Закон электромагнитной индукции конспект. Конспект урока по физике_закон электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции было открыто Фарадеем в 1831 году. Опыты Фарадея показали, что во всяком замкнутом проводящем контуре при изменении числа

линий магнитной индукции, проходящих через него, возникает электрический ток. Этот ток был назван индукционным током . Например, в момент вдвигания магнита и в момент его выдвигания из катушки наблюдается отклонение стрелки гальванометра. Отклонения стрелки при вдвигании и выдвигании противоположны. Отклонения тем больше, чем быстрее двигается магнит. Если вдвигать и выдвигать магнит в катушку другим полюсом, то отклонения стрелки будут противоположны первоначальным

В другом опыте одна из катушек К1 находится внутри другой катушки К2. В момент включения или выключения тока через катушку К1, или при его изменении, или при перемещении катушек относительно друг друга наблюдается отклонение стрелки гальванометра, если по К1 протекает ток.

Полное число линий магнитной индукции через площадь контура представляет собой магнитный поток . Таким образом, причиной возникновения индукционного тока является изменение магнитного потока через контур . Если контур расположен в однородном магнитном поле, индукция которого равна В, то магнитный поток через контур, площадь которого S

:

Φ = B· S· cosα (3.10)

Где α угол между вектором В и нормалью n к поверхности контура.

Магнитный поток – скалярная величина. Если линии вектора В выходят из площадки, то магнитный поток считается положительным, если входят в неё – отрицательным. В системе СИ единицей магнитного потока является вебер (Вб).

Один вебер – это магнитный поток, создаваемый однородным магнитным полем индукцией 1Тл сквозь площадку 1м², перпендикулярную линиям индукции . 1Вб = 1Тл·м².

Возникновение индукционного тока означает, что при изменении магнитного потока Φ в контуре возникает ЭДС индукции. Она определяется скоростью изменения магнитного потока, т.е.

е = – ΔΦ / Δ t (3.11)

Формула (3.11) выражает закон Фарадея. Знак минус есть математическое выражение правила Ленца, которое гласит, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине его вызывающей .

Иначе говоря:

Индукционный ток создаёт магнитный поток, препятствующий изменению магнитного потока, вызывающего ЭДС индукции .


Урок по физике в 11 классе на тему:

«Электромагнитная индукция. Правило Ленца»

Цель урока:

    образовательные : познакомить учащихся с явлением электромагнитной индукции, воспроизвести опыты Фарадея, показать, что индукционный ток появляется при изменении магнитного потока, пронизывающего контур; вывести формулу и уяснить физический смысл закона электромагнитной индукции; сформулировать правило Ленца.

    воспитательные: формировать навыки коллективной работы в сочетании с самостоятельностью учащихся, воспитывать познавательную потребность и интерес к предмету;

    развивающие: развивать способность быстро воспринимать информацию и выполнять практические задания; развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, сопоставлять полученные результаты, делать соответствующие выводы.

План урока:

    Индукционный ток.

    Электромагнитная индукция в современной технике

    Закрепление темы: Лабораторная работа «Электромагнитная индукция»

    Подведение итогов урока I . Постановка учебной задачи.

Мы с вами прошли тему «Магнитное поле». Сегодня нам предстоит выяснить, как вы усвоили этот материал. Обобщим знания о магнитном поле и продолжим совершенствовать умения объяснять магнитные явления.

II . Реализация опорных знаний.

Для этого мы должны с вами ответить на некоторые вопросы.

    Что такое электрический ток?

    Что необходимо для существования электрического тока?

    Чем создается магнитное поле?

    Как можно обнаружить магнитное поле?

    Какая величина характеризует магнитное поле в каждой точке?

    В каких единицах измеряют магнитную индукцию?

    Чему равна 1Тл?

    Какая величина характеризует магнитное поле в определенной области пространства?

    В каких единицах измеряют магнитный поток?

    Чему равен 1 Вб?

    От чего зависит магнитный поток, пронизывающий площадь плоского контура, помещенного в однородное магнитное поле?

    Дополните следующие определения:

А) Сила Лоренца-это..

Б) Сила Ампера –это..

В) Температура Кюри-это..

Г) Магнитная проницаемость среды характеризует..

13. Напишите формулы для расчетов:

А) Силы Лоренца

Б) Силы Ампера

В) Модуля вектора магнитной индукции

Г) Магнитного потока

Д) магнитной проницаемости среды

14. Сила Ампера применяется..

15. Сила Лоренца используется..

III . Изучение нового материала

Итак, после обобщения знаний о магнитном поле и продолжим совершенствовать умения объяснять магнитные явления.

Сегодня на уроке мы откроем новое явление, которое принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины 19 века, которое вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники. Итак, вперёд за знаниями!

Тема урока «Электромагнитная индукция. Правило Ленца»

Последовательность изложения нового материала

    История открытия явления электромагнитной индукции.

    Демонстрация опытов Фарадея по электромагнитной индукции.

    Индукционный ток.

    Причины возникновения индукционного тока.

    Направление индукционного тока. Правило Ленца

    Закон электромагнитной индукции.

    Лабораторная работа «Электромагнитная индукция»

Ранее в электродинамике изучались явления, связанные или обусловленные существованием постоянных во времени (статических и стационарных) электрических и магнитных полей. Появляются ли новые явления при наличии переменных полей?

    История открытия явления электромагнитной индукции.

На экране портрет М. Фарадея (1791 - 1867).

Библиографические сведения: М. Фарадей

    Демонстрация опытов Фарадея по электромагнитной индукции, анализ опытов

Опыт 1. Внесение (вынесение) полосового магнита из замкнутого контура, соединенного с гальванометром.

Опыт 2. При замыкании (размыкании ключа), перемещении движка реостата, происходит изменение магнитного поля, пронизывающего катушку, в ней возникает ток.

Ток, который возникает в катушке, когда относительно нее движется постоянный магнит, назвали индукционным. Этот ток в катушке индуцируется, т. е. наводится движущимся магнитом. .Магнитное поле, которое не меняется индукционного тока не создает.

Опыт 3. Поворот рамки в магнитном поле.

Индукционный ток в контуре возникает тогда и только тогда, когда проводник пересекает силовые линии магнитного поля.

    Индукционный ток.

Мы рассмотрели способы получения индукционного тока:

    движение магнита относительно катушки;

    движение катушки относительно магнита;

    замыкание и размыкание цепи;

    вращение рамки внутри магнита;

    перемещение бегунка реостата;

    движение одной катушки относительно другой.

    Причины возникновения индукционного тока :

    только при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь (при движении магнита и катушки относительно друг друга);

    за счёт изменения силы тока в цепи (при замыкании и размыкании цепи);

    за счёт изменения ориентации контура по отношению к линиям магнитной индукции.

Вывод: Только переменное магнитное поле может создать ток (индукционный ток). Отклонение стрелки гальванометра указывает на наличие индукционного тока в цепи катушки. Как только движение прекращается, прекращается и ток.

Что же мы сегодня изучили? Явление. Какое? Явление возникновения индукционного тока в замкнутом контуре. Это и есть явление электромагнитной индукции . Условие его возникновения – изменение числа линий магнитной индукции через поверхность, ограниченную контуром.

Во всех случаях можно отметить, что электрический ток возникает при изменении магнитного поля, т.е при изменении числа силовых линий, пронизывающих катушку. Переходя на язык физических величин, общей причиной возникновения тока можно назвать изменение магнитного потока, пронизывающего контур. Дальнейшие количественные исследования подтвердили, что явление электромагнитной индукции – это возникновение тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через контур . Возникающий при этом ток называют индукционным током .

Объясним причину возникновения индукционного тока

Индукционный ток возникает под действием электрического поля, создающегося за счет изменения магнитного поля. Как всякое электрическое поле, оно совершает работу по перемещению заряда в цепи. Электрическое поле, возникающее в процессе изменения магнитного поля, не связано каким-либо распределением электрических зарядов. Переменное магнитное поле неразрывно связано с этим электрическим полем, и поэтому говорят, что в этом случае мы имеем дело электромагнитным полем. Силовые линии электрического поля, связанного с переменным магнитным полем, не имеют начала и конца - они замкнуты наподобие силовых линий магнитного поля. Такое поле называется вихревым. Вихревое электрическое поле, возникающее в процессе электромагнитной индукции, создает электрический ток в замкнутом проводнике, следовательно, оно способно вызывать циркуляцию электрических зарядов. В связи с этим возникает необходимость введения специальной энергетической характеристики вихревого электрического поля: электродвижущей силы индукции (сокращенно - ЭДС индукции). Обозначается ЭДС индукции буквой ε i .Электродвижущей силой индукции называется отношение работы, совершаемой вихревым полем при перемещении электрического заряда по замкнутому контуру, к модулю перемещаемого заряда:

ε i =A вихр /q

ЭДС индукции, как и напряжение, выражается в вольтах. По закону Ома для замкнутой цепи I i = ε i /R

где R - сопротивление всей замкнутой цепи. Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I i в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром.

