This page is hosted for free by zzz.com.ua, if you are owner of this page, you can remove this message and gain access to many additional features by upgrading your hosting to PRO or VIP for just 32.50 UAH.
Do you want to support owner of this site? Click here and donate to his account some amount, he will be able to use it to pay for any of our services, including removing this ad.

Методика вивчення теми “МАГНІТНЕ ПОЛЕ”

4. Методика вивчення основних питань теми

Починають вивчати магнітне поле з доказу зв’язку магнітного поля з рухомими електричними зарядами. З цією метою демонструють взаємодію паралельних струмів, дослід Ерстеда, взаємодію електричного струму в провіднику з рухомими електронами в електронно-променевій трубці. На основі аналізу цих дослідів та актуалізації знань, отриманих в основній школі, формулюється висновок про існування магнітного поля, яке завжди пов’язане з рухомими електрично зарядженими частинками і діє на рухомі електрично заряджені частинки. Суттєвим підтвердженням зв’язку магнітного поля з рухомими частинками може бути опис досліду Роуланда.

Для характеристики інтенсивності магнітної взаємодії вводять поняття магнітної індукції. Оскільки магнітна індукція характеризує силову дію магнітного поля, вона є векторною фізичною величиною і позначається буквою .

На відміну від напруженості електричного поля магнітна індукція, будучи також величиною векторною, не збігається з напрямом сили, яка діє на провідник зі струмом.

Напрям вектора магнітної індукції визначають за допомогою магнітної стрілки, яка показує його напрям своїм північним полюсом. Для прямого провідника зі струмом та замкнутого провідника формулюється правило правого гвинта.

Поняття про модуль вектора магнітної індукції вводять на основі аналізу силової дії магнітного поля на виток зі струмом. Показують, що максимальний обертальний момент, який діє на виток у магнітному полі, пропорційний силі струму у витку та його площі. Відношення пропорційних величин є сталою величиною. Тому Mmax/I*S=B.

Одиницею магнітної індукції є тесла.

1 Тл = 1 Н/А*м

Для дослідження структури магнітного поля використовують метод спектрів. Слід продемонструвати магнітні спектри прямого провідника, витка зі струмом, а також соленоїда [24, досл.84]. Спектри можна зобразити на папері у вигляді ліній магнітної індукції, тобто, ліній, дотичні до яких у кожній точці показують напрям магнітної індукції.

Густина ліній магнітної індукції пропорційна модулю магнітної індукції, а напрям визначається за правилом правого гвинта.

Оскільки лінії індукції завжди замкнуті, приходять до висновку, що відсутні магнітні заряд, а тому магнітне поле вихрове і не має потенціалу.

З лініями магнітної індукції пов’язане поняття магнітного потоку. Магнітний потік – фізична величина, яка кількісно пропорційна числу ліній, що проходять через площу замкнутого контура. Проте введення цього поняття в даній темі, як передбачають програми з фізики, не має достатньо підстав, оскільки це поняття в даній темі не “працює”. Одним з варіантів переборення вказаної суперечності є перенесення цього поняття в тему “Електромагнітна індукція”, де без нього неможливо науково достовірно викласти навчальний матеріал.

Велике практичне і пізнавальне значення має вивчення сили Ампера і сили Лоренца.

Силу Ампера зручно вводити на основі експерименту. П – подібну дротину на м’якому підвісі закріплюють на штативі таким чином, щоб горизонтальна частина її перебувала у магнітному полі підковоподібного магніта (мал. 42 ).

Мал. 42

Якщо в дротині протікає електричний струм, вона починає рухатися між полюсами магніта. Для вимірювання сили, що діє у магнітному полі на провідник зі струмом, використовують чутливий динамометр. Демонструють учням, що сила Ампера залежить від сили струму в провіднику, індукції магнітного поля, довжини елемента струму, який знаходиться між полюсами а, також, від кута між магнітною індукцією і провідником [24, досл.85]. На основі експерименту записують формулу F=BIΔl*sinα .

Напрям сили Ампера визначається за правилом лівої руки: якщо ліву руку розмістити так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, а чотири пальці показували напрям струму, то відставлений великий палець покаже напрям сили, яка діє на провідник зі струмом у магнітному полі.

Використання сили Ампера в техніці можна проілюструвати, розглянувши принцип дії електровимірювальних приладів магнітоелектричної системи та електричних двигунів постійного струму. Пропонований програмою приклад динамічного гучномовця не можна вважати вдалим, оскільки його робота пов’язана з використанням змінного струму, який вивчається дещо пізніше.

Сила Лоренца вводится як сила, що діє на рухому заряджену частинку з боку електричного і магнітного полів одночасно, тобто

Далі розглядають випадок, коли електрична складова відсутня і рухома заряджена частинка перебуває під впливом лише магнітного поля.

Для розрахунку магнітної складової сили Лоренца використовують знання про силу Ампера.

Сила Ампера є результатом дії магнітного поля на всі заряджені частинки в провіднику. Її можна розрахувати, використавши відомий з електронної теорії вираз для сили струму

де I – сила струму;
q – заряд частинки;
n – концентрація частинок у провіднику;
v – швидкість напрямленого руху частинок;
S – площа поперечного перерізу провідника.

Тоді силу Ампера можна записати у вигляді формули

або оскільки , то .

Якщо сила Ампера є рівнодійною сил, які діють на N рухомих заряджених частинок, то на одну частинку буде діяти сила в N разів менша. Тобто

Напрям сили Лоренца, як і сили Ампера, визначається за правилом лівої руки, яке справедливе для позитивно заряджених частинок і зазнає незначних змін для негативно заряджених: чотири пальці слід спрямовувати проти їх руху.

