Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
Câu hỏi mở đầu trang 86
Đề bài: Để giải các bài tập về từ trường thì cần dùng những kiến thức cơ bản nào?
Lời giải:
Để giải các bài tập về từ trường, cần vận dụng các kiến thức cơ bản đã học:
- Mô tả từ trường: khái niệm đường sức từ, vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$, từ trường đều.
- Lực từ: công thức $F = BIL\sin\alpha$ và quy tắc bàn tay trái để xác định chiều lực từ.
- Quy tắc nắm bàn tay phải: xác định chiều $\vec{B}$ do dòng điện sinh ra hoặc chiều dòng điện cảm ứng.
- Hiện tượng cảm ứng điện từ: từ thông $\Phi = BS\cos\alpha$; định luật Faraday $e_c = -N\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}$; định luật Lenz.
- Máy phát điện xoay chiều: biểu thức suất điện động $e = E_0\cos(\omega t + \varphi_0)$ với $E_0 = NBS\omega$.
- Máy biến áp: công thức $\dfrac{U_1}{U_2} = \dfrac{N_1}{N_2}$.
- Sóng điện từ: bước sóng $\lambda = cT = \dfrac{c}{f}$.
Bài tập vận dụng trang 88
Bài 1
Đề bài: Đặt một khung dây dẫn hình chữ nhật có dòng điện chạy qua trong từ trường, sao cho mặt phẳng khung dây vuông góc với các đường cảm ứng từ (Hình 20.4) thì lực từ:
A. làm dãn khung.
B. làm khung dây quay.
C. làm nén khung.
D. không tác dụng lên khung.
Lời giải:
Chọn đáp án C. Làm nén khung.
Giải thích: Khi mặt phẳng khung dây vuông góc với đường sức từ, các cạnh của khung dây đều vuông góc với $\vec{B}$ ($\alpha = 90°$).
Áp dụng quy tắc bàn tay trái cho từng cạnh của khung:
- Ở mỗi cạnh, dòng điện $\vec{I}$ vuông góc với $\vec{B}$ → xuất hiện lực từ $\vec{F}$ tác dụng lên cạnh đó.
- Dựa vào chiều dòng điện trong Hình 20.4, lực từ ở mỗi cạnh có phương nằm trong mặt phẳng khung dây và hướng vào trong khung.
→ Các lực từ ở bốn cạnh có xu hướng ép khung lại, tức là làm nén khung.
Bài 2
Đề bài: Đặt một thanh nam châm thẳng ở gần một khung dây kín ABCD như Hình 20.5. Xác định chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong khung dây khi đưa nam châm lại gần khung dây.
Lời giải:
Bước 1. Xác định chiều $\vec{B_0}$ của nam châm:
Trong Hình 20.5, cực Nam (S) của nam châm hướng về phía khung dây. Vectơ cảm ứng từ $\vec{B_0}$ đi vào cực Nam của nam châm → $\vec{B_0}$ có chiều từ phải sang trái (hướng về nam châm).
Bước 2. Áp dụng định luật Lenz:
Khi đưa nam châm lại gần khung dây → từ trường tại vị trí khung tăng lên → từ thông qua khung tăng.
Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng phải sinh ra từ trường $\vec{B_c}$ ngược chiều với $\vec{B_0}$ để chống lại sự tăng của từ thông → $\vec{B_c}$ có chiều từ trái sang phải.
Bước 3. Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải:
Với $\vec{B_c}$ hướng từ trái sang phải → chiều dòng điện cảm ứng trong khung là B → A → D → C (chiều BADC).
Kết luận: Chiều dòng điện cảm ứng trong khung dây khi đưa nam châm lại gần là BADC.
Bài 3
Đề bài: Một vòng dây phẳng giới hạn diện tích $S = 40 ; \text{cm}^2$ đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ $B = 0{,}1$ T. Mặt phẳng vòng dây hợp với cảm ứng từ $\vec{B}$ một góc $\alpha = 30°$. Tính từ thông qua $S$.
Lời giải:
Tóm tắt: $S = 40 ; \text{cm}^2 = 40 \cdot 10^{-4} ; \text{m}^2$; $B = 0{,}1$ T; góc giữa mặt phẳng vòng dây và $\vec{B}$ là $30°$.
