Страница 202 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Какой опыт позволяет обнаружить наличие силы, действующей на проводник с током в магнитном поле?

1. Какой опыт позволяет обнаружить наличие силы, действующей на проводник с током в магнитном поле?

Для обнаружения силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно провести следующий наглядный опыт. Необходимо взять легкий прямой проводник (например, алюминиевую палочку) и подвесить его на гибких проводах, которые будут служить и для подвода тока. Проводник должен иметь возможность свободно качаться. Далее этот проводник помещают в магнитное поле, например, между полюсами дугообразного магнита.

Изначально, пока электрическая цепь разомкнута, ток по проводнику не течет, и он находится в равновесии. Как только цепь замыкают, по проводнику начинает протекать ток. В этот момент можно наблюдать, как проводник приходит в движение: он либо втягивается в зазор между полюсами магнита, либо выталкивается из него, отклоняясь от положения равновесия.

Это движение проводника является прямым доказательством того, что на него со стороны магнитного поля действует сила. Эта сила получила название силы Ампера. Если ток выключить, действие силы прекратится, и проводник вернется в исходное положение.

Ответ: Опыт, в котором подвижный проводник, подключенный к источнику тока, помещают в магнитное поле (например, между полюсами магнита). При пропускании тока через проводник он приходит в движение, что доказывает существование силы, действующей на него со стороны магнитного поля.

2. От чего зависит направление этой силы?

Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле (силы Ампера), зависит от двух ключевых факторов:

1. От направления электрического тока в проводнике. Если изменить направление тока на противоположное (например, поменяв местами клеммы на источнике питания), то и направление силы Ампера изменится на противоположное. Проводник начнет двигаться в обратную сторону.
2. От направления линий магнитного поля (т.е. от направления вектора магнитной индукции $ \vec{B} $). Если поменять полюсы магнита местами (например, перевернуть магнит), направление магнитного поля изменится на обратное, что, в свою очередь, приведет к изменению направления действующей силы на противоположное.

Для определения направления силы Ампера существует мнемоническое правило левой руки: если расположить левую руку так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока в проводнике, то отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

Ответ: Направление силы зависит от направления тока в проводнике и от направления линий магнитного поля.

2. От чего зависит направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле?

1. На проводник с током, помещенный в магнитное поле, со стороны этого поля действует сила. Эта сила называется силой Ампера. Она является результатом действия силы Лоренца на отдельные движущиеся заряды в проводнике. Величина силы Ампера определяется по формуле: $F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin(\alpha)$, где $I$ — сила тока в проводнике, $B$ — модуль вектора магнитной индукции поля, $l$ — длина активной части проводника, находящейся в поле, а $\alpha$ — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.

Ответ: На проводник с током в магнитном поле действует сила, называемая силой Ампера.

2. Направление силы Ампера перпендикулярно плоскости, в которой лежат вектор магнитной индукции и направление тока в проводнике. Следовательно, направление этой силы зависит от взаимного расположения двух векторов: вектора магнитной индукции $\vec{B}$ (направления линий магнитного поля) и направления тока $I$ в проводнике. Если изменить направление одного из этих векторов на противоположное, то и направление силы Ампера изменится на противоположное.

Ответ: Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, зависит от направления тока в проводнике и от направления линий магнитного поля (вектора магнитной индукции).

3. Для определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле (силы Ампера), используется правило левой руки. Оно формулируется следующим образом: если расположить левую руку так, чтобы линии магнитной индукции ($\vec{B}$) входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по току ($I$), то отогнутый на 90° большой палец укажет направление действия силы Ампера ($\vec{F_A}$).

Ответ: Правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы вектор магнитной индукции $\vec{B}$ входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока $I$, то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы Ампера $\vec{F_A}$.

3. Сформулируйте правило левой руки для находящегося в магнитном поле проводника с током; для движущейся в этом поле заряженной частицы.

3. Правило левой руки формулируется следующим образом:

Для проводника с током (определение направления силы Ампера):
Если левую руку расположить так, чтобы линии вектора магнитной индукции ($B$) входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца направить по направлению тока ($I$) в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера ($F_А$), действующей на проводник.

