План–конспект урока по физике «Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока» (8 класс)
Тема урока: Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.
Цель : Формирование понятия явления самоиндукции, его проявлении в цепях электрического тока. Применение самоиндукции в электротехнических устройствах.
Задачи:
Образовательные: Повторить знание учащихся о явление электромагнитной индукции, углубить их; на этой основе изучить явление самоиндукции.
Воспитательные: Воспитать интерес к предмету, трудолюбие и умение внимательно оценивать ответы товарищей. Показать значение причинно- следственных связей в познаваемости явлений.
Развивающие: Развитие физического мышления учащихся, расширение понятийного аппарата учащихся, формирование умений анализировать информацию, делать выводы из наблюдений и опытов.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Оборудование: Катушка индуктивности с сердечником – демонстрационная, источник питания, ключ, две лампочки на 3,5 В, реостат на 100 Ом, неоновая лампочка на 200В.
Опыты: 1) опыт по наблюдению явления самоиндукции при замыкании цепи; 2) опыт по наблюдению явления самоиндукции при размыкании цепи;
План урока:
Актуализация опорных знаний.
Мотивация.
Изучение нового материала.
Закрепление.
Домашнее задание.
Ход урока
Организационный момент. (1 мин)
Актуализация опорных знаний.
Что называют явлением электромагнитной индукции?
Какая гипотеза Фарадея привела к открытию электромагнитной индукции?
Как Фарадей открыл явление электромагнитной индукции?
При каких условиях возникает индукционный ток в катушке?
Отчего зависит направление индукционного тока?
Чем объясняется отталкивание алюминиевого кольца при введение в него магнита и притяжение к магниту при его удалении из кольца?
Почему разрезанное алюминиевое кольцо не взаимодействует с движущимся магнитом?
Сформулируйте правило Ленца.
Как с помощью правила Ленца определить направление индукционного тока в проводнике?
3 . Мотивация.
Основы электродинамики были заложены Ампером в 1820 году. Работы Ампера вдохновили многих инженеров на конструирование различных технических устройств, таких как электродвигатель (конструктор Б.С. Якоби), телеграф (С. Морзе), электромагнит, конструированием которого занимался известный американский ученый Генри. Создавая различные электромагниты, в 1832 году ученый открыл новое явление в электромагнетизме – явление самоиндукции. Об этом мы будем говорить на этом уроке.
4.Изучение нового материала .
Рассмотрим частный случай электромагнитной индукции: возникновение индукционного тока в катушке при изменении силы тока в ней.
Для этого проведём опыт, изображённый на рисунке. Замкнём цепь ключом Кл. Лампа Л1 загорится сразу, а Л2 - с опозданием приблизительно в 1 с. Причина запаздывания заключается в следующем. Согласно явлению электромагнитной индукции, в реостате и в катушке возникают индукционные токи. Они препятствуют увеличению силы тока I 1 и I 2 (это следует из правила Ленца и правила правой руки). Но в катушке К индукционный ток будет значительно больше, чем в реостате Р, так как катушка имеет гораздо большее число витков и сердечник, т. е. обладает большей индуктивностью, чем реостат.
В проделанном опыте мы наблюдаем явление самоиндукции.
Явление самоиндукции заключается в возникновении индукционного тока в катушке при изменении силы тока в ней. При этом возникающий индукционный ток называется током самоиндукции. Это явление было открыто Джозефом Генри, практически одновременно с открытием явлением электромагнитной индукции Фарадеем.
Самоиндукция при размыкании электрической цепи и энергия магнитного поля. Появление мощного индукционного тока при размыкании цепи свидетельствует о том, что магнитное поле тока в катушке обладает энергией. Именно за счёт уменьшения энергии магнитного поля совершается работа по созданию индукционного тока. В этот момент вспыхивает лампа Лн которая, при нормальных условиях, загорается при напряжении 200В. А накопилась эта энергия раньше, при замыкании цепи, когда за счёт энергии источника тока совершалась работа по преодолению тока самоиндукции, препятствующего увеличению тока в цепи, и его магнитного поля.
