МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учреждение образования”Брестский Государственный Университет имени А. С.Пушкина”
Кафедра методикипреподавания физики и ОТД
ФИЗИЧЕСКИЕ ОПЫТЫВ ТЕМЕ
«МАГНИТНОЕ ПОЛЕТОКА»
Курсовая работа по
методике преподавания
физики студента
физическогофакультета
Потужного Александра
Научный руководитель
доц. Ворсин Н.Н.Брест 2002
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Целии требования, предъявляемые к демонстрациям 4
Описаниедемонстрационных опытов:
Действие магнитного поля на ток 5
Взаимодействие двух параллельных токов 7
Отклонение электронного пучка магнитным полем 9
Модель доменнойструктуры ферромагнетика 10
Размагничиваниестального образца при нагревании 12
Заключение 14
Списокиспользованных источников 15
ВВЕДЕНИЕ
Тема«Магнитное поле постоянного тока » изучается в курсе физики 10-го класса. Дляобщеобразовательного и повышенного (пункты программы для повышенного уровня изучениявзяты в квадратные скобки) уровней программа включает в себя следующие разделы:
Взаимодействиетоков. Магнитные силовые линии. Индукция магнитного поля.
Проводник стоком в магнитном поле. Сила Ампера. Действие магнитного поля на движущиесязаряды. Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитном поле.
Магнитноеполе Земли.
Демонстрации
1. Взаимодействиепараллельных токов. 2. Действие магнитного поля на ток. 3. Отклонениеэлектронного пучка магнитным полем.
ОСНОВНЫЕЗНАНИЯ И УМЕНИЯ УЧАЩИХСЯ
Учащиесядолжны знать:
Понятия:магнитное поле, магнитная индукция.
Законы:Ампера.
Формулы: FA=IBlsina, FЛ =quBsina.
Учащиесядолжны уметь: решать задачи на расчетмагнитной индукции, силы Ампера, силы Лоренца; [рассчитывать период обращения,радиус окружности, описываемой заряженной частицей, влетающей в однородноемагнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции].
Впредшествующей программе по физике для средней общеобразовательной школы вкурсе 10-го класса изучался раздел «Магнитные свойства вещества».
Всвоей курсовой работе я также рассматриваю некоторые демонстрации из темы«Физика конденсированного состояния», которая изучается в курсе физики 11-гокласса. Для общеобразовательного и повышенного (пункты программы дляповышенного уровня изучения взяты в квадратные скобки) уровней программавключает в себя следующий раздел:
Магнитнаяпроницаемость вещества. Три класса магнитных веществ. Объяснение пара- идиамагнетизма. Основные свойства ферромагнетиков. Природа ферромагнетизма. Магнитнаязапись и хранение информации.
Демонстрации
1. Модель доменнойструктуры ферромагнетика. 2. Размагничивание стального образца при нагревании.3.Магнитная запись звука.
ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ И УМЕНИЯ УЧАЩИХСЯ
Учащиеся должны знать:
Понятия:магнитная проницаемость.
ЦЕЛИИ ТРЕБОВАНИЯ,
ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕК ДЕМОНСТРАЦИЯМ
Демонстрация– это показ учителем физических явлений и связи между ними.
Цель:
Созданиефизических представлений, физических понятий, проиллюстрировать явления иприучить учащихся искать источник знания в явлениях физического мира и опытах.
Требования:
· темп изложения должен совпадать с темпом демонстрации;
· должны быть на каждом уроке;
· должны логически соединять предшествующие опыты споследующими. для этого можно использовать одну и туже установку, но проводитьизмерения в ней;
· не должны загромождать урок;
· должна присутствовать новизна и заинтересованность.
Переддемонстрацией можно уяснить проведение ее с помощью схемы на доске. В некоторыхслучаях полезно собирать схему перед учащимися. Можно использовать проблемныйподход, т.е. поставить проблему и решить с помощью эксперимента. Установкадолжна быть простой, на столе не должно быть лишних предметов, лучшеиспользовать в вертикальной плоскости, использовать экраны (для темныхпредметов светлый, для светлых — темный), использовать подсветки, использоватьиндикаторы. Эксперимент готовить заранее, он должен быть убедительным.
ДЕЙСТВИЕМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ТОК
Оборудование: 1) весы аэродинамические, 2)амперметр демонстрационный, 3) метр демонстрационный, 4) магниты дугообразные — 4 шт., 5) скоба проволочная, 6) выключатель демонстрационный, 7) штативуниверсальный, 8) провода соединительные, 9) циркуль-измерительдемонстрационный.
