Тема: «Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов. Магнитное поле Земли».

Учитель физики

 МБОУ  «Полевской лицей»

д. Полевая, Курского района, Курской обл., Филатова И.В.

                                Урок – исследование.

Тема:  «Постоянные  магниты.  Магнитное поле постоянных магнитов.  Магнитное поле Земли».

Цели урока: образовательная  – знакомство с физическими свойствами постоянных магнитов, магнитным полем Земли;  продолжение формирования навыков анализа источников информации, проведения экспериментов,  работы в группе; воспитательная  –  воспитание культуры умственного труда,  навыков групповой работы;   развивающая – развитие самостоятельности мышления, умения анализировать и делать выводы, логически мыслить.

Оборудование: микролаборатория: набор по магнетизму.

Ноутбук, мультимедийный проектор, презентация,  магниты.

1.     Организационный этап.  Объяснение целей и задач урока.

2.     Проверка домашнего задания:

1)     В  чём состоит опыт Эрстеда? (магнитная стрелка, располагающаяся под проводником с током поворачивается)  2) Какая связъ существует между электрическим током и магнитным полем? (магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, вокруг движущихся электрических зарядов)  3) Как располагаются железные опилки в магнитном поле прямого тока?  ( под действием магнитного поля  железные опилки располагаются  по концентрическим окружностям;  в магнитном поле железные опилки  намагничиваются и становятся  магнитными стрелочками) 4) Что называют магнитной линией магнитного поля? (линии вдоль которых устанавливаются оси магнитных стрелок). 5). Для чего вводят  понятие  магнитных  линий прямого тока? (с  помощью магнитных линий удобно изображать  магнитные поля графически). 6) Как на опыте показать, что направление магнитных  линий связано с направлением тока в проводнике? (поменять направление тока в проводнике) 7) Какими способами можно усилить магнитное поле катушки с током? (вставить сердечник или увеличить силу тока) 8) Что называют электромагнитом? (катушку с железным сердечником внутри).9) Для каких целей используют электромагниты?  (на заводах переносят грузы, магнитный сепаратор зерна, телеграфный,  телефонный аппарат, электрический звонок, электромагнитное реле)

3.     Активизация мыслительной деятельности. Учитель. Их используют в медицине и во многих других областях человеческой деятельности. Они есть в электроприборах. У них как минимум два полюса северный и южный. Они известны с древности. «Любящий камень» - такое название дали этому предмету китайцы. Притягивает железо, как нежная мать своих детей.  (Тшу –ши )

О чём идёт речь?

3. Большой энциклопедический словарь. Постоянный магнит. Изделие определённой формы (например,  в виде подковы,  полосы,  стержня) из предварительно намагниченного материала, способного сохранять значительную магнитную индукцию после устранения  намагничивающего поля. Применяется как источник постоянного магнитного поля в электротехнических, радиотехнических и электронных устройствах.    Магнит – камень из Магнесии, древнего города в Малой Азии. Естественные магниты  в природе – железная руда (так называемый магнитный железняк или магнетит)

«Магнит – магнитный камень, железняк, руда. Со свойством притягивать железо и, обращаясь на перевесе указывать на север и на юг,   а также передавать свойство это железу» В.Даль Толковый словарь живого великорусского языка. Тт. 1-4.

    Что такое постоянный магнит? Тела,  длительное время сохраняющие намагниченность, называются постоянными магнитами или просто магнитами.  Каковы свойства постоянных магнитов?

  Физика наука экспериментальная

4.Экспериментальная часть. Исследования учеников

Опыт 1.

1.Проверьте действие магнита на предметы.

2. Располагайте предметы вблизи разных частей магнита: у концов магнита и посередине от него.

Оборудование: магнит, различные тела (гвозди,  скрепки, алюминиевая проволока, тетрадь, брусок из дерева).

Проверив действие магнита на различные предметы и действие магнита на предметы, располагавшиеся у концов магнита и посередине, результаты записать в тетрадь.

