«Вектор индукции магнитного поля. Закон Ампера. Сила Лоренца"

Тема занятия:  «Вектор индукции магнитного поля. Закон Ампера. Сила Лоренца" Вид занятия ­  смешанный. Тип занятия комбинированный. Учебные цели занятия:  изучение действия магнитного поля на движущийся заряд,  ввести понятие сила Лоренца. Задачи: Образовательные: изучить поведение движущихся электрических зарядов в  магнитном поле; вывести формулу и правило для определения модуля и направления силы Лоренца. Развивающие: развитие практических навыков рассчитывать силу Лоренца,  определять ее направление. Воспитательные: привитие наблюдательности, внимания. Планируемые   образовательные   результаты:   способствовать   усилению практической   направленности   в   обучении   физики,   формировании   умений применять полученные знания в различных ситуациях. Личностные:  способствовать эмоциональному восприятию физических объектов,  умению  слушать, ясно и точно излагать свои мысли, развивать  инициативу  и  активность  при решении физических задач, формировать умение  работать в группах. Метапредметные:  развивать умение понимать и использовать средства наглядности  (чертежи, модели, схемы). Развитие понимания сущности алгоритмических  предписаний и умений действовать в соответствии с предлагаемым алгоритмом. Предметные:  овладеть физическим языком, умением распознавать соединения  параллельные и последовательные, умение ориентироваться в электрической схеме,  собирать схемы. Умение обобщать и делать выводы. Ход занятия: 1. Организация начала урока (отметка отсутствующих, проверка готовности студентов к уроку, ответы на вопросы студентов по домашнему заданию) – 2­5 мин. Преподаватель сообщает учащимся тему урока, формулирует цели урока и знакомит  учащихся с планом урока. Учащиеся записывают тему урока в тетради. Преподаватель  создает условия для мотивации учебной деятельности. Освоение нового материала: Теория.  Особого внимания заслуживают многочисленные открытия Ампера. В конце 1820 года он открыл закон взаимодействия проводников с током. Между неподвижными электрическими зарядами действуют силы, определяемые законом Кулона. Согласно теории близкодействия это взаимодействие осуществляется так: каждый из зарядов создает электрическое поле, которое действует на другой заряд. Однако между электрическими зарядами могут существовать силы и иной природы. Их можно обнаружить с помощью следующего опыта. Возьмем два гибких проводника, укрепим их вертикально, а затем присоединим нижними концами к полюсам источника тока (рис. 1.1). Притяжения или отталкивания проводников при этом не обнаружится1. Если теперь другие концы проводников замкнуть проволокой так, чтобы в проводниках возникли токи противоположного направления, то проводники начнут отталкиваться друг от друга (рис. 1.2). В случае же токов одного направления проводники притягиваются (рис. 1.3). Взаимодействия между проводниками с током, т. е. взаимодействия между направленно движущимися электрическими зарядами, называют магнитными. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называются магнитными силами. 1 Проводники заряжаются от источника тока, но заряды проводников при разности потенциалов между ними в несколько вольт ничтожно малы. Поэтому кулоновские силы никак не проявляются. Магнитное поле. Согласно теории близкодействия, подобно тому как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным. Электрический ток в проводнике создает вокруг себя магнитное ионе, котоpoe действует на ток в другом проводнике. А поле, созданное электрическим током второго проводника, действует на первый. Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами. Перечислим основные свойства магнитного поля, которые установлены экспериментально. 1. Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами). 2. Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (на движущиеся заряды). Подобно электрическому полю, магнитное поле существует реально, независимо от нас, от наших знаний о нем. Экспериментальным доказательством реальности магнитного поля, как и реальности электрического поля, может служить факт существования электромагнитных волн. Замкнутый контур с током в магнитном поле. Для изучения магнитного поля можно взять замкнутый контур малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно изменяется) размеров. Например, можно взять маленькую плоскую проволочную рамку произвольной формы (рис. 1.4). Подводящие ток проводники нужно расположить близко друг к другу (рис. 1.4, а) или сплести их вместе (рис. 1.4, б). Тогда результирующая