Đáp án Vật lí 12 chân trời Bài 9: Khái niệm từ trường

CHƯƠNG 3: TỪ TRƯỜNG

BÀI 9. KHÁI NIỆM TỪ TRƯỜNG

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Các nghiên cứu cho thấy, chim manh manh (Hình 9.1) có khả năng cảm nhận được từ trường dựa vào một số loại protein có trong mắt chim (Nguồn: Science News). Đặc điểm này giúp chim dựa vào từ trường của Trái Đất để xác định được phương hướng trong quá trình di cư. Vật từ trường là gì và làm thế nào để mô tả từ trường?

Hướng dẫn chi tiết:

Từ trường là trường lực gây ra bởi dòng điện hoặc nam châm, là một dạng của vật chất tồn tại xung quanh dòng điện hoặc nam châm mà biểu hiện cụ thể là sự xuất hiện của lực từ tác dụng lên một dòng điện hay một nam châm đặt trong đó.

Từ trường được mô tả thông qua: Các đường sức từ: đường sức từ là những đường cong mà nếu đặt một kim nam châm nhỏ dọc theo đường đó, kim nam châm sẽ luôn hướng theo phương của đường sức từ.

1. TỪ TRƯỜNG

Thảo luận 1: Dựa vào kiến thức đã học ở môn Khoa học tự nhiên lớp 7, từ các dụng cụ như thanh nam châm, dây dẫn có dòng điện, kim nam châm có thể quay quanh trục hoặc la bàn, hãy thiết kế phương án và thực hiện thí nghiệm để nhận biết vùng không gian tồn tại từ trường. Ngoài các dụng cụ trên, ta có thể nhận biết từ trường bằng dụng cụ nào khác?

Hướng dẫn chi tiết:

* Thí nghiệm:

Dụng cụ: 

+ Kim nam châm có thể quay tự do quanh trục thẳng đứng

+ Thanh nam châm đặt trên giá đỡ

Tiến hành thí nghiệm:

+ Lúc đầu, để kim nam châm ở xa thanh nam châm

+ Sau đó, từ từ dịch chuyển kim nam châm lại gần thanh nam châm

Kết quả: Hướng của kim nam châm bị lệch so với hướng ban đầu

* Ngoài kim nam châm, ta có thể dùng dây dẫn mang dòng điện để phát hiện từ trường.

Dụng cụ: kim nam châm, dây dẫn, nguồn điện, lõi thép.

Tiến hành:

+ Quấn một vòng dây dẫn quanh một lõi thép.

+ Kết nối hai đầu dây dẫn với nguồn điện.

+ Đặt kim nam châm có thể quanh quanh trục gần vòng dây dẫn.

+ Quan sát kim nam châm.

Kết quả: kim nam châm có quay và hướng về phía vòng dây dẫn.

Thảo luận 2: Từ các dụng cụ đơn giản như nam châm thẳng, nam châm chữ U, mạt sắt, hộp nhựa trong chứa dầu và mạt sắt, giấy A4,...Hãy thiết kế phương án và thực hiện thí nghiệm để quan sát hình ảnh từ phổ của các nam châm này.

Hướng dẫn chi tiết:

Tiến hành thí nghiệm:

- Quan sát từ phổ của nam châm thẳng: Đặt nam châm thẳng lên mặt bàn.Sau đó rắc đều mạt sắt lên mặt bàn xung quanh nam châm. Quan sát sự sắp xếp của mạt sắt. 

Kết quả: Mạt sắt sẽ tập trung ở hai đầu của nam châm.

- Quan sát từ phổ của nam châm chữ U: Đặt nam châm chữ U lên mặt bàn. Sau đó rắc đều mạt sắt lên mặt bàn xung quanh nam châm.Quan sát sự sắp xếp của mạt sắt. 

Kết quả: Mạt sắt sẽ tập trung ở hai cực của nam châm chữ U

- Quan sát từ phổ của nam châm trong hộp nhựa chứa dầu: Đặt nam châm vào hộp nhựa chứa dầu. Sau đó rắc đều mạt sắt lên mặt dầu. Quan sát sự sắp xếp của mạt sắt. 

