Фізика 9 клас Бар'яхтар 2022 PDF

9 Ф ІЗИКА Підручник відрізняє наявність таких матеріалів: Тексти та ілюстрації для мотивації навчальної діяльності Алгоритми розв’язання основних типів фізичних задач Завдання для самоперевірки...

9 Ф ІЗИКА Підручник відрізняє наявність таких матеріалів: Тексти та ілюстрації для мотивації навчальної діяльності Алгоритми розв’язання основних типів фізичних задач Завдання для самоперевірки Ф ІЗИКА 9 Домашні експериментальні завдання Покрокові описи лабораторних робіт За редакцією Бар’яхтара В. Г., Довгого С. О. Тематичне узагальнення і систематизація матеріалу Приклади практичного застосування фізики Відомості про досягнення фізики та техніки в Україні Інтернет-підтримка підручника дозволить: здійснити інтерактивне онлайн-тестування за кожною темою КЛАС унаочнити фізичний дослід або процес Відеоролики демонстраційних і фронтальних експериментів створені на базі лабораторії МанЛаб Національного центру «Мала академія наук України» Інтернет- підтримка  Бар’яхтар В. Г., Довгий С. О., Божинова Ф. Я., Кірюхіна О. О., за редакцією Бар’яхтара В. Г., Довгого С. О. Фізика «Фізика» підручник для 9 класу закладів загальної середньої освіти Видавництво «Ранок» Ф ІЗИКА 9 Підручник для 9 класу закладів загальної середньої освіти За редакцією Бар’яхтара В. Г., Довгого С. О. 2-ге видання, перероблене Рекомендовано Міністерством освіти і науки України Харків Видавництво «Ранок»   Дорогі друзі! Цього навчального року ви продовжите свою подорож світом фізики. Як і раніше, ви будете спостерігати явища природи, проводи- ти справжні наукові експерименти й на кожному уроці робити власні маленькі відкриття. Жодна справжня подорож не буває легкою, але ж скільки нового ви дізнаєтеся про світ навколо! А підручник, який ви тримаєте в руках, стане для вас надійним помічником. Будьте уважними й наполегливими, вивчаючи зміст кожного параграфа, і тоді ви зможете зрозуміти суть викладеного матеріалу та застосувати набуті знання в повсякденному житті. Зверніть увагу на те, що параграфи завершуються рубриками: «Підбиваємо підсумки», «Контрольні запитання», «Вправа». Для чого вони потрібні і як із ними краще працювати? У рубриці «Підбиваємо підсумки» подано відомості про основні по- няття та явища, з якими ви ознайомилися в параграфі. Отже, ви маєте можливість іще раз звернути увагу на головне. «Контрольні запитання» допоможуть з’ясувати, чи зрозуміли ви вивчений матеріал. Якщо ви зможете відповісти на кожне запитання, то все гаразд, якщо ж ні, знову зверніться до тексту параграфа. Рубрика «Вправа» зробить вашу подорож у дивовижний світ фізики ще цікавішою, адже ви зможете застосувати набуті знання на практиці. Завдання цієї рубрики диференційовані за рівнями складності — від доволі простих, що потребують лише уважності, до творчих, розв’язуючи які слід виявити кмітливість і наполегливість. Номер кожного завдання має свій колір (у порядку підвищення складності: синій, зелений, оран- жевий, червоний, фіолетовий). Серед завдань є такі, що слугують для повторення матеріалу, який ви вже вивчали в курсах природознавства, математики або на поперед­ ніх уроках фізики. Зверніть увагу на те, що в підручнику є матеріал, обмежений по- значками ( ), — він призначений для тих, хто прагне знати більше. 3  Вступ Фізика — наука насамперед експериментальна, тому в підручнику наявні експериментальні завдання та лабораторні роботи. Обов’язково виконуйте їх — і ви будете краще розуміти фізику. Радимо опрацьовува- ти завдання «із зірочкою», завдяки яким ви навчитеся подавати резуль- тати експериментів так, як це роблять справжні вчені. Матеріали, запропоновані наприкінці кожного розділу в рубри- ках «Підбиваємо підсумки розділу» і «Завдання для самоперевірки», а також матеріали «До практикумів із розв'язування задач» наприкінці підручника допоможуть систематизувати отримані знання, будуть ко- рисними під час повторення вивченого та в ході підготовки до контроль- них робіт. Після кожного розділу підручника подано теми навчальних проєктів, рефератів і повідомлень, експериментальних досліджень. За- значимо, що ці теми є орієнтовними. Тож ви можете запропонувати власні теми, а потім якісно їх опрацювати. В інтернет-підтримці підручника ви знайдете відеоролики, що по- казують у дії той чи інший фізичний дослід або процес; інформацію, яка допоможе вам у виконанні завдань; тренувальні тестові завдання з комп’ютерною перевіркою. Для тих, хто хоче більше дізнатися про розвиток фізичної науки й техніки в Україні та світі, знайдеться чимало цікавого й корисного в рубриках «Фізика і техніка в Україні» та «Енциклопедична сторінка». Зверніть увагу на те, що в підручнику використано позначки, які допоможуть вам орієнтуватися в поданому матеріалі: Підбиваємо підсумки Завдання на повторення Контрольні запитання Експериментальне завдання Вправа Інтернет-підтримка Цікавої подорожі світом фізики, нехай вам щастить! Інтернет- підтримка за QR-кодом або посиланням rnk.com.ua/101273 4  РОЗДІЛ I МАГНІТНЕ ПОЛЕ Ви знаєте, що не заблукаєте в лісі, якщо маєте компас, а тепер дізнаєтеся, чи допоможе компас зорієнтуватися на льодових просторах Арктики й Антарктики Ви спостерігали, як магніт притягує залізні скріпки, а тепер зможете пояснити, чому він не притягує мідні монетки Ви вмієте вимірювати силу струму, а тепер дізнаєтесь про принцип дії амперметра Ви постійно користуєтесь електрикою, а тепер дізнаєтесь, як працює генератор електричної енергії  Розділ I. МАГНІТНЕ ПОЛЕ § 1. М  агнітні явища. Дослід Ерстеда. Магнітне поле Ще в глибоку давнину було помічено здатність деяких залізних руд притягувати до себе залізні тіла. Давні греки називали шматки цих руд магнітними