физика-эл — Стр 7

file:///D:/юРА/физика(не проипать)/1.html

B3B, точке 3 —	False
A2B, точке 3 —	False
A1A, точке 3 —	True
A1A, точке 1 —	False

———————————————————

Шар из диэлектрика радиусом R и ε = 2 заряжен по объёму с плотностью заряда ρ. Распределение электрического потенциала в пространстве имеет вид

— False

— False

— False

— True

— False

— False

———————————————————

Электростатическое поле создано двумя точечными отрицательными зарядами -q Напряженность поля в точке, равноудаленной от зарядов, направлена вдоль вектора …

Стр. 61 из 169

04.12.2010 12:18

file:///D:/юРА/физика(не проипать)/1. html

C —	False
D —	True
A —	False
B —	False
———————————————————

Электрическим током называется … движение заряженных частиц под действием приложенного поля.

Хаотичное — False Направленное — True Беспорядочное — False Неупорядоченное — False

———————————————————

Электрон под действием однородного магнитного поля обращается по окружности радиусом R с периодом Т. Какими станут значения радиуса окружности и периода обращения электрона при увеличении индукции магнитного поля в два раза?

R, 2Т —	False
R/2, Т —	False
2R, Т —	False
R/2, Т/2	— True

———————————————————

Две катушки медного провода намотаны на общий железный сердечник и изолированы друг от друга.

Зависимость силы тока от времени в первой катушке представлена графиком, приведенным на рисунке. В какие интервалы времени во второй катушке возникает ЭДС индукции?

Стр. 62 из 169

04.12.2010 12:18

file:///D:/юРА/физика(не проипать)/1.html

Только 0-1	— False
Только 1-2	— False
0-1 и 2-4 —	True
Только 2-4	— False

———————————————————

Камень брошен под углом к горизонту α у поверхности Земли со скоростью . Нормальное ускорение в верхней точке траектории равно:

gcosα	— False
gtgα —	False
g — True
gsinα —	False
———————————————————

Однородный стержень длиной l одним концом касается гладкой горизонтальной поверхности.

Верхний конец стержня подвешен на нити так, что стержень образует с горизонтальной плоскостью угол α. Нить пережигают. Смещение нижнего конца стержня, когда стержень упадет, равно:

— True

— False

— False

— False

———————————————————

Соленоид присоединен к источнику переменного напряжения частотой ν. Действующее значение напряжения Uд. Амплитудное значение тока Іmax. Чему равна индуктивность соленоида?

Uд√2 / Іmax 2πν	— True
Uд / Іmax √2Іπ —	False
Uд√2 / Іmaxπν —	False
Uд√2πν / Іmax —	False

———————————————————

Стр. 63 из 169

04.12.2010 12:18

file:///D:/юРА/физика(не проипать)/1. html

На железный сердечник надеты катушка и металлическое кольцо, изолированное от катушки. Изменение силы тока в катушке со временем представлено на рисунке. Какой график из представленных ниже отражает правильную зависимость силы тока от времени в кольце?

— False

— True

Стр. 64 из 169

04.12.2010 12:18

file:///D:/юРА/физика(не проипать)/1.html

— False

— False

———————————————————

В магнитное поле влетает электрон и движется по дуге окружности, как указано на рисунке. По какой из траекторий (1, 2, 3 или 4 ) будет двигаться протон, влетев в это поле с такой же скоростью?

2 —	False
4 —	False
3 —	False
1 —	True

———————————————————

Квадратный контур со стороной α и током І1 находится на расстоянии b от прямого тока І2, как показано на рисунке. Найти силу, действующую на контур.

Стр. 65 из 169

04.12.2010 12:18

file:///D:/юРА/физика(не проипать)/1.html

μоІ1І2α/2π(α +b) — False μоІ1І2 /2παb — False

μоІ1І2α2 /4π(α + b)b —	False
μоІ1І2α2 / 2π(α + b)b —	True

———————————————————

Электрон движется в магнитном поле по окружности под действием силы Лоренца. Работа

силы Лоренца	при перемещении на	равна
	— False
0 True	— False
— False
———————————————————
Если сила равна	, то	равен:

некоторой константе, значение которой определяется распределением значений и направлений вектора силы на контуре l — False

равен нулю, так как циркуляция любого вектора по замкнутому контуру всегда равна нулю —	False
равен нулю — True
равен нулю, если контур l – окружность, и отличен от нуля для других замкнутых контуров —	False
———————————————————

На тело массой m, лежащее на горизонтальной доске и вместе с доской двигающееся с

ускорением а под действием некоторой силы , приложенной к доске в горизонтальном направлении, действует сила трения, равная (μ — коэффициент трения между телом и доской)

μ mg	— False
F — μ mg — False
ma —	True
μ ma —	False

———————————————————

Стр. 66 из 169

04.12.2010 12:18

file:///D:/юРА/физика(не проипать)/1.html

В некоторый момент скорости двух положительных зарядов оказались одинаковыми (рис.). При

( – скорость света) силы расталкивания зарядов

из-за действия силы Лоренца заряды начинают вращаться вокруг общего центра масс, и постепенно разлетаются под действием электростатической силы Кулона — False

стремятся к нулю	— True
увеличиваются —	False
остаются неизменными, определяемыми законом Кулона — False
———————————————————

Диамагнитным эффектом (диамагнетизмом) называют явление Изменения ориентации магнитных моментов микрочастиц (атомов, молекул и т.п.) под действием

внешнего магнитного поля . — False

Возникновение магнитного момента (или дополнительного к имеющемуся) у микрочастиц во

внешнем магнитном поле , в результате изменения состояния их движения под действием силы Лоренца. — True

Любое изменение состояния движения микрочастиц под действием стационарного магнитного поля. — False

Ориентацию в веществе под действием внешнего поля		существующих у микрочастиц
магнитных моментов в направлении, противоположном		приводящую к уменьшению полного
магнитного поля	. — False

———————————————————

Емкость системы из трех конденсаторов после пробоя конденсатора С2 станет равной:

— False

— False

— True

— False

Стр. 67 из 169

04.12.2010 12:18

file:///D:/юРА/физика(не проипать)/1.html

———————————————————

Тело массой m равномерно скользит вниз по вертикальной стенке под действием силы F, направленной вверх под углом α к горизонту. Коэффициент трения между стенкой и телом равен:

— False

— False

— True

— False

———————————————————

Укажите потенциальную силу (a и b – постоянные):

— False

— True

— False

— False

———————————————————

Незаряженный проводник находится во внешнем электрическом поле Е0. Индуцированные заряды создали внутри проводника поле Е. При этом

— False

— True

— False

— False

———————————————————

Работа силы по прямоугольному замкнутому контуру, изображенному на рисунке, равна:

Стр. 68 из 169

04.12.2010 12:18

file:///D:/юРА/физика(не проипать)/1.html

где Δx21=x2-x1, Δy21=y2-y1

— True

— False 0 — False

— False

———————————————————

Сторонние силы это :

Электростатические силы — False

Силы не электростатического происхождения — True Внешние силы — False

Консервативные силы — False

———————————————————

Если к системе параллельно соединенных конденсаторов присоединить еще один конденсатор, то при неизменном напряжении на батарее U заряд на всех остальных конденсаторах

останется прежним — True

останется неизменной только полная сумма зарядов — False увеличится — False

уменьшится — False

———————————————————

Шар из диэлектрика радиуса R равномерно заряжен по объему с объемной плотностью заряда ρ. Напряженность поля Е внутри шара r<R равна:

— False 0 — False

— True

— False

———————————————————

Момент силы относительно неподвижной оси абсолютно твердого тела, изменяется со временем по закону Mz = (A + Bt2) (H·м), где A = const > 0 и B = const > 0. Момент импульса относительно оси изменяется по закону:

Стр. 69 из 169

04.12.2010 12:18

file:///D:/юРА/физика(не проипать)/1.html

Lz = (A t2/2 + Bt4/12) — False

Lz = (At + Bt3/3)	— True
Lz = (2At + B) —	False

Lz = 2В — False

———————————————————

Запишите 2-ое правило Кирхгофа для контура на рис.13 ,выбрав направление обхода указанное стрелкой.

— True

— False

— False

— False

———————————————————

Тонкая нить,имеющая форму окружности радиуса R равномерно заряжена с линейной плотностью τ . Напряженность поля в центре кольца равна

— False 0 — True

— False

— False

———————————————————

В механике Ньютона центр масс системы материальных точек:

Стр. 70 из 169

04.12.2010 12:18

Соседние файлы в предмете Физика

• #

  17.04.20191.62 Mб25Душевные ответы на тест по физике.doc

• #

  03.05.20154.94 Mб146колебания.pdf

• #

  03.05.20153.25 Mб223Подготовка по физике.pdf

• #

  03.05.2015530.43 Кб31Программа для студентов БИК.doc

• #

  03.05.20152.68 Mб27СРС по Магнетизму 15.pdf

• #

  03.05.20154.3 Mб201физика-эл.pdf

• #

  03. 05.20152.14 Mб22физика1.docx

• #

  03.05.2015532.98 Кб22физика2.docx

• #

  03.05.20159.43 Mб402экзамен физика 2 сем.pdf

• #

  08.09.2019419.77 Кб19ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ОТВЕТЫ физика — копия.docx

Электричество и магнетизм. 1. C 1 № 2914. За­мкну­тое мед­ное коль­цо под­ве­ше­но на длин­ных — Мегаобучалка

1. C 1 № 2914. За­мкну­тое мед­ное коль­цо под­ве­ше­но на длин­ных нитях вб­ли­зи ка­туш­ки ин­дук­тив­но­сти, за­креп­лен­ной на столе и под­клю­чен­ной к ис­точ­ни­ку по­сто­ян­но­го тока (см. ри­су­нок). Пер­во­на­чаль­но элек­три­че­ская цепь ка­туш­ки разо­мкну­та. Как будет дви­гать­ся коль­цо при за­мы­ка­нии цепи? Ответ по­яс­ни­те, ис­поль­зуя фи­зи­че­ские за­ко­но­мер­но­сти.

