Технические устройства и их применение: постоянные магниты и электромагниты
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: к концу урока учащиеся объяснят различия между постоянным магнитом и электромагнитом, установят зависимость действия электромагнита от силы тока и числа витков, а также приведут не менее трёх примеров технического применения этих устройств.
- Сформировать представление о свойствах постоянных магнитов, устройстве электромагнита и физических принципах их действия.
- Научить выделять существенные признаки технических устройств по тексту учебника, схеме и результатам наблюдения, сравнивать постоянный магнит и электромагнит.
- Развивать умение выдвигать гипотезу, проверять её в парной работе, фиксировать результат в таблице и формулировать доказательный вывод.
- Воспитывать ответственное отношение к использованию электрических и магнитных устройств, интерес к инженерным и техническим профессиям.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают значение магнитных устройств для транспорта, энергетики, связи, медицины и бытовой техники.
- Проявляют познавательный интерес к объяснению принципов работы технических устройств.
- Понимают необходимость соблюдения правил безопасной работы с источниками тока и электрическими цепями.
- Связывают изучаемый материал с возможным выбором инженерной, физико-технической или информационной профессии.
Метапредметные
- Извлекают информацию из текста учебника, схемы, таблицы наблюдений и формулируют вывод на основании нескольких источников.
- Планируют последовательность исследования, распределяют роли в паре и согласуют общий результат.
- Сравнивают объекты по заданным критериям: источник магнитного поля, управляемость, сила действия, область применения.
- Контролируют собственную работу по критериям и корректируют вывод при обнаружении несоответствия гипотезе.
Предметные
- Знать, что постоянный магнит создаёт устойчивое магнитное поле без подключения к источнику электрического тока.
- Знать устройство простейшего электромагнита и роль катушки, сердечника и источника тока.
- Уметь объяснять, почему магнитное действие катушки усиливается при увеличении силы тока и числа витков.
- Уметь сравнивать постоянный магнит и электромагнит и приводить примеры их применения в технических устройствах.
- Владеть умением объяснять принцип действия электромагнитного реле, подъёмного крана или громкоговорителя на качественном уровне.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личную познавательную задачу: понять, почему одни магнитные устройства работают постоянно, а другие можно включать и выключать.
- Осмысливают связь физических знаний с безопасностью и ответственным использованием техники.
- Проявляют готовность к самостоятельному поиску объяснения и уважительно относятся к аргументам одноклассников.
- Оценивают значение точности наблюдения и доказательного вывода для инженерной деятельности.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель исследования и прогнозируют результат изменения параметров электромагнита.
- Планируют действия при работе с учебником, схемой и оборудованием.
- Проверяют соответствие полученного вывода результатам наблюдения.
- Оценивают степень достижения цели по листу самооценки и называют действие, требующее доработки.
Познавательные УУД
- Выделяют главное в тексте о постоянных магнитах и электромагнитах.
- Классифицируют технические устройства по способу создания магнитного поля.
- Анализируют зависимость магнитного действия катушки от силы тока и числа витков.
- Строят простую причинно-следственную модель: ток в катушке — магнитное поле — действие устройства.
- Используют физические термины при объяснении наблюдаемого явления.
Коммуникативные УУД
- Распределяют обязанности в паре: читатель, экспериментатор, секретарь или докладчик.
- Формулируют уточняющие вопросы по тексту учебника и схеме устройства.
- Аргументируют вывод ссылкой на наблюдение или физический закон.
- Слушают партнёра, сопоставляют варианты объяснения и приходят к согласованной формулировке.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить на каждую пару источник постоянного тока низкого напряжения, катушку из изолированного провода, железный сердечник или стальной болт, соединительные провода, выключатель и набор мелких стальных скрепок.
- Подготовить по одному постоянному магниту на пару, компас или небольшую магнитную стрелку для демонстрации магнитного поля.
- Распечатать на каждую пару исследовательскую карточку с таблицей: число витков, наличие сердечника, сила тока, количество притянутых скрепок, вывод.
