Задачи - опыты по физике (стр. 32 )

Лампочку по мощности надо подобрать такую, которая при вкладывании сердечника в соленоид значительно ослабляла бы свой свет без полного его исчезновения. Если свечение лампочки полностью прекращается, то нельзя экспериментально проверить решение второго дополнительного вопроса.

Чем бульшую силу тока требует электрическая лампочка, тем сильнее изменяется накал ее нити при вкладывании железного сердечника в соленоид. Может случиться, что при этом обмотка соленоида сильно нагреется. Бояться этого не надо, если только цепь замыкается на короткое время.

136. Обнаружение индуктивного сопротивления.

Установка. Деревянный ящик, в котором находится катушка самоиндукции. На крышке ящика смонтирована маловольтная лампочка накаливания (автомобильная), соединенная последовательно с катушкой. На боковой стенке ящика имеются две клеммы, к одной из которых присоединен провод лампочки, а к другой – провод, идущий от катушки. Внутренность ящика недоступна для осмотра учащимся. Понижающий трансформатор, вторичная обмотка которого дает 4–6 в. Батарея элементов с ЭДС 4,5–6 в. Соединительные провода.

Условие задачи. Перед вами стоит деревянная коробка, на крышке которой укреплена автомобильная лампочка накаливания. Она последовательно соединена с неизвестным прибором, который скрыт в деревянном ящике.

Лампочку и последовательно соединенный с ней прибор можно включить в цепь постоянного тока с помощью двух клемм, вделанных в стенку ящика.

Определите, какого рода прибор скрыт в ящике.

Примечание. На клеммах понижающего трансформатора 6 в. Если снять лампочку накаливания с крышки ящика и присоединить ее к клеммам трансформатора, то она нормально светит. Проверьте это.

Решение и пояснения

136. (10-й кл.) Так как в цепь переменного и постоянного тока, имеющих одинаковое напряжение, включается один и тот же неизвестный прибор, то изменение его свойств может зависеть только от того, что переменный ток действует на прибор иначе, чем постоянный.

Единственным индикатором этого действия, который дается в установке, является электрическая лампочка, включенная в цепь последовательно с прибором. При включении установки в цепь постоянного тока нить лампочки накаливается значительно сильнее, чем при включении ее в цепь переменного тока. Следовательно, сопротивление прибора при постоянном токе меньше его сопротивления при переменном, т. е. прибор при небольшом омическом сопротивлении имеет большое индуктивное сопротивление. Таким прибором может быть той или иной конструкции катушка самоиндукции.

В качестве катушки самоиндукции можно применить электромагнит с замкнутым сердечником, звонковый трансформатор и т. п. В случае звонкового трансформатора автомобильные лампочки не годятся. Необходима лампочка, рассчитанная на меньшую силу тока. Если такой нет в физическом кабинете, можно включить несколько лампочек от карманного фонаря параллельно.

Существенно, чтобы напряжение на клеммах трансформатора было равно напряжению, которое дает батарея элементов, и чтобы лампочка, включенная непосредственно в цепь переменного, а затем постоянного тока, давала одинаковое свечение.

Из решения задачи видно, что необходимо подобрать такое индуктивное сопротивление, при котором возникал бы слабый накал нити лампочки.

Если нить совершенно не светит, то у учащихся может возникнуть предположение, что при переменном токе неизвестный прибор размыкает электрическую цепь.

137. Емкостный ток.

Установка. Деревянный ящик, в котором находится конденсатор (С = 4–10 мкф). На крышке ящика смонтирован патрон с ввинченной в него электрической лампочкой (120 в, 25 вт). Патрон соединен последовательно с конденсатором. От них (сквозь отверстие в коробке) идут провода шнура с укрепленной на них штепсельной вилкой для включения установки в сеть переменного и постоянного тока.

Внутренность ящика недоступна для осмотра учащимися.

Анодная батарея на 80–120 в, полюса которой присоединены к штепсельной розетке, укрепленной на дощечке.

Условие задачи. На крышке деревянной коробки укреплена лампочка накаливания. Она последовательно соединена с неизвестным прибором, который скрыт в деревянном ящике.

Лампочку и последовательно соединенный с ней прибор можно включать в сеть переменного и постоянного тока с помощью штепсельной вилки, которая находится на конце шнура, идущего от коробки.

Определите, какого рода прибор скрыт в ящике.

Примечание. Шнур, идущий от ящика, можно непосредственно включать как в штепсельную розетку городского переменного тока, так и в розетку, соединенную с анодной батареей.

Дополнения. 1. Убедитесь, что нить лампочки, непосредственно включенная в батарею, накаливается.

Можно ли утверждать, что постоянный ток совершенно не проходит через прибор, скрытый в ящике? При каком устройстве прибора он достигает минимума?

