Рабочая тетрадь студента по теме "Магнитное поле"

Департамент образования Ивановской области

Областное государственное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение

«Ивановский промышленно-экономический колледж»

Рабочая тетрадь студента

по выполнению

аудиторной самостоятельной работы

дисциплина: ОУД.08 Физика

по специальностям технического профиля

Курс 1

Часть 3

Электродинамика

Темы: Магнитное поле

Явление электромагнитной индукции

Группа: ____________________

ФИО:____________________

2020 г.

Рабочая тетрадь студента по выполнению аудиторной работы по учебной дисциплине ОУД.08 Физика разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта по специальностям технического профиля среднего профессионального образования (СПО).

Организация-разработчик: ОГБПОУ «Ивановский промышленно-

экономический колледж»

Разработчик: Кректниковская Е. А., преподаватель

Одобрена цикловой методической комиссией общеобразовательных и гуманитарных дисциплин

(Протокол № __ от ____мая 2020 г.).

Председатель ЦМК: _____________ Е. В. Иванова

Содержание

Урок 9

Тема

Магнитное поле как особый вид материи. Взаимодействие токов.

Закон Ампера. Индукция магнитного поля. Линии магнитной индукции.

Магнитное поле прямого, кругового токов и соленоида.

План урока

1. Проверка домашнего задания.

2. Опрос по карточкам.

3. Работа с текстом (или презентацией), выполнение заданий.

Задание 1

Используя текст лекции (или объяснение преподавателя) заполнить схемы, таблицы и др.

Магнитное поле – особый вид материи, _______________________________

_______________________________________________________________

Источники:

1. ___________________

2. ___________________

3. ___________________

Опыт с делением магнита доказывает, что ____________________в природе нет, т.е. северный полюс нельзя отделить от южного полюса.

Опыт Эрстеда (1820 г.)

Магнитная стрелка ориентируется около проводника. Следовательно, вокруг проводника с током существует ________________________

________________________

Взаимодействие токов. Закон Ампера.

Взаимодействие между проводниками с электрическим током называют _________________. Силы, с которыми проводники действует друг на друга ________________ силы.

Задача 1. Определить силу, действующую на каждый метр длины двух бесконечно длинных параллельных проводников с током 1 ампер, находящимися на расстоянии 1 метр друг от друга.

Ампером называют силу тока, ________________________________________

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Задача 2. Два параллельных проводника с одинаковыми по величине токами, находящиеся на расстоянии 8,7 см друг от друга, притягиваются с силой . Определить силу тока в проводниках, если длина каждого из них 320 см.

Задание 2

Используя текст лекции (или объяснение преподавателя) заполнить схемы, таблицы и др.

Заполнить таблицу «Характеристика магнитного поля»:

Задача 3. В однородном магнитном поле с индукцией 0,82 Тл находится прямолинейный проводник с током 18 A, расположенный перпендикулярно к силовым линиям. Определить силу, действующую на проводник, если его длина 128 см.

Ответ:

Графическое изображение магнитного поля:

1. _________________________

2. _________________________

Линии магнитной индукции – это линии, _______________________ в любой точке направлены так же, как вектор в этой точке.

Заполните таблицу:

Решите задачи:

1. Найти магнитную индукцию поля в точке, которая находится в воздухе на расстоянии 9,2 см от прямолинейного проводника с током 13,2 А.

2. Найти индукцию магнитного поля в центре кругового тока с радиусом 6,4 см, если сила тока равна 12,4 А.

3. Соленоид без сердечника длиной 85 см содержит 750 витков, по которым течет ток 5,8 А. Определить индукцию магнитного поля внутри соленоида, если его диаметр мал по сравнению с длиной.

Домашнее задание:

1. Подготовиться к устному ответу по вопросам:

• Что называют электромагнитным полем?

• Назвать источники магнитного поля.

• В чем состоит заслуга датского ученого Г. К. Эрстеда?

• Как взаимодействуют токи одинакового направления?

• Как взаимодействуют токи противоположного направления?

• От чего зависит величина силы взаимодействия двух параллельных проводников с токами?

• Как изменится сила взаимодействия двух параллельных проводников с токами, если расстояние между ними уменьшить в три раза?

• Как изменится сила взаимодействия двух параллельных проводников с токами, если силу тока в каждом проводнике уменьшить в три раза?

• Как изменится сила взаимодействия двух параллельных проводников с токами, если длину проводников уменьшить в три раза?

• Что обозначает в законе Ампера буква «μ»?

