Расчётные, качественные и графиковые задания профильного уровня.
Рефлексия и итоги
4 мин
Сборка темы в причинную цепочку, домашнее задание.
Знать
понятие магнитного потока;
явление электромагнитной индукции;
закон Фарадея;
правило Ленца.
Понимать
почему ток возникает только при изменении потока;
физический смысл знака «минус»;
чем ЭДС отличается от самого магнитного потока;
как закон Фарадея связан с сохранением энергии.
Уметь
вычислять Φ = B·S·cos α;
находить среднюю и мгновенную ЭДС индукции;
определять направление тока по правилу Ленца;
строить анализ графика Φ(t) → ε(t);
решать задачи профильного уровня и формата ЕГЭ.
1. Проблемная постановка: магнитное поле есть — а тока может не быть
≈ 2 мин
Вопрос классу: будет ли ток в катушке, если рядом просто лежит постоянный магнит?
Что должно произойти, чтобы ток появился?
Ситуация A
Постоянный магнит неподвижен внутри катушки.
B ≠ 0, но Φ = const
Индукционного тока нет.
Ситуация B
Тот же магнит движется относительно катушки.
B меняется во времени → Φ меняется
Возникает ЭДС индукции.
Ключевая идея урока:
электромагнитная индукция связана не с самим магнитным полем,
а с изменением магнитного потока через контур.
Вопрос для предсказания:
если магнит остановить внутри катушки, отклонится ли стрелка гальванометра?
Почему? Подчеркните: B может быть большим, но если поток постоянен, ЭДС индукции равна нулю.
2. Наблюдение → закономерность: что показывает опыт Фарадея?
≈ 3 мин
Рис. 1. Демонстрационная модель опыта Фарадея: катушка, постоянный магнит и гальванометр.
Действие
Наблюдение
Вывод
Магнит неподвижен
Стрелка гальванометра возвращается к нулю.
Поток перестал меняться: dΦ/dt = 0.
Двигаем магнит быстрее
Отклонение стрелки становится больше.
Больше скорость изменения потока → больше |ε|.
Меняем направление движения
Стрелка отклоняется в противоположную сторону.
Меняется знак dΦ/dt → меняется направление тока.
|εi| ∝ скорости изменения магнитного потока
Важная методическая ремарка:
это не лабораторная работа. На уроке достаточно демонстрации или интерактивной визуализации.
Корректно говорить: опыт показывает зависимость ЭДС от скорости изменения потока,
а закон Фарадея является количественным обобщением экспериментов.
3. Новое понятие: магнитный поток Φ
≈ 8 мин
Магнитный поток характеризует, насколько сильно магнитное поле
«пронизывает» выбранную поверхность.
Φ = B · S · cos α
для однородного поля и плоской поверхности;
B — магнитная индукция, S — площадь контура,
α — угол между вектором B и нормалью n к поверхности.
Рис. 2. Геометрический смысл магнитного потока: важна проекция площади на направление поля.
Частая ошибка: считать α углом между B и самой плоскостью рамки.
Нужно брать угол между B и нормалью к поверхности.
Если B перпендикулярно плоскости, то α = 0°, cos α = 1, поток максимален.
Если B вдоль плоскости, то α = 90°, cos α = 0, поток равен нулю.
Если α > 90°, поток формально отрицателен относительно выбранной нормали.
Единица измерения
1 Вб = 1 Тл · 1 м²
Быстрая числовая модель
Пусть B = 0,50 Тл, S = 0,050 м². Тогда:
Угол α к нормали
cos α
Φ = B·S·cos α
Комментарий
0°
1
0,025 Вб
Максимальный поток
60°
0,5
0,0125 Вб
Поток уменьшился вдвое
90°
0
0
Линии поля скользят вдоль площадки
Три быстрых вопроса к классу — ответы
Как сделать Φ = 0 при B ≠ 0?
Повернуть контур так, чтобы α = 90°, т.е. линии поля шли вдоль плоскости рамки.
Как удвоить Φ, не меняя площадь?
Увеличить B вдвое или изменить ориентацию так, чтобы cos α удвоился, например перейти от α = 60° к α = 0°.
Что произойдёт с Φ при α → 90°?
Поток будет стремиться к нулю, потому что cos α → 0.
4. Три физических механизма: индукция возможна даже без движения магнита
≈ 2 мин
1. Меняется B
Меняется величина магнитного поля.
Например, изменяется ток в электромагните или соседней катушке.
2. Меняется S
Меняется площадь контура, находящаяся в поле.
Например, рамка входит в область магнитного поля или деформируется.
3. Меняется α
Рамка поворачивается относительно поля.
Это основа работы генератора переменного тока.
Φ(t) = B(t) · S(t) · cos α(t)
Главный акцент: важно не то, что именно меняется,
а то, что меняется магнитный поток через контур.
5. Количественный закон: от наблюдения к закону Фарадея
≈ 6 мин
Эксперимент показывает: чем быстрее меняется Φ, тем больше |εi|.
Средняя скорость изменения потока: ΔΦ / Δt.
В пределе Δt → 0 получаем производную: dΦ / dt.
Знак «−» задаёт правило Ленца, т.е. направление индукционного тока.
εср = − N ·
ΔΦΔt
εi = − N ·
dΦdt
N — число витков; Φ — магнитный поток через один виток.
Для катушки удобно вводить потокосцепление Ψ = N·Φ, тогда εi = −dΨ/dt.
Методически важно:
это не «вывод из другой формулы», а математическая запись экспериментального закона.
Для сильного класса подчеркните: производная означает мгновенную скорость изменения потока.
Проверка размерности: почему Вб/с — это вольт?
[ε] = [Φ] / [t] = Вб / с = В
Смысл:
если поток через один виток изменился на 1 Вб за 1 с, модуль средней ЭДС в одном витке равен 1 В.
ЭДС зависит от темпа изменения потока, а не от его абсолютного значения.
Ток и заряд в контуре
Если контур замкнут и имеет сопротивление R, то индукционный ток равен:
Ii = εi / R
А полный заряд, прошедший через контур при изменении потока, не зависит от длительности процесса:
q = N ·
|ΔΦ|R
Это полезно для задач: быстро меняющийся поток даёт большую ЭДС и большой ток,
но заряд определяется общим изменением потока и сопротивлением цепи.
6. Направление индукционного тока: знак «−» — это правило Ленца
≈ 7 мин
Правило Ленца:
индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле
противодействует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.
Ключевое слово — «изменению».
Ток противодействует не всегда внешнему полю как таковому, а именно росту или убыванию потока.
Рис. 3. При приближении магнита катушка «отталкивает» его, при удалении — «удерживает». Это следствие правила Ленца.
Связь с законом сохранения энергии:
если бы возникающий ток усиливал движение магнита, система сама разгоняла бы магнит
и одновременно производила электрическую энергию. Это было бы вечным двигателем.
Поэтому знак «−» физически необходим.
Алгоритм для задач: как определить направление тока за 4 шага
Определите направление внешнего поля B через контур.
Решите: магнитный поток увеличивается или уменьшается?
По правилу Ленца выберите направление собственного поля Bинд,
которое мешает этому изменению.
По правилу правой руки / буравчика найдите направление индукционного тока.
Не начинайте сразу с направления тока.
Сначала поток → затем Bинд → только потом ток.
7. Связь с генератором: вращающаяся рамка → синусоидальная ЭДС
≈ 3 мин
Пусть рамка вращается с постоянной угловой скоростью ω. Тогда угол между нормалью к рамке
и вектором B меняется по закону α = ωt.
Φ(t) = B · S · cos(ωt)
По закону Фарадея:
εi(t) = − N ·
dΦdt
= N · B · S · ω · sin(ωt)
Рис. 4. Вращение рамки приводит к периодическому изменению α, а значит — к синусоидальной ЭДС.
Амплитуда ЭДС:
εmax = N · B · S · ω = N · B · S · 2πf
Эта модель — прямой мост к теме «Переменный ток».
8. Где работает электромагнитная индукция
≈ 2 мин
⚙️ Генератор
Вращение рамки в магнитном поле → периодическое изменение Φ → переменная ЭДС промышленной частоты.
🔄 Трансформатор
Переменный ток первичной обмотки создаёт меняющийся поток в сердечнике → ЭДС во вторичной обмотке.
🍳 Индукционная плита
Высокочастотное поле наводит вихревые токи в дне посуды → металл нагревается.
📱 Беспроводная зарядка
Катушка-передатчик создаёт переменное поле, катушка-приёмник преобразует его в ток зарядки.
