Конспект урока по теме «Действие магнитного поля на движущийся электрический заряд. Сила Лоренца. Магнитные свойства вещества»

Название предмета: «Физика». Класс: 11 УМК: Физика. 11 класс. /Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин; под.ред. Н.А.  Парфентьевой. – М.: Просвещение, 2010. Уровень обучения: базовый. Тема урока: «Действие магнитного поля на движущийся электрический заряд. Сила  Лоренца. Магнитные свойства вещества». Общее количество часов, отведённое на изучение темы: 12         Место урока в системе уроков по теме:                 Урок   №4   по   теме   «Магнитное   поле»   является   логическим   продолжением предыдущего урока. На нём рассматривается действие магнитного поля на заряженную частицу. Кроме того, обучающиеся получают общие представления о том, что магнитные свойства вещества  определяются магнитными свойствами атомов и элементарных частиц.         Цель урока: определение силы, действующей со стороны магнитного поля на  заряженную частицу; объяснение магнитных свойств вещества.          Задачи урока:  Дидактическая – создавать условия для усвоения нового учебного материала через  проблемно­деятельностный подход.  Образовательная – научить обучающихся выводить формулу для расчёта силы  Лоренца, определять направление силы Лоренца по правилу левой руки; дать  представления о причинах намагниченности веществ.  Развивающая – развивать логическое мышление обучающихся при решении задач на  расчёт силы Лоренца и определение её направления.  Воспитательная – прививать культуру умственной деятельности.          Планируемые результаты.           Обучающиеся должны:   иметь представление о действии магнитного поля на заряженную частицу;  уметь рассчитывать модуль силы Лоренца;  определять направление силы Лоренца по правилу левой руки;  знать гипотезу Ампера, объясняющую причины намагниченности веществ;  знать понятия «магнитная проницаемость вещества», «ферромагнетики»,  «парамагнетики», «диамагнетики», «температура Кюри».         Техническое обеспечение урока: 1. Компьютер, проектор, экран, документ­камера. 2. Оборудование по физике: полосовые магниты, различные металлические детали  (скрепки, гвозди, булавки, кнопки, куски проволоки и др.), кинескоп телевизора.          Демонстрации:  1)  действие силы Лоренца на поток электронов в электронно­лучевой трубке (кинескопе); 2)  действие постоянных магнитов на детали, изготовленные из разных металлов (железо,  сталь, медь, алюминий, хром и др.)            Дополнительное методическое и дидактическое обеспечение урока: 1. Видеоурок «Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца»  http://interneturok.ru/physics/11­klass 2. Карточки­задания. Содержание урока:          I.Организационный момент.  Мобилизующее начало урока («исходная мотивация».  Позитивный настрой на урок I. Проверка домашнего задания: 1. Тестовая работа на компьютере, с целью проверки уровня усвоения изученного  материала (1 чел.). 2. Индивидуальное решение задачи у доски (1 чел.): Задача:   Проводник   длиной   0,1   м   перпендикулярен   вектору   магнитной   индукции однородного   магнитного   поля,   модуль   которого   В=0,3Тл.   Сила   тока   в   проводнике   6 А. Найдите работу, которая   была совершена при перемещении проводника на 0,03 м по направлению действия силы Ампера.  3. Фронтальный опрос: Вопросы:  Чему равен модуль силы Ампера?   В каком случае сила Ампера будет максимальна?  Сформулируйте правило для определения направления силы Ампера.  Где находит применение сила Ампера? II.Актуализация знаний.  2.1. Сила Ампера действует на проводник, по которому протекает электрический ток. А  что какое электрический ток? Это упорядоченное движение заряженных частиц. Можно  ли, в таком случае определить силу, действующую со стороны магнитного поля на  отдельную заряженную частицу? 2.2. Постановка цели и задач урока. Формулирование темы урока обучающимися. III. Изучение нового материала.  3.1. Показ видеоурока «Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца»  http://interneturok.ru/physics/11­klass. Обучающиеся должны законспектировать основные  сведения, понятия, формулы. 