Номер 5, страница 285 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Лабораторные работы - номер 5, страница 285.

Условие.

5. Изучение явления электромагнитной индукции

Цель работы: 1) изучить явление электромагнитной индукции; 2) установить, как направлены индукционный ток в катушке и вектор индукции магнитного поля, создаваемого катушкой.

Средства измерения и материалы: миллиамперметр из набора «Учебный», катушка-моток, постоянный магнит, штатив, соединительные провода.

Гипотеза исследования

Возникающая в замкнутом контуре ЭДС индукции зависит от скорости изменения магнитного потока. Направление индукционного тока в катушке и направление вектора магнитной индукции поля определяются с помощью правила Ленца и правила буравчика.

Конкретизируйте гипотезу, учитывая имеющиеся средства измерения и материалы.

Порядок выполнения работы

1. Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра. Пронаблюдайте за направлением индукционного тока в катушке при вводе и выводе магнита.

2. С помощью миллиамперметра определите направление индукционного тока в катушке, а с помощью правила буравчика определите, как направлен вектор индукции магнитного поля, созданного током в катушке, в следующих случаях:

а) при вводе магнита в катушку северным полюсом;

б) при выводе магнита из катушки;

в) при вводе магнита в катушку южным полюсом;

г) при изменении скорости движения магнита;

д) при движении катушки относительно магнита.

3. Сделайте вывод о направлениях индукционного тока в катушке и вектора индукции магнитного поля в каждом из этих случаев.

4. Возникал ли в катушке индукционный ток во время движения магнита относительно катушки? Во время его остановки?

5. Подтвердилась или не подтвердилась ваша гипотеза исследования?

Решение.

Конкретизация гипотезы

При движении постоянного магнита относительно катушки-мотка, замкнутой на миллиамперметр, в катушке возникает индукционный ток. Величина этого тока, фиксируемая по отклонению стрелки миллиамперметра, зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего катушку (т.е. от скорости относительного движения магнита и катушки). Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он был вызван. Направление вектора индукции магнитного поля, создаваемого этим током, можно определить с помощью правила буравчика (правила правой руки).

Решение

Ниже представлены ожидаемые результаты наблюдений, основанные на законе электромагнитной индукции и правиле Ленца.

2. Определение направления индукционного тока и вектора индукции магнитного поля

а) при вводе магнита в катушку северным полюсом (N)

При вдвигании магнита северным полюсом в катушку, магнитный поток, направленный от нас сквозь катушку, увеличивается. Согласно правилу Ленца, индукционный ток создаст собственное магнитное поле, которое будет препятствовать этому увеличению. Следовательно, вектор магнитной индукции $ \vec{B}_{ind} $ индукционного тока будет направлен навстречу вектору индукции магнита $ \vec{B} $, то есть к нам. По правилу буравчика (правой руки), если направить большой палец правой руки в направлении вектора $ \vec{B}_{ind} $ (к нам), то согнутые пальцы укажут направление индукционного тока. Если смотреть на катушку со стороны вводимого магнита, ток будет течь против часовой стрелки.
Ответ: Индукционный ток направлен так, чтобы созданное им магнитное поле было направлено против поля магнита (отталкивание). Вектор индукции этого поля направлен от катушки к северному полюсу магнита.

б) при выводе магнита из катушки

При выдвигании северного полюса магнита из катушки, внешний магнитный поток сквозь катушку уменьшается. Индукционный ток создаст магнитное поле, которое будет стремиться поддержать этот убывающий поток. Вектор индукции $ \vec{B}_{ind} $ будет сонаправлен с вектором индукции магнита $ \vec{B} $ (от нас). По правилу буравчика, чтобы создать такое поле, ток в катушке (если смотреть со стороны магнита) должен течь по часовой стрелке. Катушка превращается в электромагнит, южным полюсом (S) обращенный к уходящему северному полюсу (N) магнита, притягивая его.
Ответ: Индукционный ток меняет свое направление на противоположное по сравнению с пунктом (а). Вектор индукции созданного им магнитного поля сонаправлен с полем магнита (притяжение).

в) при вводе магнита в катушку южным полюсом (S)

При вдвигании магнита южным полюсом, внешний магнитный поток, направленный к нам, увеличивается. Индукционный ток создаст поле, препятствующее этому увеличению, то есть его вектор индукции $ \vec{B}_{ind} $ будет направлен от нас. Это соответствует направлению тока по часовой стрелке (если смотреть со стороны магнита). Катушка отталкивает магнит, обращаясь к нему своим южным полюсом.
Ответ: Направление тока совпадает со случаем из пункта (б). Вектор индукции созданного им магнитного поля направлен против поля магнита (отталкивание).

г) при изменении скорости движения магнита

Согласно закону Фарадея для электромагнитной индукции, ЭДС индукции $ ε_{ind} $ прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока: $ ε_{ind} = - \frac{ΔΦ}{Δt} $. Сила индукционного тока $ I_{ind} = \frac{ε_{ind}}{R} $. Чем быстрее движется магнит, тем больше скорость изменения магнитного потока $ \frac{ΔΦ}{Δt} $, и, следовательно, тем больше ЭДС и сила индукционного тока. Это будет наблюдаться как большее отклонение стрелки миллиамперметра. Направление тока при этом не изменится, так как оно зависит только от направления изменения потока, а не от его скорости.
Ответ: При увеличении скорости движения магнита сила индукционного тока возрастает, при уменьшении скорости — убывает. Направление тока от скорости не зависит.

д) при движении катушки относительно магнита

Явление электромагнитной индукции возникает при относительном движении проводника и источника магнитного поля. Не имеет значения, что именно движется: магнит относительно катушки или катушка относительно магнита. Результаты будут полностью аналогичны предыдущим пунктам при той же относительной скорости и направлении движения.
Ответ: Результаты будут идентичны случаям (а), (б), (в) и (г), так как важно лишь относительное движение магнита и катушки.

3. Вывод о направлениях индукционного тока и вектора индукции магнитного поля

Направление индукционного тока и создаваемого им вектора магнитной индукции всегда таково, что они противодействуют причине, вызывающей этот ток, то есть изменению внешнего магнитного потока через контур (правило Ленца). При увеличении внешнего потока индукционное поле направлено против внешнего поля. При уменьшении внешнего потока индукционное поле сонаправлено с внешним полем. Величина индукционного тока прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
Ответ: Направление индукционного тока определяется правилом Ленца и зависит от того, увеличивается или уменьшается магнитный поток, а также от направления линий индукции внешнего магнитного поля.

4. Возникал ли в катушке индукционный ток во время движения магнита относительно катушки? Во время его остановки?

Индукционный ток возникает только тогда, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий катушку. Это происходит только во время движения магнита относительно катушки. Когда магнит останавливается (независимо от того, находится он внутри катушки или снаружи), магнитный поток становится постоянным ($ \frac{ΔΦ}{Δt} = 0 $), и индукционный ток прекращается. Стрелка миллиамперметра возвращается к нулевой отметке.
Ответ: Индукционный ток возникал только во время движения магнита. Во время его остановки ток в катушке отсутствовал.

5. Подтвердилась или не подтвердилась ваша гипотеза исследования?

Да, гипотеза полностью подтвердилась. Эксперименты показали, что:
1. ЭДС индукции (и, как следствие, индукционный ток) возникает при изменении магнитного потока.
2. Величина ЭДС индукции зависит от скорости изменения магнитного потока.
3. Направление индукционного тока подчиняется правилу Ленца и правилу буравчика (правой руки).
Ответ: Гипотеза исследования подтвердилась.