Лабораторная работа 1, страница 413 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ¹

№ 1. НАБЛЮДЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ТОК

Цель работы: исследовать взаимодействие действия тока с постоянным магнитом.

Оборудование: источник тока, реостат, ключ, витки проволоки, катушка, полосовой магнит, штатив, динамометр, амперметр, соединительные провода.

Порядок выполнения работы

Первый опыт

1. На штативе подвесьте динамометр, к динамометру прикрепите магнит, под магнитом расположите катушку и соберите электрическую схему согласно рисунку Л.1.

Рис. Л.1

2. Установите бегунок реостата в положение, соответствующее максимальному сопротивлению.

3. Замкните цепь.

4. Изменяйте силу тока, уменьшая сопротивление реостата, и записывайте показания динамометра в таблицу (таблицу сделайте в тетради).

5. Измените направление тока в катушке. Проведите аналогичные измерения, также записывая результаты измерений в таблицу. Отметьте изменения показаний динамометра.

6. Нарисуйте катушку и обозначьте полюсы её магнитного поля.

7. Постройте график зависимости силы взаимодействия катушки с магнитом от силы тока, сделайте вывод.

Второй опыт

1. На штативе подвесьте витки из проволоки и соберите электрическую схему согласно рисунку Л.2.

Рис. Л.2

2. Поднесите к мотку проволоки магнит и понаблюдайте за движением витков проволоки. Запишите свои наблюдения.

3. Поверните магнит и поднесите его к виткам проволоки другим полюсом. Наблюдения запишите.

4. Измените направление тока в витках проволоки и поднесите к ним магнит сначала одним полюсом, затем другим.

5. Покажите направление тока в витках проволоки.

6. Объясните результаты опытов.

Цель работы: исследовать взаимодействие катушки с током с постоянным магнитом.

Оборудование: источник тока, реостат, ключ, катушка, полосовой магнит, штатив, динамометр, амперметр, соединительные провода.

Первый опыт

1-3. Установка собрана согласно рисунку Л.1. Постоянный магнит подвешен на динамометре. Под ним расположена катушка, подключенная к источнику тока через ключ, амперметр и реостат. Бегунок реостата установлен на максимальное сопротивление.

4. Изменяйте силу тока, уменьшая сопротивление реостата, и записывайте показания динамометра в таблицу.

При замыкании цепи по катушке начинает течь электрический ток. Катушка создает вокруг себя магнитное поле, превращаясь в электромагнит. Согласно схеме (рис. Л.1), ток от положительной клеммы источника течет к катушке. Используя правило правой руки для катушки (если обхватить катушку ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены по току в витках, то отставленный большой палец покажет направление на северный полюс), определяем, что верхний торец катушки является северным полюсом (N).

К катушке обращен южный полюс (S) постоянного магнита. Разноименные полюса притягиваются. Следовательно, катушка будет притягивать магнит, создавая силу, направленную вниз. Эта сила $F_{магн}$ будет складываться с силой тяжести магнита $P$, и показания динамометра $F_{дин}$ увеличатся: $F_{дин} = P + F_{магн}$.

Примем для расчетов, что вес магнита (показания динамометра при выключенном токе) составляет $P = 1,0 \text{ Н}$.

Результаты измерений занесены в таблицу:

5. Измените направление тока в катушке. Проведите аналогичные измерения.

Для изменения направления тока поменяем местами клеммы на источнике питания. Теперь, согласно правилу правой руки, верхний торец катушки станет южным полюсом (S). Южный полюс катушки будет отталкивать южный полюс постоянного магнита. Сила магнитного взаимодействия $F_{магн}$ будет направлена вверх, против силы тяжести. Показания динамометра уменьшатся: $F_{дин} = P - F_{магн}$.

Результаты измерений для случая отталкивания:

Примечание: Отрицательное значение силы означает, что сила отталкивания превысила силу тяжести магнита, и для удержания магнита динамометр должен работать на сжатие (или магнит начнет подниматься).

Ответ: При увеличении силы тока в катушке сила взаимодействия с магнитом увеличивается. При изменении направления тока характер взаимодействия меняется с притяжения на отталкивание, что приводит к уменьшению показаний динамометра.

6. Нарисуйте катушку и обозначьте полюсы её магнитного поля.

Полюсы магнитного поля катушки определяются по правилу правой руки. Если обхватить катушку так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в витках, то большой палец укажет на северный полюс (N). Противоположный торец катушки будет южным полюсом (S).

• При первоначальном подключении (как на рис. Л.1) ток в передней части катушки направлен вниз. По правилу правой руки, северный полюс (N) находится сверху, а южный (S) — снизу.
• При обратном подключении ток в передней части катушки направлен вверх. Северный полюс (N) будет снизу, а южный (S) — сверху.

Ответ: Полюсы катушки определяются направлением тока и находятся с помощью правила правой руки.

7. Постройте график зависимости силы взаимодействия катушки с магнитом от силы тока, сделайте вывод.

Решение:

Для построения графика необходимо рассчитать силу магнитного взаимодействия $F_{магн}$ для каждого опыта. Эта сила является причиной изменения показаний динамометра. Вес магнита $P$ — это показание динамометра при $I = 0$. Мы приняли $P = 1,0 \text{ Н}$.

Силу взаимодействия можно найти по формуле: $F_{магн} = |F_{дин} - P|$.

Рассчитаем значения $F_{магн}$ по данным из первой таблицы (притяжение):

• При $I=0,5 \text{ А}: F_{магн} = |1,2 - 1,0| = 0,2 \text{ Н}$
• При $I=1,0 \text{ А}: F_{магн} = |1,4 - 1,0| = 0,4 \text{ Н}$
• При $I=1,5 \text{ А}: F_{магн} = |1,6 - 1,0| = 0,6 \text{ Н}$
• При $I=2,0 \text{ А}: F_{магн} = |1,8 - 1,0| = 0,8 \text{ Н}$
• При $I=2,5 \text{ А}: F_{магн} = |2,0 - 1,0| = 1,0 \text{ Н}$
• При $I=3,0 \text{ А}: F_{магн} = |2,2 - 1,0| = 1,2 \text{ Н}$

Данные для построения графика:

График зависимости силы взаимодействия $F_{магн}$ от силы тока $I$ представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Это свидетельствует о прямой пропорциональной зависимости между этими величинами: $F_{магн} \sim I$.

Вывод: Сила магнитного взаимодействия между катушкой с током и постоянным магнитом прямо пропорциональна силе тока в катушке. Направление силы (притяжение или отталкивание) зависит от направления тока в катушке, так как оно определяет полярность электромагнита.

Ответ: Сила взаимодействия катушки с магнитом прямо пропорциональна силе тока ($F_{магн} = kI$). Направление силы зависит от направления тока.

Второй опыт

1. Установка собрана согласно рисунку Л.2. Моток проволоки (катушка) подвешен на штативе и может свободно перемещаться.

2. Поднесите к мотку проволоки магнит и понаблюдайте за движением витков проволоки.

Предположим, что ток в передних витках катушки направлен вниз. По правилу правой руки, правый торец катушки является южным полюсом (S), а левый — северным (N). Если поднести к правому торцу катушки северный полюс (N) постоянного магнита, то катушка притянется к магниту, так как разноименные полюса притягиваются.

Ответ: При поднесении к катушке одного из полюсов магнита наблюдается её движение — притяжение или отталкивание.

3. Поверните магнит и поднесите его к виткам проволоки другим полюсом.

Если к тому же правому торцу катушки (S-полюс) поднести южный полюс (S) постоянного магнита, то катушка оттолкнется от магнита, так как одноименные полюса отталкиваются.

Ответ: При смене полюса магнита направление движения катушки меняется на противоположное (притяжение сменяется отталкиванием).

4. Измените направление тока в витках проволоки.

Если изменить направление тока в катушке на противоположное (в передних витках ток течет вверх), то полярность катушки изменится. Правый торец станет северным полюсом (N), а левый — южным (S).

• Если теперь поднести к правому торцу (N) северный полюс (N) магнита, катушка оттолкнется.
• Если поднести к правому торцу (N) южный полюс (S) магнита, катушка притянется.

Ответ: При изменении направления тока в катушке её взаимодействие с магнитом также меняется на противоположное для каждого из полюсов магнита.

5. Покажите направление тока в витках проволоки.

Направление тока определяется подключением к источнику. Ток течет от положительной клеммы («+») к отрицательной («-»). Проследив по проводам, можно определить, в каком направлении ток входит в катушку (например, сверху или снизу) и как он течет по виткам.

Ответ: Направление тока в витках определяется по схеме подключения к источнику тока.

6. Объясните результаты опытов.

Результаты всех опытов объясняются тем, что катушка, по которой течет электрический ток, сама становится магнитом (электромагнитом). У этого электромагнита есть северный и южный полюсы, расположение которых зависит от направления тока в витках и определяется по правилу правой руки. Взаимодействие этого электромагнита с постоянным магнитом подчиняется основному закону магнетизма: одноименные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Поскольку катушка подвешена свободно, эта сила взаимодействия (притяжения или отталкивания) вызывает её видимое движение.

Ответ: Катушка с током создает магнитное поле и ведет себя как магнит. Направление силы взаимодействия (притяжение или отталкивание) с постоянным магнитом зависит от направления тока в катушке и от того, какой полюс магнита к ней поднесен, в соответствии с правилом взаимодействия магнитных полюсов.