XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Экспериментальное исследование свойств магнитов различного вида
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Постоянные магниты обладают способностью взаимодействовать с другими магнитами: притягивать или отталкивать их. Известно, что любой магнит обладает двумя полюсами – областями, где взаимодействие с другими магнитами наиболее выражено. Стрелка компаса, способная свободно вращаться вокруг вертикальной оси, тоже является постоянным магнитом. Тот её полюс, который поворачивается к северу, называют северным полюсом и обозначают буквой N, а другой полюс – южным (S). Так как одноимённые полюса магнитов отталкиваются, а разноимённые притягиваются, то, используя стрелку компаса, можно определить, где у любого магнита находятся северный и южный полюса [2]. Для этой же цели можно использовать другой магнит с изместной полярностью. Магниты широко используются в современном мире. Они применяются в устройствах автоматики и связи, радиоэлектронных устройствах, измерительных приборах. Магниты также широко применяются в космической и авиационной технике [1]. Школьники младших классов чаще сталкиваются с магнитами в процессе игры, магниты служат для легкого временного соединения различных деталей между собой. Изучение магнитов является несомненно актуальной задачей, поскольку использование их свойств может дать возможность конструюрования более сложных объектов, имеющих практическую направленность.
Научная новизна. Впервые экспериментально изучено взаимодействие паровоза и вагонов магнитного поезда при отталкивании одинаково заряженных полюсов магнитов. Выявлено количество вагонов, при котором отталкивание не заметно. Новым также является определение влияния преграды между вагоном и паровозом, в качестве которой взяты металлическая или деревянная линейки, а также магниты различного типа.
Проблема. При рассмотрении вагонов магнитного поезда было обнаружено, что внешне ничем не отличающиеся магниты, расположенные с двух сторон вагонов и с одной стороны паровоза, в некоторых случаях притягиваются, в других – отталкиваются. Данная особенность стала причиной для постановки и решения задачи исследования.
Объект исследования: игрушечный магнитный поезд и магниты различного вида, используемые в качестве преграды.
Предмет исследования: особенностивзаимодействия вагонов и паровоза магнитного поезда, а также свойства магнитов различного вида.
Цель: исследовать особенности взаимодействия вагонов и паровоза магнитного поезда и определить влияние на данное взаимодействие магнитных преград различного вида.
Задачи:
-изучить особенности магнитов вагонов и паровоза магнитного поезда.
-выявить число вагонов, начиная с которого происходит касание паровоза и вагона с одинаковыми зарядами, а отталкивание зрительно не видно.
-определить влияние преграды (деревянной или металлической линейки) на отталкивание вагона и паровоза.
-рассмотреть влияние на поведение вагона и паровоза магнитов разного вида, взятых в качестве преграды.
Гипотеза: предположим, что любая преграда между двумя магнитами оказывает влияние на их взаимодействие, а все магниты обладают одинаковыми свойствами.
Методы исследования:
1)эксперимент по средствам игры;
2)анализ первичных результатов и подготовка возможных материалов для использования в качестве преграды;
3)поиск и изучение литературы по теме исследования;
4)эксперимент с преградами различного вида;
5)обобщение полученных результатов.
Личный вклад автора заключается в первичном анализе поведения вагонов магнитного поезда в процессе игры, выборе темы исследования, участии в проведении экспериментов и систематизации полученных результатов.
Краткий обзор используемой литературы. В работе [3] дана характеристика постоянных магнитов, описаны особенности их полюсов (северного и южного). Выделены магниты природного (естественного) происхождения и искусственные. Дана историческая справка о причинах намагничивания железа. Описано, чтo вce вeщecтвa, пoмeщeнныe в мaгнитнoe пoлe, нaмaгничивaютcя пo-paзнoму. Еcть вeщecтвa, ocлaбляющиe дeйcтвиe внeшнeгo пoля внутpи ceбя – этo пapaмaгнeтики. Еcть вeщecтвa, уcиливaющиe внeшнee пoлe внутpи ceбя – этo диaмaгнeтики. Еcть вeщecтвacoгpoмнoй cпocoбнocтью (в тыcячи paз) уcиливaть внeшнee пoлe внутpи ceбя (жeлeзo, кoбaльт, никeль, cплaвы и coeдинeния этиx мeтaллoв) – этo фeppoмaгнeтики. В работе [5] описан эксперимент, в котором при помощи маленьких гвоздиков определяются полюса магнита, где наиболее сильное магнитное поле. В работе [6] подробно описаны материалы, используемые для производства магнитов, формы магнитов (диск, кольцо, цилиндр, сегмент, параллелепипед и др) и способы намагничивания.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. Исследование поведения вагонов магнитного поезда при соприкосновении полюсов с одинаковыми или разными зарядами
Цель: при помощи калиброванного магнита определить полярность магнитов на паровозе и одном из вагонов магнитного поезда. Найти число соединенных друг с другом вагонов при котором возможно касание паровоза и первого вагона с одинаковыми полюсами магнитов.
