Задачи - опыты по физике (стр. 16 )

Откуда

= .

Подставляя в (2), получим:

(3)

Равенства (1) и (3) показывают, во-первых, что сила тяготения изменяется пропорционально радиусу шара в третьей степени, а сила электрического отталкивания меняется пропорционально радиусу только в первой степени. Кроме того, тяготение зависит от плотности вещества шаров, а электрическое отталкивание не зависит. Таким образом, железный и алюминиевый шары одинакового радиуса отталкиваются от поверхности Земли с одинаковой силой, а притягиваются к Земле – с различной.

ЦЕПЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА.

68. Ток в трамвайной линии.

Условие задачи. Рано утром электрическая подстанция, находящаяся в трамвайном парке, включила трамвайную линию. Вслед за этим из парка вышел первый трамвайный вагон. С какой скоростью распространяется электрический ток вдоль трамвайного провода?

Решение и пояснения

68. (7-й кл.) Электрическая цепь замкнута трамвайным вагоном, следовательно, электрический ток проходит только по той части трамвайной линии, которая ограничена с одной стороны подстанцией, а с другой – движущимся вагоном. Таким образом, скорость распространения электрического тока вдоль линии равна скорости движения трамвайного вагона.

69. Замыкание цепи.

Установка. Двухполюсный предохранитель, смонтированный на вертикальной стойке (рис. 16). С помощью шнура, присоединенного к его верхним клеммам, предохранитель включается в сеть городского тока. (О предохранительных мерах см. в решении) Электрическая лампочка, ввинченная в патрон, имеющий шнур приблизительно в 0,5 м длины с зачищенными концами проводов. В предохранитель вставлены пробки, из которых одна перегоревшая.

Условие задачи. Как, не вынимая пробок из предохранителя и не отвинчивая их крышек, можно с помощью лампочки точно указать, какая из двух пробок перегорела?

Дополнения. 1. Можно ли тем же способом определить, одна или обе пробки перегорели?

2. Если в квартире погасло электрическое освещение, то как можно выяснить, произошло ли это вследствие обрыва провода в квартире, перегорания пробок предохранителя или отсутствия тока во внешней линии?

Имеется в виду, что все эти три вопроса вы решаете, исследуя основной двухполюсный предохранитель, установленный в вашей квартире.

Проверьте ваши соображения на опыте.

Решение и пояснения

69. (7, 10-й кл.) Присоединяют провода от лампочки сначала к клеммам 1–4, а затем к 2–3 (рис. 16). Если в первом случае лампочка накаливается, то правая пробка не перегорела, если не накаливается, то, значит, она перегорела. Аналогичные рассуждения применимы для второго присоединения. Они относятся к левой пробке.

Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Можно (см. решение задачи).

2. Если лампочка, присоединенная к клеммам 3–4, светит, то разрыв цепи произошел в квартире. Если не светит, то либо перегорели пробки, либо отсутствует ток во внешней цепи. Однако если лампочка включена в клеммы 1–2 и накаливается, то это свидетельствует о перегорании пробок. Если же она не накаливается, то, очевидно, электрический ток отсутствует во внешней цепи.

70. Замкнутая электрическая цепь и электродвижущая сила.

Установка. Два одинаковых сухих гальванических элемента. Их положительные полюсы соединены между собой проводником. К их отрицательным полюсам присоединена лампочка накаливания от карманного фонаря (рис. 17).

Условие задачи. Перед вами два элемента, соединенные между собой. К их свободным полюсам прикреплена лампочка накаливания.

Почему она не светит?

Что нужно сделать для того, чтобы нить лампочки накалилась?

Дополнения. 1. Сколькими способами можно осуществить накал нити лампочки?

2. Почему при одном способе нить лампочки накаливается сильнее, чем при другом?

Почему установка задачи не представляет собой замкнутой электрической цепи, если она состоит из замкнутого ряда проводников? Какие два условия необходимы для того, чтобы какую-либо установку можно было назвать замкнутой электрической цепью?

Решение и пояснения

70. (10, 7-й кл.) Лампочка не светит потому, что ЭДС в цепи равна нулю ( = 1 – 2 = 0, так как 1 = 2). Для того чтобы лампочка накалилась, необходимо так включить ее, чтобы в цепи действовала ЭДС.

Дополнения (1 и 2 даются вместе с задачей, 3 и 4 – после ее решения). 1. Двумя: а) сохранить соединение элементов и включить лампочку параллельно в цепь, т. е. один провод от лампы присоединить к положительным полюсам, другой – к отрицательным, и б) переключить элементы на последовательное соединение.

Курсовой вопрос. Потому что в ней нет ЭДС. Во-первых, замкнутая цепь проводников и, во-вторых, наличие в ней ЭДС.

