В.Н.КОМИССАРОВ (АПКиПРО, г. Москва),
В.А.ЗАБОТИН (СОШ № 19, г. Ковров, Владимирская обл.)

Тема «Электромагнитная индукция»

11-й класс

Изучаются опытные факты, на основании которых М.Фарадей открыл закон электромагнитной индукции и сам закон – один из фундаментальных законов физики, позволяющий объяснить многие явления природы и оказавший определяющее влияние на развитие техники. После изучения темы учащиеся должны знать: опытный факт возникновения вихревого электрического поля при изменении во времени магнитного поля; понятия магнитного потока, индуктивности; закон электромагнитной индукции; правило Ленца; формулы для расчёта ЭДС, возникающей в проводнике при его движении в магнитном поле, а также для ЭДС самоиндукции и энергии магнитного поля; примеры учёта и применения в технике закона электромагнитной индукции и явления самоиндукции.

УРОК 1. Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. Направление индукционного тока. Лабораторная работа «Изучение явления электромагнитной индукции»

Цели урока: раскрыть сущность явления электромагнитной индукции как наиболее важного открытия в области физики, оказавшего определяющее влияние на развитие техники; показать роль эксперимента как метода научного познания, лежащего в основе открытия этого явления; научить объяснять причины возникновения индукционного тока в неподвижном проводнике; сформировать понятие магнитного потока как физической величины, характеризующей распределение магнитного поля по поверхности, ограниченной замкнутым контуром, и его единицы; сформировать знания о правиле Ленца и научить учащихся пользоваться им для определения направления индукционного тока.

Оборудование: приборы для демонстрации явления электромагнитной индукции по рис. 33, 34 учебника Мякишева Г.Я., Буховцева Б.Б. (2001–2003 гг. изд.) (далее [У]) и правила Ленца по рис. 37; приборы для проведения фронтальной лабораторной работы (с. 323).

Урок можно начать с краткого сообщения учащегося об истории открытия явления электромагнитной индукции М.Фарадеем. Затем переходят к раскрытию сущности этого явления, демонстрируя опыты по рис. 33 и 34 и по ходу разбирая вопросы: как изменяется плотность линий магнитной индукции, пронизывающих соединённую с гальванометром катушку, при включении (выключении) тока в цепи? при изменении силы тока реостатом? при движении катушек друг относительно друга? при движении постоянного магнита относительно катушки? как зависит сила индукционного тока в катушке от скорости движения постоянного магнита относительно катушки? какова причина возникновения индукционного тока в катушке?

Затем вводят понятие магнитного потока и его единицу. Можно предложить учащимся ответить на вопросы, которые разбирались при демонстрации явления электромагнитной индукции, заменив в них слова «как изменяется число линий магнитной индукции» словами «как изменяется магнитный поток».

Для закрепления понятия полезно решить задачи:

1. Контур площадью 100 см² находится в однородном магнитном поле индукцией 10 Тл. Определите магнитный поток, пронизывающий контур, если угол между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к поверхности контура составляет 60°.

2. Контур площадью 50 см² находится в однородном магнитном поле индукцией 5 Тл. Определите магнитный поток, пронизывающий контур, если угол между направлением вектора магнитной индукции и поверхностью контура составляет 30°.

При введении правила Ленца возвращаются к демонстрации опыта по рис. 34, б. Замечают, что направление индукционного тока в катушке зависит от направления движения магнита относительно катушки. Демонстрируют опыт по рис. 37, иллюстрирующий взаимодействие индукционного тока с магнитом. Механизм взаимодействия разбирают с помощью рис. 38. Формулируют правило Ленца и отрабатывают алгоритм его применения (с. 31) на заданиях 2, 3 из упр. 2.

Далее выполняют лабораторную работу «Изучение явления электромагнитной индукции» по описанию в учебнике (с. 323–324). В конце урока отвечают на вопросы к § 8, 10 и решают задачи № 912 и 918 из сборника А.П.Рымкевича 2001–2003 гг. изд. (далее [Р]).

Домашнее задание: § 8–10, задачи 1, 4 из упр. 2 [У]; № 913, 914 [Р].

УРОК 2. Закон электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле

Цели урока: сформировать знания о законе электромагнитной индукции, научить производить расчёт ЭДС индукции; ознакомить учащихся с фактом возникновения вихревого электрического поля при изменении во времени магнитного поля и ЭДС индукции в движущихся проводниках, а также с различной природой этих явлений; показать применение изучаемых явлений на примере электродинамического микрофона; продолжить формирование умения сравнивать на примере электростатического, магнитного и вихревого электрического полей.

