Создание электронного обучающего ресурса по теме «Принципы работы электрических двигателей». Муниципальное общеобразовательное учреждение

Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Гуманитарно-педагогический лицей»
Создание электронного обучающего
ресурса по теме «Принципы работы
электрических двигателей».
Выполнила: Шуплякова Арина
Ученица 11 «Б» класса
МОУ «ГПЛ» г. Ухта
Руководитель: Шемарина Е.И.
Ухта.
2013 г.
1
Содержание.
1. Ведение (стр. 3)
1.1. Цель работы (стр. 3)
1.2. Задачи исследования (стр. 3)
2. Программа CourseLab (стр. 4)
3. Содержание ЭОР (стр. 5-18)
4. Значение электронного обучающегося ресурса(стр. 19)
5. Заключение (стр. 20)
6. Список литературы (стр. 21)
2
1. Введение:
В последнее время в образовательных программах все большее внимание уделяется
дистанционным формам обучения: во время актированных дней, болезней учащихся,
сетевого взаимодействия школ, дистанционного обучения на курсах и ВУЗах.
Большинство учащихся воспринимают лучше информацию зрительно, тем более, если
она качественно оформлена. Эти программы дают возможность каждому независимо от
уровня подготовки активно участвовать в процессе образования, индивидуализировать
свой процесс обучения, осуществлять самоконтроль. Быть не пассивным наблюдателем, а
активно получать знания и оценивать свои возможности. Учащиеся начинают получать
удовольствие от самого процесса учения, независимо от внешних мотивационных
факторов.
1.1.
Цель данной работы:
Создание электронного обучающего ресурса (ЭОР) «Принципы работы
электродвигателей», включающего в себя теоретический материал, практическую часть и
раздел, для закрепления материала.
1.2.
Задачи:
 Исследовать школьную модель электродвигателя;
 Изучить историю возникновения электрического двигателя;
 Исследовать конструкцию электрического двигателя;
 Провести измерения основных параметров электродвигателя на примере школьной
модели;
 Разработать серия экспериментов, наглядно демонстрирующих школьникам
основные принципы работы электродвигателя;
 Разработать тест, для проверки и самопроверки изученного материала;
 С помощью программы CourseLab создать электронный обучающий ресурс
«Принципы работы электродвигателей», состоящий из многих элементов,
имеющих смысловые отношения и связи между собой, которые обеспечивают
целостность учебника.
3
2. Программа CourseLab
Электронный учебник «Принципы работы электродвигателя» создан с помощью
конструктора CourseLab. CourseLab – это мощное средство для создания интерактивных
учебных материалов (электронных курсов), предназначенных для использования в сети
Интернет, в системах дистанционного обучения, на компакт-диске или любом другом
носителе.
CourseLab содержит:
1)
набор готовых шаблонов;
2)
библиотека готовых объектов выполняющих различные функции – от разных
способов показа текста до сложного тестирования – и не требующие при этом никакого
программирования, всё создается в интерфейсе CourseLab;
3)
возможность неоднократного использования объектов, т.е. CourseLab дает
возможность использовать единожды вставленный объект многократно, включая и
выключая его показ специальными действиями;
4)
глобальные установки шрифтов при этом каждый новый текстовый объект
автоматически примет установленные параметры (хотя возможность их менять попрежнему остается).
В учебнике систематично изложены история возникновения электрического
двигателя, конструкция электрического двигателя,
основные принципы работы
электродвигателя.
Учебник содержит большое количество практических работ, для наглядности
изучаемого материала.
Рекомендуется для школьников, изучающих взаимодействие электрических и
магнитных полей. Обеспечивает многовариантность, многоуровневость и разнообразие
проверочных заданий-тестов. Электронный учебник позволяет все задания и тесты давать
в интерактивном и обучающем режиме.
4
3. Содержание ЭОР
«Принципы работы электрического двигателя».
Оглавление
Введение
Краткая история вопроса
Основные принципы работы электродвигателя
Лабораторная работа №1 «Основные принципы работы электродвигателя»
4.1. Опыт 1 «Демонстрация взаимодействия прямого проводника с током и внешнего
магнитного поля»
4.2. Опыт 2 «Зависимость угла поворота рамки от величины магнитного поля»
4.3. Опыт 3 «Зависимость угла поворота рамки от ее площади»
5. Лабораторная работа №2 « Определение основных характеристик школьного
электродвигателя»
6. Лабораторная работа №3 «Создание простейших моделей электродвигателя»
6.1. Модель 1
6.2. Модель 2
6.3. Модель 3
7. Итоговый тест
1.
