Эта странная магнитная сила, страница 130, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 7. Магнитное поле. Параграф 78. Лабораторные и исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 130.

Условие.

ЭТА СТРАННАЯ МАГНИТНАЯ СИЛА

Ученики 8 инженерного класса Петя и Саша на уроках физики ознакомились с информацией учителя о магнитах и свойствах магнитного поля. Одним из таких важных свойств является тот факт, что силовые линии магнитного поля оказываются замкнутыми. Это свидетельствует о том, что магнитное поле в отличие от поля электростатического не является центральным. Как пояснил учитель, нецентральный характер магнитного поля означает, что сила, действующая со стороны магнита на тело или проводник с током, не направлена вдоль линии, соединяющей полюс магнита с отдельными участками этого тела или проводника. Другими словами, полюс магнита нельзя рассматривать как некий центр локализации магнитной силы. Эту особенность магнитного поля, сказал учитель, можно попытаться проверить опытным путём. Например, изучив взаимодействие постоянного магнита и тела, изготовленного из материала, способного намагничиваться (железо, сталь, никель и т. п.). Поэтому учитель предложил Пете и Саше продумать соответствующий эксперимент.

Проведите и вы все необходимые измерения.

Этапы выполнения работы

• В качестве оборудования нам потребуются два тонких полосовых или цилиндрических магнита, динамометр Бакушинского, стеклянная трубка диаметром 1—1,5 см и длиной 20—25 см, железный или стальной шарик, диаметр которого чуть меньше диаметра трубки, нить, штатив.

• С помощью штатива закрепите трубку в вертикальном положении.

• Закреплённый на нити шарик поместите внутрь трубки так, чтобы шарик находился вблизи её нижнего конца. Другой конец нити прикрепите к крючку динамометра. Динамометр также закрепите в лапке штатива.

• Зафиксируйте начальное положение стрелки динамометра (вес шарика).

• Поднесите один из магнитов к нижнему концу трубки таким образом, чтобы магнит, шарик и нить были на одной линии вертикали.

• Измерьте силу $F_1$ воздействия магнита на шарик.

• Аналогичным образом измерьте силу $F_2$ воздействия второго магнита на шарик.

• Соедините оба магнита одноимёнными полюсами и удерживайте их у нижнего конца трубки, соблюдая линию вертикали.

• С помощью динамометра измерьте силу $\text{F}$ воздействия двух магнитов на шарик.

• Результаты измерений занесите в таблицу в своей тетради.

№ опыта	$F_1$, Н	$F_2$, Н	$\text{F}$, Н	$F_{\text{расч}}$, Н

• Проверьте, выполняется ли в данных опытах закон сложения сил, т. е. выполняется ли равенство $F = F_1 + F_2$.

• Если наблюдается значимое различие между силами $\text{F}$ и $F_{\text{расч}} = F_1 + F_2$, то различие необходимо объяснить.

• По результатам измерений сделайте выводы.

• Примечание. Для проведения опытов можно использовать магниты, получаемые на основе химического элемента неодима (Nd). Особенно удобны магниты, составляемые из отдельных небольших магнитиков, например из дисков. Это позволяет изменять магнитную силу каждого магнита.

Решение.

Для выполнения данного эксперимента необходимо следовать описанным этапам. Проведём мысленный эксперимент и проанализируем его результаты.

Решение

1. Сначала соберём установку. Подвесим на динамометр нить с прикреплённым к ней стальным шариком. Зафиксируем показание динамометра — это вес шарика $\text{P}$. Для удобства последующих измерений можно настроить динамометр так, чтобы его начальное показание было равно нулю.

2. Поднесём к шарику снизу первый магнит (северным полюсом вверх, как на рисунке а). Шарик притянется к магниту, и растяжение пружины динамометра увеличится. Новое показание динамометра будет равно $T_1$. Сила притяжения со стороны первого магнита равна разности показаний: $F_1 = T_1 - P$.

3. Уберём первый магнит и поднесём на то же расстояние второй магнит. Измерим показание динамометра $T_2$. Сила притяжения со стороны второго магнита: $F_2 = T_2 - P$.

4. Теперь соединим оба магнита одноимёнными полюсами (как на рисунке б) и поднесём их к шарику. Измерим итоговое показание динамометра $\text{T}$. Суммарная сила притяжения со стороны двух магнитов: $F = T - P$.

