Домашняя
работа по физике
за 11 класс
к учебнику «Физика. 11 класс» Г.Я Мякишев, Б.Б. Буховцев, М.: «Просвещение», 2000 г .
учебно-практическое пособие
Упражнение 1 ………..……..………………………… | |
Глава 2. Электромагнитные колебания | |
Упражнение 2 ……...…..….…..……………………… | |
Глава 3. Производство, передача и использование | |
электрической энергии | |
Упражнение3 ………..……..…………………………… | |
Глава 4. Электромагнитные волны | |
Упражнение 4 ………..……..………………………… | |
Глава 5. Световые волны | |
Упражнение 5 ………..……..………………………… | |
Упражнение 6 ………..……..………………………… | |
Глава 6. Элементы теории относительности | |
Упражнение 7 ………..……..………………………… | |
Глава 8. Световые кванты | |
Упражнение 8 ………..……..………………………… | |
Глава 9. Атомная физика | |
Упражнение 9 ………..……..………………………… | |
Глава 10. Физика атомного ядра | |
Упражнение 10 ………..……..………………………… | |
Лабораторные работы | |
Лабораторнаяработа№1. ..…………………………. | |
Лабораторнаяработа№2. ..…………………………. | |
Лабораторнаяработа№3. ..…………………………. | |
Лабораторнаяработа№4. ..…………………………. | |
Лабораторнаяработа№5. ..…………………………. | |
Лабораторнаяработа№6. ..…………………………. |
Глава 1. Электромагнитная индукция
Упражнение 1
Задание № 1
Ключ (в схеме на рис.1) только что замкнули. Ток в нижней катушке направлен против часовой стрелки, если смотреть сверху. Каково направление тока в верхней катушке при условии, что она неподвижна?
Когда мы замкнули ключ, по нижней катушке пошел ток, направленный против часовой стрелки. По правилу буравчика мы можем определить, что вектор магнитной индукции этого тока направлен вверх. Поэтому индуктивный ток верхней катушки противодействует своим полем этому изменению (правило Ленца). Следовательно, линии магнитной индукции верхней катушки В ′ направлены вниз, а ток по правилу буравчика направлен по часовой стрелке.
Задание № 2
Магнит (рис.2, б) выдвигают из катушки. Определите направление индукционного тока в катушке.
Выдвигая магнит из катушки (например, северным полюсом), мы, таким образом, уменьшаем магнитный поток через какой-либо виток катушки. Магнитное поле индукционного тока катушки компенсирует это изменение (правило Ленца). Следовательно, индукционный ток потечет по часовой стрелке (Вектор магнитной индукции катушкиВ ′ направлен вниз). В обратном случае (магнит вытягиваем полюсомS ) мы наблюдаем обратное.
Задание № 3
Определите направление индукционного тока в сплошном кольце, к которому подносят магнит
Поднося к кольцу магнит, мы тем самым повышаем магнитный поток через поверхность кольца. Если магнит подносить полюсом S , то линии магнитной индукции идут
от кольца. В кольце появляется индукционный ток. Вектор магнитной индукции поля кольца направлен от магнита по правилу Ленца. Следовательно, ток течет против часовой стрелки. Если магнит подносить противоположным способом, то произойдет обратное.
Задание № 4
Сила тока в проводнике ОО ′ (рис.20) убывает. Найдите направление индукционного тока в неподвижном контуре ABCD и направления сил, действующих на каждую из сторон контура.
плоскости рисунка. Когда мы уменьшаем ток, мы тем самым r
уменьшаем Β . Следовательно, поток через контур тоже
уменьшается. Вектор индукции Β инд поля индукционного тока по правилу Ленца направлен так же как иВ . По правилу буравчика находим, что ток в контуре идет по часовой стрелке. Применив правило левой руки, можно выяснить, что силы действующие на проводники тока, во-первых, растягивают
рамку, стремясь увеличить ее площадь, а, во-вторых, их результирующая направлена к прямолинейному проводнику.