🚗 Рекуперация в электромобилях
При торможении двигатель работает как генератор: механическая энергия частично превращается в электрическую.
🧲 Вихревые токи и торможение
Токи Фуко возникают в проводниках при изменении потока; они могут полезны для нагрева или вредны как потери.
9. Задачи: расчётные, качественные и графиковые
≈ 10 мин
Базовая расчётная Задача 1. Изменяется магнитный поток
Условие. Магнитный поток через один виток катушки изменился от 8 мВб до 2 мВб за 0,020 с.
Катушка содержит 50 витков. Найдите модуль средней ЭДС индукции.
Изменение потока:
|ΔΦ| = |2 − 8|·10⁻³ = 6·10⁻³ Вб.
Закон Фарадея:
|ε| = N·|ΔΦ| / Δt = 50 · 6·10⁻³ / 0,020 = 15 В.
Ответ: 15 В.
Профильная Задача 2. Поле меняется, рамка неподвижна
Условие. Катушка из 200 витков имеет площадь каждого витка 50 см².
Вектор B перпендикулярен плоскости витка.
Индукция равномерно увеличивается от 0,20 Тл до 0,80 Тл за 0,050 с.
Найдите модуль ЭДС. Дополнительно: если сопротивление цепи R = 6 Ом, найдите силу тока и прошедший заряд.
Решить пошагово
Перевод площади:
50 см² = 50·10⁻⁴ м² = 5,0·10⁻³ м².
Так как B ⟂ плоскости витка, α = 0°, cos α = 1.
Изменение потока через один виток:
|ΔΦ| = S·|ΔB| = 5·10⁻³ · (0,80 − 0,20) = 5·10⁻³ · 0,60 = 3·10⁻³ Вб.
Модуль средней ЭДС:
|ε| = N·|ΔΦ| / Δt = 200 · 3·10⁻³ / 0,050 = 12 В.
Типичная ошибка: забыть перевести см² в м².
1 см² = 10⁻⁴ м², а не 10⁻² м².
ЕГЭ-формат Задача 3. График Φ(t): где ЭДС максимальна?
Рис. 5. Модуль ЭДС равен модулю наклона графика Φ(t). На участке 0–1 с наклон наибольший по модулю.
Вопрос. На каком интервале времени модуль ЭДС индукции в одном витке наибольший?
Ответ и объяснение
Верно: Б. 0–1 с.
Идея: |ε| = |dΦ/dt| — это модуль наклона графика Φ(t).
0–1 с: наклон = 8 мВб/с → |ε| = 8 мВ.
1–2 с: поток постоянен → ε = 0.
2–3 с: наклон по модулю = 6 мВб/с → |ε| = 6 мВ.
3–4 с: наклон по модулю = 2 мВб/с → |ε| = 2 мВ.
Концептуальная ловушка Задача 4. Может ли ЭДС быть нулевой при Φ ≠ 0?
Условие. Замкнутая рамка неподвижна в однородном постоянном магнитном поле.
Магнитный поток через рамку равен 0,030 Вб и не меняется. Чему равна ЭДС индукции?
Ответ и объяснение
Верно: А. 0 В.
Это одна из главных концептуальных ловушек: Φ ≠ 0 не означает ε ≠ 0.
Нужна величина dΦ/dt. Если поток постоянен, ЭДС индукции равна нулю,
даже если сам поток довольно велик.
Резерв / профиль Задача 5. ЭДС в движущемся проводнике
Прямой проводник длины l движется со скоростью v в однородном поле B.
Рис. 6. Стержень «подметает» площадь, поэтому поток через контур меняется.
|ε| = B · l · v · sin β
β — угол между B и v; в стандартной конфигурации β = 90°.
Задача. l = 0,40 м, B = 0,50 Тл, v = 6,0 м/с, B ⟂ v. Найдите ЭДС.
Показать решение
ε = B·l·v = 0,50 · 0,40 · 6,0 = 1,2 В.
Ответ: 1,2 В.
Резерв / ЕГЭ Задача 6. Амплитуда ЭДС вращающейся рамки
Условие. Рамка из N = 100 витков площадью S = 40 см² равномерно вращается
в поле B = 0,25 Тл с частотой f = 50 Гц. Определите амплитуду ЭДС.