Для движущейся заряженной частицы (определение направления силы Лоренца):
Если левую руку расположить так, чтобы линии вектора магнитной индукции ($B$) входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца направить по вектору скорости ($v$) положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца ($F_Л$). Для отрицательно заряженной частицы направление силы будет противоположно направлению большого пальца.

Ответ: Правило левой руки: если линии магнитной индукции ($B$) направить в ладонь левой руки, а четыре пальца направить по току (для проводника) или по скорости положительного заряда (для частицы), то большой палец, отогнутый на 90°, покажет направление действующей силы (силы Ампера или силы Лоренца соответственно). Для отрицательного заряда сила направлена в противоположную сторону.

4. Сила действия магнитного поля на проводник с током (сила Ампера) зависит от взаимной ориентации проводника и вектора магнитной индукции. Величина этой силы определяется по формуле: $F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin(\alpha)$, где $I$ – сила тока в проводнике, $B$ – модуль вектора магнитной индукции, $l$ – длина активной части проводника, а $\alpha$ – угол между направлением тока и вектором магнитной индукции $B$.

Исходя из этой формулы, можно определить условия для максимальной и нулевой силы:

• Сила действия магнитного поля максимальна, когда $\sin(\alpha) = 1$, что соответствует углу $\alpha = 90^\circ$. Это означает, что проводник с током должен быть расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.
• Сила действия магнитного поля равна нулю (отсутствует), когда $\sin(\alpha) = 0$, что соответствует углам $\alpha = 0^\circ$ или $\alpha = 180^\circ$. Это означает, что проводник с током должен быть расположен параллельно линиям магнитной индукции.

Ответ: Сила действия магнитного поля на проводник с током максимальна, если он расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции, и равна нулю, если он расположен параллельно им.

4. В каком случае сила действия магнитного поля на проводник с током или движущуюся заряженную частицу равна нулю?

Сила действия магнитного поля как на проводник с током, так и на движущуюся заряженную частицу, зависит от их взаимной ориентации с линиями магнитного поля. Основной случай, когда эта сила равна нулю, — это когда направление движения электрических зарядов (направление тока в проводнике или вектор скорости частицы) параллельно вектору магнитной индукции. Кроме того, сила равна нулю, если отсутствует хотя бы один из факторов, необходимых для ее возникновения.

Рассмотрим оба случая подробнее на основе определяющих их формул.

Проводник с током

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле (сила Ампера), определяется по формуле:

$F_A = I \cdot B \cdot L \cdot \sin(\alpha)$

где $I$ — сила тока в проводнике, $B$ — величина индукции магнитного поля, $L$ — длина участка проводника, находящегося в поле, а $\alpha$ — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.

Исходя из формулы, сила Ампера $F_A$ равна нулю в следующих случаях:

• $\sin(\alpha) = 0$. Это условие выполняется, когда угол $\alpha$ равен $0^\circ$ или $180^\circ$. Физически это означает, что проводник с током расположен параллельно линиям магнитной индукции.
• $I = 0$. В проводнике нет электрического тока.
• $B = 0$. Проводник находится вне магнитного поля.

Ответ: Сила действия магнитного поля на проводник с током равна нулю, если проводник расположен параллельно линиям магнитного поля, а также в случаях, когда в проводнике отсутствует ток или он находится вне магнитного поля.

Движущаяся заряженная частица

Сила, действующая на заряженную частицу в магнитном поле (магнитная составляющая силы Лоренца), вычисляется по формуле:

$F_Л = |q| \cdot v \cdot B \cdot \sin(\alpha)$

где $q$ — заряд частицы, $v$ — ее скорость, $B$ — величина индукции магнитного поля, а $\alpha$ — угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Сила Лоренца $F_Л$ равна нулю в следующих случаях:

• $\sin(\alpha) = 0$. Это условие выполняется, когда угол $\alpha$ равен $0^\circ$ или $180^\circ$. Это означает, что частица движется параллельно линиям магнитной индукции.
• $v = 0$. Частица покоится. Магнитное поле действует только на движущиеся заряды.
• $q = 0$. Частица не имеет электрического заряда (нейтральна).
• $B = 0$. Частица движется вне магнитного поля.