сила, действующая со стороны магнитного поля на эти проводники, будет равна нулю. Выяснить характер действия магнитного поля на контур с током можно с помощью следующего опыта. Подвесим на тонких гибких проводниках, сплетенных вместе, маленькую плоскую рамку, состоящую из нескольких витков проволоки. На расстоянии, значительно большем размеров рамки, вертикально расположим провод (рис. 1.5, а). Рамка при пропускании электрического тока через нее и через провод поворачивается и располагается так, что провод оказывается в плоскости рамки (рис. 1.5,6). При изменении направления тока в проводе рамка поворачивается на 180°. Опыт показывает, что магнитное поле создается не только токами в проводниках. Любое направленное движение электрических зарядов вызывает появление магнитного поля. Так, например, токи в газах, полупроводниках вызывают возникновение в окружающем их пространстве магнитного поля. Смещение связанных электрических зарядов в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, также вызывает появление магнитного поля. Из курса физики вам известно, что магнитное поле создается не только электрическим током, но и постоянными магнитами. Если мы подвесим на гибких проводах плоскую рамку с током между полюсами магнита, то рамка будет поворачиваться до тех пор, пока ее плоскость не установится перпендикулярно линии, соединяющей полюсы магнита (рис. 1.6). Таким образом, магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие1. Движущиеся заряды (электрический ток) создают магнитное поле. Вокруг любых направленно движущихся зарядов возникает магнитное поле. Оно также появляется в случае, если в пространстве существует электрическое поле, изменяющееся со временем. Обнаруживается магнитное поле но действию на электрический ток. ЛИНИИ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Электрическое поле характеризуется векторной величиной — напряженностью электрического поля. Надо бы ввести также и величину, характеризующую магнитное поле количественно. Дело это непростое, так как магнитные взаимодействия сложнее электрических. Векторную характеристику магнитного поля называют вектором магнитной индукции и обозначают буквой . Сначала мы рассмотрим вопрос только о направлении вектора . Магнитная стрелка. 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 пор, пока она не установится определенным образом. Вам известно, что так же ведет себя и магнитная стрелка — маленький продолговатый магнит с двумя полюсами на концах — южным S и северным N. Направление вектора магнитной индукции. Ориентирующее действие магнитного поля на магнитную стрелку или рамку с током можно использовать для определения направления вектора магнитной индукции. За направление вектора магнитной индукции принимается направление, которое показывает северный полюс N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле (рис. 1.7, а). Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током (рис. 1.7, б). Положительная нормаль направлена в ту сторону, куда перемещается буравчик (с правой нарезкой), если вращать его по направлению тока в рамке (рис. 1.7, в). Используя рамку с током или магнитную стрелку, можно определить направление вектора магнитной индукции в любой точке поля. На рисунках 1.8, 1.9 показаны опыты с магнитной стрелкой, повторяющие опыты с рамкой (см. рис. 1.5, 1.6). В магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке устанавливается по касательной к окружности (см. рис. 1.9). Плоскость такой окружности перпендикулярна проводу, а центр ее лежит на оси провода. Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика указывает направление вектора магнитной индукции. Опыт по определению направления вектора индукции магнитного поля Земли проводит каждый, кто ориентируется на местности по компасу. Линии магнитной индукции. Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым в любой их точке совпадают с вектором аналогичны линиям вектора напряженности электростатического поля. в данной точке поля (рис. 1.10). Линии вектора магнитной индукции Для магнитного поля прямолинейного проводника с током из приведенных ранее опытов следует, что линии магнитной индукции — концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током (см. рис. 1.9). Центр окружностей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касательный к данной линии. На рисунке 1.11 показана картина магнитного поля катушки с током (соленоида). Если длина соленоида много больше его диаметра, то магнитное поле внутри соленоида можно считать однородным. Линии магнитной индукции такого