Действие магнитного поля на ток, так же как испособы определения направления движения проводника с током в магнитном поле,учащимся хорошо известно. Основываясь на этих знаниях, можно определитьфакторы, от которых зависит величина силы, действующей на проводник с током, изатем ввести понятие о магнитной индукции и единице ее измерения. Числовыерезультаты проведенного опыта позволят затем приблизительно определить среднююмагнитную индукцию между полюсами постоянных магнитов. Это будет способствоватьбольшей конкретизации нового понятия.
1. Демонстрационная установка для проведенияопыта изображена на рисунке 1. В ней основной деталью служит скоба из голоймедной проволоки, помещенная между полюсами двух магнитов. Форма скобы, ееразмеры и способ подвеса показаны на рис. 2. Колечки с крючками, прилагаемые куниверсальному штативу, изолированы от стержня листом обыкновенной бумаги.Этого вполне достаточно ввиду того, что подводимое напряжение мало. Междубумагой и колечками зажаты концы соединительных проводов. Надежность контактовв точках подвеса скобы вполне обеспечивается ее достаточным весом.
/>
Рис. 1. Установка для изучения действия магнитного поля на ток;
Для измерения силы, действующей на проводник стоком, служат универсальные чувствительные весы. При подготовке их к измерениюв отверстие втулки весов вставляют стержень l(рис. 1) с малым диском из аэродинамическогонабора и изготовляют рейтер массой в 500 мг в виде согнутой металлическойполоски. Толкателем 2, соединяющим весы со скобой, служит мягкая тонкаяпроволочка, один конец которой огибают вокруг стержня над самым диском, адругой конец, согнутый в виде крючка, свободно накладывают на середину скобымежду магнитами.
Приопределении цены деления весов надо применить правило моментов. Если длинастержня 10 см, а рейтер весом 0,005 Н находится, например, на расстоянии 20 смот оси, то
/>F·0,1 м=0,005 Н·0,2 м.
Отсюда сила F равна 0,01 Н, когда рейтер находится на расстоянии 20 смот оси; значит, перемещение рейтера на 1 см соответствует изменению силы F на 1/20 Н=0,0005 Н.
Для измерения силы тока служит демонстрационный амперметр сшунтом на 10 А и соответствующей шкалой для постоянного тока.
/>2.Приступая к проведению опыта, от весов отцепляют толкатель и снимают с рычагарейтер. При помощи уравнительного винта добиваются совпадения указателей.
Постоянный ток можно получить от выпрямителя.
Сначала устанавливают рукоятку регуляторанапряжения на нуль, затем включают ток, доводят его до 8 А и наблюдают задвижением скобы. Изменяя направление тока или переворачивая магниты, показываютизменение направления движения проводника. Эти опыты дают повод вспомнитьправило левой руки, связывающее направления тока, силовых линий поля и движенияпроводника.
Выключив ток, при котором наблюдалосьвыталкивание скобы влево, соединяют скобу с вертикальным стержнем весов при помощипроволочного толкателя, как было указано выше, и передвигают весы по столу так,чтобы указатели равновесия вновь совпали. На этом заканчивается подготовкаустановки.
Включают ток и замечают, что рычаг весовприподнимается. Насадив на рычаг рейтер и, передвигая его, вдоль рычага,находят для него такое положение, при котором весы вновь уравновешиваются. Знаяцену деления шкалы, находят силу, с которой магнитное поле действует напроводник с током.
Опытповторяют при иных значениях силы тока. Затем удаляют один из магнитов и темуменьшают почти вдвое длину той части проводника, которая находится в магнитномполе. Снова измеряют величину выталкивающей силы. Длину проводника определяютциркулем-измерителем и демонстрационным метром.
Надоске записывают результаты опытов:
Длина проводника
l (м)
Сила тока
I (А)
Выталкивающая сила
F (Н)
0,1
0,1
0,1
0,05
8
4
2
8
0,009
0,0045
0,0012
0,0045
Анализполученных результатов приводит к заключению, что сила, с которой данноемагнитное поле действует на проводник, пропорциональна силе тока и длине частипроводника, находящейся в магнитном поле: F~I· l.
Послеэтого, заменяют магниты двумя другими магнитами тех же размеров и формы, ноболее слабыми и обнаруживают, что при тех же Iи lсила, действующая на проводник, оказывается меньше. На этом основании полагают,что сила зависит также от величины, характеризующей интенсивность поля иназываемой магнитной индукцией В. Таким образом, F=kBIl,где k- коэффициент пропорциональности.
Полагаяв полученной формуле коэффициент пропорциональности равным единице,устанавливают из выражения B=F/(I·l),единицу магнитной индукции в системе СИ:
Н/(А·м)= Тл,
иопределяют среднюю величину магнитной индукции между полюсами выбранных дляопыта магнитов. Для этого можно воспользоваться, например, данными первогоопыта:
l=10см =0,1 м, I = 8 А, F=0,009 Н.
Подставив эти данныев формулу, находят:
B =0,01 Тл.ВЗАИМОДЕЙСТВИЕДВУХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ТОКОВ
Оборудование: 1) ленты из фольги снаконечниками — 2 шт., 2) моток проволочный на подставке, 3) рамка от прибора«Виток в магнитном поле», 4) штатив универсальный, 5) проводникисоединительные, 6) штепсельная розетки с вилкой или двухполюсный переключательдемонстрационный.
Взаимодействие токов целесообразно показать внаиболее «чистом» виде, т. е. показать притяжение и отталкивание двух прямыхпроводников с токами одинакового и противоположного направлений.
/>1. В опыте для получения надлежащего, эффекта необходимыгибкие и легкие проводники, которые вместе с тем должны выдерживать достаточносильный ток. В противоречивости этих требований и заключается некотораятрудность проведения опыта.
/>Хорошие результаты можно получить, если воспользоватьсялентами из алюминиевой фольги, идущей на изготовление бумажных конденсаторов.Фольга от рулона, вынутого из коробочки конденсатора, обычно развертываетсявместе с приставшей к ней бумагой. Надо, не отслаивая бумаги, отрезать отфольги две узкие ленты шириной 10 мм и длиной 50 см. Слой бумаги между двумяполосками из фольги придаст ленте большую прочность.
/>Концы каждой ленты заделывают внаконечники (рис. 3),при помощи которых обе ленты зажимают в изолирующих стержнях на универсальномштативе, как показано на рисунке 4.Такаялента выдерживает кратковременный ток до 8 А. Ленты не следует натягивать.Слегка изгибая, их сближают на расстояние 0,5 — 1 см и концы присоединяют к выпрямителю черезштепсельную розетку, как показано на рисунке. Вместо штепселя можновоспользоваться двухполюсным переключателем. При включении тока в пределах 5 — 8 А ленты отталкиваются, а привыключении вновь сближаются. Чтобы изменить направление тока в одном из проводников, достаточноштекеры в розетке поменять местами. Теперь токи в проводниках будут иметьодинаковые направления и проводники притянутся друг к другу.
При проведении опыта не следует включать ток надлительное время. Для улучшения видимости можно воспользоваться теневойпроекцией.
/>Иногда в этом опыте ленты соединяют сначалапоследовательно, а затем параллельно. Этот способ имеет тот недостаток, что припереключении с параллельного соединения на последовательное сила тока в каждомпроводнике увеличивается вдвое. В способе, представленном на рисунке 4,соединение проводников в любом случае остается последовательным и величина токапри переключении не изменяется.
Учитывая, что описанный опыт требует тщательнойподготовки, а изготовленные надлежащим образом проводники трудно сохранять вцелости, можно рекомендовать для этого опыта специальный самодельный прибор дляпроецирования на экран. Устройство прибора и все необходимые размеры показанына рисунке 5. Прибор состоит из двух вертикальных планок. из органическогостекла, между которыми параллельно расположены почти без натяжения две ленты изалюминиевой фольги. Прибор устанавливают на рейтере проекционного аппарата у самогоконденсора и передвижением объектива добиваются получения на экране резкогоизображения лент. Достаточно заметное притяжение и отталкивание получается притоке 1 — 2 А.
ОТКЛОНЕНИЕЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Оборудование:1) электроннолучевая трубка на подставке, 2) кенотронный выпрямитель, 3)катушка от универсального трансформатора на 120 В, 4) две отклоняющие катушки,5) батарея аккумуляторов, 6) реостат на 40 Ом и 6 А, 7) выключательдемонстрационный, 8) магнит дугообразный, 9) провода соединительные.
Электроннолучевыетрубки с магнитным управлением (фокусировкой и отклонением) широко применяютсяв телевидении для приема изображения. Такие трубки (кинескопы) несколькоотличаются от трубок с электростатическим управлением по форме колбы, а главное- более простым устройством электронного прожектора. Фокусировка и отклонениеосуществляются магнитными полями катушек, которые надеваются снаружи трубки наее более узкую часть — горловину.
Сначаладемонстрируют отклонение электронного пучка в магнитном поле постоянногомагнита.
Дляэтого включают трубку и получают на экране достаточно яркое светящееся пятно.Затем подносят сбоку трубки дугообразный магнит и наблюдают смещение пятна.Изменяют направление магнитного поля и наблюдают отклонение пятна впротивоположную сторону.
Приэтом полезно предварительно поставить перед учащимися задачу определить,пользуясь правилом левой руки, направление смещения пятна на экране, учитывая,что пучок представляет собой поток электронов.
/>/>После этого демонстрируют смещение электронного пучка вмагнитном поле отклоняющих катушек с током 1 и 2, которые закрепляютсбоку трубки под винтовые зажимы вертикально (или горизонтально) отклоняющихпластин, как показано на рисунке 6. Фокусирующая катушка 3при этомотсутствует. Катушки соединяют между собой так, чтобы на концах, обращенных ктрубке, образовались противоположные магнитные полюсы (соединяют конец обмоткиодной катушки с концом другой или начало с началом). Подключают к катушкамаккумулятор через рубильник и реостат и наблюдают отклонение светящегося пятнана экране при включении тока в катушки.
Изменяяреостатом величину тока, показывают плавное смещение пятна по экрану. Затемменяют направление тока в катушках и демонстрируют отклонение пятна впротивоположную сторону.
Заменяютаккумулятор магнитоэлектрической машиной и показывают образование светящейсялинии на экране — результат колебательного движения электронного пучка впеременном магнитном поле отклоняющих катушек.
Послеэтого переходят к демонстрации магнитной фокусировки электронного пучка припомощи катушки 3от универсального трансформатора (рис. 6). Отклоняющиекатушки снимают, чтобы они не отвлекали внимание. Для установки катушкивынимают трубку (при отключенном источнике питания) и на боковые панели освободившейсяподставки помещают катушку. Снова вставляют трубку в подставку и к катушкеприсоединяют батарею аккумуляторов через выключатель и реостат.
Подключаюткенотронный выпрямитель, и при помощи ручек «яркость» и «фокус» устанавливаютна экране размытое (не сфокусированное), но достаточно яркое светящееся пятно.За тем замыкают выключатель и реостатом подбирают необходимую величину тока вкатушке (0,4 — 0,5 А). Этим и заканчивается подготовка.
Демонстрациюопыта проводят в такой последовательности. Включают выпрямитель в сеть инаблюдают на экране трубки размытое пятно достаточных размеров.
После этого демонстрируют предварительную магнитнуюфокусировку путем перемещения катушки с током вдоль горловины трубки. На экранепри этом наблюдают заметное изменение размеров пятна.
Затем показываютболее точную фокусировку. Оставив катушку в том положении, в котором получалосьпятно меньших размеров, изменяют реостатом величину тока в катушке. Наблюдают,как светящееся пятно постепенно сводится в небольшую светящуюся точку.МОДЕЛЬДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ФЕРРОМАГНЕТИКА
Оборудование: 1) модель строенияферромагнетика, 2) магнит постоянный прямой, 3) проекционный аппарат.
/>Для объяснения доменной структуры ферромагнетика пользуютсянебольшим самодельным прибором (рис. 7). Он состоит из рамки с дном изорганического стекла и установленными на нем двадцатью остриями. Остриярасположены в четыре ряда на расстоянии примерно 15 мм друг от друга. Накаждое острие насажен стальной намагниченный цилиндрик с одним закругленнымторцом. «Сверху рамка закрыта стеклом, предохраняющим цилиндрики отсоскакивания с острия.
Спомощью приспособления для горизонтальной диапроекции прибор проецируют наэкран и обращают внимание учащихся на случайную самопроизвольную ориентациюмагнитиков вприборе. Наблюдаемая картина аналогична воображаемой картине расположения частиц вферромагнетике.
На рисунке 8, а показан один из случаеввозможного расположения цилиндриков. На нем можно заметить группы магнитиков содинаковой ориентацией. Это вполне соответствует наличию областей самопроизвольного намагничивания (доменов) в ненамагниченном ферромагнетике.
/>Подводя с двух противоположных сторон модели разноименныеполюсы прямых магнитов, заставляют цилиндрики повернуться закругленными концамив одну сторону. В этом случае на экране получится картина, изображающаямагнитное насыщение (рис. 8, б).
Если двигать над прибором полюс магнита и этимспособом привести магнитики в быстрое вращение, то они вновь образуютпо-разному ориентированные группы. Подобно этому происходит размагничиваниеобразца в переменном магнитном поле при ударах, при нагревании.
При выполнении этой модели главное вниманиенадо обратить на изготовление магнитиков. Их нарезают длиной по 12 мм изстальной проволоки диаметром 5 мм. В середине заготовленного цилиндрикасверлят глухое отверстие диаметром 2 мм, не доходя до конца на 1 — 1,5 мм(рис. 9). Чтобы вершина отверстия для иглы была более узкой, полезносделать небольшую дополнительную сверловку тонким сверлом (0,5 — 0,8 мм).
Если изготовленный цилиндрик неуравновешивается в горизонтальном положении, более тяжелый конец подпиливаютсверху или снизу (образовавшиеся плоскости на проекции не будут видны). Послеэтого все цилиндрики закаливают и намагничивают при помощи электромагнита, собранногоиз деталей универсального трансформатора.
РАЗМАГНИЧИВАНИЕСТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА ПРИ НАГРЕВАНИИ
Оборудование:1) магнит постоянный, 2) шуруп или гвоздь железный на нихромовой проволоке, 3)штатив универсальный, 4) горелка газовая, 5) осветитель для теневой проекции.
Науниверсальном штативе закрепляют сильный магнит и на тонкой нихромовойпроволоке подвешивают небольшой железный шуруп или гвоздь, как показано нарисунке 10. Шуруп должен притягиваться полюсом магнита и удерживаться на расстоянии 2 — 3 смот него, а проволока с подвешенным шурупом — образовывать угол 30° с вертикалью.
Затемподставляют газовую горелку так, чтобы шуруп попал в наиболее />горячую часть пламени и мог нагреться до ярко-красногокаления. Когда температура шурупа достигнет точки Кюри (753°С), он потеряетсвои ферромагнитные свойства, перестанет притягиваться и отпадает от магнита:проволока, на которой он подвешен, займет вертикальное положение.
/>Если магнитдостаточно силен, а проволочный подвес не слишком тяжел и отклонен на небольшойугол, то шуруп, отпадая, успевает слегка остыть и, как маятник, вновьвозвращается и притягивается к магниту. Таким образом, опыт сам собойпериодически повторяется. В дальнейшем будет полезно напомнить его учащимся какодин из примеров релаксационных колебаний.
Обычношуруп или гвоздь плохо виден учащимся. Поэтому приходится прибегать к теневойпроекции. Приборы надо размещать так, чтобы вся установка в целом была учащимсявидна непосредственно, а мелкие детали в увеличенном виде проецировались наэкран.
Длинашурупа или гвоздя, подобранного для опыта, не должна превышать 10 — 12 мм, иначетрудно будет добиться одновременного сильного накаливания его по всей длине.
/>
Проволокудля подвешивания надо брать не более 0,5 мм толщиной и лучше нихромовую (отнагревательной спирали), так как стальная или медная проволока быстроперегорает в пламени газовой горелки (при отсутствии газа можно воспользоватьсяпаяльной лампой).
Дляуспешного проведения опыта нужен сильный постоянный магнит из специальногосплава. Если такого магнита нет, его можно заменить электромагнитом.
/>Можно воспользоватьсяи обычным дугообразным магнитом, но в этом случае постановка опыта будет иной.В промежуток между полюсами такого магнита вводят железный гвоздь. Он тотчасбудет притянут одним из полюсов и расположится вдоль линий магнитного поля(рис. 11). Если после этого нагреть гвоздь в пламени газовой горелки, то принадлежащей степени нагрева гвоздь опустится. Однако, как только пламя будетудалено, гвоздь снова поднимется и примет прежнее положение. Для улучшениявидимости и в этом случае следует воспользоваться методом теневой проекции.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В курсовойработе рассматривается методика и техника демонстрационных опытов, которыевходят в курс изучения темы «Магнитное поле постоянного тока» (изучается в курсе физики 10-го класса), а также некоторые демонстрации изтемы «Физика конденсированного состояния» (изучается в курсе физики 11-гокласса).
Аименно, рассматриваются следующие демонстрации:
Действие магнитного поля на ток;
Взаимодействие двух параллельных токов;
Отклонение электронного пучка магнитным полем;
Модель доменнойструктуры ферромагнетика;
Размагничиваниестального образца при нагревании.
Автор нестремился везде и во всех деталях истолковывать физику демонстрируемых явленийи закономерностей. Эту задачу решают соответствующие курсы физики. В описанияхподробно раскрывается методика и техника эксперимента.
При описаниидемонстрационных опытов применялось учебное оборудование по физике, имеющееся вшколах. В тех случаях, когда этого оборудования оказывалось недостаточно,приведены самодельные приборы и методы их изготовления.
СПИСОКИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. В. В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович. Физика.Учебное пособие для 10 класса общеобразовательной школы с русским языкомобучения. – Мн., «Народная асвета», 2001г.
2. А.А. Покровский. Демонстрационный эксперимент по физике.Том 2. – М. «Просвещение», 1972г.
3. Программы средней общеобразовательной школы. Физика. X-XI классы. – Мн., 2001г.