Конспект уроку на тему: "Дія магнітного поля на провідник зі струмом. Сила Ампера"

 

Тема: Дія магнітного поля на провідник зі струмом. Сила Ампера

 

Мета заняття:

навчальна: з’ясувати залежність сили дії магнітного поля на провідник зі струмом від індукції магнітного поля, сили струму в провіднику, довжини активної частини провідника і кута між напрямом струму в провіднику і напрямом лінії магнітної індукції; формувати в учнів уміння  застосовувати правило лівої руки для визначення напряму дії сили Ампера;

розвивальна: розвивати творчі  здібності, логічне  мислення, вміння спостерігати і робити висновки, розвивати навички самостійного набування знань;

виховна: виховувати старанність, уважність, працьовитість, активність, наполегливість у досягненні поставленої мети самостійність, культуру поведінки і спілкування на занятті.

Тип заняття: комбіноване

Методичне забезпечення: прилади для проведення демонстрацій, мультимедійний пристрій, презентація, план-конспект уроку.

 

Хід уроку:

1. Перевірка присутніх на занятті та виконання д/з.
2. Актуалізація опорних знань.

1. Коли виникає магнітне поле?
2. Який дослід підтверджує зв’язок магнітного поля з рухом заряджених частинок або тіл?
3. Як взаємодіють два провідники зі струмами?
4. Чим пояснюється ця взаємодія провідників зі струмами?
5. Що називають магнітним полем?
6. Яка фізична величина є силовою характеристикою магнітного поля, чому?
7. Які одиниці вимірювання магнітної індукції?
8. Як знайти напрям магнітної індукції (напрям магнітного поля)?
9. Сформулюйте правило правої руки для визначення напряму мп створеного прямолінійним провідником зі струмом і витком (котушкою).

3. Мотивація навчальної діяльності.

На попередніх заняттях ми пересвідчились в тому, що навколо провідника зі струмом існує магнітне поле, а також познайомились з магнітними взаємодіями.

- Назвіть види магнітної взаємодії (магніт – магніт, магніт – ел. струм, ел. струм – ел. струм). А хто досліджував взаємодію ел. струм – ел. струм? (Ампер)

 Тобто, ви вже знаєте, що взаємодії між провідниками зі струмом називаються магнітними, а сили, з якими провідники зі струмом між собою взаємодіють, називаються магнітними силами. Отже, два провідники зі струмами взаємодіють з певною силою. Ця взаємодія пояснюється тим, що на кожний провідник зі струмом діє магнітне поле іншого провідника. Тож на сьогоднішньому занятті ми визначимо силу, яка діє на провідник зі струмом у магнітному полі.

 

 

 

IV. Пояснення нового матеріалу.

(оголошення теми і мети заняття)

Тема заняття: «Дія магнітного поля на провідник зі струмом. Сила Ампера»

Мета заняття: дослідити,  від чого залежить дія магнітного поля на провідник зі струмом та одержати формулу для обчислення сили Ампера, а також навчитися визначати напрям дії сили Ампера; ознайомитись з практичним використанням сили Ампера.

План

1. Сила Ампера.
2. Рамка зі струмом в магнітному полі.
3. Практичне використання сили Ампера.

 

 

1. Сила Ампера.

Фронтальний експеримент

Доведемо, що на провідник зі струмом у магнітному полі діє сила.

Для цього помістимо рухомий провідник між полюсами підковоподібного магніту.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Змінити напрям руху провідника можна, змінивши напрям магнітних ліній поля (поміняти полюси магніту). Провідник також втягується у проміжок між полюсами магніту (мал. 4) або виштовхується з проміжку між полюсами магніту (мал. 5).

                 

 

• Діти, про що свідчить перший дослід? (На провідник зі струмом у магнітному полі діє сила.)
• Чи залежить напрям сили, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом від напряму струму в провіднику? (Так, залежить.)
• Як залежить ця сила від розташування полюсів магніту? (Напрям руху провідника змінюється, якщо змінити напрям магнітних ліній поля.) 

Отже, на провідник зі струмом у магнітному полі діє сила. Цю силу називають силою Ампера. Напрям сили Ампера залежить від напряму струму в провіднику та напряму магнітних ліній поля. Її напрям можна визначити за правилом лівої руки.