Kết quả: Mạt sắt sẽ tập trung ở hai cực của nam châm.

2. CẢM ỨNG TỪ

Thảo luận 3: Khi nào ta có thể xem dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua có chiều dài vô hạn?

Hướng dẫn chi tiết:

Ta có thể xem dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua có chiều dài vô hạn: Khi tại mọi điểm xung quanh dây dẫn đều sinh ra cảm ứng từ bằng nhau.

Về mặt lí thuyết thì ta không thể xem dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua có chiều dài vô hạn, ta có thể coi nó vô hạn dể giải quyết bài toán một cách đơn giản hơn.

Luyện tập: Ta đã biết, điện trường là dạng vật chất bao quanh điện tích. Vậy, theo em xung quanh điện tích có thể tồn tại từ trường hay không? Nếu có thì khi nào từ trường xuất hiện xung quanh điện tích.

Hướng dẫn chi tiết:

Xung quanh điện tích có tồn tại từ trường. 

+ Từ trường xuất hiện khi điện tích chuyển động. 

+ Khi điện tích đứng yên, từ trường không xuất hiện.

Thảo luận 4: Hãy mô tả hình ảnh đường sức từ (hướng và độ mau (dày)/thưa) trong các trường hợp ở Hình 9.5.

Hướng dẫn chi tiết:

a) Nam châm thẳng

+ Hướng của đường sức từ: đi ra từ cực Bắc và đi vào từ cực Nam

+ Độ mau/thưa: đường sức từ mau hơn ở hai cực của nam châm, thưa hơn ở phần giữa của nam châm.

b) Nam châm hình chữ U

+ Hướng của đường sức từ: đường sức từ hướng về phần giữa của nó, vẫn đi ra từ cực Bắc và đi vào từ cực Nam.

+ Độ mau/thưa: đường sức từ mau hơn ửo hai cực và thưa dần ở giữa

c) Ống dây có dòng điện chạy qua

+ Hướng của đường sức từ: đường sức từ bao quanh ống dây theo các đường tròn vòng tâm.

+ Độ mau/thưa: đường sức từ mau hơn ở trong lòng ống dây và thưa hơn ở bên ngoài ống dây.

Luyện tập: Dùng kim nam châm và các hình ảnh từ phổ thu được từ câu Thảo luận 2, hãy thiết kế phương án thí nghiệm để nhận biết được chiều của đường sức từ đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam của kim nam châm.

Hướng dẫn chi tiết:

Kết quả của thí nghiệm 2: mạt sắt xếp thành các hình dạng đặc biệt, chính là các đường sức từ của nam châm.

* Phương án thí nghiệm: Đặt kim nam châm lên một đường sức từ tạo bởi mạt sắt và quan sát.

* Dụng cụ: kim nam châm, mạt sắt.

* Tiến hành:

- Rải mặt sắt trên mặt bàn

- Sau đó đặt kim nam châm lên trên mạt sắt

- Quan sát hình ảnh mạt sắt và nhận xét.

* Kết quả: chiều của đường sức từ là chiều theo hướng nam - bắc của kim nam châm đặt dọc theo đường sức từ.

Thảo luận 5: Đề xuất cách xác định chiều đường sức từ trong Hình 9.6.

Hướng dẫn chi tiết:

Cách xác định: Dựa vào đặc điểm của đường sức từ (ra bắc - vào nam), ta đặt kim nam châm ở vị trí xung quanh dòng điện, hướng của kim nam châm là chiều của đường sức từ.

Nếu biết được chiều dòng điện ta có thể dùng quy tắc bàn tay phải để xác định chiều của đường sức từ.

Quy tắc nắm bàn tay phải: Đặt bàn tay phải sao cho ngón cái hướng theo chiều dòng điện, khum các ngón tay còn lại xung quanh đoạn dây dẫn, khi đó chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiều của đường sức từ.