Оборудование: приборы для демонстрации явления электромагнитной индукции (по рис. 34, б [У]).

Урок начинают с проверки домашнего задания и решения задач № 915–917 [Р]. Полезно ответить на вопросы: можно ли считать электромагнитную индукцию следствием (причиной, условием) возникновения электрического тока в проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном поле? если постоянный магнит выдвигать из алюминиевого кольца северным (южным) полюсом, то притянется кольцо к магниту или оттолкнётся от него (демонстрация)? какое направление имеет индукционный ток в кольце со стороны магнита?

Объяснение нового материала начинают с демонстрации зависимости величины индукционного тока в катушке от скорости движения магнита относительно неё, т.е. от скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. Вводят понятие ЭДС индукции и формулируют закон электромагнитной индукции, с помощью правила Ленца объясняют смысл знака «–» в математической записи закона.

Для закрепления закона отвечают на вопрос: почему для обнаружения индукционного тока замкнутый проводник лучше брать в виде катушки, а не в виде прямолинейного провода? – и решают задачи № 921, 922 [Р]. К задаче № 921 можно поставить дополнительный вопрос: какова сила тока в контуре, если его сопротивление 10 Ом?

Анализируя опыты по электромагнитной индукции, замечают, что ЭДС индукции возникает в проводнике либо неподвижном, помещённом в изменяющееся во времени магнитное поле, либо в движущемся в постоянном магнитном поле. Ставят вопрос: какие силы приводят в направленное движение электрические заряды в проводниках? В первом случае это силы, действующие со стороны электрического поля, которое порождается переменным магнитным полем, во втором – сила, действующая на движущиеся заряженные частицы, со стороны магнитного поля (сила Лоренца). Вводят понятие вихревого электрического поля и рассматривают его свойства с использованием рис. 41 (с. 34 [У]). Формулу для ЭДС индукции в движущихся проводниках выводят по описанию в учебнике. Обращая внимание на выполнение закона сохранения энергии, отвечают на вопросы: на что затрачивается энергия при перемещении проводника в магнитном поле? почему проводник нагревается?

Подводя итог изученному, обобщают знания учащихся об электрическом и магнитном полях, обращая внимание на следующее:

– электростатическое поле порождается неподвижными электрическими зарядами, с помощью которых оно и обнаруживается, является потенциальным (работа поля зависит от положения начальной и конечной точек приложения сил и не зависит от формы траектории, на замкнутой траектории равна нулю), силовые линии поля являются незамкнутыми (начинаются и заканчиваются на электрических зарядах);

– магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами (током), с помощью движущихся электрических зарядов (тока) его можно обнаружить, поле непотенциально, является вихревым (его работа на замкнутой траектории не равна нулю), линии поля замкнутые, что свидетельствует об отсутствии магнитных зарядов;

– вихревое электрическое поле порождается изменяющимся магнитным полем, которое действует на неподвижные электрические заряды, создавая ток, оно непотенциально, его силовые линии замкнуты.

Решают задачу 9 из упр. 2 [У], отвечают на вопрос: можно ли использовать разность потенциалов, возникающую между концами крыльев самолёта, для измерения скорости самолёта? – а также задачу № 928 [Р].

В конце урока рассматривают техническое применение явления электромагнитной индукции в электродинамическом микрофоне.

Домашнее задание: § 11–14, задачи 8 из упр. 2 [У]; № 929 [Р].

УРОК 3. Решение задач

Цели урока: закрепить умения практического применения правила Ленца и закона электромагнитной индукции при решении задач; продолжить развитие логического мышления при применении знаний в изменённой и новой ситуациях; продолжить формирование умения планировать свою деятельность и навыки самоконтроля.

В начале урока повторяют с учащимися: явление электромагнитной индукции; правило Ленца, правило правого винта; поток магнитной индукции; закон электромагнитной индукции; ЭДС индукции в движущихся проводниках; свойства вихревого электрического поля. Затем переходят к решению задач.

1. Магнитный поток, пронизывающий катушку, состоящую из 1000 витков проволоки, изменяется со временем так, как показано на графике.

Постройте график изменения ЭДС, наводимой в катушке.

2. Определите направление индукционного тока в катушке при введении внутрь неё второй катушки, направление тока в которой ясно из рисунка.

3. № 923, 926, 928, 930, а [P].

В конце урока проводят самостоятельную работу.

