Гомель 1999

Министерство Образования Республики Беларусь

Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

к лабораторному практикуму по курсу

«Демонстрационный эксперимент в школе»

для студентов IV курса специальности «Физика»

В двух частях

Часть II

Гомель 1999

Авторы - составители: Шалупаев Сергей Викентьевич

Свиридова Валентина Владимировна

Никитюк Юрий Валерьевич

Рекомендовано к печати научно - методическим советом

Гомельского государственного университета

им. Ф. Скорины.

В учебно – методическом пособии описаны методика и техника постановки демонстрационных работ по разделам школьного курса физики с использованием приборов вошедших в «Типовые перечни учебно – наглядных пособий и учебного оборудования для общеобразовательных школ».

@ Гомельский госуниверситет,

им. Ф. Скорины,

Демонстрационный опыт № 12

Правило Ленца

Оборудование: прибор для демонстрации правила Ленца, магниты прямые, трансформатор универсальный с дроссельной катуш­кой, кольцо алюминиевое, машина магнитоэлектрическая, панель к тремя лампами, ключ телеграфный, выключатель демонстрационный, штатив универсальный, груз разборный на 2 кг, струбцинка, провода соединительные, ящик-подставка.

При изучении правила Ленца обычно проводят большое количество упражнений на применение правила. Вместе с тем полезно продемонстрировать два-три опыта, в которых изме­нение магнитного потока внутри замкнутого контура обусловле­но в одном случае относительным механическим движением, а в другом - изменением тока в соседнем контуре.

1. Для проведения первого опыта применяют прибор, со­стоящий из двух колец, скрепленных легкой планкой и уравно­вешенных на острие. Размеры и вес обоих колец одинаковы, но одно из них разрезано. Установив прибор на подставке, складывают вместе два сильных прямых магнита, обратив их одноимен­ными полюсами в одну сторону, и быстро вводят внутрь целого кольца (рис. 1). Наблюдают, что кольцо при этом отталкивается от магнита. Когда магнит из кольца вынимают, последнее двигается вслед за магнитом.

Затем опыт повторяют с разрезанным кольцом и показы­вают, что при любом движении магнита кольцо остается не­подвижным.

Можно по-разному объяснять наблюдаемые результаты, подтверждающие правило Ленца. Например, причиной возник­новения индукционного тока в одном случае является прибли­жение магнита к кольцу, а в другом - удаление. Как показы­вает опыт, магнитное поле индукционного тока противодейст­вует как одному, так и другому движению. Более подробное объяснение будет состоять в определении направления нара­стающего или уменьшающегося магнитного потока, затем в определении направления индукционного тока, и, наконец, в определении образующихся у кольца полюсов и их взаимодейст­вия с полюсами магнита.

Необходимо иметь в виду, что эффект опыта зависит от качества магнита. Перед опытом магниты надо сильно намагнитить. Можно воспользоваться дугообразным магнитом. Наи­лучшие результаты дают магниты из специального сплава. В этом случае при одном только приближении магнита кольцо удаляется от него и тотчас же останавливается, как только остановится магнит. При удалении магнита кольцо движется вслед за ним.

Если пользоваться сильным широким и коротким магнитом (например, кольцевым магнитом, надетым на деревянную руч­ку), то при введении его внутрь разрезанного кольца оно за­метно отклоняется. Наблюдаемое движение разрезанного коль­ца объясняется возникновением в его стенках вихревых токов Фуко. Таких побочных явлений в данном опыте допускать не следует. Чтобы их избежать, лучше всего применять достаточ­но длинные магниты.

2. Для проведения второго опыта в дроссельную катушку вставляют ярмо от сердечника универсального трансформатора так, чтобы его ко­нец выступал из катушки на 4 - 5 см (рис. 2). Чтобы ярмо при включении тока не втягивалось в катушку, его заклинивают плотно вдвинутой по­верх ярма деревянной планкой (можно использовать деревян­ную линейку). На выступающий конец ярма вплотную к катушке надевают алюминиевое кольцо.

Получив на выпрямителе на­пряжение 110—120 В, включа­ют ток и наблюдают резкое сдви­гание кольца к концу ярма. При выключении тока кольцо возвра­щается к катушке. Наблюдаемое отталкивание и притяжение кольца объясняется тем, что при включении тока в сердечнике катушки возникает магнитное поле, вследствие чего в кольце возникает индукционный ток. По правилу Ленца магнитное поле возник­шего индукционного то­ка должно быть направ­лено против нарастающе­го поля катушки.

Следо­вательно, ток в катушке и индуцированный ток в кольце направлены в противоположные сторо­ны. Как было выяснено раньше в опыте, токи противоположного на­правления отталкивают­ся, что и наблюдается на опыте при включении то­ка. Аналогично объясня­ется и притяжение коль­ца к катушке при выклю­чении тока.

3. Панель с тремя ма­ловольт­ными лампами че­рез ключ соеди­няют с магнитоэлектрической ма­шиной и с помощью струбцинки прижимают основание машины к краю демонстрационного стола. В отвер­стие струбцинки вставляют два свинченных вместе стерж­ня универсального штатива с блоком у верхнего конца. К шки­ву ма­шины прикрепляют прочную нить, перекидывают ее че­рез блок и под­вешивают разборный груз (рис. 3). Вращая шкив, наматывают нить, пока груз не достигнет блока, и от­пу­скают шкив. Ротор машины на­чинает вращаться под действи­ем опускающегося груза, быстро уве­личивая скорость. При нажатии на ключ лампочки загораются, а дви­жение груза рез­ко замедляется и продолжается с небольшой скоростью. При отпускании ключа ско­рость вновь нарастает и вновь происхо­дит торможение при вклю­чении тока.

Опыт служит иллюстрацией правила Ленца: в обмотке яко­ря при замыкании цепи возникает индукционный ток. Магнит­ное поле индукционного тока направлено так, что при враще­нии якоря взаимодействие полюсов магнита и якоря вызывает торможение. Объяснение сопровождают рисунком на доске (рис. 3, вверху).

Для получения наилучшего эффекта необходимо: 1) умень­шить нажим щеток на кольца в генераторе, 2) смазать подшипники и слегка смазать кольца, 3) по возможности сильнее намагнитить магниты, 4) подобрать на опыте подходящий груз (около 1300 г) и число включенных ламп. В тщательно подготовленной уста­новке лампы при медленном опускании груза горят хорошо замет­ным накалом.

Демонстрационный опыт № 13