Номер 2, страница 181, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Задания для проектно-исследовательской деятельности. Глава IV. Электромагнитные явления - номер 2, страница 181.

Условие.

2. Самодельный компас и модель опыта Эрстеда

Цель: изготовить самодельный компас и повторить с его помощью опыт Эрстеда.

Намагнитьте тонкую швейную иглу. На её концы наденьте шарики пенополистирола и осторожно опустите иглу на поверхность воды в блюдце. Подождите, пока игла, представляя собой маленькую магнитную стрелку, расположится вдоль географического меридиана. Используя компас, определите, какой конец иглы является северным полюсом магнита, и сделайте на нём отметку синим цветом, а на другом конце иглы сделайте отметку красным цветом.

Затем расположите над иглой параллельно ей прямолинейный проводник (рис. 5), соединённый через резистор сопротивлением 1-2 Ом с батарейкой напряжением 4,5 В.

Обратите внимание на то, в каком направлении повернулась игла после замыкания ключа и какое положение занял её северный полюс. Сделайте фотографию опыта, на которой будет видна полярность подключения прямолинейного проводника и положение полюсов иглы-магнита. Проверьте соответствие наблюдаемого явления правилу буравчика для прямолинейного проводника с током (§ 23).

Повторите опыт, изменив полярность подключения прямолинейного проводника. Какие изменения вы заметили?

Опишите ваши опыты.

Рис. 5

Решение.

Изготовление самодельного компаса

Для выполнения задания сначала необходимо изготовить простейший компас. Для этого нужно намагнитить стальную швейную иглу, проведя по ней несколько раз в одном направлении одним из полюсов постоянного магнита. На концы иглы следует надеть небольшие кусочки пенопласта, которые будут выполнять роль поплавков и не дадут игле утонуть. Затем игла аккуратно помещается на поверхность воды в блюдце. Под действием магнитного поля Земли игла, свободно поворачиваясь на поверхности воды, сориентируется вдоль силовых линий, то есть расположится вдоль магнитного меридиана Земли. Один ее конец будет указывать на северный магнитный полюс, а другой — на южный. С помощью обычного компаса определяем, какой конец иглы является северным полюсом, и помечаем его синим цветом. Противоположный, южный полюс, помечаем красным цветом. Таким образом, мы получаем самодельную магнитную стрелку (компас).

Проведение опыта Эрстеда и расчет силы тока

Суть опыта Эрстеда заключается в демонстрации воздействия магнитного поля, создаваемого электрическим током, на магнитную стрелку. Для этого над изготовленным компасом параллельно игле располагают прямолинейный проводник. Проводник подключают к источнику тока (батарейке) через резистор. Прежде чем описывать наблюдения, рассчитаем силу тока в цепи.

Дано:

Напряжение батарейки, $U = 4.5 \text{ В}$
Сопротивление резистора, $R = 1 \text{–} 2 \text{ Ом}$

Найти:

Силу тока в проводнике, $\text{I}$ - ?

Решение:

Для расчета силы тока воспользуемся законом Ома для участка цепи, предполагая, что сопротивление соединительных проводов и внутреннее сопротивление батарейки пренебрежимо малы по сравнению с сопротивлением резистора.
Формула закона Ома: $I = \frac{U}{R}$
Поскольку сопротивление задано в виде диапазона, определим диапазон возможных значений силы тока:
Минимальное значение тока (при максимальном сопротивлении $R_{max} = 2 \text{ Ом}$):
$I_{min} = \frac{4.5 \text{ В}}{2 \text{ Ом}} = 2.25 \text{ А}$
Максимальное значение тока (при минимальном сопротивлении $R_{min} = 1 \text{ Ом}$):
$I_{max} = \frac{4.5 \text{ В}}{1 \text{ Ом}} = 4.5 \text{ А}$
Сила тока в проводнике будет находиться в пределах от 2.25 А до 4.5 А, что является достаточным для создания магнитного поля, способного отклонить магнитную стрелку.

Ответ: Сила тока в цепи составляет от 2.25 А до 4.5 А.

Наблюдения при первом подключении

Расположим проводник над магнитной иглой параллельно ей. Изначально игла указывает северным (синим) концом на север. Подключим проводник к батарее так, чтобы ток в нем протекал в направлении с юга на север.
При замыкании электрической цепи игла отклоняется. Для определения направления ее отклонения воспользуемся правилом правой руки (или правилом буравчика). Согласно этому правилу, если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца, обхватывающие проводник, укажут направление линий магнитной индукции.
В нашем случае ток направлен с юга на север, а проводник находится над иглой. Применяя правило, мы видим, что в области под проводником (где находится игла) линии магнитной индукции направлены на запад. Так как северный полюс магнитной стрелки всегда ориентируется по направлению вектора магнитной индукции $ \vec{B} $, то синий конец иглы отклонится на запад.

Ответ: При протекании тока с юга на север в проводнике, расположенном над иглой, ее северный полюс отклонится на запад.

Наблюдения при изменении полярности подключения

Теперь повторим опыт, поменяв местами клеммы на батарейке. Это приведет к изменению направления тока в проводнике на противоположное, то есть с севера на юг.
Снова применяем правило правой руки. Направляем большой палец по новому направлению тока (с севера на юг). В области под проводником согнутые пальцы теперь будут указывать на восток. Следовательно, и вектор магнитной индукции $ \vec{B} $ будет направлен на восток.
В результате северный (синий) полюс иглы отклонится в противоположную сторону — на восток.

Ответ: При изменении полярности подключения ток меняет направление, что приводит к изменению направления магнитного поля на противоположное. В результате северный полюс иглы отклоняется в противоположную сторону (на восток).

Описание ваших опытов

В ходе выполнения работы был изготовлен самодельный компас из намагниченной швейной иглы на воде и воспроизведен классический опыт Эрстеда.
1. Было установлено, что при пропускании электрического тока по проводнику, расположенному над магнитной стрелкой, стрелка отклоняется. Это является прямым доказательством того, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле.
2. Направление отклонения магнитной стрелки напрямую зависит от направления тока в проводнике. При протекании тока с юга на север (вдоль первоначального направления стрелки) ее северный полюс отклонялся на запад.
3. При изменении направления тока на противоположное (с севера на юг) путем смены полярности подключения источника питания, магнитная стрелка также отклонялась в противоположную сторону — ее северный полюс поворачивался на восток.
Все полученные результаты полностью согласуются с правилом правой руки (правилом буравчика), которое описывает направление магнитного поля вокруг прямолинейного проводника с током. Проведенные опыты наглядно демонстрируют фундаментальную связь между электрическими и магнитными явлениями, открытую Г. Х. Эрстедом в 1820 году.