Изучение магнитных явлений в курсе физики средней школы

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

Брестский государственный университет имени А.С. Пушкина

Физический факультет

Кафедра методики преподавания физики и ОТД

Специальность «Физика»

Курсовая работа на тему:

Изучение магнитных явлений в курсе физики средней школы

Выполнил: студент 4 курса Букшта Н.П.

Проверил:

к. п. н., доцент Кивако А.М.

Брест 2011 г.

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Магнитное поле

2. Магнитное поле катушки с током. Электромагниты

3. Применение электромагнитов. Электромагнитное реле

4. Постоянные магниты. Магнитное поле земли

5. Действие магнитного поля на проводник с током. Электроизмерительные приборы

6. Электродвигатель постоянного тока и его применение

7. Обобщающее повторение темы «Магнитные явления»

Заключение

Список использованной литературы ВВЕДЕНИЕ В данной теме учащиеся впервые знакомятся со свойствами нового для них вида материи — магнитного поля. Формирование понятия поля играет существенную роль в развитии диалектико-материалистического мировоззрения учащихся. Доказательное изложение вопросов электродинамики на I ступени курса физики является базой для успешного овладения учащимися одним из фундаментальных современных физических разделов, во многом определяющим научно-технический прогресс.

Особенностью данной темы является то, что весь материал рассматривается исключительно в качественном виде, не приводится ни одной расчетной формулы. Тем не менее, эта тема дает большие возможности для развития теоретического мышления и практических навыков учащихся, поскольку основной базой методики ее изложения является физический эксперимент во всем его многообразии. Простота опытов позволяет учащимся наблюдать некоторые явления в своей домашней лаборатории, а также конструировать электромагнитные установки и приборы. Содержание темы неразрывно связано со многими применениями магнитного поля и магнитных устройств, благодаря чему учитель может давать творческие задания конструкторского характера для развития изобретательских способностей учащихся. Создать из простейших средств (например, гвоздей, кусков провода, деревянных дощечек и других материалов) действующие электромагнитные устройства может каждый ученик.

Программой предусмотрено изучение на первой ступени двух основных вопросов: магнитного поля тока и действия магнитного поля на проводник с током. Третье фундаментальное явление электромагнетизма — электромагнитная индукция целиком изучается на II ступени (в XI классе). В связи с этим учитель имеет возможность развернуть интересную внеклассную и факультативную работу по тематике, связанной как с указанными в программе двумя темами, так и с явлением электромагнитной индукции, а также познакомить учащихся с такими первостепенными прикладными вопросами, как принцип действия генератора тока, трансформатора тока и др.

Может быть рекомендовано следующее распределение материала по урокам:

1-й урок. Магнитное поле тока

2-й урок. Магнитное поле катушки с током. Электромагниты

3-й урок. Применение электромагнитов. Электромагнитное реле

4-й урок. Лабораторная работа «Сборка электромагнита и испытание его действия»

5-й урок. Постоянные магниты. Магнитное поле Земли б-й урок. Действие магнитного поля на проводник с током. Электроизмерительные приборы

7-й урок. Электродвигатель постоянного тока и его применение. Лабораторная работа «Изучение электрического двигателя постоянного тока»

8-й урок. Обобщающее повторение по теме «Электромагнитные явления» (Может быть проведено в форме учебной конференции «Из истории открытия электромагнитных явлений. Их применение на практике».)

1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА Формирование понятия о магнитном поле основывается на фундаментальных экспериментах (опыт Эрстеда, доказавший существование магнитного поля тока, и опыт Ампера, доказавший действие магнитного поля на проводник с током) и на сопоставлении магнитного и электрического полей.

С самого начала подчеркивается мысль о связи магнитных явлений с движущимися зарядами. Трудность здесь состоит в том, что первичные представления учащихся о магнитном поле связаны с постоянными магнитами, в которых внешне как будто не обнаруживается никакой связи с электрическими зарядами и их движением. Поэтому следует считать важнейшим моментом методики формирования понятия о магнитных полях и магнитных явлениях раскрытие связи магнетизма с электричеством. С этой целью демонстрируют опыт Эрстеда.