Индуктивность
- это величина, равная ЭДС самоиндукции при изменении силы тока в проводнике на 1 А за 1 с. Единица индуктивности - генри (Гн). 1 Гн = 1 В с/А. 1 генри - это индуктивность такого проводника, в котором возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт при скорости изменения силы тока 1 А/с. L называют индуктивностью. Демонстрация различных катушек индуктивности применяемых в радиотехнике и электротехнике. Используем раздаточный материал для просмотра учащимися. (катушки индуктивности)
Люминесцентная лампа – это газоразрядные источники света. Их световой поток формируется за счет свечения люминофоров, на которые воздействует ультрафиолетовое излучение разряда. Его видимое свечение обычно не превышает 1-2%. Люминесцентные лампы (ЛЛ) получили широкое применение в освещении помещений разного типа. Их световая отдача в разы больше, чем у привычных ламп накаливания. В качестве выключателя используют устройство – стартёр. Стартер представляет собой небольшую газоразрядную лампу тлеющего разряда. Стеклянная колба наполняется инертным газом (неон или смесь гелий-водород) и помещается в металлический или пластмассовый корпус. При включении схемы на напряжение сети оно полностью окажется приложенным к стартеру. Электроды стартера разомкнуты, и в нем возникает тлеющий разряд. В цепи будет проходить небольшой ток (20-50 мА). Этот ток нагревает биметаллические электроды, и они, изгибаясь, замкнут цепь, и тлеющий разряд в стартере прекратится. После зажигания лампы в цепи установится ток, равный номинальному рабочему току лампы. Этот ток обусловит такое падение напряжения на дросселе, что напряжение на лампе станет примерно равным половине номинального напряжения сети. Так как стартер включен параллельно лампе, то напряжение на нем будет равно напряжению на лампе и в связи с тем, что оно недостаточно для зажигания тлеющего разряда в стартере, его электроды останутся разомкнутыми при горении лампы.
5. Закрепление.
1. Какое явление изучалось на проделанном опыте.
2. В чём заключается явление самоиндукции?
3. Может ли возникнуть ток самоиндукции в прямом проводнике с током? Если нет, то объясните почему; если да, то при каком условии.
4. За счёт уменьшения какой энергии совершалась работа по созданию индукционного тока при размыкании цепи?
5. Какие факты доказывают, что магнитное поле обладает энергией?
6. Что такое индуктивность?
7. Назовите единицу индуктивности в СИ и как она называется?
8. Что такое дроссель и для чего он нужен при работе люминесцентной лампы?
Задача1. Какова индуктивность катушки, если при постепенном изменении в ней силы тока от 5 до 10А за 0,1 с возникает ЭДС самоиндукции, равная 20В?
Цель урока : сформировать представление о том, что изменение силы тока в проводнике создает вихревое воле, которое может или ускорять или тормозить движущиеся электроны.
Ход урока
Проверка домашнего задания методом индивидуального опроса
1. Получить формулу для вычисления электродвижущей силы индукции для проводника, движущегося в магнитном поле.
2. Вывести формулу для вычисления электродвижущей силы индукции, используя закон электромагнитной индукции.
3. Где применяется и как устроен электродинамический микрофон?
4. Задача. Сопротивление проволочного витка равно 0,03 Ом. Магнитный поток уменьшается внутри витка на 12 мВб. Какой электрический заряд проходит через поперечное сечение витка?
Решение. ξi=ΔФ/Δ t; ξi= Iiʹ·R; Ii =Δq/Δt; ΔФ/Δt = Δq R/Δt; Δq = ΔФΔt/ RΔt; Δq= ΔФ/R;
Изучение нового материала
1. Самоиндукция.
Если по проводнику идет переменный ток, то он создает ЭДС индукции в этом же проводнике – это явление
Самоиндукции. Проводящий контур играет двоякую роль: по нему идет ток, в нем же создается ЭДС индукции этим током.
На основании правила Ленца; когда ток увеличивается, напряженность вихревого электрического поля, направлена против тока, т.е. препятствует его увеличению.
Во время уменьшения тока вихревое поле его поддерживает.
Рассмотрим схему на которой видно, что сила тока достигает определенного
значения постепенно, через какое – то время.
Демонстрация опытов со схемами. С помощью первой цепи покажем, как появляется ЭДС индукции при замыкании цепи.
При замыкании ключа первая лампа загорается мгновенно, вторая с опозданием, из-за большой самоиндукции в цепи, которую создает катушка с сердечником.
С помощью второй цепи продемонстрируем появление ЭДС индукции при размыкании цепи.
В момент размыкания через амперметр, пойдет ток направленный,против начального тока.
При размыкании сила тока может превысить первоначальное значение тока. Значит, ЭДС самоиндукции может быть больше ЭДС источника тока.
Провести аналогию между инерцией и самоиндукцией
Индуктивность.
Магнитный поток пропорционален величине магнитной индукции и силе тока. Ф~B~I.
Ф= L I; где L- коэффициент пропорциональности между током и магнитным потоком.
Данный коэффициент называют чаще индуктивностью контура или коэффициентом самоиндукции.
Используя величину индуктивности, закон электромагнитной индукции можно записать так:
ξis= – ΔФ/Δt = – L ΔI/Δt
Индуктивность – это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающий в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.
