План-конспект урока по физике на тему "ЯВЛЕНИЕ САМОИНДУКЦИИ. ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ" (10 класс)

Занятие №62.

ЯВЛЕНИЕ САМОИНДУКЦИИ. ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

Цели занятия:

Образовательные: углубление знаний о явлении электромагнитной индукции; формирование представлений о явлении самоиндукции и его практическом применении; об ЭДС самоиндукции и индуктивности.

Развивающие: развитие физического мышления учащихся, расширение понятийного аппарата учащихся, формирование умений анализировать информацию, делать выводы из наблюдений и опытов.

Воспитательные: воспитать интерес к предмету, трудолюбие и умение внимательно оценивать ответы товарищей, умения работать коллективно и в парах.

Тип занятия: изучение нового материала.

Формы организации познавательной деятельности учащихся: фронтальная, индивидуальная.

Основной методологический подход к организации учебного процесса на занятии: коммуникативный.

ПЛАН ЗАНЯТИЯ

1. Организационный момент

2. Проверка домашнего задания

3. Актуализация опорных знаний

4. Целеполагание

5. Изучение нового материала

6. Домашнее задание

7. Рефлексия

1. Организационный момент. Приветствие учащихся, проверка

готовности учащихся к занятию.

1. Проверка домашнего задания.

Упр. 24 (1).

Дано: Решение:

r = 12 см Магнитный поток можно определить по

B= 1,6 Тл формуле: Ф = BScos , где S = – площадь

– ? контура.

– ? а) Линии индукции параллельны нормам к этой

– ? поверхности, значит, = 0, тогда

= 0,4 3,14 cos0 = 18 (Bб).

б) Поверхность параллельна линиям индукции, значит, = 90 ⇒ cos90 = 0 ⇒ = 0.

в) Линии индукции образуют угол = 30 с поверхностью. Значит, угол = 60 . = 0,40 3,14 cos60 = 9 (Вб).

Ответ: = 18 (Bб), = 0, = 9 (Вб).

1. Актуализация опорных знаний.

– Что называют магнитным потоком? Что является единицей

магнитного потока в СИ? (Магнитным потоком через плоскую поверхность называют физическую скалярную величину, равную произведению модуля индукции однородного магнитного поля, площади поверхности и косинуса угла между направлениями магнитной индукции и нормали к этой поверхности: Ф = BScos . За единицу магнитного потока в СИ принят вебер (Вб)).

– В чем заключается явление электромагнитной индукции? (Явление возникновения ЭДС индукции в контуре, который либо покоится в изменяющемся во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле так, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется, называют, электромагнитной индукцией).

– Как формулируют правило Ленца? (Возникающий в замкнутом проводящем контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, противодействует изменению магнитного потока, которым вызывается этот индукционный ток).

– Что называют индукционным током? (Электрический ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром, называют индукционным током).

– Как формулируют закон электромагнитной индукции? (ЭДС электромагнитной индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой с противоположным знаком).

1. Целеполагание. Цель данного занятия: углубление знаний о

явлении электромагнитной индукции; формирование представлений о явлении самоиндукции и его практическом применении; об ЭДС самоиндукции и индуктивности.

1. Изучение нового материала. Электромагнитная индукция

проявляется во всех случаях изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. Современник Фарадея американский физик Джозеф Генри (1797 – 1878) независимо от своего английского коллеги открыл некоторые из электромагнитных эффектов. В 1829 г. Генри обнаружил, что ЭДС индукции возникает в неподвижном контуре и в отсутствие изменения внешнего магнитного поля. Оказалось, что изменяющийся электрический ток, проходящий в контуре, создаёт изменяющийся магнитный поток. Это явление было названо самоиндукцией.

Самоиндукция. Самоиндукция является важным частным случаем явления электромагнитной индукции. Если электрический ток в замкнутом проводящем контуре по каким – либо причинам изменяется, то изменяется и магнитное поле этого тока (B ). Но при изменении индукции магнитного поля, создаваемого током, проходящим в контуре, изменяется и магнитный поток (Ф ). Следовательно, магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, пропорционален силе тока в контуре:

Ф B I.

Коэффициент пропорциональности между магнитным потоком Ф и силой тока I Томсон (лорд Кельвин) в 1853 г. предложил назвать «коэффициент самоиндукции»:

Ф = LI. (1)

Коэффициент самоиндукции L часто называют индуктивностью контура.

Индуктивность в СИ измеряют в генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 Гн, если при силе тока в контуре 1 А магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром, равен 1 Вб.

Индуктивность зависит от размеров и формы контура, а также от магнитных свойств среды, в которой находится этот контур.