Для демонстрации удобно воспользоваться самодельным прибором, изображенным на рисунке 1. Вначале прибор располагают так, чтобы провод АВ был параллелен магнитной стрелке, ориентированной с севера на юг (вдоль магнитного меридиана Земли).

Рисунок 1

Рисунок 2

При пропускании по проводнику АВ тока (порядка 2—3 А) магнитная стрелка, расположенная под проводником, отклоняется. Чтобы опыт прошел эффективнее, в цепь последовательно с проводником нужно включить реостат (на 30 Ом; 5 А) и выводить его постепенно, увеличивая силу тока в цепи. Тогда стрелка будет плавно поворачиваться, отклоняясь от своего первоначального положения. На основе опыта формулируют один вывод: вокруг проводника с током образуется магнитное поле, оно и действует на магнитную стрелку — и второй вывод: магнитное поле связано с движущимися электрически заряженными частицами.

Далее демонстрируют действие магнитного поля на проводник с током. Для этого удобно воспользоваться самодельным прибором, представленным на рисунке 2. При пропускании тока по проводнику АВ тока проводник движется между полюсами дугообразного магнита. В зависимости от направления тока изменяется и направление движения проводника, он втягивается внутрь магнита или выталкивается из него. Затем демонстрируют взаимодействие проводников с током. Для этого удобно воспользоваться прибором, изображенным на рисунке 3.

Он представляет собой деревянный брусок /, на котором укреплены жестяные пластинки 2, 4, 3, 5. В пластинках делают точечные углубления, в которые вставляют заточенные концы двух полурамок б и 7. Последние изготовляют из медного провода диаметром 0,8—1,0 мм, концы заостряют напильником.

Рисунок 3

К пластинам припаивают провода. Подключив провода к выпрямителю, демонстрируют взаимодействие токов. Показывают, что характер взаимодействия зависит от направления токов: при их совпадении провода притягиваются; в случае же противоположно направленных токов провода отталкиваются. Сообщают, что такое взаимодействие токов называют магнитным взаимодействием.

Далее ставится проблема: «Каким образом осуществляется магнитное взаимодействие токов?» Убрав одну полурамку и воспользовавшись магнитом, показывают отклонение проводника с током в магнитном поле. Высказывают предположение, что отклонение проводника с током под действием другого проводника обусловлено существованием магнитного поля.

Дают первичную характеристику магнитного поля в сравнении с электрическим полем: последнее действует на электрически заряженные тела, частицы, а магнитное поле действует на проводник с током и на магнитную стрелку. Основываясь на электронных представлениях, подводят учащихся к мысли, что магнитное поле порождается движущимися заряженными частицами и действует на них.

Магнитное поле можно изучать с помощью набора маленьких магнитных стрелок; в качестве последних можно использовать железные опилки и получить картину линий действия поля (магнитных линий). Именно вдоль магнитных линий располагаются опилки (и ориентируются магнитные стрелки). За направление магнитных линий принято направление ориентации северного полюса магнитной стрелки. Изменяя направление тока в опыте Эрстеда, показывают связь направления магнитного поля с направлением тока в проводнике.

Подчеркивают, что электрический ток не только обладает магнитным полем, но и определяет его свойства: силу действия на проводник с током (или магнитную стрелку), форму линий поля, направление поля.

2. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШКИ С ТОКОМ. ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ

В этой теме учащиеся неявно знакомятся с таким важным свойством магнитного поля, как принцип суперпозиции полей. Как известно, он состоит в том, что при наличии нескольких источников поля (например, нескольких проводников с током) магнитное поле в любой точке пространства определяется сложением (векторным) отдельных полей. Это справедливо и для электрического поля.

