Электронная демонстрационная установка для изучения правила Ленца

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭЛЕКТРОННАЯ ДЕМОНСТРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРАВИЛА ЛЕНЦА

Девяткин Евгений Михайлович

В статье рассматривается электронная демонстрационная установка по изучению правила Ленца. Установка создана с использованием программы Macromedia Flash. Характерной чертой электронной установки является ее интерактивность. Использование установки в учебном процессе существенно расширяет знания учащихся о взаимодействии индукционных токов и магнитных полей.

Использование интерактивных технологий в обучении с использованием разработанных программных средств, моделирующих физические процессы, решает задачи по организации диалога с образовательной средой и помогает учащемуся вникнуть в суть поставленных перед ним физических задач [1-3]. Во время этого виртуального общения учащиеся учатся решать нетривиальные задачи на основе анализа получаемой информации, критически мыслить, принимать глубоко продуманные решения [4-6].

Правило Ленца устанавливает характер взаимодействия индукционного тока в контуре с возбуждающим его магнитным полем. Традиционно с этой целью используется демонстрация с алюминиевым кольцом. В качестве источника магнитного поля применяют полосовой магнит или катушку Томсона, которая имеет стержневой стальной сердечник и катушку, содержащую несколько сотен витков медного провода диаметром 0,5 мм.

Исследования показывают, что характер взаимодействия индукционного тока и магнитного поля существенным образом зависит от того, каким сопротивлением обладает контур цепи индукционного тока.

В том случае, когда полное сопротивление цепи носит преимущественно активный характер, контур с индукционным током отталкивается от магнита при возрастании магнитного потока и притягивается при его убывании В цепях переменного тока существенную роль на полное сопротивление цепи оказывают индуктивность и емкость, которые могут входить в состав цепи.

В том случае, если цепь обладает значительным индуктивным сопротивлением взаимодействие индукционных токов с магнитным полем носит отталкивающий характер независимо от того -- возрастает или убывает магнитное поле. Если в контуре присутствует конденсатор, то его полное сопротивление носит преимущественно емкостный характер. В этом случае между индукционным током и магнитным полем действуют силы притяжения, независимо от характера изменений магнитного поля.

Электронная демонстрационная установка состоит из катушки Томсона, индукционной катушки, реостата, и конденсатора. Общая схема прибора показана на рис. 1. Для ее создания использовалась программа Macromedia Flash [7].

Катушка Томсона устанавливается горизонтально. С этой целью на торце каркаса катушки делают опорную подставку (ОП), обеспечивающую устойчивое положение катушки. Катушка 2 изготавливается из медного провода диаметром 0,5 мм в хлопчатобумажной изоляции. Для уменьшения веса она не имеет каркаса, а витки при намотке укрепляют с помощью клея. Катушка содержит 40-50 витков и имеет внутренний диаметр около 60 мм при ширине в 15 мм. Противоположные концы их соединяют к клеммам 4, укрепленным на изоляционной пластине 5. Последняя укрепляется зажимом лапки штатива 6 таким образом, чтобы стержень катушки Томсона проходил по центру катушки 2.

К клеммам 4 присоединяют нагрузочную цепь: реостат, катушку или конденсатор, чтобы обеспечить соответствующий характер сопротивления цепи (активный, индуктивный или емкостный). Для того, чтобы обеспечить примерно одинаковую величину индукционного тока эти элементы должны иметь близкие по величине сопротивления.

Рисунок 1. Внешний вид виртуальной демонстрационной установки для изучения правила Ленца

программа установка ток магнитный

Кроме того, необходимо, чтобы параметры R, L, С внешней цепи были существенно больше собственных параметров катушки (R_кат, L_кат). Этим условиям удовлетворяют элементы с параметрами: R=20-30 Ом, L= 0,06-0,1 Гн, С=100-150 мкФ. В качестве внешней индуктивности можно использовать катушку Томсона, удалив из нее сердечник. Емкость 100-150 мкФ набирают из отдельных конденсаторов или используют магазин емкостей. Для эксперимента подходят только неполярные конденсаторы. В том случае, если отсутствуют обычные конденсаторы используют электролитические, включив их по схеме (рис.2).

