Цепь переменного тока с индуктивностью. Цепь с реальной катушкой индуктивности.

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ГОРОДА МОСКВЫ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ №47 имени В.Г.Федорова









Методическая разработка
урока
по дисциплине
«Электротехника»

«Цепь переменного тока с индуктивностью.
Цепь с реальной катушкой индуктивности»

Автор: Нифонтова Л.Г.




Москва 2016 г.
Цель урока: сформировать у обучающихся представления о характере изменения силы тока в цепи с катушкой, сдвиге фаз между током и напряжением, природе индуктивного сопротивления, о законе Ома для участка цепи с индуктивностью.

Задачи урока:
Вызвать интерес обучающихся к процессу познания действительности, к самостоятельному поиску ответов на вопросы.
Продолжить формирование умений самостоятельно технически мыслить, быстро приспосабливаться к работе в новых условиях.

Оборудование:

звуковой генератор, катушка, ферромагнитный сердечник, лампа, компьютер, мультимедиапроектор, экран, дидактический материал.


План урока



Этапы урока
Время, мин
Приемы и методы

1
Организационный момент, постановка задач урока

5
Сообщение преподавателя

2
Повторение материала
предыдущих уроков, проблемная постановка темы урока.

10
Фронтальный опрос


3
Изучение нового материала:
Построение графиков тока, эдс самоиндукции, напряжения.
Построение векторной диаграммы.
Демонстрация опыта, понятие индуктивного сопротивления.
Закон Ома для цепи с индуктивным сопротивлением.
Определение индуктивного сопротивления.
Цепь с реальной катушкой индуктивности.






50

Эвристическая беседа с постановкой проблемных задач; демонстрация опытов;
самостоятельная работа обучающихся


4
Закрепление изученного материала:
коллективное формулирование выводов урока, просмотр видеоролика.

20
Демонстрация видеофрагмента.
Беседа по вопросам

5
Подведение итогов урока.
Домашнее задание
5



Этапы урока
Содержание работы преподавателя
Проблемная ситуация
Цель
Методические средства
Содержание работы обучающихся

1
2
3
4
5
6

I.
Подвести к новой задаче
на основе имеющихся у обучающихся знаний
1. Какая тема была изучена на прошлом уроке?
2. Начертите схему электрической цепи
3 Какова связь между током, напряжением и сопротивлением в данной цепи?
4. Почему сопротивление проводника переменному току называют активным?





Проверить степень усвоения ранее изученного материала и показать связь предшествующего материала с новым.




Беседа на основе имеющихся у обучающихся знаний
1.Цепь переменного тока с активным
сопротивлением
2.Обучающиеся вычерчивают схему цепи в тетрадях, а обучающийся А. вычерчивает ее на доске.
3.Формула и формулировка закона Ома для цепи с активным сопротивлением.
4. Сопротивление проводников переменному току несколько больше их сопротивления постоянному вследствие поверхностного эффекта, поэтому это сопротивление называют активным.

II.
Проблемная постановка темы урока
1. А теперь начертим схему электрической цепи, где вместо активного сопротивления включена катушка индуктивности.
2. Запишите тему урока: «Цепь переменного тока с индуктивностью».
3. Сборка цепи по схеме.

4. Записываются показания приборов.
5. Почему ток равен 0?

6. Можно ли выяснить: существует ли ток в цепи?


7. Таким образом, в цепи ток есть почему же амперметр не показывает его величину?

8. Проверим ваши предположения опытом.

9. Предположения подтвердились опытом. А как подтвердить теоретически?




10. Почему между опытом и расчетами возникли противоречия? Выходит, закон Ома, который справедлив для цепей постоянного тока и цепей переменного тока с активным сопротивлением не выполняется для цепи с катушкой. Однако это не значит, что закон Ома не верен. Сегодня на уроке мы должны разрешить возникшие противоречия на основе уже имеющихся у вас знаний.








Противоречие между имеющимися знаниями и требованиями, предъявляемыми к решению новой задачи








Научить анализировать результаты расчетов и опытов и делать правильные выводы








Эвристическая беседа на основе имеющихся у обучающихся знаний и проведенных опытов
1. Обучающиеся в тетрадях вычерчивают схему цепи.
2. Обучающиеся в тетради записывают тему урока.
3. Обучающийся К собирает цепь, после проверки преподавателем, ее подключают к источнику тока.
4. U = 50 В, I = 0
5. Ответы с места: «Нет тока в цепи; неверно собрана цепь; неисправен амперметр; и т.д.»
6. Ответ с места: «Можно подключить лампочку»
Обучающийся Н. подключает лампочку, которая загорается не очень ярко.
7. Обучающийся П.: «Может быть, ток небольшой величины, поэтому лампочка горит неярко. Вместо амперметра нужно подключить миллиамперметр».
8. Обучающийся Д. подключает миллиамперметр, который показывает 500 мА.
9. По закону Ома сопротивление катушки можно измерить омметром. Обучающийся С. Измеряет сопротивление катушки, которое равно 50 Ом, вычисляет величину тока:
I = 13 EMBED Equation.3 1415 1А


