Страница 187 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. С какой целью ставились опыты, изображённые на рисунках 138–140? Как они проводились?

(рисунках 138–139)

1. С какой целью ставились опыты, изображённые на рисунках 138–140? Как они проводились?

Целью опытов, изображённых на рисунках 138–140, является демонстрация явления электростатической индукции и способа зарядки проводника через влияние (без непосредственного контакта с заряженным телом). Этот метод позволяет зарядить тело (в данном случае электрометр) зарядом, противоположным по знаку заряду тела, используемого для индукции.

Порядок проведения опытов (зарядка электрометра через влияние):

1. К шару незаряженного электрометра подносят, не касаясь его, заряженное тело (например, положительно заряженную стеклянную палочку). Под действием её электрического поля свободные электроны в проводящей системе электрометра (состоящей из шара, стержня и стрелки) перераспределяются: они притягиваются к палочке и скапливаются на шаре. На стержне и стрелке, наоборот, возникает недостаток электронов, то есть они приобретают суммарный положительный заряд. Силы электростатического отталкивания между одноимённо заряженными стержнем и стрелкой заставляют стрелку отклониться от стержня (этот этап показан на рисунке 138).
2. Не убирая заряженную палочку, касаются пальцем шара электрометра. Электрометр, тело человека и Земля образуют единую проводящую систему. Под действием поля палочки электроны с Земли через тело человека переходят на электрометр и нейтрализуют положительный заряд на его стержне и стрелке. В результате силы отталкивания исчезают, и стрелка под действием силы тяжести опускается в вертикальное положение (этот этап показан на рисунке 139).
3. Сначала убирают палец от шара, разрывая контакт с Землёй, а затем уносят и заряженную палочку. Избыточные электроны, перешедшие из Земли, оказываются «запертыми» на изолированном электрометре. Они равномерно распределяются по всей его проводящей системе (шару, стержню и стрелке). В результате и стержень, и стрелка оказываются заряженными (в нашем примере отрицательно), и стрелка снова отклоняется (этот этап показан на рисунке 140).

Ответ: Опыты ставились с целью изучить явление электростатической индукции и продемонстрировать, как можно зарядить проводник через влияние. Проводились они путем последовательного поднесения заряженного тела к незаряженному электрометру, временного заземления электрометра и последующего снятия заземления и удаления заряженного тела.

2. При каком условии в опытах (рис. 138–139) стрелка электрометра отклоняется, а при каком условии она возвращается в первоначальное положение?

Исходя из описания эксперимента, можно определить условия для каждого из состояний стрелки электрометра:

• Стрелка электрометра отклоняется (как на рисунке 138) при условии, что к незаряженному (или уже заряженному) электрометру подносят заряженное тело. Отклонение происходит из-за возникновения или изменения сил электростатического отталкивания между стержнем и стрелкой электрометра вследствие электростатической индукции.
• Стрелка электрометра возвращается в первоначальное (вертикальное) положение (как на рисунке 139) при условии, что электрометр заземляют (например, касаются его пальцем) в присутствии внешнего заряженного тела. Заземление создаёт путь для оттока или притока зарядов, что приводит к нейтрализации заряда на стержне и стрелке. В результате сила отталкивания между ними исчезает, и стрелка опадает.

Ответ: Стрелка электрометра отклоняется при поднесении к нему заряженного тела (без касания). Стрелка возвращается в первоначальное положение при заземлении электрометра, в то время как заряженное тело находится рядом.

2. При каком условии в опытах (см. рис. 138, 139) в катушке, замкнутой на гальванометр, возникал индукционный ток?

1. Опыты, демонстрирующие явление электромагнитной индукции, были проведены Майклом Фарадеем и, как правило, включают три основные постановки.

Первый опыт (вероятно, рис. 138) заключается во взаимодействии катушки, подключенной к гальванометру, и постоянного магнита. Когда магнит вдвигают в катушку или выдвигают из нее, гальванометр фиксирует появление электрического тока. Ток существует только во время движения магнита. Направление тока зависит от направления движения и от полюса магнита, который используется.

Второй опыт (вероятно, рис. 139) использует две катушки, расположенные рядом. Первичная катушка подключается к источнику тока через ключ, а вторичная — к гальванометру. В моменты замыкания или размыкания цепи первичной катушки, во вторичной катушке возникает кратковременный индукционный ток. Это происходит потому, что изменяющееся магнитное поле первичной катушки пронизывает вторичную.

Третий опыт (вероятно, рис. 140) является вариацией второго. При постоянно включенном токе в первичной катушке, его силу изменяют реостатом, либо перемещают катушки относительно друг друга. Во всех случаях, когда изменяется магнитное поле, пронизывающее вторичную катушку, в ней возникает индукционный ток.