Ответ: Сила действия магнитного поля на движущуюся заряженную частицу равна нулю, если она движется параллельно линиям магнитного поля, а также если частица покоится, не имеет заряда или находится вне магнитного поля.

1. Объясните, как, используя правило левой руки, определить направление тока (если знаем, как направлены магнитные линии и действующая на проводник сила); направление магнитных линий (если известны направления тока и силы); знак заряда движущейся частицы (по направлению магнитных линий, силы и скорости движения частицы).

Правило левой руки является мнемоническим способом для определения направления одной из трех взаимно перпендикулярных величин (сила, направление тока/скорости, направление магнитного поля), если известны направления двух других. Правило применяется для определения направления силы Ампера, действующей на проводник с током, и силы Лоренца, действующей на движущийся заряд в магнитном поле.

Стандартная формулировка правила левой руки для силы Ампера ( $ \vec{F}_A $ ): если расположить левую руку так, чтобы линии магнитной индукции (вектор $ \vec{B} $ ) входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока ( $ I $ ), то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы $ \vec{F}_A $ .

Для силы Лоренца ( $ \vec{F}_L $ ) правило аналогично: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции ( $ \vec{B} $ ) входили в ладонь, а четыре пальца указывали направление скорости ( $ \vec{v} $ ) положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы $ \vec{F}_L $ . Для отрицательно заряженной частицы сила будет направлена в противоположную большому пальцу сторону.

Используя эти принципы, можно определить любую из величин, изменив порядок действий.

направление тока (если знаем, как направлены магнитные линии и действующая на проводник сила)

Для определения направления тока в проводнике, зная направление магнитных линий и силы Ампера, необходимо мысленно или физически расположить левую руку следующим образом:
1. Расположить ладонь левой руки так, чтобы известные линии магнитной индукции ( $ \vec{B} $ ) входили в неё перпендикулярно.
2. Повернуть руку так, чтобы отогнутый на 90 градусов большой палец совпал с направлением известной силы ( $ \vec{F}_A $ ), действующей на проводник.
3. В этом положении четыре вытянутых пальца укажут искомое направление тока ( $ I $ ) в проводнике.
Ответ: Располагаем левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а большой палец, отогнутый на 90 градусов, указывал направление силы. Тогда четыре вытянутых пальца покажут направление тока.

направление магнитных линий (если известны направления тока и силы)

Для определения направления линий магнитной индукции, зная направление тока и действующей силы, необходимо выполнить следующие действия:
1. Расположить левую руку так, чтобы четыре вытянутых пальца были направлены по току ( $ I $ ) в проводнике.
2. Повернуть кисть руки вокруг оси, совпадающей с направлением пальцев (тока), до тех пор, пока отогнутый на 90 градусов большой палец не укажет направление известной силы ( $ \vec{F}_A $ ).
3. В таком положении линии магнитной индукции ( $ \vec{B} $ ) будут входить в ладонь.
Ответ: Располагаем левую руку так, чтобы четыре пальца указывали направление тока, а отогнутый большой палец — направление силы. Тогда линии магнитной индукции будут входить в ладонь.

знак заряда движущейся частицы (по направлению магнитных линий, силы и скорости движения частицы)

Для определения знака заряда частицы нужно сравнить направление силы, полученное по правилу левой руки (которое по умолчанию применяется для положительного заряда), с фактическим направлением силы, действующей на частицу.
1. Применим правило левой руки, предположив, что заряд положителен. Для этого расположим левую руку так, чтобы линии магнитной индукции ( $ \vec{B} $ ) входили в ладонь.
2. Направим четыре вытянутых пальца по вектору скорости частицы ( $ \vec{v} $ ).
3. Отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, которая действовала бы на положительный заряд.
4. Сравним это направление с известным направлением силы Лоренца ( $ \vec{F}_L $ ), действующей на частицу:
- Если направление большого пальца совпадает с направлением действующей силы, то заряд частицы положительный ( $ q > 0 $ ).
- Если направление большого пальца противоположно направлению действующей силы, то заряд частицы отрицательный ( $ q < 0 $ ).
Ответ: Располагаем левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца были направлены по скорости частицы. Если отогнутый большой палец указывает в ту же сторону, что и действующая сила, заряд положительный. Если в противоположную — отрицательный.

