Страница 188 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. В чём состоит опыт Эрстеда?

Решение

Опыт, проведённый датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом в 1820 году, является фундаментальным экспериментом в физике, который впервые установил связь между электрическими и магнитными явлениями.

Суть эксперимента заключается в следующем:

1. Установка: над магнитной стрелкой компаса (или под ней) располагался прямой металлический проводник. В исходном состоянии, когда электрический ток отсутствовал, стрелка компаса была ориентирована вдоль магнитного меридиана Земли, то есть указывала направление "север-юг".

2. Наблюдение: когда концы проводника подключали к источнику тока (гальваническому элементу), и по нему начинал протекать электрический ток, магнитная стрелка немедленно отклонялась от своего первоначального положения. Она стремилась установиться перпендикулярно проводнику.

3. Дополнительные наблюдения: при размыкании цепи (прекращении тока) стрелка возвращалась в исходное положение. Если изменить направление тока в проводнике на противоположное, то стрелка отклонялась в другую сторону, также располагаясь перпендикулярно проводнику.

Вывод: на основе этого опыта Эрстед сделал революционный вывод о том, что электрический ток создает вокруг себя в пространстве магнитное поле. Именно это магнитное поле и оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. Таким образом, была доказана неразрывная связь электричества и магнетизма, что послужило отправной точкой для развития теории электромагнетизма.

Ответ: Опыт Эрстеда заключается в демонстрации того, что вокруг проводника, по которому протекает электрический ток, возникает магнитное поле, которое обнаруживается по отклонению расположенной рядом с проводником магнитной стрелки.

2. Какие физические объекты создают магнитное поле?

1. В чём состоит опыт Эрстеда?

Опыт Эрстеда, проведённый датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом в 1820 году, является фундаментальным экспериментом, который впервые наглядно продемонстрировал связь между электричеством и магнетизмом.

Суть опыта заключается в следующем:

• Над магнитной стрелкой компаса (или под ней) располагался проводник, подключенный к источнику тока. Когда ток в цепи отсутствовал, стрелка, как и положено, указывала направление на северный магнитный полюс Земли.
• При замыкании цепи, то есть при пропускании электрического тока через проводник, магнитная стрелка немедленно отклонялась от своего первоначального положения и стремилась расположиться перпендикулярно проводнику.
• Если изменить направление тока в проводнике на противоположное, то магнитная стрелка также разворачивалась на 180°, снова ориентируясь перпендикулярно проводу. При размыкании цепи стрелка возвращалась в исходное положение.

Этот опыт неопровержимо доказал, что вокруг проводника с электрическим током существует магнитное поле, которое и оказывает силовое воздействие на магнитную стрелку. Это открытие положило начало новой области физики — электромагнетизму.

Ответ: Опыт Эрстеда заключается в демонстрации того, что электрический ток, протекающий по проводнику, создает вокруг себя магнитное поле, которое обнаруживается по его силовому действию на магнитную стрелку.

2. Какие физические объекты создают магнитное поле?

Магнитное поле, являющееся одной из форм материи, создается следующими объектами и явлениями:

• Движущиеся электрические заряды. Это фундаментальный источник магнитного поля. Любой отдельный движущийся заряд (например, электрон) создает вокруг себя магнитное поле. Упорядоченное движение множества зарядов образует электрический ток, поэтому любой проводник с током является источником магнитного поля.
• Постоянные магниты. Магнитные свойства постоянных магнитов (ферромагнетиков) объясняются на микроуровне. Они обусловлены собственными (спиновыми) и орбитальными магнитными моментами электронов в атомах вещества. В ферромагнетиках эти микроскопические магнитные моменты сонаправлены в больших областях (доменах), что создает сильное результирующее магнитное поле.
• Переменные электрические поля. Согласно теории электромагнетизма, сформулированной Джеймсом Максвеллом, изменяющееся во времени электрическое поле также является источником магнитного поля. Этот принцип лежит в основе существования электромагнитных волн.

Ответ: Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (то есть электрическим током), постоянными магнитами и переменными электрическими полями.

3. На какие физические объекты действует магнитное поле?