Для исследования возьмём игрушечный поезд с вагонами, соединенными при помощи магнитов, а также калиброванный дугообразный магнит. Синий цвет данного магнита соответствует северному полюсу. Будем обозначать его для простоты знаком “-”. Красный цвет магнита соответствует южному полюсу и будет обозначаться знаком “+”. Поезд поставим на специальные деревянные рельсы. Учтем, что одинаковые полюса магнита отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Определим заряд магнита на паровозе (Приложение 1, рис. 1). Магнит паровоза притянулся к отрицательно заряженной стороне калиброванного магнита. Можно сделать вывод, что магнит паровоза заряжен положительно. Подобным образом определим полярность магнитов на вагоне (Приложение 1, рис. 2). Возможны два вида взаимодействия вагона и паровоза. В одном случае происходит их взаимное притяжение (Приложение 1, рис. 3), в другом – взаимное отталкивание (Приложение 1, рис. 4).
Остановимся подробнее на втором способе расположении. При движении паровоза навстречу вагону при таком расположении вследствие отталкивания одинаковых полюсов происходит движение по направлению «от паровоза». Попробуем погасить данный эффект при помощи добавления других вагонов к исследуемому вагону. При увеличении числа вагонов минимальное расстояние, на которое можно придвинуть паровоз к первому вагону (и удержать в таком положение какое-то время), уменьшается (Приложение 1, рис. 5, 6). При увеличении числа вагонов до шести получено соединение первого вагона и паровоза (Приложение 1, рис. 7). Можно предположить, что в данном случае сила трения колес вагонов о рельсы уравновешивает силу отталкивания магнитов первого вагона и паровоза.
Вывод: магнит паровоза обладает положительным зарядом. При взаимодействии с отрицательно заряженным полюсом магнита вагона происходит притяжение вагона и паровоза, а при взаимодействии с положительно заряженным полюсом магнита вагона – отталкивание. При соединении шести вагонов получено касание паровоза и первого вагона при одинаковом заряде полюсов магнитов, отталкивание не видно.
2. Исследование поведения двух вагонов магнитного поезда, между которыми возникает преграда
Цель: исследовать влияние преграды, в качестве которой взяты деревянная или металлическая линейки, на взаимное отталкивание паровоза и вагона.
Определим, будет ли оказывать влияние на взаимное отталкивание паровоза и вагона какая-либо преграда. Для проведения эксперимента воспользуемся двумя линейками: деревянной и металлической (Приложение 1, рис. 8). Поднесем деревянную линейку к вагону со стороны положительно заряженного магнита таким образом, как показано на рис. 9а (В Приложении 1). Вплотную к линейке подведем паровоз. Происходит отталкивание вагона по направлению “от паровоза”. Можно сделать вывод, что наличие преграды в виде деревянной линейки не оказало влияния на взаимодействие паровоза и вагона. Также был проведен ряд экспериментов с другими преградами (фольга, бумага, стекло), однако существенного влияния преграды получено не было.
В случае когда в качестве преграды взята металлическая линейка было получено, что даже при соприкосновении магнитов с одинаковыми зарядами, происходит притяжение паровоза и вагона с двух сторон к линейке. Можно заключить, что сила притяжения магнитов к металлической линейке больше силы отталкивания.
Вывод: наличие преграды в виде деревянной линейки не оказало влияние на взаимодействие паровоза и вагона. В случае когда в качестве преграды берется металлическая линейка вместо отталкивания вагона от паровоза происходит притяжение паровоза и вагона к линейке с двух сторон.
3. Исследование случая, когда в качестве преграды рассматриваются магниты различного вида
Цель: изучить влияние преграды из магнита на взаимодействие паровоза и вагона. Выявить на данном примере свойства магнитов разного вида.
Рассмотрим более сложный случай, когда в качестве преграды используются магниты разного вида (Приложение 1, рис. 11). Магнит, обозначенный буквой А соответствует мягкому магниту. Его можно легко согнуть руками. Такие магниты часто используют при изготовлении сувенирных магнитов. Магниты под буквами Б и В также используют при изготовлении сувенирных магнитов, однако они имеют круглую форму и большую толщину, не гнутся. Для более детального изучения видов магнитов рекомендуем обратиться к [4].