каменями, ймовірно, за назвою міста Магнеcія, звідки привозили таку руду. Зараз їх називають природними магнітами. Існують також штучні магніти. Сьогодні ви ознайомитеся з деякими властивостями магнітів, дізнаєтесь про те, що магнітна взаємодія здійсню­ ється через магнітне поле, а також про зв’язок магнітних та електричних явищ. Вивчаємо властивості постійних магнітів 1 Ще в 5 класі, вивчаючи курс природознавства, ви дізналися про маг- нітні явища та виявили, що деякі тіла мають властивість притягувати до себе залізні предмети й самі притягуються до них. Тіла, які тривалий час зберігають магнітні властивості, називають постійними магнітами. Першу спробу наукового підходу до вивчення магнетизму здійснив у ХІІІ ст. французький фізик П’єр Пелерен де Марікур (точні дати життя невідомі) у своєму трактаті «Послання про магніт». Більш системно власти- вості постійних магнітів дослідив Вільям Ґільберт (1544–1603) — англій- ський фізик і лікар, один із засновників науки про електрику. Наведемо основні із цих властивостей. Основні властивості постійних магнітів 1. Магнітна дія маг- 2. Магніт має 3. Однойменні 4. У разі нагрі- ніту є різною на різ- два полюси — полюси маг- вання постійного них ділянках його північний N нітів від- магніту до певної поверхні; ділянки, і південний S*. штовхуються, температури, яку де магнітна дія ви- Неможливо різнойменні — називають точ­ являється найсиль- одержати магніт притягуються. кою Кюрі, його ніше, називають тільки з одним магнітні власти- полюсами магніту. полюсом. вості зникають. Залізні ошурки Точка Штабовий магніт S N N S Метал Кюрі, °С Залізо 770 N S S N Кобальт 1127 Полюси магніту Підковоподібний N S N  S Нікель 354 магніт * Від голл. noord — північ; zuiden (нім. Süden) — південь. 6  § 1. Магнітні явища. Дослід Ерстеда. Магнітне поле Дізнаємося про дослід Ерстеда 2 і досліди ампера Ще вчені Давньої Греції висловлювали при- пущення, що магнітні й електричні явища пов’язані, проте встановити цей зв’язок учені змогли лише на початку XIX ст. 15 лютого 1820 р. данський фізик Ганс I Крістіан Ерстед (1777–1851) демонстрував сту- N дентам дослід із нагріванням провідника елек- тричним струмом. У ході досліду вчений помі- тив, що під час проходження струму магнітна S стрілка, розташована поблизу провідника, від- хиляється від напрямку «північ — південь» рис. 1.1. Схема досліду Ерстеда і встановлюється перпендикулярно до провід- (Тут і далі наявність символа I ника (рис. 1.1). Як тільки струм припинявся, означає, що в провіднику тече стрілка поверталася в початкове положення. струм; стрілка поряд показує Так було з’ясовано, що електричний струм напрямок струму.) чинить певну магнітну дію. Французький математик і фізик Андре Марі Ампер (1775–1836) уперше почув про до- а сліди Г. Ерстеда 4 вересня 1820 р. і вже за тиждень продемонстрував взаємодію двох па- ралельно розташованих провідників зі стру- I I мом (рис. 1.2). Ампер також показав, що ко- тушки, в яких проходить електричний струм, поводяться як постійні магніти (рис. 1.3). Ана- лізуючи результати дослідів, учений дійшов висновку: оскільки провідники є електрично нейтральними (вони незаряджені), їхнє при- тягання або відштовхування не може поясню- ватися дією електричних сил, — «поведінка» провідників є наслідком дії магнітних сил. б I I Даємо означення магнітного поля 3 У ході вивчення електричних явищ у 8 класі ви дізналися про те, що в просторі навколо зарядженого тіла існує поле, яке на­ зивають електричним, і що саме через це поле здійснюється електрична взаємодія між заря­ рис. 1.2. Схема досліду дженими тілами та частинками. А. Ампера. Якщо у двох пара­ Навколо намагніченого тіла й навколо лельних провідниках течуть провідника зі струмом також існує поле — його струми одного напрямку, називають магнітним. Магнітна взаємодія провідники притягуються (а); здійснюється з певною швидкістю через маг­ якщо течуть струми проти­ нітне поле (першим такого висновку дійшов лежних напрямків, провідники англійський фізик Майкл Фарадей (1791–1867)). відштовхуються (б) 7  Розділ I. МАГНІТНЕ ПОЛЕ Розглянемо, наприклад, взаємодію постійного маг- ніту й котушки зі струмом (рис. 1.3, б). Котушка зі N S N S струмом створює магнітне поле. Магнітне поле по- I чинає діяти на постійний магніт (намагнічене тіло) I з певною силою — магніт відхиляється. Магніт теж створює власне магнітне поле, яке, у свою чергу, діє на котушку зі струмом, — і котушка теж відхиля- ється. S N N S Зазначимо, що магнітне поле також існує навколо будь-якої рухомої зарядженої частинки I I та навколо будь-якого рухомого зарядженого тіла а і діє з певною силою на заряджені тіла та частинки, які рухаються в магнітному полі. Зверніть увагу: ми не можемо побачити маг- I нітне поле, проте воно (як і електричне поле) є аб- S N солютно реальним — це форма матерії. б Магнітне поле — це форма матерії, яка існує на­ рис. 1.3. Котушки вколо намагнічених тіл, провідників зі струмом, зі струмом поводяться рухомих заряджених тіл і частинок та діє на інші як постійні магніти намагнічені тіла, провідники зі струмом, рухомі за­ ряджені тіла й частинки, розташовані в цьому полі. Поверніться до досліду Ерстеда (див. рис. 1.1) і досліду Ампера (див. рис. 1.2) і поясніть, як здійснюється магнітна взаємодія між магнітною стрілкою та провідником зі струмом; між двома провідниками зі струмом. підбиваємо підсумки Тіла, які тривалий час зберігають свої магнітні властивості, називають постійними магнітами. Основні властивості постійних магнітів:  магнітна дія магніту найсильніше виявляється поблизу його полюсів;  однойменні полюси магнітів відштовхуються, а різнойменні — при- тягуються; неможливо одержати магніт тільки з одним полюсом;  у разі нагрівання постійного магніту до певної температури (точка Кюрі) його магнітні властивості зникають. Магнітна взаємодія здійснюється через магнітне поле. Магнітне поле — це форма матерії, яка існує навколо намагнічених тіл, провідників зі стру- мом, рухомих заряджених тіл і частинок та діє на розташовані в цьому полі намагнічені тіла, провідники зі струмом, рухомі заряджені тіла й частинки. контрольні запитання 1. Назвіть основні властивості постійних магнітів. 