Рисунок 2. Схема включения электролитических конденсаторов

В качестве шунтирующих диодов можно использовать любые, рассчитанные на ток 0,5-1,0 А (Д7, Д226, КД 202 и др. с любым буквенным индексом).

Идентичность сопротивлений выбранных элементов проверяют, используя схему поочередного соединения активного сопротивления, индуктивности или емкости. Если элементы подобраны правильно, то амперметр покажет приблизительно одинаковый ток. Добиваться строгой идентичности сопротивлений нет необходимости, т.к. в процессе опыта катушка 2 смещается, в результате чего изменяется и наводимая в ней ЭДС. В том случае, когда равенство токов в каждом из случаев не требуется можно пользоваться устройствами произвольных номиналов, отличающихся от расчетных в 5-10 раз.

Для проведения эксперимента к зажимам 4 установки включают реостат, катушку индуктивности или конденсатор. Для контроля силы тока последовательно в цепь включают амперметр переменного тока на 0,5-1,0 А. Результат взаимодействия оценивают по углу отклонения катушки 2.

В случае с реостатом катушка 2 практически не отклоняется от положения равновесия. Это свидетельствует о том, что силы взаимодействия индукционного тока и магнитного поля катушки Томсона в среднем за период равны нулю. Незначительные отклонения объясняются наличием собственной индуктивности катушки 2.

При включении в цепь катушки 2 внешней индуктивности наблюдаем отталкивающее действие. Чтобы катушка 2 не слетала с конца стержня при включении тока, ее придерживают рукой. Положение катушки относительно стержня выбирают таким, чтобы сила тока была близкой к значению предыдущего опыта с реостатом.

Если включить конденсатор, то катушка 2 приближается к торцу катушки Томсона, испытывая силы притяжения. Поэтому ее положение на стержне выбирают таким, чтобы обеспечить одинаковый с первыми двумя опытами ток.

Описанная установка и опыты с ней существенно расширяют представление о том, какой характер носит взаимодействие индукционных токов и магнитных полей.

С некоторыми созданными действующими электронными моделями физических установок можно ознакомиться в открытом разделе сайта посвященного виртуальным работам по физике [8]. Работа выполнена при поддержке гранта Стерлитамакского филиала БашГУ В17-79 «Разработка виртуальных учебных лабораторий и экспериментальных установок для средней общеобразовательной школы».

Список литературы

1. Смирнов А.В. Новый курс «Информационные и коммуникационные технологии в физическом образовании» в системе подготовки бакалавров в педвузах / А.В. Смирнов, Н.В. Калачев, С.А. Смирнов // Физическое образование в вузах. - 2014. - Т. 20. - № 3. - С. 20-27.

2. Девяткин Е.М. Компьютерное моделирование экспериментальных задач по общей физике / Е.М. Девяткин // Современные проблемы науки и образования. - 2017. - № 6

3. Девяткин Е.М. Комплекс электронных лабораторных установок по общей физике / Е.М. Девяткин, С.Л. Хасанова, Н.В. Чиганова // Современные проблемы науки и образования. - 2016. - № 4. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=24956 (дата обращения: 24.12.2017).

4. Дмитриев В.Л., Каримов Р.Х. Применение облачных технологий, экспертных систем и принципа игрофикации при организации электронного обучения / В.Л. Дмитриев, Р.Х. Каримов // Современные наукоемкие технологии. - 2015. - №12-3. - С. 413-416.

5. Дмитриев В.Л., Каримов Р.Х. Организация электронного обучения на авторской образовательной платформе «облачная школа» / В.Л. Дмитриев, Р.Х. Каримов // Информатика и образование. - 2016. - №4(273). - С. 25-28.

6. Каримов Р.Х. Использование принципа игрофикации при организации электронного обучения / Р.Х. Каримов // Электронное обучение в непрерывном образовании. - 2015. Т. 1. -№1(2). - С. 68-72.

7. Гурский Д. Action Script 2.0: программирование во Flash MX 2004. Для профессионалов. / Гурский Д. - СПб.: Питер, 2004. - 1088 с.

8. Электронный виртуальный практикум по физике

Размещено на Allbest.ru