Интергрированный урок "Электромагнитное поле"

Интегрированный урок на тему: «Электромагнитное поле»

Цель урока: показать связь физики с информатикой, химией и биологией, обобщить и систематизировать знания учащихся по теме «Электромагнитное поле», рассмотреть применение магнитных свойств вещества в магнитных носителях информаций, развить навыки решения расчётных и качественных задач, а также их программирования на ЭВМ с помощью языка Qбейсик. Развить устную речь и коммуникативные способности учащихся.

Ход урока:

«Царство науки не знает предела-

Всюду следы её вечных побед,

Разума слово и дело,

Сила и свет»

I урок.

I. Организационный момент (сообщить тему, цель урока и эпиграф)

II. Вступительное слово учителя.

Спорить можно о чём, когда и сколько угодно. Хотя большая часть вопросов отпадает после произнесения двух фраз: «всё относительно» и «каждый выбирает для себя». Попробуем разобраться – по необходимости кратко, так как, согласно классику, нельзя объять необъятное. А тема об электромагнитном поле именно необъятная. Все вещества и тела природы обладают магнитными свойствами, то есть ощущают действие магнитного поля или способны сами его создавать. А как зарождается явление магнетизма расскажет учитель химии.

III. Обобщение материала по физике и информатике.

Учитель химии: По магнитным свойствам все вещества можно разделить на 2 большие группы - слабомагнитные и сильномагнитные. К слабомагнитным относятся все газы и жидкости, а из простых твердых тел, например серебро и сера, из сложных - лед и поваренная соль, резина и кремнезем. Сильномагнитных веществ сравнительно немного: это прежде всего железо, никель, кобальт. Железо - ferrum - латинское название железа, означающее ферромагнетик. Ферромагнетики легко и сильно намагничиваются в магнитном поле, сохраняя намагниченное состояние и после выключения поля. Те, что долго остаются намагниченными, годятся для изготовления постоянных магнитов. Их примером служат школьные пособия (U-образные и стержневые постоянные магниты) или магнитная стрелка компаса. Применение ферромагнетиков, разумеется, не ограничивается школьными опытами с железными опилками. Магнитные материалы постоянно работают и в телевизорах, и в радиоприемниках, и в трансформаторах, и вообще в миллионах приборов и устройств радиотехники и электроники.

Причину магнетизма объяснил советский физик Френкель в 1928 году. Оказалось, что это явление - квантовое. Вы знаете, что электрон, помимо массы и заряда, обладает третьей основной характеристикой - спином. Ее приближенно можно трактовать как результат вращения электрона вокруг оси, проходящей через его «центр». Но электрон - это электрический заряд, а его вращение -круговой ток. Поэтому каждый электрон из-за наличия у него спина одновременно является крохотным магнитиком, который весьма условно можно уподобить магнитной стрелке размером всего лишь 10^-13 см, с полюсами на оси спина.

(Диск) Железо - переходный металл, у которого на Зd-уровне есть электроны с неспаренными спинами. Энергетическое взаимодействие этих электронов таково, что их спинам «удобно», точнее энергетически выгодно, располагаться параллельно друг другу. А раз так, то и «магнитные стрелочки» тоже устанавливаются параллельно, например все северные магнитные полюса «вверх», а южные - «вниз». В результате их магнитные силы складываются. У каждого они очень малы, но электронов много: в 1см³ около 10²² магнитных спинов. Параллельный порядок сохраняется при повышении вплоть до 769⁰ С. Выше этой температуры ферромагнетизм исчезает, так как тепловое движение (колебание атомов) становится столь интенсивным, что спины еже не могут «держать» строй - ориентация становится хаотической. Тогда говорят, что железо размагнитилось. Если же железо охладить ниже этой температуры, то порядок восстановится. Так как железо полезное ископаемое, залегающее и одновременно ферромагнетик, то оно создает магнитное поле Земли. Наряду с магнитным полем существует еще и электрическое. Об этом вам расскажет учитель физики.

Учитель физики: Нас окружает сложный мир электромагнитных полей, оставаясь недоступным нашему зрению, но открытый нашему разуму благодаря учёным. До Фарадея и Максвелла был свет, было электричество, и был магнетизм. Явления, по тем представлениям никак не связанных друг с другом. Но маленькое чудо, обнаруженное Эрстедом, который поместил рядом с проводником магнитную стрелку, подарило Фарадею надежду на отыскание глубинных связей между всеми этими явлениями. Через 11лет после опытов Эрстеда Фарадей открыл электромагнитную индукцию, ещё через 3года он ввёл представление о силовых линиях, а ещё через 11лет в его работах впервые появится термин «поле».

