Introducción Los puntos de conocimiento de la inducción electromagnética en la física de la escuela secundaria son importantes y difíciles. Para ello, el autor expone sus sencillas opiniones y experiencias sobre este punto de conocimiento y denomina a este punto de vista una investigación sobre el fenómeno de la inducción electromagnética. Si hay alguna deficiencia, por favor avise.
Llevar a cabo un aprendizaje basado en la investigación en las escuelas secundarias ordinarias es una medida importante en la reforma del plan de estudios de física de las escuelas secundarias de mi país, que se ajusta a los requisitos de una educación de calidad con la educación moral como núcleo y el cultivo de Espíritu innovador y capacidad práctica como foco.
1. Comprensión del aprendizaje basado en la investigación
Bajo la guía de los profesores, los estudiantes comprenden los experimentos de investigación experimental, parten de todos los aspectos y utilizan métodos de investigación científica para comprender los problemas y adquirir conocimientos. , para profundizar la comprensión o, en última instancia, resolver un problema. Este es un aprendizaje basado en la investigación.
En 1820, el físico danés Oersted descubrió el efecto magnético de la corriente eléctrica y reveló la conexión entre la electricidad y el magnetismo. Inspirados por este descubrimiento, la gente empezó a plantearse la siguiente pregunta: dado que "la energía eléctrica produce magnetismo", ¿puede la "energía magnética producir electricidad"? Muchos científicos han explorado este aspecto. El científico civil británico Faraday creía firmemente que la electricidad y el magnetismo estaban estrechamente relacionados. Después de 10 años de incansables esfuerzos, innumerables reveses y fracasos, finalmente encontramos por casualidad las condiciones para utilizar campos magnéticos para generar corriente eléctrica por casualidad en 1831.
1-1 La biografía de Faraday
1791 El 22 de septiembre es un día glorioso. El gran científico Michael Faraday nació en una familia pobre de herreros en Newton, Surrey, Inglaterra. La vida de Faraday fue grandiosa, pero su infancia fue miserable. Para resolver el problema de la comida y la ropa para la familia, el mayor de los Faraday se mudó a Londres con su hijo de cinco años, con la esperanza de cambiar el destino de la pobreza. Desafortunadamente, Dios no bendijo a la familia Faraday, pero le quitó la vida a Faraday, de nueve años. Obligado a ganarse la vida, Michael Faraday, que sólo tenía nueve años, tuvo que soportar una pesada carga de la vida y trabajar como aprendiz en una papelería. Cuatro años más tarde, a la edad de 13 años, Faraday empezó a trabajar como aprendiz en una librería. Al principio repartí periódicos y luego trabajé como encuadernador. Como dice el refrán: "Si un dios quiere convertirse en un gran hombre en Sri Lanka, primero debe forzar su mente, forzar sus músculos y huesos, y matar de hambre a su cuerpo...". La pobreza es lamentable y la vida de los niños trabajadores es difícil de entender. Lo que es digno de elogio es que el pequeño Faraday se sintiera incómodo con la pobreza, incómodo con la pobreza y deseoso de aprender. A los 14 años se convirtió en aprendiz de encuadernador y vendedor de libros, aprovechando la oportunidad de leer mucho. Cuando tenía veinte años, escuchó las conferencias de los famosos científicos británicos Humphrey y David y se interesó por ellas. Le escribió a David y finalmente le encontró un trabajo como asistente. Faraday hizo su gran descubrimiento unos años más tarde. Aunque su base matemática no es buena, como físico experimental no tiene paralelo.
En 1810, Faraday escuchó más de una docena de conferencias sobre filosofía natural de J. Tatum, y comenzó a participar en las actividades de estudio de la Sociedad Municipal de Filosofía, de la que recibió educación básica en filosofía natural. De febrero a abril de 1812, Faraday, de 21 años, tuvo la suerte de asistir a cuatro conferencias de química impartidas por H. David en la Royal Academy. Los vastos conocimientos del gran químico atrajeron inmediatamente al joven Faraday. Transmitió con entusiasmo cada una de las ideas científicas de David a sus colegas de la Sociedad Filosófica Municipal. Recopiló cuidadosamente las notas de la conferencia y las encuadernó en un hermoso libro, llamado "Sir David Lectures", y adjuntó una carta ansiosa por realizar una investigación científica. Esta carta fue enviada a David en la víspera de Navidad de 1812. El entusiasmo de Faraday por la ciencia conmovió a David, quien quedó profundamente satisfecho con el "hermoso libro de registro" que organizó y encuadernó cuidadosamente. Para entonces su aprendizaje había expirado, por lo que David le recomendó unirse a la Real Academia como asistente en marzo de 1813. De mayo a octubre del mismo año, seguí a David en un viaje de expedición científica al continente europeo. Este viaje permitió a Faraday asistir a una "universidad social". En el camino, registró cuidadosamente el contenido de las conferencias de David en varios lugares, aprendió mucho conocimiento científico y conoció a muchos científicos famosos, como Guy-Lussac y Ampere. Mayor conocimiento y ampliación de horizontes. Cuando regresó a la Royal Institution en mayo de 1815, Faraday pudo realizar trabajos de investigación de forma independiente bajo la dirección de David y logró varios resultados de investigaciones químicas. Faraday publicó su primer artículo científico en 1816. A partir de 1818, colaboró con J. Stoddart para estudiar el acero aleado y fue pionero en el método de análisis metalográfico. En 1820, produjo hexacloroetano y tetracloroetileno mediante reacciones de sustitución. Director del Laboratorio de la Real Academia en 1821.