2.
3.
4.
5
Введение:
Величайшим техническим достижением конца XIX века стало изобретение
промышленного электродвигателя – устройства, превращающего электрический ток в
движение. Электромотор - компактный и экономичный вскоре сделался одним
из важнейших элементов производства, вытеснив другие виды двигателей отовсюду, куда
только можно было доставить электрический ток. Сейчас электродвигатели широко
применяются на транспорте (электромобили – мотор-колесо, трамваи, троллейбусы). Для
бытовых и измерительных приборов, станкостроение, насосы, вентиляторы,
электроприводы, тяговые электродвигатели, для цехов металлопроката
авиационная техника, робототехника электромагнитные пушки. Например, для вывода
спутников в космос (рисунки 1-4).
Рисунок 1
Рисунок 3
Рисунок 2
Рисунок 4
6
Краткая история вопроса:
Электрические двигатели появились еще во второй четверти XIX столетия,
но прошло несколько десятилетий, прежде чем создались благоприятные условия для
их повсеместного внедрения в производство.
Принципиальную возможность построения электродвигателя показал в 1821 г.
английский физик Майкл Фарадей (рис 5).
Рисунок 6
Рисунок 5
Исследуя взаимодействие проводников с током и магнитов, Фарадей установил,
что электрический ток, проходящий по проводнику, может заставить этот проводник
совершать вращение внутри магнита или вызывать вращение магнита вокруг проводника.
(Рис 6- первый электродвигатель фарадея, с ртутью).
Возможность превращения электрической энергии в механическую была показана
и во многих других экспериментах. Так, в книге П. Барлоу «Исследование магнитных
притяжений», опубликованной в 1824 г., описывалось устройство, известное под
названием «колёса Барлоу» (рис.7). Барлоу установил, что перемена контактов или
перемена положения полюсов магнитов немедленно вызывает перемену направления
вращения колес
.
Рисунок 7
В приборе американского физика Дж. Генри изменение полярности электромагнита
происходило за счет перемены направления протекающего по его обмотке тока. Оно
приводило электромагнит в равномерное качательное движение. В модели, построенной
самим Генри, электромагнит совершал 75 качаний в минуту. Мощность двигателей
подобного типа была очень небольшой, примерно 0,05 Вт.
Русский ученый Б.С. Якоби ( рис 8) в 1834 г. он создал первый в мире практически
пригодный электродвигатель с вращающимся якорем (рис9) и опубликовал
теоретическую работу "О применении электромагнетизма для приведения в движение
машины.
7
Рисунок 9
Рисунок 8
Мощность такого двигателя составляла всего 15 Вт. (т.е. за одну секунду этот
двигатель совершал работу в 15 Дж. Т.е. перемещал за 1сек, на расстояние в 1 метр, груз
весом 15Н или 1,5 кг).
Устройство электродвигателя Якоби оказалось настолько удобным, что
современный двигатель не претерпел изменений, по сравнению с предложенным им.
Устройство и принцип действия электрического двигателя Якоби сейчас приведены в
любом учебнике физики. (рис10, 11)
Рисунок 10
Рисунок 11
Впоследствии Якоби довел мощность электродвигателя до 550 Вт. Этот двигатель
был установлен сначала на лодке, а позже на железнодорожной платформе. Позднее
электродвигатели стали применять на различных транспортных средствах (автомобили,
поезда, корабли, появляются трамваи, метрополитены и т.д.). Широкое распространение
электродвигателя получили с середины 19века, потому что в отличие от тепловых,
электрические двигатели не загрязняли окружающую среду, могут быть различных
размеров, не требуют невозобновимых ресурсов, не имеют природных и газообразных
отходов.
8
Принцип работы электрических двигателей.
Электрические машины предназначены для преобразования энергии. Для
преобразования механической энергии в электрическую служат электрические
генераторы.
Принципы работы и устройство различных электрических машин основаны на
использование ряда физических явлений, важнейшие из которых - электромагнитная
индукция, взаимодействие магнитных (электромагнитных) полей и закон Ампера (рис
12).
Электромагнитная индукция-явление возникновения электрического тока в
замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.
Закон Ампера- закон
механического взаимодействия двух
токов, текущих в малых отрезках
проводников, находящихся на некотором
расстоянии друг от друга. Из закона
Ампера следует, что параллельные
проводники с токами, текущими в одном
направлении, притягиваются, а в
противоположном — отталкиваются.
