Номер 3, страница 297 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. II. Эксперимент и моделирование — основные физические методы исследования природы - номер 3, страница 297.

Условие.

Конструирование и экспериментальное исследование моделей технических объектов: электромагнита, индукционного генератора, перископа.

Решение.

Электромагнит

Конструирование модели электромагнита
Принцип действия: Электромагнит — это устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока. Его работа основана на явлении, открытом Г. Х. Эрстедом: электрический ток, протекающий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Для усиления этого поля проводнику придают форму катушки (соленоида) и внутрь помещают сердечник из ферромагнитного материала.
Необходимые материалы:

• Железный стержень (гвоздь, болт) в качестве сердечника.
• Изолированный медный провод (обмотка).
• Источник постоянного тока (батарейка или блок питания).
• Выключатель (ключ) для замыкания и размыкания цепи.
• Мелкие металлические предметы (скрепки, гвоздики) для проверки действия.

Сборка: На железный сердечник плотно, виток к витку, наматывается изолированный провод, оставляя свободные концы. Чем больше витков, тем сильнее будет магнитное поле. Концы провода подключаются к источнику тока через выключатель.

Экспериментальное исследование модели
Цель: Исследовать, от каких факторов зависит сила (магнитное действие) электромагнита.
Гипотезы:

1. Магнитное действие усиливается с увеличением числа витков в катушке.
2. Магнитное действие усиливается с увеличением силы тока в катушке.
3. Наличие железного сердечника значительно усиливает магнитное действие.

Ход исследования:

1. Проверка зависимости от числа витков: Собрать цепь. Измерить "силу" электромагнита, подсчитав максимальное количество скрепок, которое он может удержать. Затем увеличить число витков на сердечнике (например, вдвое) и повторить измерение, не меняя источник тока. Сравнить результаты. Ожидается, что с увеличением числа витков количество удерживаемых скрепок возрастет.
2. Проверка зависимости от силы тока: Собрать цепь, включив в нее реостат для изменения силы тока и амперметр для ее измерения. При фиксированном числе витков измерить подъемную силу электромагнита при разных значениях силы тока. Ожидается, что с увеличением силы тока подъемная сила будет расти. Магнитная индукция поля соленоида пропорциональна силе тока: $B \propto I$.
3. Проверка роли сердечника: Сравнить подъемную силу катушки с железным сердечником и без него (воздушный соленоид) при одинаковом числе витков и силе тока. Ожидается, что катушка с сердечником удержит значительно больше скрепок.

Вывод: В ходе экспериментов подтверждается, что магнитное действие электромагнита зависит от силы тока, числа витков в катушке и наличия ферромагнитного сердечника.

Ответ: Модель электромагнита состоит из катушки с сердечником, подключенной к источнику тока. Экспериментальное исследование показывает, что его магнитная сила прямо пропорциональна числу витков и силе тока, а также значительно увеличивается при наличии ферромагнитного сердечника.

Индукционный генератор

Конструирование модели индукционного генератора
Принцип действия: Работа генератора основана на явлении электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем. Суть явления заключается в возникновении электрического тока (индукционного тока) в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур.
Необходимые материалы:

• Катушка из медного изолированного провода с большим числом витков.
• Постоянный магнит (полосовой или подковообразный).
• Чувствительный измерительный прибор — гальванометр (или мультиметр в режиме измерения малых токов).

Сборка: Концы катушки подключаются к клеммам гальванометра.