Задание № 5
Металлическое кольцо может свободно двигаться по сердечнику катушки, включенной в цепь постоянного тока (рис.21). Что будет происходить в моменты замыкания и размыкания цепи?
Случай замыкания и размыкания цепи эквивалентен поднесению и удалению к кольцу магнита. В первом случае при
замыкании цепи возникает ток (в катушке), направленный против часовой стрелки. Вектор магнитной индукции данного поля тока направлен влево (правило буравчика). По правилу ленца индукционный ток противодействует своим
полем данному изменению. Следовательно, вектор r
магнитной индукции Β инд индукционного тока направлен вправо. Поэтому кольцо и катушка подобны двум магнитам, расположенным одинаковыми полюсами друг к другу. Они отталкиваются.
При размыкании магнитное поле, направленное вправо, исчезает, и индукционный ток препятствует этому. Векторы магнитной индукции его поля также направлены вправо. Следовательно, кольцо притягивается к катушке.
Задание № 6
Сила тока в катушке нарастает прямо пропорционально времени. Каков характер зависимости силы тока от времени в другой катушке, индуктивно связанной с первой?
При прямо пропорциональном возрастании силы тока в катушке, модуль вектора В поля катушки также прямо пропорционально возрастает по времени (В~t ). Так какФ =ВS cosα , то магнитный поток также растет пропорционально времени (Ф~t ).
Это дает нам то, что
ε i= | ∆Φ | Const постоянна во | I инд |
|||
∆t |
||||||
εi (t ) | ||||||
Const также постоянен. | По правилу | |||||
направлен противоположно I. Но это постоянное значение тока установится не сразу. Причиной этому является явление самоиндукции.
Задание № 7
В каком случае колебания стрелки магнитоэлектрического прибора затухают быстрее: когда клеммы прибора замкнуты накоротко или когда разомкнуты?
При замкнутых клеммах колебания стрелки затухают быстрее, чем при разомкнутых. Это объясняется тем, что действие любого магнитоэлектрического прибора основано на взаимодействии подвижного контура тока с магнитным полем постоянного магнита. Ток, протекающий по рамке, создает силы
Ампера, которые в свою очередь создают вращательный момент. При разомкнутых клеммах ток по рамке прибора не течет. Следовательно, рамка совершает колебания, затухающие за счет трения. А когда клеммы замкнут, то колебания затухают не только за счет трения, но и за счет диссипативных процессов, возникающих при протекании в ней индукционного тока.
Задание № 8
Магнитный поток через контур проводника сопротивлением 3· 10–2 Ом за 2 с изменился на 1,2· 10–2 Вб. Найдите силу тока в проводнике, если изменение потока происходило равномерно.
Дано: Решение:
R = 3· 10–2 Ом
∆ t = 2 с
∆ Ф = 1,2· 10–2 Вб
I - ?
Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС индукции ε i в замкнутом контуре равна:
ε i =∆ ∆ Φ t =∆ ∆ Φ t .
Ток I в контуре, в соответствии с законом Ома, равен: |
|||||||||||||
∆Φ | 1,2 10−2 | А = 0,2А |
|||||||||||
3 10-2 2 |
|||||||||||||
R R ∆ t | |||||||||||||
Вб | |||||||||||||
[Ι ]= |
ν
= 900 км/ч = 250 м/с = = 2,5 102
м/сВ
= 5 10-2
Тл l = 12 м ε i - ? вычислим ЭДС индукции ε i , возникающую в проводнике (самолете), движущемся в однородном магнитном поле. Пусть вектор магнитной индукции Β перпендикулярен крыльям самолета и составляет некоторый уголα с направлением его скорости υ r . (Если у индукции магнитногоr поля Β есть составляющая, параллельная крыльям, то ее можно не учитывать при решении задачи, так как эта составляющая вызывает силу Лоренца, направленную перпендикулярно крыльям). | ||||||||||||
>> Направление индукционного тока. Правило Ленца
Присоединив катушку, в которой возникает индукционный ток, к гальванометру, можно обнаружить, что направление этого тока зависит от того, приближается ли магнит к катушке (например, северным полюсом) или удаляется от нее (см. рис. 2.2, б).
Возникающий индукционный ток того или иного направления как-то взаимодействует с магнитом (притягивает или отталкивает его). Катушка с проходящим по ней током подобна магниту с двумя полюсами - северным и южным. Направление индукционного тока определяет, какой конец катушки выполняет роль северного полюса (линии магнитной индукции выходят из него). На основе закона сохранения энергии можно предсказать, в каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких отталкивать его.
Взаимодействие индукционного тока с магнитом. Если магнит приближать к катушке, то в ней появляется индукционный ток такого направления, что магнит обязательно отталкивается. Для сближения магнита и катушки нужно совершить положительную работу. Катушка становится подобной магниту, обращенному одноименным полюсом к приближающемуся к ней магниту. Одноименные же полюса отталкиваются.
При удалении магнита, наоборот, в катушке возникает ток такого направления, чтобы появилась притягивающая магнит сила.
В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление? В первом случае число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, увеличивается (рис. 2.5, а), а во втором случае уменьшается (рис. 2.5, б). Причем в первом случае линии индукции магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец. Эти линии магнитной индукции на рисунке 2.5 изображены черным цветом. В случае а катушка с током аналогична магниту, северный полюс которого находится сверху, а в случае б - снизу.
Аналогичные выводы можно сделать с помощью опыта, показанного на рисунке 2.6. На концах стержня, который может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, закреплены два проводящих алюминиевых кольца. Одно из них с разрезом. Если поднести магнит к кольцу без разреза, то в нем возникнет индукционный ток и направлен он будет так, что это кольцо оттолкнется от магнита и стержень повернется. Если удалять магнит от кольца, то оно, наоборот, притянется к магниту. С разрезанным кольцом магнит не взаимодействует, так как разрез препятствует возникновению в кольце индукционного тока. Отталкивает или притягивает катушка магнит, это зависит от направления индукционного тока в ней. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока.
Теперь мы подошли к главному: при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует усилению магнитного потока через витки катушки. Ведь линии индукции этого поля направлены против линий индукции поля, изменение которого порождает электрический ток. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный
ток создает магнитное поле с индукцией , увеличивающее магнитный поток через витки катушки.
В этом и состоит сущность общего правила определения направления индукционного тока, которое применимо во всех случаях. Это правило было установлено русским физиком Э. X. Ленцем .
Согласно правилу Ленца возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. Более кратко это правило можно сформулировать следующим образом: индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей.
Применять правило Ленца для нахождения направления индукционного тока в контуре надо так:
1. Определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля.
2. Выяснить, увеличивается ли поток вектора магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (Ф > 0), или уменьшается (Ф < 0).
3. Установить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям магнитной индукции при Ф > 0 и иметь одинаковое с ними направление при Ф < 0.
4. Зная направление линий магнитной индукции , найти направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика.
Направление индукционного тока определяется с помощью закона сохранения энергии. Индукционный ток во всех случаях направлен так, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, вызывающего данный индукционный ток .
1. Как определяется направление индукционного тока?
2. Возникнет ли в кольце с разрезом электрическое поле, если подносить к нему магнит!
1. Определите направление индукционного тока в сплошном кольце, к которому подносят магнит (см. рис. 2.6).
2. Сила тока в проводнике ОО" (см. рис. 2.20) убывает. Определите направление индукционного тока в неподвижном контуре ABCD и направления сил, действующих на каждую из сторон контура.
3. Металлическое кольцо может свободно двигаться по сердечнику катушки, включенной в цепь постоянного тока (рис. 2.21). Что будет происходить в моменты замыкания и размыкания цепи?
4. Магнитный поток через контур проводника сопротивлением 3 · 10 -2 Oм за 2 с изменился на 1,2 · 10 -2 Вб. Определите силу тока в проводнике, если изменение потока происходило равномерно.
5. Самолет летит горизонтально со скоростью 900 км/ч. Определите разность потенциалов между концами его крыльев, если модуль вертикальной составляющей магнитной индукции земного магнитного поля 5 10 -5 Тл, а размах крыльев 12 м.
6. Сила тока в катушке изменяется от 1 А до 4 А за время, равное 3 с. При этом возникает ЭДС самоиндукции, равная 0,1 В. Определите индуктивность катушки и изменение энергии магнитного поля, создаваемого током.
7. В катушке индуктивностью 0,15 Гн и очень малым сопротивлением r сила тока равна 4 А. Параллельно катушке присоединили резистор сопротивлением R << r. Какое количество теплоты выделится в катушке и в резисторе после быстрого отключения источника тока?
Выясним важный вопрос о направлении индукционного тока.
Присоединив катушку, в которой возникает индукционный ток, к гальванометру, обнаружим, что направление этого тока зависит от того, приближается ли магнит к катушке (например, северным полюсом) или удаляется от нее (рис. 240, б).
Возникающий индукционный ток того или иного направления взаимодействует с магнитом. Катушка с протекающим по ней током подобна магниту с двумя полюсами северным и южным. Направление индукционного тока определяет, какой конец катушки играет роль северного полюса (линии магнитной индукции выходят из него), а какой - южного (линии магнитной индукции входят в него). Опираясь на закон сохранения энергии, можно предсказать, в каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких - отталкивать его.
Взаимодействие индукционного тока с магнитом. Если магнит приближать к катушке, то появляющийся в проводнике индукционный ток будет обязательно отталкивать магнит. Для сближения магнита и катушки нужно совершить положительную работу. Катушка становится подобной магниту, обращенному одноименным полюсом к движущемуся магниту. Одноименные же полюсы отталкиваются.
Представьте себе, что дело обстояло бы наоборот. Вы подвинули магнит к катушке, и он сам собой устремился бы внутрь нее. При этом нарушился бы закон сохранения энергии. Ведь кинетическая энергия магнита увеличивалась бы и одновременно возникал бы ток, для чего необходима затрата энергии. Кинетическая энергия магнита и энергия тока возникали бы из ничего, без затраты энергии.
При удалении магнита, наоборот, в соответствии с законом сохранения энергии требуется, чтобы появилась сила притяжения.
Справедливость этого вывода можно продемонстрировать на опыте, показанном на рисунке 242. На концах стержня, свободно вращающегося вокруг вертикальный оси, закреплены два проводящих алюминиевых кольца. Одно из них с разрезом.
Если поднести магнит к кольцу без разреза, то в нем возникнет индукционный ток и направлен он будет так, что кольцо оттолкнется от магнита и стержень повернется. Если удалять магнит от кольца, то оно, наоборот, притянется к магниту. С разрезанным кольцом магнит не взаимодействует, так как разрез препятствует
возникновению в кольце индукционного гока. Отталкивание или притяжение магнита катушкой зависит от направления индукцион ноготока. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукцион ного тока.
В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление? В первом случае число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, увеличивается (рис 243, а), а во втором случае - уменьшается (рис. 243, б). Причем в первом случае линии магнитной индукции выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец. Эти линии магнитной индукции на рисунке 243 изображены пунктиром.
Правило Ленца. Теперь мы подошли к главному: при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое нм магнитное поле препятствует нарастанию магнитного потока через витки катушки. Ведь вектор индукции этого поля В направлен против вектора индукции В, порождающего электрический ток. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с индукцией В, увеличивающей магнитный поток через витки катушки.
В этом состоит существо общего правила определения направления индукционного тока, которое применимо во всех случаях. Это правило было установлено русским физиком Ленцем.
Согласно правилу Ленца возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение магнитного потока, которое вызывает данный ток.
