Урок пофизике в 10 классе " Модуль вектора магнитной индукции. Сила Ампера"

Тема урока: Модуль вектора магнитной индукции. Сила Ампера. «Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать  воедино разрозненные факты, им наблюдаемые». Хевеши. Цели урока:  Обучающие:  формирование понятия магнитного поля,  индукции магнитного поля, обеспечить усвоение учащимися зависимости силы, действующей на проводник с током от силы тока в проводнике, длины проводника, от угла, образованного вектором магнитной индукции с проводником. Получить закон Ампера. Уметь определять направление силы, действующей на проводник, находить модуль вектора магнитной индукции,   определить   единицы   измерения   магнитной   индукции.   В целях   формирования   научного   мировоззрения   показать   роль физического   эксперимента   и   наблюдений   в   раскрытии   причинно­ следственных   связей   между   понятиями:   силы   Ампера,   силы   тока, магнитной индукции. Развивающие:  развивать   умение   наблюдать,   сравнивать   и сопоставлять изучаемые явления, определять зависимость физических величин.   Развивать   коммуникативные   качества   личности,   умение работать с информацией. Воспитательные:воспитывать у учащегося интерес к научным знаниям   и   развитие   способности   к   исследовательскому   труду. Продолжить формирование навыков работы в группе, вырабатывать бережное отношение к оборудованию. Оборудование: штатив, проводник, источник тока, ключ, амперметр,  подковообразный магнит, презентация.План урока: 1. Фронтальная беседа по систематизации знаний учащихся по теме: «Магнитное поле». Итак, давайте систематизируем те знания, которые имеем по теме: «Магнитное  поле». 1.Что такое магнитное поле? 2.Чем порождается магнитное поле? 3.Свойства магнитного поля. 4. Какая векторная величина характеризует магнитное поле? 5. Как графически изображается магнитное поле? 6.Что   называют   линиями   магнитной   индукции?  (линиями   магнитной индукции,   называют   линии,   касательные   к   которым   в   любой   точке совпадают   с   направлением вектора магнитной   индукции    в   этой   точке поля).  7. Важная особенность линий магнитной индукции ?  (линии магнитной  индукции не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты). 8.Какие поля называют вихревыми? (Поля с замкнутыми векторными  линиями называют вихревыми. Магнитное поле – вихревое поле.) 9.Чем вихревое поле отличается от потенциального? (В вихревом поле  векторные линии замкнуты, в потенциальном поле линии разомкнуты).  Силовые линии потенциального электростатического поля начинаются на  положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных).  10.Что принимают за направление вектора магнитной индукции? (1. За направление вектора магнитной индукции принимается  направление положительной нормали замкнутого контура с током  сводно размещенного в данной точке магнитного поля. Положительная нормаль направлена в ту сторону, куда перемещается  буравчик (с правой нарезкой), если вращать его по направлению тока в  рамке. Как ориентируются в однородном магнитном поле замкнутый  контур с током и магнитная стрелка? 2.За направление вектора магнитной индукции принимается  направление указываемое северным полюсом  магнитной стрелки,  свободно устанавливающейся в данной точке  магнитного поля. Это  направление совпадает с направлением положительнойнормали к замкнутому контуру с током). 11.Назовите правила определяющие направление вектора магнитной  индукции?( правило правой руки, правило буравчика). 12.Если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то  направление скорости движения конца его рукоятки в данной точке  совпадает с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.  13.Определите направление линий магнитной индукции(по правилу  буравчика). Если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике,  то направление скорости движения конца его рукоятки в данной точке  совпадает с направлением вектора магнитной индукции в этой точке. 14.Определите направление линий магнитной индукции(по правилу правой  руки). Формула индукции  магнитного поля в точке ?  Если  правой рукой обхватить проводник, отставив большой палец по  току в проводнике, то четыре пальца укажут направление магнитных  линий. 15.Изобразите с помощью линий магнитной индукции магнитное поле катушки с токов и определите направление вектора магнитной индукции (по правилу правой руки или  буравчика)1.Если вращать рукоятку буравчика по направлению тока в витке, то  поступательное движение буравчика совпадает с направлением вектора  магнитной индукции, созданной током в витке на своей оси. 2. Если охватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре  пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.