"Магнитные взаимодействия. Магнитное поле токов. Вектор магнитной индукции"
методическая разработка по теме

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЙ ЛИЦЕЙ №5»

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

открытого урока по предмету «Физика»

на тему:

«Магнитные взаимодействия. Магнитное поле токов. Вектор магнитной индукции.

Линии магнитной индукции»

Группа: ЭС1(«Электрик судовой», I курс

Преподаватель: Корякина А.К.

Тема: «Магнитные взаимодействия. Магнитное поле токов. Вектор магнитной индукции. Линии магнитной индукции»

Тип урока: изучение нового учебного материала

Вид урока: урок-лекция

Оборудование для демонстрации: подковообразный магнит, штатив, источник питания, резистор, ключ, проводник на нити

Оснащение: ноутбук, экран, проектор

ППС: Уроки физики Кирилла и Мефодия. 10 класс. ООО «Кирилл и Мефодий», 2006

(Тема 07, урок 27)

Цель:

1. образовательная: расширить представления учащихся о магнитном поле; познакомить учащихся с силовой характеристикой магнитного поля – индукцией магнитного поля, графическим изображением магнитных полей, правилами буравчика и правой руки

2. развивающая: применять правило правой руки, уметь графически изображать линии магнитной индукции прямого, кругового токов и соленоидов

Сокращения, встречающиеся в плане урока:

Магнитное поле-МП

Магнитная индукция - МИ

План урока

Приложение 1

Подготовка к восприятию нового материала

1. Что означает выражение: «тело или частица обладает электрическим зарядом»?
2. В каком состоянии могут   находиться электрические заряды?
3. Что понимают под  электрическим полем? Как его можно обнаружить?
4. Что является индикатором электрического поля?
5. Каковы основные свойства электрического поля? Как объяснить взаимодействие двух покоящихся заряженных тел?

Приложение 2

Взаимодействие магнитов

Еще в древние времена были известны тела, называемые магнитами, которые обладают способностью притягивать железные предметы.

Трудно найти человека, которого бы в детстве не поражали удивительные свойства магнита. На значительном расстоянии через пустоту (не воздух же ему помогает!) магнит способен притягивать тяжелые куски железа. Из гвоздиков и скрепок легко соорудить целые гирлянды. Не менее удивительно пове дение магнитной стрелки компаса, упорно стремящейся по вернуться на север, как бы вы ни вращали компас, стремясь сбить его с толку.

Притяжение магнитов напоминает притяжение на расстоя нии наэлектризованных тел. Недаром на протяжении многих веков их путали. Лишь английскому ученому У. Гильберту (1544—1603) в конце XVI в. удалось доказать, что это не одно и то же. В самом деле: магнит не нуждается в таких предвари тельных операциях, как натирание, для того чтобы притягивать. И эта способность не исчезает с течением времени, как у наэлектризованных тел, если только его не нагревать очень сильно и не трясти.

Концы магнитов, на которых магнитные свойства выражены сильнее, называют обычно полюсами.

Магниты могут как притягиваться, так и отталкиваться, подобно зарядам. Но вот что странно! Отделить северный по люс магнита от южного, получить изолированный магнитный полюс никому не удалось, несмотря на то что на это было за трачено немало усилий.(слайд 3)

Начиная с Гильберта исследование магнитов было постав лено на строгую научную основу. Именно Гильберт первым дога дался, что земной шар является громадным магнитом, и поэто му магнитная стрелка ориентируется определенным образом. Гильберт сумел подтвердить свою догадку экспериментально, намагнитив большой железный шар (он назвал его «терелла» — маленькая Земля) и наблюдая его действие на стрелку. Положе ние небольших магнитов по отношению к терелле Гильберт изо бразил на рисунке в книге «О магните» (слайд 4).

Количественно взаимодействие магнитов изучал Ш. Кулон, используя тот же метод крутильных весов, что и при изуче нии взаимодействия зарядов. Кулон установил закон взаимо действия полюсов длинных магнитов, рассматривая полюса как места сосредоточения магнитных зарядов — аналогов за рядов электрических. Закон этот оказался таким же, как и за кон взаимодействия электрических зарядов. Невозможность разделить северный и южный полюса магнита Кулон объяс нял неспособностью магнитных за рядов внутри молекул вещества свободно переходить из одной моле кулы в другую.

Приложение 3

Открытие Эрстеда

Разгадка магнетизма пришла после того, как научились получать электрический ток.

Открытие было сделано датским физиком X. Эрстедом (1777—1851) в 1820 г. Расположив магнитную стрелку параллельно проводу, Эрстед обнаружил, что при замыкании цепи она поворачивается.(анимация)

Опыты Эрстеда послужили мощным толчком к исследованию взаимодействия магнита и проводника с электрическим током. Рядом ученых была открыта способность некоторых металлических тел к намагничиванию электрическим током.

Магнетизм и электричество обнаружили глубокое родство, и это бы ло доказано прямым опытом. Выяснилось, что только к по коящимся зарядам магнитная стрелка оставалась совершенно равнодушной. Движущиеся же заряды оказались способными пробудить в ней «родственные эмоции». Магнетизм связан не со статическим электричеством, а с электрическим током.

Приложение 4

Открытие Ампера

Открытие Эрстеда почти тотчас же позволило решить загад ку магнетизма и одновременно найти еще один — наряду с кулоновским — фундаментальный тип взаимодействия электри ческих зарядов. Все это сделал один человек — А. М. Ампер — буквально в несколько месяцев сразу же после "знакомства с опытом Эрстеда. Интересен ход мысли этого гениального человека, запечатленный в его сообщениях, которые следовали од но за другим во французской Академии наук. Сначала под не посредственным впечатлением от поворачивающейся вблизи тока магнитной стрелки Ампер предположил, что магнетизм Земли вызван токами, обтекающими Землю в направлении с запада  на восток.  Далее Ампер пришел к общему заключению: магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электри ческими токами внутри него.

Согласно гипотезе Ампера внутри молекул, слагающих вещество, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи расположены хаотически по отношению друг к другу, то их действие взаимно компенсируется и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает (слайд 4). В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентиро ваны строго определенным образом, так что их действия складываются (слайд 4)

Приложение 5

Опыты Фарадея

Фарадей высказал гипотезу о том, что «магнетизм можно превратить в электричество» и поставил перед собой задачу осуществить это на практике. Он проделал большое число экспериментов и лишь в 1831 году добился желаемого результата. Один  из первых опытов заключается в следующем.

Проводник соединяли с батареей гальванических элементов. Параллельно ему располагали другой проводник, который присоединялся к гальванометру. Проводники изолировали друг от друга слоем бумаги. Фарадей надеялся, что при прохождении электрического тока по первому проводнику во втором проводнике возникнет электрический ток. Однако этого не происходило. Тогда Фарадей сконструировал установку из двух многослойных катушек, и одну из них соединил с мощной батареей. При замыкании этой цепи гальванометр, присоединенный ко второй катушке, фиксировал кратковременный электрический ток. В дальнейшем был проведен целый ряд опытов, которые подтвердили гипотезу Фарадея.

Приложение 6

Взаимодействие проводников с током

Если магнитное поле, возникшее вокруг проводника с током, поместить другой проводник с током, то магнитное поле первого проводника будет действовать на проводник, а магнитное поле второго проводника будет действовать на первый проводник.

Опыт показывает, что если проводники расположены параллельно, то при одинаковом направлении токов они притягиваются, при противоположно направленных токах – они отталкиваются(рисунок «Взаимодействие проводников с током»)

Опыт показывает, что если ток идет только по од ному проводнику, то силы взаимодействия между проводни ками отсутствуют (слайд 5). Точно так же не обнаружится взаимодействия, если один из проводов свит из двух, по которым одинаковые токи текут в противоположных направлениях (слайд 5). Такой провод не оказывает влияния на магнитную стрелку, расположенную вблизи него. Другими словами, можно сказать, что близко расположенные равные, но противоположно направленные токи ведут себя так же, как проводник, в котором тока нет: они не обнаруживают магнитного действия.

Приложение 7

Магнитное поле

Согласно теории близкодействия токи не могут непосредственно действовать друг на друга. Подобно тому как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.

Каждый элемент тока в одном из проводников создает во круг себя магнитное поле, которое действует на все элементы тока во втором проводнике.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами.

Что же такое магнитное поле? Как и в случае электриче ского поля, ответить на этот вопрос можно так:

1.  Магнитное поле материально: оно существует незави симо от нас, от наших знаний о нем;
2.  Магнитное поле обладает определенными свойствами, которые могут быть найдены экспериментально.

Основные свойства магнитного поля:

1. магнитное по ле порождается током (движущимися зарядами);
2. обнару живается по действию на ток (движущиеся заряды).

Приложение 8

Замкнутый контур с током в магнитном поле

Для исследования магнитного поля лучше всего взять кон тур малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнит ное поле заметно изменяется) размеров. Например, можно паять маленькую плоскую проволочную рамку произвольной фирмы. Подводящие ток проводники нужно распо ложить близко друг к другу или сплести вместе. Так как по проводникам течет равный ток в противоположных на правлениях, то на них в магнитном поле не будут действовать силы и сами они не окажут магнитного действия на другие проводники с током( слайд 6).  

Если мы подвесим на гибких проводах рамку с током между
полюсами магнита, то рамка будет поворачиваться до тех пор, пока ее плос кость не установится перпендикулярно к линии, соединяющей полюса
(урок 27 – рисунок ).

