Физическая викторина. Электричество и магнетизм. Постоянные магниты
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1. На панели, скользящей на кольцах по вертикальным направляющим проволокам, укреплен прозрачный стакан из плексигласа, на дне которого лежит магнитное кольцо. Другое такое же кольцо, обращенное к первому разноименным полюсом, подвешено на трех крючках к краю стакана (рис.). Предоставить возможность прибору падать. После его остановки окажется, что нижнее кольцо прилипло к верхнему. Объяснить явление.
2. Держа стальной лист, одна сторона которого окрашена белой краской (рис.), наклонно окрашенной стороной к зрителям, равномерно посыпать его сверху железными опилками. Они соскальзывают вниз. Поднести к листу с обратной стороны подковообразный магнит, опилки в центре листа, прилипнув, образуют узор в виде стрелки. Объяснить явление.
3*. Один школьник предложил такой способ получения магнита с одним полюсом. Надо взять стальной шар и разрезать его от поверхности к центру на пирамидальные дольки (рис.). Затем следует намагнитить образовавшиеся части так, чтобы их вершины оказались намагниченными одноименно, затем снова сложить из этих частей шар. Тогда на поверхности останется один полюс. Можно ли этим способом получить магнит с одним полюсом?
4*. В каждом из двух цилиндрических магнитов просверлено по одному отверстию — в первом магните перпендикулярно его оси, во втором — вдоль оси. Каков характер магнитного поля в этих отверстиях?
5. «Волшебная трубка».
Уложить рядом на столе 6 карточек, на которых написаны цифры 1, 2, 3, 4, 5, 6 так, чтобы получилось какое-нибудь шестизначное число, и накрыть их газетой. Ассистент ведущего викторину в это время должен находиться в соседней комнате. Затем он входит и с помощью картонной трубки «читает» через газету отложенное число и записывает его на доске. Эту запись сверяют, подняв газету, с числом, составленным из карточек. Оба числа оказываются одинаковыми. Объяснить «секрет» опыта.
6. К одному и тому же полюсу магнитной стрелки поднести стальной стержень поочередно разными концами. Стрелка в обоих случаях отталкивается. Объяснить явление.
7. Может ли стальная намагниченная полоса иметь более двух полюсов?
8. Магнитная вертушка.
Из никелевых проволок изготовить вертушку, которая с малым трением может поворачиваться на вертикальном острие (рис.). Поместить ее около полюса полосового магнита и нагреть один из лучей в пламени спиртовки. Вертушка начнет вращаться. Объяснить явление.
9. Взять тонкую стальную полоску или пружину (например, от будильника) длиной около 80 см и шириной 1,5—2 см и намагнитить ее с помощью сильного магнита. К намагниченному концу пружины приложить небольшой гвоздик, который повиснет на полюсе. Взяв в руки пружину, изогнуть ее так, чтобы магнитные полюсы сомкнулись (рис.). Гвоздик упадет. Объяснить явление.
10. На некотором расстоянии (15—20 см) от полюса сильного магнита положить железный молоток тупым концом к магниту. В пространство между молотком и магнитом ввести подвешенную на тонкой нити маленькую (10 X 20 мм) железную пластинку (рис.). Если пластинка находится ближе к молотку, то она притягивается к молотку, если ближе к магниту, то притягивается к магниту.
Предварительно надо показать, что молоток не намагничен и пластинку не притягивает. Объяснить явление.
11. Магнетоскоп.
Магнетоскоп представляет собой небольшой латунный диск, на нижней поверхности которого висят на крючках 10—12 штук больших стальных иголок (рис.).
К магнетоскопу медленно приблизить снизу (к концам иголок) сильный постоянный магнит. Свободные концы иголок разойдутся, образуя конусообразный пучок.
Повернуть магнит на 180° и снова приблизить его к иголкам другим полюсом. Угол расхождения между иголками сначала уменьшится до нуля, а затем снова увеличится.
Опыт демонстрировать в теневой проекции. Объяснить явление.
12*. Проект магнитного вечного двигателя (рис.).
По мысли автора проекта, железный шарик, притягиваемый магнитом, по наклонной плоскости А поднимается вверх. Наверху он проваливается в отверстие и под действием силы тяжести скатывается вниз по специальному лотку В. Спустившись вниз, он снова под действием магнита будет катиться вверх по наклонной плоскости А и т. д. Найти ошибку автора этого проекта.
Ответы
1. Силы взаимного магнитного притяжения действуют на верхнее кольцо вниз, а на нижнее — вверх. Поэтому при падении верхнее кольцо движется быстрее нижнего и догоняет его.
2. Готовясь к викторине, стальной лист надо положить на наковальню и зубилом нанести на его поверхности насечку в виде стрелки. Затем эту насечку следует зашпаклевать, выровнять и окрасить лист белой краской. Магнит намагничивает лист, причем магнитное поле листа на границе насечки неоднородно. В этом месте и прилипают преимущественно опилки.
Опыт дает представление о магнитной дефектоскопии.
3. Нет. Вследствие полной симметрии получившейся системы через каждую точку шара и окружающего пространства будет проходить равное число магнитных силовых линий противоположных направлений. Таким образом, «магнит» моментально сам себя размагнитит.
4. См. рисунок а и б.
5. Каждая карточка размером 7x7 см состоит из двух картонных листков, между которыми вклеены намагниченные куски длиной по 6 см от использованных ножовочных полотен. Магнитные оси подобных магнитов расположены в разных карточках различно (рис.). Уложив карточки в порядке возрастания написанных на них цифр, подносят к ним поочередно компас, замечают, как располагается северный полюс его стрелки, и против него на лимбе компаса ставят соответствующие цифры. Затем компас закрепляют на дне узкого картонного цилиндра.
6. Стальной стержень предварительно намагнитить так, чтобы оба его конца имели одинаковые полюсы. Для этого на него нужно надеть две одинаковые проволочные катушки, витки которых намотаны в противоположных направлениях, и пропустить постоянный ток силой 2—3 А (рис.).
7. Может. Для подтверждения показать магнитный спектр намагниченной ножовочной пилы, имеющей несколько чередующихся магнитных полюсов (рис.).
Пилу предварительно намагнитить, для чего на нее надеть четыре катушки из звонкового провода, причем направление намотки в соседних катушках должно быть противоположным. По ним в продолжение 20 мин пропускать постоянный ток силой 1,5—2 А.
8. Нагретая никелевая проволока утрачивает магнитные свойства, и силы притяжения симметрично расположенных проволок перестают уравновешиваться.
9. В момент замыкания полюсов исчезает внешнее магнитное поле пружины, которое индуктивно намагничивало гвоздь.
10. Около магнита молоток намагничивается, поэтому между молотком и магнитом возникает магнитное поле, величина магнитной индукции которого минимальна между ними и увеличивается по мере приближения к магниту и молотку. Ферромагнетик перемещается в магнитном поле в том направлении, в котором увеличивается его магнитная индукция.
11. При приближении магнита к иголкам нижние концы их (так же как и верхние) намагничиваются по индукции одноименно и потому отталкиваются друг от друга. Если подносить к магнетоскопу снизу магнит другим полюсом, то иголки сначала размагнитятся (поэтому силы отталкивания исчезнут), а затем снова намагнитятся.
12. При сильном магните шарик не провалится, а перескочит через верхнее отверстие. При слабом магните он, проскочив в отверстие, не сможет, докатившись до закругления внизу, перескочить на наклонную плоскость, так как магнит будет тормозить его движение.