поля параллельны и находятся на равных расстояниях друг от друга. На рисунке 1.12 показано магнитное поле Земли. Линии магнитной индукции поля Земли подобны линиям магнитной индукции поля соленоида. Магнитный северный полюс N близок к Южному географическому полюсу, а магнитный южный полюс S — к Северному географическому полюсу. Ось такого большого магнита составляет с осью вращения Земли угол 11,5°. Периодически магнитные полюсы меняют свою полярность. Последняя такая замена произошла около 30 000 лет назад. Картину линий магнитной индукции можно сделать видимой, воспользовавшись мелкими железными опилками. С этим методом вы уже знакомы. В магнитном поле каждый кусочек железа, насыпанный на лист картона, намагничивается и ведет себя как маленькая магнитная стрелка. Большое количество таких стрелок позволяет в большем числе точек определить направление магнитного поля и, следовательно, точнее выяснить расположение линий магнитной индукции. Примеры картин магнитного поля приведены на рисунках 1.13—1.16. Вихревое поле. Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Вспомним, что с электростатическим полем дело обстоит иначе. Его силовые линии во всех случаях имеют источники: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Поля с замкнутыми векторными линиями называют вихревыми. Магнитное поле — вихревое поле. Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное ноле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе не существует. Магнитное поле — вихревое поле, в каждой точке поля вектор магнитной индукции имеет определенное направление. Это направление указывает магнитная стрелка или его можно определить по правилу буравчика. Магнитное поле не имеет источников; магнитных зарядов в природе не существует. Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция —  векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля и которая  полностью характеризует магнитное поле. В магнитном поле на проводник с током действует сила Ампера, а на отдельно  движущуюся частицу — сила Лоренца. В данной теме рассмотрим основные типы задач, а также попытаемся выделить общую  методику их решений. В представленной теме можно выделить три типа задач: 1) на расчет полей (вычисление магнитной индукции, в какой либо точке магнитного  поля); 2) о силовом действии магнитного поля на проводники или контур с током; 3) о силовом действии магнитного поля на движущиеся в нем заряженные частицы. Выделим общие рекомендации для решения задач на расчет полей. При решении  задач данного типа, главное следует помнить, что силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция, которая в каждой точке поля направлена по  касательной к линии магнитной индукции. Поэтому необходимо: 1. Сделать схематический рисунок, указав на нем проводник с током, создающий  магнитное поле; 2. Через данную точку провести линию магнитной индукции, определив ее  направление, пользуясь правилом правого винта; 3. Изобразить магнитную индукцию в точке наблюдения вектора индукции  магнитного поля, направленную по касательной к линии магнитной индукции; 4. Рассчитать модуль магнитной индукции, используя формулы для магнитного  поля; 5. При нахождении магнитной индукции поля, созданного несколькими токами, следует использовать принцип суперпозиции полей, при этом обязательно нужно помнить,  что это векторная сумма. Рассмотрим пример задачи второго типа, т.е. задачи на силовое действие магнитного  поля на проводник с током. Задача 1 Определить силу, с которой однородное магнитное поле действует на проводник  длиной 20 см, если сила тока в нем 300 мА, расположенный под углом 45 градусов  к  вектору магнитной индукции.  Магнитная индукция составляет 0,5 Тл. Задача 2 Проводник с током 5 А находится в магнитном поле с индукцией 10 Тл. Определить  длину проводника, если магнитное поле действует на него с силой 20Н и  перпендикулярно проводнику. Задача 3 Определить силу тока в проводнике длиной 20 см, расположенному перпендикулярно  силовым линиям магнитного поля с индукцией 0,06 Тл, если на него со стороны   магнитного поля действует сила 0,48 Н. Задача 4 Проводник длиной 20см с силой тока 50 А находится в однородном магнитном поле с  индукцией 40 мТл. Какую работу совершит источник тока, если проводник переместится на 10 см  перпендикулярно вектору магнитной индукции (вектор магнитной индукции  перпендикулярен направлению тока в проводнике). Домашнее задание:  ПРИБОРЫ Доклад:  Андре Мари Ампер. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ  Преподаватель ________________________________