• Что обозначает в законе Ампера буква «μ₀»?

• В чем состоит физический смысл магнитной постоянной?

• На столе стоят два разноименно заряженных шара. Имеется ли вокруг них магнитное поле? Электрическое поле?

• Если измерения показали, что в пространстве, занятом газом, магнитного поля нет, то можно ли считать это доказательством отсутствия ионов в газе?

• Мимо сидящего в комнате человека лаборант проносит заряженный проводник. Для кого из них существует магнитное поле? электрическое поле?

• Что называют индукцией магнитного поля?

• Как обозначается и в каких единицах измеряется индукция магнитного поля?

• Как определить направление индукции магнитного поля?

• С помощью чего можно изобразить магнитное поле?

• Что называют силовой линией магнитного поля?

• Какими свойствами обладают линии индукции магнитного поля?

• Какое поле называют вихревым?

• Сформулировать правило буравчика для прямого тока.

• Сформулировать правило буравчика для кругового тока.

• Сформулировать правило буравчика для соленоида.

• Как направлен вектор индукции магнитного поля справа и слева от прямолинейного вертикально расположенного проводника с током (показать на рисунке)?

• Как направлен вектор индукции магнитного поля в центре кругового витка с током, расположенного вертикально (показать на рисунке)?

• Как направлен вектор индукции магнитного поля сверху и внизу от прямолинейного горизонтально расположенного проводника с током (показать на рисунке)?

1. Посмотреть мультфильм «У магнита есть секрет» (https://www.youtube.com/watch?v=4p6JOk5cReY) и ответить на вопрос: Какой самый главный секрет у магнита?

Урок 10

Тема

Магнитные свойства вещества.

Сила Лоренца и сила Ампера.

Устройство амперметра и вольтметра.

План урока

1. Проверка домашнего задания.

2. Опрос по карточкам.

3. Работа с текстом (или презентацией), выполнение заданий.

Задание 1

Заполнить таблицу «Магнитные свойства вещества»:

Задание 2

Заполнить таблицу «Магнитные силы»:

Решить задачи:

1. В однородном магнитном поле с индукцией 0,85 Тл находится прямолинейный проводник с током 18 А, расположенный под углом 30 градусов к силовым линиям. Определить силу, действующую на проводник, если его длина 128 см.

2. В однородное магнитное поле с индукцией 0,85 Тл влетает электрон со скоростью

4,6·10⁷ м/с, направленной перпендикулярно к силовым линиям.

Определить силу Лоренца и радиус дуги окружности, по которой он движется.

Задание 3

Заполнить таблицы и др., используя текст учебника, лекции (или объяснение преподавателя):

Электроизмерительные приборы бывают:

1. _________________________

2. _________________________

Аналоговые в свою очередь бывают двух типов:

Пределы измерения электроприборов можно изменять.

Это делают с помощью ____________ и ________________________________

Решить задачи:

1. Амперметр, сопротивление которого 0,3 Ом, рассчитан на наибольший ток 2,5 A. Определить сопротивление шунта, который позволил бы измерять этим амперметром токи до 40 A.

2. Вольтметром с внутренним сопротивлением 1 кОм, рассчитанным на максимальное напряжение 150 B, необходимо измерять напряжения до 900 В. Определить величину добавочного сопротивления к вольтметру.

Домашнее задание:

Заполнить таблицу и сделать вывод:

Урок 11

Тема

Магнитный поток. Опыты Фарадея по электромагнитной индукции.

Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Вихревые токи.

Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

План урока

1. Проверка домашнего задания.

2. Работа с текстом (или презентацией), выполнение заданий.

Задание 1

Заполнить таблицу «Магнитный поток, индуктивность соленоида»:

Решить задачи:

1. Определить индуктивность катушки, в которой возникает потокосцепление 0,12 Вб, при силе тока 8,6 А.

2. Определите энергию магнитного поля катушки, в которой при токе 7,5 А магнитный поток равен 2,3·10^-3 Вб. Как изменится энергия поля, если сила тока уменьшиться вдвое?

Задание 2

Заполнить таблицу «Опыты Фарадея по электромагнитной индукции», используя учебник (Жданов Л.С. - Физика для средних специальных учебных заведений – 1984, стр. 251-253):

Закон электромагнитной индукции (ЭМИ):

,

где N – количество витков в катушке (соленоиде),

– скорость изменения магнитного потока через катушку,

« » - правило Ленца (ЭДС индукции создает в замкнутом контуре индукционный ток такого направления, который своим магнитным полем препятствует причине, вызывающей появление этой ЭДС (электродвижущей силы)).

