BÀI TẬP LIÊN QUAN TỚI NAM CHÂM VÀ TỪ TRƯỜNG
A. LÍ THUYẾT 1. Nam châm
- Nam châm là các vật có đặc tính hút sắt, thép, niken, coban…
- Các loại nam châm: Nam châm vĩnh cửu và nam châm điện.
+ Nam châm vĩnh cửu: là các vật được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng có khả năng giữ từ tính không bị mất từ trường, được sử dụng như những nguồn tạo từ trường.
Hình dạng nam châm thường thấy là nam châm thẳng và nam châm hình chữ U.
Mỗi nam châm có hai từ cực: Cực Bắc (N) sơn màu đỏ và cực Nam (S) sơn màu xanh hoặc màu trắng.
Khi đặt hai nam châm lại gần nhau thì chúng hút nhau nếu các cực khác tên (hình a), đẩy nhau nếu các cực cùng tên (hình b).
- Nam châm điện
+ Nam châm điện có cấu tạo gồm một ống dây dẫn trong có lõi sắt non.
+ Có thể làm tăng lực từ của nam châm điện tác dụng lên một vật bằng cách tăng cường độ dòng điện qua ống dây hoặc tăng số vòng của ống dây hoặc cho lõi sắt một hình dạng thích hợp, tăng khối lượng của nam châm.
2. Từ trường
- Không gian xung quanh nam châm, xung quanh dòng điện, có khả năng tác dụng lực từ lên kim nam châm đặt trong nó. Ta nói trong không gian đó có từ trường.
- Cách nhận biết từ trường: Dùng kim nam châm (gọi là nam châm thử). Nơi nào trong không gian có lực từ tác dụng lên kim nam châm làm kim nam châm lệch khỏi hướng Bắc – Nam thì nơi đó có từ trường.
3. Đường sức từ
- Đường sức từ cho phép ta biểu diễn từ trường.
- Đặc điểm đường sức từ của nam châm thẳng: Người ta quy ước chiều đường sức từ là chiều đi từ cực Nam đến cực Bắc xuyên dọc kim nam châm được đặt cân bằng trên đường sức đó.
+ Mỗi đường sức từ có một chiều xác định. Bên ngoài thanh nam châm, đường sức từ là những đường cong, hình dạng đối xứng qua trục của thanh nam châm, có chiều đi ra từ cực Bắc (N), đi vào ở cực Nam (S) của thanh nam châm.
+ Càng gần các cực (hai đầu) của nam châm từ trường càng mạnh hơn, đường sức từ càng dày (mau) hơn. Càng xa các cực (hai đầu) của nam châm từ trường càng yếu, đường sức từ càng thưa.
- Đặc điểm đường sức từ của nam châm hình chữ U
+ Mỗi đường sức từ có một chiều xác định. Bên ngoài thanh nam châm, đường sức từ là những đường cong, hình dạng đối xứng qua trục của thanh nam châm chữ U, có chiều đi ra từ cực Bắc (N), đi vào ở cực Nam (S) của thanh nam châm.
+ Càng gần các cực (hai đầu) của nam châm từ trường càng mạnh hơn, đường sức từ càng dày (mau) hơn. Càng xa các cực (hai đầu) của nam châm từ trường càng yếu, đường sức từ càng thưa.
+ Đường sức từ của từ trường trong khoảng không gian giữa hai cực của nam châm hình chữ U là những đường thẳng song song cách đều nhau. Từ trường trong khu vực đó là từ trường đều.
B. CÁC DẠNG BÀI TẬP
Dạng 1: Xác định các từ cực của một nam châm 1. Phương pháp giải
- Cách 1: Căn cứ vào kí hiệu trên nam châm (chữ cái ghi trên nam châm hoặc màu sắc).
- Cách 2: Nếu nam châm bị mất các kí hiệu, dùng một nam châm còn kí hiệu các từ cực để xác định. Cho các từ cực của hai thanh nam châm tương tác với nhau, các từ cực cùng tên thì đẩy nhau, các từ cực khác tên thì hút nhau.
- Cách 3: Dựa vào chiều của đường sức từ hoặc sự định hướng của thanh nam châm khi được treo trong từ trường của Trái Đất luôn theo hướng N – B.
2. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Chiều đường sức từ của nam châm được biểu diễn như hình vẽ. Hãy xác định các từ cực của nam châm ở hai đầu 1 và 2.
Hướng dẫn giải
- Dựa theo chiều mũi tên từ hình vẽ ta thấy đường sức từ đi ra từ đầu 2 và đi vào đầu 1 của thanh nam châm.
- Đường sức từ có chiều đi ra từ cực Bắc (N), đi vào cực Nam (S).
Vậy đầu 1 của thanh nam châm là cực Nam (S), đầu 2 của thanh nam châm là cực Bắc (N).
Ví dụ 2: Hãy vẽ kim nam châm nằm cân bằng ở các vị trí A, B, C trong từ trường của nam châm thẳng như hình vẽ.
Hướng dẫn giải
- Kí hiệu khi vẽ kim nam châm: Đầu tô màu trắng là cực Nam, đầu tô đậm là cực Bắc.
- Khi để kim nam châm và nam châm lại gần nhau thì các cực cùng tên đẩy nhau, các cực khác tên hút nhau. Vì vậy cực Nam (màu trắng) của kim nam châm sẽ hướng về phía cực Bắc của thanh nam châm, cực Bắc (màu đen) của kim nam châm sẽ hướng về cực Nam của thanh nam châm như hình vẽ sau:
Dạng 2: Xác định chiều đường sức từ
1. Phương pháp giải
- Bước 1: Xác định cực Bắc và cực Nam của thanh nam châm (dựa theo kí hiệu chữ cái hoặc màu sắc).
- Bước 2: Căn cứ vào quy ước chiều đường sức từ đi ra từ cực Bắc và đi vào ở cực Nam của nam châm.
Lưu ý: Chiều đường sức từ khi hai nam châm cùng cực và khác cực để gần nhau được biểu diễn như các hình vẽ sau:
2. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Trên hình có vẽ hai từ cực A, B của hai nam châm thẳng và các đường sức từ của chúng. A là cực Bắc của thanh nam châm bên trái. Hãy cho biết B là cực nào của thanh nam châm bên phải? Hãy vẽ các mũi tên chỉ chiều của các đường sức từ.
Hướng dẫn giải
- Các đường sức từ tách rời nhau ra và không nối liền từ cực nọ với từ cực kia. Điều đó chứng tỏ chúng là đường sức từ của hai từ cực cùng tên.
- Đầu A của thanh nam châm là cực Bắc, vì vậy đầu B của thanh nam châm cũng là cực Bắc.
- Các đường sức từ đi ra từ cực Bắc, đi vào ở cực Nam của nam châm. Chiều của đường sức từ được biểu diễn bằng các mũi tên như sau:
Ví dụ 2: Hình H15.8 mô tả hình ảnh các đường sức từ của nam châm chữ U nhưng chưa thể hiện chiều của các đường sức từ. Em hãy vẽ thêm các mũi tên để biểu diễn chiều của các đường sức từ này.
Hướng dẫn giải
- Dựa theo kí hiệu của nam châm: Đầu màu đỏ của nam châm là cực Bắc (N), đầu màu xanh của nam châm là cực Nam (S).
- Đường sức từ có chiều đi ra từ cực Bắc (N), đi vào ở cực Nam (S) được mô tả như hình vẽ:
C. BÀI TẬP TỰ LUYỆN C. BÀI TẬP TỰ LUYỆN
Bài 1: Có hai hòn bi trông hoàn toàn giống hệt nhau. Một hòn bi làm bằng đồng và một hòn bi làm bằng sắt mạ đồng. Làm thế nào để phân biệt được đâu là hòn bi đồng và đâu là hòn bi sắt mạ đồng?
Đáp án: Đưa một thanh nam châm lại gần hai hòn bi, hòn bi nào bị nam châm hút thì đó là hòn bi làm bằng sắt mạ đồng, hòn bi nào không bị nam châm hút thì đó là hòn bi làm bằng đồng.
Bài 2: Đường sức từ của một nam châm thẳng có chiều như hình vẽ. Hãy cho biết tên của các từ cực.
Đáp án: Đầu A của thanh nam châm là cực Bắc (N), đầu B của thanh nam châm là cực Nam (S)
Bài 3: Hai chiếc kim (1) và (2) bị hút ở hai đầu một thanh nam châm như hình 6.1.
Đưa hai đầu còn lại của kim (1) và kim (2) lại gần nhau thì chúng hút nhau hay đẩy nhau?
Đáp án: Đưa hai đầu còn lại của kim (1) và kim (2) lại gần nhau thì chúng hút nhau.
Đầu còn lại của kim (1) là cực Bắc, đầu còn lại của kim (2) là cực Nam.