III.
Подготовка к самостоятельной работе
1. Рассмотрим вопрос: «Ток и напряжение в цепи с индуктивностью».
2. Перечислите действия электрического тока.
3. Правильно. Какой ток мы пропускали через катушку?
4. Следовательно, и магнитный поток в катушке переменный. Что возникает в проводнике при изменении магнитного потока?
5. Как называется ЭДС, которая наводится в проводнике при изменении силы тока?
6. От чего зависит величина ЭДС самоиндукции?
7. Кто напишет формулу?


8. Как направлена ЭДС самоиндукции?

9. Изобразите в тетради график переменного тока.

10. Рассмотрим на графике изменения тока в течение одного периода. О чем можно судить по графику?

11.Определим приращения тока за одинаковые промежутки времени. Одинаковы ли они?


12.Сделайте вывод, какие изменения происходят с током за период?
















Выбор из имеющейся суммы знаний единственно необходимых для разрешения данного вопроса.














Проверить степень усвоения ранее изученного материала и показать его связь с новым материалом.














Вопросно – ответная форма решения задачи.
Частично – поисковая форма
1. Обучающиеся в тетради записывают вопрос.

2. Тепловое, магнитное, химическое.
3. Переменный.

4. При изменении магнитного потока в проводнике индуктируется ЭДС.


5.Такая ЭДС называется ЭДС самоиндукции

6. От скорости изменения тока в цепи и от индуктивности катушки.
7. Обучающийся Д на доске записывает формулу: е = - L 13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
8. ЭДС самоиндукции всегда направлена так, что препятствует всем изменениям тока.
9. Обучающиеся самостоятельно изображают в тетради график переменного тока, обучающийся В. чертит его на доске.
10. Об изменении тока по величине и направлению. За период ток дважды достигает максимальных и минимальных значений и дважды меняет направление.
11. Неодинаковы. Приращения тока максимальны вблизи нулевых значений и практически равны нулю при приближении к максимальным значениям.
12. За период ток изменяется не только по величине и направлению, но и по скорости своего изменения.

IV.
Самостоятельная работа
1. Теперь рассмотрим изменения ЭДС самоиндукции. Как изменяется величина ЭДС самоиндукции в первую четверть периода, когда ток возрастает от 0 до максимума?
2. Постройте график и покажите изменения е в первую четверть периода.

3. Как изменяется е во вторую четверть?
4. Как направлена ЭДС самоиндукции во вторую четверть?

Ответ П. правильный, а теперь на графике покажите изменения ЭДС самоиндукции во вторую четверть периода и во вторую половину периода.



5. Через 5 минут выполнение задания проверяется. К доске вызывается обучающийся К., допустивший ошибки. С помощью преподавателя и обучающихся он строит график.
6. Посмотрите на график и скажите, как сдвинуты по фазе ЭДС самоиндукции и ток.
7. Как это показать на векторной диаграмме?


8. Т.к. ЭДС самоиндукции непрерывно противодействует изменениям тока, то, чтобы ток мог протекать по виткам катушки, напряжение сети должно уравновешивать ЭДС самоиндукции, т.е. быть равным ей по модулю и противоположным по направлению в любой момент времени. Покажите это на графике.
9. Посмотрите на график и скажите, как сдвинуты по фазе напряжение и ток.
10. Как это показать на векторной диаграмме?


11. Сделать обобщающий вывод.










График ЭДС самоиндукции и напряжения










Добиться осознанного усвоения изучаемого материала










Вопросно – ответная форма решения задач, частично – поисковая форма; самостоятельная работа.
1. Так как величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока и всегда препятствует его изменениям, то в первую четверть периода она будет убывать от максимума до 0 и направлена против тока.
2. Обучающиеся самостоятельно изображают в тетради график, обучающийся В. чертит его на доске.
3. Скорость изменения тока возрастает от 0 до максимума, е возрастает от 0 до максимума.
4. Не все обучающиеся дают правильный ответ. Некоторые решают, что она направлена навстречу току. Обучающийся П. дает правильный ответ: «во вторую четверть ток уменьшается, ЭДС самоиндукции препятствует уменьшению тока, т.е. поддерживает его, а для этого она должна быть направлена так же, как ток.
Обучающиеся в тетради достраивают график.