Ребята вспомните, что же называется электромагнитной индукцией? Сформулируйте закон электромагнитной индукции. (Электромагнитная индукция – это явление порождения вихревого электрического поля переменным магнитным полем. Закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения пронизывающего его магнитного потока, взятой с противоположным знаком).

А теперь давайте рассмотрим опыты, которые проводил Фарадей. ( Опыты)

Какой можно сделать из этих опытов вывод? (При всяком изменении магнитного потока в замкнутом проводнике (проводящем контуре) возникает индукционный ток)

Сообщение ученика: Ленцем был сконструирован прибор, представляющий собой два алюминиевых кольца, сплошное и разрезанное, укрепленные на алюминиевой перекладине и имеющие возможность вращаться вокруг оси, как коромысло. При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало "убегать" от магнита, поворачивая соответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца кольцо стремилось «догнать» магнит. При движении магнита внутри разрезанного кольца никакого эффекта не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стремилось компенсировать изменение внешнего магнитного потока. Зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 г. опытным путем установил русский ученый Ленц. Он сформулировал правило, носящее его имя. Индукционный ток имеет такое направление, при котором его магнитное поле стремится скомпенсировать изменение внешнего магнитного потока через контур.

В разных системах отсчёта электромагнитное поле проявляется по – разному: в системе отсчёта, относительно которой точечный источник поля покоится, электромагнитное поле является чисто электрическим. В системе отсчёта, относительно которой точечный источник поля движется с постоянной скоростью, электромагнитное поле уже не является чисто электрическим, ни чисто магнитным. Сейчас мы с вами проведём сравнение этих частных проявлений электромагнитного поля: электрического и магнитного. (Презентация)

Продолжил научные исследования Фарадея Джеймс Клерк Максвелл. Создав единую теорию электромагнитного взаимодействия, он совершил одно из величайших обобщений в физике и создал новую картину мира – электродинамическую. В 60-х годах XIXв. Максвелл предсказав существование электромагнитных волн, обнаружил, что скорость их распространения совпадает со скоростью света. Обнаружив это совпадение, Максвелл пришел к выводу, что «свет является электромагнитным возмущением, распространяющимся через поле в соответствии с законами электромагнетизма». Другими словами свет - это электромагнитные волны.

Какие свойства имеют световые волны? (Поляризация, дисперсия, дифракция, интерференция, излучается и поглощается отдельными порциями – квантами).

Каким законам подчиняются световые волны? ( Закон прямолинейного распространения, законы отражения, законы преломления). Все открытия, которые были сделаны учёными, привели к бурному развитию электротехники. Появились генераторы электрического тока, трансформаторы, бетатроны – это индукционные циклические ускорители электронов, в которых энергия частиц увеличивается за счёт действия вихревого электрического поля. Явление электромагнитной индукции используется и в магнитной записи в магнитофонах, дисках, в магнитных носителях информаций, расскажет учитель Явление дифракции и интерференции мы можем наблюдать на более современных дисках – оптических, о которых вам информатики.

Учитель информатики: Человеческое общество по мере своего развития овладевало не только веществом и энергией, но и информацией. Одним из основных этапов в информационном развитии общества является изобретение радио, телефона, телевидения, а также применение электронной вычислительной техники.

Информационное общество – это общество, в котором большая часть населения занята получением, обработкой, передачей и хранением информации.

Для хранения информации часто применяют так называемые магнитные диски. Они обеспечивают транспортировку данных в тех случаях, когда компьютеры не объединены в сети.

Магнитные диски – это круглые пластмассовые или металлические пластины, имеющие магнитное покрытие.

Данные хранятся на таких дисках в виде намагниченных или не намагниченных областей.

Информация на магнитные носители может записываться многократно.

К магнитным носителям или дискам относятся: гибкие диски (дискеты) и жесткие диски («винчестеры»)

Гибкий диск (англ. floppy disk), или дискета, — носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке.

Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие.

В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы.

Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках FDD (англ. floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается.

В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными.

Дискета вращается только при обращении к ней.

Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD — Hard Disk Drive) или винчестерский накопитель — это запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала.

Используется для постоянного хранения информации — программ и данных.

Рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки — на секторы.

Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных.  

Поверхность платтера имеет магнитное покрытие, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу.

При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

Винчестерские накопители имеют очень большую ёмкость: от 10 до 100 Гбайт.

У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с.

В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно.

Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (обычно 2 Мбайта), который существенно повышает их производительность.

Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.

Стример (англ. tape streamer) — устройство для резервного копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1 - 2 Гбайта и больше.

Стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации.

Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации.

Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.

В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков — от сотен Мбайт до нескольких Гигабайт.

CD-ROM состоит из прозрачной полимерной основ. Одна сторона покрыта тонким алюминиевым слоем, защищенным от повреждений слоем лака.

Двоичная информация представляется последовательным чередованием углублений (pits — ямки) и основного слоя (land — земля).

На одном дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч дорожек с информацией.

Ёмкость CD до 780 Мбайт.

Информация заносится на диск на заводе и не может быть изменена.

Для работы с CD ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM (CD-ROM Drive), в котором компакт-диски сменяются как в обычном проигрывателе.

Накопители CD-ROM часто называют проигрывателями CD-ROM или приводами CD-ROM.

Многие накопители CD-ROM способны воспроизводить обычные аудио-CD. Это позволяет пользователю, работающему за компьютером, слушать музыку в фоновом режиме.

Главный недостаток накопителей CD-ROM — невозможность перезаписи информации.

Со временем на смену CD-ROM могут прийти цифровые видеодиски DVD

Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают 4,7 Гбайт данных, т.е. по объёму заменяют семь стандартных дисков CD-ROM.

В скором времени ёмкость дисков DVD возрастет до 17 Гбайт.

На таких дисках будут выпускаться полноэкранные видеофильмы отличного качества, программы-тренажёры, мультимедийные игры и многое другое.

Диски СD-MO (Compact Disk-Magneto Optical) можно многократно использовать для записи, но они не читаются на традиционных дисководах CD-ROM.

Ёмкость от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт.

Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен, наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на специальные оптические диски.

Ёмкость 650 Мбайт.

Как и все приборы потребляющие электроэнергию, компьютер испускает электромагнитное излучение и является самым опасным его источником.

В настоящее время о влиянии электромагнитного излучения на организм человека, практически ни чего не известно, да и за компьютерами мы сидим пока лет 20. Однако некоторые работы и исследования в этой области определяют возможные факторы риска, так например считается что электромагнитное излучение может вызвать расстройства нервной системы, снижение иммунитета, расстройства сердечно-сосудистой системы.

Учитель биологии:

(презентация) 1.Мы живем в мире, насыщенном благами цивилизации и научно-технического прогресса. А вот эволюционно сложившихся механизмов нейтрализации магнитных полей у человека нет.

2.Нас окружают чайники, стиральные машины, утюги, настольные лампы, холодильники, телевизоры, компьютеры, трамваи, метро, одним словом, продукты цивилизации, от которых мы не привыкли отказываться… И, конечно же, источники наиболее интенсивных электромагнитных излучений – мобильные телефоны и микроволновые печи.

3.Электромагнитные излучения не признают географических, административных и государственных границ. Любой живой организм – это открытая система. Вопрос: Какая система называется открытой? Следовательно, живой организм взаимодействует с внешними по отношению к нему электромагнитными полями. Сегодня электромагнитное облучение в 100 миллионов раз превышает то, что испытывали наши деды.

4.Мы чаще всего просто не понимаем, как опасно для нас воздействие невидимых лучей (ЭМИ), потому что они наносят вред нашему организму незаметно, минуя органы чувств. Их нельзя увидеть, услышать, потрогать руками. Но вред их от этого не уменьшается. Исследования ученых о воздействии этих полей на человеческий организм выявили, что наиболее уязвленными системами чаще всего оказываются самые важные: нервная, иммунная, эндокринная, половая.

5.Доказано, что электромагнитное излучение влияет на выработку шишковидной железой гормона мелатонина, - гормона, играющего не последнюю роль в иммунной системе (его также называют «гормон молодости»).Воздействие магнитных полей замедляет свертываемость крови. Эпидемиологи установили, что раковые заболевания чаще встречаются среди людей, проживающих в непосредственной близости от источников сильных электромагнитных полей, таких, например, как высоковольтные линии электропередачи.

6.Но влияние электромагнитного излучения используют в медицине, например, для лечения атеросклероза. Под влиянием магнитного поля лейкоциты образуются быстрее, но срок их жизни уменьшается, зато костный мозг очень быстро воспроизводит их. Подобное влияние на костный мозг используется и при лечении лучевой болезни.