Повторяют опыт Эрстеда с линейным проводником и показывают усиление действия магнитного поля на магнитную стрелку при увеличении силы тока. Сообщают учащимся, что на практике удается значительно усилить действие магнитного поля в какой-либо точке пространства, используя не прямые проводники с током, а проволочные катушки.

Сначала рассматривают простейший случай: один виток с током (круговой ток). Демонстрируют действие на магнитную стрелку поля кругового тока (используется виток провода диаметром 15 см, располагая его в плоскости меридиана, а магнитную стрелку — в центре витка). Свернув несколько витков провода в катушку и скрепив ее изолентой, демонстрируют усиление магнитного действия. Предлагают учащимся объяснить результат опыта. Ответ: при одной и той же силе тока магнитное поле катушки с током из нескольких витков оказывается значительно сильнее магнитного поля одного витка катушки, благодаря тому, что магнитные поля отдельных витков суммируются.

Магнитное действие катушки с током можно еще более усилить, используя железный сердечник, что подтверждают опытом по сравнению действий на магнитную стрелку магнитного поля катушки с током без железного сердечника и с железным сердечником внутри.

Сообщают, что такая катушка с железным сердечником представляет собой простейший электромагнит.

3. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ РЕЛЕ

Приводят примеры применения электромагнитов: в подъемных кранах (желательно показать модель крана, собранного из деталей детского «Конструктора» для сборки механических моделей); в двигателях; в генераторах тока; в ускорителях заряженных частиц и др. Наибольшие по размерам магниты применяются в ускорителях заряженных частиц (кольцевые электромагниты диаметром в несколько сот метров; например, ускоритель в Серпухове имеет электромагнит диаметром 472 м).

Устройство и принцип действия электромагнитного реле можно изучить на простейшей установке, основную часть которой составляет школьный электромагнит 1 (рис. 4). Якорь 2 электромагнита привязывают к стальной линейке или ножовочному полотну 3. При включении обмотки электромагнита в цепь последний притягивает якорь и замыкает контакты 4, включая тем самым электродвигатель или другую нагрузку.

Программой предусмотрено выполнение лабораторной работы по сборке и испытанию электромагнита. В порядке индивидуальных заданий желающим учащимся можно предложить работы по сборке электромагнитного реле.

Рисунок 4

4. ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ Помимо электромагнитов, в науке и технике широко применяют постоянные магниты, с которыми учащиеся частично уже знакомы. Важно показать процесс намагничивания стальных предметов магнитным полем электрического тока.

Для опыта берут стальной стержень (ножовочное полотно, напильник) и наматывают на него 20—30 витков изолированного провода. Пропускают по обмотке постоянный ток и, вынув стержень, обнаруживают его магнитные свойства. Проделывают аналогичные опыты с алюминиевым, медным, стеклянным и другими стержнями. Исследуя их, выясняют, что они не становятся магнитами. Можно намагнитить стальные опилки, насыпанные в пробирку. Пробирка ведет себя как магнит. После встряхивания опилок ее магнитные свойства исчезают.

Изучение магнитов завершают наблюдением магнитных линий, полученных с помощью железных опилок. Сопоставляя картину магнитных линий постоянного магнита и катушки с током, делают вывод об их схожести. Знакомят учащихся с гипотезой Ампера о молекулярных токах, кратко рассказывают об электронных представлениях о природе магнитных свойств вещества.

Земля, как известно учащимся, представляет собою естественный постоянный магнит. Происхождение земного магнетизма до сих пор является научной проблемой, полностью еще не решенной. Предполагается, что земной магнетизм связан с жидким ядром, в котором возможна циркуляция электрических токов. С помощью космических аппаратов исследуются магнитные поля других планет, что может пролить свет на происхождение магнитного поля небесных тел и Земли. Так, например, советские станции «Венера» установили, что собственное магнитное поле у Венеры отсутствует. Есть данные, что это единственная планета Солнечной системы, не имеющая собственного магнитного поля.