Ре­ше­ние.

1. При за­мы­ка­нии цепи ка­туш­ки на­чи­на­ет из­ме­нять­ся поток век­то­ра маг­нит­ной ин­дук­ции через коль­цо. По за­ко­ну элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции в коль­це воз­ни­ка­ет ЭДС ин­дук­ции, по­яв­ля­ет­ся ин­дук­ци­он­ный ток. В со­от­вет­ствии с пра­ви­лом Ленца вза­и­мо­дей­ствие токов в коль­це и в ка­туш­ке при­во­дит к тому, что коль­цо от­тал­ки­ва­ет­ся от ка­туш­ки.

2. Затем коль­цо воз­вра­ща­ет­ся в ис­ход­ное по­ло­же­ние, т.к. ин­дук­ци­он­ный ток пре­пят­ству­ет воз­мож­ным ко­ле­ба­ни­ям коль­ца на нитях.

3. Ин­дук­ци­он­ный ток в не­по­движ­ном коль­це вб­ли­зи ка­туш­ки с по­сто­ян­ным током равен нулю, маг­нит­ные свой­ства меди вы­ра­же­ны слабо, по­это­му, вер­нув­шись в ис­ход­ное по­ло­же­ние рав­но­ве­сия, коль­цо оста­ет­ся не­по­движ­ным.

2. C 1 № 2923. На ри­сун­ке изоб­ра­же­ны две изо­ли­ро­ван­ные друг от друга элек­три­че­ские цепи. Пер­вая со­дер­жит по­сле­до­ва­тель­но со­еди­нен­ные ис­точ­ник тока, рео­стат, ка­туш­ку ин­дук­тив­но­сти и ам­пер­метр, а вто­рая — про­во­лоч­ный моток, к кон­цам ко­то­ро­го при­со­еди­нен галь­ва­но­метр, изоб­ра­жен­ный на ри­сун­ке спра­ва. Ка­туш­ка и моток на­де­ты на же­лез­ный сер­деч­ник. Как будут из­ме­нять­ся по­ка­за­ния при­бо­ров, если ка­туш­ку, при­со­еди­нен­ную к ис­точ­ни­ку тока, плав­но пе­ре­ме­щая вверх, снять с сер­деч­ни­ка? Ответ по­яс­ни­те, ука­зав, какие фи­зи­че­ские за­ко­но­мер­но­сти вы ис­поль­зо­ва­ли для объ­яс­не­ния.

Ре­ше­ние.

1. Ответ: во время пе­ре­ме­ще­ния ка­туш­ки ин­дук­тив­но­сти вверх и сня­тия ее с сер­деч­ни­ка по­ка­за­ния ам­пер­мет­ра будут оста­вать­ся не­из­мен­ны­ми, а галь­ва­но­метр будет ре­ги­стри­ро­вать ток в цепи вто­рой ка­туш­ки. (При­ме­ча­ние: когда ка­туш­ка будет пол­но­стью снята с сер­деч­ни­ка, из­ме­не­ние маг­нит­но­го по­то­ка в мотке про­во­ло­ки пре­кра­тит­ся, и сила тока, ре­ги­стри­ру­е­мо­го галь­ва­но­мет­ром, ста­нет рав­ной нулю. При этом ам­пер­метр будет ре­ги­стри­ро­вать по­сто­ян­ную силу тока в цепи ка­туш­ки ин­дук­тив­но­сти. Это утвер­жде­ние для пол­но­го от­ве­та не тре­бу­ет­ся).

2. При мед­лен­ном пе­ре­ме­ще­нии ка­туш­ки вверх ее ин­дук­тив­ность будет умень­шать­ся, что вы­зо­вет умень­ше­ние по­то­ка век­то­ра маг­нит­ной ин­дук­ции через же­лез­ный сер­деч­ник и не­боль­шую ЭДС ин­дук­ции в цепи этой ка­туш­ки, ко­то­рой можно пре­не­бречь.

3. Сила тока через ам­пер­метр не из­ме­нит­ся, по­сколь­ку в со­от­вет­ствии с за­ко­ном Ома для за­мкну­той цепи она опре­де­ля­ет­ся вы­ра­же­ни­ем , где R — со­про­тив­ле­ние под­клю­чен­ной части рео­ста­та. Умень­ше­ние по­то­ка век­то­ра маг­нит­ной ин­дук­ции через по­пе­реч­ное се­че­ние сер­деч­ни­ка вы­зы­ва­ет из­ме­не­ние по­то­ка век­то­ра ин­дук­ции маг­нит­но­го поля в про­во­лоч­ном мотке, со­еди­нен­ном с галь­ва­но­мет­ром. В со­от­вет­ствии с за­ко­ном ин­дук­ции Фа­ра­дея , что вы­зы­ва­ет ток через галь­ва­но­метр.

3. C 1 № 2924. На фо­то­гра­фии изоб­ра­же­на элек­три­че­ская цепь, со­сто­я­щая из ре­зи­сто­ра, рео­ста­та, ключа, циф­ро­вых вольт­мет­ра, под­клю­чен­но­го к ба­та­рее, и ам­пер­мет­ра. Ис­поль­зуя за­ко­ны по­сто­ян­но­го тока, объ­яс­ни­те, как из­ме­нит­ся (уве­ли­чит­ся или умень­шит­ся) сила тока в цепи и на­пря­же­ние на ба­та­рее при пе­ре­ме­ще­нии движ­ка рео­ста­та в край­нее пра­вое по­ло­же­ние.

Ре­ше­ние.

1. Эк­ви­ва­лент­ная элек­три­че­ская схема цепи, учи­ты­ва­ю­щая внут­рен­нее со­про­тив­ле­ние ба­та­реи, изоб­ра­же­на на ри­сун­ке, где I — сила тока в цепи. Ток через вольт­метр прак­ти­че­ски не течет, а со­про­тив­ле­ние ам­пер­мет­ра пре­не­бре­жи­мо мало.

2. Сила тока в цепи опре­де­ля­ет­ся за­ко­ном Ома для за­мкну­той (пол­ной) цепи: . В со­от­вет­ствии с за­ко­ном Ома для участ­ка цепи на­пря­же­ние, из­ме­ря­е­мое вольт­мет­ром: . При пе­ре­ме­ще­нии движ­ка рео­ста­та впра­во его со­про­тив­ле­ние уве­ли­чи­ва­ет­ся, что при­во­дит к уве­ли­че­нию пол­но­го со­про­тив­ле­ния цепи. Сила тока в цепи при этом умень­ша­ет­ся, а на­пря­же­ние на ба­та­рее рас­тет.

4. C 1 № 2925. На фо­то­гра­фии изоб­ра­же­на элек­три­че­ская цепь, со­сто­я­щая из ре­зи­сто­ра, рео­ста­та, ключа, циф­ро­вых вольт­мет­ра, под­клю­чен­но­го к ба­та­рее, и ам­пер­мет­ра. Ис­поль­зуя за­ко­ны по­сто­ян­но­го тока, объ­яс­ни­те, как из­ме­нит­ся (уве­ли­чит­ся или умень­шит­ся) сила тока в цепи и на­пря­же­ние на ба­та­рее при пе­ре­ме­ще­нии движ­ка рео­ста­та в край­нее левое по­ло­же­ние.

Ре­ше­ние.

1. Эк­ви­ва­лент­ная элек­три­че­ская схема цепи, учи­ты­ва­ю­щая внут­рен­нее со­про­тив­ле­ние ба­та­реи, изоб­ра­же­на на ри­сун­ке, где I — сила тока в цепи. Ток через вольт­метр прак­ти­че­ски не течет, а со­про­тив­ле­ние ам­пер­мет­ра пре­не­бре­жи­мо мало.

2. Сила тока в цепи опре­де­ля­ет­ся за­ко­ном Ома для за­мкну­той (пол­ной) цепи: . В со­от­вет­ствии с за­ко­ном Ома для участ­ка цепи на­пря­же­ние, из­ме­ря­е­мое вольт­мет­ром: . При пе­ре­ме­ще­нии движ­ка рео­ста­та влево его со­про­тив­ле­ние умень­ша­ет­ся, что при­во­дит к умень­ше­нию пол­но­го со­про­тив­ле­ния цепи. Сила тока в цепи при этом уве­ли­чи­ва­ет­ся, а на­пря­же­ние на ба­та­рее па­да­ет.

5. C 1 № 2928. На ри­сун­ке при­ве­де­на элек­три­че­ская цепь, со­сто­я­щая из галь­ва­ни­че­ско­го эле­мен­та, рео­ста­та, транс­фор­ма­то­ра, ам­пер­мет­ра и вольт­мет­ра.

