Страница 228 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. «Модель электромагнитного крана» (возможная форма: презентация, опыт, модель).

Электромагнитный кран — это грузоподъемное устройство, использующее сильный электромагнит для захвата и перемещения грузов из ферромагнитных материалов (железа, стали и их сплавов). Принцип его работы основан на явлении электромагнетизма. Когда через катушку, намотанную на сердечник из ферромагнитного материала, пропускается электрический ток, сердечник намагничивается и создает сильное магнитное поле. Это поле позволяет крану притягивать и удерживать металлические объекты. Как только подача тока прекращается, магнитное поле исчезает, и груз освобождается. Эта способность быстро включать и выключать магнитную силу делает электромагнитные краны незаменимыми на металлургических заводах, в портах и на площадках для переработки металлолома.

Презентация

Презентация является отличным способом теоретически разобрать устройство и принцип действия электромагнитного крана. Структура презентации может быть следующей:

• Слайд 1: Титульный лист. Название: «Модель электромагнитного крана», информация об авторе.
• Слайд 2: Введение. Что такое электромагнитный кран? Области применения (фотографии реальных кранов на производствах, в портах).
• Слайд 3: Историческая справка. Открытие электромагнетизма Гансом Христианом Эрстедом. Первые электромагниты (Уильям Стёрджен, Джозеф Генри).
• Слайд 4: Физические основы. Объяснение принципа работы электромагнита: катушка с током (соленоид) и ферромагнитный сердечник. Иллюстрация с силовыми линиями магнитного поля.
• Слайд 5: Факторы, влияющие на силу электромагнита. Подробное объяснение зависимости подъемной силы от:
  • Силы тока ($I$) в обмотке.
  • Количества витков ($N$) в катушке.
  • Наличия и материала сердечника (магнитная проницаемость $\mu$).
  Можно привести формулу для магнитного поля внутри длинного соленоида: $B = \mu_0 \mu nI$, где $n$ – число витков на единицу длины, $\mu_0$ – магнитная постоянная.
• Слайд 6: Устройство крана. Схематическое изображение основных компонентов: электромагнит, кабина управления, стрела, система питания, грузовой трос.
• Слайд 7: Преимущества и недостатки.
  • Преимущества: простота управления (включить/выключить), возможность захвата грузов сложной формы, высокая скорость работы.
  • Недостатки: работает только с ферромагнетиками, требует постоянного источника энергии, опасность при сбое питания.
• Слайд 8: Заключение. Краткое обобщение ключевых моментов.

Ответ: В результате подготовки презентации будет создан исчерпывающий теоретический материал, который систематизирует знания о физических принципах, устройстве, применении, а также преимуществах и недостатках электромагнитных кранов.

Опыт

Проведение опыта позволяет наглядно продемонстрировать основной принцип работы электромагнитного крана — создание магнитного поля электрическим током.

• Цель опыта: Собрать простейший электромагнит и проверить его способность притягивать небольшие металлические предметы.
• Необходимые материалы:
  • Большой железный гвоздь или болт (в качестве сердечника).
  • Изолированный медный провод (длиной 1-2 метра).
  • Источник питания (батарейка типа D на 1,5 В или лабораторный источник питания).
  • Выключатель (ключ).
  • Мелкие металлические предметы (скрепки, кнопки, маленькие гвоздики).
• Ход работы:
  1. Аккуратно и плотно намотать медный провод на железный гвоздь, оставив свободные концы провода длиной около 10 см. Чем больше витков, тем сильнее будет магнит.
  2. Собрать электрическую цепь, последовательно соединив концы провода с источником питания через выключатель.
  3. Замкнуть цепь с помощью выключателя. Поднести конец гвоздя к скрепкам. Гвоздь притянет их.
  4. Разомкнуть цепь. Скрепки упадут, так как гвоздь потеряет свои магнитные свойства.
  5. Можно усложнить опыт: исследовать зависимость силы магнита от числа витков (сделать несколько катушек) или от силы тока (если используется регулируемый источник питания).
• Техника безопасности: Не держать цепь замкнутой слишком долго, так как проводник и батарея могут нагреться. Использовать источник низкого напряжения.

