Đáp án Vật lí 12 chân trời Bài 10: Lực từ. Cảm ứng từ

BÀI 10. LỰC TỪ. CẢM ỨNG TỪ

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Loa điện động là thiết bị biến đổi tín hiệu điện thành dao động cơ học, từ đó tạo ra sóng âm lan truyền ra môi trường vật chất. Bộ phận thực hiện nhiệm vụ này là củ loa (Hình 10.1) có cấu tạo cơ bản gồm cuộn dây được đặt trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây cũng đồng thời được nối với màng loa. Khi có dòng điện thay đổi qua cuộn dây, cuộn dây sẽ dao động làm cho màng loa cũng dao động tạo ra sóng âm. Vậy lực nào làm cho cuộn dây dao động?

Hướng dẫn chi tiết:

Lực từ làm cho cuộn dây dao động. 

Lực từ sinh ra bởi sự tương tác giữa từ trường của nam châm vĩnh cửu và từ trường biến đổi của cuộn dây là lực làm cho cuộn dây trong loa điện dao động. 

Lực này có hướng vuông góc với trục của cuộn dây và trục của nam châm, làm cho cuộn dây dao động qua lại, tạo ra sóng âm.

1. THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT PHƯƠNG VÀ CHIỀU CỦA LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN DÒNG ĐIỆN

Thảo luận 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 10.2, thực hiện thí nghiệm theo các bước gợi ý để xác định phương, chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường.

Hướng dẫn chi tiết:

Thực hiện thí nghiệm thực tế.

Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đều có:

- Điểm đặt là tại trung điểm của đoạn dây.

- Phương vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dây dẫn mang dòng điện và vecto cảm ứng từ.

- Chiều xác định bằng quy tắc bàn tay trái.

Thảo luận 2: Quan sát bố trí thí nghiệm trong Hình 10.2, hãy trình bày nguyên tắc đo lực từ.

Hướng dẫn chi tiết:

* Nguyên tắc đo lực từ

Khi khởi động thí nghiệm:

• Khung dây có dòng điện đi qua.
• Nam châm điện bật → xuất hiện từ trường

→ Tạo ra lực từ

Hướng của lực từ tùy thuộc vào việc đổi chiều dòng điện qua khung dây và nam châm điện, hay điều chỉnh góc giữa mặt phòng khung dây và nam châm điện.

Khi xuất hiện lực từ sẽ làm thay đổi trạng thái cân bằng của đòn cân.

F_từ = F_{lực kế}

Thảo luận 3: Hãy dự đoán chiều dịch chuyển của đoạn dây dẫn nằm trong từ trường phụ thuộc vào những yếu tố nào. Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng.

Hướng dẫn chi tiết:

Đoạn dây dịch chuyển theo phương vuông góc với mặt phẳng chứa dòng điện và từ trường.

* Thí nghiệm kiểm chứng:

- Dụng cụ: thanh nam châm, dây dẫn, nguồn điện, dây nối, giá đỡ.

- Tiến hành:

+ Bước 1: Cố định thanh nam châm vào giá đỡ sao cho nó nằm ngang.

+ Bước 2: Uốn cong dây dẫn điện thành hình chữ U và gắn hai đầu dây vào nguồn điện.

+ Bước 3: Đặt dây dẫn điện sao cho nó nằm giữa hai cực của nam châm, vuông góc với thanh nam châm.

+ Bước 4: Bật nguồn điện.

+ Bước 5: Quan sát chiều dịch chuyển của dây dẫn

Thảo luận 4: Xét đoạn dây dẫn thẳng mang dòng điện được đặt trong từ trường có các đường sức từ song song với đoạn dây. Có thể sử dụng quy tắc bàn tay trái để xác định lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn trong trường hợp này không? Thảo luận để rút ra lưu ý của quy tắc bàn tay trái.

Hướng dẫn chi tiết:

Không thể sử dụng quy tắc bàn tay trái để xác định lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn vì đường sức từ song song với chiều của dòng điện.

Quy tắc bàn tay trái: 

Lưu ý của quy tắc bàn tay trái: 

+ Quy tắc bàn tay trái: đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều dòng điện. Khi đó ngón cái choãi ra 90º chỉ chiều của lực từ tác dụng len dòng điện.

+ Không áp dụng trong các trường hợp đường sức từ song song với dòng điện chạy của dây dẫn.

Vận dụng: Xác định phương và chiều của lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng mang dòng điện I đặt trong từ trường đều như Hình 10.5. Biết dòng điện I có phương vuông góc với mặt phẳng hình vẽ.

Lưu ý: Kí hiệu chỉ chiều dòng điện từ mặt phẳng hình vẽ hướng thẳng ra ngoài; chỉ chiều dòng điện từ ngoài hướng thẳng vào mặt phẳng hình vẽ.

Hướng dẫn chi tiết:

Vận dụng: Dựa vào kiến thức đã học về lực từ cũng như tìm hiểu trên sách, báo, internet,...em hãy trình bày sơ lược về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loa điện động.

Hướng dẫn chi tiết:

* Cấu tạo của loa điện động

- Màng loa:  nơi âm thanh sẽ được phát ra và truyền thẳng đến tai người nghe.

