Giải Vật lí 12 Bài 10 (Chân trời sáng tạo): Lực từ. Cảm ứng từ

Mở đầu trang 66 Vật Lí 12: Loa điện động là thiết bị biến đổi tín hiệu điện thành dao động cơ học, từ đó tạo ra sóng âm lan truyền ra môi trường vật chất. Bộ phận thực hiện nhiệm vụ này là củ loa (Hình 10.1) có cầu tạo cơ bản gồm cuộn dây được đặt trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây cũng đồng thời được nối với màng loa. Khi có dòng điện thay đổi qua cuộn dây, cuộn dây sẽ dao động làm cho màng loa cũng dao động tạo ra sóng âm. Vậy lực nào làm cho cuộn dây dao động?

Lời giải:

Trong loa điện động, lực Lorentz là lực chính làm cho cuộn dây dao động. Lực này được tạo ra bởi sự tương tác giữa từ trường của nam châm vĩnh cửu và dòng điện chạy qua cuộn dây.

Câu hỏi 1 trang 66 Vật Lí 12: Bố trí thí nghiệm như Hình 10.2, thực hiện thí nghiệm theo các bước gợi ý để xác định phương, chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường

Lời giải:

Xác định phương, chiều của lực từ theo quy tắc bàn tay trái

Câu hỏi 2 trang 66 Vật Lí 12: Quan sát bố trí thí nghiệm trong Hình 10.2, hãy trình bày nguyên tắc đo lực từ

Lời giải:

Nguyên tắc hoạt động của thí nghiệm dựa trên luật Biot - Savart và luật cân bằng momen.

- Đặt đoạn dây dẫn mang dòng điện trong từ trường: Đoạn dây dẫn được đặt vuông góc với từ trường để lực từ tác dụng lên nó có giá trị cực đại.

- Đo cường độ dòng điện: Cường độ dòng điện I được đo bằng ampe kế.

- Đo độ lớn của từ trường: Độ lớn của từ trường B được đo bằng từ kế.

- Đo chiều dài của đoạn dây dẫn: Chiều dài l của đoạn dây dẫn được đo bằng thước kẻ.

- Tính toán lực từ: Lực từ F tác dụng lên đoạn dây dẫn được tính bằng công thức:

$F=BIl\sin \theta$

- Đo momen lực: Momen lực M do lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn được tính bằng công thức:

$M=F.d$

- Cân bằng momen lực: Cân bằng momen lực tác dụng lên đoạn dây dẫn bằng cách sử dụng cân đòn. Khi momen lực tác dụng lên đoạn dây dẫn cân bằng với momen lực do trọng lực tác dụng lên quả cân, ta có thể tính được lực từ F.

Câu hỏi 3 trang 67 Vật Lí 12: Hãy dự đoán chiều dịch chuyển của đoạn dây nằm trong từ trường phụ thuộc vào những yếu tố nào. Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng

Lời giải:

- Chiều dịch chuyển của đoạn dây nằm trong từ trường phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Chiều của dòng điện:

Dòng điện chạy cùng chiều kim đồng hồ: Đoạn dây sẽ dịch chuyển sang trái.

Dòng điện chạy ngược chiều kim đồng hồ: Đoạn dây sẽ dịch chuyển sang phải.

+ Chiều của từ trường:

Từ trường hướng từ trên xuống dưới: Đoạn dây sẽ dịch chuyển sang trước.

Từ trường hướng từ dưới lên trên: Đoạn dây sẽ dịch chuyển ra sau.

+ Vị trí của đoạn dây:

Đoạn dây nằm vuông góc với từ trường: Đoạn dây sẽ dịch chuyển theo phương vuông góc với cả từ trường và dòng điện.

Đoạn dây nằm nghiêng so với từ trường: Đoạn dây sẽ dịch chuyển theo phương hợp lực của lực từ và trọng lực.