В на­чаль­ный мо­мент вре­ме­ни пол­зу­нок рео­ста­та уста­нов­лен по­се­ре­ди­не и не­по­дви­жен. Опи­ра­ясь на за­ко­ны элек­тро­ди­на­ми­ки, объ­яс­ни­те, как будут из­ме­нять­ся по­ка­за­ния при­бо­ров в про­цес­се пе­ре­ме­ще­ния пол­зун­ка рео­ста­та впра­во. ЭДС са­мо­ин­дук­ции пре­не­бречь по срав­не­нию с .

Ре­ше­ние.

1. Во время пе­ре­ме­ще­ния движ­ка рео­ста­та по­ка­за­ния ам­пер­мет­ра будут плав­но умень­шать­ся, а вольт­метр будет ре­ги­стри­ро­вать на­пря­же­ние на кон­цах вто­рич­ной об­мот­ки. При­ме­ча­ние: для пол­но­го от­ве­та не тре­бу­ет­ся объ­яс­не­ния по­ка­за­ний при­бо­ров в край­нем пра­вом по­ло­же­нии. (Когда дви­жок при­дет в край­нее пра­вое по­ло­же­ние и дви­же­ние его пре­кра­тит­ся, ам­пер­метр будет по­ка­зы­вать по­сто­ян­ную силу тока в цепи, а на­пря­же­ние, из­ме­ря­е­мое вольт­мет­ром, ока­жет­ся рав­ным нулю.)

2. При пе­ре­ме­ще­нии пол­зун­ка впра­во со­про­тив­ле­ние цепи уве­ли­чи­ва­ет­ся, а сила тока умень­ша­ет­ся в со­от­вет­ствии с за­ко­ном Ома для пол­ной цепи: , где R — со­про­тив­ле­ние внеш­ней цепи.

Из­ме­не­ние тока, те­ку­ще­го по пер­вич­ной об­мот­ке транс­фор­ма­то­ра, вы­зы­ва­ет из­ме­не­ние ин­дук­ции маг­нит­но­го поля, со­зда­ва­е­мо­го этой об­мот­кой. Это при­во­дит к из­ме­не­нию маг­нит­но­го по­то­ка через вто­рич­ную об­мот­ку транс­фор­ма­то­ра. В со­от­вет­ствии с за­ко­ном ин­дук­ции Фа­ра­дея воз­ни­ка­ет ЭДС ин­дук­ции во вто­рич­ной об­мот­ке, а, сле­до­ва­тель­но, на­пря­же­ние U на ее кон­цах, ре­ги­стри­ру­е­мое вольт­мет­ром.

6. C 1 № 2929. На ри­сун­ке при­ве­де­на элек­три­че­ская цепь, со­сто­я­щая из галь­ва­ни­че­ско­го эле­мен­та, рео­ста­та, транс­фор­ма­то­ра, ам­пер­мет­ра и вольт­мет­ра.

В на­чаль­ный мо­мент вре­ме­ни пол­зу­нок рео­ста­та уста­нов­лен в край­нем пра­вом по­ло­же­нии и не­по­дви­жен. Опи­ра­ясь на за­ко­ны элек­тро­ди­на­ми­ки, объ­яс­ни­те, как будут из­ме­нять­ся по­ка­за­ния при­бо­ров в про­цес­се пе­ре­ме­ще­ния пол­зун­ка рео­ста­та влево. ЭДС са­мо­ин­дук­ции пре­не­бречь по срав­не­нию с .

Ре­ше­ние.

1. Во время пе­ре­ме­ще­ния движ­ка рео­ста­та по­ка­за­ния ам­пер­мет­ра будут плав­но уве­ли­чи­вать­ся, а вольт­метр будет ре­ги­стри­ро­вать на­пря­же­ние на кон­цах вто­рич­ной об­мот­ки. При­ме­ча­ние: для пол­но­го от­ве­та не тре­бу­ет­ся объ­яс­не­ния по­ка­за­ний при­бо­ров в край­нем левом по­ло­же­нии. (Когда дви­жок при­дет в край­нее ле­вое­по­ло­же­ние и дви­же­ние его пре­кра­тит­ся, ам­пер­метр будет по­ка­зы­вать по­сто­ян­ную силу тока в цепи, а на­пря­же­ние, из­ме­ря­е­мое вольт­мет­ром, ока­жет­ся рав­ным нулю.)

2. При пе­ре­ме­ще­нии пол­зун­ка влево со­про­тив­ле­ние цепи умень­ша­ет­ся, а сила тока уве­ли­чи­ва­ет­ся в со­от­вет­ствии с за­ко­ном Ома для пол­ной цепи: , где R — со­про­тив­ле­ние внеш­ней цепи. Из­ме­не­ние тока, те­ку­ще­го по пер­вич­ной об­мот­ке транс­фор­ма­то­ра, вы­зы­ва­ет из­ме­не­ние ин­дук­ции маг­нит­но­го поля, со­зда­ва­е­мо­го этой об­мот­кой. Это при­во­дит к из­ме­не­нию маг­нит­но­го по­то­ка через вто­рич­ную об­мот­ку транс­фор­ма­то­ра. В со­от­вет­ствии с за­ко­ном ин­дук­ции Фа­ра­дея воз­ни­ка­ет ЭДС ин­дук­ции во вто­рич­ной об­мот­ке, а, сле­до­ва­тель­но, на­пряж­ние U на ее кон­цах, ре­ги­стри­ру­е­мое вольт­мет­ром.

7. C 1 № 3067. Около не­боль­шой ме­тал­ли­че­ской пла­сти­ны, укреп­лен­ной на изо­ли­ру­ю­щей под­став­ке, под­ве­си­ли на длин­ной шел­ко­вой нити лег­кую ме­тал­ли­че­скую не­за­ря­жен­ную гиль­зу. Когда пла­сти­ну под­со­еди­ни­ли к клем­ме вы­со­ко­вольт­но­го вы­пря­ми­те­ля, подав на нее по­ло­жи­тель­ный заряд, гиль­за при­ш­ла в дви­же­ние. Опи­ши­те дви­же­ние гиль­зы и объ­яс­ни­те его, ука­зав, ка­ки­ми фи­зи­че­ски­ми яв­ле­ни­я­ми и за­ко­но­мер­но­стя­ми оно вы­зва­но.

Ре­ше­ние.

1) Гиль­за при­тя­нет­ся к пла­сти­не, кос­нет­ся ее, а потом от­ско­чит и за­вис­нет в от­кло­нен­ном со­сто­я­нии.

2) Под дей­стви­ем элек­три­че­ско­го поля пла­сти­ны из­ме­нит­ся рас­пре­де­ле­ние элек­тро­нов в гиль­зе и про­изой­дет ее элек­три­за­ция: та ее сто­ро­на, ко­то­рая бли- же к пла­сти­не (левая), будет иметь от­ри­ца­тель­ный заряд, а про­ти­во­по­лож­ная сто­ро­на (пра­вая) — по­ло­жи­тель­ный. По­сколь­ку сила вза­и­мо­дей­ствия за­ря­жен- ных тел умень­ша­ет­ся с ро­стом рас­сто­я­ния между ними, при­тя­же­ние к пла­сти- не левой сто­ро­ны гиль­зы будет боль­ше от­тал­ки­ва­ния пра­вой сто­ро­ны гиль­зы. Гиль­за будет при­тя­ги­вать­ся к пла­сти­не и дви­гать­ся, пока не кос­нет­ся ее.

3) В мо­мент ка­са­ния часть элек­тро­нов пе­рей­дет с гиль­зы на по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ную пла­сти­ну, гиль­за при­об­ре­тет по­ло­жи­тель­ный заряд и от­толк­нет­ся от те­перь уже од­но­имен­но за­ря­жен­ной пла­сти­ны.

4) Под дей­стви­ем силы от­тал­ки­ва­ния гиль­за от­кло­нит­ся впра­во и за­вис­нет в по­ло­же­нии, когда рав­но­дей­ству­ю­щая силы элек­тро­ста­ти­че­ско­го от­тал­ки­ва­ния, силы тя­же­сти и силы на­тя­же­ния нити ста­нет равна нулю.

8. C 1 № 3068. На фо­то­гра­фии изоб­ра­же­на элек­три­че­ская цепь, со­сто­я­щая из ре­зи­сто­ра, рео­ста­та, ключа, циф­ро­вых вольт­мет­ра, под­клю­чен­но­го к ба­та­рее, и ам­пер­мет­ра.

Со­ставь­те прин­ци­пи­аль­ную элек­три­че­скую схему этой цепи и, ис­поль­зуя за­ко­ны по­сто­ян­но­го тока, объ­яс­ни­те, как из­ме­нят­ся (уве­ли­чат­ся или умень­шат­ся) сила тока в цепи и на­пря­же­ние на ба­та­рее при пе­ре­ме­ще­нии движ­ка рео­ста­та в край­нее пра­вое по­ло­же­ние.

Ре­ше­ние.

1. По­ка­за­ния ам­пер­мет­ра уве­ли­чат­ся, а вольт­мет­ра — умень­шат­ся.

2. Эк­ви­ва­лент­ная элек­три­че­ская схема цепи, учи­ты­ва­ю­щая внут­рен­нее со­про­тив­ле­ние ба­та­реи, изоб­ра­же­на на ри­сун­ке, гдеI — сила тока в цепи. Ток через вольт­метр прак­ти­че­ски не течет, а со­про­тив­ле­ние ам­пер­мет­ра пре­не­бре­жи­мо мало.

