Страница 327 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

№ 5 ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Цель работы Изучить явление электромагнитной индукции.

Оборудование Миллиамперметр, катушка-моток, магнит дугообразный, источник питания, катушка с железным сердечником от разборного электромагнита, реостат, ключ, провода соединительные, модель генератора электрического тока (одна на класс).

УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ

1. Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.

2. Наблюдая за показаниями миллиамперметра, подводите один из полюсов магнита к катушке, потом на несколько секунд останавливайте магнит, а затем вновь приближайте его к катушке, вдвигая в неё (рис. 220). Запишите, возникал ли в катушке индукционный ток во время движения магнита относительно катушки; во время его остановки.

Рис. 220

3. Запишите, менялся ли магнитный поток $Φ$, пронизывающий катушку, во время движения магнита; во время его остановки.

4. На основании ваших ответов на предыдущий вопрос сделайте и запишите вывод о том, при каком условии в катушке возникал индукционный ток.

5. Почему при приближении магнита к катушке магнитный поток, пронизывающий эту катушку, менялся? (Для ответа на этот вопрос вспомните, во-первых, от каких величин зависит магнитный поток $Φ$ и, во-вторых, одинаков ли модуль вектора индукции $&vec;{B}$ магнитного поля постоянного магнита вблизи этого магнита и вдали от него.)

6. О направлении тока в катушке можно судить по тому, в какую сторону от нулевого деления отклоняется стрелка миллиамперметра. Проверьте, одинаковым или различным будет направление индукционного тока в катушке при приближении к ней и удалении от неё одного и того же полюса магнита.

7. Приближайте полюс магнита к катушке с такой скоростью, чтобы стрелка миллиамперметра отклонялась не более чем на половину предельного значения его шкалы. Повторите тот же опыт, но при большей скорости движения магнита, чем в первом случае. При большей или меньшей скорости движения магнита относительно катушки магнитный поток $Φ$, пронизывающий эту катушку, менялся быстрее? При быстром или медленном изменении магнитного потока сквозь катушку сила тока в ней была больше? На основании вашего ответа на последний вопрос сделайте и запишите вывод о том, как зависит модуль силы индукционного тока, возникающего в катушке, от скорости изменения магнитного потока $Φ$, пронизывающего эту катушку.

8. Соберите установку для опыта по рисунку 221.

9. Проверьте, возникает ли в катушке-мотке 1 индукционный ток в следующих случаях:

а) при замыкании и размыкании цепи, в которую включена катушка 2;

б) при протекании через катушку 2 постоянного тока;

в) при увеличении и уменьшении силы тока, протекающего через катушку 2, путём перемещения в соответствующую сторону движка реостата.

10. В каких из перечисленных в пункте 9 случаев меняется магнитный поток, пронизывающий катушку 1? Почему он меняется?

Рис. 221

Рис. 222

11. Пронаблюдайте возникновение электрического тока в модели генератора (рис. 222). Объясните, почему в рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает индукционный ток.

2. При движении магнита относительно катушки (вдвигании его в катушку или выдвигании из нее) стрелка миллиамперметра отклоняется от нулевого положения. Это указывает на то, что в цепи возникает электрический ток, который называется индукционным. Когда движение магнита прекращается, стрелка миллиамперметра возвращается к нулю, что свидетельствует о прекращении тока.

Ответ: Индукционный ток в катушке возникал во время движения магнита относительно катушки, но отсутствовал во время его остановки.

3. Магнитный поток $Φ$, пронизывающий катушку, — это физическая величина, зависящая от магнитной индукции $B$ поля, создаваемого магнитом, и площади $S$ поперечного сечения катушки. Поскольку магнитное поле постоянного магнита неоднородно (оно ослабевает с расстоянием от полюса), при движении магнита относительно катушки меняется значение индукции $B$, пронизывающей ее витки. Следовательно, меняется и магнитный поток. Во время остановки магнита его положение относительно катушки не меняется, магнитное поле, пронизывающее катушку, становится постоянным, и магнитный поток перестает изменяться.

Ответ: Магнитный поток $Φ$, пронизывающий катушку, менялся во время движения магнита и не менялся во время его остановки.

4. Сравнивая наблюдения из пункта 2 и выводы из пункта 3, можно установить прямую связь между возникновением индукционного тока и изменением магнитного потока. Ток появляется только в те моменты, когда магнитный поток изменяется, и исчезает, как только изменение потока прекращается.

Ответ: Индукционный ток в катушке возникал при условии изменения магнитного потока, пронизывающего эту катушку.

