Дипломная работа по методике преподавания физики

Вид материала

Диплом

Содержание Постановка проблемы. Электромеханический индукционный генератор переменного тока. Урок – конференция. Ход урока. Сообщение на тему «Электромеханический индукционный генератор» с использованием таблицы и модели. Сообщение на тему: «Электростанции. Экологические проблемы, возникающие при их использовании». Короткая дискуссия. 2.4 Кейс «Электромагниты». Магнитное поле Земли. Ход урока. Наработанные учащимися идеи фиксируются на доске Далее учитель просит продемонстрировать Проводится демонстрация Сообщение на тему Сообщение на тему Проблемная ситуация Возможные вопросы Метод изучения кейса – учебной ситуации - один из современных проблемно-ориентированных методов обучения.

Подобный материал:

• «Использование информационных технологий в методике преподавания физики», 200.54kb.
• К написанию курсовой работы по методике преподавания биологии, 74.36kb.
• Курсовая работа по методике преподавания математики небольшая по объему самостоятельная, 1134.75kb.
• Методические рекомендации по методике преподавания психологии. Тематика семинарских, 78.25kb.
• Задание №5 7 Дистанционные олимпиады по астрономии. Дистанционные эвристические олимпиады, 128.46kb.
• Методика изучения правильных многоугольников в курсе планиметрии Курсовая работа, 313.94kb.
• Обучение учащихся средних общеобразовательных учреждений эмпирическим методам познания, 605.75kb.
• Развитие методики преподавания физики § из истории дореволюционной методики физики, 481.15kb.
• Тест по теории и методике преподавания Назначение: итоговый контроль знаний, 251.06kb.
• Методические рекомендации к государственному экзамену по информатике и методике преподавания, 179.62kb.

2.3. Кейс «Генераторы».

Постановка проблемы.

В настоящее время для получения переменного тока на электростанциях используют в основном электромеханические индукционные генераторы, т.е. устройства, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую. Индукционными они называются потому, что их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Ротор такого генератора вращается с помощью паровой турбины на тепловых электростанциях, с помощью водяной турбины – на гидроэлектростанциях. В результате их применения возникают проблемы экономического характера и охраны окружающей среды. Выясните причины возникновения проблем, их содержание. Создайте новый тип генератора, который будет экономически и экологически выгодней, чем индукционные генераторы тока.

Таким образом, в результате ознакомления с материалом этого параграфа учащиеся должны понять основные принципы использования сверхвысоких частот в технике,


Электромеханический индукционный генератор переменного тока.

Генератором переменного тока называют устройство, преобразующее механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока.

Рис. Трехобмоточный генератор:

А — статор; В — ротор; 1, 2, 3 — обмотки.


Генератор переменного тока состоит из неподвижной части — статора (якоря) (А на рис.) и вращающейся части — ротора (индуктора) (В на рис.). На внутренней поверхности статора в осевых впадинах (пазах) расположены проводники (обмотка переменного тока). Статор генератора изготовляют из тонких (до 0,35 мм толщиной) спрессованных листов специальной стали, изолированных лаковой пленкой или бумагой. Стальные листы статора укрепляются в станине машины. Ротор располагается внутри статора. Для специальных целей применяют роторы различной конструкции. В турбогенераторах, которые вращаются с большой скоростью, ротор представляет собой весьма массивный стальной цилиндр с осевыми пазами, в которых размещаются обмотки возбуждения постоянного тока (1, 2, 3 на рис.). В тихоходных машинах (гидрогенераторах) ротор имеет форму звезды, на внешней поверхности которой укрепляются электромагниты чередующейся полярности, возбуждаемые постоянным током. В генераторах малой мощности применяют иногда конструкции, в которых обмотка переменного тока располагается на роторе, а обмотка возбуждения — на статоре.

Ротор генератора переменного тока вращается двигателем (паровой турбиной, гидротурбиной и т. д.).

Обмотки ротора питаются постоянным током от генератора постоянного тока (так называемого возбудителя), который обычно размешается на общем валу с генератором, а иногда от выпрямительного устройства, которое само питается от зажимов этого же генератора переменного тока.

Следует подчеркнуть, что преимущества использования переменного тока для передачи и распределения электроэнергии связаны с удобством трансформации напряжения переменного тока. По сравнению с машинами постоянного тока генераторы и двигатели переменного тока при равной мощности надежнее в эксплуатации, меньше по габаритам и дешевле. Важно и то, что переменный ток может быть выпрямлен, а затем с помощью специальных устройств (инверторов) преобразован в переменный ток другой частоты.

По принципу действия генераторы и двигатели переменного тока разделяют на синхронные и асинхронные. В синхронных машинах магнитное поле создается постоянным током, а ротор вращается синхронно с частотой переменного тока. Наоборот, в асинхронных машинах переменного тока в общем случае частота вращения ротора не совпадает с частотой тока в обмотке статора. Достоинством асинхронных машин является простота их конструкции и высокая надежность в работе, однако их трудно (а часто и невозможно) использовать в тех случаях, когда требуется большой пусковой момент или плавная регулировка числа оборотов в больших пределах. И синхронные и асинхронные машины обладают свойством обратимости, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Генераторы переменного тока выпускаются самой различной мощности: от долей ватта до 500 МВт (генераторы такой мощности установлены на Красноярской ГЭС). Столь мощные генераторы весьма совершенны, их КПД близок к 100%.

МГД – генератор.

Действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы используется в технике для преобразования кинетической энергии плазменной струи в электрическую. Такие генераторы называют магнитогидродинамическими генераторами или сокращенно — МГД - генераторами. Опытный образец МГД - генератора в СССР был построен в 1965 г.

Схематично действие МГД - генератора иллюстрирует рисунок. В результате сгорания топлива образуются находящиеся при высокой температуре сильно ионизованные газы — плазма. Поток плазмы направляется в поперечное 'магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы (электроны и ионы) с силой Лоренца направленной перпендикулярно к скорости их движения. В результате этого положительные ионы отклоняются вверх (по рисунку), а электроны и отрицательные ионы — вниз. Поэтому верхний электрод (Л) электризуется положительно, а нижний (К) — отрицательно. Выводы от этих электродов и являются полюсами генератора.