- Распечатать карточки трёх уровней: базовую на сравнение устройств, повышенную на анализ электромагнитного реле и дополнительную на применение в новой технической ситуации.
- Подготовить фрагмент текста учебника по теме постоянных магнитов и электромагнитов; заранее отметить определения и иллюстрации, с которыми будут работать учащиеся.
- Вывести на доску или слайд проблемный вопрос: «Почему электромагнит можно включать и выключать, а постоянный магнит сохраняет действие без батареи?»
- Подготовить на доске сравнительную таблицу с критериями: источник поля, управляемость, сила действия, применение.
- Проверить исправность источников тока, проводов и выключателей; подготовить инструкцию по безопасному замыканию цепи на короткое время.
- Подготовить таймер на 3–5 минут и лист самооценки на каждого ученика.
- Организовать рабочие места парами так, чтобы оборудование не создавало помех проходу между рядами.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую деятельность и вызвать интерес к проблеме управляемого магнитного действия.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | "Здравствуйте, ребята. Проверьте, пожалуйста, готовность к работе: тетрадь, ручка и учебник должны лежать открытыми. Сегодня нам понадобятся также аккуратность и умение объяснять наблюдаемое явление, потому что мы будем работать как небольшая инженерная лаборатория." | Проверяют готовность рабочего места, достают тетради и учебник, садятся парами. |
2 мин | Учитель показывает постоянный магнит, затем катушку с железным сердечником и задаёт вопрос: "Оба устройства могут притягивать стальные предметы. Но одно из них действует без батареи, а второе можно включить и выключить. Как вы думаете, в чём принципиальная разница? Запишите индивидуально одну гипотезу, затем обсудите её с соседом по парте." Приём «Подумай — обсуди в паре». | Записывают гипотезу, обсуждают её в паре и формулируют предварительный ответ: «Электромагнит действует только при прохождении тока», «Сила электромагнита зависит от устройства цепи». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели два устройства с похожим действием, но разными способами работы. Теперь проверим, какие знания о магнитном поле помогут нам объяснить это различие."
Этап 2. Актуализация знаний (5 мин)
Цель этапа: восстановить знания о магнитном поле, токе и действии проводника с током.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | "Откройте тетради и ответьте на три коротких вопроса. Что называют магнитным полем? Как обнаруживают магнитное поле? Что происходит вокруг проводника, по которому проходит электрический ток? Отвечайте не отдельными словами, а короткими физическими утверждениями." Учитель фиксирует ключевые слова на доске: «магнитное поле», «магнитная стрелка», «проводник с током». | Записывают ответы и предлагают формулировки: «Магнитное поле существует вокруг магнитов и проводников с током», «Поле обнаруживают по действию на магнитную стрелку», «Ток создаёт магнитное поле». |
3 мин | Учитель организует взаимную проверку: "Сравните ответы с соседом. Если формулировки различаются, найдите в тексте учебника определение, которое точнее всего отвечает на вопрос. Отметьте в тетради одно уточнение." Затем спрашивает: "Почему можно предположить, что катушка с током будет действовать как магнит?" | Сверяют ответы с текстом учебника, выделяют определение магнитного поля, обсуждают вопрос в парах и формулируют: «Каждый виток создаёт магнитное поле, а поля катушки складываются». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили, что ток создаёт магнитное поле, а действие поля можно обнаружить по движению магнитной стрелки или притяжению железных предметов. Теперь определим, какие признаки постоянного магнита и электромагнита нужно сравнить."