3. Сила тока в цепи опре­де­ля­ет­ся за­ко­ном Ома для за­мкну­той (пол­ной) цепи: . В со­от­вет­ствии с за­ко­ном Ома для участ­ка цепи на­пря­же­ние, из­ме­ря­е­мое вольт­мет­ром: . При пе­ре­ме­ще­нии движ­ка рео­ста­та впра­во его со­про­тив­ле­ние умень­ша­ет­ся, что при­во­дит к умень­ше­нию пол­но­го со­про­тив­ле­ния цепи. Сила тока в цепи при этом рас­тет, а на­пря­же­ние на ба­та­рее умень­ша­ет­ся.

9. C 1 № 3071. Рамку с по­сто­ян­ным током удер­жи­ва­ют не­по­движ­но в поле по­ло­со­во­го маг­ни­та (см. ри­су­нок). По­ляр­ность под­клю­че­ния ис­точ­ни­ка тока к вы­во­дам рамки по­ка­за­на на ри­сун­ке. Как будет дви­гать­ся рамка на не­по­движ­ной оси MО, если рамку не удер­жи­вать?

Ответ по­яс­ни­те, ука­зав, какие фи­зи­че­ские за­ко­но­мер­но­сти вы ис­поль­зо­ва­ли для объ­яс­не­ния. Счи­тать, что рамка ис­пы­ты­ва­ет не­боль­шое со­про­тив­ле­ние дви­же­нию со сто­ро­ны воз­ду­ха.

Ре­ше­ние.

1) Рамка по­вер­нет­ся по ча­со­вой стрел­ке и вста­нет пер­пен­ди­ку­ляр­но оси маг­ни­та так, что кон­такт «+» ока­жет­ся внизу.

2) Рас­смот­рим се­че­ние рамки плос­ко­стью ри­сун­ка в усло­вии за­да­чи. В ис­ход­ном по­ло­же­нии в левом звене рамки ток на­прав­лен к нам, а в пра­вом — от нас. На левое звено рамки дей­ству­ет сила Ам­пе­ра , на­прав­лен­ная вверх, а на пра­вое звено — сила Ам­пе­ра , на­прав­лен­ная вниз.

Эти силы раз­во­ра­чи­ва­ют рамку на не­по­движ­ной оси MO по ча­со­вой стрел­ке (см. ри­су­нок).

3) Рамка уста­нав­ли­ва­ет­ся пер­пен­ди­ку­ляр­но оси маг­ни­та так, что кон­такт «+» ока­зы­ва­ет­ся внизу. При этом силы Ам­пе­ра и обес­пе­чи­ва­ют рав­но­ве­сие рамки на оси MO (см. ри­су­нок).

10. C 1 № 3656.

В за­зо­ре между по­лю­са­ми элек­тро­маг­ни­та со­зда­но силь­ное маг­нит­ное поле, линии ин­дук­ции ко­то­ро­го прак­ти­че­ски го­ри­зон­таль­ны. Над за­зо­ром на не­ко­то­рой вы­со­те удер­жи­ва­ют длин­ную плос­кую мед­ную пла­стин­ку, па­рал­лель­ную вер­ти­каль­ным по­верх­но­стям по­лю­сов (см. рис.). Затем пла­стин­ку от­пус­ка­ют без на­чаль­ной ско­ро­сти, и она па­да­ет, про­хо­дя через зазор между по­лю­са­ми, не ка­са­ясь их. Опи­ши­те, опи­ра­ясь на фи­зи­че­ские за­ко­ны, как и по­че­му будет из­ме­нять­ся ско­рость пла­стин­ки во время ее па­де­ния.

Ре­ше­ние.

1. Сна­ча­ла пла­стин­ка на­чи­на­ет па­дать под дей­стви­ем силы тя­же­сти с уско­ре­ни­ем сво­бод­но­го па­де­ния , при этом ее ско­рость уве­ли­чи­ва­ет­ся.

 

2. Как толь­ко ниж­ний край пла­стин­ки до­сти­га­ет об­ла­сти между по­лю­са­ми маг­ни­та, в ко­то­рой су­ще­ству­ет силь­ное маг­нит­ное поле, маг­нит­ный поток через пла­стин­ку на­чи­на­ет воз­рас­тать, и в ней по за­ко­ну элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции Фа­ра­дея по­яв­ля­ют­ся вих­ре­вые ин­дук­ци­он­ные токи («токи Фуко»). Эти токи вза­и­мо­дей­ству­ют по за­ко­ну Ам­пе­ра с маг­нит­ным полем маг­ни­та, и, в со­от­вет­ствии с пра­ви­лом Ленца, по­яв­ля­ет­ся сила, тор­мо­зя­щая па­де­ние пла­стин­ки. По­это­му ско­рость пла­стин­ки на­чи­на­ет умень­шать­ся.

 

3. Когда тор­мо­зя­щая сила срав­ни­ва­ет­ся с силой тя­же­сти, то уско­ре­ние пла­стин­ки ста­но­вит­ся рав­ным нулю, и пла­стин­ка далее па­да­ет в за­зо­ре элек­тро­маг­ни­та с по­сто­ян­ной ско­ро­стью.

 

4. Когда верх­ний край пла­стин­ки до­сти­га­ет верх­не­го края за­зо­ра элек­тро­маг­ни­та, маг­нит­ный поток через пла­стин­ку на­чи­на­ет па­дать, и тор­мо­зя­щая сила умень­ша­ет­ся. При этом в со­от­вет­ствии со вто­рым за­ко­ном Нью­то­на ско­рость пла­стин­ки воз­рас­та­ет, и после ее вы­хо­да из маг­нит­но­го поля про­дол­жа­ет­ся па­де­ние с уско­ре­ни­ем сво­бод­но­го па­де­ния .

11. C 1 № 4141. Гриб­ник ушёл от до­ро­ги да­ле­ко в лес и за­блу­дил­ся. Ком­па­са у него не было, по­го­да была об­лач­ная, солн­ца не видно, а без ори­ен­та­ции по сто­ро­нам све­таа найти до­ро­гу к сво­е­му ав­то­мо­би­лю было не­воз­мож­но. Тут он вспом­нил, что в кар­ма­не у него есть про­ти­во­бли­ко­вые ав­то­мо­биль­ные очки, по­кры­тые по­ля­ро­ид­ной плёнкой. Он вышел на по­ля­ну, до­стал очки и стал их по­во­ра­чи­вать во­круг оп­ти­че­ской оси оч­ко­вых стёкол, глядя сквозь них на небо в раз­ных на­прав­ле­ни­ях. Через не­боль­шое время он смог опре­де­лить на­прав­ле­ние на солн­це.

Объ­яс­ни­те, ос­но­вы­ва­ясь на из­вест­ных фи­зи­че­ских за­ко­нах и за­ко­но­мер­но­стях, смысл его дей­ствий при таком спо­со­бе ори­ен­ти­ро­ва­ния.

Справ­ка: по­ля­ро­ид­ная плёнка имеет вы­де­лен­ное на­прав­ле­ние и про­пус­ка­ет толь­ко

про­ек­цию век­то­ра на­пряжённо­сти элек­тро­маг­нит­но­го поля в све­то­вой волне на это на­прав­ле­ние.

Ре­ше­ние.

1. Элек­тро­маг­нит­ные волны (свет от солн­ца) яв­ля­ют­ся по­пе­реч­ны­ми вол­на­ми, в ко­то­рых век­то­ры на­пря­жен­но­сти элек­три­че­ско­го и ин­дук­ции маг­нит­но­го полей на­прав­ле­ны вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­но и пер­пен­ди­ку­ляр­но на­прав­ле­ния рас­про­стра­не­ния этих волн.

2. При об­лач­ной по­го­де до гриб­ни­ка на по­ля­не до­хо­дит не пря­мой свет от солн­ца, а свет, про­шед­ший через об­ла­ка и со­хра­ня­ю­щий по­ля­ри­за­цию света от солн­ца.

3. Если смот­реть в на­прав­ле­нии солн­ца, то свет от об­ла­ков, как и свет солн­ца, не имеет вы­де­лен­но­го на­прав­ле­ния све­то­во­го век­то­ра , то есть не по­ля­ри­зо­ван.

4. В на­прав­ле­нии, пер­пен­ди­ку­ляр­ном на­прав­ле­нию на солн­це, про­шед­ший через об­ла­ка сол­неч­ный свет наи­бо­лее по­ля­ри­зо­ван, так как век­то­ры и лежат в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной лучу света от солн­ца и про­хо­дя­щей через луч зре­ния.

5. Вра­щая очки (то есть по­ля­ро­ид­ную плен­ку) во­круг их оп­ти­че­ской оси, можно за­ме­тить, в какой на­прав­ле­нии ин­тен­сив­ность про­пу­щен­но­го ими света силь­нее всего ме­ня­ет­ся, — это будет на­прав­ле­ние, пер­пен­ди­ку­ляр­ное лучам света от солн­ца.