Стальные тела могут в поле Земли намагничиваться так же, как в магнитном поле катушки с током. В некоторых случаях это нежелательно. Примером может служить намагничивание кораблей в магнитном поле Земли. Во время Великой Отечественной войны такие корабли могли стать мишенью для магнитных мин, которые автоматически ориентировались в магнитном поле корабля. Советские ученые в короткий срок разработали надежный способ размагничивания кораблей и тем самым спасли многие корабли от гибели. Способ размагничивания состоял в том, что корпус окружался проводом, по которому пропускался ток нужного направления и силы, магнитное поле которого и размагничивало корабль.

магнитный поле физика школа

5. ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРОВОДНИК С ТОКОМ. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Действие магнитного поля на проводник с током учащиеся уже наблюдали. Это явление лежит в основе действия многих технических устройств, и прежде всего — электродвигателей. Это обусловливает необходимость более детального изучения вопроса о действии магнитного поля на проводник с током. Для этой цели повторяют опыт с помощью установки, представленной на рисунке 2.

Горизонтальный участок провода располагают между полюсами дугообразного магнита. Выпрямитель или аккумулятор ставят так, чтобы всем учащимся было видно расположение полюсов источника тока.

При замыкании цепи наблюдают отклонение провода, при размыкании — возвращение его к положению равновесия.

Затем убирают магнит и снова замыкают и размыкают цепь. Провод остается неподвижным. Делают вывод: магнитное поле действует с некоторой силой на провод с током.

Затем рассматривают поворот витка (рамки) с током в магнитном поле, как показано на рисунке 5.

В качестве практического применения явления знакомят учащихся с устройством и принципом действия электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы. Для этого можно использовать плакаты и демонстрационный школьный гальванометр, а также действующую модель, подобную показанной на рисунке 6. При изготовлении модели на рамку размерами примерно 160X80 мм наматывают несколько десятков витков провода d = 0,2—0,3 мм в эмалевой изоляции. Начало и Конец провода закручивают спиралями, а и Ь вокруг концов оси рамки, пропущенной через середины длинных сторон рамки и укрепленных в отверстиях стойки с и вертикальной панели d. Затем концы спиралей прикрепляют: один — к стойке с, другой — к панели d — и выводят к клеммам ki и ki. На ось рамки укрепляют стрелку е, а на панель, которая одновременно служит экраном фона, наклеивают шкалу с делениями. При демонстрации прибора около рамки на подставках располагают постоянные магниты подобно тому, как это показано на рисунке 7.

Рисунок 5 Рисунок 6

Рисунок 7

6. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

Целесообразно начать урок с постановки перед учащимися вопроса, что они знают о применении электродвигателей в быту и технике. После выяснения чрезвычайно широкого их применения полезно поставить вопросы: «А кто знает, на чем основана работа электродвигателей? Какое явление положено в основу их действия?»

Далее учитель сообщает, что действие электродвигателей основано на вращении рамки с током в магнитном поле. Ставятся снова проблемные вопросы: «Как это достигается? Что нужно сделать, чтобы рамка вращалась непрерывно?» Для ответа на этот вопрос демонстрируют опыт, который описан в учебнике «Физика-8» А. В. Перышкина и Н. А. Родиной (§ 61, с. 128).

Показывают, что изменение направления тока происходит автоматически при помощи особого устройства — коллектора. Наблюдая опыт, учащиеся должны отчетливо представлять, что вращение витка происходит в результате действия магнитного поля на проводники с током и что в этом процессе происходит превращение электрической энергии в механическую.

Мощность вращающейся рамки очень мала. Чтобы увеличить ее, нужно усилить магнитное поле вращающегося витка.

