Номер 658, страница 98 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Электромагнитное поле. Магнитное поле. Направление линий магнитного поля тока. Действие магнитного поля на электрический ток. Индукция магнитного поля - номер 658, страница 98.

Условие.

658. На рисунке 144 изображена установка по изучению магнитного действия тока. Два одинаковых металлических стержня укреплены над столом, и под ними располагается магнитная стрелка.

Рис. 144

Опыт 1. При присоединении кольца 1 к клемме «+» аккумулятора и кольца 2 к клемме «–» магнитная стрелка повернулась на 45° к стержню.

Опыт 2. При присоединении колец 1 и 3 к клемме «+», а колец 2 и 4 к клемме «–» стрелка повернулась на 90° северным концом от аккумулятора.

Опыт 3. При присоединении колец 1 и 4 к клемме «+», а колец 2 и 3 к клемме «–» стрелка сохранила положение вдоль стержней.

Из предложенного перечня утверждений выберите два верных, являющихся выводами, сделанными на основании трёх проведённых экспериментов. Укажите их номера. 1) Вектор индукции магнитного поля Земли направлен вдоль стержней от стойки B к стойке А. 2) Модуль вектора магнитной индукции зависит от силы тока в стержне. 3) При протекании тока в направлении от стойки А к стойке В вектор магнитной индукции поля, создаваемого током в стержне, направлен справа налево. 4) В опыте 3 было устроено короткое замыкание клемм аккумулятора. 5) При протекании тока по стержням в противоположных направлениях магнитные поля двух токов компенсируют друг друга.

Решение.

Проанализируем данные экспериментов для оценки предложенных утверждений.

В исходном состоянии, до подключения тока, магнитная стрелка устанавливается вдоль направления горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции поля Земли ($\vec{B}_З$).

Опыт 3. Ток в верхнем стержне течёт от А к В, а в нижнем — от В к А. Согласно правилу правой руки, магнитные поля, создаваемые этими токами под стержнями, направлены в противоположные стороны. Поскольку стержни одинаковы и токи в них (при параллельном соединении к одному источнику) равны по модулю, создаваемые ими магнитные поля в точке расположения стрелки (посередине) компенсируют друг друга. В условии сказано, что «стрелка сохранила положение вдоль стержней». Это означает, что результирующее поле от токов равно нулю, и стрелка указывает направление внешнего поля, то есть поля Земли. Следовательно, вектор $\vec{B}_З$ направлен вдоль стержней.

Опыт 1. Ток течёт только в одном стержне. Этот ток создаёт магнитное поле $\vec{B}_I$, вектор которого перпендикулярен стержню. Стрелка устанавливается по направлению результирующего поля $\vec{B}_{общ1} = \vec{B}_З + \vec{B}_I$. Поскольку векторы $\vec{B}_З$ (вдоль стержня) и $\vec{B}_I$ (перпендикулярно стержню) взаимно перпендикулярны, а стрелка отклонилась на 45°, это означает, что модули этих векторов равны: $|\vec{B}_I| = |\vec{B}_З|$.

Опыт 2. Ток течёт в обоих стержнях в одном направлении (от А к В). Суммарное магнитное поле от двух токов $\vec{B}_{2I}$ будет в два раза больше поля от одного тока: $\vec{B}_{2I} = 2\vec{B}_I$. Стрелка отклоняется на 90°. Это означает, что результирующее поле $\vec{B}_{общ2} = \vec{B}_З + \vec{B}_{2I}$ направлено перпендикулярно стержням, что возможно, если $|\vec{B}_{2I}| \gg |\vec{B}_З|$. Это качественно согласуется с результатом опыта 1, так как $2|\vec{B}_I| = 2|\vec{B}_З|$, и угол отклонения $\alpha$ должен определяться как $\tan(\alpha) = \frac{|\vec{B}_{2I}|}{|\vec{B}_З|} = \frac{2|\vec{B}_З|}{|\vec{B}_З|} = 2$, что даёт $\alpha \approx 63.4^\circ$. Значение 90° в условии, вероятно, является идеализацией, указывающей на значительное увеличение поля.

Теперь оценим утверждения:

1) Вектор индукции магнитного поля Земли направлен вдоль стержней от стойки B к стойке A.

Из опыта 3 следует, что вектор $\vec{B}_З$ направлен вдоль стержней. Однако, чтобы определить точное направление (от А к В или от В к А), необходимо знать направление отклонения стрелки в опыте 1, которое в условии описано неоднозначно («к стержню»). Поэтому сделать однозначный вывод о направлении вектора индукции магнитного поля Земли на основании приведённых данных нельзя. Утверждение не может быть однозначно подтверждено.

2) Модуль вектора магнитной индукции зависит от силы тока в стержне.

Сравнение опыта 1 и опыта 2 показывает, что при увеличении суммарной силы тока, создающей магнитное поле (один стержень в опыте 1, два стержня в опыте 2), угол отклонения стрелки увеличивается (с 45° до 90°). Больший угол отклонения свидетельствует о большем модуле вектора магнитной индукции, создаваемого током. Следовательно, модуль вектора магнитной индукции зависит от силы тока. Это утверждение является верным выводом из экспериментов.

3) При протекании тока в направлении от стойки А к стойке В вектор магнитной индукции поля, создаваемого током в стержне, направлен справа налево.

Согласно правилу правой руки, линии магнитной индукции прямого тока представляют собой концентрические окружности с центром на проводнике. Вектор магнитной индукции в любой точке направлен по касательной к такой окружности. Следовательно, под горизонтальным проводом вектор магнитной индукции будет направлен перпендикулярно проводу, а не «справа налево» (что означало бы параллельно проводу). Утверждение неверно.

4) В опыте 3 было устроено короткое замыкание клемм аккумулятора.

В опыте 3 ток от аккумулятора протекает через два стержня, включённых параллельно. Это рабочая электрическая цепь, имеющая сопротивление. Короткое замыкание — это соединение полюсов источника проводником, сопротивление которого очень мало. В данном случае короткого замыкания не было. Утверждение неверно.

5) При протекании тока по стержням в противоположных направлениях магнитные поля двух токов компенсируют друг друга.

В опыте 3 токи в стержнях текли в противоположных направлениях, и магнитная стрелка не изменила своего положения. Это означает, что суммарное магнитное поле, созданное токами в стержнях, в точке расположения стрелки равно нулю. То есть поля скомпенсировали друг друга. Это утверждение является прямым выводом из опыта 3. Утверждение верно.

Ответ: Верными являются утверждения 2 и 5.