Определим характер взаимодействия мягкого магнита с калиброванным магнитом (Приложение 1, рис. 12). Видно, что мягкий магнит как одной стороной, так и другой, притягивается и к положительно заряженной и к отрицательно заряженной сторонам калиброванного магнита. Точный вывод о заряде сторон мягкого магнита сделать не удалось. Поднесем мягкий магнит к вагону со стороны положительно заряженного магнита (Приложение 1, рис. 13а). С противоположной стороны подведем паровоз. Происходит отталкивание вагона (Приложение 1, рис. 13б). Видимого действия мягкий магнит на процесс взаимодействия паровоза и вагона не оказал. Можно сделать вывод, что сила притяжения мягкого магнита мала по сравнению с силой отталкивания вагона от паровоза. Отметим, что изменение положения сторон мягкого магнита (1-2 или 2-1) не оказало влияния.
Определим полярность твердого магнита Б (Приложение 1, рис. 14). В данном случае полярность магнита чётко определяется, одной стороной магнит притягивается к положительно заряженному полюсу калиброванного магнита. Можно сделать вывод об ее отрицательном заряде (Приложение 1, рис. 14а). Противоположной стороной магнит притягивается к отрицательно заряженному полюсу калиброванного магнита. Данная сторона положительно заряжена.
На рис. 15-18 (В Приложении 1) показаны различные способы взаимодействия магнита Б, паровоза и вагона. При расположении паровоза и вагона навстречу друг к другу положительными полюсами магнит Б притягивается к тому магниту (паровоза или вагона), заряд которого отличается от заряда магнита Б на ближайшей стороне (Приложение 1, рис. 15, 16). С другой стороны происходит отталкивание. Поменяем расположение вагона, теперь заряды паровоза и вагона отличаются. В этом случае происходит либо притяжение паровоза и вагона к магниту Б с двух сторон (Приложение 1, рис. 17), либо (при другом положении магнита Б) отталкивание как паровоза, так и вагона от магнита Б (Приложение 1, рис. 18).
Определим полярность твердого магнита В (Приложение 1, рис. 19). Как и в случае с мягким магнитом происходит притяжение каждой из сторон магнита В и к положительно заряженной и к отрицательно заряженной сторонам калиброванного магнита. Вывод о заряде сторон магнита сделать снова не удалось. Расположим паровоз и вагон одинаково заряженными полюсами навстречу друг к другу. В этом случае без влияния магнитной преграды ранее происходило взаимное отталкивание паровоза и вагона. При расположении между паровозом и вагоном магнита В происходит притяжение паровоза и вагона к магниту В, причем как при одном положении магнита (1-2) (Приложение 1, рис. 20), так и при другом (2-1) (Приложение 1, рис. 21).
Вывод: изучены свойства магнитов трех видов (мягкий магнит и два вида твёрдых магнитов), используемых в качестве преграды между паровозом и вагоном. Выявлено, что сила притяжения мягкого магнита мала по сравнению с силой отталкивания вагона от паровоза. При рассмотрении твёрдых магнитов в одном случае показана ярко выраженная полярность магнита, когда происходит притяжение или отталкивание вагона и паровоза в зависимости от заряда сторон магнита, в другом случае влияние твердого магнита оказалось настолько сильным, что вместо взаимного отталкивания паровоза и вагона происходит их притяжение к магниту с двух сторон, причем вне зависимости от положения магнита (направления его сторон).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате эксперимента изучено поведение вагонов магнитного поезда при соприкосновении полюсов с одинаковыми или с разными зарядами. Показано, что при движении паровоза навстречу вагону при взаимодействии одинаковых полюсов происходит отталкивание вагона по направлению “от паровоза”. Данный эффект можно уменьшить путем добавления вагонов. При соединении шести вагонов влияние магнита паровоза не заметно, движения поезда нет. Показано, что преграда в виде деревянной линейки не оказывает влияния, тогда как преграда в виде металлической линейки полностью нейтрализует силу отталкивания. Использование в качестве преграды магнита может привести к различным результатам. В зависимости от вида магнита наблюдается либо отсутствие влияния, либо замена эффекта отталкивания на притяжение паровоза и вагона к магниту с двух сторон, либо (в случае, когда полярность магнита четко определена) происходит отталкивание от магнита только вагона или только паровоза. Таким образом, гипотеза исследования не подтвердилась.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Рис. 1. Определение полярности магнита паровоза
(а) (б)
Рис. 2. Определение полярности магнитов вагона; (а) к положительно полюсу калиброванного магнита притягивается отрицательный полюс вагона, (б) к отрицательному полюсу калиброванного магнита притягивается положительный полюс вагона.