Законом Ампера называется также закон,
определяющий силу, с которой магнитное
поле действует на малый отрезок
проводника с током.
Рисунок 12
Через проводник, подвешенный на штативе в области магнитного поля, пропускают
электрический ток. При замыкании переключателя по проводнику начинает протекать
ток, и на проводник действует сила Ампера: F=I*L*B sin α, где I- сила тока в проводнике.
L- Участок проводника, который находится в магнитном поле. B - Индукция магнитного
поля. α- угол между направлением проводника и направлением вектора индукции
магнитного поля. Направление действия силы Ампера определяется правилом левой руки
(рис 19):
1. ладонь левой руки к северу магнита
2. 4 вытянутых пальца направляют по току
3. большой палец показывает направление выталкивающей силы Ампера.
Под действием этой силы, проводник приходит в действие и движется либо внутрь
дугообразного магнита, либо из него. Если изменить направление тока в проводнике или
направление магнитного поля, то сила также изменит направление.
Электрическая машина имеет неподвижную часть-статор и подвижную – ротор
(якорь) (Рис 13); он неподвижно соединен с валом машины. Каждая из этих частей может
выполнять любую из двух функций: служить для создания магнитного поля лил для
получения ЭДС индукции. Термин «ротор» обычно употребляют , говоря о машинах
переменного тока, а термин «якорь»- применительно к машинам постоянного тока.
9
Рисунок 13
Рисунок 14
Для автоматического переключения полюсов ротора служит коллектор. Он
представляет собой пару закрепленных на валу ротора пластин, к которым подключены
обмотки ротора. Ток на эти пластины подается через токоснимающие контакты (щетки)
(рис 14). При повороте ротора на 180° пластины меняются местами — это автоматически
меняет направление тока и, следовательно, полюсы подвижного электромагнита. Так как
одноименные полюсы взаимно отталкиваются, катушка продолжает вращаться, а ее
полюсы притягиваются к соответствующим полюсам на другой стороне магнита.
Число оборотов ротора (вала машины) за единицу времени называют частотой
вращения электрической машины.
. Сложность заключается в том, чтобы добиться непрерывного вращения двигателя. А
для этого надо сделать так, чтобы полюс подвижного электромагнита, притянувшись к
противоположному полюсу статора, автоматически менялся на противоположный —
тогда ротор не замрет на месте, а повернется дальше — по инерции и под действием
возникшего в этот момент отталкивания.
10
Лабораторная работа №1 «Основные принципы работы электродвигателя»
Основой любого электродвигателя, является провод с током, вокруг которого
возникает магнитное поле. Поэтому поле сильного магнита взаимодействует на
проводом с током.
Опыт 1: Демонстрация взаимодействия прямого проводника с током и внешнего
магнитного поля.
Цель опыта: показать действие магнитного поля на прямой проводник с током.
Оборудование: лабораторный штатив, прямо проводник на нитях, U-образный магнит,
источник тока, переключатель (рис 15, 16, 17).
Рисунок 15
Рисунок 16
Рисунок 17
Вывод 1: на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера.
Опыт 2: определение направления выталкивающей силы Ампера на проводник с
током (рис 18).
Рисунок 18
Рисунок 19
Вывод 2: направление движения проводника совпадает с правилом левой руки ( рис 19).
Опыт 3: Зависимость угла поворота рамки от величины магнитного поля и
площади рамки.
Магнитное поле мы посчитали по количеству скрепок. В1=8*В2 ( рис 20, 21).
Рисунок 20
В1
Рисунок 21
В2
11
Рамку с площадью 56,25 см2 (рамка 1), и поместили ее между двумя большими магнитами
с магнитной индукции В1 (рис 22,23).
Рисунок 23
Рисунок 22
Сила тока
Поворот рамки.
0,5А
1А
1,5А
2А
55º
92º
130º
160º
Таблица 1
Вывод3: Пуская различный ток
по рамке, мы убедились, что чем
больше ток, тем угол поворота рамки
больше. На рамку с током в магнитном
поле действует вращающий момент
М=IBS, что и приводит к движению
электродвигателя (рис 24).
Рисунок 24
Опыт 4: Мы повторили опыт 3, но только с парой маленьких магнитов (В2)
( рис25).
Сила тока
0,5А
1А
2А
Поворот
рамки.