2. Опишіть дослід Г. Ер- стеда. У чому суть його відкриття? 3. Опишіть досліди А. Ампера. Що вони доводять? 4. Біля яких об’єктів існує магнітне поле? На які об’єкти воно діє? 5. Дайте означення магнітного поля. 8  § 1. Магнітні явища. Дослід Ерстеда. Магнітне поле вправа № 1 S N 1. Магнітну стрілку розташували біля шта- бового магніту (рис. 1). Який полюс маг- ніту є південним, а який — північним? Рис. 1 2. Сталеву спицю намагнітили та розділили кусачками спочатку на дві, а потім на чотири частини (рис. 2). Яку властивість магнітів демонструє цей дослід? 3. Чому залізні ошурки, притягнувшись до полюсів магніту, стирчать у різні боки (див. рисунок на с. 6)? 4. Чому звужується струмінь розплавленого металу, коли через нього пропускають струм? 5. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про історію від- криття Г. Ерстеда. Які дослідження він провів, вивчаючи магнітне поле провід- Рис. 2 ника зі струмом? Які результати одержав? Експериментальні завдання 1. Скориставшись двома-трьома постійними магнітами, наприклад паличками маг- нітного конструктора, експериментально перевірте деякі властивості магнітів. 2. Візьміть кілька голок із нитками. Скла- діть нитки в один пучок і повільно підне- N сіть знизу до голок постійний магніт. По- ясніть спостережуване явище (рис. 3). Рис. 3 Фізика і техніка в Україні Інститут магнетизму нан і Мон україни (Київ) — провідна наукова установа, що проводить дослідження в галузі магнетизму й магнітних матеріалів. Інститут є базовим у підготовці студентів фізико­математичного факультету НТУ «Київський політехніч­ ний інститут», фізичного та радіофізичного факультетів КНУ ім. Тараса Шевченка. Організатором і першим директором інституту в 1995 р. став видатний український фізик, академік, Герой України Віктор Григорович Бар’яхтар, відомий своїми фундамен­ тальними роботами в галузі теоретичної фізики, фізики магнітних явищ, фізики твер­ дого тіла, а також дослідженнями екологічних наслідків Чорнобильської катастрофи. В інституті розроблено матеріали для магнітних сенсорів і реєстраторів інформації, вирощено й синтезовано монокристали, які широко використовують в електроніці. Наукова установа володіє унікальною технологією та обладнанням для напилення тон­ ких наноплівок. Науково­дослідницький комплекс скануючої растрової та електронної мікроскопії для наноструктурних досліджень Інституту магнетизму віднесено до наукових об’єктів, які становлять національне надбання. 9  Розділ I. МАГНІТНЕ ПОЛЕ § 2. Індукція магнітного поля. Лінії магнітної індукції. Магнітне поле Землі Ми не можемо побачити магнітне поле, проте для кращого розуміння магнітних явищ важливо навчитися наочно його зображувати. У цьому нам допоможуть магнітні стрілки. Кожна така стрілка — це маленький постійний магніт, який легко поверта­ ється в горизонтальній площині (рис. 2.1). Про те, як графічно зображують магнітне поле та яка фізична величина його характеризує, ви дізнаєтесь із цього параграфа. Вивчаємо силову характеристику 1 магнітного поля Якщо заряджена частинка рухається в магніт- ному полі, то поле діятиме на частинку з деякою силою. Значення цієї сили залежить від заряду частинки, напрямку та значення швидкості її руху, а також від того, наскільки сильним є поле. Силовою характеристикою магнітного поля є магнітна індукція. Рис. 2.1. Магнітна стрілка — Магнітна індукція (індукція магнітного це постійний магніт. Пунк­ тирною лінією показано вісь поля) — це векторна фізична величина, яка магнітної стрілки характеризує силову дію магнітного поля.  Магнітну індукцію позначають символом B. Одиниця магнітної індукції в СІ — тесла; названа на честь сербського фізика Ніколи Тесли  (1856–1943):  B [ B] = 1 Тл *. B За напрямок вектора магнітної індукції в даній точці магнітного поля обрано напря­ мок, у якому вказує північний полюс магнітної N S стрілки, встановленої в даній точці (рис. 2.2).   Зверніть увагу! Напрямок сили, з якою B B магнітне поле діє на рухомі заряджені частинки або на провідник зі струмом, або на магнітну  B стрілку, не збігається з напрямком вектора маг- нітної індукції. Рис. 2.2. У магнітному полі магнітні стрілки орієнтують­ Зображуємо магнітне поле ся певним чином: північний 2 На рис. 2.2 бачимо, що магнітні стрілки орі- полюс кожної магнітної єнтуються в магнітному полі не безладно: їхні осі стрілки вказує напрямок вектора індукції магнітного поля в даній точці * Як подати 1 Тл через інші одиниці СІ, за якою форму- лою можна визначити модуль магнітної індукції, як напрямлена сила, з якою магнітне поле діє на провід- ник зі струмом, ви дізнаєтесь із матеріалу § 4. 