Страница 96 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

645. С помощью установки (рис. 133) учитель провёл опыт. Проводник M с током движется в магнитном поле. Укажите направление тока в проводнике M. Дополните рисунок изображением источника тока.

Рис. 133

Для определения направления тока в проводнике и полярности подключения источника используется правило левой руки.

Правило левой руки гласит: если расположить левую руку так, чтобы линии индукции магнитного поля (вектор $\vec{B}$) входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по току ($I$), то отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Ампера ($\vec{F}$), действующей на проводник. В данном опыте нам нужно найти направление тока, зная направление силы и магнитного поля.

Определим направления векторов по рисунку:
1. Направление вектора магнитной индукции $\vec{B}$: линии магнитного поля направлены от северного полюса (N) к южному (S). На рисунке полюс N находится внизу, а S — вверху, следовательно, вектор $\vec{B}$ направлен вертикально вверх.
2. Направление силы Ампера $\vec{F}$: по условию, проводник M движется вправо, значит, и действующая на него сила $\vec{F}$ направлена вправо.

Применим правило левой руки в обратном порядке. Располагаем левую руку так, чтобы линии поля $\vec{B}$ (направленные вверх) входили в ладонь, для этого ладонь должна быть обращена вниз. Большой палец отгибаем по направлению силы $\vec{F}$ — вправо. В таком положении четыре вытянутых пальца укажут искомое направление тока $I$. Они будут направлены от наблюдателя, вглубь рисунка.

Ответ: Ток в проводнике M течет в направлении от ближнего к наблюдателю конца к дальнему.

По определению, во внешней электрической цепи ток течет от положительного полюса источника к отрицательному. Мы установили, что ток в проводнике M направлен от ближнего конца к дальнему. Ближний конец проводника соединен с правой клеммой на подставке, а дальний — с левой. Следовательно, чтобы обеспечить такое направление тока, к правой клемме нужно подключить положительный полюс («+») источника, а к левой — отрицательный полюс («–»).

Ответ: К правой клемме на подставке следует подключить положительный полюс источника тока, а к левой — отрицательный.

646. В какую сторону покатится металлический стержень, изображённый на рисунке 134?

Рис. 134

Решение

На металлический стержень, по которому протекает электрический ток, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера. Направление этой силы можно определить с помощью правила левой руки.

1. Определим направление тока в стержне. Электрический ток течет от положительного полюса (+) источника к отрицательному (-). Согласно рисунку, ток потечет от источника по ближнему к нам рельсу, затем через стержень к дальнему рельсу и вернется к источнику. Следовательно, в самом стержне ток направлен от нас (вглубь рисунка).

2. Определим направление линий магнитного поля. Линии индукции магнитного поля выходят из северного полюса (N) и входят в южный (S). На рисунке северный полюс магнита находится внизу, а южный — вверху. Значит, вектор магнитной индукции $ \vec{B} $ направлен вертикально вверх.

3. Применим правило левой руки. Расположим левую руку так, чтобы линии магнитной индукции $ \vec{B} $ (направленные вверх) входили в ладонь. Для этого ладонь нужно направить вниз. Четыре вытянутых пальца направим по направлению тока $I$ в стержне, то есть от нас. В таком положении отогнутый на 90° большой палец укажет направление действующей на стержень силы Ампера $ \vec{F_A} $. Большой палец будет указывать вправо.

Таким образом, на стержень действует сила, направленная вправо, и он покатится в этом направлении.

Ответ: Металлический стержень покатится вправо.

647. По жёсткой проволочной рамке, которая может свободно поворачиваться вокруг оси $O_1O_2$, проходит электрический ток в направлении АБВГ (рис. 135). Определите направление сил, действующих на рамку на участках АБ, БВ и ВГ. Как движется рамка?

Рис. 135

Решение

Для определения направления сил, действующих на проводники с током в магнитном поле, воспользуемся правилом левой руки. Линии вектора магнитной индукции $ \vec{B} $ выходят из северного полюса (N) и входят в южный (S), следовательно, в пространстве между полюсами магнитное поле направлено горизонтально вправо.