Ответ: Опыты заключались в создании изменяющегося магнитного потока через замкнутую катушку, что достигалось либо относительным движением катушки и постоянного магнита, либо изменением силы тока в другой, соседней катушке.

2. В опытах, упомянутых в вопросе (рис. 138, 139), индукционный ток в катушке, замкнутой на гальванометр, возникал при единственном фундаментальном условии: изменении магнитного потока, пронизывающего контур данной катушки. Магнитный поток ($ \Phi $) — это величина, пропорциональная числу линий магнитной индукции, проходящих сквозь площадь контура. В опыте с магнитом (рис. 138) поток изменялся при движении магнита относительно катушки. В опыте с двумя катушками (рис. 139) поток изменялся в моменты включения/выключения тока в первичной катушке, так как ее магнитное поле, пронизывающее вторичную катушку, появлялось или исчезало. Если магнитный поток оставался постоянным, индукционный ток не возникал.

Ответ: Индукционный ток в катушке возникал при любом изменении магнитного потока, пронизывающего ее витки.

3. Явление электромагнитной индукции — это возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в проводящем контуре при изменении магнитного потока, проходящего через этот контур. Если контур замкнут, возникающая ЭДС создает в нем электрический ток, называемый индукционным. Величина ЭДС индукции ($ \mathcal{E}_{i} $) определяется законом Фарадея и прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока ($ \frac{\Delta\Phi}{\Delta t} $):

$ \mathcal{E}_{i} = - \frac{\Delta\Phi}{\Delta t} $

Знак «минус» в этой формуле отражает правило Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, что созданное им магнитное поле препятствует тому изменению магнитного потока, которым этот ток был вызван. Это явление является основополагающим для производства и передачи электроэнергии.

Ответ: Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре вследствие изменения магнитного потока, проходящего через него.

3. В чём заключается явление электромагнитной индукции?

3. Явление электромагнитной индукции, открытое Майклом Фарадеем в 1831 году, заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Этот возникающий ток называется индукционным.

Изменение магнитного потока может быть вызвано различными причинами:

• Движением проводника в постоянном магнитном поле.
• Движением источника магнитного поля (например, постоянного магнита или другого контура с током) относительно неподвижного проводника.
• Изменением величины магнитного поля с течением времени (например, при изменении силы тока в катушке-источнике поля).

Количественно это явление описывается законом электромагнитной индукции Фарадея. Согласно этому закону, электродвижущая сила (ЭДС) индукции, возникающая в контуре, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока $ \Phi $ через поверхность, ограниченную этим контуром:

$ \mathcal{E}_{i} = - \frac{\Delta\Phi}{\Delta t} $

Здесь $ \mathcal{E}_{i} $ — ЭДС индукции (в вольтах), $ \Delta\Phi $ — изменение магнитного потока (в веберах), а $ \Delta t $ — промежуток времени, за который это изменение произошло (в секундах). Знак "минус" в формуле отражает правило Ленца, которое гласит: индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым этот ток был вызван. Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии.

Ответ: Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, проходящего через этот контур.

4. Открытие явления электромагнитной индукции имеет фундаментальное значение для всей современной цивилизации, так как оно лежит в основе производства, передачи и использования электрической энергии.

Основные аспекты важности этого открытия:

1. Производство электроэнергии. На явлении электромагнитной индукции основан принцип действия всех промышленных генераторов электрического тока. На электростанциях (гидро-, тепловых, атомных) механическая энергия вращения турбин преобразуется в электрическую энергию благодаря вращению ротора генератора (проводящих обмоток) в магнитном поле. Без этого открытия было бы невозможно создать централизованные системы энергоснабжения.
2. Передача электроэнергии. Трансформаторы, работающие на принципе взаимной индукции, позволяют повышать и понижать напряжение переменного тока. Это критически важно для эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния: напряжение повышают для минимизации потерь в линиях электропередач, а затем понижают до безопасных значений для конечных потребителей.
3. Электродвигатели. Хотя многие двигатели работают на силе Лоренца, широко распространенные асинхронные двигатели переменного тока используют вращающееся магнитное поле для индуцирования тока в роторе, что и приводит его во вращение.
4. Многочисленные технические применения. Явление используется в огромном количестве устройств: индукционных плитах, беспроводных зарядных устройствах, металлодетекторах, считывателях магнитных карт, динамических микрофонах, датчиках и многом другом.
5. Развитие фундаментальной науки. Открытие Фарадея установило глубокую связь между электричеством и магнетизмом. Оно стало краеугольным камнем для Джеймса Клерка Максвелла при создании его знаменитой системы уравнений. Теория Максвелла не только объединила электричество, магнетизм и оптику, но и предсказала существование электромагнитных волн, что позже привело к изобретению радио.