Chú ý quan trọng: Trong công thức từ thông $\Phi = BS\cos\theta$, góc $\theta$ là góc giữa vectơ pháp tuyến $\vec{n}$ của mặt phẳng vòng dây và $\vec{B}$, không phải góc giữa mặt phẳng vòng dây và $\vec{B}$.
Vì $\vec{n}$ vuông góc với mặt phẳng vòng dây, nên:
$$\theta = 90° – 30° = 60°$$
Từ thông qua diện tích $S$:
$$\Phi = BS\cos\theta = 0{,}1 \cdot 40 \cdot 10^{-4} \cdot \cos 60°$$
$$\Phi = 0{,}1 \cdot 40 \cdot 10^{-4} \cdot 0{,}5 = 2 \cdot 10^{-4} ; \text{Wb}$$
Vậy từ thông qua $S$ là $\Phi = 2 \cdot 10^{-4}$ Wb $= 0{,}2$ mWb.
Bài 4
Đề bài: Hình 20.6 là ảnh chụp thí nghiệm đo lực từ của nam châm vĩnh cửu tác dụng lên đoạn dây dẫn đặt trong từ trường. Biết dây dẫn được cố định vào giá thí nghiệm (1) sao cho phương của đoạn dây dẫn (2) nằm ngang vuông góc với vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ của nam châm (3) và không chạm vào nam châm nằm trên cân. Số liệu thí nghiệm thu được như trong Bảng 20.1.
Bảng 20.1. Kết quả thí nghiệm:
| I (A) | 2,5 | 5,1 | 10,1 | 20,2 | 5,1 | 10,1 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| L (cm) | 1,2 | 1,2 | 1,2 | 1,2 | 0,7 | 0,7 |
| F (N) | 0,008 | 0,015 | 0,030 | 0,060 | 0,009 | 0,017 |
a) Vì sao sử dụng cân điện tử như trong Hình 20.6 có thể xác định được độ lớn lực từ tác dụng lên đoạn dây?
b) Từ số liệu trong bảng, hãy tính độ lớn cảm ứng từ $B$ của nam châm.
Lời giải:
a) Khi có dòng điện chạy qua đoạn dây dẫn (2), nam châm (3) tác dụng lực từ $\vec{F}$ lên đoạn dây. Theo định luật III Newton, đoạn dây cũng tác dụng một lực có độ lớn bằng $F$, ngược chiều lên nam châm.
Nam châm được đặt trên cân điện tử. Khi:
- Chưa có dòng điện: cân hiển thị khối lượng ban đầu của nam châm ($m_0$).
- Có dòng điện chạy qua: cân hiển thị khối lượng khác ($m$) do có thêm lực từ tác dụng lên nam châm.
Độ chênh lệch khối lượng: $\Delta m = |m – m_0|$ → độ lớn của lực từ tác dụng lên nam châm (cũng bằng lực từ tác dụng lên đoạn dây):
$$F = \Delta m \cdot g$$
Do đó, cân điện tử xác định được độ lớn lực từ $F$ tác dụng lên đoạn dây dẫn.
b) Vì đoạn dây dẫn vuông góc với $\vec{B}$ nên $\alpha = 90°$, $\sin\alpha = 1$. Từ công thức $F = BIL\sin\alpha$:
$$B = \dfrac{F}{IL}$$
Tính $B$ cho từng lần đo (đổi $L$ ra đơn vị mét):
| Lần | I (A) | L (m) | F (N) | $B = \dfrac{F}{IL}$ (T) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 2,5 | 0,012 | 0,008 | 0,267 |
| 2 | 5,1 | 0,012 | 0,015 | 0,245 |
| 3 | 10,1 | 0,012 | 0,030 | 0,248 |
| 4 | 20,2 | 0,012 | 0,060 | 0,248 |
| 5 | 5,1 | 0,007 | 0,009 | 0,252 |
| 6 | 10,1 | 0,007 | 0,017 | 0,240 |
Giá trị trung bình:
$$\bar{B} = \dfrac{0{,}267 + 0{,}245 + 0{,}248 + 0{,}248 + 0{,}252 + 0{,}240}{6} \approx 0{,}25 ; \text{T}$$
Vậy độ lớn cảm ứng từ của nam châm là $B \approx 0{,}25$ T.
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn