Урок: Электромагнитная индукция. Трансформатор.

Тема урока: Электромагнитная индукция. Практическое применение явления электромагнитной индукции – трансформатор.

Тип урока: формирование новых знаний.

Вид урока: комбинированный урок

Форма проведения: беседа с демонстрацией видеоматериалов, проведением демонстрационных опытов и экспериментов.

Методы обучения:

- объяснительно-иллюстративный,

- частично-поисковый (фронтальный лабораторный эксперимент, проблемная беседа),

- репродуктивный.

Оборудование демонстрационное: гальванометр, трансформаторная катушка, полосовой магнит, соединительные провода, модель разборного трансформатора, компьютер, демонстрационный телевизор, ноутбуки, презентация.

Оборудование для фронтального лабораторного эксперимента: катушки с сердечником, соединительные провода, мультиметр.

Цели урока:

• Обучающие;

- раскрыть сущность явления электромагнитной индукции;

- усвоение назначения, классификации, устройства, принципа действия трансформатора

- показать взаимосвязь и практическую значимость изучаемых явлений.

• Развивающие:

- способствовать актуализации, закреплению и обобщению знаний, самостоятельному конструированию новых знаний;

- способствовать развитию умений работать в группе, высказывать собственные суждения и аргументировать свою точку зрения;

- формировать умение выделять главное и существенное;

- развивать познавательные интересы при выявлении сути процессов:

- развивать память и творческую активность.

• Воспитательные:

- воспитание интереса к изучению физики и электротехники через примеры профессиональной направленности;

- воспитание инициативы и самостоятельности при проведении фронтального лабораторного эксперимента;

- воспитание патриотизма при рассмотрении вопроса о вкладе ученых в раскрытие данной темы.

Обучающиеся должны знать:

- определение электромагнитной индукции;

- назначение, устройство, принцип работы, виды трансформаторов.

Обучающиеся должны уметь:

- пользоваться законом электромагнитной индукции для выполнения простейших расчетов;

- использовать трансформаторы на практике при работе со сварочным аппартом.

Ход урока:

1. Организационный момент

   1. Преподаватель: Добрый день, уважаемые студенты. Рада всех видеть на уроке. Сегодня у нас интегрированный урок. Мы проследим междисциплинарные связи физики и электротехники.

Попрошу дежурных написать список отсутствующих. Желаем вам творческого настроя и успешной работы.

1. Актуализация знаний

2.1 Преподаватель. Урок хотелось бы начать словами:

Как наша прожила б планета?

Как люди жили бы на ней?

Без теплоты, магнита, света, без электрических лучей?

(Армен Аванесов)

Современная жизнь, как известно, просто невозможна без электричества. Но всего 200 лет назад об электричестве знали очень мало, а учёные ломали головы, где и как его использовать. Потребовались усилия многих великих учёных и изобретателей, прежде чем загорелась первая электрическая лампочка.

А как вы думаете, имеется ли связь между электрическими и магнитными полями? (Выслушиваются предположения).

Сегодня на уроке мы точно ответим на этот вопрос. Но прежде, чем приступить к новой теме, мне бы хотелось проверить, как вы усвоили материал прошлого урока.

1. Повторение ранее пройденного материала.

3.1 Преподаватель: Перед вами на столах лежат рабочий лист (Приложение 1) и опорный конспект по пройденной теме. Рабочий лист заполняем в течение всего урока и в конце занятия сдаем для оценивания. Запишите в нем фамилию и дату урока. Опираясь на опорный конспект (Приложение 2) ответьте на вопросы. Ответы запишите в рабочий лист. Обратите внимание на критерии оценивания.

1. Объяснение нового материала

4.1 Преподаватель: Приступая к изучению новой темы, скажу, что сегодня мы познакомимся с жизненно важным явлением, связанным с электромагнитным полем и с гениальным ученым, автором этого явления. Посмотрите внимательно видеоролик, и попробуйте самостоятельно определить тему нашего урока.

Внимание на экран. Видеоролик о Майкле Фарадее (во вложенном файле)

4.2 Преподаватель: В этот момент мне бы хотелось вспомнить слова Гельмгольца: «Пока люди будут пользоваться благами электричества, они будут помнить имя Фарадея». Как вы думаете, за что люди должны помнить Фарадея? Вы согласны с высказыванием Гельмгольца? (немецкий физик, врач, физиолог, психолог, акустик).

(В дискуссии приходим к выводу, что он открыл важное явление, имеющее большое практическое значение).

Итак, кто догадался, как называется тема нашего занятия?

