Явление самоиндукции. Электродвижущая сила самоиндукции
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока учащиеся объяснят явление самоиндукции, сформулируют закон Фарадея для ЭДС самоиндукции и применят формулу $\mathcal{E}_{си}=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}$ при решении не менее двух практических задач.
- Образовательная задача: раскрыть физический механизм возникновения индукционного тока в замкнутой цепи при изменении силы тока в самой цепи и ввести понятие индуктивности.
- Развивающая задача: формировать умение анализировать экспериментальные данные, устанавливать причинно-следственные связи и выбирать физическую модель для расчёта ЭДС самоиндукции.
- Коммуникативная задача: организовать работу в парах с учебным текстом, цифровой моделью и расчётной карточкой, аргументируя выводы.
- Воспитательная задача: развивать ответственное отношение к безопасной работе с электрическими цепями и интерес к применению физики в технике.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознавать значение явления самоиндукции для работы электромагнитных устройств, реле, трансформаторов и электрических цепей.
- Проявлять познавательный интерес к экспериментальной проверке физических закономерностей.
- Понимать необходимость соблюдения правил безопасности при работе с источниками тока и электронным оборудованием.
- Оценивать собственный вклад в парную работу и готовность корректировать ошибочные представления.
Метапредметные
- Выделять из текста учебника определения, условия возникновения явления и математические зависимости.
- Сравнивать включение и выключение цепи с активным сопротивлением и катушкой индуктивности.
- Представлять результаты наблюдений в виде таблицы и причинно-следственной схемы.
- Планировать решение расчётной задачи, проверять единицы измерения и оценивать правдоподобие ответа.
- Использовать цифровую модель или демонстрационное видео для анализа изменения силы тока во времени.
Предметные
- Знать определение явления самоиндукции и физический смысл индуктивности.
- Уметь объяснять возникновение ЭДС самоиндукции при изменении силы тока в контуре.
- Знать формулу $\mathcal{E}_{си}=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}$ и правило Ленца для определения направления ЭДС.
- Уметь рассчитывать модуль ЭДС самоиндукции по значениям индуктивности и скорости изменения тока.
- Уметь объяснять задержку нарастания тока в цепи с катушкой и появление искры при размыкании цепи.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Формулируют личный познавательный вопрос о поведении тока в цепи с катушкой.
- Связывают изучаемое явление с будущей инженерной или технической деятельностью.
- Осознают ценность доказательного объяснения физического явления.
- Проявляют ответственность за соблюдение электротехнической безопасности.
Регулятивные УУД
- Принимают учебную цель и планируют последовательность наблюдения, объяснения и расчёта.
- Фиксируют затруднение при объяснении задержки изменения тока.
- Проверяют решение по формуле, единицам измерения и знаку ЭДС.
- Сопоставляют результат с эталоном и исправляют выявленные ошибки.
Познавательные УУД
- Извлекают из учебного текста определения и формулы, отделяя главное от пояснений.
- Анализируют график изменения силы тока и связывают его с изменением магнитного потока.
- Строят причинную цепочку: изменение тока — изменение магнитного поля — изменение магнитного потока — ЭДС самоиндукции.
- Применяют математическую модель для решения практической задачи.
- Формулируют вывод на основе наблюдаемого опыта или цифровой модели.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в паре: читатель-аналитик и докладчик-проверяющий.
- Задают уточняющие вопросы по условию задачи и формуле.
- Аргументируют направление ЭДС самоиндукции ссылкой на правило Ленца.
- Согласовывают общий вывод и представляют его классу.
- Корректно принимают замечания партнёра и уточняют собственное объяснение.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить презентацию или цифровую модель цепи с источником тока, резистором, ключом и катушкой индуктивности; вывести графики нарастания и спадания тока.
- Подготовить безопасную демонстрационную цепь: низковольтный источник постоянного тока, катушка, резистор, ключ и два светодиода либо готовый набор для наблюдения самоиндукции.
- Проверить исправность оборудования, отсутствие оголённых проводов и соответствие напряжения источника параметрам элементов.
- Распечатать карточки для работы в парах: по одной карточке на парту, всего по числу пар; включить вопросы по тексту учебника и две расчётные задачи.
- Подготовить лист наблюдений с колонками «Изменение тока», «Изменение магнитного поля», «Направление ЭДС», «Наблюдаемый эффект».
- Вывести на доску или экран формулы $\mathcal{E}_{ин}=-\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$ и $\mathcal{E}_{си}=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}$, а также условные обозначения.
- Подготовить краткий фрагмент учебного текста о самоиндукции для парного смыслового чтения; конкретные страницы учащиеся открывают в используемом на уроке учебнике.