Между электродами ток течет снизу вверх. Применив правило левой руки, мы находим, что магнитное поле действует на этот ток с силой F, направленной против движения плазменной струи. Поэтому при прохождении плазменной струи в магнитном поле между электродами происходит ее торможение, т. е. уменьшение скорости течения и, следовательно, кинетической энергии этой струи. Таким образом, в МГД - генераторе кинетическая энергия плазменной струи преобразуется непосредственно в электрическую энергию.

Совместное использование на тепловых электростанциях гидродинамического метода преобразования энергии и обычных паротурбинных установок позволяет значительно повысить экономическую эффективность электростанций. Плазма, выходящая из рабочего канала МГД- генератора, еще имеет высокую температуру. Тепло этой плазмы используется для нагрева паровых котлов: вырабатываемый пар приводит в действие турбогенераторы. В нашей стране уже действует экспериментальная энергетическая установка с МГД- генератором, дающая ток в электросеть Москвы.


Тепловые двигатели и охрана природы.

Велика роль двигателей внутреннего сгорания в сельскохозяйственной и строительной технике (тракторы, комбайны, тягачи, автомашины, бульдозеры, экскаваторы и многие другие машины).

Можно без преувеличения утверждать, что тепловые двигатели в настоящее время — основные преобразователи энергии топлива в другие виды энергии и без них была бы невозможна современная цивилизация.

Все существующие виды тепловых двигателей преобразуют энергию топлива в механическую. А поскольку все виды топлива не сгорают полностью, а кроме того, содержат в качестве примесей серу (уголь — примерно 2%, нефть — 2,5%, газ — 0,05%) и другие примеси, то выбрасываемые ими в атмосферу отработанные газы загрязняют атмосферу вредными для животного и растительного мира веществами.

В настоящее время ежегодно в результате сжигания топлива в атмосферу поступает около 200 млн. т оксида углерода (II), 150 млн. т. оксида серы (IV), около 50 млн. т оксида азота (II), 250 млн. т пыли, 70 млн. м³ соединений свинца и других металлов.

Выброшенные в атмосферу продукты неполного сгорания вступают в химические реакции с водяными парами, содержащимися в воздухе. Так, например, некоторые соединения (СО2, SO2, H2S и др.) вступают в реакцию с водой и в виде мельчайших капелек растворов кислот переносятся на сотни и тысячи километров. На поверхность Земли выпадают так называемые кислотные дожди, которые оказывают пагубное влияние на здоровье людей, растительный и животный мир, ускоряют коррозию металлов, разрушают сооружения из мрамора и известняка, закисляют почвы и водоемы. Столь же вредное влияние на окружающую нас среду оказывают выбрасываемые тепловыми двигателями в атмосферу оксиды азота и углерода.

В последние годы охране окружающей среды во всех странах мира уделяется большое внимание. Для того чтобы уменьшить загрязнение окружающего воздуха работающими тепловыми двигателями, необходимо обеспечить:

а) более полное сгорание топлива;

б) более тщательную очистку газов, выделяющихся топками электростанций и двигателями внутреннего сгорания;

в) поиск более «чистого» горючего.


Размышления об экологии.

Речь идет об экологической проблеме — проблеме загрязнения атмосферы нашей планеты.

По имеющимся оценкам, ежегодно в атмосферу Земли в результате сжигания природного топлива выбрасывается около 150 млн.т золы, 100 млн.т оксидов серы, 60 млн.т оксидов азота, 300 млн.т оксида углерода. Существенная часть этих загрязняющих атмосферу веществ (многие из которых могут существовать там довольно длительное время) приходится на долю тепловых электростанций, где сжигается огромное количество органического топлива.

Но это еще не все. Увеличение до грандиозных размеров производства энергии за счет использования природного топлива может привести в конечном счете к повышению средней температуры земного шара, а следовательно, и атмосферы. Возникает новая проблема — тепловое загрязнение атмосферы, т.е. попросту говоря, ее нагревание. Это обусловлено тем, что поверхность Земли должна излучать в мировое пространство энергию, полученную не только от Солнца, но и от дополнительных источников. Хотим мы этого или нет, почти вся произведенная человеком энергия, в конечном счете, превращается в тепло. Сегодня в электрическом балансе Земли энергия, произведенная человеком, составляет около 0,01%. Многие специалисты считают, что увеличение этой цифры до 1%, т. е. в 100 раз, может привести к повышению температуры Земли на 1 °С. Даже такие небольшие изменения температуры могут привести к весьма нежелательным последствиям. Из-за потепления, например, смогут частично растаять льды океанов, а также ледники. В результате уровень воды в Мировом океане может существенно повыситься, что станет причиной затопления (возможно, катастрофического) части суши.

Как стабилизировать тепловой баланс планеты? Одни ученые предлагают затормозить, пока не поздно, рост промышленности. Другие предлагают регулировать тепловой режим планеты техническими средствами. Уже известны проекты устройства энергетических туннелей через атмосферу для вывода избыточного тепла в космос. Проектов много, но сам вопрос изучен еще недостаточно полно. Необходимы дальнейшие исследования в этой области.


Что такое плазма?

Газ, в котором все или значительная часть молекул (атомов) ионизованы, называется плазмой. Плазма — это смесь положительных ионов, электронов и не ионизованных молекул (атомов). В зависимости от степени ионизации различают слабо ионизованную (ионизованы доли процента молекул), умеренно ионизованную (ионизовано несколько процентов молекул) и полностью ионизованную плазму. В зависимости от скорости движения заряженных частиц в плазме различают низкотемпературную и высокотемпературную плазму.

Низкотемпературной или холодной называется плазма с температурой, не превосходящей 105 К. Плазма с температурой, превосходящей 105 К, называется высокотемпературной или горячей.

Газоразрядная плазма обычно является низкотемпературной.

В горячей плазме молекулы движутся с большими скоростями и обладают кинетической энергией, достаточной для их ионизации.

Плазма обладает рядом интересных свойств. Каким бы способом газ ни ионизовался, по закону сохранения заряда число положительных зарядов равно числу отрицательных зарядов и поэтому плазма в целом электронейтральна.

