Урок физики: Магнитное поле (9 класс)

Делимся планом урока на тему «Магнитное поле» для учеников 9 класса.

Цель урока:

1. Дать определение магнитного поля, выяснить его свойства и характеристики.
2. Изучить правила для определения взаимного расположения электрического тока и вектора. индукции магнитного поля.
3. Провести опыт, позволяющий визуализировать силовые линии магнитного поля.
4. Сформулировать свойства силовых линий магнитного поля.
5. Дать определение силы Ампера и силы Лоренца.
6. Сформулировать правило левой руки для определения силы, действующей на движущиеся заряженные частицы или на проводник с током в магнитном поле.
7. Объяснить движение заряженных электрических частиц в магнитном поле.
8. Объяснить действие магнитного поля на рамку с током.
9. Сформулировать магнитные свойства вещества.
10. Дать представление о магнитном поле Земли.
11. Объяснить напряжение в проводнике, движущемся в магнитном поле.
12. Дать определение магнитного потока.
13. Объяснить явление электромагнитной индукции (2 классических опыта).
14. Изучить закон электромагнитной индукции Фарадея.

Основные понятия: магнетизм, электромагнитное поле, явление электромагнитной индукции, сила Ампера (действие магнитного поля на проводник с током).

Учите школьников и получайте
от 40 до 100 000 рублей в месяц!

Приглашаем учителей физики
с высшим образованием (или студентов последнего курса) и опытом подготовки
к выпускным экзаменам

Начать преподавать

Содержание:

• Магнитное поле
• Эксперимент
• Сила Ампера
• Ампер и параллельные проводники
• Сила Лоренца
• Движение частиц в магнитном поле
• Действие магнитного поля на рамку с током
• Магнитные свойства вещества
• Магнитное поле Земли
• Напряжение в проводнике, движущемся в магнитном поле
• Магнитный поток
• Явление электромагнитной индукции
• Закон электромагнитной индукции Фарадея
• Итоги

Магнитное поле

Магнитное поле — это одна из составляющих электромагнитного поля, которая создается движущимися зарядами (электрическими токами). Мало того, что магнитное поле создается только движущимися зарядами, оно и способно действовать только на движущиеся заряды или на токи, а на неподвижные заряды оно действовать не будет.

Основная характеристика магнитного поля — это вектор индукции магнитного поля. За направление вектора магнитной индукции принято брать направление от южного полюса к северному по стрелке компаса, располагающейся в магнитном поле. Внимание: снаружи стрелки поле направлено от северного полюса к южному.

Значение магнитной индукции определяется как отношение максимальной силы, с которой магнитное поле действует на проводник единичной длины (l=1 м) к силе тока I в проводнике:

В системе СИ единицей магнитной индукции является 1 Тесла (1 Тл):

Главное свойство этих правил — их обратимость. То есть направления вектора магнитной индукции и направление силы тока можно менять между собой, а правило останется.

Внимательно рассмотрите рисунки и сформулируйте упомянутые правила для каждого случая.

Как и в случае с электрическим полем, магнитное поле изображают с помощью силовых линий, а мы проведем эксперимент.

Сколько платят в Skyeng преподавателю физики?

Из чего складывается доход учителей, рассказываем в специальной статье.

Подробнее

Эксперимент

Оборудование:

• листок плотной бумаги (картон) формата А4;
• железная мелкодисперсная стружка;
• постоянные магниты различной формы;
• провод;
• батарейка (или источник постоянного тока).

Ход эксперимента:

1. Расположите на столе провод и замкните его на батарейку или источник постоянного напряжения. Внимание: обязательно добавьте в цепь нагрузочное сопротивление, чтобы не допустить короткое замыкание.
2. Накройте проводник листом плотной бумаги.
3. Насыпайте на лист бумаги мелкодисперсную железную стружку.
4. Мелкие частички металлической стружки располагаются вдоль линий магнитного поля, образовавшегося вокруг проводника, по которому проходит электрический ток. Так можно увидеть картину магнитного поля. 
5. Попробуйте изменить форму провода, сворачивая из него разнообразные плоские фигуры.
6. Обязательно сделайте фотографии на память и поделитесь ими с друзьями.
7. Повторите тот же эксперимент, но вместо провода с батарейкой или источником постоянного тока используйте постоянный магнит.