Задание 3

Заполнить таблицу «Правило Ленца», используя объяснение преподавателя:

1. Определить направление внешнего магнитного поля между магнитом и кольцом (как сориентируется магнитная стрелка).

2. Если внешнее поле увеличивается (магнит приближается), то магнитное поле, связанное с током в кольце, будет направлено противоположно внешнему. Если же внешнее поле уменьшается (магнит удаляется), то магнитное поле, связанное с током в кольце, будет направлено также как и внешнее.

3. Ток в кольце определяется по правилу буравчика для кругового тока.

Решить задачи:

1. Круговой проволочный виток площадью 200 см² находится в однородном магнитном поле, индукция которого меняется на 50 Тл за 1 с. Чему равна ЭДС, возникающая в витке?

2. За 5 мс в соленоиде, содержащем 200 витков провода, магнитный поток равномерно убывает от 90 мВб до 40 мВб. Найти ЭДС индукции в соленоиде.

Задание 4

Ответить на вопросы, используя учебник (Жданов Л.С. - Физика для средних специальных учебных заведений – 1984, стр. 257):

• Какие токи называют вихревыми?

• Почему их также называют токами Фуко?

• Какие действия они оказывают на сплошные проводники?

• Почему якорь электродвигателя и сердечник трансформатора изготавливают из отдельных листов, изолированных друг от друга?

• Для чего применяют вихревые токи в современной технике?

Домашнее задание:

1. Заполнить таблицу и сделать вывод, используя учебник (Жданов Л.С. - Физика для средних специальных учебных заведений – 1984, стр. 259-261):

1. Решите задачи:

• Если сила тока, проходящего в соленоиде, изменяется на 3 А в секунду, то на концах соленоида возникает ЭДС самоиндукции, равная 6 В. Определить индуктивность соленоида.

• Если сила тока в соленоиде, изменяется на 20 A за 10 с, то на зажимах соленоида возникает ЭДС 10 В. Определить энергию магнитного поля в этом соленоиде при силе тока 5 А.

• При равномерном изменении силы тока в катушке индуктивности от 5 до 10 А за 0,1 с, в ней возникает ЭДС самоиндукции 20 В. Определить энергию магнитного поля в этой катушке при силе тока 20 А.

Урок 12

Тема

Изучение явления электромагнитной индукции

Теория. В 1820 г. Датский физик Х. К. Эрстед установил, что вокруг проводника с током существует магнитное поле. Опыт Эрстеда вдохновил многих ученых того времени на решение обратной задачи: как из магнита получить электрический ток? Спустя 11 лет, проведя 16041 опыт, английский физик М. Фарадей обнаружил возникновение в замкнутом проводнике электрического тока, обусловленное изменением магнитного поля, пронизывающего пространство, ограниченное проводником. Это явление получило название электромагнитной индукции. Полученный таким образом ток называют индукционным, а создающую этот ток ЭДС называют ЭДС индукции. Направление и величина индукционного тока, а также направление и величина ЭДС индукции, зависят от характера изменения магнитного поля. Если взять прямой провод и намотать его в один слой на цилиндр, то получится катушка, состоящая из большого числа витков проволоки, которые образуют винтовую линию. Такое устройство называется соленоид (от греч. слова соленоидес – трубообразный).

Явление электромагнитной индукции подчиняется закону Фарадея

Е = - N ,

где В – индукция магнитного поля; S – площадь поперечного сечения соленоида; - угол между вектором магнитной индукции и осью соленоида; t – время, в течение которого изменяется магнитное поле. Знак минус означает правило Ленца, по которому определяется направление индукционного тока и ЭДС индукции.

Цель работы.

1. Повторив опыты Фарадея, раскрыть сущность электромагнитной индукции.

2. Определить от чего зависит величина ЭДС индукции.

3. Определить от чего зависит направление ЭДС индукции.

Оборудование.

1. Милливольтметр (гальванометр).

2. Две разборные индукционные катушки.

3. Два магнита.

4. Источник тока.

5. Р
   еостат.

6. Ключ.

7. Комплект проводов.

Ход работы

Задание 1

1. Соединить индукционную катушку (ту, которая больше) с гальванометром. Приближать и удалять от нее постоянный магнит (рис.1). Затем приближать и удалять к неподвижному постоянному магниту катушку. Записать, что вы наблюдаете на гальванометре.

2. Пусть магнит и катушка покоятся друг относительно друга. Что вы теперь наблюдаете на гальванометре. Записать свои наблюдения в тетрадь.