6. ЭДС самоиндукции отстает по фазе от тока на угол 90є.
7. Обучающиеся самостоятельно изображают в тетради векторную диаграмму, обучающийся Л. чертит ее на доске.
8. Обучающиеся самостоятельно изображают в тетради график напряжения, обучающийся Р.. чертит его на доске.




9. Напряжение опережает ток на угол 90є.

10. Обучающиеся самостоятельно достраивают в тетради векторную диаграмму, обучающийся Е. выполняет задание на доске.


V.
Проблемная постановка вопроса
1. Следующий вопрос урока: «Понятие об индуктивном сопротивлении».
2. Что ограничивает величину тока в цепях постоянного тока и цепях переменного тока с активным сопротивлением?
3. Можно ли утверждать, что ток в цепи с катушкой также зависит от напряжения и сопротивления?
4. Проверим на опыте: измерим ток в цепи при различных значениях напряжения (50 В, 70 В, 100 В) и определим сопротивление цепи.



5. Проанализируйте результаты опыта и сделайте вывод
6. На катушке указано, что ее сопротивление 12 Ом. Почему несоответствие?
7. Подсчитайте величину тока при данных напряжениях и сопротивлении 12 Ом.





8. Совпадают ли вычисленные значения тока с показаниями амперметра?
9. Почему?
Попробуем путем рассуждений найти правильный ответ.
10. Что называют электрическим сопротивлением проводника?
11. Какое сопротивление указано на катушке?

12. От чего зависит это сопротивление?

13. Какое явление возникает при прохождении по катушке переменного тока?
В чем оно проявляется?
14. Следовательно, ЭДС самоиндукции также ограничивает ток в цепи и ее можно учесть как некоторое сопротивление. Это сопротивление называется индуктивным и обозначается ХL.
Таким образом, катушка обладает активным и индуктивным сопротивлением.
15. Выясним, от каких величин зависит индуктивное сопротивление, предположив, что катушка не обладает активным сопротивлением.
16. Включим в схему звуковой генератор и проведем опыты.







17. От каких величин зависит индуктивность катушки?
18. Можно ли изменить индуктивность катушки?
19. Правильно. Поместим в катушку сердечник. Изменились ли показания миллиамперметра?

20. Сделаем вывод: от каких величин зависит индуктивное сопротивление?

21. Данная зависимость выражается формулой: ХL = 2
·fL/
22. Как определить величину тока в цепи, если известно напряжение и индуктивное сопротивление?
23. Записанная формула выражает закон Ома для цепи с индуктивностью. Если теперь применить данную формулу, то не будет несоответствий между опытами и расчетами.
24. В подтверждение решим пример:
Найдем ток в цепи, если
L = 0,063 Гн, f =50 Гц, U1 = 50 В, U2 = 100 В.











Несоответствие между имеющимися знаниями и знаниями, необходимыми для решения новой практической задачи.











Научить анализировать и рассуждать, делать правильные выводы при решении новых качественных задач.











Эвристическая беседа
Обучающиеся в тетради записывают вопрос.

2. Величина напряжения и сопротивления.


3. Можно. Нельзя.


4. Обучающийся Н. на доске записывает показания приборов и определяет сопротивление:
U, В
50
70
100

I, А
2,5
3,5
5

R = U/I, Ом
20
20
20

5. При увеличении напряжения увеличивается ток.
6. Обучающиеся дают разноречивые ответы.

7. Результаты вычислений обучающийся Б. записывает на доске:

U, В
50
70
100

R, Ом
12
12
12

I = U/R, А
4,1
5,8
8,3



8. Нет.

9. Различные ответы, среди которых, обычно, нет правильных.
10. То противодействие, которое оказывает проводник прохождению электрического тока.
11. Сопротивление, которым обладает проволока катушки.
12. От материала проводника, его длины и сечения.
13. ЭДС самоиндукции, которая препятствует изменениям тока в цепи.

14, 15 – записи в тетради.










16. Обучающиеся, наблюдая за показаниями приборов, убеждаются, что с увеличением частоты ток уменьшается, с увеличением частоты – увеличивается; делают вывод: индуктивное сопротивление катушки зависит от частоты переменного тока. Чем выше частота, тем больше индуктивное сопротивление.
17. От числа витков, наличия стальных сердечников, формы катушки.
18. Можно, например, поместив в нее сердечник из ферромагнитного материала.
19. Изменились. При увеличении индуктивности катушки ток в цепи уменьшается. Следовательно, индуктивное сопротивление стало больше.
20. Индуктивное сопротивление ХL зависит от частоты переменного тока и индуктивности катушки.


