Група результатів 1. Проводимо дослідження природи
1. Виберіть усі правильні відповіді. Яке обладнання із запропонованого переліку ви доберете для виготовлення електромагніту?
Правильні відповіді: А (Батарейка), В (Ізольований мідний провід), Д (Залізний цвях), Ж (Ножиці).
Для створення найпростішого електромагніту обов’язково потрібні: джерело постійного струму (батарейка), провідник для намотування котушки (ізольований мідний дріт) і феромагнітне осердя, що багаторазово підсилює магнітне поле (залізний цвях).
2. Чи відхилиться магнітна стрілка від напрямку «північ — південь», якщо до неї піднести залізний брусок? мідний брусок?
- Якщо піднести залізний брусок, стрілка відхилиться: залізо є феромагнетиком і під дією магнітного поля стрілки намагнічується, утворюючи зустрічний полюс і притягуючись до стрілки.
- Якщо піднести мідний брусок, стрілка не відхилиться: мідь є діамагнетиком, тому практично не взаємодіє з постійним магнітом.
3. Уявіть, що вас попросили створити магнітний лак для нігтів. Складіть орієнтовний план, за яким ви діятимете.
- Підібрати лакову рідку основу з відповідною в’язкістю та дрібнодисперсний феромагнітний порошок (наприклад, частинки оксиду заліза $\text{Fe}_3\text{O}_4$).
- Ретельно перемішати компоненти для отримання рівномірної колоїдної суспензії без грудочок.
- Нанести дослідний шар суміші на поверхню та до моменту її застигання піднести постійний магніт з різними конфігураціями полюсів для формування візерунка.
- Проаналізувати якість і чіткість малюнка; у разі потреби скоригувати густину лаку або концентрацію магнітного порошку.
4. На рис. 1 зображено дослід, метою якого є вивчення певного фізичного явища. 1) Яке це явище? У чому полягає його зміст? 2) Що необхідно зробити, щоб стрілка приладу відхилилася в інший від нуля бік? показала більше значення? зупинилася на нульовій позначці? 3) Дія яких пристроїв ґрунтується на цьому явищі? 4) Як часто ви зустрічаєтеся з практичним застосуванням цього явища?
- Явище: Електромагнітна індукція. Її зміст полягає у виникненні електричного струму (індукційного струму) у замкненому провідному контурі під час зміни магнітного поля, яке пронизує цей контур.
- Керування відхиленням стрілки:
- Відхилення в інший бік: змінити напрямок руху магніту (наприклад, витягувати замість внесення) або змінити орієнтацію магніту (рухати протилежним полюсом);
- Більше значення: збільшити швидкість переміщення магніту відносно котушки або використати сильніший магніт;
- Зупинка на нулі: зупинити магніт відносно котушки (за відсутності зміни магнітного поля індукційний струм дорівнює нулю).
- Пристрої: Генератори змінного струму на електростанціях, трансформатори, електродинамічні мікрофони, індукційні варильні поверхні, металошукачі.
- Практичне застосування: Щоденно — під час споживання електроенергії з електромережі, використання індукційних плит або бездротового заряджання гаджетів.
5. На рис. 2 зображено рамку, що повертається в магнітному полі постійного магніту. Дія яких приладів ґрунтується на цьому явищі? Визначте полюси джерела струму, до якого під’єднано рамку.
- На обертанні рамки зі струмом у магнітному полі базується принцип роботи електродвигунів постійного струму та вимірювальних приладів магнітоелектричної системи (гальванометрів, вольтметрів, амперметрів).
- Лінії магнітної індукції виходять із північного полюса $N$ (праворуч) і входять у південний полюс $S$ (ліворуч). Оскільки ліва частина рамки повертається вгору, сила Ампера напрямлена вертикально вгору. За правилом лівої руки струм у цій частині рамки має текти в напрямку до спостерігача. Отже, ліва клема джерела струму є негативним полюсом («–»), а права клема — позитивним полюсом («+»).