3
. Собрать цепь, состоящую из малой катушки А и источника тока (рис. 2). Опускать катушку с током А в соленоид В. Записать в тетрадь свои наблюдения.

4. Присоединить к катушке А еще ключ К и переменное сопротивление R. Вставить катушку А в соленоид В и закрепить их неподвижно (рис. 3). Что показывает гальванометр? При помощи ключа замыкать и размыкать цепь катушки А. Что теперь показывает гальванометр?

5. При помощи переменного сопротивления увеличивать и уменьшать ток в катушке А. Что показывает гальванометр? Записать свои наблюдения в тетрадь.

6. Включить первичную катушку в сеть переменного тока, а вторичную катушку соединить с лампой накаливания. Обе катушки неподвижны друг относительно друга (рис. 4). Записать в тетрадь свои наблюдения.

7. Взять плоский контур в виде рамки и соединить его с гальванометром. Поместить рядом с рамкой магнит так, чтобы его линии индукции не проходили внутрь рамки, а находились в ее плоскости (рис. 5). Перемещать магнит вдоль плоскости рамки. Заметить показания гальванометра. Повернуть рамку вокруг вертикальной оси. Что теперь показывает гальванометр? Записать свои наблюдения в тетрадь.

Сделать вывод о том, в каком случае в замкнутом контуре появляется индукционный ток (и ЭДС индукции).

Задание 2

1. Вернуться к схеме, изображенной на рис. 1. Приближая магнит северным полюсом медленно, отметить максимальное отклонение стрелки гальванометра. Повторить опыт, приближая магнит тем же полюсом быстро. Отметить показания гальванометра в этом случае.

2. Сложить два магнита одноименными полюсами вместе. Приближать магниты северным полюсом к катушке медленно и отметить максимальное отклонение стрелки гальванометра.

3. Вернувшись к схеме, изображенной на рис. 3, приближать катушку А к соленоиду В сначала без сердечника, затем с сердечником. Сравнить при этом показания гальванометра.

Сделать вывод о том, от чего зависит величина ЭДС индукции.

Задание 3

1. Работая со схемой, изображенной на рис. 1, приближать и удалять (всегда с одинаковой скоростью) магнит сначала северным полюсом, а затем южным полюсом. Отметить направление отклонения стрелки гальванометра в каждом случае. Нарисовать схемы, изображенные на рис. 6 и показать отклонение стрелки гальванометра и направление тока в каждой катушке.

2 . Рассмотреть замыкание и размыкание цепи (то есть увеличение и уменьшение магнитного поля – по аналогии с приближением и удалением магнита) в схеме, изображенной на рис. 3. Отметить направление отклонения стрелки гальванометра.

Сделать вывод о том, от чего зависит направление ЭДС индукции индукционного тока.

Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

I уровень

1. Сформулировать правило Ленца.

2. Определить направление тока в кольце, если к нему приближать или удалять постоянный магнит. Кольцо расположено вертикально, его плоскость перпендикулярна магниту.

3. Какие токи называют вихревыми или токами Фуко?

II уровень

1. Почему сплошные проводники в переменном магнитном поле нагреваются?

2. Для чего якорь электродвигателя и сердечник трансформатора делают из отдельных листов, изолированных друг от друга?

3. В катушке возникает ЭДС самоиндукции, равная 15 В, при равномерном увеличении тока от 0 до 5 А за 0,4 с. Чему равна индуктивность катушки и изменение ее внутренней энергии за это время?

4. Неподвижный круговой виток, площадь которого 10 см , расположен перпендикулярно линиям индукции однородного магнитного поля. Какая ЭДС индукции возникает в этом витке, если индукция поля будет равномерно возрастать и в течение 0,01 с увеличится от 0,2 до 0,7 Тл?

Информационные источники:

1. Янчевская О. В. Физика в таблицах и схемах. СПб. «Литера», 2012.

2. Гладков В.М. Физика. Сборник задач с решением / Самойленко П.И. Издательство «Дрофа», 2010.

3. Дондукова Р. А. Руководство по проведению лабораторных работ по физике для средних специальных учебных заведений. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2008. – 79 л.: ил.

4. Жданов Л.С., Жданов Г. Л. Физика для средних специальных учебных заведений: Учебник. – 4-е изд., испр. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. – 512 с.

5. Крестниковская Е. А. Конспекты лекций по физике. – 2-е изд. – 2014.

6. Крестниковская Е. А. Методические указания к лабораторным и практическим работам по физике. 2018.