71. Последовательное включение.

Установка. Используется установка задачи 69.

К ней добавляется еще одна лампочка, такая же, как и первая, с патроном и шнуром. У второй лампочки концы проводов шнура должны быть также зачищены.

Кроме того, ставится настольная электрическая лампочка, которая приключается с помощью шнура к нижним клеммам предохранителя. Обе пробки предохранителя целы.

Условие задачи. Включите вилку шнура, идущего от верхних клемм предохранителя, в стенную розетку электрической сети. Этим вы включите настольную лампу. Если перегорит одна из пробок, лампа погаснет.

Когда это происходит с квартирным предохранителем, то вся квартира погружается во мрак. Это представляет двойное неудобство: во-первых, в темноте трудно отыскать перегоревшую пробку и заменить ее новой. Во-вторых, нельзя быть уверенным, что причина, вызвавшая короткое замыкание в цепи, устранена к моменту замены пробок, причем в этом случае новая пробка также перегорит.

Как с помощью выставленных перед вами предметов можно осуществить автоматически действующий сигнализатор, который:

       1) осветил бы предохранитель в момент перегорания одной или двух пробок,

       2) указал бы, какая пробка предохранителя перегорела, дал бы возможность выяснить, существует ли еще в цепи короткое замыкание.

Решение и пояснения

71. (10, 7-й кл.) Одна сигнальная лампочка присоединяется к клеммам 1–3, другая к клеммам 2–4 (рис. 16). При перегорании пробок сигнальные лампочки включаются в цепь, замкнутую квартирными электрическими лампочками или приборами. При перегорании левой пробки включится левая сигнальная лампочка, при перегорании правой – правая. При коротком замыкании обе сигнальные лампочки (или одна лампочка) дают максимальный накал, не зависящий от включения или выключения квартирных лампочек или приборов.

72. Параллельное соединение.

Установка. Сухой элемент. Электрический звонок. Кнопка, монтированная на дощечке, в которую вделаны две клеммы. На нижней стороне дощечки укрепляется сопротивление, сделанное из тонкой изолированной проволоки высокого сопротивления. Одна клемма соединена с одним концом сопротивления, другая – с одним из контактов кнопки. Второй контакт кнопки соединяется со вторым концом сопротивления. Весь монтаж делается на нижней стороне дощечки (рис. 18). Соединительные провода.

Условие задачи. Включите в звонковую цепь кнопку таким образом, чтобы ее действие было обратным обычному: нажатая кнопка прекращала бы работу звонка, а при ненажатой кнопке звонок начинал бы звонить.

Дополнения. 1. В каком случае гальванический элемент сильнее истощается: при работе звонка или наоборот – когда звонок не звонит?

2. Проходит ли ток через звонок, когда кнопка нажата, а звонок не звонит?

Решение и пояснения

72. (7-й кл.) Кнопка включается параллельно звонку.

Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Элемент сильнее истощается при нажатой кнопке, т. е. когда звонок не звонит.

2. Проходит, но недостаточный для того, чтобы вызвать работу звонка.

Включить сопротивления необходимо для того, чтобы при нажатой кнопке элемент не был бы замкнут накоротко.

Сопротивление имеет порядок 3–5 ом. Оно должно быть так подобрано, чтобы при нем нажатая кнопка прекращала колебания звонкового молоточка. Разумеется, чем больше будет при этом сопротивление, тем меньше будет расходоваться энергия элемента. Проще и удобнее всего свернуть изолированную проволоку высокого сопротивления в плоскую спираль, расположить ее на нижней стороне перевернутой дощечки с кнопкой и приклеить ее к дощечке.

Это дополнительное сопротивление скрыто от учащихся с единственной целью не отвлекать их внимания от основной темы и не вносить путаницы в их мысли такой деталью установки, которая совершенно не нужна для осуществления опыта. Кроме того, преподавателю будет небезынтересно выяснить, найдется ли хоть один учащийся, которому покажется такое соединение кнопки недопустимым, безграмотным, именно вследствие возникающего при нажатии ее короткого замыкания.

Разумеется, после решения задачи следует обязательно обратить внимание учащихся на дополнительное сопротивление и на причину его включения.

73. Замыкание цепи землей.

Условие задачи. На фасадах некоторых загородных домов натягиваются параллельными рядами вертикальные проволоки, по которым поднимаются вверх вьющиеся растения (дикий виноград, хмель и т. п.). Если к фасаду дома подходят провода, подводящие ток, то вьющиеся растения, дотянувшись до них, начинают обвивать провода на протяжении нескольких сантиметров, а иногда и половины метра. Если эти провода идут от электростанции постоянного тока, то можно наблюдать любопытное явление: растение обвивает только один провод, никогда не два. Почему?