VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание экспериментального набора для демонстрации правила Ленца
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Проблема
В этом учебном году мне предстоит сдавать ЕГЭ по физике. Я решил посмотреть задачи, которые могут встретиться при решении тестов ЕГЭ. Оказалось, что в тестах есть задачи, в условии которых нет числовых данных, но они имеют конкретное решение. Много таких задач по явлению электромагнитной индукции. Как же решать такие задачи? На мой вопрос учитель мне показал опыт с прибором для демонстрации правила Ленца, но явление наблюдалось очень плохо. И я решил создать такую установку, которая наглядно показывала верность правила Ленца.Проблема, над которой я работал, заключаясь, в отсутствии оборудования для наглядной и запоминающейся демонстрации правила Ленца в кабинете физики школы.
Актуальность
Актуальность данного проекта заключается в том, что по данной теме часто встречаются задачи в тестах ЕГЭ и в задачах школьной программы, а именно в задачниках «Дрофы» автором которого является А.П. Рымкевич. Но наглядных и запоминающихся экспериментов недостаточно для иллюстрации этой сложной темы. А ведь удивление рождает любопытство, которое приводит к верному осознанию и прочному запоминанию физического явления.
Цель
Создание экспериментального набора для иллюстрации правила Ленца и демонстрация экспериментов учащимся.
Задачи
1)Изучить явление электромагнитной индукции.
2)Изучить правило Ленца и проверить его проявление на практике.
3)Подобрать оборудование для экспериментального набора по правилу Ленца.
4) Отработать методику проведения эксперимента для демонстрации проявления правила Ленца.
Объект
Явление электромагнитной индукции.
Предмет
Эксперимент для демонстрации правила Ленца.
Продукт проекта
Экспериментальный набор для демонстрации правила Ленца
Степень изученности вопроса
В начале 19 века Фарадей придумал опыт: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки; причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая — вокруг другой. Через одну проволоку пропускался ток от батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. Когда ток появлялся или прекращался в одной из проволок, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем останавливалась, то есть в другой проволоке возбуждались индуктивные токи. Опыты, которые до сих пор демонстрируются в школе, при объяснении явления электромагнитной индукции, были поставлены Фарадеем в 1834 г. Независимо аналогичные опыты были поставлены Джозефом Генри, однако они не были опубликованы. Математическое выражение закона электромагнитной индукции дал в 1873 Максвелл в «Трактате по электричеству и магнетизму». Я попытался создать экспериментальный набор, который бы позволил наглядно продемонстрировать явление электромагнитной индукции в условиях современной школы.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Явление электромагнитной индукции
Явление электромагнитной индукции – это явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Что же такое магнитный поток? Под словом поток обычно понимается прохождение чего-то через определенное сечение. Например, массы воды через сечение трубы или количества людей через сечение прохода двери в стене. Значит магнитный поток – это прохождение чего-то через замкнутый контур проводника. Через контур в магнитном поле проходят силовые линии или линии магнитной индукции. Вектор магнитной индукции – это физическая величина, показывающая максимальную силу, действующую со стороны магнитного поля на проводник с током. Таким образом, вектор магнитной индукции – это силовая характеристика поля. Там, где вектора проходят густо, там поле сильное, а где редко – поле слабое. Для постоянного магнита вектора индукции выходят из северного полюса и входят в южный полюс. (Рис.1)
Рис.1.
Следовательно, поле магнита наиболее сильное на полюсах.
Тогда магнитный поток показывает число линий магнитной индукции пронизывающий замкнутый контур.Чтобы изменить магнитный поток можно:
Изменить магнитную индукцию поля (усилить или ослабить)
-Изменить площадь контура,
-Изменить угол между вектором индукции и перпендикуляром к площади контура.