Электроны и ионы плазмы, двигаясь, редко подходят друг к другу близко. В случае одноименно заряженных частиц этому мешают их собственные электрические поля, а в случае разноименно заряженных частиц (электрона и иона) этому мешают электрические поля соседних частиц. Поэтому траектории движения ионов и электронов в плазме представляют собой плавные кривые линии.



По образному выражению академика Л. А. Арцимовича — одного из крупнейших специалистов в области плазменных явлений, траектория движения заряженной частицы в плазме похожа на траекторию человека, заблудившегося в степи (рис.).

Электропроводность плазмы зависит от степени ионизации и колеблется в широких пределах. Электропроводность горячей плазмы близка к электропроводности металлов, а электропроводность слабо ионизованной плазмы меньше электропроводности металлов в десятки тысяч раз.

Плазма — наиболее распространенное состояние вещества в природе. Солнце и звезды — это гигантские сгустки плазмы. Верхние слои земной атмосферы, подверженные непрерывному воздействию внешних ионизаторов (ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца и звезд, космические лучи и др.), также являются слабо ионизованной плазмой и называются ионосферой.

С плазмой мы достаточно часто встречаемся и в повседневной жизни. Пламя костра, светящийся столб газа в рекламных газосветных трубках, лампах дневного света, в медицинских «кварцевых лампах» — это все примеры плазмы.

Урок – конференция.


«Изобретение генератора нового типа».


Цель урока. Усвоение следующих знаний: носители электрического тока и тип проводимости в различных средах, основные области применения, принцип действия и устройство генератора переменного тока, преимущества и недостатки, экологические проблемы, назначение, принцип действия и устройство МГД генератора и применение этих знаний на практике.

Необходимый комментарий:

За несколько дней учащимся даётся задание подготовить доклады (сообщения) по следующим темам:

1. Проводники электричества.
   
   1. Твёрдые тела (металлы)
      
   2. Жидкости
      
   3. Газы
      
   4. Плазма
      

Сообщения готовятся учащимися самостоятельно с использованием обобщённого плана по теме «Электрический ток в различных средах»:

1. Вид носителей
   
2. Тип проводимости
   
3. Основные области применения.
   

Изложение теоретического материала сопровождается показом демонстраций.

2. Электромеханический индукционный генератор.
   
3. Преимущества и недостатки электромеханических индукционных генераторов.
   
4. Электростанции. Экологические проблемы, возникающие при их использовании.
   

Одному из учеников класса даётся сообщение. Этот ученик является лидером группы, которую он формирует из оставшихся учеников.

Ход урока.

Учитель: Явление электромагнитной индукции было открыто в 1831г. Майклом Фарадеем. Открытие этого явления вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники.

Суть явления электромагнитной индукции состоит в том, что изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток.

Какие же вещества являются проводниками электрического тока, мы узнаем из сообщений учащихся.

В ходе изложения докладов заполняется таблица:

Среда	Носители тока
твёрдые тела (металлы)	электроны
жидкости	положительные и отрицательные ионы
газы	положительные и отрицательные ионы и электроны
плазма	положительные ионы и электроны

Учитель: Получить электрический ток при помощи изменяющегося магнитного поля можно двумя способами: вращением замкнутого проводника в магнитном поле или вращением магнитного поля относительно неподвижного проводника.

Сообщение на тему «Электромеханический индукционный генератор» с использованием таблицы и модели.

Учитель обращается к классу с просьбой выделить основные компоненты, без которых этот технический объект не может существовать.

Магнитное поле

Проводник

Вращение

Учитель: Во вращение ротор на тепловых электростанциях приводит паровая турбина, на гидроэлектростанциях – водяная турбина. Чаще всего используется паровая турбина, которая представляет собой двигатель, преобразующий внутреннюю энергию пара в механическую работу.

С использованием на электростанциях паровых машин возникают экологические проблемы, о которых мы узнаем из следующих сообщений.

Сообщение на тему: «Электростанции. Экологические проблемы, возникающие при их использовании».

Учитель: Для полной оценки какого-либо технического объекта требуется обязательно выявить все преимущества и недостатки.


Сообщение на тему: Преимущества и недостатки электромеханических индукционных генераторов.


Учитель: Представьте, что вы – учёные и инженеры, перед вами стоит задача: создать новый вид генератора, который будет экономически и экологически выгоден.

Работа в парах: предлагается наработать как можно больше возможных решений. Анализ и защита идей.

Учитель предлагает свой вариант решения этой задачи, выполняя на доске рисунок (неполную схему МГД генератора).




Учитель: Если использовать явление электромагнитной индукции, то необходимо электроды замкнуть проводником и привести его во вращение для получения индукционного тока, тогда мы получаем электромеханический индукционный генератор. Но, это уже существующий генератор, а для создания генератора нового типа постарайтесь вспомнить другие свойства магнитного поля.

Короткая дискуссия.

Учитель: В настоящее время учёными и инженерами разработан и в будущем найдёт своё широкое применение магнитогидродинамический генератор (или сокращённо МГД генератор). Принцип его работы заключается в следующем: струя плазмы направляется в поперечное магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы (электроны и ионы) с силой Лоренца, направленной перпендикулярно к скорости их движения. В результате этого, положительные ионы отклоняются к одному из электродов, а электроны и отрицательные ионы – к другому.

Задание: Определить направление тока в МГД генераторе.

Опрос – итог: В конце урока учитель задаёт вопросы, побуждающие к рефлексии урока.

2.4 Кейс «Электромагниты».


Магнитное поле катушки с током.




У человека нет магнитного органа чувств; поэтому о существовании магнитных сил, которые окружают магнит, мы можем судить лишь по косвенным данным. Однако картину распределения этих сил нетрудно обнаружить и пронаблюдать. Проще всего сделать это с помощью мелких железных опилок. Насыпьте опилки тонким ровным слоем на кусок гладкого картона или на стеклянную пластинку, подведите под картон или пластинку обыкновенный магнит и встряхните опилки легким ударом. Магнитные силы свободно "проходят" сквозь картон и стекло; следовательно, железные опилки под действием магнита намагнитятся; когда мы встряхиваем их, они на мгновение отделяются от картона и могут под действием магнитных сил легко повернуться, заняв то положение, которое приняла бы в данной точке магнитная стрелка, т.е. вдоль магнитной "силовой линии". В результате опилки (см. рис.) располагаются изогнутыми рядами, наглядно обнаруживая распределение невидимых магнитных линий. Они лучисто расходятся от каждого полюса магнита, образуя то короткие, то длинные дуги между полюсами. Железные опилки воочию показывают здесь то, что мысленно рисует перед собой физик и что невидимым образом присутствует вокруг каждого магнита. Чем ближе к полюсу, тем линии опилок гуще и четче; напротив, с удалением от полюса они разрежаются и утрачивают отчетливость, наглядно доказывая ослабление магнитных сил с расстоянием.