9º
15º
35º
Таблица 2
Рисунок 25
12
Вывод 4: Сравнив таблицу 1 и таблицу 2 можно сделать вывод, что угол поворота рамки
зависит от магнитного поля
Опыт 5: Рамку, площадь которой равна 12,5 см2 (рамка 2). Так же поместили,
между двумя большими магнитами. Постепенно изменяя силу тока, мы зафиксировали
изменения величины угла поворота рамки.
(рис 26).
Сила тока Поворот
рамки.
0,5А
40º
1А
65º
2А
90º
Таблица 3
Рисунок 26
Проделывая этот опыт с парой маленьких магнитов, рамка с током не откланяется, т.к.
магнитное поле очень маленькое.
Вывод 5: С помощью ряда опытов было доказано, что поворот угла рамки зависит от
силы магнитного поля и площади рамки с током.
α~B I S
То есть, чем больше площадь рамки больше магнитное поле, тем больше угол поворота
рамки.
13
Лабораторная работа №2 « Определение основных характеристик
электродвигателя»
Опыт 6:. Определение основных характеристик школьных двигателей.
1. определение полезной мощности школьного электродвигателя.
2. определение затраченной мощности
3. определение КПД
Электродвигатель №1:
Рисунок 27
Электродвигатель №2:
Рисунок 28
1. Определим полезную мощность электрического двигателя№1.(рис 27)
Возьмем груз, массой 0,01кг и привяжем его на веревку длинной 80 см (рис 29).
Рисунок 29
Электрический двигатель поднимает этот груз за 4,2 секунды. От сюда следует, что полезная
мощность этого электродвигателя составляет: 0.01*9,8*0.8/4,2= 0,0186Вт.
Полезная мощность второго электродвигателя (рис 28) составляет 0,098Вт. Т.к. он поднимает
точно такой же груз за 0,8с (Nп=0.01*9,8*0,8/0,8=0,098Вт.
2. Дальше определим затраченную мощность электродвигателей. Nз=I*U.
При работе 1 электродвигателя I равно 2А и напряжение =3Вт. А сила тока второго
электродвигателя равна 0,25А. напряжение =2Вт. Это дает нам знать, что Nз электродвигателя
№1 равна 2*3= 6 Вт .У второго двигателя Nз=0,25*2= 0,5 Вт.
3. Работа А= N*t, где t время работы двигателя.
4. Найдем КПД (Коэффициент Полезного Действия). КПД = Nполезная/ Nзатраченная
КПД первого электродвигателя =0,31%
КПД второго электродвигателя=19,6%
Электродвигатель №1
Nполезная
0,0186Вт.
Электродвигатель №2
0,098Вт.
14
Nзатраченная
КПД
0,5 Вт
0,31%
6 Вт.
19,6%
Таблица 4
Вывод 6: Мы определили и сравнили основные характеристики двух разных
электродвигателей. (КПД хорошего электрического двигателя равно около 77%)
Лабораторная работа №3 «Создание простейших моделей электродвигателя»
Модель 1
1.
Возьмем батарейку, шуруп, магнит и проводок (рис 30). Соединили магнит со шляпкой
шурупа, и подвесили их к «+» батарейки. Проводом соединили «-» батарейки и шляпку
шурупа с магнитом. В итоге шуруп начинает крутиться вокруг своей оси (рис 31).
Рисунок 30
Рисунок 31
Модель 2
2. Возьмем батарейку, медную проволоку и магнит (рис 32). Из проволоки сделаем
рамку (рис 33), так, чтобы рамка соприкасалась с магнитом и «+» батарейки. В итоге
рамка начинает вращаться вокруг батарейки (рис 34).
Рисунок 32
Рисунок 33
Рисунок 34
15
Модель 3
3. Мы взяли магнит, круглую рамку, проволоку, батарейку, зажимы «крокодильчики»
(рис 35).
Рисунок 35
Источник тока (батарейка) соединили с рамкой (рис 36). Под рамку положили магниты, и
увидели что, рамка начинает вращаться вокруг своей оси (рис 37).
Рисунок 37
Рисунок 36
Вывод 7: С помощью источника тока (батарейки) магнита, и провода можно создать
простейший электродвигатель, действующий по принципу вращения магнитной рамки
(опыт №3).
Опыт 7: Зависимость частоты вращения от величины магнитного поля. Мы взяли
источник тока, круглую рамку, 2 пары разных магнитов и зажимы «крокодильчики» (рис
38).
Рисунок 38
16
Сначала мы сделаем электродвигатель как это показано в опыте 7.3 с маленькой парой
магнитов и найдем частоту вращения рамки (рис 39).