Ответ: В результате проведения опыта будет практически доказан основной принцип работы электромагнитного крана: электрический ток, проходя по катушке, создает магнитное поле, способное притягивать ферромагнитные предметы.

Модель

Создание действующей модели электромагнитного крана — это комплексный проект, объединяющий знания по физике и инженерии.

• Цель: Сконструировать уменьшенную действующую модель крана, способную поднимать и перемещать небольшие грузы с помощью самодельного электромагнита.
• Компоненты модели:
  • Грузозахватный орган: Электромагнит, созданный по той же схеме, что и в опыте (гвоздь, проволока, источник питания, выключатель).
  • Несущая конструкция: Основание, башня и стрела крана. Их можно изготовить из конструктора (например, Lego Technic), дерева, пластика или плотного картона.
  • Механизм подъема: Катушка с нитью, на конце которой закреплен электромагнит. Вращая катушку (вручную или с помощью небольшого мотора), можно поднимать и опускать груз.
  • Механизм перемещения: Можно предусмотреть возможность поворота стрелы вокруг башни и/или перемещение тележки с электромагнитом вдоль стрелы. Это также можно реализовать с помощью нитей и шкивов или небольших электродвигателей.
• Сборка и демонстрация:
  1. Собрать несущую конструкцию крана.
  2. Установить на нее механизмы подъема и перемещения.
  3. Собрать электромагнит и подключить его к источнику питания через отдельный выключатель, расположенный на "пульте управления".
  4. Провести демонстрацию полного рабочего цикла: подвести кран к грузу (скрепкам), опустить электромагнит, включить его, поднять груз, переместить его в нужную точку, выключить электромагнит для сброса груза.

Ответ: В результате будет создана действующая модель, которая наглядно демонстрирует не только физический принцип работы электромагнита, но и механические аспекты функционирования полноценного грузоподъемного крана.

2. «Создаём макет магнитного поля Земли» (возможная форма: презентация, макет).

Задание предлагает создать макет магнитного поля Земли. Это можно сделать в двух форматах: физический макет или электронная презентация. Рассмотрим оба варианта подробно.

Создание физического макета «Магнитное поле Земли»

Физический макет позволяет наглядно продемонстрировать трехмерную структуру магнитного поля и его основные особенности.

Необходимые материалы:

• Шар из пенопласта или старый глобус (в качестве модели Земли).
• Сильный стержневой или цилиндрический магнит.
• Жесткая проволока (алюминиевая или медная) или плотные нитки для изображения силовых линий.
• Краски (синяя, зеленая, белая), кисти, маркеры.
• Канцелярский нож, клей (термоклей или суперклей).
• Подставка для макета.
• Небольшой компас для демонстрации работы поля.
• Прозрачный пластик или картон для изображения головной ударной волны.

Пошаговая инструкция:

1. Подготовка планеты. Если используется шар из пенопласта, его нужно раскрасить, чтобы он напоминал Землю: нарисовать континенты, океаны. Отметьте на шаре точки Северного и Южного географических полюсов. Проведите через них ось вращения.
2. Создание «магнитного ядра». Прорежьте в шаре сквозное отверстие так, чтобы оно было наклонено примерно на $11.5^\circ$ по отношению к оси вращения. Это будет ось магнитного диполя Земли. Вставьте в это отверстие стержневой магнит. Важно: Южный полюс магнита (S) должен быть направлен к Северному географическому полюсу, а Северный полюс магнита (N) — к Южному. Это связано с тем, что Северный полюс стрелки компаса (который сам является магнитом) притягивается к Южному магнитному полюсу Земли.
3. Визуализация силовых линий. Из проволоки согните несколько дуг разного размера. Эти дуги будут изображать силовые линии магнитного поля. Закрепите концы проволочных дуг на поверхности шара в районах магнитных полюсов (там, где из шара выходит магнит). Линии должны "выходить" из Северного магнитного полюса (у Южного географического) и "входить" в Южный магнитный полюс (у Северного географического).
4. Моделирование магнитосферы. Магнитное поле Земли несимметрично из-за воздействия солнечного ветра. Условно выберите одно направление, откуда "дует" солнечный ветер. С этой стороны сделайте силовые линии-дуги более короткими и сжатыми к планете. С противоположной ("ночной") стороны, наоборот, сделайте силовые линии сильно вытянутыми, образуя "магнитный хвост". Можно вырезать из прозрачного пластика дугообразную форму и закрепить ее с "дневной" стороны, чтобы показать головную ударную волну (bow shock).
5. Финальная сборка и демонстрация. Установите готовый макет на подставку. С помощью маленького компаса можно демонстрировать, как его стрелка будет всегда выстраиваться параллельно ближайшей силовой линии из проволоки.

Ответ: В результате будет создан наглядный трехмерный макет, который демонстрирует дипольный характер магнитного поля Земли, наклон магнитной оси относительно географической, а также асимметричную форму магнитосферы, возникающую из-за взаимодействия с солнечным ветром.

Создание презентации «Магнитное поле Земли»

Презентация позволяет более детально и разносторонне осветить тему, используя текст, схемы, анимацию и видео.

Структура презентации (по слайдам):

• Слайд 1: Титульный лист. Название: "Магнитное поле Земли: наш невидимый щит". Имя автора, учебное заведение. Яркое изображение Земли с силовыми линиями.
• Слайд 2: Что это такое? Краткое и понятное определение магнитного поля Земли (геомагнитного поля). Тезис: "Наша планета — гигантский магнит". Иллюстрация: Земля как магнит-диполь.
• Слайд 3: Откуда оно берется? Теория геодинамо. Объяснение источника поля: конвекционные потоки в жидком металлическом внешнем ядре планеты. Схематичное изображение внутреннего строения Земли с указанием ядра.
• Слайд 4: Структура поля. Иллюстрация, показывающая различие между географическими и магнитными полюсами и угол их наклона. Объяснение, почему стрелка компаса указывает на север. Можно добавить, что напряженность поля $B$ убывает с расстоянием от центра $r$ примерно как $B \propto 1/r^3$.
• Слайд 5: Магнитосфера — космический щит. Определение магнитосферы. Наглядная схема, показывающая ее асимметричную форму (сжатие с дневной стороны и длинный хвост с ночной) под действием солнечного ветра.
• Слайд 6: Взаимодействие с Солнцем. Что такое солнечный ветер (поток заряженных частиц). Анимация или схема, показывающая, как магнитосфера отклоняет солнечный ветер, защищая поверхность Земли.
• Слайд 7: Почему поле так важно для жизни? Перечисление защитных функций: от солнечной радиации, от космических лучей. Сохранение атмосферы (на примере Марса, который потерял поле и большую часть атмосферы).
• Слайд 8: Полярные сияния. Объяснение природы этого красивейшего явления: взаимодействие частиц солнечного ветра с газами в верхних слоях атмосферы в полярных областях. Вставить яркие фотографии и, если возможно, короткое видео полярных сияний.
• Слайд 9: Поле в движении. Рассказ о том, что магнитное поле не постоянно: дрейф магнитных полюсов (показать на карте их смещение за последние 100 лет), вековые вариации и инверсии (полная смена полюсов), которые многократно происходили в истории Земли.
• Слайд 10: Заключение. Краткие выводы о сложности, динамичности и критической важности магнитного поля для нашей планеты.

Ответ: В результате будет создана информативная и визуально привлекательная презентация, которая последовательно раскрывает природу, структуру, значение и динамику магнитного поля Земли, используя схемы, диаграммы, фото и видео для лучшего усвоения материала.