Магнитное поле Земли.

Для нас, жителей Земли, магнитные явления имеют одну привлекательную сторону, которой не существовало бы, живи мы на Mapсе или Луне. Эти небесные тела не имеют собственного магнитного поля, а у Земли оно есть. Магнитная стрелка, или компас, на Луне не работает; на Земле же это свойство указывать строго на магнитный полюс Земли, расположенным неподалеку от северного географического полюса, привело к тому, что компас стал первым магнитным прибором, примененным человеком для своих нужд. Древняя летопись повествует, что более 4 тыс. лет назад в Китае использовалась повязка, на которой, поворачиваясь на оси, стояла магнитная фигурка человека, показывающего рукой на юг. В китайской энциклопедии находят и первое упоминание об использовании магнитной стрелки на кораблях в 262—419 годах нашей эры. Позже ее стали применять индийцы, арабы, греки, помещая магнит на плавающий в воде тростник.

В начале XIV века итальянец Флавий Джойа ввел в употребление компас с картушкой (шкалой). Она была связана с магнитом и разделена на 32 части (румбы). В таком виде без значительных изменений компас сохранился и до наших дней. Слово "компас", по-видимому, изошло от старинного английского слова "compas", означавшего в XIV веках "круг". В морских путешествиях компас играл чрезвычайно важную роль, позволяя определять курс корабля в открытом море.

Долгое время люди были убеждены, что магнитная стрелка испыты­вает притяжение со стороны Полярной звезды. Вильям Гильберт, о книге которого мы уже упоминали, сумел это представление разрушить; он полагал, что Земля сама подобна намагниченному шару. Сделав стальной шар, Гильберт намагнитил его так, чтобы в диаметрально противоположных точках были ярко выраженные полюсы. Перемещая магнитную стрелку вдоль меридиана, он наблю­дал, как наклонение ее концов убывает от одного полюса к другому, а на экваторе становится равным нулю. И Гильберт сделал вывод, что магнитные силы сосредоточены в самой Земле. В наше время магнитное поле Земли уже объясняется процессами, которые должны происходить в ее ядре. Земля — гигантский магнит. Магнитные стрелки устанавливаются вдоль незримых лини, которые идут над повер­хностью Земли от одного магнитного полюса к другому, и в каждой точке стрелка направлена по касательной к такой линии.

В XVII веке было замечено, что магнитное поле Земли претерпевает заметные изменения во времени. Происходит постепенное изменение магнитного поля (вековой ход) и суточное его изменение. Магнитная стрелка находится в непрерывном движении. В XVIII-XIX веках количество магнитных наблюдений на земном шаре все более увеличивалось.

Изменения (вариации) магнитного поля Земли магнитологи изучают с помощью высокочувствительных приборов — вариометров. Главная деталь вариометра — маленький магнитик в виде стрелки, снабженный зеркальцем. Магнитик подвешен на тонкой кварцевой нити. На зеркальце направляют луч света, который отражается от него и падает на чувствительную фотобумагу, намотанную на вращающийся барабан. Благодаря такому устройству малейшее колебание магнитика изображается на фотобумаге в виде кривой — магнитограммы.

В "спокойный" день магнитограмма — почти прямая линия (слегка волнообразная). Но иногда магнитограммы имеют довольно сложный пикообразный вид—протекает магнитная буря. В настоящее время для магнитных измерений стали применять сложные электронные приборы очень высокой чувствительности.

Магнитологам нередко приходится работать в трудных походных условиях: на дрейфующих льдинах вблизи вулканов и т.д. Доступность, скорость и точность магнитной съемки значительно увеличились после того, как в 1934 году был сконструирован прибор, позволяющий измерять магнитное поле Земли с борта самолета. Катушка аэромагнитометра быстро вращается в магнитном поле Земли, и в ней возникает электрический ток. Сила этого тока изменяется пропорционально изменению магнитного поля Земли.

Позже был сконструирован более совершенный азромагнитометр. Его датчик помещают в немагнитную оболочку и буксируют на тросе длиной около 50 метров. На таком расстоянии магнитное поле, создаваемое самолетом, практически равно нулю. Остальные части прибора и его питание находятся внутри самолета. На медленно движущейся ленте вычерчивается магнитограмма, на основании которой составляются затем магнитные карты — магнитного склонения, магнитного наклонения и других элементов магнитного поля. Магнитные карты широко применяются прежде всего в морской и воздушной навигации и при разведке земных недр.

Сильные магнитные аномалии создаются железнорудными породами, поэтому способ разведки, основанный на магнитных измерениях (магниторазведка), является главным при поисках железных руд.

Некоторые вещества, например, медь, золото, каменная соль и другие, под действием магнитного поля намагничиваются в направлении, обратном этому полю. Залежи таких веществ вызывают ослабление магнитного поля Земли, т.е. отрицательные магнитные аномалии. Поэтому магниторазведку с успехом используют при поисках многих полезных ископаемых.

Начиная с XVII века и, особенно, в XX веке было высказано множество гипотез для объяснения природы земного магнетизма, но до сих пор ни одна не может считаться завершенной. По-видимому, можно допустить, что часть магнитного поля Земли (примерно 30%) создается за счет намагничивания соединений железа, в изобилии содержащегося в земной коре и оболочке (мантии), а часть создается электрическими токами в металлическом ядре Земли.

Ученым удалось установить причину суточных изменений (вариаций) магнитного поля Земли и магнитных бурь. Изучая намагниченность образцов пород, слагающих земную кору, ученые пришли к выводу, что около 570 миллионов лет назад магнитные полюса Земли были распо­ложены в районе экватора. На рисунке показано смещение магнитного полюса в северном полушарии нашей планеты.