Вариант 1

1. За 0,5 мс магнитный поток, пронизывающий контур, равномерно уменьшается с 5 до 2,5 мВб. Найдите ЭДС индукции, возникающей в контуре.

2. Магнит вдвигается в кольцо северным полюсом. Каково направление индукционного тока в кольце? Ответ поясните рисунком.

3. Назовите свойства вихревого электрического поля, отличающие его от электростатического поля.

Вариант 2

1. Чему равно значение ЭДС индукции, возникающей в контуре, при равномерном изменении магнитного потока, пронизывающего контур, от 10 мВб до нуля за 1 мс?

2. Магнит выдвигается из кольца южным полюсом. Каково направление индукционного тока в кольце? Ответ поясните рисунком.

3. Назовите свойства вихревого электрического поля, отличающие его от магнитного поля.

Домашнее задание: № 925, 927, 929, 930, б [P].

УРОК 4. Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля

Цели урока: на опытах показать сущность явления самоиндукции и наличие энергии магнитного поля; сформировать понятия индуктивности, ЭДС самоиндукции, энергии магнитного поля и показать их зависимость от свойств электрической цепи; показать универсальность закона сохранения энергии на примере применения метода аналогий для вывода формулы энергии магнитного поля; познакомить с учётом и применением явления самоиндукции в технике.

Оборудование: приборы для демонстрации явления самоиндукции и наличия энергии магнитного поля катушки, зависимости энергии магнитного поля от силы тока и индуктивности катушки (по рис. 46, 47 [У]).

Урок рекомендуем начать с анализа решения самостоятельной работы и проверки домашнего задания. Объяснение нового материала начинают с демонстрации явления самоиндукции и его объяснения на основе закона электромагнитной индукции. Вводят понятие индуктивности и показывают, что она зависит от числа витков в катушке и магнитных свойств среды (частично выдвигают или заменяют сердечник). В этих опытах сила тока в разветвлениях цепи должна быть одинаковой.

На той же установке демонстрируют, что явление самоиндукции при размыкании цепи свидетельствует о наличии энергии у магнитного поля. Показывают, что чем больше сила установившегося тока и индуктивность катушки, тем дольше и ярче светит лампа 2 при размыкании цепи. Используя аналогию между инерцией и самоиндукцией, записывают формулу для энергии магнитного поля тока.

Для закрепления материала отвечают на вопросы к § 15, 16 и решают задачи.

1. В какой момент искрит рубильник: при замыкании или размыкании? Если параллельно рубильнику включить конденсатор, то искрение прекращается. Объясните явление.

2. Объясните явления, описанные Э.X.Ленцем: «Искра при открытии цепи является сильнее тогда, когда употребляют для закрытия длинную проволоку, нежели короткую, хотя самый ток в первом случае бывает слабее по причине худой проводимости длинной проволоки. Искра при открытии цепи будет сильнее, когда длинную соединительную проволоку наматывают на цилиндр в виде спирали, а ещё сильнее, когда цилиндр будет железный».

3. В цепь батареи аккумуляторов последовательно включены обмотка электромагнита и лампа накаливания. В то время, когда электромагнит притягивает к себе железный предмет, накал нити лампы уменьшается. Объясните явление.

4. № 931, 934, 937 [P].

Домашнее задание: § 15, 16 [У]; № 932, 933, 935, 938 [P].

УРОК 5. Электромагнитное поле. Обобщение материала по теме «Электромагнитная индукция»

Цели урока: сформировать знания о возникновении вихревого магнитного поля при изменении электрического поля и об электромагнитном поле – едином материальном целом, проявляющем различные свойства в различных системах отсчёта; обобщить и систематизировать знания учащихся по теме «Электромагнитная индукция»; подготовиться к контрольной работе.

Урок начинают с систематизации знаний учащихся о взаимосвязи магнитных и электрических явлений: движущиеся электрические заряды (ток) «порождают» магнитное поле (опыт Эрстеда); изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле (закон электромагнитной индукции); в колебательном контуре происходит взаимное превращение энергий электрического и магнитного полей; при движении проводника в магнитном поле в нём возникает ЭДС индукции, при этом на заряженную частицу в системе отсчёта, связанной с этой частицей, будет действовать только электрическая сила, а в системе отсчёта, в которой вычисляют скорость движения проводника и индукцию магнитного поля, только магнитная сила (сила Лоренца); изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, напряжённость которого связана с изменением вектора магнитной индукции по правилу левого винта.

