Методическая разработка урока "Генератор переменного тока"
методическая разработка по физике (11 класс)

Андреева О.В., учитель физики МОУ «Сланцевская СОШ №1»

Тема урока:  Генератор переменного тока

Класс: 11 (физико-математический профиль)

Тип урока: усвоение новых знаний на основе изученного ранее материала

Цели урока:

Образовательная: сформировать у обучающихся  представление об устройстве генератора переменного тока, принципе его действия, практическом применении, совершенствовать навыки решения экспериментальных задач.

Развивающая: формировать умение раскрывать взаимосвязь между изученным материалом и его практическим применением, расширять кругозор учащихся, способствовать развитию умения создания практических моделей на основе изучаемого теоретического материала.

Воспитательная: привить уважение к науке как силе, способствующей прогрессивному развитию общества; развивать креативность мышления.

Оборудование: ПК, мультимедийный проектор, цифровая лаборатория по физике "Архимед, модель генератора переменного тока, катушки индуктивности, индикаторные светодиодные лампочки, электрические двигатели лабораторные, источники питания, соединительные провода, миллиамперметры, ниобиевые магниты.

Технологическая карта урока

Конспект урока

Добрый день, ребята! Я хочу попросить вас с помощью подсказок предположить, о чём мы будем сегодня вести разговор на уроке.

Подсказка 1. История открытия этого изобретения  насчитывает более 200 лет. И всё это время целая плеяда учёных и изобретателей работала над его совершенствованием. Именно они заложили фундамент современного мира. Но началось всё с одной искры.

Подсказка 2. Благодаря этому открытию современная жизнь немыслима без радио и телевидения, телефонов, всевозможных осветительных и нагревательных приборов, устройств, в основе которых лежит возможность использовать электрический ток.

Подсказка 3.

Он всем несёт добро и свет,

Щедрей его на свете нет!

К посёлкам, сёлам, городам

Приходит ток  по проводам.

Какие у вас возникли предположения? Давайте озвучим.

Подсказка 4. Если вы верно заполните строки кроссворда, то в выделенном столбце сможете прочитать тему нашего урока.

Кроссворд

1. Единица измерения индуктивности. (Генри)

2. Совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. (Электричество)

3. Возбуждение электрического тока в каком-нибудь проводнике при движении его в магнитном поле или изменении вокруг него магнитного поля. (Индукция)

4. Один из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока. (Ленц)

5. Английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле. Обнаружил химическое действие электрического тока. Открыл явление электромагнитной индукции. (Фарадей)

6. Прибор для регистрации тока. (Гальванометр)

7. Физическая величина, показывающая число колебаний в единицу времени. (Частота)

8. Физическая величина, энергетическая характеристика магнитного поля. (Поток)

9. Мера любого движения. (Энергия)

После открытия явления электромагнитной индукции многие скептики, сомневаясь, спрашивали: «Какая от этого польза?»

На что Фарадей ответил: «Какая может быть польза от новорождённого?»

Прошло немногим более половины столетия и, как сказал американский физик Р.Фейнман, «бесполезный новорожденный превратился в чудо-богатыря и изменил облик Земли так, как его гордый отец не мог себе и представить».

И этим богатырем, изменившим облик Земли, является генератор.

Итак, тема нашего урока "Генератор переменного тока".

Тот самый знаменитый генератор, который установлен практически на всех электростанциях земного шара.

Исходя из темы урока, подумайте над тем, что же мы должны сегодня на уроке узнать (устройство, принцип действия, применение, изготовить)

Само слово в переводе означает "производитель". Производитель электрического тока,  в  основе работы которого лежит явление электромагнитной индукции.

Что такое электромагнитная индукция? (ЭМИ - явление возникновения в замкнутом проводящем контуре индукционного тока при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром, то есть при изменении магнитного потока, пронизывающего контур).

Опыт 1.Катушка, магнит с сердечником, индикаторная светодиодная лампа. Каким образом  можно индуцировать электрический ток? (Двигать магнит, двигать катушку, вносить и выносить сердечник).

Лампочка горит, значит, мы можем говорить, что в цепи катушки появился электрический ток, то есть возникла ЭДС индукции.

Что такое ЭДС индукции? (ЭДС индукции - это физическая величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура)

Какие силы называются сторонними? (Сторонние силы - это силы неэлектрического происхождения).

Вы видите, что генератор переменного тока уже практически готов. Осталось его усовершенствовать.