Luyện tập: Vẽ phác đường sức từ của các dòng điện thẳng vuông góc với mặt phẳng giấy đặt trên bàn và có chiều từ trên xuống dưới.

Hướng dẫn chi tiết:

Thảo luận 6: Hãy vẽ phác hình dạng đường sức từ của dòng điện tròn trong Hình 9.8.

Hướng dẫn chi tiết:

Thảo luận 7: Hãy vẽ phác hình dạng đường sức từ trong vùng không gian xung quanh ống dây khi có dòng điện chạy qua.

Hướng dẫn chi tiết:

Thảo luận 8: Ống dây được tạo thành từ việc quấn nhiều vòng dây giống nhau. Dựa vào quy tắc nắm tay phải để xác định chiều đường sức từ của dòng điện tròn, hãy đề xuất cách xác định chiều đường sức từ của dòng điện bên trong ống dây.

Hướng dẫn chi tiết:

Quy tắc nắm bàn tay phải: Đặt bàn tay phải sao cho ngón cái hướng theo chiều dòng điện, khum các ngón tay còn lại xung quanh đoạn dây dẫn, khi đó chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiều của đường sức từ.

Vận dụng: Xét một ống dây có dòng điện chạy qua và một nam châm thử định hướng như Hình 9.12. Biết A, B là các cực của nguồn điện không đổi. Hãy xác định chiều đường sức từ của từ trường trong ống dây. Từ đó xác định tên các cực của nguồn điện.

Hướng dẫn chi tiết:

Cách làm:

- Từ chiều của kim nam châm, xác định chiều của đường sức từ.

Quy tắc nắm bàn tay phải: Đặt bàn tay phải sao cho ngón cái hướng theo chiều dòng điện, khum các ngón tay còn lại xung quanh đoạn dây dẫn, khi đó chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiều của đường sức từ.

- Dùng quy tắc nắm tay phải để xác định chiều của dòng điện (Dòng điện có chiều từ cực dương sang cực âm: đầu A cực âm, đầu B cực dương.)

BÀI TẬP

1. Đường sức từ được tạo bởi nam châm thẳng có đặc điểm nào sau đây?

A. Là đường thẳng song song với trục nam châm, hướng từ cực Bắc đến cực Nam.

B. Là đường khép kín, đi ra từ cực Bắc và đi vào cực Nam của nam châm.

C. Là đường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục của thanh nam châm.

D. Là đường tròn nằm trong mặt phẳng chứa trục của thanh nam châm.

Hướng dẫn chi tiết:

Đáp án B. 

Đường sức từ của nam châm thẳng là những đường cong khép kín, đi ra từ cực bắc và đi vào cực nam.

2. Xét một ống dây được nối với hai cực A, B của một nguồn điện. Khi đó, đường sức từ qua ống dây có dạng như hình 9P.1. Hãy xác định tên các cực của nguồn điện.

Hướng dẫn chi tiết:

Xác định tên các cực của nguồn điện:

- Đầu A: cực âm

- Đầu B: cực dương

3. Xung quanh Trái Đất có tồn tại từ trường, do đó Trái Đất được coi như một nam châm khổng lồ. Dựa vào điều này, hãy giải thích tại sao kim la bàn luôn chỉ theo hướng Bắc - Nam địa lý.

Hướng dẫn chi tiết:

Kim la bàn luôn chỉ theo hướng Bắc-Nam địa lý bởi vì:

Do kim nam châm luôn hướng theo từ trường Trái Đất, mà từ trường Trái Đất gần trùng với cực địa lí nên ta thấy kim la bàn luôn chỉ theo hướng Bắc – Nam địa lí.

4. Dựa vào hình ảnh các đường sức từ của nam châm chữ U như hình 9P.2, em hãy xác định các cực của nam châm này.

Hướng dẫn chi tiết:

Chiều của đường sức từ: vào nam - ra bắc