На основе задачи Всероссийской олимпиады школьников «Турнир юных физиков»

1.

На основе задачи Всероссийской олимпиады
школьников «Турнир юных физиков»
2013-2014 учебный год
Исследователи:
Команда «Воронеж 12+13»
Руководитель команды:
Ткач Ольга Вячеславовна,
учитель физики МБОУ СОШ №12
города Воронежа

2.

Тема работы
Когда сильный
магнит падает
внутри
неферромагнитной
металлической
трубы, на него
действует
тормозящая сила.
Исследуйте этот
феномен.

3.

Цели
• Следуя условию задачи, пронаблюдать
явление
• Описать явление на качественном уровне
• Выявить параметры, от которых зависит
качество наблюдаемого эффекта.
• Провести серию экспериментов и
зафиксировать результат
• Сравнить экспериментальные данные с
теоретическими

4.

Качественное описание явления
Эффект замедления магнита в металлической
неферромагнитной трубе мы можем наблюдать из-за
явления электромагнитной индукции.

5.

Качественное описание явления
Магнит движется в трубе со скоростью V. При этом
меняется магнитный поток Ф. В трубе возникает ЭДС
индукции.
Ф
v
i
Ток
Фуко
t
По закону Ома для полной цепи сила тока в трубе
равна
I i
i
Ii ~
R
1
~ толщине.стенок.трубы
R
Согласно правилу Ленца, направление силовых
линий магнитного поля индукционного поля
противоположно направлению силовых линий
магнитного поля магнита. Противоположно
направленные магнитные поля будут отталкиваться.
За счет силы отталкивания магнит будет
замедляться.
Если магнит падает северным полюсом вниз, то по
правилу буравчика индукционный ток направлен
против часовой стрелки (вид сверху).

6.

Анимация процесса
Магнит падает под действием силы тяжести, скорость
нарастает, движение магнита ускоренное, трубу
пронизывает изменяющийся магнитный поток.
Индукционный ток от северного полюса:
B , 0, B' , I i против часовой стрелки
Индукционный ток от южного полюса:
B , 0, B' , I i по часовой стрелке
Силовые линии магнитного поля индукционного тока
направлены противоположно силовым линиям магнитного
поля магнита. Движение магнита замедляется.
Магнит будет падает с постоянной скоростью, если сила, с
которой магнитное поле индукционного тока отталкивает
магнит, будет равна силе тяжести, действующей на магнит.
Это возможно, если магнит сильный и лёгкий.

7.

Качественное описание явления
Чем больше скорость падающего
магнита, тем больше электродвижущая
сила и тем сильнее взаимодействие
магнитных полей магнита и
индукционных токов. Когда сила
взаимодействия станет равна силе
тяжести, магнит станет двигаться с
постоянной скоростью.

8.

Математическая модель
h
h – толщина стенки трубы
R
R – радиус трубы
r
B(r,z) – магнитная индукция в точке с
координатами (r,z) (относительно центра
магнита, ось z направлена по оси трубы)
0
r
α
z
α(r,z) – угол между силовыми линиями и
плоскостью, перпендикулярной оси z

9.

Параметры, от которых зависит
замедление магнита:
Диаметр трубы
Толщина стенок трубы
Материал, из которого изготовлена труба
Диаметр области, в которой магнит
притягивает тела
Размеры магнита

10.

Установка для
эксперимента
Внутрь вертикально
установленной
неферромагнитной трубы
мы поочерёдно бросаем
постоянные магниты.
Также мы бросаем магнит
вне трубы. Измеряем
время падения каждого
тела.

11.

Оборудование
Алюминиевая труба:
• Длина трубы = 2,13 м
• Внутренний диаметр трубы = 0,0254 м
• Внешний диаметр трубы = 0,0298 м
• Толщина стенок трубы = 0,0022 м

12.

Оборудование
5 магнитов
5
№
Форма
магнита
3
2
1
4
Диаметр
магнита, м
Диаметр области,
в которой магнит
притягивает тела
Толщина
магнита, м
1
Циллиндр
0,010
0,020
0,004
2
Циллиндр
0,015
0,030
0,005
3
Циллиндр
0,020
0,033
0,005
4
Циллиндр
0,010
0,036
0,009
5
Циллиндр
0,021
0,040
0,010

13.

Характеристика магнитных свойств.
Опыт №1 с железными опилками.
Определяем густоту и направление силовых
линий магнитного поля с помощью железных
опилок в плоскости, перпендикулярной оси
магнита

14.

Характеристика магнитных свойств.
Опыт №1 с железными опилками.
Определяем густоту и направление силовых
линий магнитного поля с помощью железных
опилок в плоскости, перпендикулярной оси
магнита

15.

Характеристика магнитных свойств.
Опыт №1 с железными опилками.
№
магнита
Диаметр
магнита, м
Диаметр
области, в
которой
магнит
притягивает
предметы, м
Диаметр
трубы, м
Наличие
эффекта
1
0,01
0,0200
0.0298
нет
2
0,015
0,0300
0.0298
слабо
3
0,02
0,0330
0.0298
слабо
4
0,01
0,0360
0.0298
есть
5
0,021
0,0400
0.0298
есть

16.

Характеристика магнитных свойств.
Опыт №2 с железными опилками.
Определяем густоту и направление силовых
линий магнитного поля с помощью железных
опилок в плоскости, параллельной оси магнита

17.

Характеристика магнитных свойств.
Опыт №2 с железными опилками.
Определяем густоту и направление силовых линий
магнитного поля с помощью железных опилок в
плоскости, параллельной оси магнита

18.

Характеристика
магнитных свойств.
Опыт № 3
со скрепками.
№
магнита
Количество
скрепок
Расстояние, на
котором возникает
притяжение, м
Наличие
эффекта
1
1
0,005
нет
2
1
0,008
слабо
3
1
0,011
слабо
4
1
0,023
есть
5
1
0,042
есть

19.

Время падения тел
№ тела
Время падения в
трубе, сек.
Время
свободного
падения, сек.
Замедление, во
сколько раз
1
0,75
0,64
1,17
2
0,93
0,64
1,46
3
1, 17
0,64
1,82
4
2,83
0,64
4,42
5
11,70
0,64
18,28
5
3
2
1
4

20.

Сравнение экспериментальных
данных с теорией
Мы видим, что в металлической
неферромагнитной трубе происходит
замедление магнита, тогда как вне трубы
магнит падает свободно.

21.

Выводы
• Мы на опыте доказали, что магнит, брошенный
в неферромагнитную трубу, замедляет своё
падение
• Описали явление на качественном уровне
• Выявили параметры, от которых зависит
качество наблюдаемого эффекта.
• Провели серию экспериментов и
зафиксировали результат
• Сравнили экспериментальные данные с
теоретическими