12. C 1 № 4164. Гриб­ник ушел от до­ро­ги да­ле­ко в лес и за­блу­дил­ся. Ком­па­са у него не было, по­го­да была об­лач­ная, солн­ца не видно, а без ори­ен­та­ции по сто­ро­нам света найти до­ро­гу к сво­е­му ав­то­мо­би­лю было не­воз­мож­но. В кар­ма­не у него были про­ти­во­бли­ко­вые ав­то­мо­биль­ные очки, по­кры­тые по­ля­ро­ид­ной плёнкой. Он вышел на по­ля­ну, до­стал очки и стал их по­во­ра­чи­вать во­круг оп­ти­че­ской оси оч­ко­вых сте­кол, глядя сквозь них на небо в раз­ных на­прав­ле­ни­ях. Ока­за­лось, что в одном из на­прав­ле­ний ин­тен­сив­ность света, про­шед­ше­го через очки от об­лач­но­го неба, силь­но ме­ня­ет­ся, а в дру­гом, пер­пен­ди­ку­ляр­ном пер­во­му, не ме­ня­ет­ся. Помог ли гриб­ни­ку этот факт сори­ен­ти­ро­вать­ся?

Объ­яс­ни­те, ос­но­вы­ва­ясь на из­вест­ных фи­зи­че­ских за­ко­нах и за­ко­но­мер­но­стях, смысл его дей­ствий и ука­жи­те на­прав­ле­ние на Солн­це.

Справ­ка: по­ля­ро­ид­ная плен­ка имеет вы­де­лен­ное на­прав­ле­ние и про­пус­ка­ет толь­ко про­ек­цию век­то­ра на­пряжённо­сти элек­тро­маг­нит­но­го поля в све­то­вой волне на это на­прав­ле­ние.

Ре­ше­ние.

1. Элек­тро­маг­нит­ные волны (свет от солн­ца) яв­ля­ют­ся по­пе­реч­ны­ми вол­на­ми, в ко­то­рых век­то­ры на­пряжённо­сти элек­три­че­ско­го и ин­дук­ции В маг­нит­но­го полей на­прав­ле­ны вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­но и пер­пен­ди­ку­ляр­но на­прав­ле­нию рас­про­стра­не­ния этих волн.

2. При об­лач­ной по­го­де до гриб­ни­ка на по­ля­не до­хо­дит не пря­мой свет от солн­ца, а свет, про­шед­ший через об­ла­ка и со­хра­ня­ю­щий по­ля­ри­за­цию света от солн­ца.

3. Если смот­реть в на­прав­ле­нии солн­ца, то свет от об­ла­ков, как и свет солн­ца, не имеет вы­де­лен­но­го на­прав­ле­ния све­то­во­го век­то­ра , то есть не по­ля­ри­зо­ван.

4. В на­прав­ле­нии, пер­пен­ди­ку­ляр­ном на­прав­ле­нию на солн­це, про­шед­ший через об­ла­ка сол­неч­ный свет наи­бо­лее по­ля­ри­зо­ван, так как век­то­ры и лежат в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной лучу света от солн­ца и про­хо­дя­щей через луч зре­ния.

5. Вра­щая очки (то есть по­ля­ро­ид­ную плен­ку) во­круг их оп­ти­че­ской оси, гриб­ник за­ме­тил, в каком на­прав­ле­нии ин­тен­сив­ность про­пу­щен­но­го ими света силь­нее всего ме­ня­лась — это было на­прав­ле­ние, пер­пен­ди­ку­ляр­ное лучам света от солн­ца. В на­прав­ле­нии, пер­пен­ди­ку­ляр­ном пер­во­му, ин­тен­сив­ность про­шед­ше­го света не ме­ня­лась — это и было на­прав­ле­ние на солн­це.

13. C 1 № 4508. К ко­ле­ба­тель­но­му кон­ту­ру под­со­еди­ни­ли ис­точ­ник тока, на клем­мах ко­то­ро­го на­пря­же­ние гар­мо­ни­че­ски ме­ня­ет­ся с ча­сто­той . Элек­троёмкость С кон­ден­са­то­ра ко­ле­ба­тель­но­го кон­ту­ра можно плав­но ме­нять от ми­ни­маль­но­го зна­че­ния до мак­си­маль­но­го , a ин­дук­тив­ность его ка­туш­ки по­сто­ян­на. Уче­ник по­сте­пен­но уве­ли­чи­вал ёмкость кон­ден­са­то­ра от ми­ни­маль­но­го зна­че­ния до мак­си­маль­но­го и об­на­ру­жил, что ам­пли­ту­да силы тока в кон­ту­ре всё время воз­рас­та­ла. Опи­ра­ясь на свои зна­ния по элек­тро­ди­на­ми­ке, объ­яс­ни­те на­блю­де­ния уче­ни­ка.

Ре­ше­ние.

В ко­ле­ба­тель­ном кон­ту­ре ис­точ­ни­ком тока воз­буж­да­ют­ся вы­нуж­ден­ные ко­ле­ба­ния. Ча­сто­та этих ко­ле­ба­ний равна ча­сто­те ис­точ­ни­ка . Ам­пли­ту­да же за­ви­сит от со­от­но­ше­ния между внеш­ней ча­сто­той и ча­сто­той соб­ствен­ных элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний По мере уве­ли­че­ния внеш­ней ча­сто­ты от нуля до , ам­пли­ту­да рас­тет. Она до­сти­га­ет мак­си­му­ма при ре­зо­нан­се, когда . После этого ам­пли­ту­да на­чи­на­ет убы­вать. В дан­ном слу­чае, уче­ник ме­ня­ет не внеш­нюю ча­сто­ту, а ча­сто­ту соб­ствен­ных элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний. При плав­ном уве­ли­че­нии ем­ко­сти кон­ту­ра от ми­ни­маль­но­го зна­че­ния до мак­си­маль­но­го , ча­сто­та умень­ша­ет­ся от до . Из того факта, что ам­пли­ту­да все время уве­ли­чи­ва­лась, можем сде­лать вывод, что ча­сто­та все время при­бли­жа­лась к ча­сто­те ис­точ­ни­ка тока, при этом .

14. C 1 № 4613. К ко­ле­ба­тель­но­му кон­ту­ру под­со­еди­ни­ли ис­точ­ник тока, на клем­мах ко­то­ро­го на­пря­же­ние гар­мо­ни­че­ски ме­ня­ет­ся с ча­сто­той . Ин­дук­тив­ность L ка­туш­ки ко­ле­ба­тель­но­го кон­ту­ра можно плав­но ме­нять от ми­ни­маль­но­го зна­че­ния до мак­си­маль­но­го , а ем­кость его кон­ден­са­то­ра по­сто­ян­на. Уче­ник по­сте­пен­но уве­ли­чи­вал ин­дук­тив­ность ка­туш­ки от ми­ни­маль­но­го зна­че­ния до мак­си­маль­но­го и об­на­ру­жил, что ам­пли­ту­да силы тока в кон­ту­ре всё время воз­рас­та­ла. Опи­ра­ясь на свои зна­ния по элек­тро­ди­на­ми­ке, объ­яс­ни­те на­блю­де­ния уче­ни­ка.

Ре­ше­ние.

В ко­ле­ба­тель­ном кон­ту­ре ис­точ­ни­ком тока воз­буж­да­ют­ся вы­нуж­ден­ные ко­ле­ба­ния. Ча­сто­та этих ко­ле­ба­ний равна ча­сто­те ис­точ­ни­ка . Ам­пли­ту­да же за­ви­сит от со­от­но­ше­ния между внеш­ней ча­сто­той и ча­сто­той соб­ствен­ных элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний По мере уве­ли­че­ния внеш­ней ча­сто­ты от нуля до , ам­пли­ту­да рас­тет. Она до­сти­га­ет мак­си­му­ма при ре­зо­нан­се, когда . После этого ам­пли­ту­да на­чи­на­ет убы­вать. В дан­ном слу­чае, уче­ник ме­ня­ет не внеш­нюю ча­сто­ту, а ча­сто­ту соб­ствен­ных элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний. При плав­ном уве­ли­че­нии ин­дук­тив­но­сти кон­ту­ра от ми­ни­маль­но­го зна­че­ния до мак­си­маль­но­го , ча­сто­та умень­ша­ет­ся от до . Из того факта, что ам­пли­ту­да все время уве­ли­чи­ва­лась, можем сде­лать вывод, что ча­сто­та все время при­бли­жа­лась к ча­сто­те ис­точ­ни­ка тока, при этом .

15. C 1 № 4683. К ко­ле­ба­тель­но­му кон­ту­ру под­со­еди­ни­ли ис­точ­ник тока, на клем­мах ко­то­ро­го на­пря­же­ние гар­мо­ни­че­ски ме­ня­ет­ся с ча­сто­той . Элек­троёмкость С кон­ден­са­то­ра ко­ле­ба­тель­но­го кон­ту­ра можно плав­но ме­нять от мак­си­маль­но­го зна­че­ния до ми­ни­маль­но­го , a ин­дук­тив­ность его ка­туш­ки по­сто­ян­на. Уче­ник по­сте­пен­но умен­ьшал ёмкость кон­ден­са­то­ра от мак­си­маль­но­го зна­че­ния до ми­ни­маль­но­го и об­на­ру­жил, что ам­пли­ту­да силы тока в кон­ту­ре всё время воз­рас­та­ла. Опи­ра­ясь на свои зна­ния по элек­тро­ди­на­ми­ке, объ­яс­ни­те на­блю­де­ния уче­ни­ка.

Ре­ше­ние.