Магнитное поле оказывает силовое воздействие на определенные физические объекты. К ним относятся:

• Движущиеся электрические заряды. На электрический заряд $q$, который движется со скоростью $\vec{v}$ в магнитном поле с индукцией $\vec{B}$, действует сила Лоренца. Она перпендикулярна как вектору скорости, так и вектору магнитной индукции, и ее векторное выражение: $\vec{F} = q[\vec{v} \times \vec{B}]$.
• Проводники с током. Поскольку электрический ток — это направленное движение зарядов, на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила (сила Ампера), которая является результатом действия силы Лоренца на каждый отдельный носитель заряда в проводнике.
• Постоянные магниты и намагниченные тела. Магнитное поле действует на другие магниты и тела, обладающие магнитными свойствами (ферро-, пара- и диамагнетики), вызывая их притяжение, отталкивание или ориентацию вдоль силовых линий поля.
• Частицы и тела, обладающие магнитным моментом. Магнитное поле действует на любые объекты, имеющие собственный магнитный момент, даже если они электрически нейтральны. К таким объектам относятся, например, атомы, а также элементарные частицы, такие как электроны, протоны и нейтроны, обладающие спиновым магнитным моментом.

Ответ: Магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды, проводники с током, постоянные магниты, а также на любые другие частицы или тела, которые обладают собственным магнитным моментом.

3. На какие физические объекты действует магнитное поле?

3. На какие физические объекты действует магнитное поле?

Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом. Источниками магнитного поля также являются движущиеся заряды (электрические токи) и магнитные моменты тел. Таким образом, магнитное поле действует на свои же источники.

Конкретные физические объекты, на которые действует магнитное поле:

• Проводники с электрическим током. Так как электрический ток представляет собой упорядоченное движение множества заряженных частиц, то на помещенный в магнитное поле проводник с током действует сила, называемая силой Ампера. Эта сила является результирующей сил, действующих на отдельные заряды.
• Движущиеся заряженные частицы. На отдельную заряженную частицу (например, электрон или протон), движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Эта сила всегда перпендикулярна вектору скорости частицы и вектору магнитной индукции. Формула для силы Лоренца: $ \vec{F}_L = q(\vec{E} + \vec{v} \times \vec{B}) $. Если электрическое поле отсутствует ($ \vec{E}=0 $), то остается только магнитная составляющая: $ \vec{F}_L = q(\vec{v} \times \vec{B}) $. Эта сила не изменяет энергию частицы, а только искривляет её траекторию.
• Тела, обладающие магнитным моментом. К таким телам относятся постоянные магниты, электромагниты, а также атомы и молекулы. Магнитное поле оказывает на них ориентирующее действие (вращающий момент), стремясь повернуть их так, чтобы их собственный магнитный момент сонаправился с вектором индукции внешнего поля. На этом принципе основана работа компаса.
• Любые вещества (магнетики). Все без исключения вещества взаимодействуют с магнитным полем. Под действием внешнего поля в веществе индуцируются микроскопические токи (или происходит ориентация уже существующих), в результате чего вещество намагничивается. В зависимости от характера этой реакции, вещества делятся на диамагнетики (слабо отталкиваются полем), парамагнетики (слабо притягиваются) и ферромагнетики (сильно притягиваются).

Ответ: Магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды, проводники с током и тела, обладающие магнитным моментом (постоянные магниты, а также любые вещества, помещённые в магнитное поле).

4. В чём заключается гипотеза Ампера?

Гипотеза Ампера, выдвинутая французским ученым Андре-Мари Ампером в 20-х годах XIX века, представляет собой фундаментальное предположение о природе магнетизма. Эта гипотеза объясняет магнитные свойства веществ, в частности постоянных магнитов, не прибегая к идее существования особых "магнитных зарядов" (магнитных монополей), которых так и не удалось обнаружить в природе.

Суть гипотезы Ампера заключается в следующем: магнетизм любых тел обусловлен существованием внутри них множества микроскопических замкнутых электрических токов. Эти токи Ампер назвал молекулярными токами.

Основные положения гипотезы:

• Внутри каждого атома или молекулы вещества существуют незатухающие элементарные круговые токи. Каждый такой микроток создает вокруг себя элементарное магнитное поле, подобно миниатюрному витку с током.
• В ненамагниченном веществе эти молекулярные токи ориентированы хаотически, их плоскости случайным образом направлены в разные стороны. Из-за этого создаваемые ими магнитные поля взаимно компенсируют друг друга, и тело в целом не проявляет магнитных свойств.
• В постоянных магнитах (или в любом веществе, помещенном во внешнее магнитное поле) эти молекулярные токи ориентируются преимущественно в одном направлении. Их элементарные магнитные поля складываются, создавая результирующее макроскопическое магнитное поле. Процесс намагничивания и заключается в упорядочивании этих микротоков.

Гипотеза Ампера была гениальным предвидением. Современная квантовая физика подтвердила и уточнила её. "Молекулярные токи" в действительности связаны с двумя эффектами:

1. Орбитальным движением электронов вокруг ядра в атоме, которое эквивалентно круговому току.
2. Собственным моментом импульса электрона — спином. Это внутреннее, неклассическое свойство электрона, которое также порождает магнитный момент.