Рис. 3. Способ расположения паровоза и вагона, при котором происходит их взаимное притяжение
Рис. 4. Способ расположения паровоза и вагона, при котором происходит их взаимное отталкивание
Рис.5. Наиболее близкое возможное положение паровоза и трех соединенных между собой вагонов при взаимном отталкивании паровоза и первого вагона
Рис.6. Наиболее близкое возможное положение паровоза и пяти соединенных между собой вагонов при взаимном отталкивании паровоза и первого вагона
Рис.7. Демонстрация наличия касания паровоза и шести соединенных между собой вагонов при взаимном отталкивании паровоза и первого вагона
Рис.8. Деревянная и металлическая линейки
(а) (б)
Рис.9. Влияние паровоза на вагон при наличии преграды в виде деревянной линейки; (а) – изначально вагон расположен вблизи деревянной линейки, (б) – при придвижении с другой стороны линейки паровоза вагон отъезжает
Рис.10. Взаимодействие взаимно отталкивающихся паровоза и вагона с железной линейкой
Рис.11. Магниты, свойства которых будут исследоваться;
А – мягкий магнит, Б – твердый магнит первого типа, Г – твердый магнит второго типа
(а) (б)
(в) (г)
Рис.12. Выявление полярности мягкого магнита; (а), (б) – взаимодействие с отрицательным полюсом калиброванного магнита сторон 1 и 2 соответственно, (в), (г) – взаимодействие с положительным полюсом калиброванного магнита сторон 2 и 1 соответственно
(а) (б)
Рис.13. Влияние паровоза на вагон при наличии преграды в виде мягкого магнита; (а) – изначально вагон расположен вблизи мягкого магнита, (б) – при придвижении с другой стороны магнита паровоза вагон отъезжает
(а) (б)
Рис.14. Выявление полярности твердого магнита Б; (а) – взаимодействие с положительным полюсом калиброванного магнита, (б) – взаимодействие с отрицательным полюсом калиброванного магнита
Рис.15. Способ расположения твердого магнита Б при котором происходит взаимное притяжение данного магнита к паровозу и взаимное отталкивание данного магнита от вагона
Рис.16. Способ расположения твердого магнита Б при котором происходит взаимное отталкивание данного магнита от паровоза и взаимное притяжение данного магнита к вагону
Рис.17. Способ расположения твердого магнита Б при котором происходит притяжение паровоза и вагона к магниту с двух сторон
Рис.18. Способ расположения твердого магнита Б при котором происходит отталкивание паровоза и вагона от магнита
(а) (б)
(в) (г)
Рис.19. Выявление полярности твердого магнита В; (а), (б) – взаимодействие с отрицательным полюсом калиброванного магнита сторон 1 и 2 соответственно, (в), (г) – взаимодействие с положительным полюсом калиброванного магнита сторон 2 и 1 соответственно
Рис.20. Демонстрация притяжения паровоза и вагона к магниту при его расположении 1-2
Рис.21. Демонстрация притяжения паровоза и вагона к магниту при его расположении 2-1
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Альтман А.Б. Постоянные магниты. Справочник / А.Б. Альтман, Э.Е. Верниковский, А.Н. Герберг и др., под ред. Ю.М. Пятина. – М.: Энергия, 1980.
2. Богданов К.Ю. Физика. 11 класс / К.Ю. Богданов. – М.: Просвещение, 2010.
3. Kapцeв В. Maгнит зa тpи тыcячeлeтия / В. Карцев. – М: Энергоатомиздат, 1988.
4. Виды и типы магнитов. Костюченко В. [Электронный ресурс] –URL: https://mirmagnitov.ru/blog/issledovaniya/vidy-i-tipy-magnitov/
5. Постоянные магниты. Магнитное поле Земли. Физика. 8 класс. Разработка урока. Березина Т.В. [Электронный ресурс] –URL: https://rosuchebnik.ru/material/postoyannye-magnity-magnitnoe-pole-zemli-fizika-8-klass-razrabotka-uroka577/
6. Энциклопедия магнетизма [Электронный ресурс]. –URL: https://www.valtar.ru/encyclop.htm