В ко­ле­ба­тель­ном кон­ту­ре ис­точ­ни­ком тока воз­буж­да­ют­ся вы­нуж­ден­ные ко­ле­ба­ния. Ча­сто­та этих ко­ле­ба­ний равна ча­сто­те ис­точ­ни­ка . Ам­пли­ту­да же за­ви­сит от со­от­но­ше­ния между внеш­ней ча­сто­той и ча­сто­той соб­ствен­ных элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний По мере уве­ли­че­ния внеш­ней ча­сто­ты от нуля до , ам­пли­ту­да рас­тет. Она до­сти­га­ет мак­си­му­ма при ре­зо­нан­се, когда . После этого ам­пли­ту­да на­чи­на­ет убы­вать. В дан­ном слу­чае, уче­ник ме­ня­ет не внеш­нюю ча­сто­ту, а ча­сто­ту соб­ствен­ных элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний. При плав­ном умень­ше­нии ем­ко­сти кон­ту­ра от мак­си­маль­но­го зна­че­ния до ми­ни­амль­но­го , ча­сто­та уве­ли­чи­ва­ет­ся от до . Из того факта, что ам­пли­ту­да все время уве­ли­чи­ва­лась, можем сде­лать вывод, что ча­сто­та все время при­бли­жа­лась к ча­сто­те ис­точ­ни­ка тока, при этом .

16. C 1 № 4963. В схеме на ри­сун­ке со­про­тив­ле­ние ре­зи­сто­ра и пол­ное со­про­тив­ле­ние рео­ста­та равны R, ЭДС ба­та­рей­ки равна Е, её внут­рен­нее со­про­тив­ле­ние ни­чтож­но ( ). Как ведут себя (уве­ли­чи­ва­ют­ся, умень­ша­ют­ся, оста­ют­ся по­сто­ян­ны­ми) по­ка­за­ния иде­аль­но­го вольт­мет­ра при пе­ре­ме­ще­нии движ­ка рео­ста­та из край­не­го верх­не­го в край­нее ниж­нее по­ло­же­ние? Ответ по­яс­ни­те, ука­зав, какие фи­зи­че­ские за­ко­но­мер­но­сти Вы ис­поль­зо­ва­ли для объ­яс­не­ния.

Ре­ше­ние.

Вольт­метр под­клю­ча­ют па­рал­лель­но к тому участ­ку, на ко­то­ром нужно из­ме­рить на­пря­же­ние. При этом, есте­ствен­но, часть тока в цепи на­чи­на­ет течь через сам вольт­метр. Тем самым вольт­метр вно­сит воз­му­ще­ние в цепь и по­ка­зы­ва­ет на­пря­же­ние, ко­то­рое от­ли­ча­ет­ся от ре­аль­но­го (когда вольт­мет­ра нет). Иде­аль­ным вольт­мет­ром на­зы­ва­ют при­бор, ко­то­рый дан­ной про­бле­мой не стра­да­ет. То есть он имеет бес­ко­неч­ное соб­ствен­ное со­про­тив­ле­ние. Дей­стви­тель­но, рас­смот­рим по­ло­же­ние пол­зун­ка рео­ста­та, когда он пол­но­стью вы­клю­чен. При па­рал­лель­ном со­еди­не­нии на­пря­же­ния сов­па­да­ют:

 

 

При пе­ре­ме­ще­нии пол­зун­ка рео­ста­та к бес­ко­неч­но­му со­про­тив­ле­нию вольт­мет­ра при­бав­ля­ет­ся ко­неч­ное со­про­тив­ле­ние рео­ста­та, при этом вольт­метр не пе­ре­ста­ет быть иде­аль­ным, ток через него, а зна­чит, и через рео­стат не течет. Пол­ное со­про­тив­ле­ние цепи не из­ме­ня­ет­ся, а зна­чит, пол­ный ток в цепи также оста­ет­ся не­из­мен­ным по за­ко­ну Ома для пол­ной цепи ) Сле­до­ва­тель­но, на со­про­тив­ле­нии па­да­ет оди­на­ко­вое на­пря­же­ние при любом по­ло­же­нии пол­зун­ка ( ), то есть по­ка­за­ния вольт­мет­ра не из­ме­ня­ют­ся.

17. C 1 № 5173. В схеме на ри­сун­ке со­про­тив­ле­ние ре­зи­сто­ра и пол­ное со­про­тив­ле­ние рео­ста­та равны R, ЭДС ба­та­рей­ки равна Е, её внут­рен­нее со­про­тив­ле­ние ни­чтож­но ( ). Как ведут себя (уве­ли­чи­ва­ют­ся, умень­ша­ют­ся, оста­ют­ся по­сто­ян­ны­ми) по­ка­за­ния иде­аль­но­го вольт­мет­ра при пе­ре­ме­ще­нии движ­ка рео­ста­та из край­не­го верх­не­го в край­нее ниж­нее по­ло­же­ние? Ответ по­яс­ни­те, ука­зав, какие фи­зи­че­ские за­ко­но­мер­но­сти Вы ис­поль­зо­ва­ли для объ­яс­не­ния.

Ре­ше­ние.

Вольт­метр под­клю­ча­ют па­рал­лель­но к тому участ­ку, на ко­то­ром нужно из­ме­рить на­пря­же­ние. При этом, есте­ствен­но, часть тока в цепи на­чи­на­ет течь через сам вольт­метр. Тем самым вольт­метр вно­сит воз­му­ще­ние в цепь и по­ка­зы­ва­ет на­пря­же­ние, ко­то­рое от­ли­ча­ет­ся от ре­аль­но­го (когда вольт­мет­ра нет). Иде­аль­ным вольт­мет­ром на­зы­ва­ют при­бор, ко­то­рый дан­ной про­бле­мой не стра­да­ет. То есть он имеет бес­ко­неч­ное соб­ствен­ное со­про­тив­ле­ние. Дей­стви­тель­но, рас­смот­рим по­ло­же­ние пол­зун­ка рео­ста­та, когда он пол­но­стью вы­клю­чен. При па­рал­лель­ном со­еди­не­нии на­пря­же­ния сов­па­да­ют:

 

 

При пе­ре­ме­ще­нии пол­зун­ка рео­ста­та к бес­ко­неч­но­му со­про­тив­ле­нию вольт­мет­ра при­бав­ля­ет­ся ко­неч­ное со­про­тив­ле­ние рео­ста­та, при этом вольт­метр не пе­ре­ста­ет быть иде­аль­ным, ток через него, а зна­чит, и через рео­стат не течет. Пол­ное со­про­тив­ле­ние цепи не из­ме­ня­ет­ся, а зна­чит, пол­ный ток в цепи также оста­ет­ся не­из­мен­ным ( , по за­ко­ну Ома для пол­ной цепи ). Сле­до­ва­тель­но, на со­про­тив­ле­нии па­да­ет оди­на­ко­вое на­пря­же­ние при любом по­ло­же­нии пол­зун­ка ( ), то есть по­ка­за­ния вольт­мет­ра не из­ме­ня­ют­ся.

18. C 1 № 5418. Ка­туш­ка, об­ла­да­ю­щая ин­дук­тив­но­стью L, со­еди­не­на с ис­точ­ни­ком пи­та­ния с ЭДС и двумя оди­на­ко­вы­ми ре­зи­сто­ра­ми R. Элек­три­че­ская схема со­еди­не­ния по­ка­за­на на рис. 1. В на­чаль­ный мо­мент ключ в цепи разо­мкнут. В мо­мент вре­ме­ни t = 0 ключ за­мы­ка­ют, что при­во­дит к из­ме­не­ни­ям силы тока, ре­ги­стри­ру­е­мым ам­пер­мет­ром, как по­ка­за­но на рис. 2.

Ос­но­вы­ва­ясь на из­вест­ных фи­зи­че­ских за­ко­нах, объ­яс­ни­те, по­че­му при за­мы­ка­нии ключа сила тока плав­но уве­ли­чи­ва­ет­ся до не­ко­то­ро­го но­во­го зна­че­ния . Опре­де­ли­те зна­че­ние силы тока . Внут­рен­ним со­про­тив­ле­ни­ем ис­точ­ни­ка тока пре­не­бречь.

Ре­ше­ние.

1. Сила тока опре­де­ля­ет­ся за­ко­ном Ома для пол­ной цепи: где I — сила тока в цепи, — со­про­тив­ле­ние цепи, а — ЭДС са­мо­ин­дук­ции, воз­ни­ка­ю­щая толь­ко при из­ме­не­нии силы тока, и пре­пят­ству­ю­щая его из­ме­не­нию со­глас­но пра­ви­лу Ленца.

 

Подготовка к ЕГЭ «Качественные задачи по электродинамике»

Электродинамика

предполагает развернутый ответ

Объяснить и описать процесс:

«опишите … (конкретное явление, процесс)» или  «как изменится … (показание прибора, физическая величина)»;

«объясните …, указав, какими физическими явлениями и закономерностями оно вызвано»

Критерии оценки выполнения задания С1

Баллы

Приведено полное правильное решение, включающее правильный ответ и исчерпывающие верные рассуждения с указанием наблюдаемых явлений и законов

3

Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, и дано правильное объяснение, но содержится один из следующих недостатков.

В представленных записях содержатся лишь общие рассуждения без привязки к конкретной ситуации задачи

ИЛИ

Рассуждения, приводящие к ответу, представлены не в полном объеме, или в них содержатся логический недочет

2

Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев:

Указаны не все необходимые явления и физические законы, даже если дан правильный ответ на вопрос задания

ИЛИ

Указаны все необходимые явления и физические законы, но в некоторых из них допущена ошибка, даже если дан правильный ответ на вопрос задания

ИЛИ

Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, направленные на получение ответа на вопрос задания, не доведены до конца.