- Màng nhện (spider) có tác dụng giữ cho lõi cuộn âm cố định được vị trí, vì khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn âm sẽ tạo ra lực từ trường chuyển động, giúp tạo nên một lực hướng trục đẩy cuộn âm ra hoặc vào, kéo theo là chuyển động của màng loa.

- Khung cho loa (basket hoặc frame), thường được làm bằng kim loại đúc hoặc hàn, là nơi cố định toàn bộ các bộ phận của loa.

- Viền loa (surround) bao phủ bề ngoài của khung và màng loa, giúp giữ cho màng nón loa nằm yên vị trí vào khung trong khi vẫn rung theo từng chuyển động của cuộn âm.

- Khoảng lệch (excursion) là khoảng cách tối đa cho màng nón loa chuyển động ra/vào.

* Nguyên lý hoạt động của loa điện động: dựa trên kỹ thuật điện cơ. 

Một cuộn dây được gắn với các màng loa đặt trong khe hẹp có từ trường. Khi dòng điện đi qua, cuộn dây sẽ rung và làm chuyển động màng loa giúp truyền ra không khí, tác động vào người nghe.

Để giúp âm thanh được truyền tải tốt hơn ở mọi dải tần, hệ thống loa điện động sẽ bao gồm các loại loa sở hữu các cấu tạo và kích thước củ loa khác nhau. Vì mỗi loa con sẽ đảm nhiệm một dải tần riêng biệt giúp âm thanh được phát ra tốt hơn: 

+ Dải tần thấp: Biên độ dao động của các cuộn dây lớn, màng loa phải rộng, vậy nên loa trầm thường phụ trách cho dải tần này. Chính vì thế mà các củ loa bass thường có màng loa rất lớn.

+ Dải tần cao: Biên độ dao động cuộn dây nhanh, màng loa phải nhỏ để không cản trở, thường được phụ trách bởi loa tép (loa tweeter). Vì thế mà củ loa treble thường được thiết kế kích thước rất nhỏ so với loa bass.

+ Dải tần trung bình hoặc từng dải tần nhất định: Màng loa cần được cần bằng, thường được tái tạo bởi loa trung.

2. ĐỘ LỚN CẢM ỨNG TỪ

Thảo luận 5: Độ lớn lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện phụ thuộc vào các yếu tố nào?

Hướng dẫn chi tiết:

Độ lớn lực từ phụ thuộc vào cường độ dòng điện, độ lớn cảm ứng từ, chiều dài đoạn dây và góc hợp bởi hướng dòng điện qua đoạn dây với hướng của các đường sức từ.

- Cường độ dòng điện: lực từ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện, dòng điện càng mạnh thì lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn càng lớn.

- Cảm ứng từ: Lực từ tỉ lệ thuận với cảm ứng từ, từ trường càng mạnh thì lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn càng lớn.

- Chiều dài của đoạn dây dẫn: lực từ phụ thuộc vào chiều dài của đoạn dây dẫn, đoạn dây dẫn càng dài thì lực từ tác dụng lên nó càng lớn.

- Góc hợp bới hướng dòng điện qua đoạn dây với hướng của các đường sức từ: lực từ lớn nhất khi góc hợp bởi bằng 90º và nhỏ nhất khi góc hợp bởi bằng 0º.

Vận dụng: Dựa vào biểu thức (10.1), hãy xác định đơn vị đo cảm ứng từ B theo các đơn vị cơ bản trong hệ đơn vị SI.

Hướng dẫn chi tiết:

B =

Đơn vị đo cảm ứng từ: N/Am hay là T (tesla)

BÀI TẬP

1. Xét đoạn dây dẫn thẳng, dài mang dòng điện đặt trong từ trường đều theo phương vuông góc với đường sức từ. Hình vẽ nào dưới đây biểu diễn đúng phương, chiều của lực từ tác dụng lên dây dẫn.

Hướng dẫn chi tiết:

Đáp án A là chính xác.

Sử dụng quy tắc bàn tay trái để kiểm tra kết quả.

Quy tắc bàn tay trái: đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng với chiều dòng điện. Khi đó ngón cái choãi ra 90º chỉ chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện.

Đáp án B: Chiều của lực từ phải hướng lên trên

Đáp án C: Chiều của lực từ hướng sang bên trái

Đáp án D: Chiều của lực từ hướng sang bên phải

2. Đặt một khung dây dẫn hình chữ nhật mang dòng điện có cường độ I trong từ trường đều có vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng khung dây như hình 10P.1. Xác định lực từ tác dụng lên các cạnh của khung dây.

Hướng dẫn chi tiết:

3. Một đoạn dây dài 15 cm được đặt vuông góc với một từ trường đều. Khi có dòng điện 2A chạy trong đoạn dây thì có lực từ tác dụng lên đoạn dây. Biết lực từ có độ lớn là 0,015 N. Xác định cảm ứng từ của từ trường đều.

Hướng dẫn chi tiết:

Theo đề bài ta có: L = 15 cm, I = 2 A, F = 0,015 N

Do đoạn dây đặt vuông góc với từ trường nên = 90^o

Cảm ứng từ của từ trường đều là: B = = 0,05 (T)

Vậy độ lớn cảm ứng từ của từ trường đều là 0,05 T