+ Cường độ của dòng điện:

Cường độ dòng điện càng lớn: Lực từ càng lớn, đoạn dây dịch chuyển càng xa.

Cường độ dòng điện càng nhỏ: Lực từ càng nhỏ, đoạn dây dịch chuyển càng gần.

+ Cường độ của từ trường:

Cường độ từ trường càng lớn: Lực từ càng lớn, đoạn dây dịch chuyển càng xa.

Cường độ từ trường càng nhỏ: Lực từ càng nhỏ, đoạn dây dịch chuyển càng gần.

- Thí nghiệm kiểm chứng:

Dụng cụ:

+ Nam châm chữ U

+ Nguồn điện một chiều (pin 9V, dây dẫn)

+ Dây dẫn điện (đồng, dài khoảng 20 cm)

+ Giá đỡ

+ Thước kẻ

Thực hiện:

+ Bước 1: Đặt nam châm chữ U lên giá đỡ sao cho hai cực của nam châm hướng lên trên.

+ Bước 2: Quấn dây dẫn điện quanh một thanh nhựa hoặc bút chì để tạo thành vòng dây.

+ Bước 3: Nối hai đầu dây dẫn điện với nguồn điện một chiều.

+ Bước 4: Đặt vòng dây dẫn điện giữa hai cực của nam châm chữ U sao cho mặt phẳng vòng dây vuông góc với mặt phẳng của nam châm.

+ Bước 5: Quan sát chiều dịch chuyển của vòng dây dẫn điện.

Câu hỏi 4 trang 68 Vật Lí 12: Xét đoạn dây dẫn thẳng mang dòng điện được đặt trong từ trường có các đường sức từ song song với đoạn dây. Có thể sử dụng quy tắc bàn tay trái để xác định lực từ tác dụng lên đoạn dây dân trong trường hợp này không? Thảo luận để rút ra lưu ý của quy tắc bàn tay trái.

Lời giải:

- Trong trường hợp này, các đường sức từ song song với đoạn dây dẫn, do đó không có chiều nào "từ cổ tay đến các ngón tay". Việc áp dụng quy tắc bàn tay trái theo cách thông thường sẽ gặp khó khăn.

- Quy tắc bàn tay trái là một công cụ hữu ích để xác định chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng quy tắc này chỉ áp dụng cho trường hợp các đường sức từ cắt ngang đoạn dây dẫn. Trong trường hợp đặc biệt khi các đường sức từ song song với đoạn dây dẫn, ta cần thay đổi hướng của lòng bàn tay để áp dụng quy tắc này một cách chính xác.

Ngoài ra, quy tắc bàn tay trái còn có một số hạn chế sau:

+ Quy tắc này không cung cấp thông tin về độ lớn của lực từ.

+ Quy tắc này chỉ áp dụng cho trường hợp từ trường đều.

Để khắc phục những hạn chế này, ta cần sử dụng các công thức vật lý để tính toán độ lớn của lực từ và áp dụng các phương pháp khác để xác định lực từ trong trường hợp từ trường không đều.

Luyện tập trang 69 Vật Lí 12: Xác định phương và chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng mang dòng điện 1 đặt trong từ trường đều như Hình 10.5. Biết dòng điện I có phương vuông góc với mặt phẳng hình vẽ.

Lời giải:

Vận dụng trang 69 Vật Lí 12: Dựa vào kiến thức đã học về lực từ cũng như tìm hiểu trên sách, báo, internet... em hãy trình bày sơ lược về cấu tạo và nguyên lí hoạt động của loa điện động.

Lời giải:

Loa điện động là thiết bị biến đổi tín hiệu điện thành âm thanh. Âm thanh được tạo ra bởi sự dao động của màng loa, được truyền đến tai người thông qua môi trường không khí.

Cấu tạo:

Loa điện động bao gồm các bộ phận chính sau:

- Nam châm vĩnh cửu: Tạo ra từ trường mạnh trong loa.