(выслушиваются мнения студентов, преподаватель плавно подводит к теме урока, если мнения разошлись – явление электромагнитной индукции).

4.3 Преподаватель. Вы большие молодцы. Но это еще не вся тема нашего урока. Чтобы определить практическую значимость электромагнитной индукции предлагаю решить гексаграмму. (На пересечении строк (название изобретений) и столбцов (авторы этих изобретений), прочитайте изобретение русского физика. И тогда вы узнаете тему урока (Слайд 2.)

У нас получилось слово ТРАНСФОРМАТОР.

4.4 Преподаватель Молодцы, вот теперь мы сформулировали полную тему нашего интегрированного урока. (Слайд 3.)

Откройте рабочие тетради, запишите дату и тему урока «Электромагнитная индукция. Практическое применение явления электромагнитной индукции – трансформатор».

Давайте попробуем сформулировать цели урока. Что мы должны усвоить на уроке? (изучить явление электромагнитной индукции, выяснить условия возникновения индукционного тока, изучить устройство, принцип работы трансформатора) (Слайд 4.)

4.5 Преподаватель. Прежде давайте вспомним, какие опытные факты уже были известны в то время, до того, как Фарадей приступил к решению поставленной задачи? (Опыты Эрстеда и Ампера).

4.6 Ответы обучающихся у доски

Обучающийся по слайду объясняет опыт Эрстеда (Слайд 5)

Эрстед помещал над магнитной стрелкой прямолинейный металлический проводник, направленный параллельно стрелке. При пропускании через проводник электрического тока стрелка поворачивалась перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока стрелка разворачивалась на 180°. Аналогичный разворот наблюдался, если провод переносился на другую сторону, располагаясь не над, а под стрелкой.

Обучающийся по слайду объясняет Опыт Ампера (Слайд 6).

Возьмём два гибких параллельных проводника, укрепив их вертикально, а затем присоединим нижними концами к полюсам источника тока. Ничего не наблюдаем. Действия проводников при этом не обнаружится, хотя проводники заряжаются от источника тока, но заряды проводников при разности потенциалов между ними в несколько вольт ничтожно малы.

Если в проводниках возникают токи разных направлений, то проводники отталкиваются, в случае токов одного направления – притягиваются.

Взаимодействия между проводниками с током называют магнитными.

4.7 Преподаватель: В 1820 году Эрстед обнаружил действие тока на магнитную стрелку, а Ампер обнаружил взаимодействие токов. Араго открыл намагничивание током. Связь между электрическими и магнитными явлениями была очевидной. Идея получения электричества за счет магнетизма носилась в воздухе. Эту задачу пытались решить ряд ученых, в том числе и Ампер, но безуспешно. Решение этой задачи позволило бы с помощью магнитного поля получать электрический ток и построить электрические генераторы.

5. Основной этап изучения новой темы

5.1 Преподаватель. В 1821 году М. Фарадей поставил перед собой задачу: «Превратить магнетизм в электричество».

Электрический ток, рассуждал Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит вызвать появление электрического тока?

Чтобы понять, как Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество», выполним опыты Фарадея, используя современные приборы.

Демонстрация опыта: (Слайд 7)

5.1 Преподаватель. Оборудование, которым мы сейчас будем пользоваться – демонстрационный гальванометр, трансформаторная катушка, постоянный магнит, соединительные провода. Источник тока отсутствует.

1. Подключим к чувствительному гальванометру катушку с большим числом витков. При внесении магнита в катушку наблюдается кратковременное отклонение стрелки гальванометра. Если магнит не движется, а просто покоится, то тока в цепи не возникает. Когда магнит вынимают из катушки, то опять же заметно отклонение стрелки, но в противоположную сторону. Делаем вывод, что ток в катушке возникает (индуцируется) только тогда, когда её пересекают линии магнитного поля, т. е переменное магнитное поле является причиной кратковременного электрического тока. Будет тот же самый результат, если перемещать катушку с током вдоль неподвижного магнита.

1. Опыт с двумя катушками и источником тока посмотрим на видео (во вложенном файле)

2. Проведем эксперимент:

У вас на столах имеется оборудование: u –образный магнит, катушка, мультиметр, соединительные провода. Соберем цепь. Выполняем задания по плану:

1 – включите мультиметр на 2500 мкА

2 – вдвигаем катушку относительно южного полюса магнита, наблюдаем показания прибора

3 – выдвигаем катушку из магнита, наблюдаем за показаниями прибора

4 - вдвигаем в катушку северный полюс магнита, смотрим показания

5 - выдвигаем катушку из северного магнита, наблюдаем за показаниями

6 – Двигаем катушку относительно магнита

7- Изменяем скорость движения катушки, относительно магнита

В рабочих листах выполняем задание 2 – эксперимент, записываем выводы.

