Урок по теме "Трансформаторы. Решение задач"
методическая разработка по физике (11 класс) на тему

Учебная дисциплина: Физика

Профессия: Электромонтёр по ремонту и обслуживанию электрооборудования

Курс обучения: второй

Тема урока: Трансформаторы. Решение задач.

Цели урока:

Учебное воздействие:

Изучить назначение, устройство и принцип действия трансформатора; рассмотреть примеры  практического применения трансформаторов.

Развивающее воздействие: развивать умения выбирать и излагать главное, делать выводы: способствовать развитию логического мышления;

Воспитательное воздействие: воспитывать интерес к изучению физики через примеры профессиональной направленности.

Оснащение урока:

Оборудование: макеты трансформаторов, действующий трансформатор, 2 вольтметра, 2 лампочки, соединительные провода, задания приложений.

Электронные издания:

1. "Физика в школе" - электронные уроки и тесты - "Получение и передача электроэнергии";
2. Презентация к уроку;

   ТСО:   компьютеры, мультимедиапроектор

   Тип урока: комбинированный

  Урок рассчитан на 80 минут

Конспект урока

Организационно – мотивационный этап (10 мин).

Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и водных ресурсов. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров. Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток вызывает их нагревание  (Слайд 1)

Как бы вы предложили решить данную проблему?

1) При помощи увеличения размеров поперечного сечения проводника увеличить передаваемое напряжение, при этом уменьшая его сопротивление ().

Данное решение проблемы является невыгодным, так как  требуются огромные затраты для изготовления нового кабеля и опор.

2)  Необходимо уменьшить силу передаваемого тока при условии постоянного значения мощности.

 (Слайд 2) Осуществить это можно при помощи прибора, который называется трансформатор.

 (Слайд 3) Тема урока – «Трансформаторы».

 (Слайд 4) Целью урока является рассмотрение устройства,  принципа действия прибора и практического использования трансформатора.

На уроке мы изучим новую тему с использованием материалов электронного издания, решим задачи и в конце урока выполним задание в тестовой форме на компьютере.

Работать  в течение урока будете на листах. Ваша задача заключается в заполнении 2 столбца таблицы (Приложение 1). Для того изучения нового материала необходимо ответить на вопросы:

1) В чём заключается явление электромагнитной индукции?

2) Дайте понятие магнитного потока и запишите формулу для его расчёта.

3) Сформулируйте закон электромагнитной индукции.

4) Какой ток называется переменным?

Изучение нового материала (25 минут)

Немного истории…

Много лет назад это неприметное устройство позволило осуществить на практике распределение электроэнергии.

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, которое легло в основу работы трансформатора. В этом же году появилось его схематическое изображение .

В 1848 году французским механиком Г.Румкорфом была изобретена индукционная катушка – прообраз трансформатора. (Слайд 6)

 (Слайд 7) Яблочков Павел Николаевич в 1878 году использовал трансформатор для питания «электрических свечей» - нового в то время источника уличного света. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник.

(Слайд 8) Идея Яблочкова была развита сотрудником Московского университета Усагиным Иваном Филлиповичем.

Летом 1882 года на Всероссийской промышленно-художественной выставке в Москве И. Ф. Усагин продемонстрировал своё изобретение — трансформатор промышленного типа, который значительно отличался от трансформатора П. Н. Яблочкова. Это была индукционная катушка оригинальной конструкции, позволяющая включать в цепь несколько источников света. При помощи трансформатора Усагина был освещён павильон электричества промышленно-художественной выставки. Своё изобретение Усагин называл «вторичным генератором». 

В 1884 году в Англии братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами был создан первый трансформатор с замкнутым сердечником.

В конце 1880-х инженером Д. Свинберном было изобретено масляное охлаждение трансформатора – это повысило надежность и долговечность его обмоток.

В 1889 году русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский вместе с предложенной им трехфазной системой переменного тока создал первый трехфазный трансформатор. (Слайд 9)

 (Слайд 10) Трансформатор – это прибор, предназначенный для преобразования переменного тока, при котором напряжение уменьшается или увеличивается в несколько раз практически без потерь мощности

 (Слайд 11) А теперь познакомимся с устройством трансформатора. На столах лежат макеты трансформаторов, внимательно  рассмотрите их, укажите основные элементы трансформатора.

Ответы обучающихся:

Замкнутый стальной сердечник, состоящий из отдельных пластин.

Вопрос: Для чего сердечник изготавливают из пластин?

      Сердечник нагревается в результате перемагничивания и возникновения в нём индукционных токов. Изготовление его из тонких стальных листов, изолированных друг от друга, приводит к значительному увеличению электрического сопротивления и уменьшению потерь на нагревание.