Из формулы (1) следует, что изменить магнитный поток можно, изменяя силу тока в контуре, или его индуктивность, или то и другое одновременно. Согласно закону электромагнитной индукции изменяющийся магнитный поток создаёт в контуре ЭДС, которую в этом случае называют электродвижущей силой самоиндукции или ЭДС самоиндукции:

= – = – .

Если индуктивность контура не изменяется во времени, т. е. L = const, то

= – L .

Поскольку контур замкнут, ЭДС самоиндукции создаёт в нём ток самоиндукции, силу которого определяют по закону Ома = , где R – сопротивление контура. Согласно правилу Ленца ток самоиндукции всегда направлен так, что он противодействует изменению тока, создаваемого источником. При возрастании силы тока ток самоиндукции направлен против тока источника, а при уменьшении – направления тока источника и тока самоиндукции совпадают.

Наблюдение самоиндукции. Для наблюдения явления самоиндукции соберём электрическую цепь, состоящую из катушки с большой индуктивностью, резистора с электрическим сопротивлением, равным сопротивлению обмотки катушки, двух одинаковых лампочек, ключа и источника постоянного тока (рис. 1). При замыкании цепи лампочка начинает светиться практически сразу, а лампочка – с заметным запаздыванием. При возрастании силы тока , созданного источником, на участке, образованном катушкой и лампочкой , ЭДС самоиндукции в катушке имеет такую полярность, что создаваемый ею ток самоиндукции направлен навстречу току источника. В результате рост силы тока на этом участке цепи замедляется, и сила тока – | | не сразу достигает своего максимального значения.

Рис. 1

Явление самоиндукции можно наблюдать и при размыкании электрической цепи. Соберём цепь, состоящую из катушки 1 с большим количеством витков, намотанных на железном сердечнике 2, к зажимам которой подключена лампочка с большим электрическим сопротивлением по

сравнению с сопротивлением обмотки катушки (рис. 2). В качестве источника тока возьмём источник, ЭДС которого 2 В. Лампочка подключена параллельно катушке. При размыкании ключа сохраняется замкнутой часть цепи, состоящая из уже последовательно соединённых катушки и лампочки.

Рис. 2

Пока ключ замкнут, лампочка будет тускло светиться, так как отношение сил токов, проходящих через лампочку и катушку, обратно отношению их сопротивлений .

Однако при размыкании ключа можно увидеть, что лампочка ярко вспыхивает. Почему это происходит? При размыкании цепи сила тока в катушке убывает, что приводит к возникновению ЭДС самоиндукции. Возникающий в цепи ток самоиндукции, согласно правилу Ленца, совпадает

по направлению с током катушки, не позволяя ему резко уменьшать силу тока. Это и обеспечивает вспышку лампочки. Заметим, что явление самоиндукции имеет место в любых случаях изменения силы тока в цепи, содержащей индуктивность, или изменения самой индуктивности.

Энергия магнитного поля. Откуда берётся энергия, обеспечивающая

вспышку лампочки? Это не энергия источника тока, так как он уже отсоединён. Вспышка лампочки происходит одновременно с уменьшением силы тока в катушке и создаваемого током магнитного поля. Можно предположить, что запасённая в катушке в процессе самоиндукции энергия магнитного поля превращается во внутреннюю энергию спирали лампочки и энергию её излучения.

В самом деле, при замыкании цепи, состоящей из источника тока с

ЭДС , катушки индуктивностью L и резистора сопротивлением R, сила тока I в цепи начнет возрастать и появится ЭДС самоиндукции = – L .

Тогда в соответствии с законом Ома сила тока в цепи I = . Значит, = IR + L .

Умножив полученное равенство на IΔt, где Δt – достаточно малый промежуток времени, в течение которого сила тока остаётся практически постоянной, найдём элементарную работу, совершаемую сторонними силами в источнике тока:

I t = R t + LI I.

В процессе установления тока, когда сила тока I и магнитный поток

Ф = LI возрастают, работа, совершаемая сторонними силами в источнике тока, превышает выделяющееся на резисторе количество теплоты. Элементарная дополнительная работа, совершаемая сторонними силами за промежуток времени t при преодолении ЭДС самоиндукции в процессе установления тока (рис. 3):

= Ф I.

Рис. 3

Полная дополнительные работа , равная сумме элементарных дополнительных работ в процессе установления тока, равна сумме площадей всех аналогичных столбиков, т. е. площади фигуры под графиком

зависимости Ф = Ф(I) (рис. 3):

= = .

Эта работа превращается в энергию магнитного поля катушки, поэтому

= .

1. Домашнее задание. §35, упр. 25 (1).

2. Рефлексия

2