Выход человека в космос открыл новые возможности для изучения магнитного поля Земли и космического пространства. Магнитные съемки с искусственных спутников Земли позволят изучить характер и вариации магнитного поля планеты, выявить крупные аномалии. Магнитные измерения с помощью космических ракет установили границу, где кончается магнитное поле Земли и начинается магнитное поле космического пространства. Эта граница находится на расстоянии 150-200 тысяч километров от нашей планеты.

Реле.

Слово "реле" по-французски означает "перепряжка". Откуда пошло такое название? Когда понадобилось передавать телеграфные сигналы на значительные расстояния, стало ясно, что при протяженной длине проводов, соединяющих станции, возрастет их сопротивление, а сила тока уменьшится так, что телеграфирование станет невозможным. Поэтому телеграфную линию разделили на участки, причем каждый участок имел свой собственный источник тока. В конце такого участка ставили электромагнит, который при передаче телеграфного сигнала, притягивая якорь, включал цепь следующего участка. Такое устройство напоминало перепряжку уставших лошадей, и его назвали электромагнитным реле. Электромагнитное реле может служить усилителем сигналов.



Поясним это на примере. На рисунке изображена схема включения электрической лампочки с помощью реле. Замыкая контакт, подают напряжение 9 В от батареи на обмотку реле, сопротивление которой 600 Ом.

Реле срабатывает и включает электрическую лампочку мощностью 100 Вт. На срабатывание реле расходуется в данном случае мощность 9 • 9 : 600 = 0,13 Вт, а какой мощностью управляет реле? В нашем примере — 100 Вт. Значит, реле усиливает сигнал управления почти в 800 раз! Эту цифру легко увеличить до десятков тысяч раз, если использовать реле с более мощными контактами, способными пропускать большой ток. Подобные усилительные схемы применяют, например, в мощных электрических системах, на электростанциях.

Электромагнитное реле применяют не только для усиления сигналов, но и для разнообразных переключений в сложных цепях автоматики.



Сепаратор.

Речь идет о так называемых магнитных сепараторах. Принцип действия состоит в том, что смесь полезного вещества и "пустой породы" подается по конвейеру проходит мимо полюсов магнита. Если пустая порода магнитна, то она будет извлечена из смеси. Принцип сепаратора был предложен еще в 1792 году, т.е. до изобретения электромагнита.

Магнитный метод разделения полезной и пустой породы применяют сейчас во многих отраслях горнодобывающей промышленности, в частности при добыче угля: многие вредные примеси в угле магнитны, ходу движения ленты с размельченной породой устанавливают магнитный ребристый ролик, который захватывает вредные примеси и выносит их из породы. Такой метод очистки позволяет снизить примеси в угле с 12-17 до 7-8%, т.е. практически в два раза.

А как очистить породу, например, от пирита, магнитные свойства, которого очень слабы? Здесь ученые тоже нашли выход: пирит обраба­тывают в паровоздушной среде при 270-300°С и покрывают слоем магнитных оксидов.



Другой тип сепаратора был изобретен в восьмидесятых годах про­шлого века Эдисоном.

Говорят, что это произошло во время ежедневной утренней прогул­ки Эдисона. Гуляя по берегу Лонг-Айленда, Эдисон заметил, что песок пляжа содержит частички оксида железа. Если просыпать такой песок между двумя полюсами магнита, можно легко отделить оксид железа от немагнитных частиц. Эта идея Эдисона решила одну из проблем того времени — что делать с залежами руды, которой невелико содержание железа.

Эдисон предложил обработать руду таким образом, чтобы она была похожа на легко разделяемый песок пляжа, попросту говоря, размолоть ее. После размельчения в дробилке руда поступает в башню и ссыпает­ся с ее вершины. При падении частицы руды встречают все усиливаю­щиеся магнитные поля нескольких мощных электромагнитов. Оксид железа оседает на магнитах; его периодически снимают с их наконеч­ников, а пустая порода беспрепятственно падает вниз.

Неудивительно, что город, возникший на месте "бедных" залежей железных руд, был назван Эдисон-сити.

Магнитные сепараторы применяют и в сельском хозяйстве для отделения семян клевера, льна, люцерны от семян сорняков. Инженеры воспользовались здесь "оружием врага" и обратили его против него самого. Дело в том, что семена сорняков — горчака, плевела, — как правило, шероховаты, их поверхность покрыта миниатюрными зацепками, позволяющими этим семенам прикрепляться к коже животных, одежде и т.д., что помогает сорнякам в их быстром распространении и в борьбе за существование. Если засыпать загрязненные сорняками семена мелкими железными опилками, на семенах сорняков скопится их большое количество, в то время как гладкие семена злаков останутся чистыми. Теперь можно с легкостью очистить зерно от сорняков в устройстве типа магнитного сепаратора.

Магнитная мина.

Используют электромагниты и в военном деле. В период вторе мировой войны большую роль играли магнитные мины. Их обычно сбрасывали на парашюте с самолета в различных местах моря. После попадания в воду парашют автоматически отделялся от мины, и он погружалась на дно, где и "поджидала" корабль.

Принцип действия магнитных мин заключается в следующем. Кор­пус, машины и многие другие детали современного корабля делают преимущественно из стали. Все эти части корабля намагничиваются под действием магнитного поля Земли, и корабль, по существу, становится огромным плавучим магнитом. На расстоянии 10-15 метров от корабля чувствительная магнитная стрелка отклоняется на некоторый угол. Такая стрелка или специальная электрическая схема, чувствительная к магнитному полю, может быть связана с запальным приспособлением, воспламеняющим заряд взрывчатого вещества. Иногда магнитная стрелка связывается со специальным реле, которое срабатывает под воздействием магнитного поля, в результате чего мина всплывает и взрывается вблизи корпуса корабля.

Для очистки прибрежных районов от магнитных мин был создан специальный тип корабля — электромагнитный тральщик.

Простейшая модель магнитной мины (см. рис.) состоит из магнитной стрелки 1, вращающейся в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси, чашечки с электролитом 2, лампочки 3 и аккумулятора.