Экспериментальный набор для демонстрации правила Ленца
В моем экспериментальном наборе я использую неодимовый магнит. Приближая магнит к кольцу, я увеличиваю число векторов индукции, пронизывающих контур кольца, а значит, и увеличиваю магнитный поток. И наоборот, удаляя магнит от кольца, я уменьшаю число векторов индукции, а значит, уменьшаю магнитный поток через замкнутый контур. (Рис. 2)
(Рис. 2)
Следовательно, в кольце появляется электрический ток. Направление тока определяется правилом Ленца. Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем препятствует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. При приближении магнита магнитный поток усиливается, поэтому поле тока должно препятствовать этому усилению, то есть ослаблять поле магнита. Поэтому поле тока должно быть направлено противоположно вектору индукции магнита. В эксперименте, показанном на рис. 3, северный полюс магнитного поля кольца оказывается справа от кольца, и кольцо отталкивается от северного полюса магнита.
(Рис. 3)
Зная направление вектора индукции от кольца, по правилу правой руки определяем и направление тока в самом кольце. Если же мы магнит удаляем, то ток будет другого направления, так как он своим магнитным полем будет поддерживать уменьшающееся поле магнита. Справа от кольца возникнет южный полюс, который будет притягиваться к удаляющемуся северному полюсу магнита.
Наиболее интересный эффект можно пронаблюдать при падении неодимового магнита сквозь алюминиевую трубу. При полете магнита в трубе индуцируются электрические тока, которые своим магнитным полем препятствуют падению магнита, так как трубу можно рассматривать, как набор множества замкнутых контуров. Когда магнит приближается к кольцу (части трубы), в кольце появляется электрический ток, который своим магнитным полем препятствует нарастанию магнитного потока приближающегося магнита. Как видно на рисунке 4, северный полюс кольца оказывается сверху его, и он отталкивает северный полюс падающего магнита. Когда магнит удаляется от кольца, в нем появляется электрический ток противоположного направления, так как магнитный поток магнита уменьшается. Тогда северный полюс кольца оказывается снизу от него, и он притягивает к себе южный полюс падающего магнита. Падение магнита замедляется, что хорошо видно и вызывает удивление, так как противоречит нашему жизненному опыту наблюдения падений тел на Землю. (Рис.4)
(Рис. 4)
Таким образом, в мой экспериментальный набор входят:
1)Неодимовый магнит.
2)Алюминиевая труба.
3)Штатив.
4)Подушка.
Но при проведении эксперимента надо учитывать, что при падении магнита, он может приземлиться не в назначенное место и расколоться, тем самым мы уйдём в убыток, так как магнит стоит довольно дорого. Из набора собираются две установки для демонстрации правила Ленца. Установка с кольцом и установка с алюминиевой трубой.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты
В ходе работы над проектом мной было:
1)Изучено явление электромагнитной индукции.
2) Изучено правило Ленца и проверено его проявление на практике.
3) Подобрано оборудование для экспериментального набора по правилу Ленца.
4) Отработана методика проведения эксперимента для демонстрации проявления правила Ленца.
5) Показаны эксперименты одноклассникам.
6) Решены задачи на правило Ленца и явление электромагнитной индукции из тестов ЕГЭ.
Выводы
1) Опыты, которые можно демонстрировать с помощью моего экспериментального набора, просты, что является несомненным плюсом, ведь если какой-то элемент экспериментального набора выйдет из строя, мы всегда можем его заменить
2) Благодаря наглядным опытам, ученики смогут лучше понять правило Ленца и применять его к решению задач.
ЛИТЕРАТУРА
Касьянов В.А. Физика 11 класс. Углубленный уровень, Москва, «Дрофа», 2019 год.
К истории открытия электромагнитной индукции . Интернет- ресурс. http://www.eduspb.com/node/1848
Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В.М. , Москва, «Просвещение», 2011 год.
Правило Ленца. Интернет- ресурс . https://ru.wikipedia.org/wiki/Правило_Ленца
Электромагнитная индукция. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электромагнитная_индукция
Электронная библиотека http://www.electrolibrary.info/history/electromagnitnayaindukciya.htm
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Фотография опыта с кольцом
Приложение 2
Фотография опыта с трубой
Приложение 3
Фотография оборудования экспериментального набора