10. Антиошибки: пять ловушек, которые встречаются в задачах
≈ 2 мин
Ошибка
Как правильно
❌ α — угол с плоскостью рамки.
✓ α — угол с нормалью к поверхности.
❌ Есть B → обязательно есть ЭДС.
✓ Нужен dΦ/dt ≠ 0.
❌ Для катушки забываем N.
✓ ε = −N·dΦ/dt.
❌ см² переводим как 10⁻² м².
✓ 1 см² = 10⁻⁴ м².
❌ Ленц «всегда против B».
✓ Он против изменения потока.
❌ Знак «−» используют как «ЭДС отрицательна».
✓ Знак фиксирует направление в выбранной ориентации контура.
11. Собираем тему в одну схему
≈ 2 мин
1. Поток Φ = B·S·cos α
→
2. Изменение dΦ/dt
→
3. ЭДС ε = −N·dΦ/dt
→
4. Ток I = ε/R
Физический смысл глубже формулы:
изменяющийся магнитный поток создаёт вихревое электрическое поле;
в проводящем замкнутом контуре оно приводит к индукционному току.
Три фразы, которые нужно унести с урока
Магнитный поток: Φ = B·S·cos α.
ЭДС возникает, когда поток изменяется: ε = −N·dΦ/dt.
Направление индукционного тока определяется правилом Ленца.
Следующий естественный шаг темы: самоиндукция, индуктивность и энергия магнитного поля.
12. Рефлексия: проверьте, что осталось после урока
≈ 3 мин
Ответьте устно или письменно. Рефлексия проверяет четыре опорные идеи: поток, изменение потока, закон Фарадея, правило Ленца.
Что показывает магнитный поток и почему он скалярная величина?
Почему при постоянном B и неподвижной рамке ЭДС может быть равна нулю?
Какой физический смысл имеет производная dΦ/dt?
Почему в законе Фарадея стоит знак «минус»?
По какому алгоритму определять направление индукционного тока?
Почему вращение рамки в магнитном поле порождает переменную ЭДС?
Опорные ответы для самопроверки
Поток показывает, сколько линий магнитной индукции пронизывает поверхность; зависит от модуля B, площади и ориентации.
Поток не меняется, следовательно dΦ/dt = 0 и ЭДС отсутствует.
Производная — мгновенная скорость изменения потока.
Знак «минус» выражает правило Ленца и обеспечивает выполнение закона сохранения энергии.
Сначала направление внешнего B, затем рост/убывание Φ, затем направление Bинд, затем ток по правилу правой руки.
При вращении меняется угол α, значит Φ(t) = BS cos ωt, а ЭДС пропорциональна sin ωt.
13. Домашнее задание: дифференцированный подход
вне урока
Базовый уровень
Выучить определения: магнитный поток, ЭДС индукции, правило Ленца.
Качественная задача: к катушке удаляют южный полюс магнита. Какой полюс возникнет на обращённой к магниту стороне катушки и каким будет взаимодействие?
Подсказка к качественной задаче
При удалении S-полюса поток через катушку уменьшается. Индукционный ток должен поддерживать убывающий поток,
поэтому обращённая к магниту сторона катушки станет S-полюсом и будет притягивать удаляемый магнит.
Профильный уровень
Задача. Катушка: N = 500, S = 20 см². Индукция поля убывает с 0,8 Тл до 0,2 Тл за 0,3 с.
Сопротивление цепи R = 10 Ом. Найти ε, I и заряд q.
Подготовить объяснение на 1–2 минуты: как работает беспроводная зарядка смартфона или индукционная плита —
с опорой на закон Фарадея и правило Ленца.
Желательно использовать хотя бы одну из формул и показать, где именно меняется магнитный поток.
14. Мини-тест для самоконтроля
5–7 мин
Справочный раздел для учителя
служебный
На что опирается содержание
Федеральная рабочая программа: физика, 10–11 классы, углублённый уровень —
магнитный поток, ЭДС индукции, закон Фарадея, правило Ленца, решение расчётных и качественных задач.
В действующей федеральной программе блок «Электромагнитная индукция» размещён в 11 классе;
презентация может использоваться в профильном 10 классе при соответствующей последовательности локальной рабочей программы.
Задания построены по проверяемым элементам содержания ФИПИ: магнитный поток,
явление электромагнитной индукции, закон Фарадея и правило Ленца.