Учебно-методическое пособие по дисциплине «Демонстрационный и лабораторный эксперимент по физике при изучении общей физики в школе и в вузе»

5. Демонстрационные эксперименты по теме «Магнитное действие электрического тока» Тема «Магнитное поле» является одной из самых трудно усваиваемых учениками тем. Это связано с тем, что объект изучения не воспринимается непосредственно органами чувств. В связи с этим при изучении этой и других аналогичных тем важная роль отводится демонстрационному эксперименту. В начале изучения темы учителю или преподавателю необходимо продумать методику всего изучения с применением демонстрационного эксперимента. Здесь важно разделить задачи и четко определить их содержание, а, следовательно, и цели эксперимента. Это необходимо делать при постановке любого эксперимента, но при изучении таких материальных объектов, как электрические и магнитные поля, это особенно важно, так как эти объекты не обнаруживаются непосредственно с помощью органов чувств. Поэтому здесь изложена методика экспериментов с различными целями: а) увидеть само явление действия магнитного поля на проводник с током; б) определить направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле; в) показать зависимость силы Ампера от силы тока, от величины индукции магнитного поля и от длины проводника, а также от направления силы тока в проводнике по отношению к направлению индукции магнитного поля. Здесь описан опыт по измерению силы Ампера в зависимости от силы тока. Остальные опыты выполняются аналогично. Для этого надо брать другие магниты и рамки с другой длиной стороны, которая будет располагаться в магнитном поле. Первая группа таких экспериментов направлена на демонстрацию действия магнитного поля. В данной работе для этого используется демонстрация действия магнитного поля на проводник с током. Для проведения такой демонстрации в качестве источника магнитного поля берется подковообразный магнит. Такой подковообразный магнит изображен на рисунке 1. Такие магниты входят в набор демонстрационного оборудования школьных кабинетов физики. Кроме того, такие магниты можно изъять из отработавших старых демонстрационных амперметров или вольтметров. Рис. 1. Подковообразный магнит В данном случае взяты два подковообразных магнита, соединенных между собой неподвижно. Это сделано, чтобы усилить магнитное поле. Проводник, по которому будет пропускаться электрический ток, изготавливается в форме скобы, которая изображена на рисунке 2. Скоба изготавливается из медной проволоки диаметром 2-2,5 мм. Размеры скобы также указаны на рисунке в миллиметрах. Скоба изготавливается учителем или учениками. Рис.2. Скоба для исследования магнитного действия тока Скоба крепится на лабораторном штативе в подвешенном состоянии способом, который показан на рисунке 3. Рис. 3. Способ крепления скобы на штативе Для того, чтобы закрепить проводник, необходимо установить в зажиме штатива горизонтальный стержень. Стоит отметить, что сама скоба, а также крепления, удерживающие ее, должны быть изолированы как от стержня, так и от самого штатива. Поэтому необходимо учитывать, из какого материала изготовлен стержень. Если это металл, то необходимо обернуть его листом бумаги либо изоляционной лентой. Если же стержень сделан из пластика, эбонита (как в данном случае) и т.п., крепления можно фиксировать непосредственно на нем. В качестве крепления между скобой и стержнем используются специальные колечки с крючками, входящие в комплект универсального лабораторного штатива (рисунок 4). Рис. 4. Крепления из комплекта универсального лабораторного штатива Если же таких колец нет в наличии, их можно заменить изготовленными самостоятельно проволочными креплениями, зафиксированными на стержне на расстоянии 10 см друг от друга, как показано на рисунке 3. Чтобы изготовить крепления, нужно взять 2 куска медной проволоки диаметром 1 – 1,5 мм, зачистить один конец каждого куска при помощи надфиля или наждачной бумаги, свернуть его в небольшое кольцо диаметром около 3 мм и залудить при помощи паяльника. Примечание: лужение— нанесение тонкого слоя олова на поверхность металлических изделий. Лужение производится для защиты металла от коррозии или для подготовки к пайке (лужёная поверхность лучше смачивается припоем). При этом можно быть уверенным, что контакт между поверхностями будет хорошим. Далее нужно обернуть оба куска проволоки вокруг стержня на расстоянии 10 см друг от друга, закрутить плоскогубцами и откусить лишнюю часть