Измеряют индуктивность в генри (Гн) 1 Гн = 1 В с/А
О значении самоиндукции в электротехнике и радиотехнике.
Вывод: когда по проводнику идет изменяющийся ток появляется вихревое электрическое поле.
Вихревое поле тормозит свободные электроны при увеличении тока и поддерживает его при уменьшении.
Закрепление изученного материала.
– Как объяснить явление самоиндукции?
– Провести аналогию между инерцией и самоиндукцией.
– Что такое индуктивность контура, в каких единицах измеряется индуктивность?
– Задача. При силе тока в 5 А в контуре возникает магнитный поток 0,5 мВб. Чему будет равна индуктивность контура?
Решение. ΔФ/Δt = – L ΔI/Δt; L = ΔФ/ΔI; L =1 ·10-4Гн
Подведем итоги урока
Домашнее задание: §15, повт. §13, упр. 2 № 10
- Цель урока: сформулировать количественный закон электромагнитной индукции; учащиеся должны усвоить, что такое ЭДС магнитной индукции и что такое магнитный поток. Ход урока Проверка домашнего задания...
- Цель урока: сформировать у учащихся представление о существовании сопротивления только в цепи переменного тока – это емкостное и индуктивное сопротивления. Ход урока Проверка домашнего задания...
- Цель урока: сформировать представление об энергии, которой обладает электрический ток в проводнике и энергии магнитного поля, созданного током. Ход урока Проверка домашнего задания методом тестирования...
- Цель урока: ввести понятие электродвижущей силы; получить закон Ома для замкнутой цепи; создать у учащихся представление о различии между ЭДС, напряжением и разностью потенциалов. Ход...
- Цель урока: сформировать у учащихся представление об активном сопротивлении в цепи переменного тока, и о действующем значении силы тока и напряжения. Ход урока Проверка домашнего...
- Цель урока: сформировать понятие, что ЭДС индукции может возникать или в неподвижном проводнике, помещенном в изменяющееся магнитное поле, или в движущемся проводнике, находящемся в постоянном...
- Цель урока: выяснить, как произошло открытие электромагнитной индукции; сформировать понятие об электромагнитной индукции, значение открытия Фарадея для современной электротехники. Ход урока 1. Анализ контрольной работы...
- Цель урока: рассмотреть устройство и принцип действия трансформаторов; привести доказательства, что электрический ток никогда не имел бы такого широкого применения, если бы в свое время...
- Цель урока: выяснить, какой причиной вызвана ЭДС индукции в движущихся проводниках, помещенных в постоянное магнитное поле; подвести учащихся к выводу, что действует на заряды сила...
- Цель урока: контроль усвоения, учащимися изученной темы, развитие логического мышления, совершенствование вычислительных навыков. Ход урока Организация учащихся на выполнение контрольной работы Вариант 1 №1. Явление...
- Цель урока: сформировать у учащихся представление об электрическом и магнитном поле, как об едином целом – электромагнитном поле. Ход урока Проверка домашнего задания методом тестирования...
- Цель урока: проверить знания учащихся по вопросам изученной темы, совершенствовать навыки решения задач различных видов. Ход урока Проверка домашнего задания Ответы учащихся по подготовленным дома...
- Цель урока: повторить и обобщить знания по пройденной теме; совершенствовать умение логически мыслить, обобщать, решать качественные и расчетные задачи. Ход урока Проверка домашнего задания 1....
- Цель урока: доказать учащимся, что свободные электромагнитные колебания в контуре не имеют практического применения; используются незатухающие вынужденные колебания, которые имеют большое применение на практике. Ход...
- Цель урока: сформировать понятие о модуле магнитной индукции и силе Ампера; уметь решать задачи на определение этих величин. Ход урока Проверка домашнего задания методом индивидуального...
Явление самоиндукции.
Э.д.с. самоиндукции.
Энергия магнитного поля.
Цель:
Образовательные:
1. Обеспечить в ходе урока усвоение (повторение, закрепление) и изучение
следующих основных понятий, законов, теорий, научных фактов: что такое
самоиндукция, э.д.с. самоиндукции, нахождение энергии магнитного поля, график
зависимости магнитного потока от силы тока.
2. Проверить степень усвоения знаний.
Воспитательные:
1.
2. Изучить положение, принципы.
Задачи развития:
1.
Познавательность мира и его закономерностей
Развивать у учащихся умение выделять главное, существенное в изученном
материале, сравнивать, обобщать, логически излагать свои мысли.
2. Развить умение анализировать полученные знания, профессиональные умения.
План урока.
1.Явление самоиндукции. Определение самоиндукции. Э.д.с. самоиндукции.
2.Энергия магнитного поля. График зависимости магнитного потока от силы тока.