10  § 2. Індукція магнітного поля. Лінії магнітної індукції. Магнітне поле Землі Магнітні лінії: поза магнітом виходять із пів- нічного полюса магніту і входять у південний; N S завжди замкнені (магнітне поле — це вихрове поле); найщільніше розташовані біля полюсів магніту; ніколи не перетинаються Рис. 2.3. Лінії магнітної індукції магнітного поля штабового магніту ніби утворюють лінії, а вектор магнітної індукції в кожній точці напрямле- ний уздовж дотичної до лінії, яка проходить через цю точку. Умовні напрямлені лінії, в кожній точці яких дотична збігається з лінією, уздовж якої напрямлений вектор магнітної індукції, називають лініями маг- нітної індукції або магнітними лініями. Саме за допомогою магнітних ліній графічно зображують магнітні поля: 1) за напрямок лінії магнітної індукції в даній точці домовилися брати напрямок вектора магнітної індукції; 2) лінії магнітної індукції зображають щільніше в тих областях поля, де модуль магнітної індукції більше. Розглянувши графічне зображення маг- нітного поля штабового магніту, можемо зробити деякі висновки (див. на рис. 2.3). Зазначимо, що ці висновки справджуються для магнітних ліній будь-якого магніту. Який напрямок мають магнітні лінії все- редині штабового магніту? Картину ліній магнітної індукції можна відтворити, скориставшись залізними ошур- ками. Візьмемо підковоподібний магніт, по- S N кладемо на нього пластинку з оргскла і через ситечко насипатимемо на пластинку залізні ошурки. У магнітному полі кожний шмато- чок заліза намагнітиться й перетвориться на маленьку «магнітну стрілку». Імпровізовані «стрілки» зорієнтуються вздовж магнітних лі- ній магнітного поля магніту (рис. 2.4). Рис. 2.4. Рисунок, утворений Зобразіть у зошиті картину магнітних лі- ланцюжками залізних ошурок, ній магнітного поля підковоподібного відтворює картину ліній маг­ магніту. Пам’ятайте про те, що магнітні нітної індукції магнітного поля лінії завжди замкнені. підковоподібного магніту 11  Розділ I. МАГНІТНЕ ПОЛЕ  розглядаємо однорідне магнітне поле  B 3 B  Магнітне поле в певній частині простору  B називають однорідним, якщо в кожній його B точці вектори магнітної індукції однакові як за модулем, так і за напрямком (рис. 2.5). рис. 2.5. Ділянка, на якій маг­ На ділянках, де магнітне поле є однорід- нітне поле є однорідним ним, лінії магнітної індукції паралельні та роз- ташовані на однаковій відстані одна від одної (рис. 2.5, 2.6). У фізиці прийнято магнітні лінії а однорідного магнітного поля, які напрямлені до нас, зображати крапками (рис. 2.7, а) — ми ніби бачимо «вістря стріл», що летять до нас. Якщо магнітні лінії напрямлені від нас, то їх зображають хрестиками — ми ніби бачимо N S «пір’я стріл», що летять від нас (рис. 2.7, б). В більшості випадків ми маємо справу з неоднорідним магнітним полем, — полем, у різних точках якого вектори магнітної ін- дукції мають різні значення та напрямки. Магнітні лінії такого поля викривлені, а їхня б щільність є різною. розглядаємо магнітне поле Землі 4 Із метою вивчення земного магнетизму S N S N Вільям Ґільберт виготовив постійний магніт у вигляді кулі (модель Землі). Розташувавши на кулі компас, він помітив, що стрілка ком- паса поводиться так само, як на поверхні Землі. рис. 2.6. Магнітне поле Експерименти дозволили вченому при- всередині штабового магні­ пустити, що Земля — це величезний магніт, ту (а) і між двома магнітами, а на півночі нашої планети розташований її зверненими один до одного південний магнітний полюс. Подальші дослід- різнойменними полюсами (б), ження підтвердили гіпотезу В. Ґільберта. можна вважати однорідним На рис. 2.8 зображено картину ліній маг- нітної індукції магнітного поля Землі. а б Уявіть, що ви подорожуєте на Північний полюс, рухаючись точно в тому на- прямку, на який вказує стрілка компаса. Чи досягнете ви місця призначення? Лінії магнітної індукції магнітного поля Землі не є паралельними її поверхні. Якщо за- рис. 2.7. Зображення ліній магнітної індукції однорідного кріпити магнітну стрілку в карданному підвісі, магнітного поля, які перпенди­ тобто так, щоб вона могла вільно обертатися як кулярні до площини рисунка навколо горизонтальної, так і навколо верти- та напрямлені до нас (а); кальної осей, стрілка встановиться під певним напрямлені від нас (б) кутом до поверхні Землі (рис. 2.9). 12  § 2. Індукція магнітного поля. Лінії магнітної індукції. Магнітне поле Землі 11,5° Магнітний і географічний полюси не збігаються; відстань між ними невпинно змінюється На півночі планети Пн Південний магнітний по- S Земля розташований люс нещодавно «залишив» її південний магніт- територію Канади і «руха- ний полюс, а на ється» в напрямку Росії півдні — північний магнітний полюс N Пд Вісь обертання Землі Магнітна вісь рис. 2.8. Схема розташування ліній магнітної індукції магнітного поля планети Земля Як, на вашу думку, буде розташована магнітна стрілка в пристрої, зображеному на рис. 2.9, біля північного магнітного полюса Землі? біля південного магнітного полюса Землі? Магнітне поле Землі здавна допомагало орієн- туватися мандрівникам, морякам, військовим і не лише їм. Доведено, що риби, морські ссавці й птахи під час своїх міграцій орієнтуються за магнітним полем Землі. Так само орієнтуються, шукаючи рис. 2.9. Магнітна стріл­ шлях додому, і деякі тварини, наприклад коти. ка в карданному підвісі Дізнаємося про магнітні бурі 5 Ретельні дослідження показали, що в будь-якій місцевості маг- нітне поле Землі періодично, щодоби, змінюється. Крім того, спостері- гаються невеликі щорічні зміни магнітного поля Землі. Трапляються, однак, і різкі його зміни. Сильні збурення магнітного поля Землі, які охоплюють усю планету і тривають від одного до кількох днів, на- зивають магнітними бурями. Здорові люди їх практично не відчува- ють, а от у тих, хто має серцево-судинні захворювання та захворювання нервової системи, магнітні бурі викликають погіршення самопочуття. Магнітне поле Землі є своєрідним «щитом», який захищає нашу пла- нету від заряджених частинок, що летять із космосу, переважно від Сонця («сонячний вітер»). Поблизу магнітних полюсів потоки частинок підлітають досить близько до атмосфери Землі. Під час зростання сонячної активності космічні частинки потрапляють у верхні шари атмосфери та йонізують мо- лекули газу — тоді на Землі спостерігаються полярні сяйва (рис. 2.10). 