ИЛИ

Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, приводящие к верному ответу, содержат ошибки

1

Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла

0

Некоторые задачи содержат задания с дополнительными условиями ( изобразить схему электрической цепи, рисунок с ходом лучей в оптической системе и др. ) . В этом случае в описание полного правильного решения вводится еще один пункт (верный рисунок или схема). Отсутствие рисунка (или схемы) или наличие ошибки в них приводит  к снижению на 1 балл. С другой стороны, наличие правильного рисунка (схемы) при отсутствии других элементов ответа дает возможность учащемуся получить 1 балл.

№ 1. Около небольшой металлической пластины, укрепленной на изолирующей подставке, подвесили на длинной шелковой нити легкую металлическую незаряженную гильзу. Когда пластину подсоединили к клемме высоковольтного выпрямителя, подав на нее положительный заряд, гильза пришла в движение. Опишите движение гильзы и объясните его, указав, какими физическими явлениями и закономерностями оно вызвано. 

• Ответ к № 1 : Гильза притянется к пластине, коснётся её, а потом отскочит и зависнет в отклонённом состоянии.
• Решение (вариант)

Под действием электрического поля пластины изменится распределение электронов в гильзе, и ее поверхность электризуется: сторона, ближайшая к пластине приобретет отрицательный заряд, а противоположная сторона — положительный ( электростатическая индукция ). Поскольку поле небольшой пластины неоднородн о , и ближе к пластине напряженность поля больше, сила притяжения гильзы к пластине, действующая на ее левую сторону, больше силы отталкивания, действующей на правую сторону. Равнодействующая этих сил направлена к пластине , и гильза будет притягиваться к ней.

Если нить достаточно длинная, а гильза достаточно легкая, то гильза коснется пластины. В момент касания часть электронов перейдет с гильзы на положительно заряженную пластину, гильза приобретет положительный заряд , оттолкнется от пластины и остановится в положении, в котором равнодействующая сил электростатического отталкивания, тяжести и натяжения нити станет равной нулю.

Если длина нити недостаточна для того, чтобы гильза коснулась пластины, или гильза достаточно тяжелая, то она остановится в положении, в котором равнодействующая сил электростатического притяжения, тяжести и натяжения нити равна нулю.

№ 2. Между двумя близко расположенными металлическими пластинами, укрепленными на изолирующих подставках, положили металлический шарик. Когда пластины подсоединили к клеммам высоковольтного выпрямителя, подав на них заряды разных знаков, шарик пришёл в движение. Опишите и объясните движение шарика

• Решение к № 2:

Под действием электрического поля пластин изменится распределение электронов в шарике и произойдет его электризация: шарик приобретёт тот же заряд, что и пластина, на которой он лежит, — отрицательный.

Отрицательно заряженный шарик будет отталкиваться от нижней и притягиваться к верхней пластине. Если масса шарика достаточно мала, он поднимется к положительно заряженной пластине и, коснувшись ее, поменяет знак заряда. В результате он начнёт отталкиваться от верхней пластины и притягиваться к нижней — шарик вернется к первой пластине и вновь поменяет знак своего заряда на отрицательный. Такое движение вверх-вниз будет повторяться.

№ 3. Насаженную на вертикальную ось металлическую стрелку АВ закрепили и сбоку к ней поднесли наэлектризованную стеклянную палочку (см. рисунок – вид сверху). Будет ли поворачиваться стрелка, если её освободить, и если будет, то в какую сторону? Объясните поведение стрелки, указав, какими физическими явлениями и закономерностями оно вызвано.

Ответ к № 3: Стрелка повернется по часовой стрелке, конец стрелки А будет указывать на стеклянную палочку.

 

Решение:

Электрическое поле палочки приведет к перераспределению свободных зарядов (электронов) внутри проводящей стрелки (электростатическая индукция): ближний к положительно заряженной палочке конец А стрелки зарядится отрицательно, а дальний В – положительно. Так как заряды противоположных знаков притягиваются, а одноименных знаков – отталкиваются, то конец А стрелки будет притягиваться к палочке, а В – отталкиваться. Это притяжение и отталкивание разных концов стрелки приведёт к повороту самой стрелки: конец А будет указывать на стеклянную палочку. Поворот произойдёт по часовой стрелке.

№ 4. На рисунке изображены три металлические пластины большой площади. Пластины расположены параллельно друг другу, расстояние между пластинами много меньше их размеров. Внизу указаны заряды пластин. Какой заряд находится на правой плоскости третьей пластины? Ответ обоснуйте.

Ответ к № 4: 0.

Решение (вариант 1)

Электрическое поле внутри проводника равно нулю. Весь статический заряд проводника (металлической пластины) сосредоточен на его поверхности. Поле зарядов, расположенных левее третьей пластины, должно компенсироваться полем зарядов, расположенных справа от нее.

Суммарный заряд трех пластин должен быть распределен так, чтобы суммарный «левый заряд» был равен суммарному правому заряду. Суммарный заряд всех трех пластин равен нулю ( 3 q — 4 q + q = 0 ). Значит, справа и слева от третьей пластины должен находиться заряд, равный нулю. Это достигается в том случае, если на правой поверхности третьей пластины находится заряд, равный нулю.

Решение (вариант 2)

Каждая пластина создает однородное электрическое поле, напряженность которого зависит от ее заряда (пропорциональна ему). Результирующее поле, напряженность которого находится по принципу суперпозиции, приводит к перераспределению зарядов на проводящих пластинах за счет электростатической индукции. При этом заряды сосредоточены на поверхности пластин, а макроскопический заряд и напряженность поля внутри пластин равны нулю. Поле внутри правой пластины создано пластинами с зарядами 3q и -4q , а также распределенным по ее поверхности зарядом q . Для того, чтобы компенсировать поле зарядов 3q и -4q, сумма которых равна –q, заряд q должен быть сосредоточен целиком на левой стороне пластины: в противном случае напряженность созданного им поля будет меньше необходимой. В таком случае, заряд правой поверхности пластины равен нулю.

№ 5. На рисунке изображены три металлические пластины большой площади. Пластины расположены параллельно друг другу, расстояние между пластинами много меньше их размеров. Внизу указаны заряды пластин. Какой заряд находится на правой плоскости первой пластины? Ответ обоснуйте.

Решение к № 5.

№ 6. На фотографии изображена электрическая цепь, состоящая из резистора, реостата, ключа, цифровых вольтметра, подключенного к батарее, и амперметра. Составьте принципиальную электрическую схему этой цепи и, используя законы постоянного тока, объясните, как изменятся (увеличатся или уменьшатся) сила тока в цепи и напряжение на батарее при перемещении движка реостата в крайнее правое положение.

• Ответ к № 6:   Показания амперметра увеличатся, а вольтметра — уменьшатся.

Решение:

Эквивалентная электрическая схема цепи, учитывающая внутреннее сопротивление батареи, изображена на рисунке, где I — сила тока в цепи. Ток через вольтметр практически не течет, а сопротивление амперметра пренебрежимо мало.

Сила тока в цепи определяется законом Ома для замкнутой цепи:

В соответствии с законом Ома для участка цепи напряжение, измеряемое вольтметром

При перемещении движка реостата вправо его сопротивление R 1 уменьшается, что приводит к уменьшению полного сопротивления цепи. Сила тока в цепи при этом растет, а напряжение на батарее уменьшается.

№ 7. Медная прямоугольная рамка, по которой протекает постоянный электрический ток силой I , может вращаться вокруг вертикальной оси OO ‘, закрепленной в подшипниках. При вращении рамки на нее действуют силы вязкого трения. Опираясь на законы электродинамики и механики, опишите и объясните движение этой рамки после включения однородного магнитного поля с индукцией В (см. рисунок).

• Решение к № 7 (вариант)

На проводник с током магнитном поле действует сила Ампера, величина которой определяется законом Ампера F= I B l sin α , а направление — правилом левой руки. Тогда на левую и правую стороны рамки действуют силы F 1 и F 2 соответственно, направленные так, как показано на рисунке (вид сверху). Силы, действующие на верхнюю и нижнюю стороны рамки, параллельные вектору магнитной индукции, равны нулю.

Силы F 1 и F 2 поворачивают рамку против часовой стрелки (создают вращающий момент) до тех пор, пока она не займет положение, при котором плоскость рамки перпендикулярна вектору магнитной индукции (момент равен нулю). По инерции рамка «проскочит» это положение и будет двигаться дальше. Направления сил F 1 и F 2 при этом сохранятся, однако теперь они будут тормозить вращение рамки до полной остановки, а затем поворачивать ее в обратном направлении. Описанный процесс будет повторяться с амплитудой, уменьшающейся за счет работы сил вязкого трения (возникнут затухающие колебания), до тех пор, пока рамка не остановится в положении, когда ее плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции (момент равен нулю).

 

№ 8. Рамку с постоянным током удерживают неподвижно в поле полосового магнита (см. рисунок). Полярность подключения источника тока к выводам рамки показана на рисунке. Как будет двигаться рамка на неподвижной оси МО, если рамку не удерживать? Ответ поясните, указав, какие физические закономерности вы использовали для объяснения. Считать, что рамка испытывает небольшое сопротивление движению со стороны воздуха.