1. Катушки с проволочными обмотками  - две, иногда более;

1– первичная – подключается к источнику переменного напряжения, 2- вторичная -  к потребителю

(Слайд 12) Обозначение трансформатора в цепи:

Самостоятельная работа учащихся с ЭИ «Физика в школе »  Получение и передача электроэнергии ( Слайд 13)

1. Ознакомится с инструкцией по работе;
2. Заполнение таблицы.

Закрепление материала: (Слайды 14-18)

1) Проверка заполнения учащимися таблицы при повторении (10 минут).

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник из стали концентрирует магнитное поле так, что магнитный поток существует только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Трансформатор на холостом ходу – работа при разомкнутой цепи вторичной обмотке: 

Мгновенное значение э.д.с. индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой:       

Если Ф = Ф0 соsωt, то      е´ = ω Ф0 sinωt, или      е = E0 sinωt ,где E0= ω Ф0 - амплитуда э.д.с. в одном витке.

В первичной обмотке, имеющей п1 витков, полная ЭДС индукции e1 равна п1е., во вторичной обмотке полная ЭДС е2  равна п2е, где п2 - число витков этой обмотки.

Отсюда следует, что  

     Сумма напряжения u1, приложенного к первичной обмотке, и ЭДС e1 должна равняться падению напряжения в первичной обмотке:

u1 + e1 = i1 R1,

где  R1 - активное сопротивление обмотки, а i1 -сила тока в ней. Данное уравнение непосредственно вытекает из общего уравнения. Обычно активное сопротивление обмотки мало и произведением i1 R1 можно пренебречь. Поэтому u1   ≈ - e1. (2)

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение     u2 ≈ - e2         (3)                      

Так как мгновенные значения электродвижущих сил e1 и e2 изменяются синфазно, то их отношение в формуле можно заменить отношением действующих значений E1 и E2 этих ЭДС или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значений напряжений  U:

k – коэффициент трансформации.  

Если k < 1 – трансформатор повышающий; k > 1 – трансформатор понижающий.

Демонстрация опыта: 

Показываю опыт с 2 лампами накаливания и   понижающим трансформатором. Предлагаю обучающимся объяснить его.

(Слайд 19) Нагруженный трансформатор 

При замыкании цепи вторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u2 ≈ - e2 уже не выполняется точно, и соответственно связь между U1 и U2 становится более  сложной.

Согласно закону сохранения энергии мощность в первичной цепи должна равняться мощности во вторичной цепи , ;

где I1 и I2— действующие значения силы   в первичной и вторичной обмотках.

поэтому, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

(Слайды 20 -22) Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, при распределении её между приемниками, а также на выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.

Существует два типа трансформаторов: бытовые и силовые

Бытовые используют в источниках питания различных электроприборов, технологических и медицинских рентгеновских установках, электропечах, плазменных и лазерных установках, устройствах радиолокации и электроники.

В бытовой технике  используют понижающие трансформаторы.

Силовые трансформаторы используют в линиях электропередач.

 Мощные трансформаторы помещают в бак, заполненный охлаждающим маслом.

Трансформаторы бывают:

1) Разделительные - используются для обеспечения электрической безопасности приборами бытового и промышленного назначения. Рекомендуется подключать оборудование  через разделительный трансформатор в случае отстутствия надёжного заземления, при работе на открытом воздухе, в помещениях с повышенной влажностью, при контакте электроприбора с водой и металлами.В данных условиях возможна опасность поражения электрическим током при повреждении изоляции электроприбора. Данные трансформаторы обеспечивают безопасность работы  с электрооборудованием.

2) Измерительные - используют для измерения очень больших, очень маленьких переменных напряжений и токов в цепях.

2) Решение задач (25 минут)

 (Приложение 2)

Контроль знаний (5 минут):

Выполнение на компьютере задания в тестовой форме. После выполнения задания у каждого обучающегося на экране результат работы. (Приложение 3)

Рефлексия (2 минуты) Откройте на рабочем столе документ «Моя оценка урока» и выберете тот трансформатор, который соответствует вашей работе на уроке (Приложение 4).

Подведение итогов урока.

Краткие итоги урока, оглашение результатов работы.

       Домашнее задание §38 упр.  5. Подготовьте сообщение о учёном, принявшем участие в изобретении трансформатора.

Приложение 1

Таблица для  заполнения обучающимися

Приложение 2

Инструкция по работе с электронным изданием:

«Физика в школе» - электронные уроки– "Получение и передача электроэнергии»

Задание 1

1. В электронном изданий «Физика в школе: Выработка и передача энергии» зайди в папку «Содержание»→Тема 5 «Структура трансформаторов и принципы их работы». Передвижение по уроку осуществляется кнопкой   на нижней панели в управлении уроком
2. Прочитай материал пунктов:

• Как трансформаторы работают
• Для чего используют трансформаторы (холостой ход трансформатора)
• Потери энергии (нагруженный трансформатор)
• Выводы

Материал занеси в таблицу.