Сформулируем свойства силовых линий магнитного поля:

• силовые линии магнитного поля не пересекаются и не прерываются;
• густота силовых линий магнитного поля пропорциональна величине индукции магнитного поля;
• силовые линии магнитного поля всегда замкнуты, то есть магнитное поле — вихревое поле.

В каждой точке пространства вектор магнитной индукции созданных в этой точке всеми источниками магнитных полей равен векторной сумме векторов магнитных индукций, созданных в этой точке всеми источниками магнитных полей: =₁+₂+…+_n

Итоги: доказали наличие магнитного поля вокруг движущихся электрических зарядов, получили картины различных магнитных полей, сформулировали свойства силовых линий магнитного поля.

Как интересно провести урок физики: ВАУ-опыты для учеников

Топ-5 простых опытов для онлайн-урока физики (7–9 класс)

План первого урока по физике на тему «Что такое физика»

Физика и космос: законы, темы и задачи для тематического урока

Сила Ампера

Сила Ампера — это сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током. 

Модуль силы Ампера FА  равен произведению модуля индукции магнитного поля B, в котором находится проводник с током, длины этого проводника l, силы тока в нем I и синуса угла между направлениями тока и вектора индукции магнитного поля sinα: F_А=B∙I∙l∙sinα

Этой формулой можно пользоваться:

• если длина проводника такая, что индукция во всех точках проводника может считаться одинаковой;
• если магнитное поле однородное (тогда длина проводника может быть любой, но при этом проводник целиком должен находиться в поле).

Для определения направления силы Ампера применяют правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направление тока, тогда отогнутый на большой палец укажет направление силы Ампера.

Ампер и параллельные проводники

Одним из важных примеров магнитного взаимодействия является взаимодействие параллельных токов. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Андре Мари Ампером. 

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

Магнитное взаимодействие параллельных проводников с током используется в международной системе единиц (СИ) для определения единицы силы тока — ампера.

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 Н на каждый метр длины.

Сила Лоренца

Понимание магнитного поля строится на двух положениях: движущиеся заряды создают магнитное поле, и магнитное поле действует на движущиеся заряды. Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд, называется силой Лоренца.

Сила Лоренца— это сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу.

Модуль силы Лоренца F_Л равен произведению модуля индукции магнитного поля B, в котором находится заряженная частица, модуля |q|заряда этой частицы, величины ее скорости v и синуса угла a между направлениями скорости и вектора индукции магнитного поля : F_Л=B∙|q|∙v∙sinα

Для определения направления силы Лоренца применяют правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направления скорости движения положительно заряженной частицы, тогда отогнутый на большой палец в плоскости ладони укажет направление силы Лоренца. Для отрицательной частицы четыре вытянутых пальца направляют против скорости движения частицы.

Движение частиц в магнитном поле

1) Если скорость заряженной частицы массой направлена вдоль вектора индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по прямой с постоянной скоростью (сила Лоренца равна нулю). 

2) Если скорость заряженной частицы массой перпендикулярна вектору индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по радиусу окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции.

3) Если скорость заряженной частицы массой m направлена под углом к вектору индукции магнитного поля , то частица будет двигаться по винтовой линии радиуса R и шагом h.

Действие силы Лоренца широко используют в различных электротехнических устройствах:

• электронно-лучевых трубках старых телевизоров и мониторов; 
• ускорителях заряженных частиц; 
• экспериментальных установках для осуществления управляемой термоядерной реакции;
• МГД-генераторах.

Действие магнитного поля на рамку с током

Рассмотрим проволочную проводящую рамку, находящуюся во внешнем магнитном поле . Если в этой рамке создать электрический ток I, то на рамку со стороны магнитного поля начнут действовать силы Ампера _А:

Если внешнее магнитное поле является однородным, то равнодействующая всех сил Ампера будет равна нулю, однако момент всех сил Ампера в нуль обращаться не будет, что означает то, что рамка начнет вращаться (создается вращающий момент, и рамка поворачивается в положение, в котором вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости рамки).

На данном факте основано действие электродвигателя постоянного тока (электромотора).