13  Розділ I. МАГНІТНЕ ПОЛЕ а підбиваємо підсумки  Магнітна індукція B — це векторна фізична величина, яка характеризує силову дію маг- нітного поля. Напрямок вектора магнітної індукції збігається з напрямком, у якому вказує північний полюс магнітної стрілки. Одиниця магнітної індук- ції в СІ — тесла (Тл). б Умовні напрямлені лінії, в кожній точці яких дотичні збігаються з лінією, уздовж якої напрямле- ний вектор магнітної індукції, називають лініями магнітної індукції або магнітними лініями. Лінії магнітної індукції завжди замкнені, поза магнітом вони виходять із північного полюса маг- ніту та входять у південний, щільніше розташовані рис. 2.10. Під час в тих областях магнітного поля, де модуль магнітної підвищення сонячної індукції більше. активності збільшується площа темних плям Планета Земля має магнітне поле. Поблизу пів- на Сонці (а), а на Землі нічного географічного полюса Землі розташований її відбуваються магнітні південний магнітний полюс, поблизу південного гео- бурі та полярні сяйва (б) графічного полюса — північний магнітний полюс. контрольні запитання 1. Дайте означення магнітної індукції. 2. Як напрямлений вектор магнітної індукції? 3. Якою є одиниця магнітної індукції в СІ? На честь кого її на- звано? 4. Наведіть означення ліній магнітної індукції. 5. Який напрямок узято за напрямок магнітних ліній? 6. Від чого залежить щільність розташування магнітних ліній? 7. Яке магнітне поле називають однорідним? 8. Доведіть, що Земля має магнітне поле. 9. Як розташовані магнітні полюси Землі відносно географічних? 10. Що таке магнітні бурі? Як вони впливають на людину? вправа № 2 1. На рис. 1 зображено лінії магнітної А А індукції на певній ділянці магніт- ного поля. Для кожного випадку а–в А B B визначте: B 1) яке це поле — однорідне чи не- однорідне; а б в 2) напрямок вектора магнітної ін- Рис. 1 дукції в точках А і В поля; 3) у якій точці — А чи В — магнітна B індукція поля є більшою. C 2. Чому сталеві віконні ґрати можуть А із часом намагнітитися? S N N S 3. На рис. 2 зображено лінії магнітного D поля, створеного двома однаковими постійними магнітами, які звернені один до одного однойменними полю- сами. Рис. 2 14  § 3. Магнітне поле струму. Правило свердлика 1) Чи існує магнітне поле в точці А? 2) Який напрямок має вектор магнітної індукції в точці В? у точці С? 3) У якій точці — А, В чи С — магнітна індукція поля є найбільшою? 4) Який напрямок мають вектори магнітної індукції всередині магнітів? 4. Раніше під час експедицій на Північний полюс виникали труднощі щодо визначення напрямку руху, адже поблизу полюса звичайні компаси майже не працювали. Як ви вважаєте, чому? 5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтесь, яке зна- чення має магнітне поле для життя на нашій планеті. Що сталося б, якби магнітне поле Землі раптом зникло? 6. На земній поверхні є області, де магнітна індукція магнітного поля Землі значно більша, ніж у сусідніх районах. Скористайтеся додатковими дже- релами інформації та дізнайтесь про магнітні аномалії детальніше. 7. Поясніть, чому будь-яке незаряджене тіло завжди притягується до тіла, яке має електричний заряд. § 3. МагнітнЕ полЕ струМу. правило свЕрДлика Ви вже знаєте, що навколо провідника зі стру­ мом існує магнітне поле. Дослідимо магнітне а поле прямого провідника зі струмом. Для цього I провідник пропустимо через аркуш картону (перпендикулярно до поверхні), насиплемо на картон залізні ошурки та замкнемо коло. У маг­ нітному полі провідника ошурки намагнітяться I й відтворять картину ліній магнітної індукції магнітного поля прямого провідника зі стру­  мом — концентричні кола, що охоплюють про­ B відник (див. рис. 3.1). А як визначити напрямок магнітних ліній? б I Знайомимося з правилом свердлика 1 Розташуємо поряд із провідником де- кілька магнітних стрілок і пустимо в провід- нику струм — стрілки зорієнтуються в магніт- I ному полі провідника (рис. 3.1, а). Північний полюс кожної стрілки вкаже напрямок вектора  індукції магнітного поля в даній точці, а отже, B і напрямок магнітних ліній цього поля. Зі зміною напрямку струму в провід- рис. 3.1. Визначення напрямку нику зміниться й орієнтація магнітних стрі- ліній магнітної індукції магніт­ лок (рис. 3.1, б). Це означає, що напрямок маг­ ного поля провідника зі стру­ нітних ліній залежить від напрямку струму мом за допомогою магнітних в провіднику. стрілок 15  Розділ I. МАГНІТНЕ ПОЛЕ Зрозуміло, що визначати напрямок ліній магнітної індукції за допомо- гою магнітної стрілки незручно, тому використовують правило свердлика: Якщо вкручувати свердлик за напрямком струму в провіднику, то напря­ мок обертання ручки свердлика вкаже напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля струму (рис. 3.2, а); або інакше: Якщо спрямувати великий палець правої руки за напрямком струму в про­ віднику, то чотири зігнуті пальці вкажуть напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля струму (рис. 3.2, б). Переконайтеся в справедливості правила I свердлика для випадків, поданих на  рис. 3.1.  B B I З’ясовуємо, від чого залежить модуль 2 індукції магнітного поля провідника зі струмом Згадайте: магнітну дію провідника зі струмом першим виявив Г. Ерстед у 1820 р. А от чому це а б відкриття не було зроблено раніше? Річ у тім, що зі збільшенням відстані від провідника рис. 3.2. Визначення напрямку магнітна індукція створеного ним магнітного ліній магнітного поля провід­ поля значно зменшується. Отже, якщо маг- ника зі струмом за допомогою нітна стрілка розташована не поблизу провід- правила свердлика ника зі струмом, магнітна дія струму є майже непомітною. Розгляньте рис. 3.3. Чому зі збільшенням  відстані від провідника щільність ліній B2 магнітної індукції зменшується?   