ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И МОЛОДЁЖНОЙ ПОЛИТИКИ

ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА - ЮГРЫ

БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА - ЮГРЫ

«ЛАНГЕПАССКИЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»

 

 

 

 

 

ОДОБРЕНА предметной (цикловой) комиссией гуманитарного цикла     Руководитель _________________ Ф.Ф. Дыбаль

СОГЛАСОВАНА   Заместитель директора по учебной работе _________________М.В. Марзагульдеева

 

 

 

 

 

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА ЗАНЯТИЯ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ФИЗИКА»

ТЕМА:  «МАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТОКОВ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лангепас,

2023

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

Магнитные явления были известны еще в древнем мире. Компас был изобретен более 4500 лет тому назад. Он появился в Европе приблизительно в XII веке новой эры. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом и возникло представление о магнитном поле.

Первыми экспериментами, показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х.Эрстеда (1820 г.). Эти опыты показали, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся повернуть стрелку. В том же году французский физик А. Ампер наблюдал силовое взаимодействие двух проводников с токами и установил закон взаимодействия токов.

По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля.

Современный уровень развития науки и техники немыслим без использования компьютерных технологий в преподавании физики и астрономии в техникуме. Одно из направлений использования компьютера на уроках – моделирование физических процессов и явлений.

 Вашему вниманию предлагается пример использования интерактивной модели из «Открытой Физики» при решении задачи  на тему: «магнитное поле»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА ЗАНЯТИЯ

 

ПРЕДМЕТ ФИЗИКА        ГРУППА    121

ТЕМА ЗАНЯТИЯ  «Магнитное взаимодействие токов»

Тип урока – Сообщение новых знаний. Урок-лекция с элементами беседы.

Цели:

1.                  Образовательные:

·       Сформировать понятие «магнитное поле», закрепление, обобщение и систематизация знаний полученных на уроке.

2.                  Воспитательные:

·                     формирование системы взглядов на мир;

3.                  Развивающие:

·                     развитие речи, мышления;

·                     совершенствование умственной деятельности: анализ, синтез, классификация, способность наблюдать, делать выводы, выделять существенные признаки объектов, выдвигать гипотезы, проверять результаты.

МЕЖПРЕДМЕТНЫЕ СВЯЗИ:

ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ             МАТЕМАТИКА

ОБЕСПЕЧИВАЕМЫЕ               ИНФОРМАТИКА, спец         предметы.

Оборудование к уроку:

Компьютер, с рекомендуемыми техническими требованиями: Windows 95/98/ME/NT/2000/XP, Internet Explorer 5.0, Pentium-150, 100 Мб свободного дискового пространства, 64 Мб оперативной памяти, СD-ROM, SVGA 800x600

Мультимедийный курс «Открытая Физика 2.5. Часть II», ФИЗИКОН, 2002;

видеопроектор, экран.

Домашнее задание: Гладкова Р.А., Цодиков Ф.С. Задачи и вопросы по физике для средних специальных учебных заведений: учеб. пособие: Для техникумов.-М.: Наука. Физматлит, 1996.-448с. задачи № 9.32 

 

 

 

 

 

 

 

План урока:

1.                 Организация начала урока – 5 мин.

2.                  Подготовка к основному этапу занятия – 5 мин.

3.                 Изучение нового материала компьютерное моделирование и анализ физической    ситуации при взаимодействии электрического и магнитного поля – 20 мин.

4.                 Закрепление знаний и умений, навыков  – 15 мин.

5.                 Осуществление контроля за знаниями– 20мин.

6.                 Подведение итогов занятия - 10мин.

7.                 Информация о домашнем задании, инструктаж по  выполнению -5 мин.

Ход урока:

 

1.Организация начала урока. Подготовка студентов к работе. Сообщение новой темы цели занятия. Приветствие студентов, отметка отсутствующих.

 Тема сегодняшнего урока – «Магнитное взаимодействие токов».
Цель урока – Сформировать понятие «магнитное поле», закрепление, обобщение и систематизация знаний полученных на уроке.

2.Подготовка к основному этапу занятия.

Предлагается студентам вспомнить четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, ядерное и слабое.(на доске схема ).

• Гравитационное  взаимодействие заметно лишь между телами астрономических масштабов;
• Ядерное (сильное)проявляется лишь между элементарными частицами при их сближении на расстоянии порядка 10^-15 метров.
• Слабое взаимодействие осуществляется при их
•  взаимопревращениях определенных элементарных частиц.
• Электромагнитное  играет особую роль в природе , взаимодействие между электрически заряженными частицами  или макроскопическими заряженными телами.

3. Изучение нового материала компьютерное моделирование и анализ физической    ситуации при взаимодействии электрического и магнитного поля.(зачитывается основные мысли доклада, студентом) Рассмотрение электромагнитных взаимодействий основывается на принципе близкодействия. Магнитное поле токов принципиально отличается от электрического поля. Магнитное поле, в отличие от электрического, оказывает силовое действие только на движущиеся заряды (токи).

Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности  электрического поля. Такой характеристикой является вектор магнитной индукции Вектор магнитной индукции определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле.

За положительное направление вектора принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Таким образом, исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства определить направление вектора Такое исследование позволяет представить пространственную структуру магнитного поля. Аналогично силовым линиям в электростатике можно построить линии магнитной индукции, в каждой точке которых вектор направлен по касательной. Пример линий магнитной индукции полей (рисунке 1) Обратите внимание на аналогию магнитных полей постоянного магнита и катушки с током. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, они нигде не обрываются. Это означает, что магнитное поле не имеет источников – магнитных зарядов. Силовые поля, обладающие этим свойством, называются вихревыми. Картину магнитной индукции можно наблюдать с помощью мелких железных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и, подобно маленьким магнитным стрелкам, ориентируются вдоль линий индукции.

Для того, чтобы количественно описать магнитное поле, нужно указать способ определения не только направления вектора но и его модуля. Проще всего это сделать, внося в исследуемое магнитное поле проводник с током и измеряя силу, действующую на отдельный прямолинейный участок этого проводника. Этот участок проводника должен иметь длину Δl, достаточно малую по сравнению с размерами областей неоднородности магнитного поля. Как показали опыты Ампера, сила, действующая на участок проводника, пропорциональна силе тока I, длине Δl этого участка и синусу угла α между направлениями тока и вектора магнитной индукции:

F ~ IΔl sin α.

 

Эта сила называется силой Ампера. Она достигает максимального по модулю значения F_max, когда проводник с током ориентирован перпендикулярно линиям магнитной индукции. Модуль вектора определяется следующим образом:

Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока I проводнике и его длине Δl:

 

В общем случае сила Ампера выражается соотношением:

 

 

 

 

Это соотношение принято называть законом Ампера.

В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (Тл).

Тесла – очень крупная единица. Магнитное поле Земли приблизительно равно 0,5·10^–4 Тл. Большой лабораторный электромагнит может создать поле не более 5 Тл.

Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнитной индукции и направлению тока, текущего по проводнику. Для определения направления силы Ампера обычно используют правило левой руки: если расположить левую руку так, чтобы линии индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник

Если угол α между направлениями вектора и тока в проводнике отличен от 90°, то для определения направления силы Ампера более удобно пользоваться правилом буравчика: воображаемый буравчик располагается перпендикулярно плоскости, содержащей вектор и проводник с током, затем его рукоятка поворачивается от направления тока к направлению вектора Поступательное перемещение буравчика будет показывать направление силы Ампера (рис.2). Правило буравчика часто называют правилом правого винта.

Одним из важных примеров магнитного взаимодействия токов является взаимодействие параллельных токов. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Ампером. Если по двум параллельным проводникам электрические токи текут в одну и ту же сторону, то наблюдается взаимное притяжение проводников. В случае, когда токи текут в противоположных направлениях, проводники отталкиваются.

Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот.

Опыты показали, что модуль силы, действующей на отрезок длиной Δl каждого из проводников, прямо пропорционален силам тока I₁ и I₂ в проводниках, длине отрезка Δl и обратно пропорционален расстоянию R между ними:

В Международной системе единиц СИ коэффициент пропорциональности k принято записывать в виде:

k = μ₀ / 2π,

где μ₀ – постоянная величина, которую называют магнитной постоянной. Введение магнитной постоянной в СИ упрощает запись ряда формул. Ее численное значение равно

μ₀ = 4π·10^–7 H/A² ≈ 1,26·10^–6 H/A². Формула, выражающая закон магнитного взаимодействия параллельных токов, принимает вид:

Отсюда нетрудно получить выражение для индукции магнитного поля каждого из прямолинейных проводников. Магнитное поле прямолинейного проводника с током должно обладать осевой симметрией и, следовательно, замкнутые линии магнитной индукции могут быть только концентрическими окружностями, располагающимися в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Это означает, что векторы и магнитной индукции параллельных токов I₁ и I₂ лежат в плоскости, перпендикулярной обоим токам. Поэтому при вычислении сил Ампера, действующих на проводники с током, нужно в законе Ампера положить sin α = 1. Из закона магнитного взаимодействия параллельных токов следует, что модуль индукции B магнитного поля прямолинейного проводника с током I на расстоянии R от него выражается соотношением

Для того, чтобы при магнитном взаимодействии параллельные токи притягивались, а антипараллельные отталкивались, линии магнитной индукции поля прямолинейного проводника должны быть направлены по часовой стрелке, если смотреть вдоль проводника по направлению тока. Для определения направления вектора магнитного поля прямолинейного проводника также можно пользоваться правилом буравчика: направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением вектора если при вращении буравчик перемещается в направлении тока поясняет закон взаимодействия параллельных токов.(рис.4)

Магнитное взаимодействие параллельных проводников с током используется в Международной системе единиц (СИ) для определения единицы силы тока – ампера:

Ампер – сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу магнитного взаимодействия, равную 2·10^–7 H на каждый метр длины.