En 1823 descubrió un método para licuar cloro y otros gases. Fue elegido miembro de la Royal Society. En febrero de 1825 sucedió a David como director de laboratorio de la Royal Institution. El benceno fue descubierto ese mismo año. Más importante fue su contribución a la electroquímica (el estudio de los efectos químicos producidos por la corriente eléctrica). Después de muchos experimentos meticulosos, Faraday concluyó dos leyes de la electrólisis, que recibieron su nombre y formaron la base de la electroquímica. Dio nombres populares a muchos términos importantes de la química, como ánodo, cátodo, electrodo e ion.
En 1821, Faraday completó su primer gran invento eléctrico. Dos años antes, Oersted había descubierto que si había una corriente eléctrica en un circuito, la aguja magnética de una brújula ordinaria se desviaría cerca de ella. Faraday se inspiró para pensar que si el imán estaba fijo, la bobina podría moverse. Partiendo de esta idea, logró inventar un dispositivo sencillo. En este dispositivo, el cable gira alrededor del imán siempre que fluya corriente a través de él. De hecho, Faraday inventó el primer motor, el primer dispositivo que utiliza corriente eléctrica para mover un objeto. Aunque este dispositivo es simple, es el antepasado de todos los motores eléctricos del mundo actual. Este es un gran avance. Sin embargo, su uso práctico es todavía muy limitado porque no existe otra forma de generar electricidad que no sean simples baterías. Es bien sabido que un imán estacionario no produce corriente en el cableado cercano. En 1831, Faraday descubrió que cuando el primer imán pasa por un circuito cerrado, se genera una corriente en el circuito. Este efecto se llama inducción electromagnética. La ley de inducción electromagnética de Faraday generalmente se considera una de sus mayores contribuciones. Hay dos razones por las que este descubrimiento debería pasar a la historia. En primer lugar, la ley de Faraday es más importante para la comprensión teórica del electromagnetismo. En segundo lugar, la inducción electromagnética se puede utilizar para generar una corriente eléctrica continua, como demostró Faraday con su primer generador (un disco de Faraday). Aunque los generadores modernos que alimentan ciudades y fábricas son mucho más complejos que el invento de Faraday, todos se basan en el mismo principio de inducción electromagnética. Fue Faraday quien introdujo en la física los importantes conceptos de líneas de campo magnético y cables eléctricos. Al enfatizar el "campo" entre ellos en lugar de los imanes, abrió el camino para muchos avances en la física contemporánea, incluidas las ecuaciones de Maxwell. Faraday también descubrió que si la luz polarizada pasa a través de un campo magnético, su polarización cambia. Este descubrimiento tiene un significado especial, ya que demuestra por primera vez que existe una cierta relación entre la luz y el magnetismo. La vida de Faraday fue grandiosa y Faraday era normal y corriente. Estaba muy interesado en popularizar la ciencia. Poco después de convertirse en director del Laboratorio de la Royal Institution, inició un seminario los viernes por la tarde y una conferencia navideña de ciencia para jóvenes. Ha hablado en más de 65,438 seminarios los viernes por la noche y ha presentado en la Conferencia de Ciencias para Jóvenes de Navidad en 2019. Sus conferencias de divulgación científica son sencillas y fáciles de entender, con ricos experimentos de demostración y muy populares. Faraday también era un apasionado del servicio público y trabajó durante mucho tiempo en muchas instituciones públicas y privadas del Reino Unido. Es sencillo, poco sociable, no busca fama ni fortuna y le gusta ayudar a familiares y amigos. Para concentrarse en la investigación científica, abandonó todos los trabajos comerciales bien remunerados. En 1857, declinó el nombramiento de la Royal Society para ser su presidente. Está dispuesto a cumplir su compromiso con la ciencia como civil, trabajar en el laboratorio de la Real Academia de Ciencias de por vida y convertirse en un Michael Faraday corriente.
