01. Вводный урок по теме: «Магнитное поле»

Введение

Представьте, что вы едете в поезде, а рядом на столе лежит яблоко. Для вас оно неподвижно. Но для человека, стоящего на платформе, яблоко будет двигаться вместе с поездом (рис. 1).

Яблоко одно и то же, но движение (или его отсутствие) зависит от наблюдателя.

Зависимость движения от системы отсчета

С движущимся поездом вроде всё понятно: если мы находимся внутри него, тогда все предметы кажутся нам неподвижными, а если мы находимся на платформе, то наблюдаем движение вагона со всем его содержимым.

Но если поезд стоит на вокзале, то он будет неподвижен и для того, кто сидит внутри, и для того, кто стоит на перроне (рис. 2). Значит ли это, что поезд неподвижен в любой системе отсчёта? Вовсе нет. Относительно платформы он неподвижен, но относительно проезжающего мимо автомобиля он движется (действительно, в глазах пассажира автомобиля поезд как будто «проплывёт» мимо окна) (рис. 3). И к тому же относительно Солнца Земля движется вместе со всеми поездами и вокзалами (рис. 4).

Собственно, те, кто утверждал, что Солнце вращается вокруг Земли, тоже в чём-то были правы (рис. 5). Для человека, находящегося на планете Земля (то есть в системе отсчёта, связанной с Землёй), так и происходит (рис. 6).

В этом и состоит относительность движения – говорить о любом движении есть смысл только в том случае, если выбрана система отсчёта.

Подбросим яблоко. В системе отсчета, связанной с вагоном, оно будет двигаться по прямой сначала вверх, а потом вниз, пока вы его не поймаете (рис. 7). А в системе отсчета, связанной с платформой, яблоко будет двигаться по криволинейной траектории: как тело, брошенное под углом к горизонту (рис. 8).

Такое движение мы рассматривали подробно. При решении задач мы можем рассматривать отдельно горизонтальное равномерное движение, движение поезда (рис. 9), и вертикальное движение с ускорением свободного падения, подбрасывание яблока в вагоне (рис. 10) – это оказалось удобным инструментом.

Электрическое проявление электромагнитного поля

А теперь поместим в вагон два электрических заряда, которые будут неподвижны относительно вагона. Мы знаем, что неподвижные (или статические) заряды взаимодействуют друг с другом посредством электрического поля (рис. 11), это взаимодействие мы можем измерить, описать, выявить закономерности и использовать их (рис. 12). Но мы же рассмотрели поведение заряда только в одной системе отсчета – и, оказывается, свойства заряда этим не исчерпываются.

Дело в том, что заряд обладает электромагнитным полем, и электрическое поле – это одно из двух его проявлений. Второе – магнитное.

Так и движение под углом к горизонту состоит из двух: это равноускоренное движение в вертикальной плоскости и равномерное в горизонтальной (рис. 13). При решении задач мы рассматриваем две этих составляющих отдельно. Так же мы поступим при изучении электромагнитного поля: электрическое поле мы уже рассмотрели, теперь сосредоточимся на магнитном.

Магнитное проявление электромагнитного поля

Для стороннего наблюдателя вне движущегося вагона заряд уже не будет статическим. В этой системе отсчета будут проявляться другие свойства заряда, и он будет вступать в другой вид взаимодействия. Это взаимодействие назвали магнитным – это второе проявление электромагнитного поля. Оно наблюдается в системах отсчета, в которых заряд движется (рис. 14).

Как же постоянный магнит – мы наблюдаем его магнитные свойства независимо от того, движется он или нет (рис. 15)? Но там внутри много зарядов, и нет такой системы отсчета, в которой бы все заряды покоились (рис. 16). Они в любом случае подвижны, поэтому будет проявляться магнитное поле.

В разных системах отсчета заряд проявляет себя по-разному, но нельзя подобрать систему отсчета, в которой бы обе составляющие электромагнитного поля заряда исчезли (рис. 17).

В данном разделе мы сконцентрируемся на изучении магнитной составляющей электромагнитного поля.

Разные проявления одного и того же

Представите себе египетскую пирамиду (рис. 18), давайте посмотрим на нее с разных сторон: сверху мы увидим квадрат (рис. 19), а сбоку – треугольник (рис. 20).

И мы будем рассматривать отдельно ту или иную проекцию в зависимости от задачи: обойти ее нужно (рис. 21) или перелезть (чего с такими архитектурными памятниками делать нельзя) (рис. 22). А если нужно, то рассмотрим более сложную модель – модель объемной фигуры (рис. 18).

Выводы

На уроках данного раздела мы изучили магнитное поле, не вдаваясь в подробности электромагнитного взаимодействия. Мы рассмотрели взаимодействие постоянных магнитов, магнитное поле проводника с током, а также действие магнитного поля на проводник с током и на движущуюся заряженную частицу.

Список рекомендованной литературы

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник / Под ред. Н. А. Парфентьевой. М.: Просвещение, 2014.

2. Касьянов В. А. Физика. 11 кл.: учебн. для общеобразоват. учр. М.: Дрофа, 2004.

Домашнее задание

1. Обладает ли проводник с током магнитным полем? Обоснуйте.

2. Что происходит со звездами в ночном небе относительно покоящегося наблюдателя на Земле?

3. Как может проявлять себя электромагнитное поле заряда относительно различных систем отчета? Приведите примеры таких проявлений.