20. Магнитоэлектрическая индукция (О. П. Дубова)

Текст урока

• Конспект

   
  
  
  
  Название предмета
  Физика
  Класс
  11
  УМК 
  Физика. 11 класс. В.А.Касьянов (базовый уровень), 2014 год
  Уровень обучения 
  базовый
  Тема урока
  Магнитоэлектрическая индукция.
  Общее количество часов, отведённое на изучение темы
  1
  Место урока в системе уроков по теме
  4 урок по теме «Электромагнетизм» ,6 часов
  Цель урока
  объяснение понятия колебательного контура и сути электромагнитных колебаний 
  Задачи урока
  Обучающие: сформировать понятия электромагнитных колебаний и колебательного контура; сформировать представление как в колебательном контуре энергия электрического поля периодически превращается в энергию магнитного поля; показать, что колебания в идеальном колебательном контуре являются гармоническими.
  
  Развивающие: способствовать развитию умения работать в группе, высказывать собственные суждения и аргументировать свою точку зрения.
  
  Воспитательные: формировать материалистическое мировоззрение и нравственные качества личности.
  Планируемые результаты
  Объяснять: понятие колебательный контур и суть электромагнитных колебаний.
  Техническое обеспечение урока
  компьютер, мультимедийный проектор; Комплект электронных пособий. Физика. 9 класс
  Дополнительное методическое и дидактическое обеспечение урока
  Физика. 11 класс: дидактические материалы/ А.Е. Марон, Е.А. Марон. – М.: Дрофа, 2010.
  Волков В.А. Поурочные разработки по физике 11 кл. – М.:ВАКО, 2010
  
  Содержание урока 
  1. Организационный этап. 
  Проверка готовности класса к уроку.
  2. Актуализация знаний.
  Самостоятельная работа по карточкам (приложение).
  3.  Постановка цели урока. 
  - Что такое конденсатор? 	
  - Протекает ли постоянный ток через конденсатор?
  - А что будет происходить, если конденсатор включить в цепь переменного тока?
  Сегодня на уроке рассмотрим процессы, происходящие в электрической цепи содержащей конденсатор и катушку.
  Тема урока:  Магнитоэлектрическая индукция.
  Цель урока: объяснить суть электромагнитных колебаний, происходящих в колебательном контуре.
  4. Первичное усвоение новых знаний.
  - Вспомните, в чем заключается явление электромагнитной индукции? 
  Открытие электромагнитных колебаний было неожиданным. После того как изобрели простейший конденсатор и научились сообщать ему большой заряд с помощью электростатической машины, ученые начали наблюдать его электрический заряд. С простейшим конденсатором — лейденской банкой — вы ознакомились в 8 классе.
  Замыкая обкладки лейденской банки с помощью проволочной катушки, обнаружили, что стальные спицы внутри катушки намагничиваются. В этом ничего странного не было, так как электрический ток и должен намагничивать стальной сердечник катушки. Удивительным было то, что нельзя было предсказать, какой конец намагниченного сердечника катушки окажется северным полюсом, а какой — южным. Опыты, проведенные в одних и тех же условиях, давали различные результаты.
  Ученые не сразу поняли, что при разрядке конденсатора через катушку возникают колебания. За время разряда конденсатор успевает несколько раз перезарядиться, и электрический ток тоже меняет направление. Из-за этого сердечник может намагничиваться по-разному, и его полюсы поочередно меняются.
  Рассмотрим электрическую цепь в учебнике с.87(рис. 80).
  При подключении конденсатора к источнику постоянного напряжения в цепи возникает кратковременный импульс тока, который заряжает конденсатор до напряжения источника. После зарядки конденсатора ток прекращается. В процессе  зарядки ток, протекающий по подводящим проводам, создает вокруг себя переменное магнитное поле.
  - Что представляют линии индукции магнитного поля? (концентрические окружности) 
  Из-за замкнутости линий индукции магнитного поля следует постоянство его потока через любую поверхность. Поэтому, если существует магнитная индукция вне конденсатора, она должна существовать и внутри него. 
  Вывод: изменяющееся во времени электрическое поле (согласно гипотезе Максвелла) является источником магнитного поля и наоборот.
  Магнитоэлектрическая индукция – явление возникновения магнитного поля в переменном по времени электрическом поле.
  Существует замкнутая электрическая цепь – колебательный контур, в котором могут возникать свободные электромагнитные колебания.
  Колебательный контур – цепь, состоящая из последовательно включенных катушки индуктивностью L, конденсатора емкостью C и сопротивления R подводящих проводов.
  