5.2 Преподаватель. Обобщив опыты, скажите, при каких условиях возникает индукционный ток? (выслушивается мнение обучающихся, обсуждения вопроса).

5.3 Преподаватель. Вывод: в проводящем контуре возникает электрический ток, если контур находится в переменном магнитном поле или движется в постоянном во времени поле так, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется.

Откройте учебник на странице 28, найдите определение явления электромагнитной индукции и запишите в тетрадь: Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром, меняется со временем. (Слайд 8)

5.4 Преподаватель: Майкл Фарадей оказался прав в своем убеждении в единстве электрических и магнитных явлений. Ему удалось получить с помощью магнитного поля электрическую энергию. Такой ток называют индукционным. По сути, он создал первый генератор переменного тока. В основе генерации переменного тока лежит явление электромагнитной индукции. Мы с вами живем на территории, где есть своя тепловая электростанция, которая вырабатывает электроэнергию с помощью индукционных генераторов. Березовская ГРЭС – тепловая электростанция (ГРЭС) в городе Шарыпово Красноярского края России. Установленная мощность электростанции составляет 2 410 МВт (3 энергоблока по 800 МВт). Тепловая мощность станции — 893 Гкал/час. Берёзовская ГРЭС является крупным поставщиком электрической энергии вплоть до Урала. Входит в состав энергетической компании ПАО «Юнипро» с 2016 года. ГРЭС является градообразующим предприятием города Шарыпово. Самое интересное на станции - дымовая труба высотой 370 метров - самый высокий промышленный объект в России. Она настолько огромная, что ее можно легко увидеть с 10 тысяч метров над землей.

5.5 Преподаватель: Чтобы закрепить полученные знания, откройте рабочий стол на ваших ноутбуках, найдите файл – «навигатор» (Приложение 4) пройдите по ссылке, выполните тест по пройденной теме. На выполнение теста отводится 5 минут. Работаем на 2 варианта. Процент выполнения запишите в рабочий лист. Обратите внимание на критерии оценивания.

1вариант https://testedu.ru/test/fizika/11-klass/magnitnoe-pole-elektromagnitnaya-indukcziya.html

2 вариант https://testedu.ru/test/fizika/11-klass/magnitnoe-pole-elektromagnitnaya-indukcziya-2.html

1. Преподаватель: Генераторы электростанций вырабатывают ток напряжением 10–20 кВ, но чтобы избежать тепловых потерь, согласно закона Джоуля-Ленца, по проводам выгодно передавать ток напряжением 100–1000 кВ. Это в разы больше, чем вырабатывает генератор.

На практике же нужно не слишком высокое напряжение. Например, напряжение в осветительной сети квартир, в основном 220 В, а для работы телефона, телевизора, магнитофона, радиоприемника и того меньше от единиц до нескольких сот вольт. Что же делать? Как решить эту проблему? Что думаете вы по этому вопросу?

(Выслушиваются предложения решения проблемы, приходят к выводу, что нужно устройство, которое бы понижало напряжение, а при необходимости и повышало).

5.7 Преподаватель: Если вернуться к теме нашего урока, то при решении гексаграммы, вы уже назвали этот прибор – трансформатор. Действительно, электрический ток никогда бы не получил такого широкого применения, если его нельзя было бы трансформировать, преобразовывать. Действие трансформатора основано тоже на явлении электромагнитной индукции.

Для вас, будущих сварщиков, тема трансформаторов актуальна, сварочный трансформатор имеет большое практическое значение.

Как вы думаете, что мы должны узнать о трансформаторе в процессе раскрытия темы? Давайте подумаем. (Назначение, устройство, принцип работы, виды) (Слайд 9.).

На прошлом уроке электротехники мы рассмотрели тему «Магнитный поток», поэтому сегодняшняя тема не вызовет у вас затруднения.

Предлагаю разделиться на 4 команды. Выбираете капитана. Каждая команда берет себе одно из назначений трансформатора. Информацию берете из любых доступных вам источников (учебников физики и электротехники, сети Интернет). Обучающиеся группы делают необходимые записи в тетрадях. На ноутбуках делают слайды (2-3) и защищают у доски. Время выполнения 15 минут. Преподаватель работает в роли координатора.