Рисунок 39
За тридцать секунда рамка в магнитном поле В2 и делает 87 оборотов вокруг своей оси.
Отсюда следует, что частота вращения рамки в маленьком магнитном поле равна 2,9 Гц.
Дальше проделаем все тоже самое только, с парой больших магнитов (В1)(рис 40).
Рисунок 40
За то же время рамка делает 146 оборотов и частота вращения равна 4,86 Гц.
T(c)
N
(Гц)
рамка в магнитном поле В1
30
146
4,86
рамка в магнитном поле В2
30
87
2,9
Таблица 5
Вывод 8: Чем больше магнитное поле, чем больше частота вращения рамки в нем
(табл.5).
17
Итоговый тест
Электродвигатель- это
Устройство для накопления заряда и энергии
Устройство, образующее механическую энергию в электрическую
Устройство, превращающее электрическую энергию в кинетическую.
Электрические двигатели применяются в
Телефонах, калькуляторах
Троллейбусах, радиоуправляемых машинках
Часах, гирлянде
Принципиальную возможность построения электродвигателя показал
П. Барлоу
Дж. Генри
М. Фарадей
В каком году Борис Якоби создал первый в мире пригодный
электродвигатель, с вращающимся якорем?
a) 1821г
b) 1831г
c) 1834г
5. Мощность первого двигателя Якоби составила
a) 15 Вт
b) 20 Вт
c) 25 Вт
6. Электромагнитная индукция – это
a) закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок
проводника с током.
b) явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении
магнитного потока, проходящего через него.
c) Способность тела проводить электрический ток
7. Неподвижная часть электродвигателя постоянного тока называется...
a) Якорь
b) Статор
c) Индуктор
8. Кто открыл явление электромагнитной индукции?
a) Эрстед
b) Кулон
c) Фарадей
9. Как определяется направление силы Ампера?
a) по правилу буравчика
b) по правилу правой руки
c) по правилу левой руки
d) без правил — это очевидно для каждого случая
10. Значение силы, действующей на проводник с током в магнитном поле:
a) F= IBsin a
b) F= IBL sin a
c) F=qvB sin a
18
1.
a)
b)
c)
2.
a)
b)
c)
3.
a)
b)
c)
4.
4. Значение электронного обучающегося ресурса
Подводя итоги, можно сделать вывод о том, что данный электронный учебник:
1) облегчает понимание изучаемого материала за счет иных, нежели в печатной учебной
литературе, способов подачи материала:
2) предоставляет возможности для самопроверки;
3) позволяет преподавателю проводить занятие в форме самостоятельной работы за
компьютерами, оставляя за собой роль руководителя и консультанта;
4) позволяет преподавателю с помощью компьютера быстро и эффективно
контролировать знания учащихся, задавать содержание и уровень;
5) позволяет использовать компьютерную поддержку для решения большего количества
задач, освобождает время для анализа полученных решений и их графической
интерпретации.
6) позволяет индивидуализировать работу с учащимися, особенно в части, касающейся
домашних заданий и контрольных мероприятий.
19
5.Заключение:
В ходе работы:
1. Была исследована школьная модель электродвигателя
2. Изучена история возникновения электрического двигателя.
3. Исследована конструкция электрического двигателя.
4. Проведены измерения основных параметров электродвигателя на примере
школьной модели.
5. Предложены простейшие модели электродвигателей.
6. Разработана серия экспериментов, наглядно демонстрирующих школьникам
основные принципы работы электродвигателя.
7. Разработан тест, для проверки изученного материала.
8. С помощи программы CourseLab был создан электронный обучающий ресурс
«Принципы работы электродвигателей»
Рисунок 41
20
6.Список литературы:
1) Ломоносов В.Ю. Поливанов К. М. Михайлов О.П. «Электротехника», Москва
«Энергоатом издат»,1990
2) Поляков В.А. «Электротехника 9-10», Москва «Просвещение», 1982
3) Перышкин А.В. Родина Н.А. «Учебник по физике 8 класс», Москва
«Просвещение», 1998
4) Касьянов В.А. «Учебник по физике 11 класс», Москва «Дрофа», 2004
5) Кацман М.М. «Электрические машины», Москва «Высшая школа», 2001
6) Иванов И.М. Мац Я.Д. Могилевский М.М. Россов Ю.Б. «Электротехника», Москва
«Воениздат», 1988
7) www.wikipedia.ru
8) www.electrolibrary.ru
9) www.nplit.ru
10) www.courselab.ru
21