Правило лівої руки

Якщо ліву руку розташувати так, щоб лінії магнітного поля входили в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрямок струму в провіднику, то відігнутий на 90⁰ великий палець укаже напрямок сили Ампера.

 

Визначимо, від яких чинників і як залежить сила Ампера.

З’ясуємо залежність сили Ампера від:

• сили струму;
• магнітної індукції;
• довжини провідника;
• напряму магнітної індукції.

Обладнання: дротяний моток, штатив, джерело постійного струму, реостат, ключ, постійний магніт, з’єднувальні провідники.

Дослід 1. Дослідити залежність сили Ампера від сили струму в провіднику.

Зберемо експериментальну установку, показану на малюнку (заздалегідь ключ має бути розімкнений, повзунок реостата встановлений на максимальний опір).

Замкнемо електричне коло на декілька секунд. Ми спостерігаємо відхилення котушки від первинного положення. Дослід повторимо при різних значеннях сили струму, яка змінюється за допомогою реостата.

Висновок: (спочатку роблять учні) Дротяний моток відхиляється на більший кут, якщо збільшити силу струму. А тому виходить, що сила Ампера збільшується із збільшенням сили струму в провіднику.

Дослід 2. Дослідити залежність сили Ампера від магнітної індукції.

Спостерігаємо відхилення котушки від первинного положення спочатку при одному, а потім при двох магнітах.

Зробіть висновок про залежність сили магнітної взаємодії від індукції магнітного поля.

Висновок: Сила магнітної взаємодії збільшується із збільшенням індукції магнітного поля.

Дослід 3. Дослідити залежність сили Ампера від напряму магнітного поля.

Змінимо відносне розташування мотка і магніта та вкажемо напрям магнітного поля, напрям струму і передбачуваний рух мотка відносно магніта.

Висновок: Якщо напрям магнітної індукції перпендикулярний площі витка, то відхилення максимальне, паралельний – відхилення витка не спостерігається.

Дослід 4. Дослідити залежність сили Ампера від довжини провідника.

Спостерігаємо відхилення від первинного положення спочатку однієї котушки, а потім двох котушок, в однаковому магнітному полі.

Зробіть висновки про залежність сили магнітної взаємодії від довжини провідника зі струмом у магнітному полі.

Висновок: Сила магнітної взаємодії збільшується із збільшенням довжини провідника.

Підводимо підсумок: Сила, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі, прямо пропорційна силі струму, магнітній індукції, активній довжині провідника і залежить від кута між напрямом струму і напрямом ліній магнітної індукції.

F_A=BIlsinα – сила Ампера,

де І – величина струму (А), l – довжина провідника (м), В – індукція магнітного поля (Тл),  кут α – кут між напрямом поля (індукцією) та провідником.

Наслідки:

а) якщо провідник розташований перпендикулярно до ліній  магнітного поля (α=90⁰) то F_A=BIl – сила Ампера максимальна;

б) якщо провідник розташований паралельно до ліній магнітного поля (α=0⁰) то F_A=0, тобто магнітне поле не діє на провідник зі струмом.

 

2. Рамка зі струмом в магнітному полі.

Особливо цікавий випадок, якщо взяти провідник і скрутити  у вигляді прямокутної рамки і помістити у однорідне магнітне поле, так щоб вона легко обертатись навколо осі. (Спостерігаємо за дослідом  і робимо відповідні висновки.)

Як бачимо, магнітне поле чинить орієнтуючу дію на рамку зі струмом.

(Пояснення обертання рамки за допомогою презентації)

Поворот рамки зі струмом пояснюється тим, що магнітне поле, діючи на вертикальні сторони рамки, змушує її повертатися так, щоб її площина стала перпендикулярно до силових ліній поля. Тобто сила Ампера створює обертовий момент рамки. Напрям обертання можна визначити, застосовуючи правило лівої руки до кожної вертикальної ділянки рамки. При зміні напрямку струму в рамці вона буде повертатися у зворотному напрямку. Те саме ми спостерігаємо, помінявши місцями полюси магніту.

Саме на такому принципі заснована робота електродвигунів.

