Задачи - опыты по физике (стр. 29 )

Дополнения. 1. Оба конца обмотки присоединяются к одному полюсу источника тока. На середине обмотки зачищается изоляция провода и к этому месту присоединяется второй полюс источника тока.

Двумя способами: первый указан в решении задачи, второй – заключается в следующем. На железный цилиндр накладывается нормальная обмотка, все витки которой идут в одном направлении. Оба конца такой обмотки присоединяются к одному полюсу, а средняя ее точка – к другому полюсу источника тока. Также двумя способами: один указан в пункте 1, а другой заключается в обычной обмотке электромагнита, соединенного с источником тока обычным способом. Неправильно. Это два „нормальных“ электромагнита с разноименными полюсами, приложенные друг к другу одноименными полюсами.

126. Сложение векторов магнитного поля.

Установка. Два одинаковых дугообразных постоянных магнита. Такие два магнита можно снять, например, с телефонного индуктора (от телефонного аппарата с индукторным вызовом). Железный брусок (якорь), которым можно замкнуть полюса магнитов (см. в решении).

Условие задачи. Возьмите в левую руку один магнит и держите его полюсами вниз. В правую руку возьмите второй магнит, повернув его полюсами вверх, и поднесите его полюса к полюсам первого магнита.

Если вы приложите нижний магнит к верхнему разноименными полюсами, то магниты с большой силой притянутся один к другому. Разнимите их и приложите теперь один магнит к другому одноименными полюсами. При хороших магнитах вы обнаружите значительную силу взаимного отталкивания. Во всяком случае при таком расположении полюсов верхний магнит не может удержать на весу нижний.

Как следует поступить для того, чтобы в этом случае (нижний магнит расположен своими полюсами против одноименных полюсов верхнего) верхний магнит удерживал бы на весу нижний?

Дополнения. 1. Когда вы решите задачу, то поверните нижний магнит так, чтобы его полюсы были обращены к разноименным полюсам верхнего.

Чем вы объясните полученный вами результат?

Вполне ли правильно утверждение, что верхний магнит удерживает на весу нижний? Зависит ли результат вашего опыта от толщины железного бруска? Приложите к полюсам вместо бруска жестяную пластинку. Какой при этом получится результат? Почему?

Решение и пояснения

126. (10-й кл.). К полюсам верхнего магнита прикладывается железный брусок, к которому снизу прикладывается второй магнит так, чтобы его полюсы были против одноименных полюсов верхнего магнита.

В железном бруске, приложенном к полюсам верхнего магнита, векторы магнитного поля (векторы индукции) направлены от северного к южному полюсу. Если нижний магнит приложить к железному бруску полюсами, одноименными с полюсами верхнего магнита, то суммарный поток векторов индукции в бруске возрастает, вследствие чего возрастает и его поляризованное магнитное состояние. В результате имеем две замкнутые магнитные цепи: верхний магнит – брусок и нижний магнит – брусок.

Если же нижний магнит приложить к бруску полюсами, разноименными с полюсами верхнего магнита, то векторы магнитного поля нижнего магнита будут направлены в бруске противоположно векторам поля верхнего магнита. В результате, при одинаковых магнитах суммарный поток векторов индукции в бруске делается равным нулю и его поляризация исчезает.

Дополнения. 1. Нижний магнит не будет удерживаться. Объяснение дано в решении задачи.

Нет. Следовало бы сказать, что верхний магнит удерживает на весу железный брусок, а последний удерживает нижний магнит. Вообще подобная система представляет собой взаимосвязанную систему трех тел, в которой каждое из них испытывает одинаковое влияние со стороны остальных тел. Зависит. Чем тоньше железный брусок, тем больше линий индукции проходит, минуя брусок, и взаимодействует непосредственно между собой. Иначе говоря, непосредственное взаимодействие одноименных полюсов магнитов усиливается. В результате, при жестяной пластинке получим взаимное отталкивание.

Железный брусок (якорь) для установки подбирается на опыте. Желательно, чтобы его толщина была порядка 0,5 см, ширина несколько больше ширины полюсов магнита и чтобы он был из мягкого железа.

127. Определение знака полюса электромагнита.

Установка. К установке подводятся провода от источника постоянного тока [аккумуляторы ( = 4 в), элементы ( = 3 в) или карманная батарейка]. Последовательно в цепь включается предохранительное сопротивление, например, лампочка от карманного фонаря. Источник тока и предохранительное сопротивление должны быть совершенно скрыты, так что к установке подводятся только два провода или шнур, концы которого присоединяются к двум клеммам, смонтированным на деревянной дощечке. Электромагнит с хорошо видимой обмоткой. Выключатель. Соединительные провода. Рюмка с водой. Баночка с NaCl. Ложечка. Нож.

Условие задачи. К двум клеммам, которые смонтированы на одной дощечке, подведен постоянный ток.