  Демонстрация: Колебательный контур. (Комплект электронных пособий. Физика. 
  9 класс)
  Колебательный контур называется идеальным, если в нем нет потерь энергии на нагревание соединительных проводов и проводов катушки, т. е. пренебрегают сопротивлением R. Зарисуйте в тетрадях чертеж схематичного изображения колебательного контура. Чтобы возникли электрические колебания в этом контуре, ему необходимо сообщить некоторый запас энергии, т.е. зарядить конденсатор. Когда конденсатор зарядится, то электрическое поле будет сосредоточено между его пластинами. Итак, конденсатор заряжен, его энергия равна, но, поэтому, следовательно,.Так как после зарядки конденсатор будет иметь максимальный заряд (обратите внимание на пластины конденсатора, на них расположены противоположные по знаку заряды), то при q=qmax энергия электрического поля конденсатора будет максимальна и равна.
  В начальный момент времени вся энергия сосредоточена между пластинами конденсатора, сила тока в цепи равна нулю. При замыкании конденсатора на катушку он начинает разряжаться и в цепи возникнет ток, который, в свою очередь, создаст в катушке магнитное поле. Силовые линии этого магнитного поля направлены по правилу буравчика. При разрядке конденсатора ток не сразу достигает своего максимального значения, а постепенно. Это происходит потому, что переменное магнитное поле порождает в катушке второе электрическое поле. Вследствие явления самоиндукции там возникает индукционный ток, который, согласно правилу Ленца, направлен в сторону, противоположную увеличению разрядного тока. Когда разрядный ток достигает своего максимального значения, энергия магнитного поля максимальна и равна, а энергия конденсатора в этот момент равна нулю. 
  Таким образом, через t=T/4 энергия электрического поля полностью перешла в энергию магнитного поля. С началом перезарядки конденсатора разрядный ток будет уменьшаться до нуля не сразу, а постепенно. Это происходит опять же из-за возникновения против ЭДС индукционного тока противоположной направленности. Этот ток противодействует уменьшению разрядного тока, как ранее противодействовал его увеличению. Сейчас он будет поддерживать основной ток. 
  Энергия магнитного поля будет уменьшаться, энергия электрического – увеличиваться, конденсатор будет перезаряжаться. Таким образом, полная энергия колебательного контура в любой момент времени равна сумме энергий магнитного и электрического полей:    
    Колебания, при которых происходит периодическое превращение энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки, называются электромагнитными колебаниями. Так как эти колебания происходят за счет первоначального запаса энергии и без внешних воздействий, то они являются свободными.
  Заряд на конденсаторе и сила тока в катушке индуктивности изменяются по гармоническому закону с периодом Т:
                                                                   T = 2π√LC   – формула Томсона.
  В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания являются затухающими из-за выделения джоулева тепла в проводнике катушки (R≠0) (а также из-за излучения электромагнитных волн). Однако на протяжении небольших интервалов времени собственные электромагнитные колебания в контуре можно считать гармоническими. 
  5.  Первичная проверка понимания. Фронтальный опрос.
  - Какое физическое явление называют магнитоэлектрической индукцией?
  - Поясните взаимосвязь между переменными электрическим и магнитным полями.
  - Какая электрическая цепь называется колебательным контуром?
  - При каком условии сохраняется энергия электромагнитного поля в контуре?
  - Как зависит период собственных колебаний в контуре от индуктивности катушки и емкости конденсатора?
  - При каком условии колебания в контуре можно считать гармоническими?
  6. Первичное закрепление. Исследование характеристик колебательного контура.
      Работа в малых группах.
      Обучающиеся получают задания (карточки).
  1 группа 
  1. Как и во сколько раз измениться частота собственных электромагнитных колебаний в контуре, если электроемкость конденсатора увеличит в 4 раза?
  2. Колебательный контур состоит из катушки индуктивности и конденсатора. Индуктивность катушки уменьшили от 36 мГн  до 4 мГн. Как и во сколько раз изменится в результате этого частота электромагнитных колебаний в контуре?
  2 группа 
  В наборе радиодеталей для изготовления простого колебательного контура имеются две катушки с индуктивностями L1=1 мкГн и L2=2 мкГн, а также два конденсатора, емкость которых С1=30пФ и  С2 =40пФ. При каком выборе двух элементов из этого набора частота собственных колебаний контура будет наибольшей?
  3 группа 
  1. Возникающая рамке ЭДС индукция при вращении в однородном магнитном поле изменяется по закону ε=12sin100πt. Определить амплитуду колебаний ЭДС, ее действующее значение, циклическую и линейную частоту колебаний, период, фазу и начальную фазу. (Ответ: 0 В; 8,5 В; 100 π рад/с; 50 Гц; 0,02 с; 100 πt; 0.)
  2. Колебательный контур состоит из конденсатора емкостью 2мкФ и катушки индуктивностью 500мГн. Найти частоту собственных колебаний контура. (Ответ: 160 Гц.)
  4 группа 
  Заполнить таблицу для электромагнитных колебаний в контуре и построить график зависимости q(t) и i(t) (схематично).
  