3.2. Обсуждение и повторение основных понятий Силу,   действующую   на   движущуюся   заряженную   частицу   со   стороны   магнитного поля, называют силой Лоренца в честь великого голландского физика X. Лоренца (1853— 1928) — основателя электронной теории строения вещества. Силу Лоренца можно найти с помощью закона Ампера. Модуль силы Лоренца равен отношению модуля силы F, действующей на участок проводника длиной Δl, к числу N заряженных частиц, упорядоченно движущихся в этом участке проводника:          Рассмотрим отрезок тонкого прямого проводника с током. Пусть длина отрезка Δl и площадь   поперечного   сечения   проводника   S   настолько   малы,   что   вектор   индукции магнитного   поля   можно   считать   одинаковым   в   пределах   этого   отрезка   проводника. Сила тока I в проводнике связана с зарядом частиц q, концентрацией заряженных частиц (числом зарядов в единице объема) и скоростью их упорядоченного движения v следующей формулой: I = q∙n∙v∙S. Модуль силы, действующей со стороны магнитного поля на выбранный элемент тока, α . Подставляя в эту формулу выражение (1.4) для силы тока, равен: F = | I | B∙Δl sin  получаем: где N = nSΔl — число заряженных частиц в рассматриваемом объеме. Следовательно, на каждый движущийся заряд со стороны магнитного поля действует сила Лоренца, равная: F = | q | n∙v∙S∙Δl∙B sin  α  = v| q | N∙B sin  α , α  и   — угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции. Сила Лоренца где  перпендикулярна   векторам  .   Ее   направление   определяется   с   помощью   того же правила левой руки, что и направление силы Ампера: если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции  , перпендикулярная скорости заряда, входила в   ладонь,   а   четыре   вытянутых   пальца   были   направлены   по   движению   положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90° большой палец укажет направление действующей на заряд силы Лоренца Fл.             Электрическое поле действует на заряд q с силой Fэл = q есть и электрическое поле, и магнитное поле, то суммарная сила  равна: . Следовательно, если , действующая на заряд,  =  ал +  л                Так как сила Лоренца перпендикулярна скорости частицы, то  она не совершает работы. Согласно теореме о кинетической энергии (см. учебник физики для 10 класса) это означает, что сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и, следовательно, модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца меняется лишь направление скорости частицы.            Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле. Рассмотрим движение частицы с зарядом q в однородном магнитном поле  , направленном перпендикулярно к начальной скорости частицы           Сила Лоренца зависит от модулей векторов скорости частицы и индукции магнитного поля.   Так   как   магнитное   поле   не   меняет   модуль   скорости   движущейся   частицы,   то остается   неизменным   и   модуль   силы   Лоренца.   Эта   сила   перпендикулярна   скорости   и, следовательно,   определяет   центростремительное   ускорение   частицы.   Неизменность   по модулю центростремительного ускорения частицы, движущейся с постоянной по модулю скоростью,   означает,   что   частица   равномерно   движется   по   окружности   радиусом   r. Определим этот радиус. Согласно второму закону Ньютона. Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно: 3.3.   Использование   действия   магнитного   поля   на движущийся   заряд. Действие   магнитного   поля   на движущийся   заряд   широко   используют   в   современной технике.   Достаточно   упомянуть   телевизионные   трубки (кинескопы),   в   которых   летящие   к   экрану   электроны отклоняются   с   помощью   магнитного   поля,   создаваемого особыми катушками.                    Сила Лоренца используется в ускорителе заряженных частиц (циклотрон) для получения частиц с большими энергиями. Циклотрон состоит из   двух   полых   полуцилиндров   (дуантов)   3,   находящихся   в однородном   магнитном   поле.   Между   дуантами   создается переменное электрическое поле. На действии магнитного поля основано   также   и   устройство   приборов,   позволяющих разделять заряженные частицы по их удельным зарядам, т. е. по отношению   заряда   частицы   к   ее   массе,   и   по   полученным результатам   точно   определять   массы   частиц.   Такие   приборы получили название масс­спектрографов.  Самостоятельное   изучение   по   текстам                    Вакуумная камера прибора помещена в магнитное поле (вектор индукции    перпендикулярен   рисунку).   Ускоренные   электрическим   полем   заряженные   частицы (электроны   или   ионы),   описав   дугу,   попадают   на   фотопластинку,   где   оставляют   след, позволяющий   с   высокой   точностью   измерить   радиус   траектории   r.   По   этому   радиусу определяется удельный заряд иона. Зная заряд иона, легко вычислить его массу. 3.4.   Магнитные   свойства   вещества. (См.Приложение1.) IV. Закрепление изученного материала. 4.1. Вопросы: 1. Чему равен модуль силы Лоренца? 2.   Как   движется   заряженная   частица   в   однородном   магнитном   поле,   если   начальная скорость частицы перпендикулярна линиям магнитной индукции? 3. Как определить направление силы Лоренца? 4. Какие вещества называют ферромагнетиками? 5. Для каких целей применяют ферромагнитные материалы? 6. Что называют «температурой Кюри»? 