Номер 10, страница 176, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Лабораторные работы - номер 10, страница 176.

Условие.

10. Изучение магнитных взаимодействий и магнитного поля катушки с током

Цель работы: изучить взаимодействие постоянных магнитов, взаимодействие между катушкой с током и постоянным магнитом, исследовать магнитное поле катушки с током.

Оборудование: два постоянных магнита (полосовые или подковообразные), магнитная стрелка на подставке (или компас), источник тока, проволочная катушка-моток, реостат, штатив, соединительные провода.

Подготовка к работе

Прочитайте описание работы и повторите § 23, п. 1—3.

Ход работы

1. Изучение взаимодействия постоянных магнитов.

● Наблюдайте, как взаимодействуют полюсы магнитов. Сделайте пояснительные рисунки и запишите выводы.

● Наблюдайте, как взаимодействуют магнитная стрелка и магнит. Сделайте пояснительные рисунки и запишите выводы.

2. Изучение взаимодействия между катушкой с током и постоянным магнитом.

● Соедините катушку последовательно с реостатом и разомкнутым ключом и подключите к источнику тока. Установите ползунок реостата в среднее положение и подвесьте катушку-моток на подводящих проводах к лапке штатива.

● Включите ток в катушке и поднесите к ней какой-либо полюс одного из магнитов. Наблюдайте, как взаимодействуют катушка и различные полюсы магнитов. Сделайте пояснительные рисунки и запишите выводы.

● Изменяя реостатом силу тока в катушке, наблюдайте, как изменяются силы взаимодействия катушки и магнита. Запишите вывод.

3. Изучение магнитного поля катушки с током.

● Разомкните цепь, подождите, пока катушка остынет, и закрепите её в лапке штатива так, чтобы ось катушки была горизонтальной. Включите ток в катушке. Определите, каковы положения равновесия магнитной стрелки, когда она находится с одной и другой стороны катушки. Сделайте пояснительные рисунки и запишите выводы.

● Повторите опыт, изменив направление тока в катушке.

Решение.

1. Изучение взаимодействия постоянных магнитов

• При поднесении двух полосовых магнитов друг к другу наблюдается их взаимодействие. Если поднести магниты одноименными полюсами (северный к северному, $N-N$, или южный к южному, $S-S$), они будут отталкиваться. Силы, действующие на магниты, направлены в противоположные стороны. Если же поднести магниты разноименными полюсами (северный к южному, $N-S$), они будут притягиваться. Силы, действующие на них, направлены навстречу друг другу.
  На пояснительном рисунке следует изобразить два полосовых магнита и силовые линии их магнитного поля. В случае отталкивания линии поля как бы «изгибаются», не пересекаясь, а в случае притяжения линии выходят из северного полюса одного магнита и входят в южный полюс другого.
  Вывод: Одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные – притягиваются.
• При поднесении к магнитной стрелке (компасу) северного полюса ($\text{N}$) постоянного магнита, южный полюс ($\text{S}$) стрелки поворачивается к магниту, а северный ($\text{N}$) – от него. При поднесении южного полюса ($\text{S}$) магнита, к нему притягивается северный полюс ($\text{N}$) стрелки. Магнитная стрелка всегда ориентируется вдоль линий магнитной индукции внешнего поля.
  На рисунке следует изобразить постоянный магнит, его силовые линии, и магнитную стрелку, расположенную в поле этого магнита. Северный полюс стрелки должен быть направлен по касательной к силовой линии в той точке, где находится стрелка.
  Вывод: Магнитная стрелка сама является маленьким магнитом и используется для определения направления магнитного поля. Ее северный полюс по определению указывает направление вектора магнитной индукции $ \vec{B} $.

Ответ: В ходе эксперимента установлено, что одноименные полюсы магнитов отталкиваются, а разноименные притягиваются. Магнитная стрелка ориентируется вдоль силовых линий магнитного поля.