проволоки, оставив небольшой кусочек для фиксации проводов. Эти оставленные кусочки также необходимо зачистить и залудить. Наконец остается припаять провода. К свободным концам проводов припаиваются однополюсные вилки типа Ш-4 (рисунок 5) для подключения к источнику тока. Рис. 5. Однополюсные вилки типа Ш-4 Таким образом, в результате получается медная скоба, которая далее подвешивается своей горизонтальной частью в поле подковообразного магнита. Благодаря кольцевым креплениям она свободно отклоняющаяся под действием этого поля. Источником тока является выпрямитель для того, чтобы провести опыт. Рамка с помощью проводников подсоединяется к источнику тока. Для измерения тока, который будет протекать по рамке, используется демонстрационный амперметр. Для того, чтобы проводить наблюдения, не вызывающие сомнения, в установку подсоединяют демонстрационный ключ, с помощью которого включается источник тока. Сама рамка подвешивается в штативе. На демонстрационном амперметре и на проводах с помощью стрелок показывается направление тока. При этом полюса источника тока также выделяются для большей наглядности. Эта подготовка к опыту представлена на рисунке 3. Рис. 6. Подключение рамки к источнику тока Горизонтальная сторона рамки помещается в магнитное поле перпендикулярно линиям напряженности магнитного поля, которые направлены от северного полюса магнита к южному полюсу. Положение равновесия рамки фиксируется, для наглядности, каким – либо маркером. Например, в нашем случае, это вытянутый треугольник из красного картона. Тогда подготовленная к опыту установка изображена на рисунке 7. Теперь проводится опыт, в котором по проводнику, находящемуся в магнитном поле, протекает электрический ток. В опыте наблюдается, что проводник с током отклоняется в магнитном поле (рисунок 8). Рис. 7. Установка, подготовленная для демонстрации действия магнитного поля на проводник с током Рис. 8. Отклонение рамки в магнитном поле Если изменить направление магнитного поля на противоположное, то проводник отклоняется в другую сторону. Из этого опыта делаются выводы: 1. Магнитное поле действует на проводник с током, помещенным в магнитное поле, с некоторой силой; 2. Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, зависит от направления индукции магнитного поля. Следующий опыт должен ответить на вопрос, как определить направление этой силы. Для этого используются стрелки, обозначающие направление силы тока, направление индукции магнитного поля и направление действующей на проводник с током силы. При этом по результатам опыта формулируется правило левой руки. На рисунках 9 и 10 показан один из опытов по определению направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Рис. 9. Демонстрация правила левой руки Рис.10. Демонстрация правила левой руки Следующий опыт должен показать, от каких величин зависит величина сил. Для этого опыта надо использовать прибор, который позволяет измерять силу. Таким прибором являются Весы чувствительные с принадлежностями (ВЧсП). Эти весы представлены на рисунке 11. 6. Весы чувствительные с принадлежностями ВЧсП. 6.1. Устройство весов Весы чувствительные с принадлежностями ВЧсП являются известным прибором, который, к сожалению, редко используется в демонстрационных экспериментах. Предлагаемые здесь опыты помогут учителю или преподавателю использовать этот прибор. Схематично устройство и принцип действия весов представлены на рисунке 11.Весы представляют собой неравноплечий рычаг. Весы состоят из следующих элементов: Рис.11. Схема устройства весов: 1 – рамка с нанесенной на нее шкалой; 2 – скоба; 3 – стрелка; 4 – противовес; 5 – исследуемые тела; 6 – грузики массой от 0,1 до 1 грамма; 7 – подвесы, устанавливаемые на держателях; 8 – компенсатор; 9 – винт крепления; 10 – барабан; 11 ось. Измерения осуществляются с помощью грузиков, которые изображены на рисунке 12 Примечание: маркировка присутствует только на самом большом и на самом маленьком грузиках. Массу остальных двух можно определить по размеру (см. рис.12). Рис.12. Размеры грузиков Рис. 13. Вид уравновешенных весов При использовании этих весов надо учитывать требования инструкции и правила техники безопасности, которые изложены в инструкции и паспорте для данного измерительного прибора. 6.2. Общие указания по использованию весов 1.1. Весы чувствительные с принадлежностями ВЧсП предназначены для измерения малых сил в опытах по аэродинамике, электростатике, в магнитном поле с проводником и других 1.2. Весы применяются в демонстрационных опытах по физике, изложенных в методических пособиях Министерства образования РФ для средней школы. Описание основных опытов дано в приложении к паспорту. 6.3. Технические данные 1. Пределы измерения силы, Н: наибольший 3 Н наименьший 0,1 Н 2. Число делений шкалы 30 3. Габаритные размеры, мм 370х80х132 4 Масса, кг 0,35 6.4. Требования по технике безопасности 1. Весы должны быть надежно закреплены на универсальном штативе и установлены на устойчивом столе. 2. При переноске весов со стрелки должны быть сняты держатели с противовесами и грузики. 3. Не допускается зарядка электростатическим зарядом исследуемых тел при помощи электрических машин и других механических устройств. 6.5. Подготовка к работе 1.Весы закрепить на универсальном школьном штативе с помощью стержня так, чтобы рамка 1 находилась в горизонтальном положении. 2. Перемещением противовеса 4 вдоль оси отрегулировать положение стрелки 3 до совпадения ее конца с указателем (риской) на рамке. 3. Держатель с исследуемым телом 5 вставить снизу в барабан 10 до упора и закрепить винтом 9, не прилагая больших усилий. 4. Компенсатором 8 отрегулировать положение стрелки 3 до совпадения ее конца с указателем на рамке. 6.6. Порядок работы 1. Под действием силы, полученной различными способами в зависимости от типа опыта и направленной на исследуемое тело, стрелка 3 отклоняется от положения равновесия. Общая формула расчета этой силы выглядит следующим образом: , где – масса грузика, – ускорение свободного падения (принято за 10м/c2), – расстояние от оси барабана стрелки до центра исследуемого тела (величина постоянная), – деление на шкале, на котором находится грузик. Записать примеры в тетради подробно. 7. Измерение силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током Общий вид установки по демонстрации действия магнитного поля на проводник с током представлен на рисунке 14. В качестве проводника с током используется самодельная рамка из медной проволоки, помещенная между полюсами двух магнитов. Форма рамки, ее размеры и способ подвеса показаны на рисунке 15. (размеры даны в мм). Рис.14. Установка для демонстрации действия магнитного поля на проводник с током Рис.15. Форма рамки 7.1 Порядок выполнения измерений Теперь чтобы измерить силу, нам необходимо соединить между собой скобу и рычаг весов. Для этого закрепим в держателе весов тело №1 из набора аэродинамических тел. Затем из тонкой легкой медной проволоки сделаем толкатель произвольной длины, один конец которого закрепим на скобе, а вторым обогнем тело №1, как показано на рисунке 14. Начнем эксперимент. Для начала нужно определиться с измерительным оборудованием. В этом опыте нам очень важно контролировать ток, протекающий по рамке, поэтому можно выбрать источник со встроенным амперметром либо, если такого нет в наличии, включить в цепь школьный амперметр с шунтом на 10А и соответствующей шкалой постоянного тока. Для наблюдения за напряжением в этом случае используется электронный мультиметр (рис.14), однако его наличие не обязательно. Теперь определим, как нужно подключить скобу к источнику тока, чтобы она отклонилась не вовнутрь подковообразного магнита, а наружу. Для этого выясним, в каком направлении течет ток по проводнику и воспользоваться правилом левой руки, чтобы определить силу Ампера. Передвигая магнит, выясним, где магнитное поле будет сильнее, и зафиксируем его в этой области. Примечание: Сопротивление рамки небольшое, поэтому напряжение на скобу следует подавать осторожно, плавно вращая регулятор напряжения на источнике и наблюдая при этом за показаниями амперметра. В данном случае, напряжение не превышает 1,3В. Приступим к измерениям. Включим источник и установим значение тока 2А. При этом скоба отклоняется и благодаря упомянутой в пункте 8.2 конструкции толкает рычаг весов и выводит их из положения равновесия Рис.16. Измерение №1 Теперь определим значение силы, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Для этого выберем один из четырех грузиков (рис.2), приведем весы в равновесие, перемещая грузик (в данном случае 0,5 г) по рычагу, и вычислим величину силы. Те же самые действия выполним для значений тока 4А, 6А и 8А. Результаты измерений запишем в таблицу 1. Таблица 1. Результаты измерений силы Ампера Сила тока I(A) 2 4 6 8 Сила Ампера FA(H) Заполнить таблицу! Теперь подробно описать опыт по измерению силы Ампера. Заканчивается описание этих экспериментов выводом в виде формулировки закона Ампера.

Похожие:

	Учебно-методическое пособие по освоению практических навыков входит... Учебно-методическое пособие предназначено для использования в учебном процессе при проведении занятий по дисциплине «Фармацевтическая...		Учебное оборудование по физике. Лабораторный комплект (набор) по... Юнга резины, коэффициента поверхностного натяжения, исследования изменения температуры остывающей воды и т д
	Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией... Учебно-методическое пособие предназначено для организации активной самостоятельной работы студентов над учебным материалом при изучении...		Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией... Учебно-методическое пособие предназначено для организации активной самостоятельной работы студентов над учебным материалом при изучении...
	Программа по физике 9 класс Подчеркнем, что ознакомление школьников с методами научного познания предполагается проводить при изучении всех разделов курса физики,...		Учебно-методическое пособие к практическим занятиям по акушерству... Учебно-методическое пособие представлено кафедрой акушерства и гинекологии сгма в помощь студентам 6 курса лечебного факультета при...
	Учебно-методическое пособие Санкт-Петербург 2014 Авторы: Морозов... Учебно-методическое пособие предназначено для повышения квалификации преподавательского состава умц по го чс и пб санкт-Петербурга...		Учебно-методическое пособие санкт-Петербург 2009г. Автор: Г. П. Подвигин... Учебно-методическое пособие предназначено для должностных лиц, специалистов го и рсчс организаций
	Учебно-методическое пособие по сопровождению самостоятельной работы... Учебно-методическое пособие предназначено для обучающихся автодорожного техникума, как руководство для организации самостоятельной...		Учебно-методическое пособие Дисциплина- «Микробиология» Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной подготовки и выполнения лабораторных работ по курсу «Микробиология»...
	Методическое пособие по дисциплине «Фармакология» Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов при подготовке к практическим занятиям по фармакологии....		Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией... Методы молекулярной диагностики: Учебно-методическое пособие. Авторы: А. Д. Перенков, Д. В. Новиков, С. Г. Фомина, Л. Б. Луковникова,...
	Учебно-методическое пособие тверь 2015 удк 339. 543(075. 8) Ббк у428-861.... С 47 Таможенные платежи: учебно-методическое пособие. – Тверь: Твер гос ун-т, 2015. – 155 с		Римское право и латинская юридическая терминология Учебно-методическое пособие Учебно-методическое пособие предназначено для оказания методической помощи студентам тф ноу впо «Росноу» в изучении курса «Римское...
	Учебно-методическое пособие Елабуга 2016 ббк 74. 58 Учебно-методическое... Методическое пособие предназначено для студентов 1 курса высших учебных заведений неязыковых специальностей		Учебно-методическое пособие по выполнению письменных работ по учебной дисциплине Красноярск Б 948 Преступления против общественной безопасности и общественного порядка: Учебно-методическое пособие по выполнению письменных...