Результирующая сила, действующая на рамку с током в магнитном поле, равна нулю, если магнитное поле одинаково |0 всех точках пространства, где расположена рамка (одно родное поле). В однородном магнитном поле на рамку действует лишь момент сил, который поворачивает рамку, рас полагая ее определенным образом по отношению к току или магниту, создающему магнитное поле.

Приложение 9

Вектор магнитной индукции

Мы видели, что в магнитном поле рамка с током на гибком подвесе, со стороны которого не действуют силы упругости, препятствующие ориентации рамки, поворачивается до тех мор, пока не установится определенным образом. Так же ведет себя и магнитная стрелка. Это говорит о том, что величина, характеризующая магнитное поле, должна быть векторной. Направление вектора должно быть связано с ориентацией рамки или магнитной стрелки.

Векторную величину, характеризующую магнитное поле, называют вектором магнитной индукции

        Приложение 10

Направление вектора магнитной индукции

Направление вектора магнитной индукции можно определить с помощью правила буравчика: если вращать ручку буравчика по направлению тока в рамке, то его поступательное движение покажет направление вектора магнитной индукции(слайд 7).

Направление вектора магнитной индукции поля прямого проводника с током тоже определяют по правилу буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции (слайд 7). Или же по правилу правой руки: если большой палец правой руки, отогнутый вдоль провода , показывает направление тока, то пальцы, охватывающие проводник, покажут направление вектора магнитной индукции(слайд 7)

Вектор магнитной индукции поля подковообразного магнита перпендикулярен его концам и направлен от северного полюса к южному(слайд 7)

Приложение 11

Модуль вектора магнитной индукции

Демонстрация. Чтобы определить модуль вектора магнитной индукции, проделаем опыт. Между полюсами подковообразного магнита поместим проводник. При прохождении тока по проводнику он будет втягиваться в магнитное поле или выталкиваться из него. Измерим силу действующую на проводник по углу отклонения нитей, на которых подвешен проводник. Измеряя силу тока и длину проводника, можно убедиться в том, что отношение силы к силе тока и длине активной части проводника, находящейся в магнитном поле, постоянно; оно не зависит от силы тока и длины проводника. Это отношение и есть модуль вектора магнитной индукции. (формула записывается на доске, поясняются величины)

Модуль вектора магнитной индукции – величина равная отношению силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле перпендикулярно вектору магнитной индукции, к силе тока в проводнике и к длине активной части проводника, находящейся в магнитном поле. В СИ индукция магнитного поля измеряется в теслах(Тл)

1 Тл – магнитная индукция такого поля, в котором на проводник с длиной 1м при силе тока 1А действует сила 1Н

Приложение 12

Линии магнитной индукции

Линиями магнитной индукции называются линии, каса тельные к которым направлены так же, как и вектор В в данной точке пространства (слайд 8).

Картину магнитный полей можно получить с помощью магнитных стрелок или железных опилок (анимация)

Линии магнитной индукции прямолинейного проводника с током – концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током. Как и в случае линий напряженности электрического поля, линии магнитной индукции можно условиться проводить так, чтобы их густота характеризовала модуль вектора магнитной индукции в данном месте.

Картина линий магнитной индукции катушки с током(соленоида) была  в анимации, а также есть в слайде(слайд 8). Если длина соленоида много больше его диаметра, то поле соленоида можно считать однородным. Линии магнитной индукции  такого поля параллельны, их густота везде одинакова.

За направление силовых линий принято направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки (слайд 8)

Приложение 13

Вихревое поле

Внимательное исследование магнитного поля с помощью линий магнитной индукции позволяет установить очень важ ную его особенность. Линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты.

Вспомним, что с электростатическим полем дело обстоит иначе. Линии напряженности электростатического поля на чинаются на положительных зарядах и оканчиваются на от рицательных.

Поля с замкнутыми силовыми линиями называются вих ревыми. Магнитное поле — вихревое поле.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет со бой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заклю чается в том, что магнитное поле не имеет источников. Маг нитных зарядов, подобных электрическим, не обнаружено.

Приложение 14

Закрепление материала

Вопросы:

1. Как следует понимать утверждение, что в данной точке индукция магнитного поля равна 2 Тл?
2. Магнитная индукция в одной точке поля больше чем в другой?

Решение задач

Литература

1. Б.М.Яворский. Физика 10 кл.: учебник для учащихся гуманитарных классов. – М.: Школа-Пресс, 1997
2. В.А.Ильин. История физики: учебное пособие для студентов высших педагогических учебных заведений. – М.: Академия, 2003
3. Г.Я.Мякишев. Физика: электродинамика.10-11 кл.: учебник для углубленного изучения физики. – М.: Дрофа, 2002
4. Н.С. Пурышева Физика 11кл.: учебник для общеобразовательных учреждений. – М.: Дрофа, 2008