Визначимо обертовий момент рамки, зумовлений дією сили Ампера F₁ і F₂ на вертикальні сторони (горизонтальні сторони до уваги не беремо, подумайте чому). Для цього пригадаємо з механіки, що таке обертовий момент, момент сили, плече дії сили. Врахувавши, що М=М₁+М₂, М₁= F₁d₁ та М₂= F₂d₂, d₁= d₂=l/2, F₁= F₂= F_А=BIlsinα, одержимо:

М_об=BISsinα – обертовий момент рамки

де В – індукція магнітного поля (Тл), І – величина струму (А), S – площа рамки (м²), кут α – кут між напрямом поля та перпендикуляром до площини рамки.

Отже, обертовий момент рамки М_об зумовлений дією сил Ампера на плоский замкнений контур, що розташований у однорідному магнітному полі дорівнює добутку модуля магнітної індукції на силу струму в контурі на площу контуру і на синус кута між вектором індукції та перпендикуляром до площини контура.

Зверніть увагу:

а) якщо рамка паралельна лініям індукції (кут α=90⁰), то М_об  найбільший;

б) якщо рамка перпендикулярна до ліній індукції (α=0⁰), то М_об=0 положення стійкої рівноваги.

 

3. Практичне використання сили Ампера.

Переміщення провідника зі струмом під дією сили Ампера характерне тим, що при цьому електрична енергія перетворюється в механічну. Це явище широко використовують на практиці та має наступні сфери застосування:

1. Електровимірювальні прилади;
2. Електродвигун постійного струму;
3. Гучномовець

1) Електровимірювальні прилади

 

а) електровимірювальні прилади магнітоелектричної системи:

 

б) електровимірювальні прилади електромагнітної системи:

-  в цих приладах використовується втягування осердя  в електромагніт;

- прилади прості за конструкцією, придатні для постійного і змінного струмів, хоча менш точні.

 

в) електровимірювальні прилади електродинамічної системи:

 

2) Електродвигун постійного струму:

 

3) Гучномовець:

 

 

5. Закріплення вивченого матеріалу.

1) Вкажіть напрям сили Ампера, яка діє на провідник зі струмом у магнітному полі.

а)

б)

в)

2) Вкажіть напрям сили Ампера, яка діє на провідник зі струмом у магнітному полі.

а)

б)

в)

3) Визначте напрям ліній магнітної індукції, за відомим напрямом струму у силою Ампера, що діє збоку поля на провідник зі струмом.

а)

б)

в)

4) На рисунку показано провідники зі струмом, що знаходяться в магнітному полі. Сформулюйте задачу по кожному з наведених рисунків та розв’яжіть її. Зробіть пояснювальний рисунок до задачі у зошиті.

а)

б)

в)

Задача 1. Провідник зі струмом силою 14 А вміщений у магнітне поле з індукцією 0,5 Тл. З якою силою діє поле на провідник довжиною 50 см, розміщений під кутом 90⁰ до вектора магнітної індукції? Чому дорівнює сила, коли напрям струму утворює з напрямом вектора індукції кут 30⁰? Чому дорівнює сила, коли провідник зі струмом розміщений вздовж ліній магнітної індукції поля?

Задача 3. Сила струму в горизонтально розташованому провіднику завдовжки 20 см і масою 4 г дорівнює 10 А. Знайти індукцію магнітного поля, в яке потрібно помістити провідник, щоб сила тяжіння урівноважилася силою Ампера. Провідник розташований перпендикулярно до ліній індукції магнітного поля.

 

VI. Підведення підсумків заняття.

Запитання до класу:

1. Яка сила діє на провідник зі струмом у магнітному полі?

2. Від яких величин залежить сила Ампера?

3. Як визначити напрям сили Ампера?

4. Що відбувається з рамкою зі струмом  вміщеною у магнітне поле?

5. Перелічіть практичне використання сили Ампера.

 

Отже, на сьогоднішньому занятті ми дослідили,  від чого залежить дія магнітного поля на провідник зі струмом та одержали формулу для обчислення сили Ампера, а також навчилися визначати напрям дії сили Ампера; ознайомились з практичним використанням сили Ампера.

 

VII. Д/з вивчити, задачі №№     .

 

Дякую за увагу.