Первая команда изучает историю возникновения, назначение трансформатора, его схематическое обозначение.

Вторая – разбирается в устройстве однофазного трансформатора (демонстрируют модель разборного трансформатора).

Третья – трансформатор на холостом ходу.

Четвертая – виды трансформаторов (работают по QR-кодам) (Приложение 5).

По истечении времени, капитаны команд у доски объясняют свои блоки заданий. Обучающиеся делают записи в тетрадях. Команда 4 работают с информацией по QR-кодам, рассказывают виды трансформаторов (обучающимся с помощью сканеров своих мобильных устройств необходимо отсканировать QR-код и перейти к изучению материала).

1. Преподаватель: Спасибо, вы молодцы. Умеете самостоятельно добывать знания. Сейчас я обобщу итог вашей работы. Обращаюсь к слайдам (Слайды 10, 11, 12, 13):

Трансформатор – это электромагнитный прибор, предназначенный для преобразования энергии переменного тока, одного напряжения в другое той же частоты, практически без потерь мощности.

Пионером создания считается П.Н. Яблочков 1876 год. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представляющим собой стержень, на который намотана обмотка. Был усовершенствован в 1882 году другим русским ученым И. Ф. Усагиным.

Трансформатор состоит из стального сердечника, собранного из пластин (магнитопровод), на который две или более катушки с проволочными обмотками. Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникающих при перемагничивании, сердечники собирают из отдельных тонких пластин (0,3- 0,5 мм) из специальной трансформаторной стали и изолируют друг от друга.

Одна катушка подключается к источнику переменного напряжения и называется первичной, вторая к потребителю, называется вторичной.

-Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока по обмотке начнет протекать ток, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС.

Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы.

Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если первичное напряжение больше вторичного – понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.

– коэффициент трансформации, он определяет тип трансформатора. Если k 1 – трансформатор понижающий.

При нагруженном трансформаторе мощность в первичной цепи Р₁ приблизительно равна мощности во вторичной цепи Р_{2 .}

U₁I₁ ≈ U₂ I₂ Из равенства следует что U₁ /U_{2 ≈} I₂/ I₁ - это значит, что повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока. И наоборот.

Коэффициент полезного действия трансформатора – отношение отдаваемой активной мощности к потребляемой.

КПД силовых трансформаторов достигает 99,5%.

В современных мощных трансформаторах суммарные потери энергии не превышают 2–3%.

Использование трансформаторов. 

• Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния;

• при распределении её между приемниками, а также на выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах;

• на заводах и фабриках при подаче напряжения к двигателям станков 380–660 В;

• при передаче электроэнергии по проводам от 100 до 1000В;

• для электросварки и электроплавки;

• в радиотехнике; и др.

6. Сварочный трансформатор (Слайд 14)

6.1 Преподаватель. Сварочный трансформатор — трансформатор, предназначенный для различных видов сварки. Сварочный трансформатор с регулированием напряжения при помощи изменения величины зазора между катушками. Сварочный трансформатор, преобразует напряжение сети (220 или 380 В) в низкое напряжение, а ток из низкого - в высокий, до тысяч ампер.

Запишите в тетрадях – Сварочный трансформатор – это электрическая машина, которая преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты, и служит для питания сварочной дуги. Для возникновения электрической дуги между электродом и металлической конструкцией трансформатор снижает напряжение и повышает силу тока.

В процессе просмотра видеоурока запишите в тетрадях основные части сварочного трансформатора.

Просмотр видеоурока: «Устройство сварочного трансформатора» https://www.youtube.com/watch?v=--fET569drE&t=11s

7. Закрепление темы трансформаторы:

1. Откройте «навигатор», найдите ссылку: Тренажер трансформаторы http://vip8082p.vip8081p.beget.tech/%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0_11_%D0%BA%D0%BB_%D0%9C%D1%8F%D0%BA%D0%B8%D1%88%D0%B5%D0%B2/42.html Тренируемся до тех пор, пока все окошечки не засветятся зеленым цветом.

1. Решение задач на расчет трансформатора. Обучающиеся решают задачи у доски, поясняют решения.

Задача №1. Определите напряжение на концах первичной обмотки трансформатора, имеющей N1=1000 витков, если напряжение на концах вторичной обмотки, содержащей N2=3000 витков, равно 100 В. Активными сопротивлениями обмоток трансформатора можно пренебречь.

Задача №2. Первичная обмотка трансформатора находится под напряжением 220 В, по ней проходит ток 0,5 А. На вторичной обмотке напряжение составляет 9,5 В, а сила тока равна 11 А. Определите коэффициент полезного действия трансформатора.