4.2. Решение графических задач: Определить направление силы Лоренца. V. Подведение итогов урока. Задание на дом: §6, §7, упр.1 (4) Список литературы и Интернет­источников 1. Зеленин С.В. Видеоурок «Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила  Лоренца». [Электронный ресурс] //ООО «Интерда».– М., 2010­2016.­ URL:  http://interneturok.ru/physics/11­klass 2. Магнитные   свойства   вещества.   Магнитная   проницаемость.   [Электронный   ресурс]   // Объединение учителей Санкт ­ Петербурга. ­ С.­Пб., 2010 ­ 2016.­ URL: http://www.eduspb. com 3.Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М.; Физика. 11 класс. / под.ред. Н.А.  Парфентьевой. – М.: Просвещение, 2014.­ 432 с. 4.Хрестоматия по физике /под ред. Б. И. Спасского; сост. А. С. Енохович. – М.: :  Просвещение, 1987. ­ 288 с. Приложение1. μ = В/(μoН) Магнитные свойства вещества Магнитная проницаемость Физическая величина, показывающая, во сколько раз индук­ ция  магнитного  поля  в  одной  среде  больше   или  меньше индукции   магнитного   поля   в   вакууме,   называется магнитной проницаемостью µ.                Вещество, создающее собственное магнитное поле, называется   намагниченным.  Намагниченность возникает при помещении вещества во внешнее магнитное поле. Гипотеза Ампера: магнитные свойства тела определяются микроскопическими электрическими токами (орбитальное движение   электронов   в   атомах,   наличие   у   электрона собственного   магнитного   момента,   имеющего   квантовую природу)   внутри   вещества.   Если   направления   этих   токов неупорядочены,   порождаемые   ими   магнитные   поля компенсируют   друг   друга,   т.е.   тело   не   намагничено.   Во внешнем   магнитном   поле   происходит   упорядочение   этих токов,   вследствие   чего   в   веществе   и   возникает "собственное" магнитное поле (намагниченность). Магнитные свойства вещества Диамагнетики ­  µ  чуть <1. µвисмута=0,9998 (свинец, цинк, азот и др.). Парамагнетики  µ чуть>1. µалюминия=1,000023 (кислород, никель и др.). ­ 1. 2. 1. 2. 3. Для   пара­ пропорциональна индукции B0 магнитного поля в вакууме.   и диамагнетиков намагниченность I прямо 3. Ферромагнетики— µ >>1. µстали =   8.103 (железо,   никель, кобальт и их сплавы). Сплав железа с никелем: µ =2,5.105.  Свойства ферромагнетиков Обладают остаточным магнетизмом. µ зависит от индукции внешнего магнитного поля. Температура, исчезают ферромагнитные   свойства,   называется   точкой   Кюри (вещество   становится   парамагнетиком;   точка   Кюри   для железа равна 7700С, для никеля 3600С). которой при       Для   характеристики   явления   намагничивания   вещества вводится   величина   I   называемая намагниченностью вещества. Намагниченность в СИ определяется формулой  Для   ферромагнитных   тел   является   сложной   нелинейной намагниченность I функцией B0. Зависимость I от намагниченности величины Во/µ0 называется кривой (рис.2). Кривая   указывает   на   явление   магнитного некоторого насыщения: с     значения Во/µ0= В0н/µ0, намагниченность практически остается   постоянной,   равной Iн   (намагниченность насыщения). начиная             равная При   температурах   меньших   точки   Кюри   любое ферромагнитное   тело   состоит   из доменов   — малых областей   с   линейными   размерами   порядка 10­2 ­10­ 3 см,   внутри   которых   существует   наибольшая   величина намагниченности, намагниченности насыщения. Домены   называются   иначе областями самопроизвольной намагниченности. В отсутствие внешнего   магнитного   поля   векторы   магнитных   моментов отдельных доменов ориентированы внутри ферромагнетика совершенно беспорядочно, так что суммарный магнитный момент   всего   тела   равен   нулю   (рис.). Под   влиянием внешнего магнитного поля в ферромагнетиках происходит поворот   вдоль   поля   магнитных   моментов   не   отдельных атомов   или   молекул,   как   в   парамагнетиках, а   целых областей   самопроизвольной   намагниченности   ­   доменов. При увеличении внешнего поля размеры доменов, намагни­ ченных вдоль внешнего поля, растут за счет уменьшения размеров   доменов   с   другими   (не   совпадающими   с направлением   внешнего   поля)   ориентациями.   При достаточно   сильном   внешнем   магнитном   поле   все ферромагнитное   тело   оказывается   намагниченным. Величина   намагниченности   достигает   максимального и   значения   ­   наступает   магнитное   насыщение.   В отсутствие внешнего поля часть магнитных моментов доменов остается ориентированной,   и   этим   объясняется   существование остаточной намагниченности возможность создания постоянных магнитов.           Применение ферромагнетиков в технике. Роторы генераторов сердечники трансформаторов,   электромагнитных   реле;   в   электронно­ вычислительных телефонах, магнитофонах, на магнитных лентах. электродвигателей;   машинах   и     (ЭВМ),