Чи од- 2  наковими є модулі векторів B1, B2 і B3 ? B1 Магнітна індукція залежить також від 1 сили струму: зі збільшенням сили струму 3 в провіднику магнітна індукція створеного  ним магнітного поля збільшується. B3 вивчаємо магнітне поле котушки 3 зі струмом рис. 3.3. Лінії магнітної індукції Змотаємо ізольований дріт у котушку й пус- магнітного поля прямого про­ відника зі струмом. Провідник тимо в ньому струм. Якщо тепер навколо розташований перпендику­ котушки розмістити магнітні стрілки, то до лярно до площини рисунка; одного торця котушки стрілки повернуться хрестик (×) означає, що сила північним полюсом, а до другого — південним струму в провіднику напрям­ (рис. 3.4). Отже, навколо котушки зі струмом лена від нас існує магнітне поле. 16  § 3. Магнітне поле струму. Правило свердлика Як і штабовий магніт, котушка зі стру- мом має два полюси — південний і північний. Полюси котушки розташовані на її торцях, і їх легко визначити за допомогою правої руки: Якщо чотири зігнуті пальці правої руки спря­ мувати за напрямком струму в котушці, то відігнутий на 90° великий палець укаже на­ прямок на північний полюс котушки, тобто рис. 3.4. Дослідження магнітно­ напрямок вектора магнітної індукції магніт­ го поля котушки зі струмом за ного поля всередині котушки (рис. 3.5). допомогою магнітних стрілок Зіставивши магнітні лінії постійного штабового магніту та магнітні лінії котушки зі струмом, побачимо їхню надзвичайну схо- жість (рис. 3.6). Зазначимо: магнітна стрілка, N I S підвішена котушка зі струмом і підвішений штабовий магніт орієнтуються в магнітному  полі Землі однаково. B рис. 3.5. Визначення полюсів підбиваємо підсумки котушки зі струмом за допомо­ Навколо провідника зі струмом існує маг- гою правої руки нітне поле. Магнітна індукція поля, ство- реного струмом, зменшується зі збільшенням а відстані від провідника та збільшується зі збіль-  шенням сили струму в провіднику. B Напрямок ліній магнітної індукції N магнітного поля провідника зі струмом можна визначити за допомогою магнітних стрілок або за допомогою правила свердлика. S Котушка зі струмом, як і постійний маг- ніт, має два полюси. Їх можна визначити за допомогою правої руки: якщо чотири зігнуті пальці правої руки спрямувати за напрямком б струму в котушці, то відігнутий на 90° великий  палець укаже напрямок на її північний полюс. B I контрольні запитання 1. Як визначити напрямок ліній магнітної індукії магнітного поля провідника зі стру- I мом? 2. Сформулюйте правило свердлика. 3. Як магнітна індукція магнітного поля про- відника зі струмом залежить від відстані до провідника? від сили струму в провіднику? 4. Який вигляд мають лінії магнітної індук- рис. 3.6. Лінії магнітної індукції ції магнітного поля прямого провідника зі магнітного поля штабового струмом? котушки зі струмом? 5. Як визна- магніту (а) і котушки чити магнітні полюси котушки зі струмом? зі струмом (б) 17  Розділ I. МАГНІТНЕ ПОЛЕ вправа № 3  B B 1. На рис. 1 зображено лінію магнітної індукції A магнітного поля провідника зі струмом. Яким є напрямок струму в провіднику? Рис. 1 2. На рис. 2 зображено лінії магнітної індукції магнітних полів двох провідників зі струмом. 1) Як напрямлене магнітне поле провідника, B B зображеного на рис. 2, а? 2) Яким є напря- A A мок струму в провіднику, зображеному на а б рис. 2, б? 3) Визначте, в якій точці — А чи Рис. 2 В — магнітне поле є сильнішим (рис. 2, а, б). 3. Яким полюсом має повернутися до нас маг- I нітна стрілка (рис. 3)? Чи зміниться відповідь, якщо стрілку розташувати над провідником? N 4. Над котушкою підвішено магніт (рис. 4). Як S поводитиметься магніт, якщо замкнути коло? 5. Визначте полюси джерела струму на рис. 5. + 6. У деяких приладах прояви магнітного поля – струму не є бажаними. У таких приладах Рис. 3 Рис. 4 використовують біфілярну намотку: провід скручують удвоє так, щоб обидва його кінці N S опинилися поряд. У чому сенс такої намотки? Експериментальне завдання «Електромагнітний компас». Склейте папе- ровий циліндр діаметром 7–10 мм і завдовжки 4–5 см. Намотайте на одержаний каркас 20– 30 витків тонкого ізольованого дроту. Закрі- Рис. 5 піть отриману котушку горизонтально на невеликій дощечці (або корку) та з’єднайте кінці проводу з батареєю гальванічних елементів. Визначте полюси котушки й позначте їх. Опустіть дощечку в широку посудину з во- дою. Електромагнітний компас готовий. Як він діятиме? Вставте в котушку залізний цвях. Чи буде тепер ваш компас працювати правильно? Фізика і техніка в Україні олександр ілліч ахієзер (1911–2000) — видатний український фізик­теоретик, академік НАНУ, засновник наукової школи з те­ оретичної фізики. Серед його учнів — академіки В. Г. Бар’яхтар, Д. В. Волков, С. В. Пелетмінський, О. Г. Ситенко і понад 30 членів­ кореспондентів і докторів наук. Досліджуючи взаємодію ультразвуку з кристалами, О. І. Ахіє­ зер розробив механізм поглинання, зумовлений модуляцією енергії квазічастинки зовнішнім полем, який отримав назву «механізм Ахієзера». Вчений є автором теорії резонансних ядерних реакцій, здобув фундаментальні результати під час дослідження фізики плазми, разом з учнями сфор­ мулював основи електродинаміки плазми. Спільно з В. Г. Бар’яхтаром і С. В. Пелетмін­ ським науковець відкрив нове явище — магнітоакустичний резонанс. Іменем О. І. Ахієзера названо Інститут теоретичної фізики, що є структурним під­ розділом Національного наукового центру «Харківський фізико­технічний інститут». 