Sprawdź się

Kilka zadań odnosi się do eksperymentu, w którym mierzona jest siła przyciągania danej substancji przez magnes oraz wyników pomiaru tej siły dla różnych substancji. Na rysunku przedstawiamy schemat specjalnej, czułej wagi sprężynowej służącej takim pomiarom.

Na dole widzimy fragment elektromagnesu. Jest źródłem silnego pola magnetycznego. Wychodzące z niego linie pola są rozbieżne, co wskazuje na silną niejednorodność pola magnetycznego. Jest ona niezbędna – w polu jednorodnym efekt przyciągania/odpychania nie występuje.

RmPaeXNh99l6n

Na rysunku przedstawiono schemat wagi sprężynowej. W górnej części pokazano uchwyt narysowany w postaci okręgu, na środku którego umieszczono mniejsze koło zębate. Uchwyt oraz koło zębate są współśrodkowe. Z lewej strony koła zębatego pokazano pionowo przymocowany do uchwytu pręt, zamocowany w dwóch miejscach, powyżej i poniżej zębatki. Pręt styka się z kołem zębatym. Zazwyczaj jako pręt stosuje się śrubę lub inny element z wyżłobionymi na powierzchni bocznej rowkami. Dzięki temu możliwa jest regulacja położenia pionowego pręta, poprzez obrót koła zębatego (działa to podobnie do łańcucha rowerowego umieszczonego na zębatce). Do dolnej części pręta przymocowana jest pionowo zwisająca sprężyna, na której drugim końcu widać przywiązaną / przymocowaną probówkę. Sprężyna zwisa wewnątrz cylindrycznej osłonki, narysowanej w przekroju w postaci dwóch prostokątnych ścianek. Cała sprężyna znajduje się wewnątrz osłonki, natomiast zamocowana na jej dolnym końcu probówka umieszczona jest poniżej osłony. Na dnie probówki widoczna jest substancja w postaci czarnego proszku / ziarenek. Dolna część probówki umieszczona jest wewnątrz elektromagnesu, którego fragment narysowano w postaci przekrojonego na pół, grubościennego walca z pustym obszarem w środku. W tym obszarze centralnie umieszczona jest dolna część probówki zawierająca sproszkowaną substancję. Ze środka walca wychodzą zakrzywione na boki czarne, rozbieżne linie, które wyglądają jakby wylewały się z pustej przestrzeni wewnątrz elektromagnesu. Linie te obrazują linie pola magnetycznego. Nie są one równolegle względem siebie, co sugeruje że pole magnetyczne wytworzone przez elektromagnes nie jest jednorodne. Denko probówki, gdzie umieszczona została substancja otoczone jest prostokątem narysowanym przerywaną linią. Ta część probówki znajduje się w centralnej części pustego obszaru wewnątrz elektromagnesu. Obszar ten wskazany jest przy pomocy czerwonej strzałki, nad którą umieszczono informację, że w tym obszarze na substancję działa największa siła wytworzona przez elektromagnes. — Waga sprężynowa.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Do obszaru najsilniejszego pola wprowadzony jest zbiorniczek z próbką badanej substancji. Oczywiście przedtem przeprowadzony jest pomiar z pustym pojemnikiem, tak aby wiedzieć, jak działa pole magnetyczne na wszystko inne poza próbką.

Oto tabela z wynikami pomiarów:

Na próbki różnych substancji o masie 3 g każda działa pole magnetyczne o indukcji $B_{z} = 1, 8 T$ i szybkości zmiany w kierunku osi z $\frac{d B_{z}}{d z} = 0, 17 T / c m$ . Oś z ustawiona jest pionowo. Znak siły „+” oznacza, że siła skierowana jest zgodnie z siłą grawitacji $F_{g}$ , znak „-” oznacza przeciwny zwrot siły.

Substancja	Wzór chemiczny	Siła [ $10^{- 5} N$ ]
woda	HIndeks dolny 2O	-22
miedź	Cu	-2,6
ołów	Pb	-37
bizmut	Bi	-43
chlorek sodu	NaCl	-15
kwarc	SiOIndeks dolny 2	-16
siarka	S	-16
diament	C	-16
grafit	C	-110
ciekły azot	NIndeks dolny 2	-10 (w temp. 78 K)
sód	Na	+20
aluminium	Al	+17
chlorek miedzi	CuClIndeks dolny 2	+280
siarczan niklu	NiSOIndeks dolny 4	+830
ciekły tlen	OIndeks dolny 2	+7 500 (w temp. 90 K)
żelazo	Fe	+400 000
magnetyt	FeIndeks dolny 3OIndeks dolny 4	+120 000

Pokaż ćwiczenia:

RBmeSrXdCDv551

Ćwiczenie 1

Zaznacz właściwe dokończenie zdania.

Efekt przyciągania/wypychania substancji w polu magnetycznym wystąpi wtedy, gdy to pole będzie {jednorodne} / {#niejednorodne}.

