Решение задач по теме «Взаимодействие магнитов. Магнитное поле»

В задачах о магнитном поле ошибка часто появляется не из-за незнания правила, а из-за пропущенного шага. Поэтому сегодня важен не только ответ, но и маршрут рассуждения.

Алгоритм решения

1. Прочитай обозначения. Точка $\boldsymbol{\cdot}$ означает направление к наблюдателю, крест $\boldsymbol{\times}$ — от наблюдателя.
2. Назови, что дано. Направление тока, направление поля, положение компаса или полюс магнита.
3. Выбери одно правило. Взаимодействие полюсов, направление линий $N\to S$ снаружи магнита или правило правой руки.
4. Получи промежуточный результат. Например: «ток направлен вниз».
5. Дойди до вопроса. Если нужна полярность источника, используй: во внешней цепи условный ток идёт от «$+$» к «$-$».
6. Сделай обратную проверку. Подставь найденный ответ и убедись, что рисунок восстанавливается.

Не пытайся одновременно определить ток, поле, полюс и клемму. Одна стрелка рассуждения — один физический переход.

Задача 1. Точка и крест

Оригинальная постановка MediaSchool по содержанию упражнения 20. Окружности показывают модель магнитных линий.

Попытка до ответа. Положи правую руку так, чтобы большой палец был направлен по току. Поставь на каждой окружности не менее двух согласованных стрелок.

Разбор

• На рисунке а ток направлен от нас: $\boldsymbol{\times}$. Большой палец направлен от наблюдателя, согнутые пальцы показывают обход по часовой стрелке.
• На рисунке б ток направлен к нам: $\boldsymbol{\cdot}$. Согнутые пальцы показывают обход против часовой стрелки.

Проверка: смена направления тока должна изменить направление поля на противоположное.

Задача 2. От поля к полярности источника

Оригинальная задача MediaSchool: сначала восстановите ток, затем полярность источника.

Попытка до ответа. Определи полярность неизвестного источника. Запиши три строки: направление поля при взгляде сверху; направление тока в участке $AB$; знак клеммы, соединённой с точкой $A$. Затем выполни обратную проверку правой рукой.

Подсказка, если трудно начать. Пока закрой пальцем разрыв с неизвестным источником и реши только вопрос: куда должен быть направлен большой палец правой руки?

Разбор

С рисунка читаем направление поля: если смотреть сверху, стрелки идут против часовой стрелки.

Решение по цепочке:

1. Правило правой руки: поле против часовой стрелки означает ток вверх, от $B$ к $A$.
2. Во внешней цепи условный ток идёт от положительной клеммы источника к отрицательной.
3. Значит, провод, соединённый с точкой $B$, должен быть подключён к «$+$», а провод от точки $A$ — к «$-$».

Обратная проверка: ток от $B$ к $A$ направлен вверх; большой палец вверх — пальцы обходят провод против часовой стрелки, как на рисунке.

Задача 3. Катушка и компас

Оригинальная задача MediaSchool. В принятой на странице цветовой конвенции синий конец стрелки — северный.

Попытка до ответа. Закрой следующий разбор листом бумаги. Заполни всю цепочку: направление северного конца компаса → полюс правого торца катушки → направление тока в витках при взгляде справа → направление тока между нижними выводами → знаки клемм. Заверши обратной проверкой от найденного «$+$» к положению компаса.

Подсказка, если трудно начать. Реши только первую часть: какой полюс у правого торца катушки? Затем снова попробуй продолжить без ответа.

Разбор

1. Синий северный конец стрелки компаса направлен вправо.
2. Справа от катушки направление поля идёт от её северного полюса.
3. Следовательно, правый торец катушки — $N$, левый — $S$.
4. Если смотреть на правый торец, ток в витках должен идти против часовой стрелки.
5. Прослеживание изображённой обмотки даёт ток от правого вывода к левому. Поэтому правая клемма источника — «$+$», левая — «$-$».

Проверка выполняется в обратном порядке: «$+$» справа → ток по обмотке → правый торец $N$ → северный конец компаса направлен вправо.

Проверь себя

Мини-задачи без рисунка

Сначала запиши только ответы, затем сверяй объяснения.

1. К северному полюсу одного магнита приблизили неизвестный полюс второго, и магниты оттолкнулись. Какой это полюс?
2. Снаружи полосового магнита линия направлена слева направо. Какой полюс слева?
3. Северный конец компаса в точке направлен на восток. Куда направлено магнитное поле в этой точке?
4. Направление тока в прямом проводнике изменили. Что обязательно изменилось в модели поля?

Ответы

1. Северный: одноимённые полюса отталкиваются.
2. Северный, потому что снаружи магнита линии идут от $N$ к $S$.
3. На восток: северный конец стрелки показывает направление поля.
4. Направление линий стало противоположным; из условия нельзя заключить, что действие стало сильнее.

Как найти ошибку в чужом решении

Самостоятельная работа

1. Нарисуй проводник с током к наблюдателю и укажи направление поля.
2. Измени на рисунке только направление тока и покажи, что изменится.
3. Нарисуй полосовой магнит и одну замкнутую линию поля; отметь направление снаружи и внутри.
4. Составь собственную задачу, где по направлению поля надо найти направление тока. Добавь ответ и обратную проверку.

Критерии: обозначения прочитаны верно; правило названо; промежуточное направление записано; итог отвечает вопросу; обратная проверка не противоречит исходному рисунку.

Безопасность

Для решения задач электрическую цепь собирать не нужно. Если учитель показывает опыт, используют только школьный низковольтный источник с ограничением тока, изменяют соединения при разомкнутой цепи и замыкают её на 2–3 секунды, контролируя нагрев.

Короткий итог

• Для прямого проводника: большой палец правой руки — по току, согнутые пальцы — по линиям поля.
• Северный конец компаса показывает направление магнитного поля в данной точке.
• Снаружи магнита линии направлены от $N$ к $S$.
• Полярность источника находят последней: во внешней цепи условный ток идёт от «$+$» к «$-$».
• Надёжное решение заканчивается обратной проверкой.