первом случае.
При большей или меньшей скорости движения магнита относительно катушки магнитный поток Ф, пронизывающий эту катушку, менялся быстрее?
При быстром или медленном изменении магнитного потока сквозь катушку в ней возникал больший по модулю ток?
На основании вашего ответа на последний вопрос сделайте и запишите вывод о том, как зависит модуль силы индукционного тока, возникающего в катушке, от скорости изменения магнитного потока Ф, пронизывающего эту катушку.
8.Соберите установку для опыта по рисунку.
9. Проверьте, возникает ли в катушке-мотке 1 индукционный ток в следующих случаях:
a. при замыкании и размыкании цепи, в которую включена катушка 2;
b. при протекании через катушку 2 постоянного тока;
c. при увеличении и уменьшении силы тока, протекающего через катушку 2, путем перемещения в соответствующую сторону движка реостата.
10. В каких из перечисленных в пункте 9 случаев меняется магнитный поток, пронизывающий катушку? Почему он меняется?
11. Пронаблюдайте возникновение электрического тока в модели генератора (рис.). Объясните, почему в рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает индукционный ток.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте закон электромагнитной индукции.
2. Кем и когда был сформулирован закон электромагнитной индукции?
Лабораторная работа 12
Измерение индуктивности катушки
Цель работы: Изучение основных закономерностей электрических цепей переменного тока и знакомство с простейшими способами измерения индуктивности и емкости.
Краткая теория
Под действием переменной электродвижущей силы (ЭДС) в электрической цепи, в ней возникает переменный ток.
Переменным называется такой ток, который изменяется по направлению и по величине. В данной работе рассматривается только такой переменный ток, величина которого изменяется периодически по синусоидальному закону.
Рассмотрение синусоидального тока вызвано тем обстоятельством, что все крупные электростанции вырабатывают переменные токи, весьма близкие к синусоидальным токам.
Переменный ток в металлах представляет собой движение свободных электронов то в одном, то в противоположном направлении. При синусоидальном токе характер этого движения совпадает с гармоническими колебаниями. Таким образом, синусоидальный переменный ток имеет период Т время одного полного колебания и частоту v число полных колебаний за единицу времени. Между этими величинами имеется зависимость
Цепь переменного тока, в отличие от цепи постоянного тока, допускает включение конденсатора.
https://pandia.ru/text/80/343/images/image073.gif" alt="http://web-local.rudn.ru/web-local/uem/ido/8/Image443.gif" width="89" height="24">,
|
называемая полным сопротивлением или импедансом цепи. Поэтому выражение (8) называют законом Ома для переменного тока.
В данной работе активное сопротивление R катушки определяется при помощи закона Ома для участка цепи постоянного тока.
Рассмотрим два частных случая.
1. В цепи отсутствует конденсатор . Это значит, что конденсатор отключается и вместо него цепь замыкается проводником, падение потенциала на котором практически равно нулю, то есть величина U в уравнении (2) равна нулю..gif" alt="http://web-local.rudn.ru/web-local/uem/ido/8/Image474.gif" width="54" height="18">.
|
|
2. В цепи отсутствует катушка : следовательно .
При из формул (6), (7) и (14) соответственно имеем