+     — 16.Сформулируйте    принцип   суперпозиции  для  магнитного  поля?( Если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими источниками   поля,   то   магнитная   индукция   ­   векторная   сумма индукций каждого из полей в отдельности    17.Если ток в параллельных проводниках направлен одинаково, то они…. (притягиваются) .Если ток в параллельных проводниках направлен  противоположно, то они….(отталкиваются) 18.Кто впервые обнаружил магнитное поле вокруг проводника с током? ( вокруг проводника с током существует магнитное поле. Магнитное поле порождается электрическим током. Магнитное поле является вихревым) . III. Изучение нового материала.            Открытие Эрстедом в 1820 году действия электрического тока на магнитную стрелку   привлекает   внимание   французкого  физика  Ампера   к   явлениям электромагнетизма.     Опыт  Эрстеда  позволил   Амперу,   сформулировать   гипотезу   о   природе возникновения магнитного поля  на основании которой построил первую теорию магнетизма. Гипотеза Ампера.       В   1820   г.   Ампер   предположил,   что  все   магнитные   взаимодействия эквивалентны   плоским   магнитам.   Магнитные   свойства   постоянных   магнитов обусловлены множеством круговых токов, циркулирующих внутри молекул этих тел в результате движения электронов. Каждый атом вещества   можно   рассматривать   в   отношении   его   магнитных свойств   как   круговой   ток. Магнитное     поле намагниченного   тела   слагается   из магнитных полей этих круговых токов. В ненамагниченном теле все элементарные токи расположены хаотически, и  поэтому мы не наблюдаем во внешнем пространстве никакого магнитного поля.В подтверждении своей теории Ампер провел ряд экспериментов , с которыми   Ампер, исследуя влияние магнитного поля магнита на проводник с  током,помещённый в это поле.  Опыт Ампера. Свободно   подвешенный   горизонтально   проводник   находится   в   поле постоянного   подковообразного   магнита.   Поле   магнита   сосредоточено  в основном   между  его  полюсами,  поэтому  магнитная  сила    действует практически только на часть проводника  длиной  l , расположенную  непосредственно между полюсами.Увеличивая силу ток  в 2 раза, можно  заметить, что и действующая на проводник сила также увеличивается в 2 раза.  Прибавив еще один магнит, в области, где существует магнитное поле, и тем  самым в 2 раза увеличив длину части проводника, на которую действует  магнитное поле. Сила при этом также увеличивается в 2 раза.  Вопрос учащимся: Ребята, а как вы думаете, от чего зависит сила, действующая со магнитного поля магнита на проводник с током ? Ответы: От силы магнита, т. е. от характеристики магнитного поля – вектора магнитной индукции, от силы тока, от длины проводника. Учитель записывает символы физических величин на доске. И наконец, сила Ампера зависит от угла, образованного вектором В с  проводником. В этом можно убедиться, меняя наклон подставки, на которой  находятся магниты, так, чтобы изменялся угол между проводником и линиями  магнитной индукции. Максимальная  сила  Ампера  равна: ей соответствует    .   2 Fm  BIl В=Fm/I∆l Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока  в проводнике  и длине активной части проводника. При произвольном значении угла сила пропорциональна не  В  , а составляющейB  sinB . Поэтому   выражение  для   модуля   силы  F,  действующей  на малый отрезок l , по которому течет ток I, со стороны магнитного поля с индукцией проводника   , составляющей с элементом тока угол , имеет вид: В Это  выражение  называют законом Ампера. F  BIl sin Сила Ампера равна произведению вектора магнитной индукции на силу тока,  длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и  участком проводника.  Сила достигает максимального значения Fт, когда  магнитная индукция перпендикулярна проводнику.  Направлена   сила   Ампера   перпендикулярно   проводнику   с  током   и   вектору   магнитной индукции и определяется правилом левой руки (на слайде) «Если   расположить   левую   ладонь   так,   чтобы   четыре   вытянутых   пальца указывали направление тока в проводнике, а силовые линии магнитного поля входили   в   ладонь,   то   отставленный   большой   покажет   направление   силы, действующей на проводник с током». За  единицу  магнитной   индукции   можно   принять  магнитную индукцию однородного поля, в котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила Fm=1 Н.   