Giải SGK Vật lí 12 CTST Bài 9. Khái niệm từ trường có đáp án
17 câu hỏi
Các nghiên cứu cho thấy, chim manh manh (Hình 9.1) có khả năng cảm nhận được từ trường dựa vào một số loại protein có trong mắt chim (Nguồn: Science News). Đặc điểm này giúp chim dựa vào từ trường của Trái Đất để xác định được phương hướng trong quá trình di cư. Vậy từ trường là gì và làm thế nào để mô tả từ trường?
Từ trường là môi trường không gian xung quanh nam châm (mà Trái Đất của chúng ta là một nam châm khổng lồ), xung quanh dòng điện.
Để mô tả từ trường người ta sử dụng các đường sức từ.
Dựa vào kiến thức đã học ở môn Khoa học tự nhiên lớp 7, từ các dụng cụ như thanh nam châm, dây dẫn có dòng điện, kim nam châm có thể quay quanh trục hoặc la bàn, hãy thiết kế phương án và thực hiện thí nghiệm để nhận biết vùng không gian tồn tại từ trường. Ngoài các dụng cụ trên, ta có thể nhận biết từ trường bằng dụng cụ nào khác?
Để nhận biết từ trường ta có nhiều cách:
- Dùng kim nam châm đưa lại khu vực bạn cho là có từ trường, nếu kim nam châm lệch so với phương ban đầu thì ở đó có từ trường.
- Dùng la bàn đưa vào khu vực bạn cho là có từ trường, nếu kim nam châm lệch so với phương ban đầu thì ở đó có từ trường.
…
Từ các dụng cụ đơn giản như nam châm thẳng, nam châm chữ U, mạt sắt, hộp nhựa trong chứa dầu và mạt sắt, giấy A4, ... Hãy thiết kế phương án và thực hiện thí nghiệm để quan sát hình ảnh từ phổ của các nam châm này.
Chuẩn bị:
- Hộp nhựa có một mặt trong suốt, bên trong chứa dầu và mạt sắt mịn.
- Nam châm thẳng.
- Nam châm hình chữ U.
Tiến hành:
- Lắc nhẹ hộp nhựa sao cho các mạt sắt phân bố đều. Đặt hộp nhựa trên mặt phẳng nằm ngang, mặt trong suốt hướng lên trên.
- Đặt nhẹ nhàng thanh nam châm thẳng lên trên mặt trong suốt của hộp nhựa rồi gõ nhẹ. Quan sát hình ảnh mạt sắt vừa được tạo thành trong hộp nhựa (Hình a).
- Nhấc thanh nam châm thẳng lên khỏi mặt hộp nhựa. Lắc nhẹ hộp nhựa cho các mạt sắt phân bố đều trở lại. Tiếp tục đặt nhẹ nhàng hai thanh nam châm thẳng lên trên mặt trong suốt của hộp nhựa (sao cho hai cực trái dấu của hai thanh nam châm thẳng gần nhau) rồi gõ nhẹ. Quan sát hình ảnh mạt sắt vừa được tạo thành trong hộp nhựa (Hình b).
- Thực hiện tương tự như trên nhưng cho hai cực cùng tên của hai thanh nam châm gần nhau. Quan sát hình ảnh mạt sắt vừa được tạo thành trong hộp nhựa (Hình c).
- Tiến hành thí nghiệm tương tự đối với nam châm hình chữ U.
Khi nào thì ta có thể xem dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua có chiều dài vô hạn?
Khi tại mọi điểm xung quanh dây dẫn đều sinh ra cảm ứng từ bằng nhau.
Ta đã biết, điện trường là dạng vật chất bao quanh điện tích. Vậy, theo em xung quanh điện tích có thể tồn tại từ trường hay không? Nếu có thì khi nào từ trường xuất hiện xung quanh điện tích?
Xung quanh điện tích có thể tồn tại từ trường. Từ trường xuất hiện xung quanh điện tích khi điện tích chuyển động.
Hãy mô tả hình ảnh đường sức từ (hướng và độ mau (dày)/thưa) trong các trường hợp ở Hình 9.5.
Hình a: hướng đường sức từ bên ngoài thanh nam châm có chiều từ bắc về nam, tạo thành các đường cong kín, càng gần 2 cực từ số đường sức càng mau, càng xa 2 cực từ thì số đường sức càng thưa.
Hình b: hướng đường sức từ bên ngoài thanh nam châm có chiều từ bắc về nam, tạo thành các đường cong kín, trong lòng nam châm chữ U có các đường sức từ song song, cách đều nhau, càng gần 2 cực từ số đường sức càng mau, càng xa 2 cực từ thì số đường sức càng thưa.
Hình c: hướng đường sức từ bên ngoài ống dây xuất phát từ bên phải, đi vào bên trái ống dây, tạo thành các đường cong kín, càng gần đầu ống dây số đường sức càng mau, càng xa hai đầu ống dây thì số đường sức càng thưa.
Dùng kim nam châm và các hình ảnh từ phổ thu được từ câu Thảo luận 2, hãy thiết kế phương án thí nghiệm để nhận biết được chiều của đường sức từ đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam của kim nam châm.
Dùng kim nam châm xác định chiều của đường sức từ.
Đề xuất cách xác định chiều đường sức từ trong Hình 9.6.
Sử dụng các kim nam châm thử, đặt vào gần vào dòng điện thẳng, xác định được chiều của đường sức từ.
Vẽ phác đường sức từ của các dòng điện thẳng vuông góc với mặt phẳng giấy đặt trên bàn và có chiều từ trên xuống dưới.
Học sinh dựa vào quy tắc nắm tay phải để vẽ.
Hãy vẽ phác hình dạng đường sức từ của dòng điện tròn trong Hình 9.8.
Hình dạng đường sức của dòng điện tròn.
Hãy vẽ phác hình dạng đường sức từ trong vùng không gian xung quanh ống dây khi có dòng điện chạy qua.
Hình dạng đường sức của ống dây khi có dòng điện chạy qua.
Ống dây được tạo thành từ việc quấn nhiều vòng dây giống nhau. Dựa vào quy tắc nắm tay phải để xác định chiều đường sức từ của dòng điện tròn, hãy đề xuất cách xác định chiều đường sức từ của dòng điện bên trong ống dây.
Đề xuất cách xác định chiều đường sức từ của dòng điện bên trong ống dây: Khum bàn tay phải sao cho các ngón tay theo chiều dòng điện chạy qua ống dây, khi đó ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ bên trong ống dây.
Xét một ống dây có dòng điện chạy qua và một nam châm thử định hướng như Hình 9.12. Biết A, B là các cực của nguồn điện không đổi. Hãy xác định chiều đường sức từ của từ trường trong ống dây. Từ đó xác định tên các cực của nguồn điện.
Dựa vào hướng của nam châm thử và vận dụng quy tắc nắm bàn tay: Cực bắc của kim nam châm bị cực nam của nam châm điện hút, cực nam của kim nam châm bị cực bắc của nam châm điện hút nên:
Chiều dòng điện xuất phát từ B đi qua các vòng dây và trở về A.
Đường sức từ được tạo bởi nam châm thẳng có đặc điểm nào sau đây?
A. Là đường thẳng song song với trục nam châm, hướng từ cực Bắc đến cực Nam.
B. Là đường khép kín, đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam của nam châm.
C. Là đường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục của thanh nam châm.
D. Là đường tròn nằm trong mặt phẳng chứa trục của thanh nam châm.
Đáp án đúng là B
Đường sức từ được tạo bởi nam châm thẳng có đặc điểm là đường khép kín, đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam của nam châm.
Xét một ống dây được nối với hai cực A, B của một nguồn điện. Khi đó, đường sức từ qua ống dây có dạng như Hình 9P.1. Hãy xác định tên các cực của nguồn điện.
Dựa vào chiều đường sức từ và quy tắc nắm bàn tay phải xác định được chiều dòng điện đi từ cực B (+) qua các vòng dây và trở về A (-).
Xung quanh Trái Đất có tồn tại từ trường, do đó Trái Đất được coi như một nam châm khổng lồ. Dựa vào điều này, hãy giải thích tại sao kim la bàn luôn chỉ theo hướng Bắc - Nam địa lí.
Bộ phận chính của la bàn là một kim nam châm có thể quay tự do xung quanh một trục cố định đi qua trọng tâm của nó. Đặt la bàn tại một vị trí xác định, xa các nam châm khác và các dòng điện, kim nam châm của la bàn luôn luôn nằm theo một hướng xác định không đổi, gần trùng với hướng Nam - Bắc. Xê dịch la bàn sang những vị trí khác (không quá xa vị trí cũ), ta thấy hướng của kim nam châm vẫn không đổi. Đó là do kim nam châm luôn luôn chịu tác dụng của từ trường Trái Đất (địa từ trường).
Dựa vào hình ảnh các đường sức từ của nam châm chữ U như Hình 9P.2, em hãy xác định các cực của nam châm này.
Dựa vào chiều đường sức từ, xác định được cực bên phải là cực bắc (N), cực bên trái là cực nam (S).
