Страница 203 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. В какую сторону покатится лёгкая алюминиевая трубочка при замыкании цепи (рис. 149)?

1. Решение

При замыкании цепи, изображенной на рисунке, по алюминиевой трубочке потечет электрический ток. Так как трубочка находится в магнитном поле, создаваемом подковообразным магнитом, на нее начнет действовать сила Ампера, которая и вызовет ее движение. Чтобы определить направление движения, нужно последовательно определить направление тока в трубочке, направление линий магнитного поля и затем применить правило левой руки.

1. Направление электрического тока. По определению, электрический ток в цепи направлен от положительного полюса источника («+») к отрицательному («-»). Проследив путь тока от положительной клеммы источника, мы видим, что он проходит через ключ, реостат и поступает на правый (дальний от нас) рельс. Затем ток течет через алюминиевую трубочку к левому (ближнему к нам) рельсу и возвращается к отрицательной клемме источника. Следовательно, в самой трубочке ток $I$ направлен на наблюдателя.

2. Направление магнитного поля. Вектор магнитной индукции $B$ всегда направлен от северного полюса магнита (N) к южному (S). На рисунке видно, что северный полюс (N, синий) находится под трубочкой, а южный (S, красный) — над ней. Таким образом, линии магнитной индукции в месте расположения трубочки направлены вертикально вверх.

3. Определение направления силы Ампера. Для нахождения направления силы Ампера ($F_A$), действующей на проводник с током в магнитном поле, применяется правило левой руки. Оно гласит: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по току, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление действующей силы.

Применим это правило:

• Располагаем левую руку так, чтобы ладонь была обращена вниз — в нее будут входить направленные вверх линии магнитной индукции $B$.
• Четыре вытянутых пальца направляем на себя, в соответствии с направлением тока $I$ в трубочке.

В таком положении большой палец будет указывать вправо.

Значит, на алюминиевую трубочку будет действовать сила Ампера, направленная вправо. Под действием этой силы трубочка покатится по рельсам вправо.

Ответ: Лёгкая алюминиевая трубочка покатится вправо.

2. На рисунке 150 изображены два оголённых проводника, соединённых с источником тока, и лёгкая алюминиевая трубочка AB. Вся установка находится в магнитном поле.

Определите направление тока в трубочке AB, если в результате взаимодействия этого тока с магнитным полем трубочка катится по проводникам в направлении, указанном на рисунке. Какой полюс источника тока является положительным, а какой — отрицательным?

Решение

Движение алюминиевой трубочки AB вызвано действием силы Ампера, которая возникает при взаимодействии тока, протекающего по трубочке, с внешним магнитным полем. Направление силы Ампера $\vec{F_A}$, направление тока $\vec{I}$ и направление вектора магнитной индукции $\vec{B}$ связаны правилом левой руки.

Из условия задачи известно:
1. Направление движения трубочки — влево. Это означает, что сила Ампера $\vec{F_A}$ направлена влево.
2. Направление магнитного поля — перпендикулярно плоскости рисунка, из-за плоскости к наблюдателю (обозначено точками).

Определите направление тока в трубочке AB
Чтобы найти направление тока, воспользуемся правилом левой руки. Расположим левую руку следующим образом:

• Большой палец, отогнутый на 90°, направим по направлению силы Ампера, то есть влево.
• Ладонь развернем так, чтобы в нее входили линии магнитной индукции. Так как поле направлено "на нас" (точки), ладонь должна быть обращена к плоскости рисунка.

В таком положении четыре вытянутых пальца укажут направление тока в проводнике. Они будут направлены вертикально вниз, от точки A к точке B.

Ответ: ток в трубочке AB направлен от точки A к точке B.

Какой полюс источника тока является положительным, а какой — отрицательным?

Зная направление тока в трубочке, можно определить полярность источника. В электрической цепи принято считать, что ток течет от положительного полюса источника к отрицательному по внешней цепи.

Поскольку ток течет по верхнему проводу к точке А, а затем через трубочку к точке В и по нижнему проводу возвращается к источнику, то:

• Верхний проводник, подходящий к точке А, соединен с положительным полюсом источника.
• Нижний проводник, отходящий от точки B, соединен с отрицательным полюсом источника.

Ответ: верхний полюс источника тока является положительным, а нижний — отрицательным.

3. Между полюсами магнитов (рис. 151) расположены четыре проводника с током. Определите направление силы, действующей на каждый из них.

Решение

Для определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле (силы Ампера $F_A$), используется правило левой руки. Согласно этому правилу, если расположить левую руку так, чтобы линии индукции магнитного поля ($B$) входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока ($I$) в проводнике, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей силы $F_A$.

Вектор магнитной индукции $B$ всегда направлен от северного полюса (N) к южному (S). Направление тока обозначается символами: ⊙ — ток направлен на наблюдателя (из плоскости рисунка), ⊗ — ток направлен от наблюдателя (в плоскость рисунка).