Единица магнитной индукции получила название тесла (Тл) Как же ведёт себя в магнитном поле замкнутый контур? Фронтальный опыт. Опыт. Плоскую катушку (рамку) подвешивают на длинных гибких проводниках между  разноименными полюсами постоянных магнитов. После включения тока катушка  начнёт поворачиваться и установится таким образом, что линии магнитного  поля будут пронизывать её плоскость.  Изменение направления тока в катушке вызывает изменение направления поворота катушки.Вывод: Магнитное поле оказывает на рамку с током вращающее действие. На рамку с током также действует сила Ампера: она действует на левую и правую стороны рамки в противоположных направлениях, что и вызывает вращение. Это явление используют в электродвигателях — машинах, преобразующих электрическую энергию в механическую. Опыт. Рамка с током в магнитном поле  Электрический ток всегда замкнут, поэтому прямолинейный проводник можно  рассматривать как часть электрической цепи. Как же ведёт себя в магнитном поле замкнутый контур? Если вместо гибкого проводника между полюсами магнита поместить  проволоку, изогнутую в виде жёсткой рамки, то в начальный момент такая  рамка установится параллельно линии, соединяющей полюса магнита. В этот  момент вектор магнитной индукции параллелен двум сторонам рамки и  расположен в её плоскости. После включения тока рамка начнёт поворачиваться и установится таким образом, что линии магнитного поля будут пронизывать её  плоскость. Вращение рамки объясняется действием на неё сил Ампера.  Каждую из сторон рамки по отдельности можно рассматривать как проводник с  током. Согласно закону Ампера на них действует сила Ампера. Её направление  определяется с помощью правила левой руки.  Силы, действующие на  противоположные стороны прямоугольной рамки, будут равны по величине и  противоположны по направлению из­за разного направления токов в них. В  результате возникает момент сил который поворачивает рамку с током. На стороны рамки, расположенные параллельно линиям магнитной индукции,  силы не действуют, так как угол α между вектором магнитной индукции и  направлением тока равен 0, следовательно, sinα также равен нулю. На принципе поворота рамки с током в магнитном поле основана работа  простейшего электродвигателя.Чтобы рамка вращалась непрерывно, необходимо, чтобы ток поступал каждые  пол­оборота. В двигателе эту функцию выполняет устройство, которое  называют коллектором. Он состоит из двух металлических полуколец. К ним  припаяны концы рамки. Когда подключается ток, рамка совершает пол­оборота. Вместе с ней поворачиваются и полукольца коллектора. В результате контакты  рамки переключаются, ток в ней меняет своё направление, и рамка продолжает  вращаться безостановочно. Двигатели постоянного тока используются в тяговых электроприводах  электровозов, трамваев, тепловозов, теплоходов. Электрический стартер  автомобиля – это тоже двигатель постоянного тока. Микродвигатели приводят в действие детские игрушки, электроинструменты, компьютерные устройства,  швейные машинки, пылесосы, бормашины и др. Опыт «Взаимодействие параллельных токов»   В этом же 1820 году открыл     механическое   взаимодействие  параллельных токов  и   установил   закон   этого взаимодействия.       Два бесконечно длинных проводника, находятся на расстоянии друг от друга.  По этим проводникам протекают токи.  Сейчас я подсоединяю токи параллельно. Что произойдёт с проводниками? Ответы учащихся: Они начинают притягиваться к друг к другу. Учитель: А теперь подсоединяю токи антипаралельно. Ответы учащихся: проводники начинают отталкиваться друг от друга. Учитель:Согласно теории близкодействия ток в одном из проводников не может непосредственно действовать на ток в другом проводнике. Вопрос учащимся: что образуется вокруг каждого проводника с током? Ответ: магнитное поле. Учитель:   значит,   магнитное   поле   одного   проводника   с   током   действует   на магнитное поле другого проводника. Ампер   обнаруживает   магнитное   взаимодействие   токов   –   притяжение параллельных токов и отталкивание антипараллельных и устанавливает силовой закон взаимодействия токов. Он сформулировал главный вывод: магнитные явления можно свести к чисто электрическим эффектам. Определим, с какой силой взаимодействуют проводники? Какую зависимость установил Ампер?      Учитель выполняет расчет силы взаимодействия проводников с током.  Два бесконечно длинных проводника, находятся на расстоянии друг от друга.  По этим проводникам протекают токи.Левый проводник создает магнитное  поле, которое действует на правый проводник и наоборот.Каждый элемент проводника с током I1 находится в магнитном поле индукции  В2, созданным проводником с током I2 (используя правило буравчика: вектор В2 направлен по касательной к магнитной линии перпендикулярно проводнику (к  нам), и, наоборот, каждый элемент проводника с током I2 находится в  магнитном поле индукции В1, созданным проводником с током I1(используя  правило буравчика: вектор В1 направлен по касательной к магнитной линии  перпендикулярно проводнику (от нас).       