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать учебную проблему, цель исследования и критерии сравнения технических устройств.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует постоянный магнит и разомкнутую катушку с сердечником: "Сейчас цепь разомкнута, но постоянный магнит уже притягивает скрепку. Электромагнит пока не действует. Что изменится после замыкания цепи? А что произойдёт после размыкания? Запишите прогноз и обозначьте, какой результат подтвердит вашу гипотезу." | Записывают прогноз: «При замыкании цепи катушка начнёт притягивать скрепки, при размыкании действие исчезнет». Называют ожидаемый признак подтверждения. |
2 мин | Учитель записывает на доске проблемный вопрос: «От чего зависит магнитное действие электромагнита и где применяются постоянные магниты и электромагниты?» Затем предлагает составить план: "Какие параметры нужно изменить? Что будем измерять или считать? Какие сведения найдём в учебнике?" | Формулируют план: сравнить наличие тока, наличие сердечника, число витков и количество притянутых скрепок; прочитать текст учебника; составить вывод и назвать технические применения. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Проблема поставлена, критерии сравнения намечены. Теперь проведём небольшое исследование и используем текст учебника не для пересказа, а для проверки собственных выводов."
Этап 4. Открытие нового знания. Исследование в парах (12 мин)
Цель этапа: установить устройство электромагнита, факторы усиления его действия и различия между электромагнитом и постоянным магнитом.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт оборудованные рабочие места и карточки исследования: "Работаем парами. Один ученик отвечает за сборку и безопасное включение цепи, второй фиксирует наблюдения; затем поменяйтесь ролями. Не оставляйте цепь замкнутой постоянно. Сначала рассмотрите катушку без сердечника, затем вставьте железный сердечник. Перед каждым опытом внесите прогноз в таблицу." | Распределяют роли, читают инструкцию, рассматривают катушку, источник тока, сердечник и выключатель, записывают прогнозы. |
4 мин | "Проведите первый опыт: сравните действие катушки без сердечника и катушки с железным сердечником при одинаковом подключении. Сосчитайте, сколько скрепок притягивается в каждом случае. Объясните, почему сердечник изменил результат. Работайте по схеме, изображённой на доске." | Собирают цепь, кратковременно замыкают её, подсчитывают притянутые скрепки, заносят результаты в таблицу и формулируют: «Железный сердечник усиливает магнитное действие катушки». |
3 мин | "Теперь сравните катушки с разным числом витков при одинаковом источнике тока. Не меняйте сразу два условия: нам важно увидеть влияние именно числа витков. Запишите наблюдение и ответьте: как изменяется магнитное действие при увеличении числа витков?" | Сравнивают две катушки или два режима, фиксируют количество притянутых скрепок, делают вывод: «При увеличении числа витков магнитное действие обычно усиливается». |
3 мин | Учитель направляет работу с учебником: "Прочитайте фрагмент о постоянных магнитах и электромагнитах. Найдите определения, признаки полюсов и сведения о применении. В таблице отметьте, что подтверждено опытом, а что получено из текста. Затем объясните партнёру принцип работы одного устройства: реле, подъёмного крана или громкоговорителя." | Читают текст учебника, выделяют определения, заполняют сравнительную таблицу, объясняют партнёру выбранное устройство с использованием цепочки: «ток — магнитное поле — движение детали — полезное действие». |
Запись в тетрадях
Учащиеся записывают: «Электромагнит — катушка с током, часто с ферромагнитным сердечником, создающая магнитное поле. Магнитное действие электромагнита усиливается при увеличении силы тока, числа витков и введении железного сердечника. Главное преимущество электромагнита — управляемость: его можно включать и выключать». В таблице сравнения указывают: постоянный магнит — действие сохраняется без источника тока; электромагнит — действие связано с прохождением тока.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Опыт показал, что катушка с током действительно создаёт магнитное поле, а сердечник и число витков влияют на силу действия. Теперь проверим, умеем ли мы применять этот вывод к конкретным техническим ситуациям."