7.Многие ученые утверждают, что у животных существует специальный орган, с помощью которого они определяют наличие магнитного поля. Многочисленные опыты показали, что, например, голуби обладают особым «магнитным» чувством, которое позволяет им ориентироваться в магнитном поле Земли. Чтобы проверить, так ли это, ученые поступили с голубями, как с обычным компасом: прикрепили к крыльям голубя стальные пластинки и живые компасы «испортились».

8.Органы нашего тела создают вокруг себя магнитное поле. Установлено, что вдоль возбуждаемого нерва примерно за 0,0005 секунды до передачи образуется магнитное поле. По-видимому, в момент раздражения молекулы, несущие в себе заряд, изменяют свое положение в пространстве, позволяя пройти по нерву волне возбуждения, что является причиной возникновения магнитного поля.

Подводя итог, можно сказать, что электромагнитное излучение имеет двойственную природу – влияет на организм как положительно, так и отрицательно.

Вопрос: Какие системы органов подвержены наибольшему воздействию электромагнитных полей?

IV. Решение задач по изученному материалу.

Мы повторили и обобщили ваши знания об электромагнитном поле, применение магнитных свойств вещества и их использование в магнитных носителях информации: гибких и жёстких дисках, а также влияние электромагнитного поля на живые организмы.

А теперь мы с вами эти знания используем в практической части нашего занятия – решении задач (условия на презентации).

I вариант.

ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре равна 10В. Какой заряд проходит по контуру за 2с, если его сопротивление равно 50 Ом?

Дано: Решение:

ε_i =10В , , .

Δt=2с

R=50Ом.

Найти: q-? Ответ: 0,4Кл.

cls

Input E,t,R

q=(E*t)/R

Print “q=“;q

end

II вариант.

Энергия магнитного поля катушки численно равна кинетической энергии тела массой 1кг, движущегося со скоростью 4м/с. Какова индуктивность катушки, если сила тока равна 8А?

Дано: Решение:

W=E_к ,

m=1кг

=4м/с = 0,25Гн.

I=8А

Найти: L-? Ответ: 0,25Гн.

cls

Input m,V,I

L=(m*V^2)/(I^2)

Print “L=“;L

End

Ребята, давайте теперь проверим решения задач. Молодцы!

А теперь я передаю слово учителю информатики, с которым вы по решениям этих задач должны составить программы, и сравним результаты, полученные нами и компьютером.

II урок – игра.

V. Закрепление пройденного материала.

I. Конкурс. «Быстро и в точку!» (тесты по информатике) (на слайде)

1. Первоначальный смысл английского слова "компьютер":

вид телескопа
электронный аппарат
электронно-лучевая трубка
человек, производящий расчеты

1. Общим свойством машины Бэббиджа, современного компьютера и человеческого мозга является способность обрабатывать...

числовую информацию
текстовую информацию
звуковую информацию
графическую информацию

1. Двоичную систему счисления впервые предложил...

Блез Паскаль
Готфрид Вильгельм Лейбниц
Чарльз Беббидж
Джордж Буль

1. Первую вычислительную машину изобрел...

Джон фон Нейман
Джордж Буль
Норберт Винер
Чарльз Беббидж

1. Первая программа была написана...

Чарльзом Бэббиджем
Адой Лавлейс
Говардом Айкеном
Полом Алленом

1. Основы теории алгоритмов были впервые заложены в работе...

Чарльза Беббиджа
Блеза Паскаля
С.А. Лебедева
Алана Тьюринга

1. Современную организацию ЭВМ предложил...

Джон фон Нейман
Джордж Буль
Ада Лавлейс
Норберт Винер

1. Первая ЭВМ появилась...

в 1823 году
в 1946 году
в 1949 году
в 1951 году

1. Первая ЭВМ называлась...

МИНСК
БЭСМ
ЭНИАК
IВМ

1. Основные принципы цифровых вычислительных машин были разработаны...

Блезом Паскалем
Готфридом Вильгельмом Лейбницем
Чарльзом Беббиджем
Джоном фон Нейманом

II. Конкурс. «Физическая эстафета» (слайды)

III. Конкурс. «Аукцион!»

1. Разыгрывается безотказный пишущий инструмент (ручка).

Вопрос: Почему закат всегда бывает красным?

(Красный цвет заходящего (восходящего) Солнца обусловлен тем, что солнечный свет в такие моменты из-за низкого положения Солнца над горизонтом преодолевает значительно большую толщу воздуха, чем днем. В результате этого сине-голубые лучи, успевают рассеяться и в проходящем от солнца световом пучке остаются лучи, преобладающими в которых оказываются красные, именно они и придают закату красноватый оттенок)

2. Разыгрывается запоминающее устройство для хранения телефонов и адресов (записная книжка).

