Номер 2, страница 157 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

2. Повторите измерение периода колебаний, расположив под маятником металлический лист. Сделайте вывод.

2. Решение:

Задание предполагает проведение физического эксперимента с маятником, груз которого является сильным постоянным магнитом. Сначала измеряется период его колебаний в воздухе, а затем эксперимент повторяется, но под траекторией движения магнита размещается сплошной металлический лист (например, из алюминия или меди).

При повторном измерении с металлическим листом будут наблюдаться следующие ключевые изменения:

1. Быстрое затухание колебаний. Это наиболее заметный эффект. Амплитуда колебаний маятника будет уменьшаться очень быстро, и он остановится после совершения всего нескольких колебаний, в то время как без листа он мог бы колебаться продолжительное время.

2. Увеличение периода колебаний. Период колебаний $T$ (время одного полного колебания) незначительно увеличится. Этот эффект, как правило, мал и может быть трудно зафиксирован без точных измерительных приборов, но он является фундаментальным следствием процесса.

Вывод:

Наблюдаемые явления объясняются законами электромагнетизма, в частности явлением электромагнитной индукции.

Когда магнит движется над поверхностью металлического листа, он создает переменный во времени магнитный поток через различные участки этого листа. Согласно закону Фарадея, этот переменный поток индуцирует в проводящем листе электрическое поле, которое, в свою очередь, создает замкнутые (вихревые) индукционные токи. Эти токи известны как токи Фуко.

Согласно правилу Ленца, магнитное поле, создаваемое токами Фуко, всегда направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, которое их вызвало. На практике это означает, что возникает сила, которая всегда тормозит движение магнита. Когда магнит приближается к участку листа, возникает отталкивающая сила; когда удаляется — притягивающая. В обоих случаях эта сила направлена против скорости движения магнита.

Эта сила электромагнитного торможения (демпфирования) совершает отрицательную работу, в результате чего механическая энергия маятника (сумма кинетической и потенциальной) быстро переходит во внутреннюю энергию металлического листа, вызывая его нагрев (джоулево тепло). Это и является причиной быстрого затухания колебаний.

Увеличение периода колебаний также является прямым следствием наличия силы сопротивления. Для затухающих колебаний период $T_d$ всегда больше периода собственных незатухающих колебаний $T_0$. Эта связь описывается формулой: $T_d = \frac{T_0}{\sqrt{1 - \zeta^2}}$ где $\zeta$ (дзета) — это коэффициент затухания. Появление токов Фуко резко увеличивает затухание в системе (значение $\zeta$), что приводит к увеличению периода $T_d$.

Ответ: При расположении под магнитным маятником металлического листа колебания будут быстро затухать из-за возникновения в листе вихревых токов (токов Фуко), которые создают силу электромагнитного торможения. Период колебаний при этом незначительно увеличится.