Решение и пояснения

137. (10-й кл.) Как и в задаче 136, изменение свойств неизвестного прибора при переключении его из цепи постоянного тока в цепь переменного может зависеть только от изменения при таком переключении свойств самого тока (см. задачу 136). Только на основании оценки накала нити лампочки мы можем судить об этих изменениях. Опыт показывает, что лампочка светит, когда она включена в цепь переменного тока, и не светит, когда она включена в цепь постоянного тока. Наиболее простое и вероятное предположение заключается в том, что исследуемый прибор представляет собой конденсатор.

Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Анодная батарея дает накал нити лампочки (25 вт) не слабее того, который получается от переменного тока при включении последовательно конденсатора (4 мкф).

2. Нельзя, так как диэлектрик, проложенный между пластинами конденсатора (парафинированная бумага, слюда и т. п.), не является абсолютным непроводником тока.

3. При невысоких напряжениях наименьший постоянный ток будет в случае конденсатора с воздушным диэлектриком, а еще меньший при очень высоком вакууме между пластинами диэлектрика. В этом последнем случае даже очень чувствительные гальванометры не обнаруживают наличия тока.

Способом, указанным в решении задачи, вопрос еще не решается однозначно. Исследуемый прибор может быть (из известных учащимся приборов) конденсатором или выпрямителем (например, электролитическим) переменного тока. Для того, чтобы выяснить этот вопрос, достаточно переключить полюса источника постоянного тока, присоединенные к исследуемому прибору. При этом возникновение свечения лампочки указывает, что неизвестный прибор – выпрямитель, а отсутствие свечения – что он конденсатор. Кроме того, при выпрямителе заметны „мигания“ света лампочки, о которых говорится в решении задачи 140 (дополнение 3) и которые можно сделать вполне отчетливыми описанным способом (решения дополнения 3).

138. Гальванометр постоянного тока в качестве индикатора переменного тока.

Установка. Демонстрационный гальванометр. Банка со слабым раствором соли и опущенными в него двумя электродами. (Раствор с электродами играет роль предохранительного сопротивления, см. в решении) Ключ. Вся установка, состоящая из последовательно соединенных гальванометра, ключа и банки, включается в сеть переменного тока.

Условие задачи. Гальванометр постоянного тока включен через сопротивление в сеть городского переменного тока. Замкните цепь, нажав на ключ. Стрелка гальванометра от этого не отклоняется, хотя сила тока вполне достаточна для того, чтобы стрелка отклонилась почти до края шкалы.

Почему же стрелка не отклоняется?

Отпустите ключ и резким, коротким ударом пальца по ключу замкните и разомкните цепь. Проделайте это несколько раз (10 раз) и наблюдайте за стрелкой гальванометра.

Почему она при некоторых замыканиях цепи отклоняется в одну сторону, а при других – в другую?

Дополнения. I. Почему при мгновенном замыкании цепи стрелка отклоняется на самые различные углы, как в одну, так и в другую сторону?

Почему иногда при мгновенном замыкании цепи стрелка остается неподвижной? Внимательно смотрите на кончик стрелки гальванометра и замкните цепь ключом. Почему вместо четко очерченного кончика стрелки вы видите на белом фоне шкалы ее размытый контур до тех пор, пока цепь остается замкнутой? Что мешает стрелке гальванометра следовать за всеми изменениями переменного тока? Если можно было бы построить безинерционный гальванометр, могли бы вы следить за движением его стрелки, когда он включен в сеть городского переменного тока? Какие вы знаете приборы, которые в состоянии регистрировать не только изменения городского переменного тока, но и высокочастотного радиотока?

7. Иногда бывает, что при замыкании цепи переменного городского тока, в которую включен гальванометр, стрелка отклоняется на некоторый небольшой постоянный угол. Как вы объяснили бы причину подобного явления?

Решение и пояснения

138. (7, 10-й кл.) При „мгновенных“ замыканиях цепи на гальванометр действуют „мгновенные“ значения разности потенциалов переменного тока, которые, как известно, изменяются, переходя через нулевое значение, от U+ до U– .

В связи с этим возникают различные отклонения стрелки гальванометра как по величине, так и по направлению. Очевидно, при длительном замыкании 50-периодного переменного тока стрелка гальванометра, вследствие инерции его подвижной системы, не может отклоняться ни в одну, ни в другую сторону на заметный угол.

Дополнения. 1. Ответ дан в решении задачи.

2. Стрелка остается неподвижной, когда момент замыкания цепи совпадает с разностью потенциалов переменного тока, равной нулю.

Потому что, несмотря на инерцию подвижной системы, стрелка все же отклоняется переменным током как в одну, так и в другую сторону. По ширине размытого контура конца стрелки видно, что ее отклонения от вертикали не превышают нескольких десятых долей градуса. Понятно, что при частоте, равной 50 колебаниям в секунду, отдельные положения конца стрелки невидим, так как эта частота значительно превышает доступные для восприятия глазом. Инерция подвижной системы гальванометра. Нет (см. дополнение 3). Различные системы осциллографов.

7. Ответ дается в решении задачи 140 (дополнение 4).
Экспериментальная часть задачи требует очень мало времени.

Часть вопросов (или все) можно дать учащимся для домашних занятий.