Задание, страница 217 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Задание

Изобразите в тетради полюса магнитов и прямоугольную рамку с током. По правилу левой руки определите направление силы Ампера, действующей на каждую сторону рамки, изобразите силы на рисунке. Приложите к макету рамки силы в том направлении, в котором вы указали на рисунке. Какое движение совершает рамка под действием приложенных сил?

1. Изображение полюсов магнитов, рамки с током и определение направления силы Ампера.

Для решения задачи представим себе следующую установку. Создадим однородное магнитное поле, расположив полюса магнита так, чтобы силовые линии магнитного поля были направлены горизонтально, например, слева направо. Северный полюс (N) будет слева, а южный (S) — справа. Вектор магнитной индукции $B$ направлен от N к S.

В это магнитное поле поместим прямоугольную рамку, по которой течет электрический ток $I$. Рамка расположена так, что две её стороны (назовем их вертикальными) перпендикулярны линиям магнитной индукции, а две другие (горизонтальные) — параллельны им в начальный момент времени. Пусть ток в левой вертикальной стороне течет вверх, а в правой — вниз.

Теперь определим направление силы Ампера, действующей на каждую сторону рамки, используя правило левой руки:

Правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по току, то отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление силы Ампера.

• Левая вертикальная сторона: Ток $I$ направлен вверх. Вектор магнитной индукции $B$ направлен вправо. Располагаем левую руку так, чтобы ладонь была обращена влево (линии $B$ входят в ладонь), а четыре пальца указывали вверх (по току). Большой палец будет указывать на нас, из плоскости рисунка. Следовательно, сила Ампера $F_{A1}$ направлена из плоскости рисунка.

• Правая вертикальная сторона: Ток $I$ направлен вниз. Вектор $B$ по-прежнему направлен вправо. Располагаем левую руку так, чтобы ладонь была обращена влево, а четыре пальца указывали вниз. Большой палец будет указывать от нас, в плоскость рисунка. Следовательно, сила Ампера $F_{A2}$ направлена в плоскость рисунка.

• Верхняя и нижняя горизонтальные стороны: На этих сторонах ток направлен параллельно (или антипараллельно) вектору магнитной индукции $B$. Сила Ампера определяется формулой $F_A = I \cdot B \cdot l \cdot \sin(\alpha)$, где $\alpha$ — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции. Для верхней стороны $\alpha = 180^\circ$, а для нижней $\alpha = 0^\circ$. В обоих случаях $\sin(\alpha) = 0$, поэтому сила Ампера на этих сторонах равна нулю ($F_{A3} = F_{A4} = 0$).

Ответ: На левую сторону рамки действует сила Ампера, направленная из плоскости рисунка (на наблюдателя). На правую сторону действует сила, направленная в плоскость рисунка (от наблюдателя). На верхнюю и нижнюю стороны рамки сила Ампера не действует.

2. Движение рамки под действием приложенных сил.

Как мы определили, на рамку действуют две основные силы, $F_{A1}$ и $F_{A2}$. Эти силы равны по модулю ($|F_{A1}| = |F_{A2}| = I \cdot B \cdot l$, где $l$ - длина вертикальной стороны), но противоположны по направлению и приложены к разным сторонам рамки. Такая пара сил создает вращающий момент.

Под действием этого вращающего момента рамка начнет совершать вращательное движение. Ось вращения будет проходить вертикально через центры верхней и нижней сторон рамки.

Ответ: Под действием приложенных сил Ампера рамка с током начнет вращаться вокруг вертикальной оси.