El 25 de agosto de 1867, el civil Michael Faraday falleció pacíficamente en su estudio. Una generación de superestrella científica falleció después de escribir su extraordinaria vida y dejar una riqueza invaluable a la humanidad.
1-2 Experimento de inducción electromagnética
Recordando los experimentos de Faraday, no es difícil operar experimentos de generación de energía magnética. El fenómeno de inducción electromagnética se puede demostrar mediante el experimento de la siguiente figura: 121, donde 1 es el imán permanente, 2 es la bobina y 3 es el galvanómetro de demostración. La bobina forma un circuito cerrado a través del galvanómetro. Cuando se inserta el imán en la bobina, la aguja del amperímetro se desvía; cuando la bobina del imán permanente no se mueve, la aguja no se mueve cuando se extrae el imán, la aguja se desvía en la dirección opuesta; Este experimento muestra que cuando cambia el flujo magnético a través de una bobina cerrada, se produce una corriente inducida. Utilice métodos experimentales para estudiar las condiciones para la generación de corriente inducida.
Métodos experimentales: el campo magnético es estacionario, el conductor se mueve hacia abajo; el comando se mueve hacia la izquierda o hacia la derecha.
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La investigación de los docentes concluyó que cuando parte del movimiento de un conductor en un circuito cerrado corta la línea de inducción magnética, habrá una corriente en el circuito. Comprenda el significado de "el movimiento del conductor corta la línea de inducción magnética": el movimiento de corte de la línea de inducción magnética significa que la dirección de la velocidad de movimiento del conductor no es paralela a la dirección de la línea de inducción magnética.
Si el conductor no se mueve, ¿se moverá el campo magnético? ¿Habrá corriente en el circuito? Podemos seguir experimentando.
En el experimento, se insertó y extrajo una barra magnética del solenoide. Nota: Cuando se inserta y se retira la varilla magnética, el cable de inducción magnético doblado se corta y hay una corriente inducida en el circuito. Se puede concluir que independientemente del movimiento del conductor o del movimiento del campo magnético, mientras exista un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético para cortar las líneas de fuerza magnéticas, habrá corriente en el circuito cerrado. . Cuando ciertos conductores en un circuito cerrado cortan las líneas del campo magnético, el número de líneas de campo magnético que pasan a través del circuito cambia. Si no hay movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético, ¿habrá corriente en el circuito?
El circuito de la bobina se conecta y desconecta. Las láminas deslizantes del reóstato deslizante se deslizan hacia la izquierda y hacia la derecha. En este momento, el puntero del galvanómetro se desvía, lo que indica que hay una corriente inducida.
Sobre la base de la observación de los fenómenos experimentales, preste atención al análisis del proceso físico del fenómeno anterior: debido a que la intensidad de inducción magnética B del campo magnético excitado por la corriente es siempre proporcional a la corriente. intensidad I, es decir, B ∝ i. El cierre o apertura del circuito El encendido controla el cambio de corriente de nada a todo o nada; el reóstato cambia la corriente cambiando la resistencia. Los cambios en la corriente conducirán inevitablemente a cambios en el campo magnético del circuito cerrado, y el número de líneas de inducción magnética que pasan a través del circuito cerrado también cambiará: cuando el flujo magnético cambia, se generará corriente en el circuito cerrado. Cuando la S en el circuito se abre y se cierra, el campo magnético que pasa a través del circuito cerrado cambia: ya sea que el conductor corte la línea de inducción magnética o que el campo magnético cambie, en realidad hará que cambie el flujo magnético que pasa a través del circuito cerrado.
1-3 Análisis y experimento resumido
Como se puede ver en el 2-1 Experimento 1 anterior, siempre que el conductor corte la línea de inducción magnética, se generará una corriente inducida. generado en la bobina cerrada. En este momento, se puede ver en el Experimento 3 que el cable no corta obviamente la línea de inducción magnética, pero el flujo magnético en la bobina cambia. En este momento, volviendo al Experimento 1 y al Experimento 2, podemos analizar los factores que cambian el flujo magnético: de φ = b s sen θ, se puede ver que ① cuando la intensidad de inducción magnética b cambia ② el área s de; la bobina cambia; ③ la intensidad de inducción magnética B y el ángulo θ entre las áreas S cambian. Las tres condiciones dan como resultado cambios en el flujo magnético. La condición para producir una corriente inducida es un cambio en el flujo magnético a través de un circuito cerrado. Las palabras clave a las que debemos prestar atención aquí son "apagado" y "cambio". Es decir, hay un flujo magnético que pasa a través del circuito cerrado pero no cambia. Incluso si el campo magnético es fuerte y el flujo magnético es grande, no se generará corriente inducida. Por supuesto, si el circuito no está cerrado, es imposible generar corriente.