22. I = U /ХL = U /2
·fL






24. Обучающиеся производят расчеты и убеждаются, что результаты опытов и расчетов совпадают.

VI.
Применение полученных знаний.

1. Мы выяснили, что любая проволочная катушка, включенная в цепь переменного тока обладает активным и индуктивным сопротивлением. Такую катушку можно рассматривать как приемник энергии, в котором активное и индуктивное сопротивления соединены последовательно.
Рассмотрим вопрос «Цепь переменного тока с реальной катушкой индуктивности»
2. Изобразите в тетради последовательное соединение активного и индуктивного сопротивлений.
3. Запишите формулы для определения падений напряжений на активном и индуктивном сопротивлениях.
4. Построим векторную диаграмму тока и напряжения для рассматриваемой цепи:
- отложим по горизонтали вектор тока I;
- строим вектор падения напряжения на активном сопротивлении;
- строим вектор падения напряжения на индуктивности.
5. Как получить вектор общего напряжения, приложенного к цепи? Как определить его модуль?
6. Полученный треугольник называют треугольником напряжений.
Напряжение на зажимах генератора опережает по фазе ток на угол
·, который меньше 90є.
Как определить косинус угла сдвига фаз
·?
7. Если разделить векторы UаІ + ULІ на число I, выражающее силу тока в цепи, то получим треугольник сопротивлений. Его сторонами являются сопротивления r, ХL и полное сопротивление цепи Z.
Постройте треугольник сопротивлений и напишите формулу для определения полного сопротивления цепи.
8. Как будет изменяться сдвиг фаз между током и напряжением при увеличении индуктивного сопротивления по сравнению с активным; при уменьшении индуктивного сопротивления по сравнению с активным?




Цепь с реальной катушкой индуктивности




Научить применять новые знания для решения следующих задач.


Вопросно – ответная форма решения задачи, частично – поисковая форма; самостоятельная работа.
1. Обучающиеся в тетради записывают вопрос.








2. Обучающиеся самостоятельно изображают в тетради цепь, обучающийся М. чертит ее на доске.
3. Ua = Ir UL = I ХL


4. Обучающиеся самостоятельно изображают в тетради векторную диаграмму, обучающийся Н. чертит ее на доске.




5. Как сумму векторов Ua и UL.
U = 13 EMBED Equation.3 1415UаІ + ULІ

6. cos
· = Ua / U



7. Обучающиеся самостоятельно изображают в тетради треугольник сопротивлений, записывают формулу, обучающийся К. выполняет задание на доске.
Z = 13 EMBED Equation.3 1415rІ + ХL І



8. Будет увеличиваться; будет уменьшаться.

VII.
Основные выводы урока






1. Для цепи переменного тока катушка индуктивности составляет большее сопротивление, чем для постоянного тока.
2. Причиной индуктивного сопротивления является индукционное электрическое поле, возникающее в катушке благодаря явлению самоиндукции.
3. Индуктивное сопротивление зависит от частоты переменного тока и индуктивности катушки.
4. В цепи с катушкой индуктивности колебания силы тока и напряжения сдвинуты относительно друг друга по фазе на
·/2, при этом колебания напряжения опережают колебания силы тока.


VIII.
Закрепление изученного материала




Просмотр видеоролика.


IХ.
Подведение итогов урока







Заключение:


Урок состоит из небольших по объему материала задач; решение каждой из них представляет для обучающихся проблему. Решение частных проблем приводит к решению большой проблемы – сознательному усвоению материала всего урока в результате активной познавательной деятельности обучающихся.
Преподаватель и обучающиеся над новым учебным материалом работают совместно. Четких границ между отдельными частями урока нет: повторение учебного материала и закрепление полученных знаний органично связано с необходимостью приобретения новых знаний.
Используются ИКТ, проблемный, частично – поисковый, иллюстративно - демонстрационный методы, самостоятельная работа обучающихся.
В течение всего урока достигается активизация мыслительной деятельности обучающихся. На основе опытов, анализа результатов они самостоятельно дают определение физических явлений, выводят формулы, чертят графики и диаграммы рассматриваемых явлений. Задача преподавателя - тщательно подготовиться к уроку, проанализировать учебный материал, найти в нем возможность для постановки посильной для обучающихся познавательной задачи, способной вызвать интерес, умело руководить деятельностью обучающихся.