Урок физики в 11 классе «Вращательный момент однородного магнитного поля, действующий на рамку с током»

Дата:11 «А» _____18г

Тема урока: «ВРАЩАТЕЛЬНЫЙ МОМЕНТ ОДНОРОДНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ, ДЕЙСТВУЮЩИЙ НА РАМКУ С ТОКОМ».

Цель урока: изучить вращающий момент сил, действующий на рамку с током в однородном магнитном поле.

Образовательная: продолжить формирование научных представлений о магнитном поле, его связи с электрическим током.

Воспитательная: воспитывать интерес к предмету с помощью применения информационных технологий (с использованием компьютера);

Развивающая: Развивать потребность изучать природу наблюдаемых явлений, умение объяснять и анализировать их.

Требования государственного стандарта

Знания: Знать о вращательном моменте однородного магнитного поля, действующего на рамку с током.

Умения: уметь применять правило левой руки для определения направления силы Ампера.

Навыки: Выработать навыки соблюдения правил техники безопасности

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Оборудование: учебник 11 класс, ПК, мультимедийный проектор, презентация

Ход урока.

I.Организационный момент.

Приветственное слово учителя. Отмечание отсутствующих

II.Повторение изученного материала

На предыдущем уроке мы с вами изучали магнитное поле, его свойства и характеристики.

Сегодня мы познакомимся с силой Ампера, но прежде чем мы приступим к изучению новой темы, мы повторим, основные вопросы.

Магнитное поле обладаем рядом свойств:

- магнитное поле порождается только движущимися зарядами, в частности электрическим током;

- в отличие от электрического поля магнитное поле обнаруживается по его действию на движущиеся заряды (заряженные тела);

- магнитное поле материально, так как оно действует на тела, и, следовательно, обладает энергией;

- магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку.

Вопросы:

Что такое магнитное поле? (ответ: Вид материи, с помощью которого осуществляется взаимодействие проводников с электрическим током)

Какие основные свойства магнитного поля? (а) МП действует только на токи и движущиеся заряды; б) замкнутые-из опыта с железными опилками; в) оказывает силовое действие на проводник с током)

Что понимают под силовыми линиями магнитного поля? (линии, вдоль которых в магнитном поле расположены оси маленьких магнитных стрелок, помещенных в данное поле)

Каким образом можно определить направление силовых линий магнитного поля? (правилом буравчика: если направить штопор буравчика по току, о вращение его рукоятки укажет направление силовых линий магнитного поля)

Какая сила называется силой Ампера? (Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током).

Как находят направление силы Ампера? (по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь, то отставленный на 90 большой палец покажет направление силы Ампера.

III.Изучение нового материала

Однородное магнитное поле - это магнитное поле, у которого в любой его точке вектор магнитной индукции неизменен по величине и направлению; наблюдается между пластинами плоского конденсатора, внутри соленоида (если его диаметр много меньше его длины) или внутри полосового магнита.

Магнитное поле прямого проводника с током:

или

где - направление тока в проводнике на нас перпендикулярно плоскости листа,
- направление тока в проводнике от нас перпендикулярно плоскости листа.

Магнитное поле соленоида:

Магнитное поле полосового магнита:

- аналогично магнитному полю соленоида.

СВОЙСТВА ЛИНИЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

- имеют направление;
- непрерывны;
-замкнуты (т.е. магнитное поле является вихревым);
- не пересекаются;
- по их густоте судят о величине магнитной индукции.
НАПРАВЛЕНИЕ ЛИНИЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

- определяется по правилу буравчика или по правилу правой руки.

Правило буравчика ( в основном для прямого проводника с током):

Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.

Правило правой руки ( в основном для определения направления магнитных линий
внутри соленоида):

Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

Существуют другие возможные варианты применения правил буравчика и правой руки.

СИЛА АМПЕРА

- это сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

Модуль силы Ампера равен произведению силы тока в проводнике на модуль вектора магнитной индукции, длину проводника и синус угла между вектором магнитной индукции и направлением тока в проводнике.

Сила Ампера максимальна, если вектор магнитной индукции перпендикулярен проводнику.

Если вектор магнитной индукции параллелен проводнику, то магнитное поле не оказывает никакого действия на проводник с током, т.е. сила Ампера равна нулю.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:

Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная проводнику составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а 4 вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующий на проводник с током.

Примеры:

или

ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РАМКУ С ТОКОМ

Если поместить проволочную рамку, по которой протекает электрический ток, в магнитное поле, то в результате действия силы магнитного поля, рамка будет поворачиваться. Это означает, что магнитное поле оказывает на рамку с током вращающее действие.

Вращение рамки с током в магнитном поле объясняется действием на нее сил Ампера. Эти силы действуют как на левую, так и на правую сторону рамки, но в противоположных направлениях. Под действием этих сил и происходит вращение. Вращающее действие магнитного поля учитывается в электродвигателях - машинах, преобразующих электрическую энергию в механическую работу.

Однородное магнитное поле ориентирует рамку (т.е. создается вращающий момент, и рамка поворачивается в положение, когда вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости рамки).

Для наглядности рассмотрим действие магнитного момента тока на примере. Возьмем прямоугольную рамку с током. Поместим ее в постоянное магнитное поле, так чтобы плоскость рамки была параллельна вектору магнитной индукции.

Рисунок 1 — поясняет принцип действия магнитного момента

   Как известно на проводник, с током помещённый в магнитное поле действует сила Лоренца.

Направление, которой можно определить с помощью правила левой руки. Рассматривая действие силы Лоренца на стороны рамки в отдельности можно прийти к выводу, что на них будут действовать равные по величине, но противоположные по знаку.
 Поскольку эти силы зависят от длинны проводника силы тока в нем и угла между направлением тока и вектором магнитной индукции. А ток в этом контуре протекает один и тот же. Длинна сторон рамки одинакова. И стороны рамки находятся параллельно магнитному полю. Но ток движется в противоположные стороны. Значит и силы будут направлены противоположно.
 Две другие стороны рамки не будут взаимодействовать с полем поскольку ток в них течет параллельно силовым линиям поля. Следовательно, исходя из закона Лоренца сила, действующая на них, будет равна нулю.
 Далее если мысленно провести вдоль рамки вертикальную осевую линию. То силы, действующие на ее края, будут стремиться ее развернуть. До тех пор, пока рамка не примет такое положение, при котором все силы не уравновесятся. При этом рамка повернется своей плоскостью перпендикулярно силовым линия поля.
 Таким образом, вращающий момент можно представить в таком виде

Формула 2 — Вращающий момент рамки с током где   

B вектор магнитной индукции
          I сила тока в контуре
          S площадь рамки с током
          sinb угол между вектором магнитной индукции и плоскостью рамки

Чему равен вращающий момент, действующий на рамку с током в магнитном поле? 

Ответ

На пробные  контуры, отличающиеся значением , действует в данной точке поле разные по величине вращательные моменты Мmax. Однако, отношение Мmax/pm будет для всех контуров одно и то же и может быть принято для количественной характеристики поля.

На рамку с током I, помещенную во внешнее однородное магнитное поле с индукцией действует момент сил Момент сил выражается соотношением:

где S – площадь рамки, α – угол между нормалью к плоскости рамки и вектором Векторная величина где – единичный вектор нормали, называется магнитным моментом рамки

  IV.Закрепление изученного материала

Закончить фразы:

А. Источником магнитного поля являются … (ответ: движущиеся заряды)

Б. Обнаружить магнитное поле можно по... (действию на проводник с током, на движущиеся заряды друг к другу)

В. Если электрический заряд неподвижен, то вокруг него существует... (эл. ток)

Г. Если электрический заряд движется, то вокруг него существует... (ЭП, МП).

Д. Вокруг проводника с током существует...(МП).

Задачи (устно)

1. Как изменится сила Ампера, действующая на прямолинейный проводник с током в однородном магнитном поле при увеличении индукции в 3 раза? Проводник расположен перпендикулярно вектору индукции. (увеличится в 3 раза).

2. Как изменится сила Ампера, действующая на прямолинейный проводник с током в однородном магнитном поле, при увеличении силы тока в проводнике в 2 раза? Проводник расположен перпендикулярно вектору индукции. (увеличится в 3 раза).

3. Как изменится сила Ампера, действующая на прямолинейный проводник с током в однородном магнитном поле, при увеличении индукции магнитного поля в 3 раза и увеличении силы тока в 3 раза? (увеличится в 9 раз).

Решите задачу:

Задача

Рамка площадью 400 см2 помещена в однородное магнитное поле индукцией 0,1 Тл так, что нормаль к рамке перпендикулярна линиям индукции. При какой силе тока на рамку будет действовать вращающий момент 20 мН ⋅ м?

Дано:

Найти: I

Решение;

Ответ: I = 5 A

Задача

Квадратная проволочная рамка может свободно вращаться вокруг горизонтальной оси, совпадающей с одной из ее сторон. Рамка помещена в однородное магнитное поле с индукцией B, направленной вертикально. Когда по рамке течет ток I = 5 А, она отклоняется от вертикальной плоскости на угол α = 30o. Определить индукцию магнитного поля В, если площадь сечения проволоки, из которой изготовлена рамка, S = 4 мм2, а плотность материала проволоки ρ = 8,6 × 103 кг/м3. Ускорение свободного падения принять g = 10 м/с2.

   Решение.
   Силы, действующие на отдельные отрезки рамки со стороны магнитного поля (силы Ампера FA1, FA2, FA3, FA4), изображены на рисунке а.

   Видно, что отклонение рамки от вертикали вызывает сила FA1, приложенная к нижнему горизонтальному отрезку. Сила FA3 приложена к оси, на которой вращается рамка, а силы FA2 и FA4 действуют в плоскости рамки и могут вызвать только ее деформацию.
   Таким образом, рамка находится в равновесии под действием сил, изображенных на рисунке б, где FA = IBl − сила Ампера, m = 4lSρ − масса рамки, l − длина одной из ее сторон, R − сила реакции оси.
   Уравнение моментов относительно оси вращения рамки имеет вид:

FAlcosα = mg(l/2)sinα.

   Объединяя записанные выражения, после несложных преобразований получаем ответ:

B = 2ρSgtgα/I.

   После вычислений получаем B = 0,078 Тл.
   Ответ: B = 0,078 Тл.

V. оценивание учащихся.

VI. Домашнее задание§ 2. Ответить на вопросы