Методические указания по проведению практической работы «Расчет силы Ампера и силы Лоренца» по учебной дисциплине "Физика"

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ЛИПЕЦКОЙ ОБЛАСТИ

ГОАПОУ «Липецкий металлургический колледж»

Методические указания по проведению практических работ  по дисциплине «Физика»

Раздел  «Электромагнетизм»
Практическая работа №6
«Расчет силы Ампера и силы Лоренца»
	для специальности (группы специальностей):1 курса 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), 15.02.01 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям), 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям), 22.02.01 Металлургия черных металлов 22.02.05 Обработка металлов давлением 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы 09.02.04 Информационные системы (по отраслям) 09.02.05 Прикладная информатика (по отраслям) 15.02.03 Техническая эксплуатация гидравлических машин, гидроприводов и гидропневмоавтоматики
	Липецк-2015

Методические указания по проведению практической работы по
дисциплине ОДп 12 «Физика» для специальностей 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), 22.02.01 Металлургия черных металлов, 22.02.05 Обработка металлов давлением, 15.02.01 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям), 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям), 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы, 09.02.04 Информационные системы (по отраслям), 09.02.05 Прикладная информатика(по отраслям),15.02.03 Техническая эксплуатация гидравлических машин, гидроприводов и гидропневмоавтоматики  по разделу «Электромагнетизм».

Составитель:       Красникова Л.Н., преподаватель математических дисциплин

ОДОБРЕНО Цикловой комиссией МОЕНД Председатель: _______________ /Красникова Л.Н./

Заместитель директора по учебной работе: _________________/Перкова Н. И./

Методические указания по проведению практических работ предназначены для студентов ГОАПОУ «Липецкий металлургический колледж» специальности 1 курса для подготовки к практическим работам с целью освоения практических умений и навыков по разделу «Электромагнетизм».

Методические указания по проведению практических работ составлены в соответствии с рабочей программой ОДп 12 для специальностей 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), 22.02.01 Металлургия черных металлов, 22.02.05 Обработка металлов давлением, 15.02.01 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям), 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям), 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы, 09.02.04 Информационные системы (по отраслям), 09.02.05 Прикладная информатика(по отраслям), 15.02.03 Техническая эксплуатация гидравлических машин, гидроприводов и гидропневмоавтоматики 

Введение

Методические указания по выполнению практической работы разработаны согласно рабочей программе ОДп 12 «Физика» для специальностей 1 курса по разделу  «Электромагнетизм».

Практические работы направлены на овладение следующими знаниями и умениями.

В результате изучения раздела студенты должны:

знать:

-    понятия: магнитное поле, магнитная проницаемость, магнитная индукция и напряженность магнитного поля, магнитный поток, электромагнитная индукция, самоиндукция, индуктивность, потокосцепление,

-    уметь:

-   решать задачи с использованием законов Ампера и электромагнитной индукции

-    . определять направление индукции и напряженности магнитного поля; направление действия сил Ампера и Лоренца;

Практические работы следует проводить по мере прохождения студентами теоретического материала.

Практические работы рекомендуется производить в следующей последовательности:

- вводная беседа, во время которой кратко напоминаются теоретические вопросы по теме работы, разъясняется сущность, цель выполнения работы;

- самостоятельное выполнение заданий;

- защита практической работы в форме собеседования.

Методические указания к выполнению практической работы для студентов

1.                К выполнению практической работы необходимо приготовиться до начала занятия, используя рекомендованную литературу и конспект лекций.

2.                Студенты обязаны иметь при себе линейку, карандаш, калькулятор, тетрадь.

3.                При подготовке к сдаче практической работы, необходимо ответить на предложенные контрольные вопросы.

Практическая работа №5

Тема:  «Расчет силы Ампера и силы Лоренца».

Цель: Научиться решать задачи с использованием законов Ампера и Лоренца

Порядок выполнения работы:

1.    Внимательно прочитать теоретическую часть и план решения задач

2.    Рассмотреть примеры решения задач

3.    Ответить на контрольные вопросы.

4.    Получить и выполнить индивидуальные задания.

Теоретическая часть

Сила Ампера

Сила, действующая на прямолинейный проводник с то ком, помещенный в магнитное поле, называется силой Ампера. Модуль силы Ампера равен произведению силы тока I, протекающего в проводнике, на модуль вектора магнит ной индукции В, на длину проводника l и на синус угла а между вектором В и проводником с током:

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца указывали направления тока, перпендикулярная к про воднику составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, то отогнутый на 90° большой палец укажет на правление силы Ампера.

Сила Лоренца

Сила, действующая на электрический заряд, движущийся в магнитном поле, называется силой Лоренца. Модуль силы Лоренца равен произведению абсолютного значения движущегося заряда q на скорость его движения v, на мо дуль вектора магнитной индукции В и на синус угла а меж ду векторами В и v :

Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца указывали направление скорости движения заряжен ной частицы, перпендикулярная к скорости составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, то отогнутый на 90° большой палец укажет направления силы, действующей на положительный заряд и направление, противоположное направлению силы Лоренца, действующей на отрицательный заряд.

Движение заряженных частиц в магнитном поле. На заряженную частицу, движущуюся в однородном магнитном поле перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, действует постоянная по модулю и направлению сила Лоренца, направленная перпендикулярно вектору скорости. Под действием силы Лоренца заряженная частица движется по окружности постоянного радиуса. Окружность лежит в плоскости, перпендикулярной к вектору магнитной индукции, а сила Лоренца является центростремительной. Радиус окружности R, по которой движется частица, определяется Из условия:

 

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен:

Отклонение заряженной частицы, движущейся перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, используется для определения знака заряда частицы.

Если вектор скорости заряженной частицы составляет угол а с направлением вектора магнитной индукции В од однородного поля, то частица движется по винтовой линии. Радиус витка R:

Шаг витка h равен:

План решения задач по теме « Электромагнетизм»

Задачи по электромагнетизму можно условно разделить на четыре группы:

1) задачи о действии магнитного поля на проводники с током;

2) задачи о действии магнитного поля на заряженные частицы;

3) задачи на закон электромагнитной индукции;

4) комбинированные задачи.

Для решения задач первой группы нужно сделать чертеж, на котором указать контур с током и направление линий магнитной индукции поля. По правилу левой руки определить направление сил, действующих со стороны поля на контур, и построить векторы этих сил на чертеже. Если в задаче рассматривается равновесие проводника или контура с током в магнитном поле, то помимо силы Ампера нужно указать и все остальные приложенные к проводнику силы и записать уравнение равновесия  или . В результате получим уравнение для определения искомой величины.

Если в задаче идет речь о движении заряженной частицы в электрическом и магнитном поле, то для ее решения делают чертеж, на котором указывают направление электрического и магнитного поля, направление сил электрического и магнитного поля. Силу тяжести обычно не учитывают. Затем, используя уравнение второго закона Ньютона и, если Нужно, уравнения кинематики, находят искомую величину

Для решения задач третьей группы устанавливают причину изменения магнитного поля. Затем находят поток поли Ф₁и Ф₂ в момент времени t₁и t₂. Подставив полученные данные в исходную формулу закона электромагнитной индукции, находят искомую величину.

Четвертая группа задач наиболее сложная. При решении этих задач используют все вышеописанные правила.

Примеры решения задач

Пример 1.

Пылинка массой 10 мг, зарядом 10 мкКл в магнитном поле с индукцией 5 Тл описала окружность радиусом 6 м. Ско­рость пылинки равна... (м/с).

Дано: m= 10 мг = 10-5 кг q= 10 мкКл = 10-5Кл R = 6 м B = 5Тл	Решение: На заряженную пылинку в магнит­ном поле действует сила Лоренца. Сила Лоренца является центростре­мительной: . Выразим скорость движения частицы
v - ?

.

Подставляем числовые значения

.

Ответ:.

Пример 2.

Сила тока в контуре меняется по закону , где t- время, в секундах. Если при t = 0 магнитный поток равен 0,2 Вб, то в конце пятой секунды он равен...(в Вб).

Дано: I = (1+1,2t) A Ф0=0,2 Вб t0= 20 с t = 5 с	Решение: В начальный момент времени магнит­ный поток: Ф0= LI0. В произвольный момент времени: Ф = LI.
Ф = ?

Отношение магнитных потоков: .

Значение силы тока в момент времени t₀ =0:

.

В момент времени t = 5 с: .

Произведем вычисления:

.

Ответ: 1,4 Вб.

Пример 3.

Круговой виток радиусом 5 см помещен в однородное магнитное поле, индукция которого 10^-3 Тл. При пропуска­нии по витку тока 0,5 А виток повернулся на угол 30°. На виток действовал момент сил, равный ...(Н м).

Дано: R = 5 см = 5*10-2 м B = 10-3 Тл I = 0,5 А  = 30o	Решение: Модуль момента сил, действующих на виток с током в магнитном поле: . Виток круговой, следовательно, его пло­щадь . Получаем формулу для расчета:
М = ?

Подставляем числовые значения:

Ответ: .

Пример 4.

В однородное магнитное поле с индукцией 0,6 Тл влетает альфа-частица (т = 6,64*10^-27 кг) со скоростью 1000 м/с. Ско­рость частицы перпендикулярна к направлению линий ин­дукции магнитного поля. Период обращения частицы ра­вен... (мкс).

Дано: v= 1000 м/с B= 0,6 Тл q= 2e = 3,2*10-19 Кл = 90o m = 6,64*10-27 кг	Решение: В магнитном поле на движущийся заряд действует сила Лоренца. Т.к. ско­рость частицы перпендикулярна к на­правлению линий индукции магнитно­го поля, то эта сила является центрос­тремительной: .                         (1) Период обращения: .
Т - ?

Радиус окружности выражаем из уравнения (1):

и подставляем в формулу периода обращения частицы:

.

Подставляем числовые значения:

.

Ответ: 0,22 мкс.

Пример 5.

Магнитный поток через контур из проволоки с сопротив­лением 4 Ом равномерно увеличился от нуля до 6*10^-4Вб. Какой заряд при этом прошел через поперечное сечение про­водника?

Дано: Ф = 0 Ф = 6*10-4Вб R = 4 Ом	Решение: При равномерном изменении магнитного потока, пронизывающего контур, сила тока протекающего в проводнике постоянна. Следовательно: q-It. Найдем силу тока в цепи. По закону Фа­радея:  - время изменения магнитного потока.
q - ?

По закону Ома для полной цепи сила тока: , где R- сопротивление проводника, являющееся в

данной задаче общим сопротивлением цепи. Окончательно получаем общую формулу:

.

Подставляем числовые значения:

.

Ответ:

Пример 6.

Катушка индуктивности диаметром 4 см, имеющая 400 витков медной проволоки сечением 1мм², расположена в однородном магнитном поле, индукция которого направле­на вдоль оси катушки и равномерно изменяется со скорос­тью 0,1Тл/с. Концы катушки замкнуты накоротко. Опреде­лите количество теплоты, выделяющееся в катушке за 1с. Удельное сопротивление меди равно 1,710^-8Ом*м.

Дано: N = 400  = 0,1 Тл/с S = 1 мм2 = 10-6 м2 d = 4 см = 4*10-2м r = 1,7*10-8 Ом*м	Решение: Количество теплоты, выделяющееся в катушке за 1с, равно: Р=I2R, где . В каждом витке при измене­нии магнитного поля возбуждается ЭДС индукции, равная , а во всей катушке ; т.к. .  – площадь витка; ; тогда
P - ?

.

Ответ: .

Пример 7.

Плоский виток провода расположен перпендикулярно однородному магнитному полю. Когда виток повернулся на , по нему прошел заряд 7,2 мКл. На какой угол по­вернулся виток, если по нему прошел заряд 1,8 мКл?

Дано: q1 = 7,2 мКл q2 = 1,8 мКл	Решение: , с другой стороны , .
- ?

В 1 случае:

.

Во 2 случае:

,

.

Учитывая (*):,

.

.

Ответ: .

Пример 8.

Нихромовая проволока длиной l = 0,2 м подвешена на тонких невесомых нитях в однородном магнитном поле с индукцией В = 0,1 Тл. На какой угол а отклонится эта про­волока, если к ее концам приложить напряжения U= 0,5В.

Дано: l = 0,2 м B = 0,1 Тл U = 0,5 В	Решение:
- ?

На проволоку действует три силы: сила Ампера, сила тя­жести и сила натяжения невесомых нитей. Т. к. проволока находится в равновесии, геометрическая сумма сил, действу­ющих на нее, равна нулю.

.

Из геометрических построений следует, что:

,

.                              (1)

Модуль силы тяжести: , где  - плотность нихрома; S- площадь сечения нихромовой проволоки.

Ток, протекающий по проволоке, можно рассчитать по закону Ома для участка цепи:

,

где  - удельное сопротивление нихрома.

Подставим выражение силы тяжести и силы тока в фор­мулу (1) и получим:

.

;

.

Найдем угол :

.

Ответ: 70°.

Контрольные вопросы для самопроверки

1.     Что называется магнитами? Каковы их свойства?

2.     Как определяют направление вектора магнитной индукции?

3.     Запишите и объясните закон Ампера.

4.     Какое магнитное поле называется однородным?

5.     Сформулируйте правило левой руки применительно к закону Ампера.

6.     Что называют колебательным контуром?

7.     Какова роль индуктивности в колебательном контуре?

8.     Какие характеристики электрического и магнитного полей периодически изменяются в бегущей электромагнитной волне? Каким образом?

9.     Выведите выражение для силы Лоренца.

Индивидуальные задания к практической работе №6

Вариант №1

1.  Прямолинейный проводник длиной 0,4 м помещен в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции. Определите индукцию магнитного поля, если при силе тока 2 А на проводник действует си ла 4 Н.

2.  Рассчитайте силу тока, протекающего по плоскому контуру площадью 5 см2, находящемуся в однородном магнитном поле с индукцией 0,5 Тл, если максимальный вращающий момент, действующий на контур со стороны поля, равен 0,25 мН • м.

 3.Определите индуктивность катушки, если при силе тока 6,2 А ее        магнитное поле обладает энергией 0,32 Дж.

Вариант №2

1.  Рассчитайте силу тока, протекающего по плоскому контуру площадью 5 см², находящемуся в однородном магнитном поле с индукцией 0,5 Тл, если максимальный вращающий момент, действующий на контур со стороны поля, равен 0,25 мН • м.

2.  Какова сила тока, проходящего по прямолинейному проводнику, расположенному перпендикулярно однородному магнитному полю, если на активную часть проводника длиной 40 см действует сила в 20 Н при индукции магнитного поля 10 Тл?

 3.Поток магнитной индукции через площадку, расположенную в магнитном поле, равен 0,3 Вб. Чему равен модуль изменения магнитного потока при повороте площадки на 180° относительно оси, лежащей в плоскости площадки

Вариант №3

1.     Какова сила тока, проходящего по прямолинейному проводнику, расположенному перпендикулярно однородному магнитному полю, если на активную часть проводника длиной 40 см действует сила в 20 Н при индукции магнитного поля 10 Тл?

2.  Чему равна индукция магнитного поля, если на прямоугольную рамку, сила тока в которой 0,5 А, действует максимальный вращающий момент 10"2 Н • м? Размеры рамки 20 х 30 см2.

3.Линии индукции магнитного поля пересекают площадку в 0,02 м2 под прямым углом. Определите поток магнитной индукции, пронизывающий площадку, если индукция магнитного поля равна 2 Тл.

Вариант №4                                                            

1.    Чему равна индукция магнитного поля, если на прямоугольную рамку, сила тока в которой 0,5 А, действует максимальный вращающий момент 10"2 Н • м? Размеры рамки 20 х 30 см2.

2.  Прямолинейный проводник с током помещен в однородное магнитное поле с индукцией 2 Тл. Определите силу, с которой действует магнитное поле на проводник, если его длина 10 см, сила тока в проводнике 5 А и проводник составляет с направлением индукции магнитного поля угол 30°.

3.Два параллельных проводника, сила тока в которых одинакова, находятся на расстоянии 8,7 см друг от друга и притягиваются с силой 0,025 Н. Какова сила тока в проводниках, если длина каждого из них 3,2 м?

Вариант №5

1.                Прямолинейный проводник с током помещен в однородное магнитное поле с индукцией 2 Тл. Определите силу, с которой действует магнитное поле на проводник, если его длина 10 см, сила тока в проводнике 5 А и проводник составляет с направлением индукции магнитного поля угол 30°.

2.                Рамка площадью 100 см2 помещена в однородное магнитное поле с индукцией 0,5 Тл. Найдите максимальный вращающий момент сил, действующих на рамку, если сила тока в ней 1000 А.

3.Электрон влетает в магнитное поле перпендикулярно линиям индукции со скоростью 107 м/с. Найдите индукцию поля, если электрон описал в поле окружность радиусом 1 см.

Вариант №6

1.                Рамка площадью 100 см2 помещена в однородное магнитное поле с индукцией 0,5 Тл. Найдите максимальный вращающий момент сил, действующих на рамку, если сила тока в ней 1000 А.

2.                Какова индукция однородного магнитного поля, если на прямоугольную рамку (20 х 30 мм2), помещенную в поле, действует максимальный вращающий момент 0,003 Н • м? Рамка состоит из 100 витков, сила тока в рамке 5 А.

3.Определите силу тока в проводнике, если он притягивает к себе параллельный проводник длиной 2,8 м, сила тока в котором 58 А, с силой 3,4*10 -3 Н. Расстояние между проводниками 12 см.

Вариант №7

1.      Определите длину активной части прямолинейного проводника, помещенного в однородное магнитное поле с индукцией 400 Тл, если при силе тока 2,5 А на него действует сила в 100 Н. Проводник расположен под углом 30е к линиям индукции магнитного поля.

  2.Квадратная рамка со стороной 5 см, имеющая 10 витков, находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл. Плоскость рамки составляет угол 0° с направлением магнитного поля. Определите вращающий момент сил, действующих на рамку, если сила тока в рамке равна 4 А.

  3.Протон в однородном магнитном поле с индукцией 0,01 Тл описал окружность радиусом 10 см. Найдите скорость движения протона (тр = 1,67 • 10 -27 кг, е+=1,6 х х 10 -19 Кл).

Вариант №8

1.      Какова индукция однородного магнитного поля, если на прямоугольную рамку (20 х 30 мм2), помещенную в поле, действует максимальный вращающий момент 0,003 Н • м? Рамка состоит из 100 витков, сила тока в рамке 5 А.

2.      Пылинка с зарядом в 10 -6 К л и массой 1 мг влетает в однородное магнитное поле и движется по окружности. Определите период обращения пылинки, если модуль индукции магнитного поля равен 1 Тл.

  3.Два параллельных проводника, сила тока в которых по 100 А,      находятся в вакууме. Определите расстояние между проводниками, если вследствие их взаимодействия на отрезок проводника длиной 75 см действует сила 0,05 Н.

Вариант №9

1.           Под каким углом расположен прямолинейный проводник к линиям индукции магнитного поля с индукцией  15 Тл, если на каждые 10 см длины про водника действует сила в 3 Н, когда по нему проходит ток 4 А?

2.           Пылинка, заряд которой 10 -5 Кл и масса 1 мг, влетает в однородное магнитное поле с индукцией 1 Тл и движется по окружности. Сколько оборотов сделает пылинка за 3,14 с?

 3.Два параллельных длинных проводника расположены в вакууме на расстоянии 4 см друг от друга. В одном из них сила тока 25 А, а в другом — 5 А. Найдите длину участка проводника, на который будет действовать сила 0,0012 Н.

Вариант №10

1.           Квадратная рамка со стороной 5 см, имеющая 10 витков, находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл. Плоскость рамки составляет угол 0° с направлением магнитного поля. Определите вращающий момент сил, действующих на рамку, если сила тока в рамке равна 4 А.

2.           Какова сила тока в двухпроводной линии постоянного тока, если сила взаимодействия между проводами на каждый метр длины равна 10 -4 Н, а расстояние между проводами 20 см?

3.Электрон движется со скоростью 2 • 107 м/с в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, с индукцией 0,1 Тл. Определите радиус траектории движения электрона (те = 9,1 • 10 -31 кг, е = -1,6 • 10 -19 Кл).