Определите направления сил, действующих на рамку на участках АБ, БВ и ВГ

На участке АБ: ток $ I $ течет вниз. Расположим левую руку так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление тока (вниз), а линии магнитного поля входили в ладонь (ладонь обращена влево). Тогда отогнутый на 90° большой палец укажет направление действующей силы Ампера $ \vec{F}_{АБ} $. Она направлена на нас, перпендикулярно плоскости рисунка.

На участке ВГ: ток $ I $ течет вверх. Поступая аналогично, направим четыре пальца левой руки вверх, а ладонь развернем так, чтобы в нее входили линии поля. Большой палец укажет направление силы $ \vec{F}_{ВГ} $ — от нас, перпендикулярно плоскости рисунка.

На участке БВ: ток $ I $ течет вправо, то есть его направление совпадает с направлением вектора магнитной индукции $ \vec{B} $. Угол $ \alpha $ между направлением тока и вектором магнитной индукции равен $ 0^{\circ} $. Величина силы Ампера определяется по формуле $ F = I \cdot B \cdot l \cdot \sin(\alpha) $. Поскольку $ \sin(0^{\circ}) = 0 $, сила, действующая на этот участок рамки, равна нулю.

Ответ: Сила, действующая на участок АБ, направлена на наблюдателя; сила на участке ВГ направлена от наблюдателя; сила на участке БВ равна нулю.

Как движется рамка?

На стороны рамки АБ и ВГ действуют две силы, $ \vec{F}_{АБ} $ и $ \vec{F}_{ВГ} $. Эти силы равны по модулю, но направлены в противоположные стороны и приложены к разным сторонам рамки. Эта пара сил создает вращающий момент относительно оси $ O_{1}O_{2} $. Под действием этого момента рамка начнет вращаться так, что сторона АБ будет двигаться из плоскости рисунка на нас, а сторона ВГ — вглубь, от нас.

Ответ: Рамка будет вращаться вокруг оси $ O_{1}O_{2} $ против часовой стрелки, если смотреть на неё сверху (со стороны точки $ O_{1} $).

648. Виток проволоки, помещённый в магнитное поле (рис. 136), повернулся по ходу часовой стрелки вокруг горизонтальной оси АВ. Определите полюсы источника тока.

Рис. 136

Решение

Для определения полюсов источника тока необходимо определить направление тока в витке. Направление тока можно найти, зная направление силы Ампера, действующей на стороны витка, и направление магнитного поля. Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки.

1. Вектор магнитной индукции $ \vec{B} $ направлен от северного полюса магнита (N) к южному (S), то есть горизонтально слева направо.

2. По условию задачи, виток поворачивается по ходу часовой стрелки вокруг оси АВ. Это означает, что на дальнюю от нас сторону витка (вблизи точки B) действует сила Ампера, направленная вверх, а на ближнюю к нам сторону (вблизи точки А) действует сила Ампера, направленная вниз.

3. Применим правило левой руки для дальней от нас стороны витка. Расположим левую руку так, чтобы линии магнитной индукции $ \vec{B} $ входили в ладонь (ладонь обращена влево), а отогнутый на 90° большой палец был направлен вверх (по направлению силы, вращающей эту сторону витка). Тогда четыре вытянутых пальца укажут направление тока $ I $ в этой части проводника. Ток будет направлен от нас, вглубь рисунка.

4. Аналогично применим правило левой руки для ближней к нам стороны витка. Линии магнитной индукции $ \vec{B} $ так же входят в ладонь. Большой палец направляем вниз (по направлению силы). Четыре вытянутых пальца покажут направление тока $ I $ на нас, из плоскости рисунка.

5. Таким образом, ток течет от источника по проводу, подключенному к ближней стороне витка (слева), проходит по витку и возвращается к источнику по проводу, подключенному к дальней стороне витка (справа).

6. Во внешней цепи электрический ток направлен от положительного полюса (+) источника к отрицательному (-). Следовательно, ток выходит из левой клеммы и входит в правую.

Ответ: Левая клемма источника тока является положительным полюсом (+), а правая клемма — отрицательным полюсом (-).