Каталог файлів

КНЗ «Кіровська ЗОШ І – ІІІ ступенів»

Фізика 9 клас

Урок на тему

«Дія магнітного поля на провідник зі струмом.
Електричні двигуни"

Вчитель фізики
Кукса В.

с. Данилівка

2017

Дія магнітного поля на провідник зі струмом. Електричні двигуни

Мета: сформувати уявлення учнів про силу Ампера, формувати вміння застосовувати правило лівої руки, ознайомити з будовою та принципом дії електричних двигунів; розвивати вміння форму­лювати запитання, логічне мислення та уяву учнів; виховувати дисциплінованість, самостійність.

Основні поняття: магнітне поле, електродви­гун, сила Ампера, правило лівої руки.

Обладнання: постійний магніт, провідник, з'єднувальні провідники, модель найпростішого електродвигуна, підручник, зошит? Презентація «Дія магнітного поля на провідник із струмом»

Тип уроку: засвоєння нових знань.

Фізика переводить техніку з галузі

випадкових знахідок на раціональну,

усвідомлену і кількісну дорогу.

С. Вавилов

Хід уроку

І. Організаційний момент

Перевірка готовності учнів до уроку

ІІ. Аналіз лабораторної роботи «Складання електромагніту та випробовування його дії»

IІІ. Розминка

Вправа «Знайди слова в слові»

Із літер слова «електромагніт» складіть слова. Наприклад: маг, електрон, ром, гніт, нога, кріт, крона, лектор, трон, рок і т.д.

IV. Актуалізація опорних знань

1. Заслуховування повідомлення: «Використання електромагнітів»

2. Гра «Мовчанка»

Учитель зачитує твердження. Після промов­ляння кожного учні кілька секунд обмірковують почуте і підносять великий палець руки вгору, якщо твердження правильне, або опускают палець донизу, якщо з твердженням не погоджуються.

Твердження:

1. Навколо нерухомих електричних зарядів іс­нує тільки електричне поле (+).
2. Різнойменні полюси двох магнітів відштов­хуються один від одного (-)
3. Із збільшенням сили струму в котушці її магнітна дія зменшується (-)
4. Регулювати магнітну дію електромагніту можна змінюючи силу струму в котушці (+)
5. У разі збільшення кількості витків котушки її магнітна дія зростає (+)
6. Магнітне поле інколи виникає навколо про­відника із струмом (-)

V. Мотивація навчальної діяльності

Я зараз вам назву деякі технічні пристрої, а ви маєте здогадатися, що спільного в їх будові?

Міксер, електрична швейна машина, кухонний комбайн, деревообробний верстат, металорізаль­ний верстат, пилосос.

Відповідь: електричний двигун.

Нам складно уявити своє життя без пристроїв, що працюють за рахунок електричного двигуна. А як він працює? Яка його будова? Які його переваги порівняно з іншими двигунами?

На ці та інші запитання ми спробуємо дати від­повідь на сьогоднішньому уроці. (слайд 1,2)

VІ. Сприйняття та засвоєння нового матері­алу

1. Дія магнітного поля на провідник зі стру­мом

Коли помістити провідник зі струмом у магніт­не поле, наприклад, у поле постійного магніту, то за наявності у цьому провіднику струму, на нього діятиме механічна сила, (слайд 3) що називається силою Ампера (слайд 4) (демонстрація).

Ця сила виникає тому, що на кожну частинку, яка є носієм струму, діє магнітне поле постійного магніту, змінюючи напрям її руху. Частинки, що створюють струм, при цьому взаємодіють з атома­ми (йонами) металу і виникає сила Ампера.

Якщо забрати магніт, як ви вважаєте, чи діяти­ме на провідник зі струмом сила Ампера?

Змінимо напрям струму в провіднику і буде­мо спостерігати, що відбуватиметься з рамкою. Поміняємо місцями полюси постійного магніту і знову будемо спостерігати. Як бачимо з дослідів, напрям сили Ампера змінюється на протилежний, якщо змінити напрям струму або поміняти місця­ми полюси постійного магніту.