Опыт 2.Каждый генератор в зависимости от предназначения рассчитан на определённую ЭДС. Выясним, от чего зависит возникающая в проводнике ЭДС индукции. На рабочих листах на вашем столе предложено описание выполнения опытов лабораторной работы по выяснению зависимости ЭДС индукции в проводнике. Обобщив результаты опытов, сделайте вывод, от чего зависит возникающая  ЭДС индукции.

Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.

1. Надевайте и снимайте катушку – моток  с полюса

дугообразного магнита с различной скоростью.

Для каждого случая замечайте силу индукционного тока.

2. Наденьте сначала катушку – моток  на северный полюс одного дугообразного  магнита и двигайте ею с некоторой скоростью, затем наденьте катушку – моток  на северный полюс сразу двух дугообразных магнитов, также двигая с прежней скоростью.

Для каждого случая замечайте максимальную силу индукционного тока.

3. Подключите вместо катушки длинный проводник, свёрнутый

в несколько витков. Надевая и снимая витки провода с полюса дугообразного магнита, замечайте максимальную силу индукционного тока. Сравните её с максимальной силой индукционного тока, полученной в опыте с тем же магнитом и катушкой?

К какому выводу пришли группы?

ЭДС индукции в проводнике зависит от модуля скорости движения проводника, от его длины и от модуля магнитной индукции.

Как устроены генераторы?

Современный генератор представляет собой довольно сложное устройство, но в основном состоит он из двух частей – ротора и статора.

Статор – это неподвижная часть. Ротор – подвижная. В подавляющем большинстве случаев статор – это аналог катушки с большим числом витков. А ротор – это магнит, который вращается и создает изменяющийся магнитный поток с течением времени, пронизывая те витки, которые находятся в статоре, индуцирует, наводит в этих витках электрический ток.

Если генератор маломощный, то обычно ротор делают из постоянного магнита. Ему придают определённую форму, создают внутри несколько отдельных полюсов. Этот постоянный магнит, вращаясь прямо внутри статора, непосредственно создаёт индукционный электрический ток. Если же необходим мощный генератор, то в этом случае ротор – уже не постоянный магнит, а электромагнит.

Опыт 3.Давайте создадим генератор, ротором которого является электромагнит. Для этого воспользуемся двигателем. Электрический двигатель – это машина, в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Большинство электрических машин обладает свойством обратимости. Это значит, что электродвигатели могут использоваться и в качестве генераторов.

У вас на столах электрические  двигатели. Рассмотрите их устройство. Подсоедините выводы двигателя – генератора к миллиамперметру.

1. Подпитайте электромагнит от источника тока и проверните вал двигателя несколько раз вручную. Заметьте силу индукционного тока.
2. Отсоедините электромагнит от источника тока. Проверните вал двигателя несколько раз вручную. Заметьте силу индукционного тока.
3. Сделайте вывод.

В обоих случаях в цепи возник индукционный ток, но во втором случае показания прибора были меньше, так как на подзарядку электромагнита уходило часть энергии, выделявшийся при вращении ротора,  а не от источника питания.

Генераторы переменного тока нашли своё практическое применение повсюду. Но я хочу вам поведать, как использовались такие генераторы на заре изобретения телефона.

Историческая справка.  Прошло чуть более ста лет с тех пор, как с помощью вращения ручки телефонного аппарата, абоненты телефонных сетей устанавливали связь с «телефонной барышней», которая соединяла  абонента с нужным номером. Для чего же необходимо было вращать ручку на телефоне? Внутри телефона находился генератор переменного тока, при вращении ручки которого у «телефонной барышни» загоралась сигнальная лампочка. Работу именно такого генератора немецкой фирмы Белл я вам сейчас и продемонстрирую.

А сейчас предлагаю вам проектную работу по созданию  генератора переменного тока.

 Чтобы ускорить работу, разделимся на три творческие группы.

Группа 1. Историки. По предложенному материалу сделают краткий обзор литературы по истории создания источников тока..

Группа 2. Теоретики. С помощью датчиков лаборатории "Архимед" и измерительных приборов получают необходимую информацию для вычисления приблизительных  параметров создаваемого генератора.

Задача. Измерив диаметр катушки с помощью линейки  и максимальную индукцию магнитного поля с помощью датчика магнитной индукции лаборатории «Архимед»,  учитывая,  что катушка находится в переменном магнитном поле, силовые линии которого параллельны оси катушки, при изменении магнитной индукции от 0 Тл до его максимального значения в течение 0,1 с в катушке возникла ЭДС 2 В. Сколько витков должна иметь катушка?

