Страница 40 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. Сформулируйте основные результаты опытов Перегрина.

Сформулируйте основные результаты опытов Перегрина.

Основные результаты экспериментов французского ученого Пьера де Марикура (Петра Перегрина), изложенные в его трактате «Письмо о магните» (Epistola de magnete) в 1269 году, стали фундаментом для дальнейшего изучения магнетизма. Эти результаты были получены им на основе многочисленных опытов с природными магнитами (магнетитом).

Ключевые выводы опытов Перегрина:

• Открытие магнитных полюсов. Перегрин первым четко установил, что у любого магнита есть две противоположные области, где магнитная сила проявляется наиболее сильно. Он назвал их полюсами — северным и южным, по аналогии с полюсами Земли. Он разработал методику их нахождения с помощью маленькой железной иголки.

• Установление закона взаимодействия полюсов. Путем экспериментов он сформулировал фундаментальный закон: одноименные полюса (северный к северному или южный к южному) отталкиваются, а разноименные (северный к южному) — притягиваются.

• Принцип невозможности разделения полюсов. Перегрин обнаружил, что если магнит разломить на две или более частей, то невозможно получить отдельный северный или южный полюс. Каждая из частей сама становится полноценным магнитом, у которого есть собственная пара северного и южного полюсов.

• Идея силовых линий магнитного поля. Хотя сам термин «силовые линии» был введен гораздо позже Майклом Фарадеем, Перегрин, по сути, был первым, кто их визуализировал. Он помещал на сферический магнит (который он называл «террелла» — маленькая Земля) маленькие железные опилки или иголки и зарисовывал их расположение. Он заметил, что они образуют линии, которые выходят из одного полюса и сходятся у другого, опоясывая магнит подобно меридианам на глобусе.

• Усовершенствование компаса. Он предложил конструкцию «сухого» компаса, где магнитная стрелка была установлена на острие, что обеспечивало свободное вращение с минимальным трением. Такой компас был точнее, чем ранее использовавшиеся компасы с иглой, плавающей в воде. Кроме того, он добавил к компасу алидаду (поворотную линейку с визирами) и круговую шкалу, что позволило использовать его для точного определения азимутов.

Ответ: Основными результатами опытов Перегрина являются: открытие у магнита двух полюсов (северного и южного); установление закона их взаимодействия (одноименные отталкиваются, разноименные притягиваются); доказательство невозможности существования магнита с одним полюсом; первое описание силовых линий магнитного поля и усовершенствование конструкции компаса.

2. Приведите пример опыта, подтверждающего взаимодействие магнитов.

Простой и наглядный опыт, подтверждающий взаимодействие магнитов, можно провести с помощью двух полосовых (или стержневых) магнитов. У таких магнитов обычно обозначены полюса: северный (N) и южный (S).

Описание опыта:

1. Положим один магнит на гладкую горизонтальную поверхность (например, на стол), чтобы минимизировать трение и позволить ему свободно двигаться.

2. Возьмём второй магнит в руку и будем медленно подносить его к первому магниту, сближая их разноимённые полюса (например, северный полюс второго магнита к южному полюсу первого).

Наблюдение 1: Мы увидим, что лежащий на столе магнит начнёт двигаться навстречу магниту в руке. Магниты притягиваются друг к другу.

3. Теперь повторим эксперимент, но развернём магнит в руке так, чтобы сближать одноимённые полюса (например, северный полюс второго магнита к северному полюсу первого).

Наблюдение 2: Мы почувствуем силу сопротивления, а лежащий на столе магнит начнёт двигаться в противоположную сторону, отталкиваясь от магнита в руке.

Вывод: Этот опыт доказывает, что магниты взаимодействуют между собой на расстоянии. Это взаимодействие проявляется в виде сил притяжения между разноимёнными полюсами и сил отталкивания между одноимёнными полюсами.

Ответ: Опыт, в котором два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными, подтверждает существование взаимодействия между магнитами.

3. Какие опытные факты подтверждают существование магнитного поля Земли?

Существование магнитного поля Земли подтверждается целым рядом опытных фактов и наблюдений, как на поверхности планеты, так и в космосе.

1. Поведение стрелки компаса

Самым известным и древним доказательством является поведение магнитной стрелки компаса. Будучи небольшим постоянным магнитом, стрелка компаса, свободно вращающаяся в горизонтальной плоскости, всегда ориентируется вдоль силовых линий магнитного поля. Тот факт, что в любой точке Земли она почти точно указывает одним концом на север, а другим на юг, свидетельствует о наличии у нашей планеты глобального магнитного поля, подобного полю огромного стержневого магнита.

Ответ: Ориентация стрелки компаса в направлении север-юг является прямым и наиболее очевидным доказательством существования магнитного поля Земли.

2. Полярные сияния

Полярные сияния (северное и южное) — это красочное свечение в верхних слоях атмосферы. Это явление возникает, когда заряженные частицы, летящие от Солнца (солнечный ветер), попадают в магнитное поле Земли. Поле захватывает эти частицы и направляет их по спиральным траекториям к магнитным полюсам планеты. Там частицы сталкиваются с атомами и молекулами атмосферных газов (кислорода и азота), вызывая их свечение. Таким образом, форма и местоположение полярных сияний напрямую определяются структурой земного магнитного поля.

Ответ: Наблюдение полярных сияний преимущественно в приполярных регионах доказывает, что магнитное поле Земли взаимодействует с космическими частицами и направляет их.

3. Магнитное склонение и наклонение

Точные измерения показывают, что магнитное поле Земли неоднородно. Существуют два важных параметра, доказывающих его наличие и сложную структуру:

• Магнитное склонение — угол между направлением, которое показывает компас (магнитный меридиан), и направлением на истинный географический север (географический меридиан). Этот угол различен для разных точек на Земле.
• Магнитное наклонение — угол, который образует с горизонтальной плоскостью свободно подвешенная магнитная стрелка, способная вращаться в вертикальной плоскости. На магнитном экваторе наклонение равно нулю, а у магнитных полюсов достигает 90°.

Систематическое измерение и картирование этих величин по всей планете позволяет детально описать структуру геомагнитного поля.

Ответ: Существование и возможность измерения магнитного склонения и наклонения доказывают наличие у Земли сложного трехмерного магнитного поля.

4. Палеомагнетизм

Геологические данные также служат мощным подтверждением. Когда магматические горные породы (например, базальт) остывают и затвердевают, содержащиеся в них минералы с магнитными свойствами (как магнетит) намагничиваются и ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля Земли, существовавшего в ту эпоху. Это явление, называемое палеомагнетизмом, "записывает" информацию о древнем магнитном поле. Изучая породы разного возраста, ученые установили, что магнитное поле существует уже миллиарды лет и периодически меняло свою полярность (северный и южный магнитные полюса менялись местами).

Ответ: "Магнитная запись" в древних горных породах является неопровержимым опытным фактом, доказывающим существование магнитного поля Земли в прошлом и его изменения во времени.

5. Радиационные пояса Земли

С началом космической эры с помощью спутников вокруг Земли были обнаружены радиационные пояса Ван Аллена. Это гигантские области (в форме торов), в которых магнитное поле Земли удерживает захваченные из космоса заряженные частицы высокой энергии (протоны и электроны). Без мощного магнитного поля эти частицы не могли бы быть удержаны в околоземном пространстве.

Ответ: Обнаружение радиационных поясов, удерживаемых вокруг планеты, является прямым наблюдательным фактом, подтверждающим существование магнитосферы Земли.

4. Почему железные опилки упорядоченно располагаются вблизи постоянного магнита?

Железные опилки упорядоченно располагаются вблизи постоянного магнита, потому что они наглядно визуализируют его магнитное поле. Этот эффект объясняется несколькими ключевыми физическими явлениями.

Во-первых, постоянный магнит создает в окружающем пространстве невидимое силовое поле, которое называется магнитным. Для графического изображения этого поля используют магнитные силовые линии – воображаемые кривые, которые показывают направление и интенсивность поля. По соглашению, эти линии выходят из северного полюса магнита (N) и входят в южный (S).

Во-вторых, железо, из которого сделаны опилки, является ферромагнетиком. Ферромагнитные материалы обладают уникальным свойством сильно намагничиваться при помещении во внешнее магнитное поле. Когда железная опилка оказывается в поле постоянного магнита, она сама на время становится маленьким магнитом со своими собственными северным и южным полюсами. Этот процесс называется магнитной индукцией.

В-третьих, каждая такая намагниченная опилка, подобно стрелке компаса, стремится повернуться и выстроиться вдоль направления магнитной силовой линии в той точке, где она находится. Кроме того, намагниченные опилки начинают притягиваться друг к другу разноименными полюсами (северный полюс одной опилки притягивается к южному полюсу соседней), образуя длинные цепочки.

Таким образом, совокупность этих выстроившихся в цепочки опилок формирует упорядоченный узор, который в точности повторяет картину невидимых магнитных силовых линий. Там, где линии располагаются гуще (как правило, у полюсов магнита), поле сильнее, и опилки скапливаются плотнее.

Ответ: Каждая железная опилка, попадая в магнитное поле, сама намагничивается и становится крошечным магнитом. Эти микромагниты ориентируются вдоль невидимых магнитных силовых линий и притягиваются друг к другу, образуя цепочки. В результате получается упорядоченный узор, который делает видимой структуру магнитного поля постоянного магнита.

5. Какие линии называют линиями магнитного поля?

Решение

Линии магнитного поля (также называемые линиями магнитной индукции или силовыми линиями магнитного поля) – это воображаемые линии, которые используются для наглядного представления магнитного поля в пространстве. Они введены для того, чтобы графически описать распределение и направление вектора магнитной индукции $ \vec{B} $.

Основные свойства линий магнитного поля:

• Направление: В каждой точке пространства касательная к линии магнитного поля совпадает по направлению с вектором магнитной индукции $ \vec{B} $ в этой точке. Условно за направление линий принимают направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля.
• Непрерывность и замкнутость: Линии магнитного поля всегда замкнуты, они не имеют ни начала, ни конца. Это является следствием того, что в природе не существует магнитных зарядов (монополей). Вне магнита линии выходят из северного полюса (N) и входят в южный (S), а внутри магнита они продолжаются от южного полюса к северному, замыкаясь.
• Густота: Густота (плотность) линий характеризует величину (модуль) магнитного поля. Там, где линии гуще, магнитное поле сильнее, а там, где они реже – слабее.
• Не пересекаются: Линии магнитного поля никогда не пересекаются. Если бы они пересекались, то в точке пересечения вектор магнитной индукции имел бы два разных направления одновременно, что физически невозможно.

Например, для прямого проводника с током магнитные линии представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. Для постоянного полосового магнита они образуют картину, выходящую из северного полюса и входящую в южный.

Ответ: Линиями магнитного поля называют воображаемые замкнутые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции. Густота этих линий характеризует величину магнитного поля.