(слайд 5).

Напрям сили Ампера можна визначити за правилом лівої руки:

якщо ліву руку розмістити так, щоб долоня була повернута до північного полюса магніту, чотири випрямлені пальці вказували напрям струму в провіднику, то великий палець, відставлений на 90°, по­каже напрям сили, що діє на провідник (сили Ампера).

Ця сила є тим більшою, чим сильніше магнітне поле магніту і чим більша сила струму в провід­нику. Залежить вона від довжини провідника та від його розміщення у магнітному полі.

2. Дія магнітного поля на рамку зі струмом (слайд 5)

На практиці часто використовують дію магніт­ного поля на рамку зі струмом. На паралельні вер­тикальні частини рамки у магнітному полі діють сили у протилежних напрямках – рамка під дією цих сил повертається. Зрозуміло, що у разі зміни напряму струму в рамці вона повертатиметься у протилежному напрямі. Те саме спостерігатимемо, якщо поміняти місцями полюси магніту.

3. Модель найпростішого електродвигуна

Модель електродвигуна складається з:

• рамки, що обертається;

• постійного магніту;

• півкільця;

• металевих щіток;

• джерела струму.

Після замикання кола рамка під дією сил Ампера починає повертатися. Півкільця повер­таються разом із рамкою, а щітки залишаються нерухомими, тому після проходження положення рівноваги до щіток будуть притиснуті вже інші півкільця. Напрям струму в рамці зміниться на протилежний, а напрям обертання рамки зали­шиться таким самим.

Два півкільця, до кожного з яких притиснута металева щітка, являють собою пристрій, який автоматично змінює напрям струму в рамці, його називають колектором.

4. Електродвигун постійного струму (випереджальне завдання презентація «Електродвигун»)

Електродвигун — це пристрій, у якому енергія електричного струму перетворюється на механіч­ну.

Будова електродвигуна:

1. Якір (ротор) електродвигуна – залізний циліндр, закріплений на валу двигуна; уздовж ци­ліндра зроблені прорізи, в які вкладається обмотка, що складається з великої кількість витків дроту.
2. Індуктор (статор) електродвигуна – елек­тромагніт, що створює магнітне поле, в якому обертається якір двигуна.

5. Переваги електродвигунів:

• зручні в застосуванні (можуть мати найріз­номанітніші потужності та розміри – від двигуна для електробритви до двигуна для електровоза);

• екологічно безпечні (не виділяють газів, диму й пари, отже, не забруднюють повітря, не по­требують запасів палива та води);

• надійні;

• економічні (їхній ККД до 98 %).

6. Застосування електродвигунів

Двигуни постійного струму використовуються в електричних транспортних засобах (трамваях, тролейбусах, електровозах, електромобілях, стар­терах для запуску двигунів внутрішнього згоран­ня), на підйомних кранах, у багатьох побутових електричних пристроях.

V. Осмислення об'єктивних зв'язків

Розв'язування вправ

VI. Узагальнення знань

Сила Ампера

Будова електродвигуна:

• рамка, що обертається;

• постійний магніт;

• півкільця;

• металеві щітки;

• джерело струму.

Переваги електродвигунів:

• зручні в застосуванні (можуть мати найріз­номанітніші потужності та розміри — від двигуна для електробритви до двигуна для електровоза);

• екологічно безпечні (не виділяють газів, диму й пари, отже, не забруднюють повітря, не по­требують запасів палива та води);

• надійні;

• економічні (їхній ККД до 98 %).

VII. Підсумки уроку

Вправа «Моє відкриття на сьогодні»

Учні записують в зошитах своє відкриття, яке вони зробили на сьогоднішньому уроці, відповіда­ють на запитання, поставлені на початку уроку, а потім зачитують їх.