Присоединим к клеммам модели мины аккумулятор (или батарейку) и поднесем к ней вплотную железную модель корабля. Магнитная стрелка наклонится, опустится в чашечку с электролитом (замкнет цепь), и лампочка загорится — произойдет взрыв "мины", и находящийся вблизи "корабль" может погибнуть.

"Мину" можно обезвредить, т.е. заставить взорваться тогда, когда "корабль" находится от нее еще на значительном расстоянии. Именно Для этой цели и предназначен электромагнитный тральщик. Обмотаем железную модель корабля проводом (противоминный пояс). Этот про­ход присоединим к другому аккумулятору. Если теперь "корабль" при­ближать к "мине", то магнитная стрелка замкнет цепь (т.е. произойдет “взрыв”) тогда, когда "корабль" еще будет на большом расстоянии от Него. "Мина" будет обезврежена, а "корабль" останется цел и невредим.




Задача 1.

Южный конец магнитной стрелки, помещённый под проводом, отклонился при замыкании ключа по направлении к наблюдателю, смотрящему на рисунок. Какая из пластин гальванического элемента Е угольная и какая - цинковая? Поставьте соответственно знаки "+" и "-".



Задача 2.

Познавательная задача: в 1856г. на гастроли в Алжир приехал французский фокусник Роберт Уден. Он выполнял тайное задание своего правительства: поразить воображение алжирцев, убедить их в могуществе европейцев и тем самым помочь в колонизации страны французами. Вот Уден, небрежно поймав брошенный из-за кулис пустой сундучок, устанавливает его на возвышение. Кто поднимет? Богатырь-алжирец, подбадриваемый криками зрителей, рванул вверх так, что хрустнули доски сцены. Но сундучок даже не сдвинулся с места. Сам же Р. Уден после "волшебных заклинаний" поднял его двумя пальцами. Выясните, в чём секрет фокуса.

Задача 3.

Найдите в учебнике описание установки для сборки электромагнита. Начертите по этому описанию схему. Объясните, почему при движении ползунка реостата в одну сторону магнитное поле становится сильнее, а в другую слабее?

Задача 4.

Каким электромагнитом можно поднять больший груз - полосовым или дугообразным, если они сделаны из одного материала и одинакового размера? Почему?

Задача 5.

Предложите, как построить сильный электромагнит, потребляющий малую силу тока?

Задача 6.

При переносе груза электромагнитным краном бывает так, что груз не отрывается от сердечника при выключении тока. Крановщик в таком случае пускает по обмотке электромагнита ток обратного направления и груз сразу падает. Объясните явление.

Задача 7.

Из гвоздя, проволоки и батарейки от карманного фонарика изготовлен электромагнит. Если к одному и тому же полюсу магнитной стрелки поднести его сначала одним, а потом другим концом, то стрелка в обоих случаях будет отталкиваться. Объясните, как сконструирован этот магнит. Изготовьте его и проверьте действие.

Задача 8.

Как вы думаете, поднимет ли электромагнит стальные гвозди, находящиеся в закрытой пластмассовой коробке?

Задача 9.

Ещё один фокус: перед слоном доска с числами от 10 до 100, а в хоботе указка со стальным наконечником. "Семью девять ?" -- вопрошает зритель. "63,"-- уверенно показывает указкой слон. В чём секрет?

Задача 10.

В арабской сказке "Тысяча и одна ночь" говорится:

"А завтра к концу дня мы достигнем горы из чёрного камня, которую называют Магнитная гора (вода насильно влечёт нас к ней), и наш корабль распадётся на части, и все гвозди корабля полетят к этой горе и пристанут к пей, так как Аллах великий вложил в магнитный камень тайну, что к нему стремится все железное." В чём "тайна" магнита, почему он притягивает железные предметы? Какие ещё металлы притягивает магнит?

Задача 11.

Даны два одинаковых стержня, один из которых намагничен. Как, не имея ничего, кроме этих стержней, определить, какой из них намагничен?

Задача 12.

К одному из полюсов магнита притянулись 2 иголки.

Почему отталкиваются их свободные концы?

Задача 13.

Почему корпус компаса делают из меди, алюминия, пластмассы и других материалов, но не из железа?

Задача 14.

Как будет направлена стрелка компаса на магнитных полюсах Земли?

Задача 15. Гальваноскопом пользуются в тех случаях, когда нужно обнаружить слабые токи. Самодельный гальваноскоп (см. рис.) состоит из коробки с двумя последовательно соединенными обмотками, имеющими большое число витков. В коробку помещают компас. От чего зависит чувствительность такого прибора? Какое положение относительно витков обмоток стремится занять стрелка компаса при прохождении по ним тока? Первоначальное положе­ние стрелки изображено на рисунке.



Задача 16. Электромагнитная муфта состоит из ведущего и ведомого 3 дисков, сделанных из мягкой стали (см. рис.). В пазах ведущего диска расположена обмотка 2. Муфта служит для плавного соединения ведущего вала 5 с ведомым 4, а также для их разъединения в случае необходимости. Как действует муфта? Каким образом движение от одного вала передается другому? Как можно подводить ток к обмотке, которая вращается вместе с диском? Каким образом можно изменять силу, с которой сцепляются диски?




Задача 17. На рисунке изображено электромагнитное реле, состоящее из катушки К, сердечника С, якоря Я, толкателя Т, пружины П и шести контактов. Изучите устройство реле и взаимодействие его частей. Ответьте на вопросы:

а) В каком состоянии изображено реле — протекает ли ток по обмотке катушки, или она обесточена?

б) Если ток в обмотке отсутствует, то какие явления должны произойти при замыкании ее цепи?

в) К каким клеммам должна подключаться управляющая цепь? К каким — управляемая?



Задача 18. В чем преимущество электромагнитного реле, используемого для управления цепью большой мощности, по сравнению с рубильником, с помощью которого включают и выключают эту цепь?

Задача 19. На рисунке приведена схема устройства автомати­ческого выключения внутришлифовального станка. После закрепления шлифуемой детали в патроне следящую лапку Л устанавливают так, чтобы она касалась обрабатываемой поверхности под действием пружины 2. Затем начинают шлифование. К и К1, — контакты, 1— рычаг следящей лапки, П—пружина. Изучите схему. Как происходит автоматическое выключение станка, когда деталь обточена до заданного диаметра D?