Экспериментальное исследование модели
Цель: Продемонстрировать явление электромагнитной индукции и исследовать факторы, влияющие на величину индукционного тока.
Ход исследования:

1. Получение индукционного тока: Вдвигать магнит одним из полюсов внутрь катушки. Гальванометр покажет наличие тока. Если оставить магнит неподвижным внутри катушки, ток исчезнет (стрелка вернется к нулю). При выдвигании магнита из катушки стрелка гальванометра отклонится в противоположную сторону. Это доказывает, что ток возникает только при движении магнита относительно катушки, т.е. при изменении магнитного потока.
2. Зависимость величины тока от скорости изменения магнитного потока: Повторить опыт, вдвигая и выдвигая магнит с разной скоростью. При более быстром движении магнита стрелка гальванометра отклоняется на больший угол, что свидетельствует о большей силе индукционного тока. Это соответствует закону Фарадея, согласно которому ЭДС индукции $ \mathcal{E}_{i} $ пропорциональна скорости изменения магнитного потока: $ \mathcal{E}_{i} = - \frac{\Delta\Phi}{\Delta t} $.
3. Зависимость величины тока от числа витков: Если есть две катушки с разным числом витков, повторить опыт с каждой из них, двигая магнит с одинаковой скоростью. В катушке с большим числом витков индукционный ток будет больше.
4. Направление индукционного тока: Изменить полюс магнита, вдвигаемый в катушку. Направление отклонения стрелки гальванометра изменится на противоположное. Это соответствует правилу Ленца.

Вывод: Электрический ток возникает в катушке при любом изменении магнитного потока через нее. Величина индукционного тока тем больше, чем быстрее меняется магнитный поток и чем больше витков в катушке.

Ответ: Модель индукционного генератора состоит из катушки, магнита и гальванометра. Экспериментально установлено, что индукционный ток возникает при изменении магнитного потока через катушку, а его величина зависит от скорости этого изменения и числа витков в катушке.

Перископ

Конструирование модели перископа
Принцип действия: Перископ — оптический прибор для наблюдения из укрытия. Его работа основана на законе отражения света. Простейший перископ состоит из трубы, на концах которой установлены два плоских зеркала, расположенных параллельно друг другу под углом 45° к оси трубы.
Необходимые материалы:

• Длинная и узкая коробка или картонная труба прямоугольного сечения.
• Два одинаковых плоских зеркала небольшого размера.
• Канцелярский нож, линейка, транспортир, клей или скотч.

Сборка: На противоположных сторонах трубы вверху и внизу вырезаются смотровые окна. Внутри трубы напротив окон под углом 45° к длинной оси трубы закрепляются два зеркала. Зеркала должны быть параллельны друг другу. Луч света от наблюдаемого объекта попадает в верхнее окно, отражается от верхнего зеркала, проходит вертикально вниз по трубе, отражается от нижнего зеркала и выходит через нижнее окно, попадая в глаз наблюдателя.

Экспериментальное исследование модели
Цель: Изучить ход лучей в перископе и свойства получаемого изображения.
Ход исследования:

1. Проверка работоспособности: Посмотреть через нижнее окно перископа, направив верхнее окно на какой-либо удаленный предмет. Можно увидеть предметы, находящиеся за препятствием (например, выглянуть из-за угла или поверх стола).
2. Изучение хода лучей: В затемненном помещении можно направить на верхнее зеркало луч света от лазерной указки или фонарика с узким пучком и проследить его путь. Необходимо убедиться, что для каждого зеркала выполняется закон отражения: угол падения равен углу отражения. Так как зеркало наклонено под углом 45°, горизонтальный луч падает на него под углом 45° и отражается под тем же углом, становясь вертикальным.
3. Анализ изображения: Рассмотреть изображение, получаемое в перископе. Оно является прямым (не перевернутым) и мнимым. Двойное отражение приводит к тому, что изображение не является зеркально обращенным (лево и право не меняются местами), в отличие от изображения в одном зеркале. Масштаб изображения в простейшем перископе равен 1.

Вывод: Перископ позволяет изменять направление распространения света благодаря двойному отражению от системы зеркал. Это дает возможность вести наблюдение из скрытого положения.

Ответ: Модель перископа представляет собой трубу с двумя параллельными зеркалами, установленными под углом 45° к ее оси. Экспериментальное исследование показывает, что прибор работает на основе закона отражения света и дает прямое, мнимое, незеркальное изображение объекта в натуральную величину.