- Распечатать карточки самооценки «Могу объяснить — могу применить — нужна помощь» по одной на каждого ученика.
- Подготовить проектор, ноутбук, интерактивную доску или документ-камеру для демонстрации опыта и решений.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую деятельность и создать проблемную ситуацию.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране схему цепи с катушкой и ключом: "Сегодня мы не начнём с готового определения. Сначала проверим, может ли электрическая цепь сама препятствовать изменению тока. Вспомните, что происходит с током при замыкании и размыкании обычной цепи." | Записывают дату, готовят тетради и формулируют ожидаемый результат: "Ток появляется или исчезает после замыкания цепи". |
2 мин | Учитель демонстрирует безопасное включение цепи с катушкой или запускает цифровую модель: "Посмотрите на яркость индикатора при замыкании и размыкании. Почему реакция цепи может отличаться от мгновенного включения лампы? Запишите первую гипотезу одним предложением." | Наблюдают демонстрацию, индивидуально записывают гипотезу и обмениваются ею с соседом: "Катушка создаёт магнитное поле", "изменение поля порождает дополнительный ток". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели, что катушка не является просто соединительным проводником. Теперь выясним, какое явление объясняет её сопротивление изменению тока и как его можно описать количественно."
Этап 2. Актуализация знаний и работа с учебником (5 мин)
Цель этапа: восстановить знания об электромагнитной индукции, магнитном потоке и правиле Ленца.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель обращается к классу: "Откройте учебник на теме электромагнитной индукции и найдите в тексте три опорных понятия: магнитный поток, индукционный ток, правило Ленца. Подчеркните определения и отметьте, какое условие является обязательным для возникновения ЭДС индукции." | В парах находят в учебном тексте определения, подчёркивают ключевые слова и формулируют условие: "Магнитный поток должен изменяться". |
3 мин | Учитель проводит приём "Подумай — обсуди в паре — поделись": "Почему ток возникает не при постоянном магнитном поле, а при его изменении? Как правило Ленца помогает определить направление индукционного тока? Обсудите и подготовьте один точный ответ." | 30 секунд размышляют индивидуально, одну минуту обсуждают в парах, затем сообщают классу: "Индукционный ток создаёт магнитное поле, препятствующее изменению магнитного потока". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили: изменяющийся магнитный поток создаёт ЭДС индукции, а направление возникающего тока определяется правилом Ленца. Теперь применим это правило к магнитному полю, которое создаёт сама цепь."
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: выявить затруднение и совместно сформулировать цель урока.
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает на экране две схемы: цепь с резистором и цепь с катушкой. "В обеих цепях изменяется сила тока. Но во второй цепи ток изменяет магнитное поле, созданное самой цепью. Может ли это изменение вызвать ЭДС в том же контуре? Как мы назовём такое явление?" | Фиксируют противоречие и предлагают гипотезы: "Да, возникает индукция в собственной цепи", "это должно быть связано с самоиндукцией". |
2 мин | Учитель записывает на доске формулировку проблемы: "Как объяснить самоиндукцию и рассчитать возникающую ЭДС?" Затем предлагает составить план: "Какие действия приведут нас к ответу: наблюдение, чтение, вывод формулы или расчёт?" | Формулируют цель: "Выяснить механизм самоиндукции и научиться рассчитывать ЭДС самоиндукции". Записывают план: наблюдать, объяснить, вывести зависимость, решить задачи. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Проблема поставлена, а цель измерима: к концу урока мы должны объяснить явление и выполнить расчёт. Переходим к исследованию, где основным источником информации станет учебный текст и наблюдение."
Этап 4. Открытие нового знания: явление самоиндукции (9 мин)
Цель этапа: сформировать представление о механизме самоиндукции и вывести формулу ЭДС самоиндукции.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт каждой паре лист наблюдений и демонстрирует цифровой график или опыт: "При замыкании цепи сила тока возрастает, вокруг катушки усиливается магнитное поле, а магнитный поток через витки изменяется. По аналогии с электромагнитной индукцией предположите, что возникает в самой катушке." | Заполняют первые три графы листа: изменение тока — изменение магнитного поля — изменение магнитного потока. Формулируют: "В катушке возникает ЭДС индукции, вызванная изменением собственного магнитного потока". |
3 мин | Учитель организует чтение с пометками: "Выпишите из текста определение самоиндукции, найдите обозначение индуктивности и отметьте, от чего зависит её значение. Знак вопроса поставьте рядом с непонятным местом." | Читают фрагмент учебника, делают пометки, выписывают: "Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении силы тока в этом контуре"; находят обозначение $L$ и единицу измерения — генри. |
3 мин | Учитель записывает цепочку вывода: "Для самоиндукции действует закон Фарадея $\mathcal{E}_{си}=-\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$. Магнитный поток катушки связан с током: $\Phi=LI$. Если индуктивность постоянна, получаем $\mathcal{E}_{си}=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}$. Минус показывает противодействие изменению тока." Учитель просит объяснить знак словами. | Сверяют записи с учебником, выводят формулу в тетради и объясняют: "При увеличении тока ЭДС самоиндукции направлена против тока, при уменьшении — поддерживает его". |
Запись в тетрадях
- Самоиндукция — явление возникновения ЭДС индукции в контуре при изменении силы тока в этом контуре.