Для этого увеличивают силу тока в витке. Увеличение действия магнитного поля достигается также применением электромагнитов, которые используют в устройстве технических электродвигателей. Здесь полезно рассказать о первом электродвигателе и его изобретателе — русском ученом Б. С. Якоби.

Следует также показать технические электродвигатели, например стартер автомашины.

Ознакомление учащихся с применением электродвигателей можно провести в виде рассказа учителя или кратких (по 3—5 мин) докладов учащихся. (Применение двигателей на транспорте: двигатели метро, трамваев, троллейбусов, электровозов; в промышленности: двигатели станков; в быту: двигатели пылесосов, стиральных и швейных машин, компрессионных холодильников.)

Необходимо указать на достоинства электродвигателей: широкий диапазон мощностей — от нескольких ватт (электробритва) до нескольких тысяч киловатт (двигатели, применяемые в насосах для перекачки нефти, воды в шлюзах и каналах); на гигиеничность в работе (отсутствие выхлопных газов и дыма); быстрый пуск в ход и остановку; возможность управления двигателями с большого расстояния (телеуправление).

Изучение электродвигателей может быть завершено экскурсией в трамвайный или троллейбусный парк, электродепо, авторемонтные мастерские или автогараж.

На внеклассных занятиях можно организовать работу с электроконструктором, со школьным набором по электромагнетизму, по изготовлению моделей электродвигателей.

7. ОБОБЩАЮЩЕЕ ПОВТОРЕНИЕ ТЕМЫ «МАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ»

Повторение целесообразно провести в форме конференции. Темами сообщений могут быть следующие:

1) История открытия магнитных свойств вещества

2) Открытие магнитного поля тока. Опыты Эрстеда

3) Магнитные поля в науке и технике

4) Электромагниты, их применение в науке и технике

5) Из истории изобретения электродвигателей и их применения. Работы Якоби

6) Электродвигатели в народном хозяйстве

7) Магнетизм живых организмов В процессе докладов и сообщений демонстрируются изготовленные учащимися на занятиях физического кружка приборы и модели, установки, ставятся новые опыты (например, опыт с осциллографом или телевизором по отклонению в магнитном поле электронного луча).

Для подготовки докладов и изготовления пособий учащимся может быть рекомендована следующая литература:

1) Алексеева М. Н. Физика — юным: Теплота. Электричество. Кн. для внеклассного чтения. 7 кл. / Сост. М. Н. Алексеева.— М.: Просвещение, 1980.

2) Карцев В. П. Магнит за три тысячелетия.— М.: Атомиздат, 1978.

3) Лишевский В. Магнетизм// Наука и жизнь, 1988, № 2.— С. 31—32.

4) Меркулов А. П. Магнитные поля — труженики.— М.: Машиностроение, 1978.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой курсовой работе была выполнена поставленная задача, то есть, подробно описана методика преподавания магнитных явлений в курсе физики средней школы.

Тема курсовой работы оказалась для меня очень познавательной. В процессе ее выполнения мне пришлось столкнуться с небольшими трудностями. Но в тоже время было достаточно интересно.

Хочется надеяться, что результаты моей работы будут использованы кем — либо в дальнейшем.

1. А. В. Перышкин, Н. А. Родина, Х. Д. Рошовская // Преподавание физики в 6−7 классах средней школы. Пособие для учителя — Москва «Просвещение» 1985.-188−211 с.

2. С. Е. Каменецкий, Л. А. Иванов // Методика преподавания физики в средней школе. Частные вопросы — Москва «Просвещение» 1987.-189−208 с.

3. В. А. Кондаков // Строение и свойства вещества. Пособие для учителя — Издательство «Просвещение» Москва 1970.-136 -148 с.

4. А. В. Усова // Методика преподавания физики в 7−8 классах средней школы. Пособие для учителя — Москва «Просвещение» 1990. 293−300 с.

5. Б. М. Якорский, А. А Пинский // Основы физики — Наука, Москва, 1972 т.2 с. 73−97.