Ответ: Важность открытия заключается в том, что оно стало основой всей современной электротехники и энергетики (позволило создать генераторы, трансформаторы, электродвигатели), а также послужило ключевым элементом для создания Джеймсом Максвеллом единой теории электромагнетизма, которая легла в основу современных коммуникационных технологий.

4. В чём важность открытия явления электромагнитной индукции?

4. Открытие явления электромагнитной индукции, сделанное английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 году, является одним из величайших достижений в истории науки. Важность этого открытия колоссальна и проявляется как в фундаментальной науке, так и в практических применениях, которые легли в основу современной цивилизации.

Фундаментальная важность заключается в том, что это открытие впервые установило прямую и неразрывную связь между электрическими и магнитными явлениями. Оно показало, что переменное магнитное поле порождает электрическое поле (и, как следствие, электрический ток в проводнике). Этот принцип, выраженный законом Фарадея $ \mathcal{E} = - \frac{d\Phi_B}{dt} $ (где $ \mathcal{E} $ — электродвижущая сила, а $ \Phi_B $ — магнитный поток), стал краеугольным камнем теории электромагнетизма, которая была окончательно сформулирована Джеймсом Клерком Максвеллом.

Практическая важность открытия электромагнитной индукции ещё более масштабна, поскольку на этом явлении основана работа практически всей современной электротехники и энергетики. Ключевые применения включают: электрические генераторы — устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую, что является основным способом производства электроэнергии в мире; трансформаторы — приборы для изменения напряжения переменного тока, сделавшие возможной экономичную передачу электроэнергии на большие расстояния; асинхронные электродвигатели, широко используемые в промышленности и быту. Кроме того, принцип индукции используется в индукционных плитах, металлодетекторах, системах беспроводной зарядки, динамических микрофонах и считывающих головках запоминающих устройств.

Таким образом, открытие электромагнитной индукции послужило стартом для второй промышленной революции, дав человечеству доступ к универсальному и удобному виду энергии — электричеству, и определило технологическое развитие общества на столетия вперед.

Ответ: Важность открытия явления электромагнитной индукции заключается в том, что оно, во-первых, установило фундаментальную связь между электричеством и магнетизмом, а во-вторых, послужило научной основой для создания ключевых технологий современной цивилизации: электрических генераторов для производства электроэнергии, трансформаторов для ее передачи и множества других устройств, от промышленных двигателей до бытовых приборов.

1. Как создать кратковременный индукционный ток в катушке $K_2$, изображённой на рисунке 137?

Решение

Индукционный ток в замкнутом проводящем контуре (каким является катушка K₂, если предположить, что она подключена к гальванометру) возникает в соответствии с явлением электромагнитной индукции. Согласно закону Фарадея, ЭДС индукции $ \mathcal{E}_{i} $ в контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока $ \Phi $, пронизывающего этот контур:

$ \mathcal{E}_{i} = - \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $

Эта ЭДС и создает индукционный ток $ I_{i} = \mathcal{E}_{i} / R $, где $ R $ — полное сопротивление цепи катушки K₂.

В установке, о которой идет речь (обычно она состоит из двух катушек K₁ и K₂), магнитное поле, создающее поток через катушку K₂, порождается током в катушке K₁, которая подключена к источнику тока. Следовательно, чтобы изменить магнитный поток через K₂ и тем самым создать в ней индукционный ток, необходимо изменить либо ток в K₁, либо взаимное расположение катушек, либо свойства среды внутри них.

Существует несколько способов создания кратковременного индукционного тока в катушке K₂:

1. Замыкание или размыкание цепи первой катушки (K₁). При замыкании ключа в цепи катушки K₁ сила тока в ней возрастает от нуля до определенного стационарного значения. Это изменение тока порождает переменное магнитное поле, которое создает изменяющийся во времени магнитный поток через катушку K₂. В K₂ возникает кратковременный индукционный ток. Аналогично, при размыкании ключа ток в K₁ уменьшается до нуля, что также вызывает изменение магнитного потока и появление индукционного тока в K₂ (но противоположного направления).

2. Изменение силы тока в катушке K₁. Если в цепь катушки K₁ включить реостат, то, перемещая его ползунок, можно изменять сопротивление цепи. Согласно закону Ома, это приведет к изменению силы тока в K₁. Любое изменение тока в K₁ будет индуцировать ток в K₂, который будет существовать, пока меняется ток.

3. Изменение взаимного расположения катушек. Если по катушке K₁ протекает постоянный ток, то можно перемещать катушку K₂ относительно K₁ (например, приближать, удалять или поворачивать). Такое движение изменит величину магнитного потока, пронизывающего K₂, и вызовет в ней индукционный ток. Ток будет существовать только во время движения катушек друг относительно друга.