Ćwiczenie 2

RSFYOuvPe19KE

Dane są dwie próbki: aluminiowa i żelazna o tej samej masie. Uzupełnij okienko liczbą z przedziału [1,10) i z dwiema cyframi znaczącymi.

Magnes przyciąga próbkę żelazną siłą około ............·10⁴ razy większą niż próbkę aluminiową.

Ćwiczenie 3

RL3JJ3bSe5vQ6

Odpowiedź wpisz w okienko zaokrąglając siłę do dwóch cyfr znaczących.

Na 1 gram żelaza w warunkach doświadczenia opisanego w tekście będzie działała siła przyciągania wynosząca ............ N.

Ćwiczenie 4

Zdjęcie poniżej przedstawia lewitujący (unoszący się swobodnie) grafit nad układem magnesów. Na podstawie tego zdjęcia wywnioskuj, czy grafit jest paramagnetykiem, diamagnetykiem, czy może ferromagnetykiem. Odpowiedź wpisz w okienko.

RXyTS3km5TABS

Dwa zdjęcia poglądowe są ułożone są jedno pod drugim. Zdjęcie górne przedstawia cztery ułożone obok siebie (na planie kwadratu) magnesy w kolorze złotym. Nad magnesami lewituje (unosi się swobodnie) grafit. Zdjęcie dolne przedstawia te same magnesy z grafitem, ale obraz pokazany jest z boku i grafit, który unosi się nad magnesami pokazany jest jako płaski element. Na podstawie tego opisu zastanów się i odpowiedz czy grafit jest paramagnetykiem, diamagnetykiem, czy może ferromagnetykiem? — Źródło: Splarka, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diamagnetic_graphite_levitation.jpg [dostęp 14.05.2022], domena publiczna.

RdkMEIJz6yLIe

Grafit to .......................

Ćwiczenie 5

R1MK83i0qgXM1

Odpowiedź wpisz w okienko z dokładnością do trzech cyfr znaczących.

Siła magnetyczna działająca na próbkę żelaza w warunkach doświadczenia opisanego w tekście jest ............ razy większa od ciężaru próbki.

Obliczamy stosunek siły magnetycznej do siły ciężkości:

\frac{F_{m a g}}{F_{g}} = \frac{4 N}{3 \cdot 10^{- 3} k g \cdot 9, 81 \frac{m}{s^{2}}} = 135, 916 \approx 136

Ćwiczenie 6

W opisanym w tekście doświadczeniu siłomierz mierzy jednocześnie siłę grawitacji i siłę działania pola magnetycznego. Co zrobić, żeby zmierzyć samo działanie magnesu?
Wpisz odpowiedź w przygotowane pole i następnie porównaj ją z odpowiedzią wzorcową.

Ćwiczenie 7

R12svJoyyZv99

Odpowiedź wpisz w okienko zaokrąglając do liczby całkowitej.

Siła magnetyczna działająca na próbkę miedzi w warunkach doświadczenia opisanego w tekście jest ............ razy mniejsza od ciężaru próbki.

Ćwiczenie 8

Zdjęcie poniżej przedstawia wagę skręceń, inaczej zwaną wagą Cavendisha.

RJ8t7UWPjmcXd

Rysunek przedstawia wagę skręceń nazywaną również wagą Cavendisha, pokazaną pod kątem z góry, w postaci długiej szarej prostopadłościennej belki. Belka zawieszona jest na cienkiej nitce skrętnej, której punkt zaczepienia znajduje się bliżej prawego‑górnego końca belki. Pomimo tego, że nitka nie jest przymocowana do środka belki to kierunek wyznaczony przez jej długą krawędź jest równoległy względem kierunku poziomego. Dzieje się tak, ponieważ na prawym górnym końcu belki znajdującym się bliżej punktu zaczepienia nitki, umieszczony został ciężarek stanowiący przeciwwagę. Przeciwwagę pokazano w postaci małego, szarego, prostopadłościennego klocka. Do drugiego (lewego dolnego) końca belki przymocowany jest odłamek bizmutu pokazany w postaci małej prostopadłościennej szarej płytki. Po prawej stronie belki wagi, pomiędzy punktem zaczepienia nitki skrętnej i końcem, do którego przymocowano odłamek bizmutu, umieszczono cienką igłę, postawioną w pionie i przymocowaną do podłoża nad którym zawieszona jest belka. Igła narysowana w postaci cienkiej, szarej, pionowej kreski jest na tyle długa, że jej górny koniec znajduje się powyżej górnej krawędzi belki. Igła styka się z belką wagi i w ten sposób uniemożliwia jej obrót w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara. — Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

R1skijd6931r1

Jeśli zbliżymy do bizmutu silny magnes, to belka z bizmutem…

od prawej strony biegunem N… {nie obróci się} / {#obróci się}

od prawej strony biegunem S… {nie obróci się} / {#obróci się}

od lewej strony biegunem N… {#nie obróci się} / {obróci się}

od lewej strony biegunem S… {#nie obróci się} / {obróci się}

Grafika interaktywna (schemat)

Dla nauczyciela