2. Изучение взаимодействия между катушкой с током и постоянным магнитом

• После включения тока подвешенная катушка начинает взаимодействовать с подносимым к ней постоянным магнитом. Это означает, что катушка с током создает собственное магнитное поле. Полюсы катушки можно определить с помощью правила правой руки (или правила буравчика): если обхватить катушку ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены по направлению тока в витках, то отставленный большой палец укажет направление на северный полюс ($\text{N}$) катушки.
  При поднесении к северному полюсу катушки северного полюса магнита наблюдается отталкивание. При поднесении южного полюса магнита – притяжение. Взаимодействие происходит аналогично взаимодействию двух постоянных магнитов.
  На рисунке следует изобразить схему электрической цепи с катушкой, указать направление тока. Используя правило правой руки, определить и обозначить полюсы $\text{N}$ и $\text{S}$ у катушки. Затем изобразить рядом постоянный магнит и показать силы взаимодействия (притяжения или отталкивания).
  Вывод: Катушка с током ведет себя как постоянный магнит (является электромагнитом). Она взаимодействует с другими магнитами по тому же принципу: одноименные полюсы отталкиваются, разноименные – притягиваются.
• При перемещении ползунка реостата изменяется сопротивление цепи и, согласно закону Ома $I = U/R$, изменяется сила тока $\text{I}$ в катушке. При увеличении силы тока (уменьшении сопротивления реостата) сила взаимодействия (притяжения или отталкивания) между катушкой и постоянным магнитом заметно возрастает. При уменьшении силы тока сила взаимодействия ослабевает.
  Вывод: Сила магнитного взаимодействия катушки с током и постоянного магнита зависит от силы тока в катушке. Чем больше сила тока, тем сильнее магнитное поле катушки и тем больше сила взаимодействия. Величина магнитной индукции поля, создаваемого катушкой, прямо пропорциональна силе тока: $B \sim I$.

Ответ: Экспериментально подтверждено, что катушка с током является электромагнитом, полюсы которого определяются направлением тока. Сила ее магнитного взаимодействия прямо пропорциональна силе тока в ней.

3. Изучение магнитного поля катушки с током

• После включения тока в горизонтально закрепленной катушке, магнитная стрелка, размещенная вблизи одного из ее торцов, устанавливается в определенном положении. Стрелка ориентируется вдоль оси катушки. Если к торцу катушки притягивается южный полюс стрелки ($\text{S}$), то этот торец катушки является северным полюсом ($\text{N}$). Если притягивается северный полюс стрелки ($\text{N}$), торец катушки является южным полюсом ($\text{S}$). При перемещении стрелки вокруг катушки можно наблюдать, что ее ориентация изменяется, показывая направление и форму силовых линий магнитного поля. Вне катушки они образуют замкнутые кривые, выходящие из северного полюса и входящие в южный, подобно полю полосового магнита.
  На рисунке следует изобразить катушку с током, обозначить ее полюсы ($\text{N}$ и $\text{S}$) и нарисовать несколько силовых линий ее магнитного поля. В нескольких точках на этих линиях нужно разместить магнитные стрелки, показывая их ориентацию.
  Вывод: Вокруг катушки с током существует магнитное поле, которое по своей структуре аналогично магнитному полю постоянного полосового магнита.
• При изменении направления тока в катушке (путем переключения клемм источника тока) полюсы катушки меняются на противоположные. Тот торец, который был северным полюсом, становится южным, и наоборот. Это подтверждается поведением магнитной стрелки: теперь она ориентируется в противоположном направлении в каждой соответствующей точке пространства по сравнению с предыдущим опытом.
  Вывод: Направление магнитного поля катушки с током (расположение ее магнитных полюсов) напрямую зависит от направления тока в ее витках. При изменении направления тока на противоположное, магнитные полюсы катушки меняются местами.

Ответ: Магнитное поле катушки с током подобно полю постоянного магнита. Направление поля (и расположение полюсов) определяется направлением тока в соответствии с правилом правой руки и меняется на противоположное при изменении направления тока.