Опыт 4 : внесение (вынесение) магнита в замкнутый контур сначала с одним магнитом, затем с двумя магнитами.

Вывод : величина тока зависит от величины магнитной индукции.

Если в катушку вносить один и тот же постоянный магнит (см. рис. 1), но с разной скоростью, то можно заметить, что при быстром движении магнита сила тока больше, чем при медленном.

Опыт 5: вносим магнит сначала медленно, затем быстро.

Вывод : величина тока зависит от скорости внесения магнита.

Поэтому сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром: I i ~ ∆Ф /∆ t

Так как R не зависит от ∆Ф то ЭДС индукции ε i ~∆Ф /∆ t

Таким образом, делаем вывод: ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного поля, пронизывающего катушку.

Опыт 6. Зависимость ЭДС от числа витков в катушке.

Вывод: Сила индукционного тока, а следовательно, и ЭДС индукции пропорциональны числу витков вторичной катушки при одной и той же скорости изменения магнитного поля.

ε i ~N ·∆Ф /∆ t

ЭДС индукции совпадает по направлению с индукционным током.

Таким образом, из проделанных опытов мы делаем вывод: ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного поля, пронизывающего катушку, и числу витков на ней. Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I i в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром.

    Направление индукционного тока

Опыт 7: внесение (вынесение) магнита сначала северным полюсом, затем южным полюсом.

Вывод: направление тока зависит от направления магнитного поля.

Опыт 8. демонстрируют зависимость направления тока от замыкания или размыкания цепи первичной катушки.

Исследовав в 1831 году все важнейшие стороны электромагнитной индукции, Фарадей установил несколько правил для определения направления индукционного тока в различных случаях, однако общее правило ему найти не удалось. Оно было установлено позднее, в 1834 году петербургским академиком Эмилем Христиановичем Ленцем и носит поэтому его имя.

    Правило Ленца.

Исследуя явление электромагнитной индукции, Э. X. Ленц в 1833 г. установил общее правило для определения направления индукционного тока: индукционный ток всегда имеет такое направление, чтобы своим магнитным полем препятствовать причине, вызвавшей этот ток.

Опыт 9. Демонстрация опыта Ленца. В установке, подносят магнит к сплошному кольцу. Видят: кольцо отталкивается от полюса магнита. Если же надеть кольцо на магнит и затем вытягивать магнит из него, то кольцо тянется за магнитом. Как видно, индуцируемый в кольце ток препятствует в первом случае приближению магнита, во втором - его удалению.

На основе подобных наблюдений русский учёный Э. Х. Ленц предложил следующее правило для определения направления тока, индуцируемого в проводнике: индукционный ток всегда направлен так, что его магнитное поле противодействует тому изменению магнитного поля, которое вызывает этот ток.

Направление индукционного тока определяют по правилу буравчика, по правилу правой руки.

Учитель: Для определения направления индукционного тока в замкнутом контуре используется правило Ленца : Индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.

Экспериментальная задача: в стальной сердечник трансформатора, подключенного к напряжению 220В (РНШ) вносят замкнутый контур с лампочкой. Почему загорается лампочка при этом?

6. Закон электромагнитной индукции

Мы установили, что Э.д.с. индукции в какой либо цепи прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока ∆ t – время, за которое происходит изменение магнитного потока. Знак минус показывает, что когда магнитный поток уменьшается (∆Ф – отриц.), э.д.с. создает индукционный ток, увеличивающий магнитный поток и наоборот. Закон электромагнитной индукции экспериментальным путём установил М. Фарадей. Немецкий физик и естествоиспытатель Г. Гельмгольц показал, что основной закон электромагнитной индукции ε i = – ∆Ф/∆ t является следствием закона сохранения энергии. ЭДС индукции в замкнутом контуре равна взятой с противоположным знаком скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

Выражение ε i = – ∆Ф/∆ t (1) , называемое законом Фарадея, является универсальным: оно справедливо для всех случаев электромагнитной индукции. Для катушки с N закон электромагнитной индукции имеет вид:

ε i = – N · ∆Ф/∆t , Ф=BS [Тл·м 2 В б ], 1 Вб= 1В·1с

Знак минус показывает, что ЭДС индукции Е i , направлена так, что магнитное поле индукционного тока препятствует изменению потока магнитной индукции ∆Ф. Если поток увеличивается (∆Ф > 0), то Е i < 0 и поле индукционного тока направлено навстречу потоку. Если же поток уменьшается (∆Ф < 0), то Е i > 0 и направление потока и поля индукционного тока совпадают.Таким образом явление электромагнитной заключается в появлении (наведении) в проводящем контуре, находящемся в магнитном поле, электродвижущей силы в случае изменения величины магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную этим контуром . Выражение ε i = – N ·∆Ф/∆ t (1) представляет собой одну из математических записей закона электромагнитной индукции - ЭДС, наводимая в контуре электрической цепи, равна взятой с обратным знаком скорости изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную этим контуром .

7. Электромагнитная индукция в современной технике

Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы индукционных генераторов электрического тока, на которые приходится практически вся вырабатываемая в мире электроэнергия.

Примеры использования явления электромагнитной индукции в современной технике:

    специальные детекторы для обнаружения металлических предметов;

    поезд на магнитной подушке;

    электропечи для плавки металлов

    бытовые микроволновые СВЧ – печи.

    Закрепление изученного: Лабораторная работа « Изучение явления электромагнитной индукции»

    Подведение итогов урока

9. Задание на дом : § 8-11.

Электрические и магнитные поля порождаются одними и теми же источниками – электрическими зарядами, поэтому можно предположить, что между этими полями существует определенная связь. Это предположение нашло экспериментальное подтверждение в 1831 г. в опытах выдающегося английского физика М.Фарадея. Он открыл явление электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы индукционных генераторов электрического тока, на которые приходится вся вырабатываемая в мире электроэнергия.

  • Магнитный поток
Замкнутый контур, помещенный в однородное магнитное поле

Количественной характеристикой процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур является физическая величина называемая магнитным потоком . Магнитным потоком (Ф) через замкнутый контур площадью (S) называют физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции (В) на площадь контура (S) и на косинус угла между вектором В и нормалью к поверхности : Φ = BS cos α. Единица магнитного потока Ф - вебер (Вб): 1 Вб = 1 Тл · 1 м 2 .

перпендикулярен максимальный.

Если вектор магнитной индукции параллелен площади контура, то магнитный поток равен нулю.

  • Закон электромагнитной индукции

Опытным путем был установлен закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром: Эта формула носит название закона Фарадея .

Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый опыт Фарадея. В нем, чем быстрее перемещать магнит через витки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.

  • Правило Ленца

Зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 г. опытным путем установил русский физик Э.Х.Ленц. Согласно правилу Ленца , возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. Более кратко это правило можно сформулировать следующим образом: индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей. Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея ).

Ленцем был сконструирован прибор, представляющий собой два алюминиевых кольца, сплошное и разрезанное, укрепленные на алюминиевой перекладине. Они могли вращаться вокруг оси, как коромысло. При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало «убегать» от магнита, поворачивая соответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца оно стремилось «догнать» магнит. При движении же магнита внутри разрезанного кольца никакого движения не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стремилось компенсировать изменение внешнего магнитного потока.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Цели урока:

Учебная:

изучить закон электромагнитной индукции.

Развивающая:

1) формирование информационных компетенций;

2) развитие навыков самостоятельной работы с учебником;

3) совершенствование интеллектуальных способностей и мыслительных умений учащихся.

Воспитательная:

формирование коммуникативных качеств личностей.

Оборудование:

  1. Дидактические карточки с вопросами для каждой группы.
  2. Тестовые задания для каждой группы.
  3. Приборы для демонстрации: гальванометр, катушка, магнит.

Краткий конспект урока

  1. Организационный момент

Задача : создание благоприятного психологического настроя.

  1. Актуализация опорных знаний

Задача : повторить и углубить знания, необходимые для изучения нового материала.

Приём обучения – эвристическая беседа;

Формы организации познавательной деятельности (ФОПД) – фронтальная;

Метод обучения – репродуктивный.

Повторение основных понятий по теме «Электромагнитная индукция, правило Ленца, магнитный поток».

В 1821 году великий английский учёный записал в своём дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет это задача была и решена.

Как называлось открытое Фарадеем физическое явление?

Работать будем в группах по 2-3 человека, каждая из которых получает задание.

На обдумывание по 1-2 минуты, после чего представители групп отчитываются по повторению.

Задача : повторить основные понятия.