Сила Лоренца завжди напрямлена під кутом до швидкості зарядженої частинки, тому надає їй доцентрового прискорення. Для випадку, коли , .

Тоді

Отже, заряджена частинка починає рухатись по дузі кола. При інших значеннях кута α траєкторія руху зарядженої частинки в магнітному полі набуває форми спіралі.

Дію сили Лоренца можна продемонструвати, підносячи магніт до працюючої електронно-променевої трубки з вимкненою розгорткою. Зміщення світної плями на екрані свідчитиме про відхилення електронного пучка в магнітному полі.

Використання сили Лоренца в науці й техніці ілюструють шляхом розгляду загальних принципів дії відхиляючої системи телевізійного кінескопа, циклічних прискорювачів заряджених частинок, МГД-генераторів і ін.

Взаємодію речовини з магнітним полем починають вивчати з демонстрації різного впливу магнітного поля на різні речовини. Показують, що різні речовини по-різному взаємодіють з магнітним полем [24, досл.95]. Згідно з результатами дослідів вводять поняття діамагнетиків, парамагнетиків і феромагнетиків. Оскільки така класифікація пов’язана з інтенсивності взаємодії речовини і магнітного поля, то виникає необхідність введеня фізичної величини, яка характеризує магнітні властивості речовини. Цю величину називають магнітною проникністю. Чисельно вона дорівнює відношенню магнітної індукції поля в речовині до магнітної індукції поля поза речовиною: μ=B/B0.

Для діамагнетиків μ<1 , для парамагнетиків μ>1 , але ці значення дуже близькі до 1.

Однак існують речовини, які мають μ>>1 . Їх назвали феромагнетиками. Феромагнітні властивості з чистих речовин мають лише залізо, нікель, кобальт, гадоліній.

Високу магнітну проникність феромагнетиків пояснюють особливостями їх внутрішньої будови, а саме, наявністю доменів – областей із впорядкованим розташуванням атомів і, відповідно, їх магнітних моментів.

Магнітні поля доменів у ненамагніченому феромагнетику розташовані хаотично і компенсують одне одного. Потрапляючи у зовнішнє магнітне поле домени перебудовуються таким чином, що їх магнітне поле підсилює зовнішнє.

Оскільки внутрішня кристалічна структура феромагнетика залежить від температури, зі зміною температури змінюються і їх магнітні властивості. За певної температури, як правило достатньо високої, феромагнітні властивості зникають. Значення температури, за якої зникають феромагнітні властивості речовини, називають точкою Кюрі.

На закінчення вивчення теми повідомляють учням, що глибоке дослідження властивостей речовини дозволило створити нові феромагнітні матеріали зі специфічними властивостями, зокрема, з аномально високою магнітною проникністю, великим гістерезисом тощо.

Усі ці властивості феромагнетиків використовуються в техніці. Так, явище підсилення магнітного поля феромагнетиками широко використовується в електричних трансформаторах, електромагнітах, реле тощо. Явище залишкової намагніченості використовується для запису інформації в магнітофонах та в комп’ютерних накопичувачах – вінчестерах.

5. Типові задачі

На визначення модуля та напрямку вектора магнітної індукції

- Визначити значення магнітної індукції поля, в якому на рамку зі струмом 5 А діє момент сили 0,02 Н*м. Довжина рамки 10 см, ширина 20 см.
- Показати, яким буде напрям вектора магнітної індукції в центрі дротяного витка зі струмом будь-якої форми. На розрахунок сили Ампера
- На провідник довжиною 20 см зі струмом 2 А однорідне магнітне поле діє з силою 0,02 Н. Визначити кут між напрямком струму і вектором магнітної індукції.
- Пояснити, чому два паралельні провідники зі струмом одного напрямку притягуються, а різного – відштовхуються?

На розрахунок сили Лоренца

- Електрон, який рухався у вакуумі зі швидкістю 100 км/с, влітає у магнітне поле з індукцією 0,2 Тл перпендикулярно до ліній магнітної індукції. Дайте відповідь:
а) якою траєкторією буде рухатись електрон?
б) який радіус цієї траєкторії?
в) який період обертання електрона?
У яких напрямках відхилятиметься електронний пучок чи потік позитивних йонів при піднесенні до нього магніта різними полюсами?

На взаємодію магнітного поля з речовиною.

- Чому платіжні магнітні картки не рекомендується зберігати поряд із мобільним телефоном
- Яка технологія виготовлення постійних магнітів?

6. Організація контролю і обліку знань учнів

Для підвищення ефективності поточного контролю знань учнів після вивчення сили Ампера доцільно провести короткочасну самостійну роботу.

Підсумковий контроль знань учнів з теми доцільно організувати у формі письмової контрольної роботи, до якої слід увести як розрахункові, так і якісні задачі, наприклад, на визначення напрямку та значення сили Ампера чи сили Лоренца.

Питання для самоконтролю

1. Який зміст теми „Магнітне поле” в шкільній програмі?
2. Які основні поняття теми та яка послідовність їх уведення?
3. Яка методика введення поняття магнітної індукції?
4. Які особливості вивчення сили Ампера та сили Лоренца?
5. Які типові задачі з теми?

Попередня сторінка На початок сторінки Наступна сторінка


































© 2003-2019 Методика навчання фізики в середній школі | Хостинг: RCHosting