Вопрос: Чем процесс хранения информации на внешних носителях принципиально отличается от процесса хранения информации в оперативной памяти? (Ответ: Тем, что на внешних носителях информация может храниться после отключения питания компьютера.)

3. Разыгрывается универсальная стиральная машина (ластик).

Вопрос:. Почему у людей, находившихся в зоне чернобыльской аварии, очень часто наблюдались поражения щитовидной железы? В чем они проявляются?

(Под действием избыточного излучения йод становится радиоактивным, поэтому он не усваивается организмом.)

IV. Конкурс. «Люди науки» (портреты предоставлены на слайдах)

«Для подавляющего большинства современников он был просто гениальным экспериментатором. Отсутствие математики в его трудах мешало им понять его теоретические воззрения». (Майкл Фарадей)

«Он открыл один из важнейших количественный закон цепи электрического тока. Он установил постоянство силы тока в различных участках цепи, показал, что сила тока убывает с увеличением длины провода и с уменьшением площади его поперечного сечения. Он нашёл ряд из многих веществ по возрастанию сопротивления» (Георг Ом)

«Он в 24 года становится профессором, а в 29 лет – академиком. Будучи разносторонним учёным, он работает не только в области электродинамики, но и над проблемами небесной механики, теории упругости, молекулярной физики, оптики, теории цветного зрения и т.д.» (Джемс Клерк Максвелл)

«Ещё при жизни он стал легендой. Одни восхищались безупречной логикой его рассуждений и сравнивали его с идеальной логической машиной с тщательно подогнанными шестеренками. Другим импонировали присущие его мышлению блеск и изящество. «Слушая этого ученого, начинаешь понимать, как должен работать человеческий мозг», — говорили наиболее восторженные поклонники его таланта. Третьих восхищало умение производить в уме сложнейшие вычисления и инженерная хватка, несколько неожиданная у ученого, мышление которого, даже по мнению его искушённых коллег, отличалось особой абстрактностью.» (Джон фон Нейман)

«Он начал конструировать вычислительные машины, и это стало главным делом его жизни. В 1822 г. он построил действующую модель механической вычислительной машины - так называемую разностную машину. Но в полном объеме замысел реализовать не удалось. В то время просто не было оборудования, чтобы изготовить необходимые детали.» (Чарльз Бэббидж)

«Её изысканная болезненная красота покорила сердца многих, большей частью недостойных, современников. Научная элита Великой Британии девятнадцатого века именовала её не иначе, как Диадемой Круга, отдавая должное уникальным талантам и неземной красоте нашей героини. Суеверные слуги шептались по углам об очевидных свидетельствах сговора хозяйки дома с самим Вельзевулом.» (Ада Августа Лавлейс)

V. Конкурс. «Кто больше?»

1. Информацию, отражающую истинное положение дел, называют…(достоверной)

2. Причиной сопротивления является взаимодействие движущихся электронов с… (ионами кристаллической решётки)

3. Какая информация содержится в учебнике по математике? (текстовая, графическая, числовая)

4. Короткое замыкание возникает, если… (внешнее сопротивление цепи мало)

5. Какое действие электрического тока отсутствует у сверхпроводников? (тепловое)

6. Для долговременного хранения информации служат… (внешние носители)

7. Чему равна скорость распространения света в вакууме? (3*10⁸м/с)

8. Персональный компьютер не будет функционировать, если отключить… (питание)

9. Дисковод – это устройство для… (чтения и записи информации с внешнего носителя)

10. Правило Ленца. (индукционный ток всегда имеет такое направление, при котором возникает противодействие причинам, его породившим.)

11. Расширение имени файла характеризует… (тип информации, содержащейся в файле)

12. Метод определения химического состава вещества по его спектру называется …. (спектральным анализом)

13. Устройством ввода текстовой информации является… (клавиатура)

14. Нейтральная частица, не имеющая массы покоя и обладающая импульсом и энергией, называется (фотоном)

15. Перечислите устройства, входящие в состав процессора. (сумматор, триггер, регистр)

16. Электрический ток, который с течением времени изменяется, называется… (переменным)

«Науку всё глубже постигнуть стремись,

Познанием вечного жаждой томись.

Лишь первых познаний блеснёт тебе свет,

Узнаешь: предела для знания нет.

(Фирдоуси. Персидский и таджикский поэт, 940-1030 гг)

Удачи и успехов вам, доброго пути в Страну Знаний и неизведанных тайн!