Номер 4, страница 10 - гдз по физике 11 класс тетрадь для лабораторных работ Парфентьева

Лабораторная работа № 1. Взаимодействие постоянного тока с магнитным полем - номер 4, страница 10.

Условие.

4. Результаты и выводы

Первый опыт.

Нарисуйте катушку и покажите направления полюсов её магнитного поля.

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

Второй опыт.

Покажите направление тока в мотке проволоки (пункт 3).

Объясните результаты опытов.

Решение.

Первый опыт.

Нарисуйте катушку и покажите направления полюсов её магнитного поля.

Катушка с током (соленоид) создаёт вокруг себя магнитное поле, подобное полю постоянного полосового магнита. У неё есть два полюса: северный (N) и южный (S). Направление полюсов можно определить с помощью правила правой руки: если обхватить катушку ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены по направлению тока в витках, то отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление на северный полюс (N) внутри катушки. Магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный.

Ответ: На рисунке изображена катушка, по которой течет ток $I$. Согласно правилу правой руки, слева у катушки образуется северный полюс (N), а справа — южный (S). Линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный.

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

Сила взаимодействия $F$ электромагнита (катушки с током) с постоянным магнитом прямо пропорциональна силе тока $I$ в катушке. Это связано с тем, что магнитное поле катушки $B$ прямо пропорционально силе тока ($B \sim I$), а сила, действующая на магнит, пропорциональна этому полю ($F \sim B$). Таким образом, $F \sim I$. График этой зависимости представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат.

Предположим, в ходе опыта были получены следующие данные:
Сила тока I, А: 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5
Сила взаимодействия F, мН: 2.0, 4.0, 6.0, 8.0, 10.0
Построим по этим данным график.

Вывод: Сила взаимодействия катушки с магнитом прямо пропорциональна силе тока, протекающего через катушку. Увеличение силы тока приводит к увеличению силы магнитного поля катушки и, как следствие, к увеличению силы взаимодействия.

Ответ: График зависимости силы взаимодействия от силы тока является прямой линией, проходящей через начало координат. Вывод: сила взаимодействия катушки с магнитом прямо пропорциональна силе тока в ней.

Второй опыт.

Покажите направление тока в мотке проволоки (пункт 3).

Для определения направления индукционного тока необходимо знать, как изменяется магнитный поток через катушку. Предположим, что к катушке, замкнутой на гальванометр, приближают постоянный магнит северным полюсом (N), как показано на рисунке.

Согласно закону электромагнитной индукции (закону Фарадея) и правилу Ленца, в катушке возникнет индукционный ток такого направления, что его собственное магнитное поле будет препятствовать изменению внешнего магнитного потока. В данном случае, так как северный полюс магнита приближается, магнитный поток через катушку увеличивается. Чтобы противодействовать этому, катушка создаст собственное магнитное поле, направленное навстречу полю магнита. Это означает, что торец катушки, обращенный к магниту, станет северным полюсом (N).

Используя правило правой руки для катушки, можно определить направление тока. Если большой палец правой руки направить от катушки (вдоль её оси, в сторону создаваемого северного полюса), то согнутые пальцы укажут направление тока в витках. Если смотреть со стороны приближающегося магнита, ток будет течь против часовой стрелки.

Ответ: На рисунке показан случай приближения магнита северным полюсом к катушке. Индукционный ток течет так, чтобы создать северный полюс на ближнем к магниту торце катушки. Если смотреть со стороны магнита, ток течет против часовой стрелки.

Объясните результаты опытов.

Первый опыт демонстрирует принцип действия электромагнита. Протекающий по катушке электрический ток создает вокруг нее магнитное поле. Величина индукции этого поля $B$ прямо пропорциональна силе тока $I$ в катушке (для длинного соленоида $B = \mu_0 n I$, где $n$ — число витков на единицу длины, $\mu_0$ — магнитная постоянная). Сила $F$, с которой это магнитное поле действует на постоянный магнит, в свою очередь, пропорциональна индукции поля $B$. Следовательно, сила взаимодействия $F$ прямо пропорциональна силе тока $I$. Экспериментальные данные, отраженные на графике в виде прямой, подтверждают эту теоретическую зависимость.

Второй опыт иллюстрирует явление электромагнитной индукции. Это явление заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. В данном опыте движение постоянного магнита относительно катушки вызывает изменение магнитного потока через витки катушки, что и приводит к появлению индукционного тока, регистрируемого гальванометром. Направление индукционного тока определяется правилом Ленца: возникающий в контуре индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван этот ток. Именно поэтому при приближении северного полюса магнита катушка сама становится электромагнитом с северным полюсом, обращенным к магниту, создавая силу отталкивания.

Ответ: Результаты первого опыта объясняются прямой пропорциональностью силы магнитного поля электромагнита силе тока в его обмотке. Результаты второго опыта объясняются явлением электромагнитной индукции и правилом Ленца, согласно которому индукционный ток создает магнитное поле, препятствующее изменению внешнего магнитного потока.