- Cuộn dây: Quấn quanh lõi thép, khi có dòng điện chạy qua sẽ tạo ra lực từ.

- Màng loa: Nhẹ và đàn hồi, được gắn với cuộn dây.

- Nón loa: Giúp khuếch đại âm thanh phát ra từ màng loa.

- Thùng loa: Chứa các bộ phận bên trong và giúp tạo hiệu ứng âm thanh.

Nguyên lý hoạt động:

- Tín hiệu âm thanh: Tín hiệu âm thanh từ nguồn (như điện thoại, máy tính) được khuếch đại bằng bộ khuếch đại âm thanh.

- Dòng điện biến đổi: Tín hiệu âm thanh được chuyển đổi thành dòng điện biến đổi theo thời gian.

- Lực từ: Khi dòng điện biến đổi chạy qua cuộn dây, nó sẽ tạo ra lực từ biến đổi theo thời gian. Lực từ này tác dụng lên cuộn dây, làm cho nó dao động qua lại.

- Dao động của màng loa: Cuộn dây được gắn với màng loa, do đó khi cuộn dây dao động, màng loa cũng sẽ dao động theo.

- Tạo ra sóng âm: Dao động của màng loa tạo ra sóng âm lan truyền trong môi trường không khí. Tần số dao động của màng loa quyết định cao độ của âm thanh, biên độ dao động quyết định độ lớn của âm thanh.

Câu hỏi 5 trang 69 Vật Lí 12: Độ lớn lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện phụ thuộc vào các yếu tố nào?

Lời giải:

Độ lớn lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Cường độ dòng điện (I): Lực từ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện. Nghĩa là, cường độ dòng điện càng lớn, lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn càng lớn.

- Độ lớn từ trường (B): Lực từ tỉ lệ thuận với độ lớn từ trường. Nghĩa là, từ trường càng mạnh, lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn càng lớn.

- Chiều dài của đoạn dây dẫn (l): Lực từ tỉ lệ thuận với chiều dài của đoạn dây dẫn. Nghĩa là, đoạn dây dẫn càng dài, lực từ tác dụng lên nó càng lớn.

- Góc giữa vectơ dòng điện (I) và vectơ từ trường (B): Lực từ có giá trị cực đại khi vectơ dòng điện vuông góc với vectơ từ trường. Khi góc giữa hai vectơ này tăng hoặc giảm, giá trị của lực từ sẽ giảm.

Luyện tập trang 70 Vật Lí 12: Dựa vào biểu thức (10.1), hãy xác định đơn vị đo cảm ứng từ B theo các đơn vị cơ bản trong hệ đơn vị SI.

Lời giải:

$B=\frac{F}{Il\sin \theta }=\frac{N}{A.m}$

Bài tập

Bài 1 trang 71 Vật Lí 12: Xét đoạn dây dẫn thẳng, dài mang dòng điện đặt trong từ trường đều theo phương vuông góc với đường sức từ. Hình vẽ nào dưới đây biểu diễn đúng phương, chiều của lực từ tác dụng lên dây dẫn?

Lời giải:

Đáp án A

Bài 2 trang 71 Vật Lí 12: Đặt một khung dây dẫn hình chữ nhật mang dòng điện có cường độ I trong từ trường đều có vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng khung dây như Hình 10P.1. Xác định lực từ tác dụng lên các cạnh của khung dây

Lời giải:

Bài 3 trang 71 Vật Lí 12: Một đoạn dây dài 15 cm được đặt vuông góc với một từ trường đều. Khi có dòng điện 2 A chạy trong đoạn dây thì có lực từ tác dụng lên đoạn dây. Biết lực từ có độ lớn là 0,015 N. Xác định cảm ứng từ của từ trường đều

Lời giải:

$B=\frac{F}{Il\sin \theta }=\frac{0,015}{2.0,15.\sin {90}^{\circ }}=0,05T$