2*. Воспользовавшись правилами буравчика и левой руки, попробуйте объяснить, почему параллельные проводники (см. рис. 91) притягиваются, если токи в них направлены одинаково и отталкиваются, если токи в них проходят в противоположных направлениях.

Взаимодействие параллельных проводников с током объясняется тем, что каждый проводник создает вокруг себя магнитное поле, которое, в свою очередь, действует с силой Ампера на другой проводник. Направление магнитного поля определяется по правилу буравчика (или правилу правой руки), а направление силы Ампера — по правилу левой руки. Рассмотрим два случая.

Параллельные проводники притягиваются, если токи в них направлены одинаково

Пусть есть два параллельных проводника, 1 и 2, с токами $I_1$ и $I_2$, текущими в одном направлении (например, вертикально вверх).

1. Определим направление магнитного поля, создаваемого проводником 1 в точке, где находится проводник 2. Согласно правилу буравчика, если направить большой палец правой руки по направлению тока $I_1$, то остальные пальцы, обхватывающие проводник, покажут направление линий вектора магнитной индукции $\vec{B}_1$. В месте расположения проводника 2 вектор $\vec{B}_1$ будет направлен перпендикулярно плоскости, в которой лежат проводники (в нашем примере — "в плоскость рисунка").

2. Теперь найдем направление силы $\vec{F}_{12}$, с которой это поле действует на проводник 2. Применим правило левой руки: расположим левую руку так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление тока $I_2$ (вверх), а вектор магнитной индукции $\vec{B}_1$ входил в ладонь. Тогда отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Ампера $\vec{F}_{12}$. Эта сила будет направлена к проводнику 1.

Аналогично, проводник 2 создает в месте расположения проводника 1 магнитное поле $\vec{B}_2$, которое (по правилу буравчика) направлено "из плоскости рисунка". По правилу левой руки, сила $\vec{F}_{21}$, действующая на проводник 1, будет направлена к проводнику 2. В результате проводники притягиваются друг к другу.

Ответ: Магнитное поле, созданное первым проводником, действует на второй проводник с силой, направленной к первому. Поле второго проводника действует на первый с силой, направленной ко второму. Это приводит к взаимному притяжению.

Параллельные проводники отталкиваются, если токи в них проходят в противоположных направлениях

Пусть ток $I_1$ в проводнике 1 течет вверх, а ток $I_2$ в проводнике 2 — вниз.

1. Магнитное поле $\vec{B}_1$ от проводника 1 в месте расположения проводника 2, как и в первом случае, направлено "в плоскость рисунка" (согласно правилу буравчика).

2. Применим правило левой руки для определения силы $\vec{F}_{12}$, действующей на проводник 2. Расположим левую руку так, чтобы четыре пальца указывали направление тока $I_2$ (вниз), а вектор $\vec{B}_1$ входил в ладонь. Тогда большой палец укажет, что сила $\vec{F}_{12}$ направлена от проводника 1.

Рассмотрим обратное действие. Ток $I_2$, текущий вниз, создает в месте расположения проводника 1 магнитное поле $\vec{B}_2$, которое по правилу буравчика также направлено "в плоскость рисунка". Применив правило левой руки к проводнику 1 (ток $I_1$ вверх, поле $\vec{B}_2$ "в плоскость рисунка"), обнаружим, что сила $\vec{F}_{21}$ направлена от проводника 2. В результате проводники отталкиваются друг от друга.

Ответ: Магнитное поле первого проводника действует на второй с силой, направленной от первого. Поле второго проводника действует на первый с силой, направленной от второго. Это приводит к взаимному отталкиванию.