Если внешнее магнитное поле является неоднородным, то равнодействующая всех сил Ампера и момент всех сил не будут равны нулю, то есть свободная рамка начнет поступательно двигаться плюс вращаться (неоднородное магнитное поле ориентирует, а также притягивает или отталкивает рамку с током).

Магнитные свойства вещества

Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля. В результате этого вектор магнитной индукции при наличии вещества отличается от вектора магнитной индукции ₀ в вакууме.

Магнитная проницаемость вещества μ показывает, во сколько раз вектор магнитной индукции в веществе больше, чем вектор магнитной индукции ₀ в вакууме, то есть: =μ∙₀

Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами:

• ферромагнетики;
• парамагнетики;
• диамагнетики.

Магнитное поле Земли

Обойти вниманием самый большой магнит на планете, на которой мы живем было бы непростительно.

Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Южный магнитный полюс находится вблизи северного географического полюса, около северного берега озера Виктория (Канада). Северный магнитный полюс находится вблизи южного географического полюса, около берегов Антарктиды. Магнитные полюса Земли перемещаются (дрейфуют). 

Магнитное поле Земли не остается постоянным, оно испытывает медленные изменения во времени (так называемые вековые вариации). Кроме того, через достаточно большие интервалы времени могут происходить изменения расположения магнитных полюсов на противоположные (инверсии). 

Во время увеличения солнечной активности интенсивность солнечного ветра возрастает. При этом частицы солнечного ветра ионизируют верхние слои атмосферы в северных широтах (где магнитные силовые линии сгущены) и вызывают там свечения — северные сияния. В магнитном поле Земли в условиях разреженного воздуха так светятся обычно атомы кислорода и молекулы азота. Магнитное поле Земли защищает ее жителей от солнечного ветра.

Магнитные бури — это значительные изменения магнитного поля Земли под действием усиленного солнечного ветра в результате вспышек на Солнце и сопровождающих их выбросов потоков заряженных частиц.

Магнитные бури продолжаются обычно от 6 до 12 часов, а затем характеристики земного поля снова возвращаются к норме. Но за столь короткое время магнитная буря сильно влияет на радиосвязь, линии электросвязи, людей.

Кстати, человечество начало использовать магнитное поле Земли уже в начале XVII–XVIII вв. Тогда получает широкое распространение в мореходстве компас (магнитная стрелка).

Магнитное поле Земли служит многим живым организмам для ориентации в пространстве. 

• Некоторые морские бактерии располагаются в придонном иле под определенным углом к силовым линиям магнитного поля Земли, что объясняется наличием в них мелких ферромагнитных частиц.
• Мухи и другие насекомые садятся предпочтительно в направлении поперек или вдоль магнитных линий магнитного поля Земли. 
• Термиты располагаются на отдых так, что оказываются головами в одном направлении: в одних группах параллельно, в других перпендикулярно линиям магнитного поля.
• Ориентиром для перелетных птиц также служит магнитное поле Земли. Недавно ученые узнали, что у птиц в области глаз располагается маленький магнитный «компас» — крохотное тканевое поле, в котором расположены кристаллы магнетита, обладающие способностью намагничиваться в магнитном поле. 
• Ботаники установили восприимчивость растений к магнитным полям. Оказывается, сильное магнитное поле влияет на рост растений.

Напряжение в проводнике, движущемся в магнитном поле

С помощью силы Лоренца можно объяснить явление поляризации и возникновения ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике.

Если поместить проводник на рельсы, с которыми у него будет электрический контакт, а магнитное поле направить вертикально к плоскости, в которой находится проводник на рельсах, то, если замкнуть рельсы со стороны, противоположной от проводника и перемещать проводник с постоянной скоростью, — в проводнике появится электрический ток. Причина этого тока — сила Лоренца, действующая на свободные электроны в проводнике, которые движутся вместе с проводником в магнитном поле.

Магнитный поток

Магнитный поток (поток вектора магнитной индукции) — это скалярная величина, которая количественно описывает прохождение магнитного поля через некоторую поверхность. Обозначается буквой Ф.

В однородном магнитном поле через плоскую поверхность площади S магнитный поток определяется как Ф=B*S*cosα, где B=|| — модуль вектора магнитной индукции, α — угол между вектором и и нормалью к поверхности.