Група результатів 2. Здійснюємо пошук та опрацьовуємо інформацію
6. Розподіліть пристрої на дві групи: група А — пристрої, функціонування яких ґрунтується на дії сили Ампера; група Б — пристрої, які працюють завдяки явищу електромагнітної індукції.
- Група А (дія сили Ампера): 1) електродвигун, 3) динамік (гучномовець), 4) амперметр.
- Група Б (явище електромагнітної індукції): 2) генератор індукційного струму.
7. Прочитайте текст і дайте відповіді на запитання. 1) На якому явищі ґрунтується дія електродинамічного мікрофона? 2) Який об’єкт створює в цьому пристрої магнітне поле? 3) Які перетворення енергії відбуваються в пристрої? 4) Чому електродинамічний мікрофон називають динаміком «навпаки»?
- Дія електродинамічного мікрофона ґрунтується на явищі електромагнітної індукції.
- Магнітне поле в мікрофоні створює постійний магніт.
- У пристрої відбувається перетворення механічної енергії звукових хвиль (коливань мембрани з котушкою) на електричну енергію змінного струму.
- Мікрофон називають динаміком «навпаки», оскільки динамік перетворює електричний сигнал на механічні звукові коливання (завдяки дії сили Ампера), а мікрофон здійснює зворотний процес — перетворює звукові хвилі на електричний струм (завдяки електромагнітній індукції).
8. Дві котушки надіто на спільне осердя (рис. 4, а). Протягом експерименту котушку А переміщують уздовж осердя. На рис. 4, б подано графік залежності $l(t)$ відстані між котушками від часу руху. 1) Що відбувалося з котушкою А в інтервалі часу від 0 до $t_3$? 2) Виберіть усі інтервали часу, протягом яких у котушці А існував електричний струм. 3) У який інтервал часу покази міліамперметра були найбільшими? Відповідь обґрунтуйте.
- На інтервалі від $0$ до $t_1$ котушка А рівномірно наближалася до котушки Б; на інтервалі від $t_1$ до $t_2$ вона залишалася нерухомою; на інтервалі від $t_2$ до $t_3$ котушка А рівномірно віддалялася від котушки Б.
- Струм у котушці виникав тільки тоді, коли змінювався магнітний потік, тобто під час її руху: інтервали від $0$ до $t_1$ та від $t_2$ до $t_3$.
- Покази міліамперметра були найбільшими на інтервалі від $t_2$ до $t_3$. На графіку цей проміжок має більший кут нахилу, що відповідає більшій швидкості переміщення котушки, а отже, швидшій зміні магнітного поля, що породжує більший індукційний струм.
Група результатів 3. Усвідомлюємо закономірності природи
9. Постійний штабовий магніт занурили в коробку зі скріпками для степлера. Як будуть розташовані скріпки після того, як магніт обережно витягнуть із коробки?
Правильна відповідь: В (Скріпки утворять ланцюжки, підвішені до полюсів магніту).
Під дією магнітного поля залізні скріпки намагнічуються, перетворюючись на маленькі магнітики, які притягуються різнойменними полюсами одна до одної та до полюсів основного магніту, утворюючи ланцюжки.
10. Прямолінійний провідник завдовжки $0{,}6\text{ м}$ розташований в однорідному магнітному полі індукцією $1{,}2\text{ мТл}$ під кутом $30^\circ$ до ліній індукції магнітного поля. Визначте силу Ампера, що діє на провідник, якщо сила струму в ньому $5\text{ А}$.
Дано:
$l = 0{,}6\text{ м}$
$B = 1{,}2\text{ мТл} = 1{,}2 \cdot 10^{-3}\text{ Тл}$
$\alpha = 30^\circ$
$I = 5\text{ А}$
Знайти:
$F_{\text{А}} – ?$
Розв’язання:
Сила Ампера визначається за формулою:
$$F_{\text{А}} = B I l \sin\alpha$$
Підставимо числові значення:
$$F_{\text{А}} = 1{,}2 \cdot 10^{-3}\text{ Тл} \cdot 5\text{ А} \cdot 0{,}6\text{ м} \cdot \sin 30^\circ = 1{,}2 \cdot 10^{-3} \cdot 5 \cdot 0{,}6 \cdot 0{,}5 = 1{,}8 \cdot 10^{-3}\text{ Н} = 1{,}8\text{ мН}$$
Відповідь: $F_{\text{А}} = 1{,}8\text{ мН}$ (Варіант А).