4. Введение или удаление сердечника. Введение железного сердечника внутрь катушек (при постоянном токе в K₁) приводит к усилению магнитного поля и, следовательно, к увеличению магнитного потока. Это изменение потока индуцирует ток в K₂. Удаление сердечника вызывает обратный эффект: уменьшение потока и возникновение индукционного тока противоположного направления.

Ответ: Чтобы создать кратковременный индукционный ток в катушке K₂, нужно изменить пронизывающий её магнитный поток. Это можно сделать одним из следующих способов: 1) замкнуть или разомкнуть электрическую цепь первой катушки К₁; 2) изменить силу тока в катушке К₁ при помощи реостата; 3) перемещать одну катушку относительно другой; 4) вставлять в катушки (или вынимать из них) общий железный сердечник.

2. Проволочное кольцо помещено в однородное магнитное поле (рис. 141). Стрелочки, изображённые рядом с кольцом, показывают, что в случаях а и б кольцо движется прямолинейно вдоль линий индукции магнитного поля, а в случаях в, г и д — вращается вокруг оси $OO'$. В каких из этих случаев в кольце может возникнуть индукционный ток?

Рис. 141

Решение

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, индукционный ток в замкнутом проводящем контуре (в данном случае, в кольце) возникает тогда и только тогда, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий этот контур. Магнитный поток ($\Phi$) через плоский контур в однородном магнитном поле определяется формулой: $ \Phi = B \cdot S \cdot \cos(\alpha) $ где $B$ – модуль индукции магнитного поля, $S$ – площадь контура, а $\alpha$ – угол между вектором магнитной индукции $\vec{B}$ и нормалью (перпендикуляром) $\vec{n}$ к плоскости контура.

В условиях задачи магнитное поле является однородным ($B = \text{const}$), а кольцо – жестким, то есть его площадь не меняется ($S = \text{const}$). Следовательно, индукционный ток может возникнуть только в том случае, если в процессе движения кольца изменяется угол $\alpha$ между нормалью к его плоскости и вектором магнитной индукции.

Рассмотрим каждый случай отдельно.

а) Кольцо движется поступательно вдоль линий магнитной индукции, причем его плоскость перпендикулярна этим линиям. В этом случае нормаль к плоскости кольца $\vec{n}$ параллельна вектору $\vec{B}$. Угол $\alpha$ между ними равен $0^\circ$ и не изменяется в процессе движения. Магнитный поток $\Phi = B \cdot S$ остается постоянным.

Ответ: Индукционный ток не возникает.

б) Кольцо движется поступательно вдоль линий магнитной индукции, а его плоскость параллельна этим линиям. В этом случае нормаль к плоскости кольца $\vec{n}$ перпендикулярна вектору $\vec{B}$. Угол $\alpha$ равен $90^\circ$ и остается постоянным. Магнитный поток $\Phi = B \cdot S \cdot \cos(90^\circ) = 0$ также постоянен.

Ответ: Индукционный ток не возникает.

в) Кольцо вращается вокруг оси $OO'$, которая перпендикулярна плоскости кольца и проходит через его центр. Из рисунка видно, что ось вращения перпендикулярна линиям магнитной индукции $\vec{B}$. Поскольку нормаль к кольцу $\vec{n}$ параллельна оси вращения, она также будет всегда перпендикулярна вектору $\vec{B}$. Угол $\alpha$ постоянно равен $90^\circ$. Магнитный поток не изменяется (всегда равен нулю).

Ответ: Индукционный ток не возникает.

г) Кольцо вращается вокруг оси $OO'$, которая является его диаметром и перпендикулярна линиям магнитной индукции. Нормаль к плоскости кольца $\vec{n}$ перпендикулярна оси вращения. При вращении кольца нормаль $\vec{n}$ также вращается, изменяя свое направление. Поскольку вектор $\vec{B}$ не параллелен оси вращения, угол $\alpha$ между нормалью $\vec{n}$ и вектором $\vec{B}$ будет непрерывно изменяться. Это приводит к изменению магнитного потока $\Phi(t) = B \cdot S \cdot \cos(\alpha(t))$.

Ответ: Индукционный ток возникает.

д) Кольцо вращается вокруг оси $OO'$, которая является его диаметром и параллельна линиям магнитной индукции. Нормаль к плоскости кольца $\vec{n}$ перпендикулярна оси вращения. Так как ось вращения параллельна вектору $\vec{B}$, нормаль $\vec{n}$ будет всегда перпендикулярна вектору $\vec{B}$. Угол $\alpha$ постоянно равен $90^\circ$. Магнитный поток не изменяется (всегда равен нулю).

Ответ: Индукционный ток не возникает.