Раздел 17
«Исторические задачи»
Задача №1.
«Электрометр Рихмана».
В ходе этих совместных с исследований в 1745 году разработан первый электроизмерительный прибор экспериментального наблюдения - «электрический указатель», который, в отличие от уже использовавшегося электроскопа, был «снабжён деревянным квадрантом с градусной шкалой для измерения степени электричества». В 1752—1753 годах, занимаясь изучением атмосферного электричества, ставит задачу написания труда, посвященного общей теории электричества. На очередном торжественном собрании Петербургской Академии Наук академики и должны были сделать доклад об электричестве, но 26 июля 1753 года во время опытов в ходе наблюдения грозовых явлений был убит ударом молнии.
Георг Вильгельм Рихман |
Усовершенствованный электрометр Рихмана, 1753 г. |
Гибель Рихмана |
Рихмана состоял из металлической вертикальной линейки, к верхней точке которой была прикреплена льняная нить, отклонявшаяся от линейки под действием электрического заряда. Показания прибора отсчитывались по разделённому на градусы квадранту. Длина и масса нити равны l и m. При каком заряде q нить такого электрометра отклонится на угол α? Расчёт провести при допущениях, что заряд электрометра поровну распределяется между линейкой и нитью и что заряды сосредоточиваются на нити в точке A и на линейке в точке B.
Ответ: 
Задача №2.
«Опыт Штерна».
Отто Штерн (1888-1969)
Опыт Штерна - опыт, впервые проведённый немецким физиком Отто Штерном в 1920 году. Опыт явился одним из первых практических доказательств состоятельности молекулярно-кинетической теории строения вещества. В нём были непосредственно измерены скорости теплового движения молекул и подтверждено наличие распределения молекул газов по скоростям.
| 1 - платиновая проволока с нанесённым на неё слоем серебра; 2 - щель, формирующая пучок атомов серебра; 3 - пластинка, на которой осаждаются атомы серебра; П и П1 - положения полосок осажденного серебра при неподвижном приборе и при вращении прибора. |
Для проведения опыта Штерном был подготовлен прибор, состоящий из двух цилиндров разного радиуса, ось которых совпадала и на ней располагалась платиновая проволока с нанесённым слоем серебра. В пространстве внутри цилиндров посредством непрерывной откачки воздуха поддерживалось достаточно низкое давление. При пропускании электрического тока через проволоку достигалась температура плавления серебра, из-за чего атомы начинали испаряться и летели к внутренней поверхности малого цилиндра равномерно и прямолинейно со скоростью V, соответствующей подаваемому на концы нити напряжению. Во внутреннем цилиндре была проделана узкая щель, через которую атомы могли беспрепятственно пролетать далее. Стенки цилиндров специально охлаждались, что способствовало оседанию попадающих на них атомов. В таком состоянии на внутренней поверхности большого цилиндра образовывалась достаточно чёткая узкая полоса серебряного налёта, расположенная прямо напротив щели малого цилиндра. Затем всю систему начинали вращать с некой достаточно большой угловой скоростью щ. При этом полоса налёта смещалась в сторону, противоположную направлению вращения, и теряла чёткость. Измерив смещение S наиболее тёмной части полосы от её положения, когда система покоилась, Штерн определил время полёта, через которое нашёл скорость движения молекул. Найденная таким образом скорость движения атомов серебра совпала со скоростью, рассчитанной по законам молекулярно-кинетической теории, а тот факт, что получившаяся полоска была размытой, свидетельствовал в пользу того, что скорости атомов различны и распределены по некоторому закону - закону распределения Максвелла: атомы, двигавшиеся быстрее, смещались относительно полосы, полученной в состоянии покоя, на меньшие расстояния, чем те, которые двигались медленнее.
При вращении прибора Штерна с частотой 45 Гц среднее смещение полоски серебра, обусловленное вращением, составляло 1,12 см. Радиусы внутреннего и внешнего цилиндров соответственно равны 1,2 см и 16 см. Найдите среднюю квадратичную скорость атомов серебра из данных опыта и сравнить её с теоретическим значением, если температура накала посеребренной платиновой нити равна 1500 К.
Ответ: 600 м/с; 590 м/с
Задача №3.
В одном из вариантов опыта, поставленного для демонстрации закона сохранения и превращения энергии, груз массой m = 1 кг, подвешенный на шнурке, перекинутом через блок, опускался с постоянной скоростью v = 1 м/с, вращая динамо-машину, на вал которой был намотан другой конец шнурка. Динамо-машина питала электрическую лампочку, рассчитанную на напряжение U = 6 В и ток I = 0,5 А, причем лампочка горела с нормальным накалом. Каков был КПД з превращения механической энергии в электрическую, выделяющуюся в лампочке в виде света и теплоты?
Ответ: 30%
Задача №4.
«Эффект Вавилова – Черенкова».
и экспериментально обнаружили, что когда электрон движется в какой-либо среде с постоянной скоростью, превосходящей скорость распространения света в этой среде, то он начинает излучать свет.
(1891–1951) |
|
|
Излучение Вавилова - Черенкова в охлаждающей жидкости ядерного реактора |
До какой минимальной скорости следует разогнать электрон, чтобы могло возникнуть такое излучение при движении электрона в среде с показателем преломления n=1,5?
Ответ: 200 000 км/с