11. Магнітна стрілка встановилася в магнітному полі котушки зі струмом (рис. 5). Визначте полюси котушки, напрямок струму в ній і полюси джерела струму.
- Полюси котушки: Оскільки до правого торця котушки притягнувся південний полюс ($S$) магнітної стрілки, праворуч у котушки — північний полюс ($N$), а ліворуч — південний полюс ($S$).
- Напрямок струму: За правилом правої руки (свердлика), якщо великий палець спрямований праворуч (до полюса $N$), чотири зігнуті пальці вказують, що струм у передній частині витків тече зверху вниз.
- Полюси джерела: Струм виходить із позитивного полюса джерела («+») праворуч і входить у негативний («–») ліворуч.
12. Провідник зі струмом розташований у магнітному полі підковоподібного магніту (рис. 6). Визначте полюси магніту.
Розв’язання:
- Струм у провіднику тече від клеми «+» до клеми «–» джерела струму.
- Напрямок сили Ампера спрямований у бік виштовхування провідника з поля.
- Застосуємо правило лівої руки: розташовуємо долоню так, щоб чотири витягнуті пальці вказували напрямок струму в провіднику, а відігнутий на $90^\circ$ великий палець збігався з напрямком сили Ампера. Тоді лінії магнітної індукції мають входити в долоню зверху вниз.
- Оскільки силові лінії виходять із північного полюса і входять у південний, верхній полюс магніту є північним ($N$), а нижній — південним ($S$).
13. Сталевий стрижень завдовжки $40\text{ см}$ і масою $50\text{ г}$ лежить перпендикулярно до горизонтальних рейок (рис. 7). Уздовж рейок напрямлене однорідне магнітне поле індукцією $0{,}25\text{ Тл}$. У стрижні пропускають електричний струм силою $2\text{ А}$. З якою силою стрижень тисне на рейки?
Дано:
$l = 40\text{ см} = 0{,}4\text{ м}$
$m = 50\text{ г} = 0{,}05\text{ кг}$
$B = 0{,}25\text{ Тл}$
$I = 2\text{ А}$
$\alpha = 90^\circ$
$g = 10\text{ м/с}^2$ (або $9{,}8\text{ м/с}^2$)
Знайти:
$F_{\text{тиску}} – ?$
Розв’язання:
На стрижень діють дві сили, спрямовані вертикально вниз:
- Сила тяжіння:
$$F_{\text{тяж}} = m g = 0{,}05\text{ кг} \cdot 10\text{ м/с}^2 = 0{,}5\text{ Н}$$ - Сила Ампера:
$$F_{\text{А}} = B I l \sin\alpha = 0{,}25\text{ Тл} \cdot 2\text{ А} \cdot 0{,}4\text{ м} \cdot \sin 90^\circ = 0{,}2\text{ Н}$$
За правилом лівої руки сила Ампера також напрямлена вертикально вниз. Сила тиску стрижня на рейки дорівнює сумі сили тяжіння та сили Ампера:
$$F_{\text{тиску}} = F_{\text{тяж}} + F_{\text{А}} = 0{,}5\text{ Н} + 0{,}2\text{ Н} = 0{,}7\text{ Н}$$
(При використанні $g = 9{,}8\text{ м/с}^2$: $F_{\text{тиску}} = 0{,}49\text{ Н} + 0{,}2\text{ Н} = 0{,}69\text{ Н}$).
Відповідь: Стрижень тисне на рейки із силою $0{,}7\text{ Н}$ (або $0{,}69\text{ Н}$).