Именно суммарный магнитный момент, создаваемый орбитальным движением и спинами электронов (а также, в меньшей степени, ядер), и определяет магнитные свойства вещества.

Ответ: Гипотеза Ампера заключается в предположении, что магнитные свойства всех тел объясняются существованием внутри них микроскопических незатухающих электрических токов (молекулярных токов). В намагниченных телах эти токи ориентированы упорядоченно, а в ненамагниченных — хаотично, из-за чего их действия взаимно компенсируются.

4. В чём заключается гипотеза Ампера?

Гипотеза Ампера, выдвинутая в 1820-х годах французским физиком Андре-Мари Ампером, предлагает единое объяснение природы всех магнитных явлений. Суть гипотезы заключается в том, что магнетизм любых тел, включая постоянные магниты, обусловлен существованием микроскопических электрических токов внутри вещества.

Основные положения гипотезы Ампера:

• Внутри каждой молекулы (в современной физике — атома) вещества циркулируют элементарные незатухающие электрические токи. Ампер назвал их молекулярными токами.
• Каждый такой молекулярный ток создает собственное микроскопическое магнитное поле, аналогично магнитному полю витка с током. Таким образом, каждая молекула представляет собой микромагнит.
• В обычном, ненамагниченном веществе, эти молекулярные токи ориентированы хаотично, в случайных направлениях. Из-за этого их магнитные поля взаимно компенсируют друг друга, и тело в целом не обладает магнитными свойствами.
• В процессе намагничивания (например, при помещении тела во внешнее магнитное поле) молекулярные токи ориентируются преимущественно в одном направлении. Их элементарные магнитные поля складываются, создавая суммарное макроскопическое магнитное поле. В результате тело становится магнитом.

Эта идея была гениальной для своего времени, поскольку она сводила все известные магнитные явления к одной фундаментальной причине — движению электрических зарядов. Позднее, с открытием электрона и развитием квантовой механики, гипотеза Ампера получила блестящее подтверждение. Современная физика объясняет магнитные свойства атомов орбитальным движением электронов вокруг ядра и их собственным магнитным моментом (спином), которые и являются эквивалентами амперовских молекулярных токов.

Ответ: Гипотеза Ампера заключается в том, что магнитные свойства всех тел обусловлены существованием внутри их молекул (атомов) микроскопических незатухающих кольцевых электрических токов (молекулярных токов). В намагниченных телах эти токи ориентированы упорядоченно, и их магнитные поля складываются, создавая макроскопическое магнитное поле тела.

1. Во времена Ампера строение атома не было известно, и природа микроскопических токов оставалась непонятной. Используя знания о планетарной модели атома, выдвиньте гипотезу о том, что могут представлять собой токи Ампера.

Решение

Гипотеза Ампера, выдвинутая в начале XIX века, заключалась в том, что магнетизм постоянных магнитов и электромагнитов имеет единую природу, а именно — электрическую. Ампер предположил, что в молекулах вещества существуют микроскопические замкнутые (круговые) электрические токи, которые он назвал молекулярными токами. В обычном, ненамагниченном состоянии, плоскости этих токов ориентированы в пространстве хаотично, поэтому их магнитные действия взаимно компенсируются. Во внешнем магнитном поле молекулярные токи ориентируются преимущественно в одном направлении, и их суммарное магнитное поле создает наблюдаемый магнетизм тела. Однако в то время строение вещества и атома не было известно, и природа этих микротоков оставалась загадкой.

Позднее, в начале XX века, была создана планетарная модель атома (модель Резерфорда), которая позволила дать физическое объяснение гипотезе Ампера. Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны.

На основе этой модели можно сформулировать следующую гипотезу о природе токов Ампера:

1. Электрон является носителем элементарного отрицательного электрического заряда $q = -e$.
2. Движение электрона по замкнутой орбите вокруг ядра представляет собой упорядоченное движение электрического заряда.
3. По определению, направленное движение заряженных частиц — это электрический ток. Следовательно, каждый движущийся по орбите электрон создает микроскопический круговой ток.
4. Такой круговой ток, согласно законам электродинамики, создает вокруг себя магнитное поле, аналогичное полю маленького магнита (магнитного диполя).

Таким образом, гипотетические молекулярные токи Ампера можно отождествить с орбитальным движением электронов в атомах. Планетарная модель атома наполнила идею Ампера конкретным физическим содержанием, указав на источник микроскопических токов, ответственных за магнитные свойства вещества.

Ответ: Используя планетарную модель атома, можно выдвинуть гипотезу о том, что токи Ампера — это микроскопические круговые токи, создаваемые движением электронов по замкнутым орбитам вокруг атомных ядер.