1. Рефлексия

Наш урок подошел к концу. Хочется закончить его словами великого физика А. Эйнштейна: «День, в который вы ничего не узнали, - это потерянный день».

Как вы, думаете, потеряли ли мы сегодняшний день? Давайте вернемся к нашим целям. Все ли цели урока были достигнуты?

Обоснуйте свой ответ, пожалуйста, и запишите в рабочие листы (идет обсуждение - достигли ли цели урока, узнали ли что-то новое, получилось ли достичь цели, было ли интересно, что бы хотели добавить или изменить). Скажите, полученные знания, каким образом вам пригодятся в жизни и профессиональной деятельности?

Спасибо всем за активное участие. Сдайте свои рабочие листы для оценки. Учту при оценивании и ваше участие в обсуждениях и устных ответах.

1. Домашнее задание: Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев Физика 11. § 8. Сб. задач Г.Н. Степанова №1126, 1153. Электротехника - Работа по опорному конспекту «Трансформатор» (Приложение 6).

Приложение 1

Рабочий лист

Фамилия, Имя___________ Дата урока __________

1. Проверка знаний по пройденной теме

Критерии оценивания: За каждый правильный ответ – 1 балл (максимум – 7 баллов)

1. Эксперимент по явлению электромагнитной индукции

Оборудование: u-образный магнит, мультиметр, катушка, соединительные провода

Задание 1 – включите мультиметр на 2500 мкА

Задание 2 – вдвигаем катушку относительно южного полюса магнита, наблюдаем показания прибора

Задание 3 – выдвигаем катушку из магнита, наблюдаем за показаниями прибора

Задание 4 - вдвигаем в катушку северный полюс магнита, смотрим показания

Задание 5 - выдвигаем катушку из северного магнита, наблюдаем за показаниями

Задание 6 – Двигаем катушку относительно магнита

Задание 7- Изменяем скорость движения катушки, относительно магнита

Вывод:_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Критерии оценивания: За правильно сделанный вывод – 3 балла, ответы с недочетами -4 балла, неверно сделан вывод- 0 баллов

1. Выполнение теста по теме «Магнитное поле. Электромагнитная индукция» ___________%

Критерии оценивания:

100-95% - 5 баллов, 94 – 70% - 4 балла, 69-55% - 3 балла, менее 54% - 2 балла.

1. Я узнал,\не узнал что-то новое______________________________________________________

Мне понравилось,\не понравилось на уроке__________________________________________

Мне понятна,\ не понятна тема урока_______________________________________________

Мне хотелось бы…._______________________________________________________________

Приложение 2

Приложение 3

Ответы:

Лампа накаливания – 1880 г. Томас Эдисон

Телефон – 1876 г. Александр Белл

Источник тока – 1799 г. Алессандро Вольта

Гальванопластика – 40-гг XX в. Б.С. Якоби

Электросварка – 60гг XIX в. И. Томсон

Вакуумный диод – 1904 г. Дж. Флеминг

Электронно-лучевая трубка – конец XIX в К.Ф. Браун

Фотоэлектронный умножитель – XX в. Л.А. Кубецкий

Трёхфазный переменный ток – 1888г. М.О. Доливо-Добровольский

Трансформатор – 1878 г. П.Н. Яблочков

Радиоприемник – 1895г. А.С. Попов

Атмосферное электричество – середина XVIII в. М.В. Ломоносов

Явление электрической дуги – 1802 г. В.В. Петров

Ответ: Трансформатор

Приложение 4

«Навигатор»

1. Закрепление пройденной темы электромагнитная индукция. Выполнение теста на 2 варианта

1вариант https://testedu.ru/test/fizika/11-klass/magnitnoe-pole-elektromagnitnaya-indukcziya.html

2 вариант https://testedu.ru/test/fizika/11-klass/magnitnoe-pole-elektromagnitnaya-indukcziya-2.html

2 . Закрепление темы трансформаторы: Тренажер трансформаторы http://vip8082p.vip8081p.beget.tech/%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0_11_%D0%BA%D0%BB_%D0%9C%D1%8F%D0%BA%D0%B8%D1%88%D0%B5%D0%B2/42.html

Приложение 5

Ссылки на QR-коды

1. Силовые трансформаторы

1. Автотрансформатор

1. Измерительный трансформатор

1. Разделительные трансформаторы

1. Импульсные трансформаторы

1. Сварочные трансформаторы

1. Согласующие трансформаторы

Приложение 6

Домашнее задание