5. Занесём гипотетические результаты измерений в таблицу. Предположим, что вес шарика $P = 0.5$ Н, а магниты одинаковые.

№ опыта	$F_1$, Н	$F_2$, Н	$\text{F}$, Н	$F_{расч.}$, Н
1	0.3	0.3	0.8	0.6

В таблице $F_{расч.}$ вычислена как сумма сил $F_1$ и $F_2$.

Проверьте, выполняется ли в данных опытах закон сложения сил, т. е. выполняется ли равенство $F = F_1 + F_2$.

Сравним измеренную силу $\text{F}$ с расчётной силой $F_{расч.} = F_1 + F_2$.
Из таблицы видно, что измеренная сила совместного действия двух магнитов $F = 0.8$ Н.
Расчётная сила, полученная простым сложением сил от каждого магнита по отдельности, равна $F_{расч.} = 0.3 \text{ Н} + 0.3 \text{ Н} = 0.6$ Н.
Сравнивая значения, получаем: $0.8 \text{ Н} \neq 0.6$ Н. Следовательно, равенство $F = F_1 + F_2$ в данном опыте не выполняется.
Ответ: Равенство $F = F_1 + F_2$ в данном опыте не выполняется, так как измеренная суммарная сила $\text{F}$ оказалась больше, чем арифметическая сумма сил $F_1$ и $F_2$.

Если наблюдается значимое различие между силами $\text{F}$ и $F_{расч.} = F_1 + F_2$, то различие необходимо объяснить.

Наблюдаемое различие объясняется особенностями магнитного поля. Сила, действующая на шарик, зависит от свойств магнитного поля в той точке, где находится шарик. Магнитное поле является векторной величиной. Когда мы подносим два магнита, их поля в пространстве складываются векторно: $\vec{B}_{общ} = \vec{B}_1 + \vec{B}_2$.

В нашем случае (рисунок б) магниты расположены так, что их поля в области шарика направлены в одну сторону и усиливают друг друга. Сила, действующая на ферромагнитный шарик, нелинейно зависит от величины магнитной индукции $\text{B}$. Она примерно пропорциональна квадрату индукции поля ($F \propto B^2$).

Когда магниты действуют по отдельности, силы пропорциональны $B_1^2$ и $B_2^2$. Когда они действуют вместе, суммарное поле $B_{общ}$ примерно равно $B_1 + B_2$ (так как поля сонаправлены). Тогда сила от совместного действия будет пропорциональна $(B_1 + B_2)^2 = B_1^2 + B_2^2 + 2B_1B_2$.

Таким образом, сила совместного действия $\text{F}$ оказывается больше, чем простая сумма сил $F_1 + F_2$. Это происходит из-за того, что магниты, работая вместе, создают единое, более мощное и сконцентрированное магнитное поле, которое притягивает шарик значительно сильнее, чем можно было бы ожидать от простого сложения их индивидуальных сил. Это и есть проявление "нецентрального" и нелинейного характера магнитных взаимодействий.
Ответ: Различие объясняется тем, что магнитные поля двух магнитов складываются, создавая новое, более сильное суммарное поле. Сила притяжения зависит от этого суммарного поля нелинейно, поэтому она не равна арифметической сумме сил, создаваемых каждым магнитом в отдельности.

По результатам измерений сделайте выводы.

На основе проведенного эксперимента можно сделать следующие выводы:

1. Магнитная сила не подчиняется простому закону арифметического сложения. Сила взаимодействия двух магнитов с телом не равна сумме сил взаимодействия каждого из этих магнитов с телом по отдельности.

2. Для нахождения результирующей магнитной силы необходимо сначала найти результирующее магнитное поле путем векторного сложения полей от всех источников, а затем уже определять силу, действующую в этом суммарном поле.

3. Эксперимент наглядно демонстрирует сложную природу магнитного поля и подтверждает, что его нельзя рассматривать как простое поле центральных сил, где силы всегда направлены вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие объекты, и аддитивны (просто складываются).
Ответ: Проведенный опыт показывает, что принцип суперпозиции для магнитных сил в простом арифметическом виде ($F=F_1+F_2$) не выполняется. Результирующая сила зависит от сложной конфигурации суммарного магнитного поля, создаваемого несколькими источниками.