VIII. Домашнє завдання

1. § 30 (крім електровимірювальних приладів с. 108 останній абзац)
2. Відповісти на питання 1-6 с. 110
3. Підготувати повідомлення на тему «Розви­ток електричних машин»

Додаток

Розвиток електричних машин

Вивчення електромагнітної взаємодії дало поштовх до інтенсивного розвитку обертальних електричних машин.

Розробки, які здавалися сучасникам абстракт­ними, були надзвичайно повчальними та заслуго­вують особливої уваги й розуміння.

Людині електричні та магнітні властивості речовини були відомі досить давно. Першою на­уковою роботою про них був трактат «Про магніт, магнітні тіла і великий магніт – Землю», написа­ний 1600 р. відомим англійським вченим У. Гіл-бертом, який назвав «електричними» тіла, здатні електризуватися, і ввів термін «електрика».

1650. р. О. Геріке описав першу електричну машину тертя, яка складалася із зроб-леної з сірки кулі і при обертах натиралася долонями рук. На початку XVIII ст. Ф. Гауксбі замінив кулю із сірки порожньою скляною кулею.

1743 р. машину доповнили ковзним контактом, який знімав електричні заряди, і машина почала виробляти електричну енергію. У Києві таку елек­тричну машину вперше було встановлено 1783 р. в кабінеті при бібліотеці Києво-Могилянської акаде­мії завдяки І. Фальковському (1762-1823).

Наприкінці XVIII ст.. було створено ємнісну електричну машину, ротором якої був диск діаме­тром 2 м. Ця машина створювала іскровий розряд завдовжки приблизно 2 м.

У XIX-XX ст. розвиток ємнісних машин тертя, або електрофорних машин, продовжився, але як силові електромеханічні перетворювачі викорис­товували лише індуктивні машини, а про ємнісні електричні машини майже забули.

Вважають, що історія електричних машин бере свій початок,від 1821 p., коли М. Фарадей (1791- 1867) створив електричний двигун з постійним магнітом. Навколо магніту обертався закріплений зверху провідник з постійним струмом від батареї гальванічних елементів. Ковзний контакт забезпе­чувала ртуть, налита в чашу. У двигуні М. Фарадея при постійному струмі у провіднику та постійному магнітному полі, створеному постійним магнітом, відбувалося перетворення електричної енергії на механічну.

Винятково плідною та важливою частиною ро­боти М. Фарадея було дослідження електричного поля: Він вперше ввів поняття «магнітні силові лінії».

На першому етапі розвитку електротехніки на конструкцію електричних машин значно впли­нули успіхи у створенні парових машин, в яких зворотно-поступальний рух поршня перетворю­вався на обертальний рух вала.

1831 р. американський фізик Д. Генрі запро­понував двигун зворотно-поступального руху. У такому двигуні рухомий електромагніт притягувався до постійних магнітів і відштовхувався від них, з'єднуючи та роз'єднуючи контакти батареї гальванічних елементів.

Двигун Д. Генрі здійснював 75 коливань на хвилину і мав потужність 0,04 Вт. Були й інші спроби створення електродвигунів зворотнопоступального руху, але майбутнє було за елек­тричними машинами обертального руху.

1832 р. брати Піксі на основі робіт М. Фарадея створили генератор з постійними електромагніта­ми, що обертаються. У нерухомих котушках при обертанні постійних магнітів виникав змінний струм. Це був один з перших генераторів змінного струму. Проте змінний струм в ті часи не застосо­вувався, а для перетворення отриманого струму на постійний використовували механічні комутато­ри.

1834 р. академік Б. Якобі з Санкт-Петербурга створив і описав електродвигун, який працював, притягуючи та відштовхуючи електромагніти. Не будемо вдаватися в подробиці конструкції цього двигуна, а наведемо лише приклад його викорис­тання.