Самоиндукция
1. Самоиндукция
R
Рассмотрим цепь, состоящую из батареи, реостата R, катушки индуктивности L,
гальванометра Г и ключа К.
Если цепь замкнута, то по гальванометру Г и катушке индуктивности L протекает
электрический ток. В момент размыкания цепи стрелка гальванометра резко
отклоняется в обратную сторону. Это происходит потому, что при размыкании цепи
магнитный поток в катушке уменьшается, вызывая в ней э. д. с. самоиндукции. Ток
самоиндукции
, в соответствий с законом Ленца, препятствует убыванию
cиI
магнитного потока, т. е. он направлен в катушке так же, как и убывающий ток
2I
ток целиком проходит через гальванометр; но его направление противоположно
направлению
. Явление возникновения индуцированного тока в цепи в результате
. Этот
1I
изменения тока в этой цепи называют само
индукцией.
Самоиндукция - это частный случай явлений электромагнитной индукции.
Выясним, от чего зависит э. д. с. самоиндукций. Индукция В пропорциональна
силе тока в катушке, поэтому магнитный ПОТОК, возникающий в катушке, также
пропорционален силе тока:
Ф=LI.
Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью контура.
При изменении собственного; магнитного потока в контуре, согласно закону
электромагнитной индукции, возникает э. д. с. самоиндукции
си
Ф
t
Подставляя в выражение
формулу Ф=LI, находим; что э. д. с.
си
Ф
t
самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока:
си
L
I
t
2. Энергия магнитного поля
Энергия магнитного поля тока
Рассмотрим цепь
, состоящую из батареи Б, резистора
R, соленоида L, ключа К. Если ключ находится в положении 1, то через соленоид
протекает постоянный по значению и направлению ток I0. Всякий электрический ток
всегда окружен магнитным полем. Возникает вопрос: где локализована собственная
энергия тока - внутри проводов, по которым дрейфуют или в магнитном поле, т.е. в
среде, окружающей токи? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим, что будет
происходить, если ключ разомкнуть и перевести в положеиие 2. В этом случае через
резистор R некоторое время будет течь убывающий до нуля ток, поддерживаемый
возникающим током самоиндукции, и происходит превращение энергии магнитного
поля тока главным образом в энергию молекулярнотеплового движения - нагревание
сопротивления. Значит, уменьшение энергии магнитного поля можно вычислить как
работу этого тока:
W = A . Так как собственный магнитный поток Ф = LI,
пронизывающий соленоид, пропорционален силе тока, то зависимость Ф от I может быть
изображена в виде, представленном на рис.
Площадь заштрихованной узкой полоски с основанием
I соответствует
элементарной работе
А, совершаемой током, при изменении его значения на
Полная работа А, совершаемая током, равна сумме элементарных работ
A и численно
I.
равна площади треугольника ОАВ:
А
00IФ
2
Учитывая, что
, формулу
Ф
0
LI
0
А
можно переписать в виде
A
.
2
0LI
2
00IФ
2
В процессе совершения этой работы энергия магнитного поля уменьшается до
нуля (так как ток убывает от значения до нуля). Поскольку при этом никаких
изменений в окружающих электрическую цепь телах не происходит, следует вывод:
магнитное поле является носителем энергии.
Итак, собственная энергия тока равна энергии магнитного поля:
2LI
2
справедлива для любого контура, она характеризует
Wм
Формула
Wм
2LI
2
зависимость энергии магнитного поля тока от силы тока в контуре и его индуктивности.
Вопросы для самопроверки.
1. Охарактеризуйте цепь, в которой возникает э.д.с. самоиндукции.
2. Что называют самоиндукцией?
3. Дайте характеристику отношения уменьшения энергии магнитного поля к
работе тока.
4. Изобразите график работы, и охарактеризуйте его.
5. Воспроизведите формулу нахождения энергии магнитного поля, дайте ее
характеристику.
Задачи для самопроверки.
1) Определите э.д.с. самоиндукции, если изменение силы тока равно 4,2 А,
изменение времени 40 мс, а индуктивность контура 0,37 Гн.
(Ответ: Э.д.с.=38,85 В)
2) Определите индуктивность контура, если известно, что изменение силы тока
равно 5,4 А, изменение времени – 57 мс, а э.д.с. самоиндукции равно 27 В.
(Ответ: L=0,285 Гн)
3) Определите, чему равна энергия магнитного поля, если индуктивность контура
равна 0,74 Гн, а сила тока – 25 А.
(Ответ:
Дж)
25.231mW
Литература
Дмитриева В.Ф. Физика: Учеб. пособие для техникумов./ Под ред. В.Л. Прокофьева,
– 4е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2001. – 415 с.: ил. ISBN 5060036685