5. Магнитный поток определяется формулой $Φ = B S \cos α$, где $B$ — модуль вектора магнитной индукции, $S$ — площадь контура, а $α$ — угол между вектором индукции и нормалью к плоскости контура. Поле постоянного магнита является неоднородным: модуль вектора индукции $B$ максимален вблизи полюсов и уменьшается по мере удаления от них. Поэтому при приближении магнита к катушке значение $B$ в точках, где расположены витки катушки, увеличивается. Это и приводит к изменению (увеличению) магнитного потока $Φ$ через катушку.

Ответ: При приближении магнита к катушке магнитный поток менялся, потому что менялась величина магнитной индукции $B$ поля магнита, пронизывающего катушку.

6. О направлении тока в катушке можно судить по направлению отклонения стрелки миллиамперметра (вправо или влево от нулевой отметки). Согласно правилу Ленца, индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток. При приближении, например, северного полюса магнита, индукционный ток создаст северный полюс, чтобы оттолкнуть магнит. При удалении того же северного полюса ток создаст южный полюс, чтобы притянуть магнит. Для создания полей противоположной направленности ток должен течь в противоположных направлениях. Следовательно, при приближении и удалении одного и того же полюса стрелка миллиамперметра будет отклоняться в разные стороны.

Ответ: Направление индукционного тока при приближении и удалении одного и того же полюса магнита будет различным.

7. При большей скорости движения магнита относительно катушки магнитный поток $Φ$ менялся быстрее. Экспериментально наблюдается, что чем выше скорость движения магнита, тем больше отклонение стрелки миллиамперметра, а значит, тем больше сила индукционного тока. Это явление описывается законом электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому ЭДС индукции $ \mathcal{E}_i $, а следовательно и сила тока ($I_i = \mathcal{E}_i/R$), прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока: $ |\mathcal{E}_i| = |\frac{\Delta Φ}{\Delta t}| $.

Ответ: Модуль силы индукционного тока, возникающего в катушке, зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего эту катушку: чем больше скорость изменения потока, тем больше сила тока.

9. а) Да, возникает. При замыкании цепи ток в катушке 2 нарастает от нуля до некоторого значения, а при размыкании — спадает до нуля. В обоих случаях ток изменяется, что порождает изменяющееся магнитное поле и, как следствие, индукционный ток в катушке 1.

б) Нет, не возникает. При протекании постоянного тока через катушку 2 создается постоянное магнитное поле. Магнитный поток через катушку 1 не изменяется, поэтому индукционный ток не возникает.

в) Да, возникает. Перемещение движка реостата изменяет сопротивление цепи, что согласно закону Ома ($I = U/R$) приводит к изменению силы тока в катушке 2. Изменение тока в катушке 2 вызывает изменение магнитного потока через катушку 1 и появление в ней индукционного тока.

Ответ: Индукционный ток в катушке-мотке 1 возникает в случаях а) и в).

10. Магнитный поток, пронизывающий катушку 1, меняется в случаях а) и в) из пункта 9. Причина изменения потока заключается в том, что он создается магнитным полем катушки 2, а величина этого поля прямо пропорциональна силе тока в катушке 2. В случаях а) (в моменты замыкания и размыкания) и в) (при изменении сопротивления реостатом) сила тока в катушке 2 изменяется. Это приводит к изменению создаваемого ею магнитного поля и, следовательно, к изменению магнитного потока через катушку 1.

Ответ: Магнитный поток, пронизывающий катушку 1, меняется в случаях замыкания/размыкания цепи и при изменении силы тока реостатом, потому что в этих случаях изменяется сила тока в катушке 2, которая и является источником магнитного поля.

11. В модели генератора рамка вращается в магнитном поле, созданном постоянным магнитом. Магнитный поток через рамку описывается формулой $Φ = B S \cos α$, где $α$ — угол между нормалью (перпендикуляром) к плоскости рамки и вектором магнитной индукции $B$. Во время вращения рамки этот угол $α$ постоянно изменяется от $0^\circ$ до $360^\circ$. Из-за этого изменяется и значение $ \cos α $, что приводит к непрерывному изменению магнитного потока $Φ$ через рамку. В соответствии с законом электромагнитной индукции, это изменение магнитного потока вызывает появление в рамке ЭДС индукции и индукционного тока.

Ответ: В рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает индукционный ток, так как при ее вращении непрерывно изменяется угол между плоскостью рамки и линиями магнитной индукции, что приводит к периодическому изменению магнитного потока через рамку.