Puedes guiar a los estudiantes para que resuman: 1. No importa qué método se utilice, siempre que cambie el flujo magnético a través del circuito cerrado, habrá corriente en el circuito cerrado. Este fenómeno de utilizar un campo magnético para generar corriente eléctrica se llama inducción electromagnética y la corriente eléctrica generada se llama corriente inducida.
Condiciones para la generación de corriente inducida.
El circuito debe estar cerrado;
(2) Cambios en el flujo magnético.
Se puede ver en el análisis anterior que el análisis de los experimentos anteriores tiene una importancia típica. El análisis de los experimentos anteriores puede considerarse como algunas manifestaciones del aprendizaje investigativo.
2 Mis sugerencias didácticas
El autor ha estado enseñando en la escuela secundaria durante muchos años y tiene una comprensión superficial de esta parte. Para comprender y aplicar la ley de inducción electromagnética de Faraday, los estudiantes deben prestar atención a las siguientes cuestiones en la enseñanza.
2-1 Es necesario distinguir estrictamente los tres conceptos de flujo magnético, cambio de flujo magnético y tasa de cambio de flujo magnético. En cuanto a la diferencia entre estos tres conceptos, mi enfoque es preguntar a los estudiantes si existe una corriente inducida cuando se coloca el imán en la bobina en el experimento 1-1-2. En este momento, el flujo magnético es máximo, pero no hay corriente inducida. Niega la afirmación errónea de que el flujo magnético es grande y la corriente inducida es grande. Luego lo puse rápidamente en la bobina y luego lo puse lentamente en la bobina. En este momento, la corriente inducida es una grande y otra pequeña. El análisis es el siguiente: las bobinas se colocan en el mismo lugar desde el exterior y los cambios en el flujo magnético son los mismos. También se niega que el cambio en el flujo magnético determine la magnitud de la corriente inducida. Por lo tanto, el análisis muestra que cuanto más rápido cambia el flujo magnético, mayor es la tasa de cambio y mayor es la corriente inducida.
2-2 Se puede concluir que generalmente existen tres situaciones para encontrar cambios en el flujo magnético: cuando el área del bucle permanece sin cambios, la intensidad de la inducción magnética cambia (como en el Experimento 2); la intensidad permanece sin cambios y el área del bucle cambia (como el Experimento 1); cuando el área del bucle y la intensidad de la inducción magnética permanecen sin cambios, pero sus posiciones relativas cambian (como la rotación),
2-3 E es la fuerza electromotriz promedio dentro de un período de tiempo, que generalmente no es igual a la inducción inicial y final. El valor promedio de la fuerza electromotriz instantánea.
2-4 Tenga en cuenta que en la ley de inducción electromagnética de Faraday dada en el libro de texto, la tasa de cambio del flujo magnético toma un valor absoluto, y la fuerza electromotriz inducida también toma un valor absoluto, lo que indica la magnitud de la fuerza electromotriz inducida, no la dirección.
La fórmula 2-5 es una fórmula importante que expresa la magnitud de la fuerza electromotriz inducida generada cuando el conductor se mueve y corta la línea de inducción magnética. Informe a los estudiantes que es una forma especial de la ley de inducción electromagnética de Faraday y es útil cuando el movimiento de un conductor corta líneas de inducción magnética. Al usarlo, tenga en cuenta que las direcciones de las tres cantidades B, L y V deben ser perpendiculares entre sí. Si no son perpendiculares, se debe tomar el componente vertical.
Se recomienda que en la enseñanza específica, los profesores ayuden a los estudiantes a formar un sistema de conocimientos, profundizando así su comprensión de los conceptos y principios que han aprendido, y ayudando a los estudiantes a comprender y dominar nuevos conceptos y principios. En la enseñanza de la ley de inducción electromagnética de Faraday, el siguiente contenido está relacionado con conocimientos previos, espero que los profesores puedan prestarle atención en la enseñanza.
A partir del conocimiento de la "corriente constante", sabemos que debe haber fuerza electromotriz en un circuito cerrado para mantener la continuidad de la corriente; en el fenómeno de la inducción electromagnética, si hay una corriente inducida en un circuito cerrado. circuito, debe haber una fuerza electromotriz inducida correspondiente, lo que significa que esto conduce al problema de determinar la magnitud de la fuerza electromotriz inducida.
Cuello