 

4. Закрепление знаний и умений, навыков. При рассмотрении компьютерных моделей 

 

5.Осуществление контроля за знаниями

Задача с решениями

На рисунке изображены два тонких длинных параллельных проводника, по которым текут токи I₁ = 15 А и I₂ = 32 А в противоположных направлениях. Расстояние между проводниками d = 5,3 см. Определите модуль и направление вектора магнитной индукции в точке P, расположенной в вершине прямого угла на равном расстоянии R от проводников.

Решение

На рисунке изображены векторы и индукции магнитного поля, создаваемого токами I₁ и I₂ соответственно. Оба вектора лежат в плоскости, перпендикулярной проводникам. Направления векторов и связано с направлением токов, текущих по прямолинейным проводникам, правилом правого винта (буравчика). Модули векторов и определяются по формуле для магнитного поля прямого тока:

Результирующее магнитное поле по принципу суперпозиции магнитных полей является векторной суммой Модуль вектора равен

Подстановка числовых значений из условия задачи дает результат

B = 1,89·10^–4 Т ≈ 190 мкТ. Угол φ между векторами и определяется соотношением

tg φ = B₁ / B₂ = I₁ / I₂ = 0,469   или   φ = 25°

Задача с решениями

По двум параллельным рельсам, находящимся на расстоянии l = 49 см друг от друга и расположенным под углом φ = 14° к горизонту, может свободно без трения скользить стержень ab, имеющий массу m = 50 г. По стержню от источника постоянного тока пропускают ток силой I = 5,0 А. Какое вертикальное магнитное поле B необходимо создать, чтобs стержень оказался в состоянии равновесия? В какую сторону – вверх или вниз – должен при этом быть направлен вектор

Решение

На стержень с током I в магнитном поле с индукцией будет действовать сила Ампера равная по модулю F = IBl sin α,

где α – угол между направлением тока и направлением вектора В условии данной задачи угол α = π /2 и sin α = 1. Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки. Если принять направление тока I и направление вектора указанные на рисунке в условии задачи, что сила будет направлена в сторону наклонной плоскости. Она будет иметь составляющую, направленную вверх по наклонной плоскости, равную F cos φ. Условие равновесия стержня решается в виде

Отсюда следует IBl cos φ = mg sin φ,

Если бы магнитное поле было направлено вертикально вверх, то равновесие стержня оказалось бы невозможным.

Если бы магнитное поле было направлено вертикально вверх, то равновесие стержня оказалось бы невозможным.

 

 

 

Задача

Для самостоятельного решения

Проволока с малым сопротивлением согнута в виде буквы П и включена в цепь постоянного тока, как показано на рисунке. Правая часть контура внесена в область, в которой создано магнитное поле с индукцией B = 3,8·10^–5 Тл. Вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости контура. Найдите модуль результирующей силы, действующей на замкнутый контур с током.

 

 

Задача

Прямая проволока длиной l = 25 см и массой m = 50 г расположена горизонтально. Ее концы с помощью легких гибких проводников подсоединены к источнику тока. Проволока находится в однородном горизонтальном магнитном поле, вектор индукции которого ориентирован под углом φ = 30° относительно направления тока в проволоке и равен по модулю B = 0,98 Тл. Какой силы ток нужно пропускать по проволоке, чтобы магнитная сила уравновесила силу тяжести?

Рисунок 1.16.1. Линии магнитной индукции полей постоянного магнита и катушки с током. Индикаторные магнитные стрелки ориентируются по направлению касательных к линиям индукции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вращении буравчик перемещается в направлении тока (рис. 1.16.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДОКЛАД НА ТЕМУ:

«ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА О ВОЗНИКНОВЕНИИ МАГНИТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТОКОВ»

 

Магнитные явления были известны еще в древнем мире. Компас был изобретен более 4500 лет тому назад. Он появился в Европе приблизительно в XII веке новой эры. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом и возникло представление о магнитном поле.

Первыми экспериментами, показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда (1820 г.). Эти опыты показали, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся повернуть стрелку. В том же году французский физик А. Ампер наблюдал силовое взаимодействие двух проводников с токами и установил закон взаимодействия токов. По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля. Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи). Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле.

Магнитное поле постоянных магнитов также создается электрическими микротоками, циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера). Ученые XIX века пытались создать теорию магнитного поля по аналогии с электростатикой, вводя в рассмотрение так называемые магнитные заряды двух знаков (например, северный N и южный S полюса магнитной стрелки). Однако, опыт показывает, что изолированных магнитных зарядов не существует.

 

 

Скачано с www.znanio.ru