Bài 4: Hình vẽ sau là dạng đường sức từ của một thanh nam châm. Hãy vẽ thêm chiều của các đường sức từ. Nếu đặt các kim nam châm (có thể quay tự do) vào các điểm A, B, C thì chúng sẽ định hướng như thế nào? Minh họa bằng hình vẽ.
Đáp án:
Bài 5: Trên hình có vẽ hai từ cực C, D của hai thanh nam châm thẳng và các đường sức từ của chúng. C là cực Nam của thanh nam châm bên trái. Hãy cho biết D là từ cực nào của nam châm bên phải? Hãy vẽ các mũi tên chỉ chiều của các đường sức
Đáp án: D là cực Bắc.
Bài 6: Một thanh nam châm A và một thanh thép B giống hệt nhau về hình dạng và kích thước. Trong các cách đặt dưới đây, cách đặt nào giúp phân biệt được thanh nam châm và thanh thép?
Đáp án: Cách đặt d giúp phân biệt được thanh nam châm và thanh thép.
Bài 7: Có một số pin để lâu ngày và một đoạn dây dẫn. Nếu không có bóng đèn pin để thử, hãy nêu một phương án đơn giản dùng kim nam châm để kiểm tra pin còn sử dụng được hay không?
Đáp án: Nối dây dẫn với hai cực của pin, sau đó đưa kim nam châm đặt tự do trên trục nhọn lại gần dây dẫn, chờ cho kim nam châm cân bằng, nếu kim nam châm bị lệch khỏi hướng Bắc – Nam ban đầu thì trong dây dẫn có dòng điện hay pin còn sử dụng được.
Bài 8:
Có hai thanh nam châm đặt trong một ống thủy tinh như hình vẽ. Tại sao thanh nam châm phía trên lại lơ lửng trên thanh nam châm phía dưới?
Đáp án: Khi hai cực cùng tên của hai thanh nam châm gần nhau thì hai thanh nam châm đẩy nhau, lực đẩy này cân bằng với trọng lực làm thanh nam châm ở trên lơ lửng.
Bài 9: Hai thanh thép có hình dạng hoàn toàn giống nhau. Nếu khi đưa đầu thanh này lại gần đầu thanh kia mà chúng chỉ hút chứ không đẩy nhau, ta có thể kết luận được rằng chỉ có một thanh là nam châm, thanh kia không phải là nam châm. Có cách nào để tìm ra thanh nào không phải là nam châm mà không cần dùng đến một vật thứ ba không?
Đáp án: Trong một thanh nam châm thì hai từ cực có từ tính mạnh nhất. Các phần khác có từ tính yếu hơn và phần giữa của thanh nam châm có từ tính rất yếu, có thể coi như không có từ tính. Căn cứ vào tính chất này có thể có cách làm như sau để tìm ra thanh nào không có từ tính: Đặt một đầu của thanh (2) chạm vào phần giữa của thanh (1) như hình vẽ. Nếu thanh (1) bị hút mạnh thì nó là thanh không có từ tính. nếu thanh (1) không bị hút, thanh (2) không có từ tính.
Bài 10: Trên Trái Đất có nơi nào mà từ đó đi theo bất kì phương nào cũng là đi theo phương Nam?
Đáp án: Cực Bắc của Trái Đất
Bài 11: Một học sinh đã dùng một thanh nam châm và một tấm xốp mỏng để xác định phương hướng. Học sinh đó đã làm như thế nào và dựa trên nguyên tắc nào?
Đáp án:
- Nguyên tắc: Xung quanh Trái Đất có từ trường, từ trường của Trái Đất luôn làm cho kim nam châm định hướng Bắc – Nam.
- Cách làm: Đặt thanh nam châm lên tấm xốp rồi thả nhẹ để chúng nổi trên mặt nước (dùng nước trong chậu để mặt nước yên tĩnh). Sau một thời gian ngắn nam châm sẽ định hướng Bắc – Nam (tương tự như một chiếc la bàn).
Bài 12: Hình vẽ cho biết một số đường sức từ của thanh nam châm thẳng. Hãy dùng mũi tên chỉ chiều đường sức từ tại các điểm C, D, E và ghi tên các cực từ của nam châm.
Đáp án:
- Dựa vào kí hiệu khi vẽ kim nam châm, ta xác định được đầu tô màu trắng của kim nam châm là cực Nam, đầu tô màu đen của kim nam châm là cực Bắc.
- Đường sức từ có chiều đi ra từ cực Bắc (N), đi vào ở cực Nam (S) của thanh nam châm. Vì vậy chiều của đường sức từ tại các điểm C, D, E được xác định như hình vẽ sau:
