Лабораторная работа 2, страница 414 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ²

№ 2. ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Цель работы: изучить одно из самых важных явлений электромагнетизма — явление электромагнитной индукции.

Оборудование: источник тока, гальванометр, катушка 1, железный сердечник, U-образный магнит, магнитная стрелка, реостат, ключ, витки проволоки или катушка 2, диаметр которой больше диаметра катушки 1, соединительные провода.

Подготовительный этап

1. Соберите схему согласно рисунку Л.3. В катушку вставьте железный сердечник. Замкните цепь, заметьте при этом, в какую сторону отклонится стрелка гальванометра. С помощью магнитной стрелки установите расположение магнитных полюсов катушки. В дальнейшем при выполнении работы можно будет судить о расположении магнитных полюсов катушки с током по направлению отклонения стрелки гальванометра.

2. Отключите от цепи реостат и ключ, замкните гальванометр на катушку, сохранив порядок соединения их клемм.

Порядок выполнения работы

1. Приставьте сердечник к одному из полюсов U-образного магнита и вдвиньте внутрь катушки (рис. Л.4), наблюдая одновременно за стрелкой гальванометра.

2. Повторите наблюдение, выдвигая сердечник из катушки, а также меняя полюсы магнита.

3. Зарисуйте схему опыта и проверьте выполнение правила Ленца в каждом случае.

4. Наденьте вторую катушку или витки проволоки на первую катушку так, чтобы их оси совпадали. Замкните гальванометр на витки или вторую катушку (рис. Л.5).

5. Вставьте в обе катушки железный сердечник и присоедините первую катушку через выключатель и реостат к источнику питания (см. рис. Л.5).

6. Замыкая и размыкая ключ, наблюдайте за отклонением стрелки гальванометра.

7. Зарисуйте схему опыта и проверьте выполнение правила Ленца.

Подготовительный этап

1. Соберите схему согласно рисунку Л.3. В катушку вставьте железный сердечник. Замкните цепь, заметьте при этом, в какую сторону отклонится стрелка гальванометра. С помощью магнитной стрелки установите расположение магнитных полюсов катушки. В дальнейшем при выполнении работы можно будет судить о расположении магнитных полюсов катушки с током по направлению отклонения стрелки гальванометра.

Решение:

При замыкании ключа в цепи, собранной по схеме на рисунке Л.3, по катушке начинает протекать электрический ток от источника. Катушка с железным сердечником становится электромагнитом. Протекающий ток регистрируется гальванометром, стрелка которого отклоняется в определенную сторону. Это отклонение является исходным для данной работы и позволяет откалибровать прибор.

Направление тока в катушке можно определить, зная полярность источника. По правилу правой руки (или правилу буравчика) можно определить направление линий магнитного поля, создаваемого катушкой, и, следовательно, расположение ее северного (N) и южного (S) полюсов. Например, если смотреть на катушку сверху и ток течет по часовой стрелке, то верхний торец катушки будет южным полюсом (S), а нижний — северным (N).

Расположение полюсов можно проверить с помощью магнитной стрелки (компаса): северный полюс стрелки будет отталкиваться от северного полюса электромагнита и притягиваться к южному. Запомнив, какому направлению отклонения стрелки гальванометра соответствует какое направление тока (и, соответственно, какое расположение полюсов), можно в последующих опытах по направлению индукционного тока определять полярность наведенного магнитного поля.

Ответ: При замыкании цепи стрелка гальванометра отклоняется, что указывает на наличие тока. Катушка становится электромагнитом, полюсы которого определяются направлением тока. Сопоставление направления отклонения стрелки гальванометра с расположением полюсов электромагнита позволяет откалибровать систему для последующих измерений индукционного тока.

2. Отключите от цепи реостат и ключ, замкните гальванометр на катушку, сохранив порядок соединения их клемм.

Решение:

На этом этапе из электрической цепи исключаются источник тока, ключ и реостат. Катушка напрямую подключается к гальванометру. В результате получается замкнутый контур, состоящий только из катушки и измерительного прибора. Эта схема (показана на рис. Л.4) предназначена для обнаружения и измерения индукционных токов, которые могут возникнуть в катушке при изменении внешнего магнитного поля.

Ответ: Собрана электрическая цепь для проведения опытов по наблюдению явления электромагнитной индукции. Цепь состоит из катушки, соединенной с гальванометром, и готова к обнаружению индукционного тока.

Порядок выполнения работы

1. Приставьте сердечник к одному из полюсов U-образного магнита и вдвиньте внутрь катушки (рис. Л.4), наблюдая одновременно за стрелкой гальванометра.

Решение:

Когда магнит вдвигается в катушку, магнитный поток $Φ$, пронизывающий витки катушки, изменяется (увеличивается). Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменение магнитного потока во времени приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) индукции в контуре: $ε_{ind} = - \frac{ΔΦ}{Δt}$.

Поскольку цепь замкнута, возникшая ЭДС индукции создает в катушке индукционный ток $I_{ind} = \frac{ε_{ind}}{R}$, где $R$ — полное сопротивление цепи. Гальванометр зафиксирует этот ток, и его стрелка отклонится. Отклонение будет наблюдаться только в процессе движения магнита, так как только в этом случае изменяется магнитный поток. Когда движение прекратится, стрелка гальванометра вернется в нулевое положение.

Ответ: При вдвигании магнита в катушку стрелка гальванометра отклоняется, что свидетельствует о возникновении в цепи индукционного тока. Это происходит из-за изменения магнитного потока через катушку.

2. Повторите наблюдение, выдвигая сердечник из катушки, а также меняя полюсы магнита.

Решение:

Наблюдения будут следующими:

• Выдвигание магнита из катушки: При выдвигании магнита (например, северного полюса) магнитный поток через катушку уменьшается. Это снова изменение потока, которое индуцирует ток. Однако, поскольку поток теперь уменьшается, а не увеличивается, направление ЭДС индукции и индукционного тока, согласно правилу Ленца, будет противоположным тому, что наблюдалось при вдвигании магнита. Стрелка гальванометра отклонится в противоположную сторону.
• Изменение полюса магнита: Если теперь вдвигать в катушку южный полюс магнита вместо северного, направление линий магнитного поля будет противоположным. Следовательно, изменение магнитного потока также будет иметь противоположный знак по сравнению с вдвиганием северного полюса. Индуцированный ток потечет в том же направлении, что и при выдвигании северного полюса, и стрелка гальванометра отклонится в ту же сторону.
• Выдвигание южного полюса: При выдвигании южного полюса из катушки магнитный поток будет уменьшаться. Направление индуцированного тока будет противоположным по сравнению с вдвиганием южного полюса, то есть таким же, как при вдвигании северного полюса.

Ответ: Направление индукционного тока (и отклонения стрелки гальванометра) зависит как от направления движения магнита (вдвигается или выдвигается), так и от того, какой полюс магнита используется. Изменение любого из этих двух факторов меняет направление тока на противоположное. Изменение обоих факторов одновременно приводит к тому, что направление тока остается прежним.

3. Зарисуйте схему опыта и проверьте выполнение правила Ленца в каждом случае.

Решение:

Схема опыта представляет собой катушку, к клеммам которой подключен гальванометр. Рядом с катушкой изображается магнит со стрелкой, указывающей направление его движения.

Проверка правила Ленца:

Правило Ленца гласит, что индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшему этот ток.

• Вдвигание северного полюса (N): Внешний магнитный поток, направленный внутрь катушки, увеличивается. Индуцированный ток создаст собственное магнитное поле, направленное из катушки (встречно), чтобы скомпенсировать это увеличение. Верхний торец катушки станет северным полюсом (N), отталкивающим вносимый магнит.
• Выдвигание северного полюса (N): Внешний магнитный поток, направленный внутрь катушки, уменьшается. Индуцированный ток создаст магнитное поле, направленное внутрь катушки (согласно), чтобы поддержать убывающий поток. Верхний торец катушки станет южным полюсом (S), притягивающим удаляющийся магнит.
• Вдвигание южного полюса (S): Внешний магнитный поток, направленный из катушки, увеличивается. Индуцированный ток создаст поле, направленное внутрь катушки, чтобы противодействовать этому изменению. Верхний торец катушки станет южным полюсом (S), отталкивающим вносимый магнит.
• Выдвигание южного полюса (S): Внешний магнитный поток, направленный из катушки, уменьшается. Индуцированный ток создаст поле, направленное из катушки, чтобы поддержать поток. Верхний торец катушки станет северным полюсом (N), притягивающим удаляющийся магнит.

Зная полярность наводимого поля, по правилу правой руки можно определить направление индукционного тока в каждом из четырех случаев и убедиться, что оно соответствует отклонению стрелки гальванометра, откалиброванного на подготовительном этапе.

Ответ: Во всех четырех случаях (вдвигание/выдвигание северного/южного полюса) направление индукционного тока, наблюдаемое по отклонению стрелки гальванометра, совпадает с направлением, предсказанным по правилу Ленца. Правило Ленца выполняется.

4. Наденьте вторую катушку или витки проволоки на первую катушку так, чтобы их оси совпадали. Замкните гальванометр на витки или вторую катушку (рис. Л.5).

Решение:

Выполняется сборка установки для демонстрации явления взаимной индукции. Установка состоит из двух катушек, расположенных на общей оси (соосно). Одна катушка (первичная) будет подключаться к источнику тока, а вторая (вторичная) — к гальванометру. Гальванометр во вторичной цепи будет регистрировать ток, индуцированный в ней из-за изменения тока в первичной цепи.

Ответ: Собрана система из двух катушек (трансформатор), где вторичная катушка подключена к гальванометру для обнаружения индукционного тока, возникающего под действием магнитного поля первичной катушки.

5. Вставьте в обе катушки железный сердечник и присоедините первую катушку через выключатель и реостат к источнику питания (см. рис. Л.5).

Решение:

Завершается сборка схемы, изображенной на рисунке Л.5. Железный сердечник, вставленный в обе катушки, служит для усиления магнитного поля и обеспечения того, чтобы практически весь магнитный поток, создаваемый первичной катушкой, проходил через вторичную. Первичная катушка подключается к источнику питания через ключ и реостат, образуя первичную цепь. Вторичная катушка с гальванометром образует вторичную цепь. Система готова к проведению эксперимента.

Ответ: Собрана полная схема для изучения явления взаимной индукции, состоящая из первичной цепи (источник, ключ, реостат, первичная катушка) и вторичной цепи (вторичная катушка, гальванометр), связанных общим железным сердечником.

6. Замыкая и размыкая ключ, наблюдайте за отклонением стрелки гальванометра.

Решение:

• При замыкании ключа: В первичной цепи ток возрастает от нуля до некоторого постоянного значения. Это нарастание тока создает в первичной катушке изменяющееся (возрастающее) магнитное поле. Это переменное магнитное поле порождает изменяющийся магнитный поток через вторичную катушку, что, в свою очередь, индуцирует в ней ЭДС и индукционный ток. Гальванометр зафиксирует этот ток кратковременным отклонением стрелки. Как только ток в первичной цепи станет постоянным, магнитный поток перестанет меняться, и индукционный ток во вторичной цепи исчезнет (стрелка вернется на ноль).
• При размыкании ключа: Ток в первичной цепи спадает от своего постоянного значения до нуля. Это создает изменяющееся (убывающее) магнитное поле. Убывающий магнитный поток через вторичную катушку снова индуцирует в ней ток. Поскольку изменение потока (убывание) противоположно по знаку изменению при замыкании (возрастанию), индукционный ток потечет в противоположном направлении. Стрелка гальванометра кратковременно отклонится в другую сторону и вернется на ноль.

Ответ: Стрелка гальванометра отклоняется в одну сторону в момент замыкания ключа и в противоположную сторону в момент размыкания. В промежутке, когда ключ замкнут и ток в первичной цепи постоянен, индукционный ток отсутствует и стрелка находится на нуле.

7. Зарисуйте схему опыта и проверьте выполнение правила Ленца.

Решение:

Схема опыта должна включать две соосные катушки на общем сердечнике. Первичная катушка включена в цепь с источником тока и ключом. Вторичная катушка замкнута на гальванометр.

Проверка правила Ленца:

• При замыкании ключа: Допустим, ток в первичной катушке создает магнитное поле, направленное вверх. При замыкании ключа этот восходящий магнитный поток увеличивается. Согласно правилу Ленца, индукционный ток во вторичной катушке создаст собственное магнитное поле, направленное вниз, чтобы противодействовать этому увеличению. По правилу правой руки можно определить направление тока во вторичной обмотке, которое создаст такое поле.
• При размыкании ключа: Восходящий магнитный поток, созданный током в первичной катушке, уменьшается. Чтобы противодействовать этому уменьшению (т.е. поддержать поток), индукционный ток во вторичной катушке создаст собственное магнитное поле, также направленное вверх. Это потребует протекания тока в направлении, противоположном тому, что было при замыкании цепи.

Наблюдаемые направления отклонения стрелки гальванометра в моменты замыкания и размыкания ключа должны соответствовать направлениям тока, предсказанным на основе правила Ленца.

Ответ: Наблюдения подтверждают правило Ленца: индукционный ток во вторичной цепи в момент замыкания ключа создает магнитное поле, противодействующее нарастанию потока от первичной катушки, а в момент размыкания — поле, препятствующее убыванию потока.