Присоедините к этим клеммам (через выключатель) электромагнит и определите, какой его полюс – южный, а какой – северный? Пользоваться при этом можно только тем, что дается в установке. В рюмке – вода, в баночке – соль (NaCl).

Дополнения. 1. Надо ли для определения направления электрического тока выключать электромагнит из его цепи?

2. Вы можете в вашем опыте судить о направлении электрического тока по нескольким характерным признакам. Каким?

Запишите, какой конец электромагнита (левый или правый) является северным полюсом. Затем, попросив у учителя компас, проверьте, правильно ли вы определили знак полюса электромагнита.

Решение и пояснения

127. (7, 10-й кл.) В рюмку насыпается немного соли. Ее размешивают в воде, в которую опускают два очищенных от изоляции конца проводов, соединенных с клеммами, подводящими постоянный ток. С помощью электролиза определяются знаки полюсов тока (см. дополнение 2).

Направление витков в обмотке электромагнита позволяет судить о знаке его полюсов.

Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Нет. Электролизер можно включить последовательно с электромагнитом.

2. При электролизе на одной медной проволоке обильно выделяются блестящие пузырьки газа, и поверхность проволоки не изменяет своего цвета. Эта проволока является катодом; выделяющийся газ – водород. На другой медной проволоке незаметно в течение нескольких минут выделения пузырьков газа. Поверхность проволоки покрывается буро-зеленоватым налетом. Эта проволока является анодом. На ней выделяется хлор. Через некоторое время после начала электролиза жидкость около анода окрашивается в гороховый цвет.

128. Ампер-витки.

Установка. Два одинаковых электромагнита, но у одного катушка из проволоки большего сечения, а у другого – из проволоки малого сечения. (Например, у первого проволока имеет диаметр 0,6 мм, а у второго 0,1 мм.). Первый электромагнит включается в цепь последовательно с реостатом переменного сопротивления, ключом и двумя клеммами, монтированными на дощечке. Эти клеммы предназначены для включения демонстрационного амперметра. Вся цепь присоединяется к двум последовательно соединенным элементам. Второй электромагнит присоединяется к последовательно соединенным четырем карманным батарейкам. В его цепь последовательно включены две клеммы, монтированные на дощечке для включения демонстрационного амперметра, и ключ. Установка первого электромагнита размещается с левой стороны стола, а второго – справой. Отдельно выставляется демонстрационный амперметр, который позволяет с помощью шунтов измерять токи порядка одного ампера и нескольких сотых ампера.

Соединительные провода. Массивная пластина железа, которую может на весу удержать правый электромагнит.

Условие задачи. Рассмотрите внимательно, чем отличается левый электромагнит от правого. Включите с помощью клемм, последовательно в цепь правого электромагнита амперметр таким образом, чтобы можно было измерять силу тока в несколько сотых долей ампера. Нажмите ключ и запишите силу тока, которую указывает амперметр. Не выключая тока, поднесите правый электромагнит к толстой железной пластине и поднимите ее над столом. Опустите электромагнит вместе с пластиной на стол и разомкните цепь, убрав руку с ключа, Повторите такой же опыт с левым электромагнитом (последовательно с ним включив амперметр и реостат), пуская ток той же силы, что и в первом опыте. Поднесите левый электромагнит к железной пластине. Вам не удастся поднять ее электромагнитом над столом. Передвигая движок реостата до тех пор, пока ток не достигнет максимума, ограниченного шкалой амперметра, снова поднесите электромагнит к железной пластине. Если ее опять не удастся отделить от стола, то, включив шунт и амперметр, продолжайте повышать силу тока, проходящего через электромагнит, до тех пор, пока он не поднимет железной пластины. Запишите, какую при этом силу тока показывает амперметр. Сличив ее с первой записью, вы увидите, что для получения той же подъемной силы правый электромагнит можно питать значительно более слабым током, чем левый. Почему?

Дополнения. 1. Допустим, что вы ответите на вопрос, поставленный в задаче, приблизительно так: „Чем больше витков мы намотаем на катушки электромагнита, тем слабее можно пропускать через них ток для получения той же самой подъемной силы электромагнита“. Вполне ли точен такой ответ?

Увеличивая все более и более число витков на катушках электромагнита и соответственно уменьшая силу тока, проходящего через них, мы можем получить при какой угодно самой малой силе тока любую, какую угодно большую подъемную силу электромагнита. Справедливо ли это заключение? Энергия электрического тока пропорциональна силе тока. Следовательно, на основании высказанного соображения в дополнении 2, можно предположить, что величина подъемной силы электромагнита не зависит от значения питающей его энергии. Из этого следует, что работа электромагнита, совершаемая им, например, при подъеме различных грузов, не зависит от затрачиваемой на питание электромагнита энергии электрического тока. Какому закону противоречит это предположение?

4. Как можно, исходя из одной особенности, отличающей левую установку задачи от правой, показать, что для получения одной и той же подъемной силы у левого и правого электромагнита должна затрачиваться одинаковая энергия электрического тока?