1838 р. Б. Якобі з'єднав 40 таких електро­двигунів, які працювали на два вали. Разом із гальванічною батареєю, яка складалася з 320 еле­ментів, з'єднані двигуни встановили на боті, який з 12 пасажирами плавав по Неві кілька годин при сильному вітрі та проти течії. Це було перше прак­тичне застосування електричних машин! Лише через 100 років електричні двигуни як привідний механізм гвинта стали використовуватися на пароплавах, а двигуни, запропоновані Б. Якобі, надалі не застосовувалися.

1838 p. E. Ленц експериментально довів можли­вість роботи машини постійного струму в генера­торному та рушійному режимах.

1873 р. Ф. Гефнер-Альтенек та В. Сіменс створили машину з барабанним якорем, яка мала всі основні елементи сучасної машини постійного струму. У Києві за проектом професора КПІ М. Артем'єва – видатного фахівця з електричних машин та при­ладів – 1890 р. було споруджено електростанцію постійного струму в районі Національної опери та прокладено міську електромережу.

Наприкінці 80-х років XIX ст. Г. Ферраріс та М. Тесла створили двофазний двигун змінного струму.

1889 р. видатний електротехнік М. О. Доліво-Добровольський запропонував трифазну систему змінного струму. Того ж року він створив перший трифазний генератор: асинхронний двигун та трансформатор. У грудні 1898 р. на в. Андріїв­ській, 19 у Києві почала діяти перша на теренах Росії електрична станція трифазного змінного струму. Трифазна система змінного струму з по­чатку 90-х років XIX ст. назавжди увійшла в іс­торію енергетики.

Почалося використання потужних природних сил електромагнітної взаємодії в промисловості та інших сферах діяльності людства.

На черзі споконвічне торжество істини, мудрос­ті, знань, що є запорукою прозріння в пошуках інших форм матерії...

Практичне використання електромагнітів

На металургійних заводах можна бачити гігантські електромагнітні підйомні крани, що переносять величезні вантажі – масивні залізні глиби, або частини машин в десятки тонн – без всякого прикріплення. На одному тільки металургійному заводі електромагнітний кран переносить одразу 10 рейок. Але якщо струм з якоїсь причини припиниться, аварія неминуча. Діаметр електромагніту сягає 1,5 м, він може підняти до 16 тонн вантажу (товарний вагон). Він не зможе переносити тільки надто розжарений метал: нагрітий до 800°С магніт втрачає магнітні якості. Виключенням є випадок, коли по розжареному металу тече сильний струм, який утворює магнітне поле, здатне взаємодіяти із зовнішнім магнітним полем.

Як не дивно, але захистом від магнітних сил є також залізо. Всередині залізного кільця магнітна стрілка компаса не відхиляється магнітом, розміщеним поза кільцем. Старі механічні годинники зі сталевими або залізними частинами виходять із ладу, якщо їх намагнітити. Але якщо годинник має залізну або сталеву кришку, то його не намагнітить навіть найсильніший електромагніт.

Силою електромагнітів іноді користуються фокусники. Відомий наприклад трюк, коли людина дуже сильна не могла підняти ту річ, яку легко підіймала секунду тому. Дно ящика залізне, сам він стоїть на підставці, що є сильним електромагнітом. Досить пустити струм, і його не зможуть підняти навіть двоє-троє силачів.

Важкоатлети використовують електромагніт для тренувань. Його підвішують на висоті, трохи більшій від людського зросту, а спортсмен, тримаючив руках залізну праску, намагається побороти магнітне притягання. В залежності від струму, який регулюється тренером, притягання буває різної сили, і може бути таким, що атлет, не бажаючи випускати праски з рук, ризикує повиснути на магніті.

Сільськогосподарська техніка використовує магніти для того, щоб відділити ворсисте насіння бур’янів від гладенького зерна культурних рослин. Якщо суміш насіння обсипати залізним порошком, то крупинки заліза обліплять насіння бур’янів, але не пристануть до гладенького насіння корисних рослин. Магніт виловлює всі бур’яни. Електромагнетизм дозволяє також працівникам музеїв розділяти сторінки стародавніх документів за допомогою одноіменної електризації сторінок документів.