Магнитный поток Ф, пронизывающий площадь контура, зависит от:

1.  величины вектора магнитной индукции;
2.  площади контура; 
3. его ориентации относительно линий индукции магнитного поля.

Если вектор магнитной индукции перпендикулярен площади контура α=0^о, то магнитный поток максимален и равен Ф_max=B∙S

Если вектор магнитной индукции параллелен площади контура α=90^о, то магнитный поток равен нулю Ф=0.

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция — это явление возникновения тока в замкнутом проводнике при прохождении через него магнитного потока, изменяющегося со временем.

В настоящее время в основе многих устройств лежит явление электромагнитной индукции. Например, в двигателе или генераторе электрического тока, в трансформаторах, радиоприемниках и многих других устройствах.

Благодаря этому явлению мы можем преобразовывать механическую энергию в электрическую, а до открытия этого явления люди не знали о методах получения электрического тока кроме как от источников тока.

Опыт № 1

Если в соленоид (катушка индуктивности), который замкнут на гальванометр, вдвигать или выдвигать постоянный магнит, то в моменты его вдвигания или выдвигания мы видим отклонение стрелки гальванометра (возникает индукционный ток). При этом отклонения  стрелки при вдвигании и выдвигании магнита имеют противоположные направления. 

Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки. При смене в опыте полюсов магнита направление отклонения стрелки также изменится. Для получения индукционного тока можно оставлять магнит неподвижным, тогда нужно относительно магнита перемещать соленоид.

Опыт № 2

Если рядом расположить две катушки (например, на общем сердечнике или одну катушку внутри другой) и одну катушку через ключ соединить с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток. В моменты включения или выключения тока наблюдается отклонение стрелки гальванометра, а также в моменты его уменьшения или увеличения, а также при перемещении катушек друг относительно друга. Направления отклонений стрелки гальванометра также имеют противоположные направления при включении или выключении тока, его увеличении или уменьшении, приближении или удалении катушек.

Исследуя результаты своих многочисленных опытов, Фарадей пришел к заключению, что индукционный ток возникает всегда, когда в опыте осуществляется изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции (магнитного потока). 

Например, при повороте в однородном магнитном поле замкнутого проводящего контура в нем также появляется индукционный ток. В этом случае индукция магнитного поля вблизи контура остается постоянной, а меняется только поток магнитной индукции сквозь контур.

Открытие явления электромагнитной индукции дало возможность получать электрический ток с помощью магнитного поля и подтолкнуло разработку теории электромагнитного поля.

Давление газа — план урока физики для 7 класса

Сила: единицы силы и их измерение (план урока по физике для 7 классов)

Закон электромагнитной индукции Фарадея

При изменении полного магнитного потока Ф, пронизывающего контур, в этом контуре возникает ЭДС индукции:

E_i=-, где — скорость изменения магнитного потока Ф, пронизывающего этот контур. 

Знак «-» в законе показывает то, как ориентирована возникающая ЭДС в контуре. Это так называемое правило Ленца.

По формуле Ф=B*S*cosα для магнитного потока отчетливо видно, что поток меняется:

1. при изменении величины магнитной индукции магнитного поля, пронизывающего контур (контур в переменном магнитном поле);
2. при изменении геометрических параметров контура, а конкретно его площади (деформация контура в магнитном поле);
3. при изменении ориентации контура по отношению к магнитному полю, то есть при изменении угла (поворот контура относительно линий индукции магнитного поля).

Во всех этих случаях по закону Фарадея в контуре будет индуцироваться ЭДС индукции.

Правило Ленца: «ЭДС индукции, возникающая в контуре, ориентирована так, что индукционный ток, который она создает, направлен так, чтобы ослабить действие причины, возбуждающей эту ЭДС, а стало быть, и индукционный ток».

Рисунок иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени.

В этом примере >0 и E_i<0. Индукционный ток I_инд течет навстречу выбранному положительному направлению обхода контура. Видим, что индукционный ток I_инд, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Итоги

Выполнили все цели урока, провели несколько познавательных эксперимента, узнали новые физические величины и явления.

Эксперты Skyeng и Skysmart подготовили
для вас методические подарки.

Выбирайте те, что нужны, или заберите все!

Получить подарки