Название предметов.	Расположение предмета  у концов магнита	Результаты опытов.
Название предметов	Расположение предметов у середины магнита	Результаты опытов.

                                                   Опыт 2.

Оборудование: полосовой магнит, опилки, пластиковая коробка.

Ход работы:

1.Положите на магнит  пластиковую коробку с железными опилками.

2.Постучите слегка по коробке с опилками.

3. Зарисуйте образовавшуюся картину в таблицу.

                                         Опыт 3.

Оборудование: подковообразный магнит, железные опилки, бумага.                   Ход работы:

1.Положите поровнее на магнит  плашмя пластиковую коробку с опилками

   2.Осторожно постучите по коробке.

   3.Зарисуйте образовавшуюся картину в таблицу.

Опыт 4.

Оборудование: и материалы: два (стержневых) полосовых  магнита, железные опилки, пластиковая коробка с железными опилками.

1.Положите магниты одноимёнными полюсами друг к другу.

Сверху пластиковую коробку с опилками. Слегка постучите по коробке.

2.Зарисуйте образовавшуюся картину в таблицу.

3. Положите магниты в тележки и разверните одноимёнными полюсами друг к другу. Убедитесь что магниты отталкиваются.

                                          Опыт 5.

Оборудование и материалы: два стержневых (полосовых) магнита, пластиковая коробка с железными опилками.

Ход работы:

1.    Положите магниты разноимёнными полюсами.

2.    Сверху положите пластиковую коробку с железными опилками и слегка постучите по ней.

3.    Зарисуйте образовавшуюся картину в таблицу.

4.    Положите магниты в тележки  и приблизьте  разноимёнными полюсами.  Убедитесь, что магниты притягиваются. Вывод: разноименные полюсы магнитов притягиваются.

                                                  Опыт 6.

Полосовой магнит, компас, железный гвоздь.

 Ход работы:

1.Поднесите магнит к компасу на расстояние нескольких сантиметров. Перемещая магнит,  следите за стрелкой компаса. Что происходит со стрелкой? Вывод: отклонение стрелки зависит от расстояния до стрелки.

2.    Поднесите железный гвоздь к компасу на расстояние нескольких сантиметров. Перемещая гвоздь,   следите за стрелкой компаса. Что происходит со стрелкой.

4.    Проведите несколько раз одним концом магнита по гвоздю, двигая его всегда в одном направлении. После этого поднесите гвоздь к компасу на несколько сантиметров, перемещая гвоздь,  следите за стрелкой компаса. Что происходит со стрелкой? Объясните это явление.

                                                 Опыт 7.

1.Натрите спицу одним полюсом постоянного магнита.

2.После намагничивания спицы убедитесь, что она стала магнитом. Для этого коснитесь концом спицы железных опилок. Опилки притягиваются.

Проверьте полярность намагниченной спицы. Вы увидите,  что при поднесении спицы к магнитной стрелке одним концом притягивается её южный полюс, а другим концом северный.

Вывод: при намагничивании спицы получился магнит с двумя полюсами: северным и южным.

Попытайтесь механически разломить спицу

С помощью магнитной стрелки убедитесь,  что однополюсного магнита не получилось.

Вывод из опытов. Итоги исследований.

1.    Постоянные магниты притягивают чугун,  железо, сталь,  некоторые сплавы, слабее никель и кобальт.

Есть  места, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия их называют полюсами магнита.

2.    Имеют не меньше двух полюсов: северный и южный.

3.    Одноимённые полюсы  отталкиваются, разноимённые притягиваются.

4.    Искусственные магниты получают поместив железо,  сталь, сплав никеля и кобальта в магнитное поле или натирая магнитом в одном направлением.

5.    Магнитные свойства исчезают при температуре выше, чем температура Кюри.

      6.Магнитные линии магнитного поля постоянного магнита замкнутые.линии. вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный замыкаясь внутри магнита, также как магнитные линии катушки с током.

7.Причина магнитного поля постоянных магнитов с точки зрения Ампера: круговой ток, циркулирующий  внутри частицы вещества (гипотеза Ампера). Вещества, которые значительно усиливают магнитное поле,  называют ферромагнетиками. Кроме железа к ферромагнетикам относятся никель, кобальт,  сплавы – электротехнические стали. Пермаллой, пермендюр,  альнико, инвар и другие. Ферромагнетизм объясняется качественно магнитными свойствами электронов. Каждый электрон в атоме обладает собственным (спиновым)  магнитным полем. У ферромагнетиков возникают условия для параллельной ориентации, вектора магнитной индукции спиновых магнитных полей части электронов и их сложения. В результате возникают области самопроизвольного намагничивания домены. Каждый домен представляет собой маленький магнит. Домены можно наблюдать в микроскоп. С этой целью на полированную поверхность ферромагнетика наносят каплю масла,  в которой взвешены мельчайшие частицы ферромагнитного порошка. Эти частицы концентрируются у границ доменов. Размеры доменов порядка 0.1 -1.01 мм.  При вынесении ферромагнитного образца из внешнего магнитного поля значительная часть доменов сохраняет упорядоченную ориентацию. Магнитно – твёрдый образец становится постоянным магнитом. Для изготовления постоянных магнитов используются специальные стали, сплавы железа с алюминием, никелем и кобальтом, оксидом железа и некоторых других  металлов.

5.    Актуальность изучаемой темы. Применение магнитов: магнитные сепараторы, электроизмерительные приборы, электротехнические, радиотехнические и электронные устройства, магнитные носители информации жёсткие диски, дискеты, кредитные банковские карты, телевизоры, громкоговорители,  микрофоны, магнитно – резонансный томограф.

6.   Изучение нового материала. Магнитное поле Земли

Какой вывод можно сделать из наблюдений за магнитной стрелкой,  которая всегда устанавливается в данном месте Земли в определённом направлении.

Вывод: вокруг Земли существует магнитное поле и магнитная стрелка устанавливается вдоль его  магнитных линий. Опыт показывает, что около 75 градусов северной широты и 99 градусов западной долготы магнитные линии становятся вертикальными,  входя в Землю. Здесь в настоящее находится  Южный магнитный полюс  Земли.  Он удалён от северного географического на 2100 км.

 Северный магнитный полюс  Земли находится вблизи Южного географического полюса, а именно на 66.5 градусах южной  широты и 140 градусах восточной долготы. Здесь магнитные линии магнитного поля Земли выходят из Земли. Магнитные полюсы Земли не совпадают с её географическими полюсами.  В связи  с этим  магнитная  стрелка  лишь приблизительно показывает на север.

Вертикальная плоскость,  в  которой устанавливается продольная ось магнитной стрелки,  называется плоскостью магнитного меридиана данной точки земной поверхности,  а прямую,  по которой эта плоскость пересекается с горизонтальной плоскостью, называют магнитным меридианом. Угол между направлением магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением, магнитное склонение называют западным или восточным в зависимости от того, к западу или к востоку от плоскости географического меридиана отклоняется северный полюс магнитной стрелки. Шкала измерения склонения  - от 0 до 180 градусов. Часто восточное склонение отмечают знаком «плюс», а западное знаком « минус». Линии земного магнитного поля  не параллельны  поверхности Земли. Магнитная индукция поля Земли не лежит в плоскости горизонта данного места,  а образует с этой плоскостью некоторый угол. Этот угол называется магнитным наклонением.  Представление о положении магнитной стрелки можно получить с помощью карданова подвеса. Три величины: склонение, наклонение и числовое значение магнитной составляющей полностью характеризует магнитное поле.

Магнитные бури - кратковременные изменения магнитного поля Земли. Появление магнитных бурь связано с солнечной активностью. В период солнечной активности с поверхности Солнца в мировое пространство выбрасываются потоки заряженных частиц. Магнитное поле, образуемое движущимися заряженными частицами, изменяет магнитное поле Земли и вызывает магнитную бурю. Магнитные аномалии: области,  в которых направление магнитной стрелки постоянно отклоняется от направления магнитной линии Земли. Различают магнитные аномалии континентальные, (площадью 10 – 100 тысяч квадратных километров, например, Восточно – Сибирская), региональные.1-10 тысяч квадратных километров), локальные аномалии,  причиной таких аномалий являются огромные залежи железной руды на сравнительно небольшой глубине. Примерами локальных аномалий  является Курская, Криворожская.

Причина земного магнетизма не изучена до конца. Установлено только,  что большую роль в создании  магнитного поля Земли играют разнообразные электрические токи,  текущие в атмосфере (особенно в верхних её слоях) и в земной коре. Ядро Земли является жидким, в нём могут циркулировать круговые токи. В 1958 году искусственные спутники Земли ССР и США  обнаружили 2 радиационных пояса в экваториальной плоскости Земли. Радиационные пояса представляют потоки заряженных частиц – электронов и протонов – кольцевой ток.

7.  Закрепление:

1.Можно ли разделить магнит на 2 части, каждую только с одним полюсом?

2.Как получить картину магнитного поля?

3.Как по картине магнитного поля можно судить о его воздействии на магнитную  стрелку?

4. Где расположены северный и южный магнитные полюсы Земли?

5. Что такое магнитные  аномалии? В чём их причина?

6 Что такое магнитные  бури?

Задачи.

128.1 Давно известно, что железные оконные решётки с течением времени намагничиваются. Объясните это явление. Какой вывод можно сделать из него относительно направления магнитной индукции земного магнитного поля?

 Ответ:  намагничивание вертикальных предметов в магнитном поле Земли доказывает, что магнитная индукция этого поля имеет вертикальную  составляющую, т. е. не лежит  в горизонтальной плоскости. Внизу будет находиться северный полюс,  вверху – южный (в северном полушарии).

128.2  Если бить молотком по железной полосе, расположенной с севера на юг, то полоса намагнитится. Как будут расположены полюсы на намагнитившейся таким образом полосе?

Ответ: На конце полосы обращённой к северу. Возникнет северный полюс на другом конце южный полюс.

128.3 Самопроизвольное намагничивание железных  предметов в магнитном поле Земли было использовано для устройства магнитных мин, которые устанавливаются на некоторой глубине под поверхностью воды. Мина всплывает и взрывается, когда намагниченный железный корабль проходит вблизи. Магнитная стрелка механизма мины поворачивается под действием магнитного поля корабля. Для борьбы с магнитными минами применяют два способа: магнитное траление этих мин и нейтрализацию магнитного поля корабля. Первый способ заключается в том,  что самолёт, летящий низко над поверхностью моря  проносит над этим участком подвешенный к нему на тросах сильный магнит. Иногда вместо этого на поверхность воды опускают на поплавках кабель в виде  кольца и пропускают по этому кольцу ток. Под влиянием поля магнита или тока все мины приходят в действие и взрываются,  не причиняя вреда.

Второй способ заключается в том, что на корабле укрепляют петли из изолированного провода и по ним пропускают токи с таким расчётом, чтобы магнитное поле этих токов было равно и противоположно полю корабля (постоянного магнита). Оба поля, складываясь,  уничтожают друг друга, и корабль свободно проходит над магнитной миной, не приводя  в действие её механизма. Как должен быть направлен ток в петле, если она расположена горизонтально: по часовой стрелке или против, если смотреть сверху? Имеет ли направление тока значение при первом способе?

Ответ: Корабль намагничивается так,  что внизу будет северный полюс,  а  вверху -  южный. Так как магнитное  поле тока должно компенсировать магнитное поле корабля, то оно  должно иметь противоположное  направление т. е. наверху должен находиться северный полюс. Ток в петле, если  смотреть сверху, должен иметь направление противоположное направлению движения часовой стрелки. Направление тока в первом случае,  при магнитном  тралении мин,  не имеет значения.

   8.Историческая страница.

Компас. В 3 веке китайский философ Хень Фей Цзы  описал устройство компаса. Он имел вид ложки из магнетита с тонким черенком. Ложка устанавливалась на медной пластине и могла легко вращаться.  Черенок указывал на юг. В 11 веке в Китае появилась стрелка компаса в виде рыбки, которая  находилась в воде. Голова рыбки указывала на юг. В 12 веке компас заимствовали арабы. В 13 веке плавающая игла стала известна европейцам. В 14 веке  магнитную стрелку стали помещать в середину круга из бумаги. Усовершенствовал компас итальянец Флавио Джой.

Применение магнитов. В 1934 году немецкий инженер Кемпер предложил  создание магнитной подвески. Принцип действия основан на отталкивании одноимённых полюсов магнита. Путь и днище поезда выкладываются постоянными магнитами с соответствующей ориентацией полюсов. Тягу будет создавать линейный электродвигатель, который имеет статор и ротор в виде полос.

История магнитного поля Земли. Придворный врач королевы  Елизаветы Уильям Гильберт (16 век). Увлёкшийся магнетизмом, изготовил шарообразный магнит, исследовал его свойства с помощью магнитной стрелки и пришёл к выводу, что земной шар – огромный космический магнит. Современные геофизики знают,  каким было магнитное поле Земли тысячи и даже миллионы лет назад – у горных пород, содержащих  железо,  появившихся в результате извержения вулкана остывшая лава намагнитилась в поле Земли. Потом магнитное поле изменилось, а затвердевшая лава сохранила намагниченность. Измеряя намагниченность,  геофизики обнаружили, что магнитные полюсы  Земли много раз менялись местами. За последний миллион лет это случалось 7 раз.

Задача. В 1963 году геофизики Фред Вайн и Драммонд Мэтьюс, изучая  магнитное поле морского дна, обнаружили, что с удалением от Серединно – Атлантического хребта по обе его стороны выделялись полосы  с прямой и обратной намагниченностью пород. Объясните  феномен. (Ответ: Чем дальше от хребта,  тем старше донные породы. Они образуются при остывании изливающейся из него магмы. При этом частицы железа ориентируются,  как стрелки компаса вдоль магнитного поля Земли. Следовательно, на протяжении земной истории полярность неоднократно менялась.

Геркон. Это герметизированный контакт. Прибор представляет собой  переключатель с пружинными контактами из ферромагнитного материала (пермаллоевой проволоки), помещённый в герметизированный стеклянный баллон, наполненный инертным газом.  Контакты срабатывают под действием магнитного поля, находящегося снаружи. Контактирующие поверхности обеспечивают надёжное электрическое  соединение при соприкосновении. Достоинством геркона являются малогабаритность, простота устройства, высокая надёжность, дешевизна. Благодаря этому прибор применяют в реле, устройствах сигнализации и управления, приборах вычислительной техники и различных реле, телефонных и телеграфных аппаратах. Контакты геркона срабатывают только при такой его ориентации в магнитном поле, когда он расположен вдоль линий магнитной индукции. Конец электрода,  в который входят магнитные линии,  становится южным полюсом, а из которого выходят -северным. Следовательно,  концы пермаллоевых проволок, обращённых друг к другу  намагничиваются разноимённо и притягиваются.

Выполнение тестовых заданий. Вариант 1.г2.б.3.в4.б 5.а.6. б.

Вариант 2. 1.а. 2.г. 3.а.4.а. 5. б. 6.г.

9.Подведение итогов урока.

Что нового узнали на уроке. Выставление оценок.

10. Инструктаж по выполнению домашнего задания.

§ 60. 61 стр173.  Пёрышкин А.В. Упражнения  № 42, 43.