Электроизмерительные приборы. Применение закона Ампера. Громкоговоритель. Физика 11 класс

Урок № 5.

Тема урока: «Электроизмерительные приборы. Применение закона Ампера. Громкоговоритель».

Тип урока: формирование новых знаний.

Цель урока: показать практическую применимость закона Ампера.

Ход урока.

1. Организационный момент.

2. Проверка домашнего задания.

Задача№1

Горизонтальные рельсы находятся в вертикальном однородном магнитном поле на расстоянии l = 0,3 м друг от друга. На рельсах лежит стержень, перпендикулярный им. Какой должна быть индукция магнитного поля, для того чтобы стержень начал равномерно двигаться вдоль рельсов, если по нему пропускать ток силой I = 50А? Коэффициент трения стержня о рельсы μ = 0,2, масса стержня m = 0,5 кг.

Дано: Решение:

l = 0,3м при пропускании тока по стержню (сделать подр. чертеж)

μ = 0,2 на него действует сила Ампера,

I = 50А модуль которой и сила трения

m = 0,5 кг

B-? стержень будет двигаться равномерно,

если модули этих сил равны:

Отсюда,

Ответ: .

Задача№2

Рамка площадью s=25 см², содержащая n=100 витков провода, помещена в однородное магнитное поле так что индукция B параллельна плоскости рамки. При величине тока в каждом витке I=1А на рамку со стороны магнитного поля действует момент силы M=5*10^-3 Н*м. Определите величину B вектора индукции магнитного поля.

Дано: Решение:

S=25 см²=25*10^-4м² Механический момент, действующий на рамку с током в N=100 магнитном поле

I=1A ,

α=90⁰ (угол м/у нормалью к поверхности рамки и направлением магнитного поля)

M=5*10^-3Н*м Магнитный момент рамки с током (короткой катушки)

B-? ,

получаем, , значит

=

Ответ: В=.

Задача№3

Прямолинейный проводник с током помещен в однородное магнитное поле с индукцией B=0,2 Тл. Найдите величину силы, действующую на проводник, если его длина l=10 см, величина тока I = 3 А, а направление тока составляет с направлением вектора индукции магнитного поля α = 45⁰.

Дано: Решение:

В=0,2Тл

l=0,1м

I=3A

α = 45⁰

F_A-?

Ответ:.

1. Изучение нового материала.

Ориентирующее действие магнитного поля на контур с током (см. § 2) используют в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы — амперметрах и вольтметрах.

Измерительный прибор магнитоэлектрической системы устроен следующим образом (рис. 1.20). На легкую алюминиевую рамку 2 прямоугольной формы с прикрепленной к ней стрелкой 4 намотана катушка. Рамка укреплена на двух полуосях ОО'. В положении равновесия ее удерживают две тонкие спиральные пружины 3. Силы упругости со стороны пружин, возвращающие катушку в положение равновесия, пропорциональны углу отклонения стрелки от положения равновесия. Катушку помещают между полюсами постоянного магнита М с наконечниками специальной формы. Внутри катушки расположен цилиндр 1 из железа. Такая конструкция обеспечивает радиальное направление линий магнитной индукции в той области, где находятся витки катушки (рис. 1.21). В результате при любом положении катушки силы, действующие на нее со стороны магнитного поля, максимальны и при неизменной силе тока постоянны. Векторы F и —F изображают силы, действующие на катушку со стороны магнитного поля и поворачивающие ее. Катушка с током поворачивается до Рис. 1.20 тех пор, пока силы упругости со стороны пружин не уравновесят силы, действующие на рамку со стороны магнитного поля. Увеличивая силу тока в 2 раза, мы обнаружим, что стрелка поворачивается на угол, вдвое больший, и т. д. Это происходит потому, что силы, действующие на катушку со стороны магнитного поля, прямо пропорциональны силе тока: Рис. 1.21 Fm ~ I. Благодаря этому можно определить силу тока по углу поворота катушки, если проградуировать прибор. Для этого надо установить, каким углам поворота стрелки соответствуют известные значения силы тока.

Такой же прибор может измерять и напряжение. Для этого нужно градуировать прибор так, чтобы угол поворота стрелки соответствовал определенным значениям напряжения. Кроме того, сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления амперметра.

ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ

Зная направление и модуль силы, действующей на любой участок проводника с током, можно вычислить суммарную силу, действующую на весь замкнутый проводник. Для этого надо найти сумму сил, действующих на каждый участок проводника с током.

Закон Ампера используют для расчета сил, действующих на проводники с током, во многих технических устройствах. В частности — в электродвигателях, с которыми вы ознакомились в предыдущих классах.

Разберем устройство громкоговорителя.

Громкоговоритель служит для возбуждения звуковых волн под действием переменного электрического тока, меняющегося со звуковой частотой. В электродинамическом громкоговорителе (динамике) используется действие магнитного поля постоянного магнита на переменный ток в подвижной катушке.

Схема устройства громкоговорителя показана на рисунке 1.22, а. Звуковая катушка ЗК располагается в зазоре кольцевого магнита М. С катушкой жестко связан бумажный конус — диафрагма D. Диафрагма укреплена на упругих подвесах, позволяющих ей совершать вынужденные колебания вместе с подвижной катушкой.

По катушке проходит переменный электрический ток с частотой, равной звуковой частоте сигнала с микрофона или с выхода радиоприемника, проигрывателя, магнитофона. Под действием силы Ампера катушка колеблется вдоль оси громкоговорителя ОО₁ (см. рис. 1.22, а) в такт с колебаниями тока. Эти колебания передаются диафрагме, и поверхность диафрагмы излучает звуковые волны.

Первоклассные громкоговорители воспроизводят без значительных искажений звуковые колебания в диапазоне 40—15 ООО Гц. Но такие устройства очень сложны. Поэтому обычно применяют системы из нескольких громкоговорителей, каждый из которых воспроизводит звук в определенном небольшом интервале частот. Общим недостатком всех громкоговорителей является их малый КПД. Они излучают лишь 1—3% подводимой энергии.

Звук в радиоприемнике, проигрывателе и магнитофоне возникает в результате движения катушки с током в поле постоянного магнита.

Наряду с электромеханическими громкоговорителями в настоящее время широкое применение получили громкоговорители, основанные на пьезоэлектрическом эффекте. Этот эффект проявляется в виде деформации некоторых типов кристаллов в электростатическом поле. Две пьезопластинки склеивают. Пластинки подбирают так, что одна из них увеличивается по длине под действием поля, а другая уменьшается (см. рис. 1.22, б). В результате получают элемент, который сильно изгибается под действием поля и при переменном электрическом поле создает акустическую волну. Пьезогромкоговорители очень удобны в изготовлении и могут быть совсем маленькими. Вследствие этого они нашли широкое применение в радиотелефонах, мобильных телефонах, ноутбуках и микрокомпьютерах.

1. Закрепление изученного.

- Как устроен измерительный прибор магнитоэлектрической системы?

- Почему магнитные силы, действующие на проводники катушки прибора, не зависят от угла поворота катушки?

- Что удерживает рамку от вращения в магнитном поле?

- Чем амперметр отличается от вольтметра?

- Из чего состоит громкоговоритель?

- Какие громкоговорители вы можете назвать?

1. Решение задач. Решение заданий ЕГЭ.

Задача №1 (уровень С4).

По прямому горизонтальному проводнику длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1,25 •10^-5 м², подвешенному с помощью двух одинаковых невесомых пружинок жесткостью 100 Н/м, течет ток I=10А (см. рисунок). Какой угол а составляют оси пружинок с вертикалью после включения вертикального магнитного поля с индукцией В=0,1 Тл, если абсолютное удлинение каждой из пружинок при этом составляет

7•10^-3м? (Плотность материала проводника 8•10³ кг/м³.)

Дано: Решение:

I=10А Условие механического равновесия проводника приводит к системе l=1 м уравнений:

k=100 Н/м Поделим второе равенство на первое:

В=0,1 Тл

S=1,25 •10^-5м²

Δl=7•10^-3м

=8•10³ кг/м³

α-?

.

(у задачи возможны еще два варианта решения: через синус угла и через косинус)

Задача №2 (уровень С4).

Горизонтальный проводящий стержень прямоугольного сечения поступательно движется с ускорением вверх по гладкой наклонной плоскости в вертикальном однородном магнитном поле (см. рисунок). По стержню протекает ток I= 4А. Угол наклона плоскости α = 30°. Отношение массы стержня к его длине m/l = 0,1 кг/м. Модуль индукции магнитного поля В = 0,2 Тл. Определите ускорение, с которым движется стержень.

Дано: Решение:

α = 30° На рисунке показаны силы, действующие на стержень:

I= 4А – сила тяжести mg,;

m/l = 0,1 кг/м – сила реакции опоры N;

а-? – сила Ампера Fа;

1. Домашнее задание: §4,5; упр.1 стр 26 (з.3)

Используемые материалы:

• Универсальные поурочные разработки по физике 11 класс. – М.: Вако, 2009. – 464 с. – (В помощь школьному учителю), Волков В.А

• Решение задач по физике_Савченко_1988 -479с

• ЕГЭ. Физика. Полн. курс А,В,С. Самост. подг_Громцева_2013 -368с

• Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 399 с.