18  § 4. сила аМпЕра Із матеріалу § 1 ви дізналися, що магнітне поле діє на провідник зі струмом із де­ якою силою. А з курсу фізики 8 класу пам’ятаєте, що сила — це векторна фізична величина, тому, щоб повністю визначити силу, слід уміти розраховувати її значення та визначати напрямок. Від чого залежить значення сили, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, як напрямлена ця сила та чому її називають силою Ампера, ви дізнаєтесь із цього параграфа. Характеризуємо силу, яка діє 1 на провідник зі струмом Візьмемо прямий провідник, виготовлений а з алюмінію, і підвісимо його на тонких і гнуч- ких проводах таким чином, щоб він був роз- ташований між полюсами підковоподібного постійного магніту (рис. 4.1, а). Якщо в про- віднику пропустити струм, провідник відхи- литься від положення рівноваги (рис. 4.1, б). Причиною такого відхилення є сила, що діє на провідник зі струмом з боку магнітного поля. Довів наявність цієї сили і з’ясував, від чого залежать її значення та напрямок, А. Ампер. Саме тому цю силу називають си­ лою Ампера. сила ампера — це сила, з якою магнітне б поле діє на провідник зі струмом. Сила Ампера прямо пропорційна силі струму в провіднику та довжині активної час- тини провідника (тобто частини, яка розташо- вана в магнітному полі). Сила Ампера збільшу- ється зі збільшенням магнітної індукції поля і залежить від того, під яким кутом до ліній магнітної індукції розташований провідник. Значення сили Ампера (FA) обчислюють за формулою: FА = BIl sin α, рис. 4.1. Дослід, який демон­ де B — магнітна індукція магнітного поля; струє дію магнітного поля на I — сила струму в провіднику; l — довжина алюмінієвий провідник: у разі активної частини провідника; a — кут між на- відсутності струму магнітне прямком вектора магнітної індукції і напрям- поле на провідник не діє (а); ком струму в провіднику (рис. 4.2). якщо в провіднику тече струм, Зверніть увагу! Магнітне поле не ді- на провідник діє магнітне поле ятиме на провідник зі струмом (FA = 0), якщо і провідник відхиляється (б) 19  Розділ I. МАГНІТНЕ ПОЛЕ провідник розташований паралельно лініям маг- нітної індукції цього поля ( sin α = 0 ). N Щоб визначити напрямок сили Ампера, ви­ користовують правило лівої руки: a Якщо ліву руку розташувати так, щоб лінії маг­ I нітної індукції входили в долоню, а чотири ви­ тягнуті пальці вказували напрямок струму S в провіднику, то відігнутий на 90° великий па­ лець укаже напрямок сили Ампера (рис. 4.3). На рис. 4.4 показано визначення напрямку рис. 4.2. Кут a — це кут сили Ампера, яка діє на провідник, розта- між напрямком вектора шований в однорідному магнітному полі. магнітної індукції і напрям­ Визначте напрямок струму в провіднику, ком струму в провіднику напрямок магнітної індукції та напрямок сили Ампера. отримуємо формулу для визначення 2 модуля магнітної індукції Якщо провідник розташований перпендикулярно N до ліній магнітної індукції ( α = 90° , sin α = 1), I то поле діє на провідник із максимальною силою: FA FА max = BIl Звідси отримуємо формулу для визначення S модуля магнітної індукції: FА max B= рис. 4.3. Визначення Il напрямку сили Ампера Зверніть увагу! Значення магнітної індук- за правилом лівої руки ції не залежить ані від сили струму в провіднику вдвічі, ані від довжини провідника, а залежить тільки від властивостей магнітного поля. Наприк- лад, якщо вдвічі зменшити силу струму в провід- нику, то вдвічі зменшиться й сила Ампера, з якою магнітне поле діє на провідник, а от значення маг- нітної індукції залишиться незмінним. У СІ одиниця магнітної індукції — тесла (Тл), одиниця сили — ньютон (Н), сили струму — ампер (А), довжини — метр (м), тому: Н 1 Тл = 1. А⋅м 1 Тл — це індукція такого однорідного магнітного поля, яке діє із максимальною силою 1 Н на провід­ рис. 4.4. До завдання в § 4 ник завдовжки 1 м, у якому тече струм силою 1 А. 20  § 4. Сила Ампера Учимося розв’язувати задачі A B 3 Задача 1. Доведіть, що два паралельні провідники, I1 I2 I1 в яких течуть струми одного напрямку, притягуються. Аналіз фізичної проблеми. Навколо будь-якого провід- ника зі струмом існує магнітне поле, отже, кожен із двох провідників перебуває в магнітному полі іншого. На пер- F ший провідник діє сила Ампера з боку магнітного поля, а створеного струмом у другому провіднику, і навпаки. Визначивши за правилом лівої руки напрямки цих сил, A B з’ясуємо, як поводитимуться провідники. I1 I2 I1 I2 Розв’язання У ході розв’язання виконаємо пояснювальні ри- сунки: зобразимо провідники A і В, покажемо напря- FA1 мок струму в них та ін. Визначимо напрямок сили Ампера, яка діє на про- б відник A, що перебуває в магнітному полі провідника B. 1) За допомогою правила свердлика визначимо на- Рис. 1 прямок ліній магнітної індукції магнітного поля, ство- реного струмом у провіднику В (рис. 1, а). З’ясовується, A B що біля провідника A магнітні лінії напрямлені до нас (позначка «»). I1 I2 I1 2) Скориставшись правилом лівої руки, визна- чимо напрямок сили Ампера, яка діє на провідник А з боку магнітного поля провідника B (рис. 1, б). 3) Доходимо висновку: провідник А притягується до провідника В. а Тепер знайдемо напрямок сили Ампера, яка діє A B на провідник В, що перебуває в магнітному полі про- відника А. I1 I2 I1 I2 1) Визначимо напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля, створеного струмом у провіднику A FA2 (рис. 2, а). З’ясовується, що біля провідника В магнітні лінії напрямлені від нас (позначка «×»). 2) Визначимо напрямок сили Ампера, яка діє на б провідник В (рис. 2, б). 3) Доходимо висновку: провідник В притягується Рис. 2 до провідника А. Відповідь: два паралельні провідники, в яких течуть струми одного напрямку, дійсно притягуються. Задача 2. Прямий провідник (стрижень) за- вдовжки 0,1 м і масою 40 г перебуває в горизон-  тальному однорідному магнітному полі індукцією B 0,5 Тл. Стрижень розташований перпендикулярно до магнітних ліній поля (рис. 3). Струм якої сили та в якому напрямку слід пропустити в стрижні, щоб він не тиснув на опору (завис у магнітному полі)? Рис. 3 21  Розділ I. МАГНІТНЕ ПОЛЕ Аналіз фізичної проблеми. Стрижень не буде тиснути на опору, якщо сила Ампера зрівноважить силу тяжіння. Це відбудеться за таких умов: 1) сила Ампера буде напрямлена протилежно силі тяжіння (тобто вертикально вгору); 2) значення сили Ампера дорівнюватиме значенню сили тяжіння: FА = Fтяж. Напрямок струму визначимо, скориставшись правилом лівої руки. Дано: Пошук математичної моделі, розв’язання l = 0,1 м 1. Визначимо напрямок струму. Для цього розта- m = 40 г = 0,04 кг шуємо ліву руку так, щоб лінії магнітного поля вхо- B = 0,5 Тл дили в долоню, а відігнутий на 90° великий палець був напрямлений вертикально вгору. Чотири витяг- a = 90° нуті пальці вкажуть напрямок від нас. Отже, струм Н g = 10 у провіднику слід спрямувати від нас. кг 2. Враховуємо, що FА = Fтяж. Знайти: FА = BIl sin α , де sin a = 1; Fтяж = mg. I—? Отже, BIl = mg. mg Із останнього виразу знайдемо силу струму: I =. Bl Перевіримо одиницю, знайдемо значення шуканої величини. кг ⋅ Н / кг Н Н⋅А⋅м 0, 04 ⋅ 10 40 Згадаємо: [ I ] = = = = А, I = = = 8 (А). м ⋅ Тл м ⋅ Н / ( А ⋅ м) м⋅Н 0,5 ⋅ 0,1 5 Відповідь: I = 8 А; від нас. підбиваємо підсумки Силу, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, називають силою Ампера. Значення сили Ампера обчислюють за формулою: FА = BIl sin α , де B — магнітна індукція магнітного поля; I — сила струму в провіднику; l — довжина активної частини провідника; a — кут між на- прямком вектора магнітної індукції і напрямком струму в провіднику. Для визначення напрямку сили Ампера використовують правило лі- вої руки: якщо ліву руку розташувати так, щоб лінії магнітногї індукції входили в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрямок струму в провіднику, то відігнутий на 90° великий палець укаже напрямок сили Ампера. контрольні запитання 1. Опишіть дослід на підтвердження того, що магнітне поле діє на провідник зі струмом з певною силою. 2. Дайте означення сили Ампера. 3. Від яких чинників залежить значення сили Ампера? За якою формулою її визнача- ють? 4. Як слід розташувати провідник, щоб сила Ампера була найбільшою? У якому випадку магнітне поле не діє на провідник? 5. Сформулюйте правило для визначення напрямку сили Ампера. 6. Наведіть формулу для визначення модуля магнітної індукції. 7. Дайте означення одиниці магнітної індукції. 22  § 4. Сила Ампера вправа № 4 1. На рис. 1 зображено для кількох випадків напрямок струму в провіднику та напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля. Визначте напрямок сили Ампера для кожного випадку а–г.     B1 B1 B1 B1 I I I I а б в г Рис. 1 2. У прямолінійному провіднику завдовжки 60 см тече струм силою 1,2 А. Провідник розташований в однорідному магнітному полі індукцією 1,5 Тл. Визначте найбільше та найменше значення сили Ампера, яка може діяти на провідник. 3. Провідник зі струмом відхиляється в магнітному полі постійного магніту. Визначте: а) полюси магніту (рис. 2); б) полюси джерела струму (рис. 3). 4. В однорідному магнітному полі індукцією 40 мТл на прямолінійний про- відник зі струмом 2,5 А діє сила Ампера 60 мН. Визначте: а) якою є дов- жина провідника, якщо він розташований під кутом 30° до ліній магнітної індукції; б) яку роботу виконало магнітне поле, якщо під дією сили Ам- пера провідник перемістився на 0,5 м у напрямку цієї сили? 5. Доведіть, що два провідники, в яких ідуть струми протилежних напрям- ків, відштовхуються. 6. Горизонтальний провідник масою 5 г і завдовжки 10 см лежить на рей- ках у вертикальному магнітному полі індукцією 25 мТл (рис. 4). Визначте: а) у якому напрямку рухатиметься провідник, якщо замкнути електричне коло; б) коефіцієнт тертя, якщо за сили струму в провіднику 5 А провідник рухається прямолінійно рівномірно. 7. Складіть задачу, обернену до задачі 2, поданої в пункті 3 § 4. S N N S Рис. 2 Рис. 3 Рис. 4 Експериментальне завдання «Солений двигун». Підвісьте до м’якої металевої пру- жини залізний цвях; вістря цвяха розмістіть у розчині кухонної солі так, щоб воно лише торкалося рідини (див. рис. 5). Складіть електричне коло, як показано на рис. 5. Замкніть коло — цвях почне коливатися, розімкніть коло — коливання швидко припиняться. Поясніть спостережуване явище. Рис. 5 23  Розділ I. МАГНІТНЕ ПОЛЕ § 5. Магнітні властивості рЕчовин. гіпотЕЗа аМпЕра Мабуть, усі ви бачили магніти й навіть досліджували їхні властивості. Згадайте: ви під­ носите магніт до купки дрібних предметів і бачите, що деякі предмети (цвяшки, кнопки, скріпки) чіпляються до магніту, а деякі (шматочки крейди, мідні та алюмінієві монетки, грудочки землі) не реагують на нього. Чому так? Чи дійсно магнітне поле не чинить жодного впливу на деякі речовини? Саме про це йтиметься в параграфі. порівнюємо дії електричного 1 і магнітного полів на речовину Вивчаючи у 8 класі електричні явища, ви ді- зналися, що внаслідок впливу зовнішнього електричного поля відбувається перерозподіл електричних зарядів усередині незарядженого тіла (рис. 5.1). У результаті в тілі утворюється власне електричне поле, напрямлене проти- лежно зовнішньому. Саме тому електричне поле в речовині завжди послаблюється. Речовина змінює і магнітне поле. Існують рис. 5.1. Унаслідок дії елек­ речовини, які (як у випадку з електричним тричного поля негативно полем) послаблюють магнітне поле всередині зарядженої палички ближча себе. Так