  • ФОПД – самостоятельная работа в группах.
  • Метод обучения – исследовательский, индуктивный

Карточка №1:

Когда и кем было открыто явление электромагнитной индукции?

В чем заключается явление электромагнитной индукции?

Карточка №2:

Опыт Фарадея: установка, демонстрация.

При каком условии в замкнутом проводнике возникает ток?

Карточка №3:

Правило Ленца.

Карточка №4:

Какая физическая величина характеризует магнитное поле в каждой точке пространства?

Какая физическая величина характеризует распределение магнитного поля по поверхности, ограниченной замкнутым контуром?

Формула, единица измерения.

Карточка № 5-6:

Определить направление индукционного тока в замкнутом контуре.

Отчёты групп.

Задачи:

  • развивать речевую культуру, умение обобщать материал, выделять главное.
  • воспитывать нравственные качества личности, связанные со взаимоотношениями в классном коллективе.

Метод обучения – индуктивный

Приём обучений – эвристическая беседа

  1. Изучение нового материала

Обобщить выводы, сделанные группами .

План:

  1. От чего зависит сила индукционного тока в замкнутом проводнике?
  2. Что называют ЭДС индукции?
  3. Формулировка закона электромагнитной индукции.
  4. Почему закон формулируется для ЭДС, а не для силы тока?
  5. Что означает знак (-) в законе?
  6. Как записать закон электромагнитной индукции, используя понятие производной?

Обобщённый план изучения явления:

  • Внешние признаки явления;
  • Условие его протекания;
  • Экспериментальное воспроизведение явления;
  • Механизм протекания явления;
  • Количественные характеристики явления;
  • Его объяснение на основе теорий;
  • Практическое применение явлений;
  • Влияние явления на человека и природу.

Для повторения и изучения явления электромагнитной индукции мы использовали метод научного познания. Его основы заложил в середине 16 века Галилео Галилей.

Схема метода :

  • накопление фактов;
  • построение теорий;
  • опытное доказательство гипотезы;
  • практическое применение теорий.

Метод научного познания позволяет объективно отражать действительность не только в физике, но и в других областях науки.

  1. Решение задач.

На ЕГЭ:

Графические задачи (часть А)

Расчетные задачи (часть В, С)

Задача: получить информацию о степени усвоения материала.

ФОПД – индивидуальная

Прием обучения – упражнения

Задача:

На рисунке 1-3 изображены замкнутые проводящие рамки, помещенные в магнитное поле, линии магнитной индукции которого направлены к нам, перпендикулярно плоскости чертежа. Возникает ли индукционный ток в рамке?

  1. Рефлексия:

Я научился …

Я узнал …

Я понял …

  1. Домашнее задание (дифференцированно):

1.Сборник задач Г.Н. Степановой № 1128, 1129

Учебник по физике 11 класс (Мякишев Г.Я.) §11.

2.Либо составить 2 задачи, аналогичные частям А и Б, либо найти в пособиях, решить и объяснить. Слайд 2

Карточка №1: Когда и кем было открыто явление электромагнитной индукции? В чем заключается явление электромагнитной индукции?

Карточка №2: Опыт Фарадея: установка, демонстрация. При каком условии в замкнутом проводнике возникает ток?

Карточка №3: Правило Ленца

Карточка №4: Какая физическая величина характеризует магнитное поле в каждой точке пространства? Какая физическая величина характеризует распределение магнитного поля по поверхности, ограниченной замкнутым контуром? Формула, единица измерения.

Карточка № 5-6: Определить направление индукционного тока в замкнутом контуре

План: От чего зависит сила индукционного тока в замкнутом проводнике? Что называют ЭДС индукции? Формулировка закона электромагнитной индукции. Почему закон формулируется для ЭДС, а не для силы тока? Что означает знак (-) в законе? Как записать закон электромагнитной индукции, используя понятие производной?

Обобщённый план изучения явления: Внешние признаки явления; Условие его протекания; Экспериментальное воспроизведение явления; Механизм протекания явления; Количественные характеристики явления; Его объяснение на основе теорий; Практическое применение явлений; Влияние явления на человека и природу.

Схема метода: накопление фактов построение теорий опытное доказательство гипотезы практическое применение теорий

Задача: На рисунке 1-3 изображены замкнутые проводящие рамки, помещенные в магнитное поле, линии магнитной индукции которого направлены к нам, перпендикулярно плоскости чертежа. Возникает ли индукционный ток в рамке? 1) 2) 3)

Рефлексия: Я научился… Я узнал… Я понял…


 

Возможно, будет полезно почитать: