11 класс. Занятие 6
Магнитное поле Земли. Вертикальная составляющая.
Определение вертикальной составляющей
индукции магнитного поля Земли
по механическому моменту сил.
Необходимые сведения. Магнитная «стрелка» из шариков.
В магнитном поле Земли горизонтально расположенная магнитная стрелка компаса ориентируется в направлении Юг-Север. На ориентированную таким образом стрелку со стороны магнитного поля Земли действует механический момент, величина которого определяется вертикальной составляющей Bv вектора индукции поля Земли по формуле: M = PmBv, где Pm— величина магнитного момента стрелки. Если бы на уравновешенную в поле тяжести Земли стрелку не действовали моменты сил со стороны опоры (или, что тоже самое, свободная магнитная стрелка находилась бы в невесомости), то она выстроилась бы вдоль вектора индукции магнитного поля BЗемли, который направлен под некоторым углом к горизонту φ, зависящим от географической широты местности, где проводится опыт. Величина угла φ называется магнитным наклонением.
Цель работы.
Определение вертикальной составляющей индукции магнитного поля Земли по механическому моменту сил; проверка свойства аддитивности для магнитных моментов шариков; определение магнитного наклонения. Сравнение полученных величин с табличными и расчетными значениями.Оборудование.
10 одинаковых магнитных шариков диаметром d =
магнитный момент одного шарика диаметром
магнитный момент одного шарика диаметром
Задание.
1. Определите линейную плотность проволоки ρℓ.
2. Изготовьте из чётного числа шариков магнитную «стрелку» и подвесьте её за середину с помощью нити на штативе.
3. Определите механический момент сил, действующий со стороны магнитного поля Земли на горизонтально расположенную магнитную «стрелку», состоящую из n = 4, 6, 8, 10 шариков.
Для этого с помощью грузика из проволоки уравновесьте «стрелку» в горизонтальном положении (см.рис.) и из условия равновесия рассчитайте механический момент сил M, действующих на «стрелку» со стороны магнитного поля. Измерения проведите для чётных n = 4, 6, 8, 10 (у таких «стрелок» есть «хорошая серединка» для подвешивания на нити). Результаты занесите в Таблицу № 1.
Таблица 1. Момент сил
d = |
|||||
№ | n | ℓn, cм | mn, мг | rn, см | Mn, мкДж |
1 | 4 | ||||
2 | 6 | ||||
3 | 8 | ||||
4 | 10 | ||||
Bv = …. мкТл; Bh = …. мкТл; tgφ= Bv/Bh = … φ = 0 |
|||||
d = |
|||||
№ | n | ℓn, cм | mn, мг | rn, см | Mn, мкДж |
1 | 4 | ||||
2 | 6 | ||||
3 | 8 | ||||
4 | 10 | ||||
Bv = …. мкТл; Bh = …. мкТл; tgφ = Bv/Bh = … ; φ = 0 |
Обозначения в таблице № 1:
n – число шариков; ℓn - длина медной проволоки, уравновешивающей «стрелку» из n шариков в горизонтальном положении; mn = ρℓℓn – масса проволоки, длиной ℓn; rn – плечо силы тяжести проволоки mn; Mn = mngrn – момент силы тяжести проволоки mng.
4. Постройте зависимость M = M(n). Сравните с теоретической зависимостью Mn = npmBv. По наклону прямой M(n) определите вертикальную составляющую магнитного поля Земли. Результат занесите в Таблицу № 1
5. Можно ли считать, что магнитный момент «стрелки» - величина аддитивная?
6. Используя известное значение горизонтальной Bhсоставляющей индукции магнитного поля, определите наклонение магнитного поля Земли φ. Сравните полученное значения наклонения с расчётным, полученным в предположении, что магнитное поле Земли соответствует полю однородно намагниченного вдоль оси вращения шара.
Примечание:
Имейте ввиду, что близко расположенные к «стрелке» магнитные предметы (ножницы, металлическая линейка, штатив и др.) могут существенно повлиять на результаты эксперимента.