Giải Vật lí 12 Bài 11 (Chân trời sáng tạo): Thực hành đo độ lớn cảm ứng từ

Mở đầu trang 72 Vật Lí 12: Trong đời sống hàng ngày, chúng ta có thể tiếp xúc với từ trường ở mọi nơi (ví dụ Trái Đất cũng có từ trường và được xem như một nam châm khổng lồ, với cực Bắc - Nam địa lí lần lượt là cực Nam - Bắc của nam châm). Đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của từ trường là vectơ cảm ứng từ. Vậy làm thế nào để xác định được độ lớn của cảm ứng từ

Lời giải:

Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định độ lớn của cảm ứng từ, tùy thuộc vào mục đích sử dụng và độ chính xác mong muốn. Dưới đây là một số phương pháp phổ biến:

1. Sử dụng la bàn:

- La bàn là một thiết bị sử dụng kim nam châm để định hướng theo từ trường Trái Đất. Góc nghiêng của kim nam châm so với phương ngang tại một vị trí cụ thể có thể được sử dụng để tính toán độ lớn của cảm ứng từ Trái Đất tại vị trí đó.

- Phương pháp này chỉ cung cấp độ chính xác tương đối thấp và chỉ áp dụng cho từ trường Trái Đất.

2. Sử dụng cảm biến từ:

- Cảm biến từ là những thiết bị điện tử có thể đo độ lớn và hướng của cảm ứng từ.

- Cảm biến từ được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như điện thoại thông minh, la bàn kỹ thuật số và các thiết bị định vị GPS.

- Cảm biến từ có thể cung cấp độ chính xác cao hơn la bàn, nhưng giá thành của chúng thường cao hơn.

3. Sử dụng cuộn dây và điện kế:

- Phương pháp này dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ, theo đó khi một cuộn dây dẫn được đặt trong từ trường biến đổi, trong cuộn dây sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng.

- Suất điện động cảm ứng này có thể được đo bằng điện kế và sử dụng để tính toán độ lớn của cảm ứng từ.

- Phương pháp này có thể cung cấp độ chính xác cao, nhưng nó đòi hỏi thiết bị và kỹ thuật đo lường chuyên dụng.

4. Sử dụng máy đo từ trường:

- Máy đo từ trường là những thiết bị chuyên dụng được thiết kế để đo độ lớn và hướng của cảm ứng từ.

- Máy đo từ trường có thể cung cấp độ chính xác cao nhất và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học và kỹ thuật.

- Tuy nhiên, giá thành của máy đo từ trường thường cao và việc sử dụng chúng có thể đòi hỏi kiến thức chuyên môn.

Câu hỏi 1 trang 72 Vật Lí 12: Dựa vào bộ dụng cụ thí nghiệm đã liệt kê trong Bài 10, hãy thiết kế và thực hiện phương án để đo cảm ứng từ của từ trường đều giữa hai cực của nam châm điện hình chữ U

Lời giải:

1. Lắp đặt:

- Đặt nam châm điện hình chữ U lên mặt phẳng ngang.

- Quấn cuộn dây dẫn quanh lõi nam châm điện (số vòng n).

- Nối cuộn dây dẫn với ampe kế và nguồn điện một chiều.

- Nối hai đầu của tỷ lệ kế với hai đầu của nam châm điện.

- Đặt vôn kế song song với tỷ lệ kế.

- Sử dụng giá đỡ để điều chỉnh vị trí của cuộn dây dẫn sao cho nó nằm giữa hai cực của nam châm điện.

2. Thực hiện:

- Bật nguồn điện một chiều và điều chỉnh cường độ dòng điện (I) qua cuộn dây dẫn bằng ampe kế.

- Đọc giá trị điện áp (U) trên vôn kế.

- Đọc giá trị độ dài (l) của phần cuộn dây dẫn nằm trong từ trường bằng thước kẻ.

- Thay đổi cường độ dòng điện (I) và lặp lại các bước 2 và 3.

3. Tính toán:

- Sử dụng công thức để tính cảm ứng từ (B) của từ trường:

4. Phân tích kết quả:

- Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa cảm ứng từ (B) và cường độ dòng điện (I).

- Xác định giá trị trung bình của cảm ứng từ (B) từ đồ thị.

- So sánh giá trị trung bình của cảm ứng từ (B) thu được với giá trị lý thuyết.

Câu hỏi 2 trang 73 Vật Lí 12: Giải thích tại sao độ lớn lực từ F tác dụng lên cạnh của khung dây đặt trong từ trường bằng F₂ - F₁

Lời giải:

Vì trong F₂ có một phần lực là F₁ giữ cho cân ở trạng thái cân bằng. Vì khi xuất hiện lực từ sẽ làm thay đổi trạng thái cân bằng của đòn cân.

→ F = F₂ - F₁

Câu hỏi 3 trang 74 Vật Lí 12: Nêu những lưu ý khi làm thí nghiệm để thu được kết quả chính xác.

Lời giải:

- Cần đảm bảo rằng tất cả các thiết bị đo lường được hiệu chuẩn chính xác và được sử dụng đúng cách.

- Nên thực hiện thí nghiệm nhiều lần để tăng độ chính xác của kết quả.

- Cần ghi chép cẩn thận tất cả các giá trị đo được trong quá trình thí nghiệm.

- Phân tích kết quả thí nghiệm một cách cẩn thận và logic.

Câu hỏi 4 trang 74 Vật Lí 12: Từ số liệu thu được ở Bảng 11.1 ứng với một giá trị cường độ dòng điện xác định, hãy xử lí số liệu để tính toán cảm ứng từ B và sai số của phép đo.

Lời giải:

$\frac{F}{NIL}={90}^{\circ }$, L = 0,08m, N = 200 vòng
Lần	I (A)	F1 (N)	F2 (N)	F = F2 - F1	B = $\frac{F}{NIL}$ (T)
1	0,2	0,210	0,270	0,06	0,019
2	0,4	0,210	0,320	0,11	0,017
3	0,6	0,210	0,380	0,17	0,018

$\to \overline{B}=\frac{0,019+0,017+0,018}{3}=0,018T$

Sai số của phép đo:

∆B1 = |B - B1| = |0,018 - 0,019| = 0,001

∆B2 = |B - B2| = |0,018 - 0,017| = 0,001

∆B3 = |B - B3| = |0,018 - 0,018| = 0

$\to \overline{\mathrm{\Delta }B}=\frac{0,001+0,001+0}{3}=6,{67.10}^{-4}$

Luyện tập trang 74 Vật Lí 12: Thay đổi độ lớn từ trường bằng cách điều chỉnh cường độ dòng điện chạy vào nam châm điện. Thực hiện lại thí nghiệm trên để đo cảm ứng từ B. Nhận xét về mối liên hệ giữa cảm ứng từ B và cường độ dòng điện qua nam châm điện.

Lời giải:

Cường độ dòng điện và cảm ứng từ qua nam châm điện tỉ lệ nghich với nhau.

Vận dụng trang 74 Vật Lí 12: Cho các dụng cụ: khung dây chữ nhật, dây treo, các nam châm chữ U, thước đo góc, thước thẳng, nguồn điện, ampe kế, lực kế. Hãy thiết kế phương án đo độ lớn cảm ứng từ của vùng từ trường giữa hai cực của nam châm chữ U.

Lời giải:

Bố trí thí nghiệm tương tự Hình 10.2, nhưng thay nam châm điện bằng nam châm chữ U. Các dụng cụ khác sử dụng tương tự