Возникновение вихревого магнитного поля при изменении электрического поля вводят на примере зарядки и разрядки конденсатора (рис. 46, 47 [У]). Данное утверждение было доказано существованием электромагнитных волн. Вводят понятие электромагнитного поля – особой формы материи, осуществляющей взаимодействие между заряженными частицами, и показывают на примерах, что электрические и магнитные поля – проявления этого поля в различных системах отсчёта.

В качестве закрепления нового материала отвечают на вопросы после § 17, а также на вопрос: можно ли выбрать такую систему отсчёта, в которой бы обнаруживалась только электрическая составляющая Е электромагнитного поля пучка электронов в электронно-лучевой трубке или только магнитная составляющая В?

При повторении и обобщении материала отвечают на вопросы: в чём заключается явление электромагнитной индукции? какие опыты подтверждают существование этого явления? где нашло применение это явление в технике? как определить направление индукционного тока в замкнутом контуре? что называют магнитным потоком? в каких единицах он выражается? как формулируется закон электромагнитной индукции и какова математическая запись этого закона? как получить вихревое электрическое поле? в чём его отличие от электростатического поля? в чём заключается явление самоиндукции? какие опыты подтверждают существование этого явления? как учитывают это явление в технике? что характеризует индуктивность проводника? от каких факторов она зависит? по какой формуле можно определить энергию магнитного поля тока? как на примере изученной темы можно показать, что эксперимент позволяет проверить истинность теоретических выводов?

Далее решают задачи № 920, 924, 936, 940 [Р].

Домашнее задание: § 17, «Краткие итоги главы 2» (с. 47), задача № 10 из упр. 2 [У]; № 919, 930, в, 939, 941 [Р].

УРОК 6. Контрольная работа по теме «Электромагнитная индукция»

Цели урока: проверить знания учащихся и выяснить степень усвоения базового компонента знаний, умений и навыков по теме «Электромагнитная индукция»; способствовать воспитанию трудолюбия и настойчивости в достижении цели; продолжить развитие общеучебных умений и навыков, мышления учащихся, умений применять знания в изменённых и новых ситуациях; умений адекватно оценивать свои учебные возможности, планировать учебную деятельность и предвидеть трудности.

Вариант 1

1. В катушке, содержащей 500 витков провода, магнитный поток равномерно убывает от 20 до 5 мВб за 5 мс. Какова величина ЭДС индукции в катушке? Постройте график зависимости ЭДС индукции от времени в интервале от 0 до 5 мс.

2. Какова индуктивность соленоида, если при изменении в нём силы тока на 1 А за 2 с возникла ЭДС самоиндукции 0,05 В? На сколько изменилась энергия магнитного поля соленоида за это время?

3. Проводник длиной 2 м движется под углом 30° к линиям индукции однородного магнитного поля со скоростью 4 м/с. На концах проводника возникает разность потенциалов 40 мВ. Какова величина индукции магнитного поля?

Вариант 2

1. В катушке, содержащей 300 витков проволоки, в течении 6 мс происходит равномерное изменение магнитного потока. На какую величину и как изменился (увеличился или уменьшился) магнитный поток, пронизывающий катушку, если в ней возникла ЭДС индукции, равная 2 В? Постройте график изменения магнитного потока от времени в интервале от 0 до 6 мс.

2. Какая ЭДС самоиндукции возникла в контуре, индуктивность которого 0,5 Гн, при уменьшении силы тока в нем от 5 А до 1 А за 0,4 с? Во сколько раз при этом уменьшилась энергия магнитного поля контура?

3. С какой скоростью надо перемещать проводник длиной 1,4 м под углом 45° к линиям магнитной индукции в однородном магнитном поле индукцией 0,2 Тл для возбуждения в нём ЭДС индукции 0,5 В?

Литература

Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1974.

Методика преподавания физики в 8–10 классах средней школы: Под ред. В.П.Орехова, А.В.Усовой. – М.: Просвещение, 1980, ч. 2.

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика-11. – М.: Просвещение, 2001–2003.

Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10–11 классы. – М.: Дрофа, 2001–2003.

Программы для общеобразовательных учреждений: Физика. Астрономия. 7–11 классы: Сост. Ю.И.Дик, В.А.Коровин. – М: Дрофа, 2002.

Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. – М.: Просвещение, 1972.

Хрестоматия по физике: Учебное пособие для учащихся 8–10 классов средней школы: Сост. А.С.Енохович и др.: Под ред. Б.И.Спасского. – М.: Просвещение, 1987.