Группа 3. Практики. Создают генератор переменного тока (по алгоритму). Демонстрируют его.

Порядок сборки генератора переменного тока:

1. На деревянное основание с вертикальной осью по окружности разместите 8 магнитов. Зафиксируйте их положение с помощью скотча.
2. Сверху уложите пластмассовый диск с четырьмя отверстиями для стабилизации положения магнитов в вертикальной плоскости.
3. Закрепите пластмассовый диск четырьмя винтами.
4. На диск с ручкой закрепите две катушки с сердечниками.
5. С помощью винтов отрегулируйте касание сердечников катушки с пластмассовым диском.
6. Аккуратно, не нарушив контакт между катушкой и индикаторной лампой, установите светодиоды в вертикальное положение.

Далее группы предлагают отчёт по  проделанной работе.

Совместными усилиями мы создали генератор переменного тока. Лампочки, рассчитанные на 2 В загорелись.

Заключительный эксперимент.

Используя цифровую лабораторию "Архимед" и модель генератора переменного тока, получаем зависимость напряжения от времени в виде графика (на мини компьютере NOVA)

- Определите вид наблюдаемой зависимости. (Мы наблюдаем периодическую зависимость, близкую по своему виду к синусоиде или косинусоиде).

- С чем связана неравномерность амплитуды? (Неравномерность амплитуды обусловлена человеческим фактором - вращение рамки в магнитном поле осуществляется рукой человека)

-Как получить постоянное по амплитуде и частоте изменение напряжения? (Необходимо использование постоянной внешней силы. Например, вращение гидротурбин падающей водой в ГЭС, паровых турбин на ТЭС или атомных электростанциях).

Но об этом разговор на следующих  уроках.

Рабочий лист

Подсказка 1______________________________________________________________

Подсказка 2______________________________________________________________

Подсказка 3______________________________________________________________

Подсказка 4. Кроссворд.

1. Единица измерения индуктивности.

2. Совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов.

3. Возбуждение электрического тока в каком-нибудь проводнике при движении его в магнитном поле или изменении вокруг него магнитного поля.

4. Один из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока.

5. Английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле.  Обнаружил химическое действие электрического тока. Открыл явление электромагнитной индукции.

6. Прибор для регистрации тока.

7. Физическая величина, показывающая число колебаний в единицу времени.

8. Физическая величина, энергетическая характеристика магнитного поля.

9. Мера любого движения.  

Тема урока______________________________________________

Лабораторная работа "Исследование зависимости ЭДС индукции в движущемся проводнике"

Приборы и материалы: миллиамперметр, катушка-моток, магнит  дугообразный 2 шт., провод соединительный.

Выполнение работы:

1. Надевайте и снимайте катушку-моток  с полюса  дугообразного магнита с различной скоростью.

Для каждого случая замечайте силу индукционного тока.

2. Наденьте сначала катушку-моток  на полюс одного дугообразного  магнита и двигайте ею с некоторой скоростью, затем наденьте катушку-моток  на этот же  полюс сразу двух дугообразных магнитов, также двигая с прежней скоростью. Для каждого случая замечайте максимальную силу индукционного тока.

3. Подключите вместо катушки длинный проводник, свёрнутый в несколько витков. Для формирования витков используйте  пластиковую коробочку цилиндрической формы. Надевая и снимая витки провода с полюса дугообразного магнита, замечайте максимальную силу индукционного тока. Сравните её с максимальной силой индукционного тока, полученной в опыте с тем же магнитом и катушкой (смотри пункт 1).

Вывод:ЭДС индукции в движущемся проводнике зависит:

1.__________________________________________________

2.__________________________________________________

3.__________________________________________________

Исследовательская работа "Возможность использования электрического двигателя в качестве генератора переменного тока"

4. Подпитайте электромагнит от источника тока и проверните вал двигателя несколько раз с разной скоростью вручную. Заметьте силу индукционного тока.
5. Отсоедините электромагнит от источника тока. Проверните вал двигателя несколько раз вручную. Заметьте силу индукционного тока.
6. Сравните силу индукционного тока в обоих случаях:_______________________________________                                    

 Домашнее задание:

Параграф 37

Литература

1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин «Физика 11 класс» Москва «Просвещение» 2010
2. В.А. Буров, А.И. Иванов, В.И. Свиридов «Фронтальные экспериментальные задания по физике» Москва «Просвещение» 1986
3. http://festival.1september.ru/articles/522857/
4. http://festival.1september.ru/articles/598215/