- Индуктивность $L$ характеризует способность цепи создавать магнитный поток при прохождении тока; единица индуктивности — генри.
- ЭДС самоиндукции: $\mathcal{E}_{си}=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}$.
- Знак «минус» выражает правило Ленца: ЭДС самоиндукции противодействует изменению силы тока.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Теперь мы знаем не только название явления, но и его механизм: собственный ток создаёт изменяющееся магнитное поле, а оно порождает ЭДС, направленную против изменения тока. Проверим понимание на конкретных ситуациях."
Этап 5. Первичное закрепление в парах (7 мин)
Цель этапа: применить правило Ленца и формулу ЭДС самоиндукции в качественных и расчётных заданиях.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт парам карточку: "Задание 1. В катушке сила тока возрастает от $1$ А до $3$ А. Определите направление ЭДС самоиндукции относительно тока. Задание 2. Почему при размыкании цепи с катушкой может возникнуть искра? Обсудите ответы и запишите по одному аргументу." | В парах записывают: "При возрастании тока ЭДС направлена против тока"; "при размыкании ток быстро уменьшается, поэтому возникает большая ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток". |
4 мин | Учитель предлагает расчёт: "Катушка индуктивностью $L=0{,}5$ Гн подключена к цепи. Сила тока увеличилась от $0$ до $4$ А за $0{,}2$ с. Найдите модуль ЭДС самоиндукции. Сначала назовите формулу, затем подставьте величины и укажите единицу." Учитель выводит эталон после обсуждения. | Один ученик в паре составляет решение, второй проверяет формулу и единицы. Записывают ответ $|\mathcal{E}_{си}|=10$ В и сверяют его с эталоном на экране. |
Эталон решения
$|\mathcal{E}_{си}|=L\frac{|\Delta I|}{\Delta t}$. Изменение тока: $|\Delta I|=4-0=4$ А. Тогда $|\mathcal{E}_{си}|=0{,}5\cdot\frac{4}{0{,}2}=10$ В. Ответ: модуль ЭДС самоиндукции равен $10$ В; при нарастании тока она направлена против тока.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы применили формулу и правило Ленца в паре. Следующий шаг — индивидуально показать, что вы умеете выбрать нужные величины и не смешиваете ЭДС самоиндукции с обычным сопротивлением проводника."
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (8 мин)
Цель этапа: диагностировать индивидуальное понимание формулы, индуктивности и направления ЭДС.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | Учитель раздаёт карточки трёх уровней: "Выберите базовый вариант или более сложный, если готовы. В базовом задании найдите ЭДС при $L=0{,}2$ Гн, изменении тока от $2$ до $5$ А за $0{,}3$ с. В повышенном задании объясните, почему при одинаковом изменении тока катушка с большей индуктивностью создаёт большую ЭДС. Работайте самостоятельно, решение оформляйте полностью." | Индивидуально решают выбранное задание. В базовом варианте получают $2$ В; в повышенном формулируют: "При большей индуктивности сильнее изменяется магнитный поток, поэтому ЭДС больше". |
3 мин | Учитель показывает эталон на экране: "Проверьте формулу, подстановку, единицы и смысл знака. Ошибку не зачёркивайте полностью: одной строкой запишите, на каком шаге она возникла и как её исправить." | Сверяют решение с эталоном, отмечают зелёным верные шаги, исправляют ошибки и заполняют краткую самооценку. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Самостоятельная работа показала, что алгоритм расчёта состоит из трёх шагов: найти изменение тока, разделить на время, умножить на индуктивность. Теперь свяжем формулу с реальными устройствами и ответим на начальный вопрос."