  Время t
  0
  Т/4
  Т/2
  3Т/4
  Т
  q
  max
  
  
  
  
  i
  0
  
  
  
  
  
  
  3. Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению.
  §26, 27 , задачи 2,3
  4.  Рефлексия. 
  - Что нового ты узнал?
  - Чему научился?
  - Вспомните, те цели, что мы ставили в начале урока. Все ли выполнили?
  - Где могут пригодиться тебе полученные знания?
  - С какими проблемами ты столкнулся?
  - Ты доволен своей работой на уроке?
                                 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
                                   
  
  
  
  
  
  
  
  
  
                                                                                   Приложение
  
  Вариант   1
  1. Прямолинейный проводник движется со скоростью 25 м/с в поле с индукцией 0,0038 Тл перпендикулярно силовым линиям. Чему равна длина проводника, если на его концах имеется напряжение 0,028 В?
  2. Виток площадью 100 см2 находится в магнитном поле с индукцией 1 Тл. Плоскость витка перпендикулярна ли­ниям поля. Определите среднее значение ЭДС индукции при выключении поля за 0,01 с.
  
  Вариант  2
  1. Прямолинейный проводник длиной 120 см движется в однородном магнитном поле под углом 90° к силовым ли­ниям со скоростью 15 м/с. Определите индукцию поля, если в проводнике создается ЭДС индукции 0,12 В.
  2. Найдите индуктивность проводника, в котором равно­мерное изменение силы тока на 2 А в течение 0,25 с воз­буждает ЭДС самоиндукции 20 мВ.
  
  Вариант  3
  1. Самолет летит горизонтально со скоростью 900 км/ч. Найдите разность потенциалов, возникающую между концами крыльев самолета, если вертикальная состав­ляющая земного магнитного поля равна 50 мкТл и раз­мах крыльев 12 м.
  2. Сколько витков должна иметь катушка, чтобы при из­менении магнитного потока внутри нее от 0,024 Вб до 0,056 Вб за промежуток времени 0,32 с в катушке возни­кала средняя ЭДС индукции 10 В?
  
  Вариант 4
  1. Перпендикулярно линиям магнитной индукции пере­мещается проводник длиной 1,8 м со скоростью 6 м/с. ЭДС индукции, возникающая на его концах, равна 1,44 В. Найдите индукцию магнитного поля.
  2. Определите скорость изменения тока в катушке с ин­дуктивностью 100 мГн, если в ней возникла ЭДС самоин­дукции 80 В.
  
  Вариант  5
  1. С какой скоростью надо перемещать проводник, длина активной части которого 1 м, перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, чтобы в проводнике возбуж­далась ЭДС индукции 1 В? Индукция магнитного поля равна 0,2 Тл.
  2. Плоскость витка перпендикулярна линиям индукции магнитного поля. Чему равно среднее значение ЭДС индукции в витке при увеличении индукции поля за 0,01 с на 1 Тл? Радиус витка равен 10 см.
  
   

   Read more ...

  Автор(ы): Дубова О. П.

  Скачать: Физика 11кл - Конспект.doc