Задание 2. Решите любые 3 задачи:

Задачи по теме «Трансформаторы»

         1. Как, вы думаете, что будет, если первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока?

2.  Как определить число витков обмотке трансформатора, не нарушая обмоток? Есть в наличии несколько метров проволоки, разборный трансформатор, вольтметр.

3. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков, повышает напряжение с 220 до 660 В. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков содержится во вторичной обмотке?

    4.  Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 500 витков, включён в сеть напряжением 150В. Во вторичную цепь трансформатора, имеющую 165 витков, включён резистор сопротивлением 80 Ом. Найти силу тока во вторичной цепи, если падение напряжения на ней 50В.

5.  Понижающий трансформатор с коэффициентов трансформации, равным 10, включён в сеть с напряжением 220 В. Каково напряжение на выходе трансформатора, если сопротивление вторичной обмотки 0,2 Ом, а сопротивление полезной нагрузки 2 Ом?

Приложение 3

Задание в тестовой форме по теме "Трансформаторы"

1 вариант

1.Трансформатор -это прибор, преобразующий переменный ток,при котором напряжение?

1)только увеличивается без потерь мощности;

2)уменьшается в несколько раз без потерь мощности;

3)увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потерь мощности;

4)не изменяется;

2.На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?

1)электролиза;

2)электромагнитной индукции;

3) самоиндукции;

4) генерирования;

3.Как осуществляется передача электрической энергии из первичной обмотки трансформатора во вторичную?

1)с помощью электромагнитных волн;

2)по воздуху;

3)с помощью силы Лоренца;

4) помощью переменного магнитного поля, пронизывающего обе катушки;

4.В первичной обмотке трансформатора 100 витков, во вторичной – 20. Укажите правильное утверждение?

1)коэффициент трансформации равен 5, трансформатор повышающий;

2)коэффициент трансформации равен 1000, трансформатор повышающий;

3)коэффициент трансформации равен 0,2, трансформатор понижающий;

4)коэффициент трансформации равен 5, трансформатор понижающий;

5.Первичная обмотка трансформатора включена в сеть напряжением 20 В. На зажимах вторичной обмотки напряжение равно 200 В.Число витков во вторичной обмотке равно 1000.Чему равен коэффициент трансформации и число витков  в первичной обмотке?

1) коэффициент трансформации равен 10, число витков в первичной обмотке 10;

2) коэффициент трансформации равен 0,1,число витков в первичной обмотке 100;

3) коэффициент трансформации равен 10, число витков в первичной обмотке 100;

4) коэффициент трансформации равен 0,1,число витков в первичной обмотке 10;

2 вариант

1.Трансформатор – это прибор, преобразующий …, в котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потерь мощности?

1)постоянный ток;

2)изменяющееся электрическое поле;

3)переменный ток;

4)среди ответов нет правильного;

2.На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?

1)электролиза;

2)электромагнитной индукции;

3)генерирования;

4)самоиндукции;

3.В каком случае трансформатор является повышающим?

1) k =1;

2) k = 0;

3) k > 1;

4) k < 1;

4.В первичная обмотка трансформатора содержит 800 витков, вторичная – 3200. Укажите правильное утверждение?

1) Коэффициент трансформации равен 8,трансформатор повышающий;

2)коэффициент трансформации равен 0,25,трансформатор понижающий;

3) коэффициент трансформации равен 4,трансформатор понижающий;

4) коэффициент трансформации равен 0,25, трансформатор повышающий;

5.Трансформатор изменяет напряжение от 200 В до 1000 В.В первичной обмотке 20 витков. Определите коэффициент трансформации и число витков во вторичной обмотке?

1) коэффициент трансформации равен 10, число витков во вторичной обмотке 4;

2) коэффициент трансформации равен 0,2, число витков во вторичной обмотке 100;

3) коэффициент трансформации равен 10, число витков во вторичной обмотке 100;

4) коэффициент трансформации равен 0,2, число витков во вторичной обмотке 400;

Эталон правильных ответов

Приложение 4

Моя оценка урока

  Понижающий                     Разделительный                           Повышающий

(не разобрался в теме урока)   (разобрался в теме урока)       (разобрался в теме урока, буду изучать тему в дальнейшем)  

Список литературы:

1. Генденьштейн  Л.Э., Ю.И. Дик. Физика, учебник 11 кл. - М.: Мнемозина, 2012. -272 с.
2. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика. Учебник для 11 кл.- М.: Просвещение,1999 - 254 с.

Интенет  - источники:

http://www.physics.ru

http://www.elconnect.ru

http://scsiexplorer.com.

images.yandex.ru