2*. Магнитная стрелка, помещённая около провода, отклонилась при пропускании по нему электрического тока. За счёт какой энергии совершена работа, необходимая для поворота стрелки?

Решение

Отклонение магнитной стрелки при пропускании электрического тока по проводу является проявлением фундаментального принципа электромагнетизма. Этот процесс можно разложить на несколько этапов для отслеживания преобразования энергии:

1. Создание магнитного поля. Когда по проводу течёт электрический ток, вокруг него создаётся магнитное поле. Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц, и именно их движение порождает это поле. Энергия, необходимая для создания и поддержания этого магнитного поля, берётся от источника тока (например, батарейки, аккумулятора или электросети). Источник тока преобразует какой-либо вид энергии (химическую, механическую и т.д.) в электрическую энергию, которая передаётся зарядам в проводнике.

2. Взаимодействие поля со стрелкой. Магнитная стрелка сама по себе является маленьким постоянным магнитом и имеет своё собственное магнитное поле. Когда она попадает во внешнее магнитное поле, созданное током в проводе, на неё начинает действовать сила со стороны этого поля. Эта сила создаёт вращающий момент (торк), который стремится развернуть стрелку так, чтобы её собственный магнитный момент был сонаправлен с вектором индукции внешнего магнитного поля.

3. Совершение работы. Под действием этого вращающего момента стрелка поворачивается. Поскольку есть сила (вращающий момент) и перемещение (угол поворота), совершается механическая работа. Эта работа идёт на преодоление сил трения в оси стрелки и на изменение её потенциальной энергии в магнитном поле.

Таким образом, первоначальным источником энергии, за счёт которой совершается работа по повороту стрелки, является источник электрического тока. Энергия источника тока преобразуется в энергию магнитного поля, создаваемого этим током, а уже энергия магнитного поля, в свою очередь, преобразуется в механическую работу по повороту стрелки.

Ответ: Работа, необходимая для поворота магнитной стрелки, совершена за счёт энергии источника электрического тока, который создаёт в проводе ток и, как следствие, магнитное поле вокруг него.

Через середину листа картона пропустите прямой проводник (например, полоску фольги). Насыпьте на картон железные опилки или мелко настриженные волосы. Пропустите электрический ток через проводник от батарейки. Слегка постукивая по картону, наблюдайте расположение опилок вокруг проводника.

Поставьте на картон магнитную стрелку (компас), заметьте её расположение. Измените направление тока в проводнике. Меняется ли направление магнитной стрелки? Опишите свои наблюдения.

Данный эксперимент является классической демонстрацией опыта Эрстеда, который показывает, что вокруг проводника с электрическим током существует магнитное поле. Вот описание наблюдений, которые будут сделаны в ходе этого эксперимента.

Наблюдения за железными опилками

Когда по прямому проводнику, пропущенному через картон, начинает течь электрический ток, железные опилки, насыпанные на картон, выстраиваются вдоль концентрических окружностей. Центр этих окружностей совпадает с местом, где проводник проходит через картон. Легкое постукивание по картону помогает опилкам преодолеть силу трения и более четко занять положение вдоль линий магнитной индукции. Каждая опилка, являясь ферромагнетиком, намагничивается в поле тока и ведет себя как крошечная магнитная стрелка. Таким образом, мы визуализируем картину силовых линий магнитного поля прямого тока.

Наблюдения за магнитной стрелкой и изменение направления тока

Когда на картон рядом с проводником с током помещается магнитная стрелка компаса, она устанавливается по касательной к одной из окружностей, образованных опилками. Северный полюс стрелки указывает направление вектора магнитной индукции $ \vec{B} $ в данной точке. Направление линий магнитного поля можно определить по правилу правой руки: если большой палец правой руки направить по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца, обхватывающие проводник, покажут направление линий магнитной индукции.

Когда направление тока в проводнике изменяется на противоположное (например, путем переключения клемм на батарейке), направление создаваемого им магнитного поля также меняется на противоположное. В результате этого магнитная стрелка компаса разворачивается на $180^\circ$. Она по-прежнему остается ориентированной по касательной к силовой линии, но ее северный и южный полюсы меняются местами.

Таким образом, на вопрос "Меняется ли направление магнитной стрелки?" следует однозначный ответ: да, меняется.

Ответ: При пропускании тока через проводник железные опилки располагаются вокруг него в виде концентрических окружностей, визуализируя силовые линии магнитного поля. Магнитная стрелка компаса устанавливается по касательной к этим окружностям. Да, при изменении направления тока в проводнике направление магнитной стрелки меняется на противоположное (она разворачивается на $180^\circ$).