Этап 7. Включение знания в систему и ИКТ-практика (5 мин)
Цель этапа: перенести знание в практический контекст и объяснить наблюдаемые эффекты.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель запускает цифровую модель цепи и показывает два режима: плавное изменение тока и быстрое размыкание. "Сравните графики. В каком режиме модуль ЭДС самоиндукции больше и почему? Где в технике важно учитывать этот эффект?" | Считывают графики, сравнивают наклон изменения тока и отвечают: "При быстром изменении тока ЭДС больше"; называют реле, электродвигатели, импульсные блоки питания и системы зажигания. |
3 мин | Учитель возвращается к демонстрации: "Теперь объясните, почему при размыкании цепи с катушкой может появиться искра. Ответ должен содержать три звена: изменение тока, изменение магнитного потока, возникновение ЭДС." | В парах составляют устное объяснение из трёх звеньев и две пары представляют его классу: "Ток резко уменьшается, магнитный поток катушки меняется, возникает большая ЭДС самоиндукции, которая поддерживает ток и вызывает искровой разряд". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели, что формула описывает не абстрактный объект, а реальный режим работы электрических устройств. Завершим урок проверкой личного результата и сформулируем, что ещё требует тренировки."
Этап 8. Рефлексия и домашнее задание (4 мин)
Цель этапа: зафиксировать освоенные действия, выявить затруднения и сообщить дифференцированное домашнее задание.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт карточку самооценки: "Отметьте один пункт: зелёный — могу объяснить самоиндукцию и решить задачу; жёлтый — понимаю механизм, но ошибаюсь в расчёте; красный — нужна помощь. Допишите одно предложение: ‘Теперь я понимаю, что…’" | Отмечают уровень, дописывают личный вывод и сдают карточки при выходе, используя приём «Билет на выход». |
2 мин | Учитель сообщает задание: "Выберите уровень домашней работы. Перед уходом ответьте устно на два контрольных вопроса: от чего зависит модуль ЭДС самоиндукции? Что означает знак минус в формуле?" Учитель фиксирует ответы и уточняет типичные ошибки. | Отвечают: "От индуктивности и скорости изменения тока"; "знак минус показывает противодействие изменению тока"; записывают выбранный уровень домашней работы. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — верно выполнены расчётная задача и качественное задание, записана формула $\mathcal{E}_{си}=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}$, правильно объяснено направление ЭДС по правилу Ленца, единицы измерения указаны.
- «4» — выполнены оба задания, но допущена одна негрубая ошибка в вычислении, единицах или формулировке направления ЭДС; ход рассуждения в целом верен.
- «3» — верно воспроизведена формула и выполнена основная часть расчёта либо дано правильное качественное объяснение, но допущены две ошибки, требующие коррекции.
- «2» — не раскрыт механизм самоиндукции, формула выбрана неверно или отсутствует последовательное решение.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о поведении катушки при изменении тока? | Выявление осознания механизма самоиндукции. |
Как изменение тока связано с величиной ЭДС самоиндукции? | Проверка понимания зависимости $|\mathcal{E}_{си}|=L\frac{|\Delta I|}{\Delta t}$. |
На каком шаге решения задачи возникло затруднение? | Выявление точек затруднения в алгоритме расчёта и выборе величин. |
Как вы объясните искру при размыкании цепи с катушкой? | Проверка переноса знания в реальную техническую ситуацию. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня мы выяснили, что катушка реагирует не на сам ток, а на его изменение: при этом возникает ЭДС самоиндукции. Мы научились использовать формулу $\mathcal{E}_{си}=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}$ и объяснять знак минус правилом Ленца. Типичная ошибка — забывать, что большая скорость изменения тока увеличивает ЭДС. На следующем уроке мы продолжим исследовать процессы в цепях с индуктивностью и рассмотрим их связь с энергией магнитного поля."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Решить 3 задачи на вычисление модуля ЭДС самоиндукции по индуктивности, изменению силы тока и времени; одну задачу оформить с пояснением направления ЭДС. | Закрепляет формулу и алгоритм расчёта; при проверке обратить внимание на величины, единицы и знак ЭДС. |
Средний (повышающий) | Решить 2 расчётные задачи и составить краткое объяснение, почему при размыкании цепи с катушкой возникает искра, используя не менее трёх причинно связанных физических понятий. | Формирует умение применять закон в техническом контексте; проверить полноту причинно-следственной цепочки. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить мини-исследование на 8–10 предложений: выбрать устройство, где учитывается самоиндукция, описать изменение тока, роль индуктивности и способ защиты цепи от опасной ЭДС. | Развивает исследовательское мышление и связь физической модели с инженерной практикой; проверить корректность терминов и аргументации. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Что называют самоиндукцией?», «От каких величин зависит модуль ЭДС самоиндукции?», «Почему при увеличении тока ЭДС самоиндукции направлена против тока?»