Задача 20. Устройство, схема которого приведена на рисунке, подает сигнал, когда температура достигает предельного значения. Оно имеет ртутный термометр Т, называемый контактным. В верхней части канала термометра имеется проводник, являющийся частью цепи. Изучите схему и объясните принцип действия устройства.



Задача 21. При помощи контактного термометра Т (см. предыдущую задачу), включенного в цепь с нагревательным элементом — со спиралью С, можно поддерживать постоянную температуру в аквариуме, инкубаторе и т.д. (рис.). Изучите схему и объясните принцип действия устройства.



Задача 22. Устройство, схема которого изображена на рисунке, автоматически включает и выключает рабочую цепь, например уличные фонари или бакены, в зависимости от освещенности. Основной частью устройства является фоторезистор ФР, сопротивление которого уменьшается под действием света. Изучите схему. Из каких частей состоит управляющая цепь? Из каких — управляемая? Какова роль электромагнитного реле в этой схеме? Как оно срабатывает? Как включается и выключается рабочая цепь?



Задача 23. Магниты можно использовать как опору для подвешивания маховика, вращающегося с большой частотой. Такая опора состоит из двух кольцеобразных магнитов, между которыми есть промежуток (рис.). Изучите устройство опоры и ответьте на вопросы:

а) Какова роль магнитной опоры?

б) В чем ее преимущество по сравнению с другими?

в) Как должны быть намагничены кольца, чтобы действовала опора?




Задача 24. Магнитный сепаратор, используемый для обогащения ру­ды, состоит из двух транспортер­ных лент, внутри одной из которых находятся магниты. На другую ленту подается раздробленная ру­да. Сепаратор отделяет куски пус­той породы в одну кучу, а частицы руды в другую (рис.). Изучите устройство и принцип действия сепаратора. В какой бункер должна собираться пустая порода, а в какой — руда? Как это происходит?




Задача 25. Жидкий металл перекачивают магнитным насосом (рис.). Такой насос представляет собой пару магнитных полюсов и пару электродов (пластин), расположенных в некоторых местах трубопровода. Почему при пропускании электрического тока жидкий металл перемещается вдоль трубы? Под действием какой силы и в каком направлении при положении магнитных полюсов и электродов, изображенных на рисунке?



Урок на тему: «Применение электромагнитов».


Цель урока: усвоение знания о магнитном поле постоянных магнитов и электромагнитов на уровне применения в конкретной и нестандартной ситуациях.

Ход урока.

Проблемная ситуация:

Представьте, что вы находитесь на дворе завода, где свалены груды железного лома. Вы работаете на этом заводе и перед вами стоит задача – убрать весь металлолом. Подумайте и выскажите свои предложения для решения этой проблемы.

Наработанные учащимися идеи фиксируются на доске:

Использовать электромагнит или магнит в качестве «крюка» при переноске и погрузке металлолома.

Учитель: Почему выбор преимущественно выпал на электромагниты, а не на постоянные магниты? В чём преимущества электромагнитов перед постоянными магнитами?

(Подъёмную силу электромагнита можно регулировать, не изменяя конструкции, т.е. можно регулировать его магнитное действие, меняя силу тока в катушке.)

Далее учитель просит продемонстрировать свойства электромагнита на конкретном примере. (в качестве металлолома – гвозди, различные металлические предметы)

Учитель: Электромагнитный подъёмный кран переносит железный груз или груз, состоящий из веществ, подобных железу по магнитным свойствам. Этот кран поднимает железные предметы и тогда, когда они находятся в деревянных ящиках, т.к. магнитные силы действуют через различные немагнитные материалы. Однако, прослойки из таких материалов очень ослабляют действие магнита, т.к. магнитные линии магнитного поля крана, идущие от одного полюса к другому, замыкаются через притягиваемый железный груз. Поэтому электромагнитный кран, способный поднять сплошные стальные плиты весом до 16 тонн, принимает за один раз не более 200 кг. железной стружки.

Проводится демонстрация: притягивание булавок, гвоздей к руке человека, приложенной к полюсам электромагнита.



Учитель: Вообще, электромагниты занимают в нашей жизни гораздо больше места, чем мы думаем. Ими снабжены многие привычные нам бытовые и общественные приборы – телеграф, телефон, электромеханический дверной замок, электрический звонок и т.д. Электромагнит – одна из основных деталей многих технических приборов.

Сообщение на тему: «Электромагнитное реле».

Решение задач: № 20, 21, 22 из кейса.

Сообщение на тему: «Магнитный сепаратор».

Решение задач: № 24.

Учитель: используют электромагниты и в военном деле. В период второй мировой войны большую роль играли магнитные мины. Их обычно сбрасывали на парашюте с самолета в различных местах моря. После падения в воду парашют автоматически отделялся от мины, и она погружалась на дно, где и «поджидала» корабль.

Но для того, чтобы изобрести мину, необходимы знания физики. Существенным является знание о том, что вокруг Земли существует магнитное поле.

Сообщение на тему: «Магнитное поле Земли».

Демонстрация модели мины.

Простейшая модель магнитной мины состоит из магнитной стрелки, вращающейся в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси, чашечки с электролитом, лампочки и аккумулятора. Эта специальная электрическая схема может быть связана с запальным приспособлением, воспламеняющим заряд взрывчатого вещества. Принцип действия магнитных мин заключается в следующем. Корпус машины и многие другие детали современного корабля делают преимущественно из стали. Все те части корабля намагничиваются под действием магнитного поля Земли, и корабль, по существу, становится огромным плавучим магнитом. На некотором расстоянии от корабля чувствительная магнитная стрелка отклоняется на некоторый угол. Цепь замыкается, срабатывает запальное приспособление – произойдёт взрыв мины, и находящийся вблизи корабль может погибнуть.

Проблемная ситуация: мину нужно обезвредить, подумайте и предложите способы обезвреживания мины.

Высказывание идей, которые фиксируются на доске: корпус корабля изготовить из другого материала; размагничивать корабль, водолаз с компасом или с миноискателем, нахождение мины по звуку.

Возможные вопросы: можно ли заставить взорваться мину тогда, когда корабль находится от неё ещё на значительном расстоянии?