Этап 5. Первичное закрепление (7 мин)
Цель этапа: закрепить объяснение принципа действия магнитных устройств через анализ технических примеров.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт парам карточки с тремя ситуациями: «1. Почему подъёмный кран на металлоломе удерживает груз только при включённом токе? 2. Почему в электромагнитном реле используют катушку с сердечником? 3. Почему в компасе применяют постоянную магнитную стрелку?» Инструкция: "Выберите две ситуации и объясните их по схеме: устройство — физическое явление — результат." | В парах выбирают две ситуации, записывают объяснение и готовят устный ответ. Например: «Ток в катушке создаёт поле, сердечник усиливает его, якорь притягивается и кран удерживает груз». |
2 мин | Учитель предлагает приём «Две звезды и пожелание»: "Обменяйтесь карточками с соседней парой. Запишите две сильные стороны объяснения и один вопрос или совет по уточнению физической причины." | Проверяют объяснение другой пары, отмечают наличие физической цепочки и предлагают уточнение: «Нужно указать, что при отключении тока магнитное действие исчезает». |
2 мин | Учитель просит две пары представить ответы и задаёт вопрос: "Какой общий признак есть у всех рассмотренных устройств? Чем постоянный магнит был бы менее удобен в подъёмном кране?" | Представляют ответы, формулируют: «Электромагнит позволяет управлять силой действия», «Постоянный магнит нельзя быстро отключить без механического удаления». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы применили новое знание к крану, реле и компасу. Сейчас каждый самостоятельно проверит, может ли воспроизвести главное различие и объяснить зависимость силы электромагнита от его параметров."
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (9 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное понимание материала и обеспечить самоконтроль по эталону.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | Учитель раздаёт карточки трёх уровней и поясняет: "Все выполняют базовое задание, затем по готовности переходят к повышенному или дополнительному. Базовый вариант: заполните пропуски в сравнении постоянного магнита и электромагнита и объясните, что произойдёт при размыкании цепи. Повышенный вариант: объясните работу электромагнитного реле по схеме. Дополнительный вариант: предложите устройство, в котором предпочтительнее постоянный магнит, и обоснуйте выбор." | Индивидуально выполняют выбранный объём: заполняют сравнительную таблицу, объясняют исчезновение действия при размыкании цепи, анализируют реле или обосновывают собственный технический пример. |
2 мин | Учитель открывает эталон на доске: "Проверьте себя по четырём признакам: назван источник магнитного поля, указана управляемость, объяснена роль сердечника или числа витков, приведён технический результат. Исправления вносите другим цветом." | Сверяют работу с эталоном, подчёркивают верные элементы, исправляют неточности и ставят условный знак: «могу объяснить», «нужна помощь», «нужно повторить». |
2 мин | Учитель проводит короткую проверку: "Поднимите зелёную карточку, если можете объяснить принцип действия электромагнита; жёлтую — если понимаете основную идею, но затрудняетесь с применением; красную — если нужно повторить устройство и зависимость силы действия. Назовите один вопрос, который остался." | Показывают карточки, формулируют индивидуальный вопрос, например: «Почему сердечник усиливает поле?» или «Как практически изменяют силу тока в электромагните?» |
Эталон решения
Для объяснения работы электромагнитного реле: 1) при замыкании управляющей цепи по катушке проходит ток; 2) катушка создаёт магнитное поле; 3) сердечник усиливает поле и притягивает якорь; 4) якорь замыкает или размыкает другую цепь; 5) после отключения тока магнитное действие катушки исчезает, и пружина возвращает якорь. Общая схема: $I \ne 0 \Rightarrow B \ne 0 \Rightarrow$ притяжение якоря; $I = 0 \Rightarrow B$ резко уменьшается $\Rightarrow$ якорь возвращается.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Самостоятельная работа показала, что вы умеете не только назвать электромагнит, но и раскрыть причинную связь между током, магнитным полем и движением детали. Осталось обобщить результат и определить, какую роль постоянные магниты и электромагниты играют в современной технике."
Этап 7. Рефлексия и домашнее задание (5 мин)
Цель этапа: обобщить новое знание, оценить достижение цели и определить содержание самостоятельной работы дома.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель возвращается к проблемному вопросу: "Почему постоянный магнит и электромагнит действуют по-разному? Сформулируйте ответ одним предложением, используя термины «источник магнитного поля» и «управляемость»." | Формулируют ответ: «Постоянный магнит создаёт поле без подключения к источнику тока, а электромагнит создаёт поле при прохождении тока, поэтому его действие можно управляемо включать и выключать». |
2 мин | Учитель организует приём «Одноминутка»: "Запишите два пункта: что сегодня стало понятным и какое применение электромагнита вы теперь можете объяснить. Отдельно отметьте, что необходимо повторить." | Записывают личный итог, называют устройство и объясняют его действие, например электромагнитный кран или реле. |
1 мин | "Запишите домашнее задание с доски. Перед выходом ответьте соседу на контрольный вопрос: какие три фактора усиливают действие электромагнита?" | Записывают задание, отвечают: «Увеличение силы тока, увеличение числа витков, введение железного сердечника». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня вы исследовали не только свойства магнитов, но и принцип управления техническим устройством. Сохраните таблицу исследования: на следующем уроке она поможет перейти к более сложным электромагнитным устройствам и их количественным характеристикам."
Критерии оценивания практической работы
- «5» — правильно заполнена таблица исследования, выполнено сравнение катушки без сердечника и с сердечником, сформулированы выводы о влиянии числа витков и силы тока, приведено и объяснено не менее двух технических применений.
- «4» — таблица заполнена с одной неточностью, верно объяснено действие электромагнита и приведён как минимум один технический пример, но недостаточно полно раскрыта роль одного из факторов усиления.
- «3» — названы постоянный магнит и электромагнит, но объяснение содержит существенные пробелы; опыт описан частично, техническое применение приведено без полной физической аргументации.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали об устройстве и действии электромагнита? | Выявление осознанности приобретённого предметного знания. |
Какие условия усиливают магнитное действие катушки? | Проверка понимания причинной связи между параметрами цепи и результатом. |
Какое техническое устройство вы теперь можете объяснить физически? | Оценка переноса знания в функциональный и практический контекст. |
На каком шаге исследования возникло затруднение? | Выявление точек затыка в работе с оборудованием, текстом учебника или выводом. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня мы выяснили, что постоянный магнит создаёт устойчивое магнитное поле, а электромагнит позволяет управлять магнитным действием с помощью электрического тока. Важно не перепутать причину и следствие: сердечник не создаёт магнитное поле самостоятельно, а усиливает поле катушки с током. Вы подтвердили вывод опытом, текстом учебника и анализом технических устройств. На следующем уроке мы рассмотрим электромагнитную индукцию и увидим, как магнитные явления связаны с получением электрического тока."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить сравнительную таблицу «Постоянный магнит и электромагнит» по четырём критериям: источник магнитного поля, управляемость, факторы усиления, применение. Выполнить 3 качественных задания на объяснение роли тока, витков и сердечника. | Закрепляет основные понятия и причинно-следственные связи; при проверке обратить внимание на точность терминов и отсутствие утверждения, будто железный сердечник сам является источником поля. |
Средний (повышающий) | Разобрать 4–5 ситуаций из техники: электромагнитный кран, реле, громкоговоритель, электрический звонок и магнитный сепаратор. Для каждой указать, какая часть является источником магнитного поля и какое полезное действие выполняется. | Формирует умение переносить знание на реальные устройства; при проверке учитывать полноту цепочки «ток — поле — движение или действие устройства». |
Продвинутый (дополнительный) | Разработать эскиз собственного электромагнитного устройства или усовершенствовать известное устройство. Указать назначение, состав деталей, способ включения и выключения, а также объяснить, как увеличить силу действия. | Развивает инженерное и креативное мышление; при проверке оценить физическую реализуемость, корректность объяснения и обоснованность выбранных параметров. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Что является источником магнитного поля постоянного магнита? Почему электромагнит можно выключить? Какую роль играет железный сердечник? Какие три изменения обычно усиливают действие электромагнита? Назовите техническое устройство и объясните его работу в двух-трёх предложениях».