По правилу левой руки находим направление силы Ампера F12 с которой  поле B1 действует на участок l второго тока , которая направлена в сторону  левого проводника. Аналогично можно показать, что сила F21 с которой  поле B2 действует на участок l первого тока направлена вправо. Таким образом,  проводники притягиваются.  Индукция магнитного поля проводника с током I1  В1= μμ0I1/2ПR (1)  Индукция магнитного поля проводника с током I2  В2= μμ0I2/2ПR Первый проводник находится в поле второго, а него действует cила F21  По закону Ампера F21 =I1В2 l, с учетом того, что угол a между элементами тока I1 и  вектором B2 =900 Второй  проводник находится в поле первого, а него действует cила F12 по  закону Ампера F12 =I2В1 l (2)с учетом того, что угол a между элементами тока I2 и вектором B1 =900 На основании третьего закона Ньютона  Подставляя формулу (1) в формулу 2 получим F12 =μμ0I1I2l /2ПR  ,μ=1  магнитная проницаемость в вакууме(воздухе) μ0=2П*10­7Н/А2­магнитная постоянная Формула для силы взаимодействия параллельных проводников с током примет  вид F =μ0I1I2l /2ПR  (3) То есть сила, действующая на элемент тока со стороны другого тока  пропорциональна произведению сил токов и обратно пропорциональна  расстоянию между токами.  Вычислим эту силу, принимая значения l =R =1 м, I1=I2 =1А,  F=2*10­7Н. Полученную формулу (3) используют для определения в Си единицы силы тока  ­ ампера (А). Определение единицы силы тока в СИ                                                                    1 ампер  – сила неизменяющегося 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.  Применение силы АмпераЭлектроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы состоит из  постоянного магнита и проволочной рамки, которая находится между полюсами. Полюса  магнита имеют специальные насадки, которые дают возможность получить такое магнитное  поле, при котором поворачивание рамки в нем не приводит к изменению угла между  магнитной индукцией и проводниками рамки. Этот угол остается всегда равным 90°. С  рамкой соединены две спиральные пружины, которые подводят электрический ток к рамке.  При прохождении электрического тока по рамке появляется сила Ампера, пропорциональная  силе тока в рамке. Поворачивание рамки приводит к деформации пружин и возникновению  силы упругости. Рамка прекратит поворачиваться тогда, когда момент силы Ампера станет  равным моменту силы упругости. Электрический двигатель предназначен для непрерывного превращения энергии  электрического тока в механическую. Принцип его действия такой же, как и  электроизмерительного прибора, описанного выше. Но в его конструкции отсутствует  пружина. Ток к рамке подводится через специальные скользящие контакты — щетки. При  замыкании цепи рамка начинает взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита  или электромагнита и поворачивается так, что ее плоскость становится перпендикулярной  магнитной индукции. Непрерывность вращения рамки обеспечивается применением  специального устройства — коллектора, которое периодически изменяет направление тока в  рамке. В современных электродвигателях постоянного тока подвижная часть (ротор) состоит из многих рамок, размещенных в пазах цилиндра из специальной электротехнической стали. Роль коллектора в них часто выполняет специальное электронное устройство. Силу Ампера применяют в громкоговорителях, динамиках.  Принцип работы: По катушке протекает переменный электрический ток с частотой, равной  звуковой частоте от микрофона или с выхода радиоприемника. Под действием силы Ампера  катушка колеблется вдоль оси громкоговорителя в такт с колебаниями тока. Эти колебания  передаются диафрагме, и поверхность диафрагмы излучает звуковые волны. 13. Задачи на правило левой руки                                                                                                    14. Вопросы для закрепления                                                                                                            • • • • • • • 1. Когда возникает сила Ампера? 2. От чего зависит величина силы? 3. От чего зависит направление силы? 4. Как на опыте обнаружить действие силы Ампера? 5. Сформулировать правило левой руки 6.Как ведет себя рамка с током, помещенная в магнитное поле? 7. Где применяется сила Ампера?       Подведение итогов Давайте подведем итоги сегодняшнего урока . Оценки. Домашнее задание: параграфы 59,60. стр 301, задачи 59.1,59.2; стр 303 задача60.1 Подготовить сообщения «Применение силы Ампера».