Демонстрация одного из решений, которое было использовано во время второй мировой войны. Для очистки прибрежных районов от магнитных мин был создан специальный тип корабля – «электромагнитный тральщик». Обмотаем железную модель корабля проводом (противоминный пояс). Этот провод присоединим к другому аккумулятору. Если теперь корабль приближать к мине, то магнитная стрелка замкнёт цепь тогда, когда корабль ещё будет на большом расстоянии от неё. Мина будет обезврежена, а корабль останется цел и невредим.

Итог. Оценивается работа учащихся.

Анкета.

1. Что на уроке было интересным?
   
2. Что на уроке было главным?
   
3. Что нового сегодня узнали?
   
4. Чему научились?
   

Заключение.

Метод изучения кейса – учебной ситуации - один из современных проблемно-ориентированных методов обучения.

Метод кейса-ситуация иногда расценивается как загадочный и сложный, но основные принципы метода изучения случая фактически очень просты. Главный принцип для ситуации заключается в том, что рассматриваемый материал должен иметь дело с конкретными и практическими проблемами. Это подразумевает, что ситуации-кейсы должны содержать конкретную эмпирическую информацию.

Специфические особенности метода исследования следующие:

• центральный пункт – проблема, а не предмет;
  
• кейс должен иметь дело с конкретным объектом, а не только с общей теорией;
  
• учащиеся обязаны активно участвовать в процессе обучения, а не только быть пассивными слушателями;
  
• возможно не одно решение проблемы.
  

Эти характеристики предполагают специальные требования к учителю. Некоторым учителям может не понравиться тот факт, что имеется больше чем одно возможное решение кейса. Учитель по этому положению большую часть времени действует как консультант группы учащихся, а не как учитель в традиционном понимании.

Использование ситуации – кейса в процессе обучения в разных странах различно. В некоторых американских колледжах считается нормальным использовать ситуации – кейсы почти для всего процесса обучения. В европейской традиции метод ситуации – кейса используется как второстепенный, но, тем не менее, существенный приём в обучении.

Объёмы ситуаций – кейсов различны. Абсолютно естественно, что различным группам учащихся требуются различные типы ситуаций. Для учащихся – новичков рекомендуют небольшие по содержанию кейсы, чтобы сделать процесс обучения более лёгким. Для более подготовленных учащихся можно использовать более объемные и сложные ситуации.

В условиях современной парадигмы образования кейсовый метод , на наш взгляд, может выступать одной из стратегий личностно-ориентированного обучения.

Материалы дипломной работы могут быть использованы студентами во время прохождения педагогической практики и учителями физики.


Литература.


1. Архипов А.И. Восхождение на пик знаний – обучающие игры. Краснодар, 1991 г.

2. Балашов М.М. О природе. Книга для учащихся 8 класса. М: Просвещение, 1991 г.

3. Выгодский Л.С. Мышление и речь. Проблемы психологического развития ребёнка. Избранные психологические исследования. М: АПН РСФСР, 1956 г.

4. Гин А.А. Приёмы педагогической техники: пособие для учителя. – М: Вита-Пресс, 1999 г.

5. Глазунов А.Т. Техника в курсе физики средней школы. М: Просвещение, 1997 г.

6. Громов С.В. Родина Н.А. Физика. Учебник для 9 класса. М: Просвещение, 2000 г.

7. Гутник Е.М., Шаронина Е.В., Доронина Э.И. Физика. 9 кл. Тематическое и поурочное планирование к учебнику А.В. Пёрышкина, Е.М. Гутник. Физика 9 кл. М: Дрофа, 2001 г.

8. Демонстрационные опыты по физике в 6-7 классах. Под ред. А.А. Покровского. М: Просвещение, 1974 г.

9. Зельц О. Законы продуктивной и репродуктивной духовной деятельности. В кн.: Хрестоматия по общей психологии: Психология мышления. М: МГУ, 1981 г.

10. Кейс – метод активного обучения. Менеджмент, маркетинг, финансы. Учебное пособие под ред. А.А. Лаптева. – Петрозаводск: Карелия, 2000 г.

11. Кларин М.В. Инновационные модели обучения в зарубежных педагогических поисках. М: Арена, 1994 г.

12. Лаптев А.А. Кейс – метод активного обучения. Менеджмент, маркетинг, финансы. Петрозаводск: Карелия, 2000 г

13. Лернер И.Я. Развитие мышления учащихся в процессе обучения истории. М: Просвещение, 1982 г.

14. Лукашик В.И. Сборник вопросов и задач по физике. М: Просвещение, 1981 г.

15. Методика преподавания физики в 7-8 классах средней школы. Под ред. А.В. Усовой. М: Просвещение, 1990 г.

16. Мнеян М.Г. Сверхпроводники в современном мире. Книга для учащихся. – М: Просвещение, 1991 г.

17. Низамов И.М. Задачи по физике с техническим содержанием. М: Просвещение, 2001 г.

18. Пёрышкин А.В., Родина Н.А., Рошовская Х.Д. Преподавание физике в 6-7 классах средней школы. М: Просвещение, 1985 г.

19. Пёрышкин А.В., Родина Н.А. Физика. Учебник для 8 класса средней школы. М: Просвещение, 1993 г.

20. Пёрышкин А.В., Физика. Учебник для 8 класса. М: Дрофа, 2002 г.

21. Пёрышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. Учебник для 9 класса. М: Дрофа, 2002 г.

22. Рубинштейн С.Л. О мышлении и пути его исследования. Изд. АН СССР М, 1958 г.

23. Теория и методика обучения физике в школе. Под ред. С.Е. Каменецкого. М: Академия, 2000 г.

24. Усова А.В., Вологодская З.А. Дидактический материал по физике для 6-7 классов. М: Просвещение, 1983 г.

25. Усова А.В., Вологодская З.А. Самостоятельная работа учащихся по физике в средней школе. М: Просвещение, 1981 г.

26. Хорошавин С.А. Физический эксперимент в средней школе. М: Просвещение, 1983 г.

27. Кизовски Ч. Проблема управления развитием мышления учащихся на уроках физики. С-Пб.: РГПУ им. А.И. Герцена, 2000 г.

28. Шабловский В. Занимательная физика.1997 г.