Рассмотрим каждый из четырех проводников.

1. Верхний левый проводник

Магнитное поле $B$ в верхнем ряду направлено от северного полюса N к южному S, то есть вправо. Ток $I$ в проводнике направлен на нас (обозначение ⊙). Располагаем левую руку так, чтобы линии поля $B$ входили в ладонь (ладонь обращена влево), а четыре пальца указывали по направлению тока $I$ (на нас). В этом положении отогнутый большой палец будет указывать вверх.

Ответ: сила, действующая на проводник, направлена вверх.

2. Верхний правый проводник

Магнитное поле $B$ также направлено вправо. Ток $I$ в проводнике направлен от нас (обозначение ⊗). Располагаем левую руку так, чтобы линии поля $B$ входили в ладонь (ладонь обращена влево), а четыре пальца указывали по направлению тока $I$ (от нас). В этом положении отогнутый большой палец будет указывать вниз.

Ответ: сила, действующая на проводник, направлена вниз.

3. Нижний левый проводник

Магнитное поле $B$ в нижнем ряду направлено от северного полюса N (справа) к южному S (слева), то есть влево. Ток $I$ в проводнике направлен на нас (обозначение ⊙). Располагаем левую руку так, чтобы линии поля $B$ входили в ладонь (ладонь обращена вправо), а четыре пальца указывали по направлению тока $I$ (на нас). В этом положении отогнутый большой палец будет указывать вниз.

Ответ: сила, действующая на проводник, направлена вниз.

4. Нижний правый проводник

Магнитное поле $B$ также направлено влево. Ток $I$ в проводнике направлен от нас (обозначение ⊗). Располагаем левую руку так, чтобы линии поля $B$ входили в ладонь (ладонь обращена вправо), а четыре пальца указывали по направлению тока $I$ (от нас). В этом положении отогнутый большой палец будет указывать вверх.

Ответ: сила, действующая на проводник, направлена вверх.

4. Отрицательно заряженная частица движется со скоростью v в магнитном поле (рис. 152). Укажите направление силы, с которой поле действует на частицу.

Решение

На рисунке изображена отрицательно заряженная частица, движущаяся в однородном магнитном поле. Направление магнитного поля принято обозначать точками, если оно направлено из плоскости рисунка на наблюдателя. Таким образом, вектор магнитной индукции $\vec{B}$ направлен перпендикулярно плоскости рисунка на нас.

На движущуюся в магнитном поле заряженную частицу действует сила Лоренца, которая определяется выражением $\vec{F_Л} = q(\vec{v} \times \vec{B})$. Поскольку заряд частицы $q$ отрицателен, для определения направления силы $\vec{F_Л}$ используется правило левой руки. Для этого необходимо расположить левую руку так, чтобы четыре вытянутых пальца совпали с направлением вектора скорости $\vec{v}$ (вниз и влево), а вектор магнитной индукции $\vec{B}$ (направленный на нас) входил в ладонь. В этом случае отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление силы Лоренца. Применив это правило, получаем, что сила Лоренца направлена вверх и влево, перпендикулярно вектору скорости.

Ответ: Сила, с которой поле действует на частицу, направлена вверх и влево, перпендикулярно вектору скорости.

5. Магнитное поле действует с силой F на частицу, движущуюся со скоростью v (рис. 153). Определите знак заряда частицы.

Решение

Для определения знака заряда частицы воспользуемся правилом левой руки для силы Лоренца. Сила Лоренца $\vec{F}$, действующая на заряженную частицу, движущуюся со скоростью $\vec{v}$ в магнитном поле с индукцией $\vec{B}$, определяется векторным произведением $\vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B})$, где $q$ — заряд частицы.

Направление силы для положительного заряда можно найти с помощью правила левой руки:

Если расположить левую руку так, чтобы вектор магнитной индукции $\vec{B}$ входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению скорости $\vec{v}$ положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы Лоренца $\vec{F}$.

Применим это правило к условию задачи, чтобы определить направление силы, которая действовала бы на положительный заряд:

1. На рисунке магнитное поле обозначено крестиками, что означает, что вектор магнитной индукции $\vec{B}$ направлен от нас, за плоскость рисунка. Располагаем ладонь левой руки так, чтобы вектор $\vec{B}$ входил в нее (ладонь обращена к наблюдателю).
2. Вектор скорости частицы $\vec{v}$ направлен вниз. Направляем четыре вытянутых пальца левой руки вниз, по направлению скорости.
3. При таком расположении руки отогнутый большой палец будет указывать вправо.

Таким образом, на положительно заряженную частицу ($q > 0$) в данных условиях действовала бы сила, направленная вправо. Однако, согласно рисунку, сила $\vec{F}$ направлена влево, то есть в противоположную сторону.

Направление силы Лоренца для отрицательно заряженной частицы противоположно направлению, определяемому по правилу левой руки. Следовательно, заряд данной частицы является отрицательным.

Ответ: Заряд частицы отрицательный.