Решение к № 8:

Рамка повернется против часовой стрелки и встанет перпендикулярно оси магнита так, что контакт «+» окажется внизу.

Рассмотрим сечение рамки плоскостью рисунка в условии задачи. В исходном положении в левом звене рамки ток направлен от нас, а в правом — к нам. На левое звено рамки действует сила Ампера FA1, направленная вниз, а на правое звено — сила Ампера FA2, направленная вверх. Эти силы разворачивают рамку на неподвижной оси МО против часовой стрелки (см. рисунок).

Рамка устанавливается перпендикулярно оси магнита так, что контакт «+» оказывается внизу. При этом силы Ампера FA1 и FA2 обеспечивают равновесие рамки на оси МО (см. рисунок).

№ 9. На рисунке изображены две изолированные друг от друга электрические цепи. Первая содержит последовательно соединенные источник тока, реостат, катушку индуктивности и амперметр, а вторая — проволочный моток, к концам которого присоединен гальванометр, изображенный на рисунке справа. Катушка и моток надеты на железный сердечник. Как будут изменяться показания приборов, если катушку, присоединенную к источнику тока, медленно перемещая вверх, снять с сердечника? Ответ поясните, указав, какие физические закономерности вы использовали для объяснения.

• Ответ: Во время перемещения катушки вверх и снятия с сердечника показания амперметра будут оставаться неизменными, а гальванометр будет регистрировать ток в цепи второй катушки. ( Примечание: Когда первая катушка будет полностью снята с сердечника, изменение магнитного потока в нем прекратится, и сила тока, регистрируемого гальванометром, станет равной нулю. При этом амперметр будет регистрировать постоянную силу тока в цепи первой катушки. Это утверждение для полного ответа не требуется )

№ 10. Замкнутое медное кольцо подвешено на тонких длинных нитях вблизи катушки индуктивности, закрепленной на столе и подключенной к источнику постоянного тока. Первоначально электрическая цепь катушки разомкнута. Как будет двигаться кольцо при замыкании цепи? Ответ поясните, указав, какие физические явления закономерности вы использовали для объяснения.

• Ответ к № 10: Кольцо оттолкнется от катушки и после затухающих колебаний установится в первоначальном положении.
• Решение (вариант)

При замыкании цепи сила тока в катушке увеличивается, следовательно, увеличивается индукция магнитного поля катушки и магнитный поток, пронизывающий кольцо. При этом в кольце возникает ЭДС индукции и индукционный ток, который, по правилу Ленца, своим магнитным полем противодействует изменению магнитного потока, т.е. его направление будет противоположным направлению тока в катушке. При этом возникает сила Ампера, отталкивающая кольцо от катушки. Она же препятствует возникновению колебаний кольца.

По мере установления тока в катушке ЭДС индукции в кольце будет уменьшаться, и когда ток перестанет изменяться, она станет равной нулю. Так же будет изменяться и сила Ампера. Кольцо вернется в исходное положение и останется неподвижным.

• Решение (вариант)

При замыкании цепи катушки начинает изменяться поток вектора магнитной индукции через кольцо. По закону электромагнитной индукции в кольце возникает ЭДС индукции, появляется индукционный ток. В соответствии с правилом Ленца взаимодействие токов в кольце и в катушке приводит к тому, что кольцо отталкивается от катушки.

Затем кольцо возвращается в исходное положение, т.к. индукционный ток препятствует возможным колебаниям кольца на нитях.

Индукционный ток в неподвижном кольце вблизи катушки с постоянным током равен нулю, магнитные свойства меди выражены слабо, поэтому, вернувшись в исходное положение равновесия, кольцо остается неподвижным

№ 11. На рисунке приведена электрическая цепь, состоящая из гальванического элемента, реостата, трансформатора, амперметра и вольтметра. В начальный момент времени ползунок реостата установлен посередине и неподвижен. Опираясь на законы электродинамики, объясните, как будут изменяться показания приборов в процессе перемещения ползунка реостата влево. ЭДС самоиндукции пренебречь по сравнению с ε.

•   Ответ к № 11 : Во время перемещения движка реостата показания амперметра будут плавно увеличиваться, а вольтметр будет регистрировать напряжение на концах вторичной обмотки.
• Решение :

При перемещении ползунка влево сопротивление цепи уменьшается , а сила тока увеличивается в соответствии с законом Ома для полной цепи I = ε/( R + r ), где R – сопротивление внешней цепи.

Изменение тока, текущего по первичной обмотке трансформатора, вызывает изменение индукции магнитного поля , создаваемого этой обмоткой. Это приводит к изменению магнитного потока через вторичную обмотку трансформатора.

В соответствии с законом электромагнитной индукции возникает ЭДС индукции ε = — ΔΦ/ Δ t во вторичной обмотке, а следовательно, напряжение U на ее концах, регистрируемое вольтметром.

Примечание: Для полного ответа не требуется объяснения показаний приборов в крайнем левом положении. (Когда движок придет в крайнее левое положение и движение его прекратится, амперметр будет показывать постоянную силу тока в цепи, а напряжение, измеряемое вольтметром, окажется равным нулю. )  

№ 12. Намагниченный стальной стержень начинает свободное падение с нулевой начальной скоростью из положения, изображённого на рис. 1. Пролетая сквозь закреплённое проволочное кольцо, стержень создаёт в нём электрический ток, сила которого изменяется со временем так, как показано на рис. 2. Почему в моменты времени t 1 и t 2 ток в кольце имеет различные направления? Ответ поясните, указав, какие физические явления и закономерности Вы использовали для объяснения. Влиянием тока в кольце на движение магнита пренебречь.

I

S

N

Рис. 2

Рис. 1

Решение №12 (демоверсия)

• Индукционный ток в кольце вызван ЭДС индукции, возникающей при пересечении проводником линий магнитного поля. По закону индукции Фарадея ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф , т.е. количеству линий, пересекаемых кольцом в секунду. Она тем выше, чем больше скорость движения магнита. Сила тока I , в соответствии с законом Ома для замкнутой цепи, пропорциональна ЭДС индукции ε.
• В момент времени t 1 к кольцу приближается магнит, и магнитный поток увеличивается. В момент t 2 магнит удаляется, и магнитный поток уменьшается. Следовательно, ток имеет различные направления.

№ 13. Намагниченный стальной стержень начинает свободное падение с нулевой начальной скоростью из положения, изображённого на рис. 1. Пролетая сквозь закреплённое проволочное кольцо, стержень создаёт в нём электрический ток, сила которого изменяется со временем так, как показано на рис. 2. Почему в моменты времени t 1 и t 2 ток в кольце имеет различные направления? Ответ поясните, указав, какие физические явления и закономерности Вы использовали для объяснения. Влиянием тока в кольце на движение магнита пренебречь.

I

S

N

Рис. 2

Рис. 1

Решение к №13

При движении магнита изменяется магнитный поток через кольцо, следовательно, в нем возникает индукционный ток. Направление тока определяется правилом Ленца: индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. Направление поля магнита во время его движения не меняется – оно все время направлено сверху вниз, следовательно, знак магнитного потока не меняется, но при приближении магнита поток увеличивается, а при удалении уменьшается, поэтому ток в кольце в разные моменты времени должен иметь разное направление.

Т.о., разумно предположить, что в моменты времени t 1 и t 2 магнит соответственно приближался к кольцу и удалялся от него, а различные направления тока вызваны различным характером изменения магнитного потока (его увеличением и уменьшением) и объясняются правилом Ленца.

Форма графика позволяет утверждать, что моменты времени t 1 и t 2 действительно соответствуют приближению и удалению магнита:

№ 14. Три лампы подключены к источнику постоянного тока так, как показано на рисунке. Первоначально ключ разомкнут. В какой последовательности загораются лампы при замыкании ключа? Каким явлением это можно объяснить?

• Ответ к №14: Лампы 1 и 2 вспыхивают практически сразу. Лампа 3 разгорается постепенно.
• Решение:

При замыкании ключа ток возрастает во всех элементах цепи. При этом возникает ЭДС самоиндукции, противодействующая, по правилу Ленца, увеличению силы тока и зависящая от индуктивности элемента. Индуктивность участков 1 и 2 мала, поэтому ток через лампы 1 и 2 достигает рабочего значения практически сразу. Индуктивность катушки с сердечником значительно больше индуктивности всех остальных элементов, поэтому ток через нее будет нарастать медленно, и лампа 3 загорится позже и будет разгораться до нормального накала постепенно

№ 15. Две одинаковые лампы Л1 и Л2 подключены к источнику тока, одна — последовательно с катушкой индуктивности L с железным сердечником, а другая — последовательно с резистором R (см. рисунок). Первоначально ключ К разомкнут. Опишите разницу в работе лампочек при замыкании ключа К. Каким явлением вызвана эта разница?

№ 16.  Если кольцо диаметром 3-4 см, согнутое из тонкой проволоки, окунуть в раствор мыла, то, вынув его из раствора, можно обнаружить радужную пленку, затягивающую отверстие кольца. Если держать кольцо так, чтобы его плоскость была вертикальна, и рассматривать пленку в отраженном свете на темном фоне, то в верхней части пленники через некоторое время будет видно растущее темное пятно, окольцованное разноцветными полосами. Как чередуется цвет полос в направлении от темного пятна к нижней части кольца? Ответ поясните, указав, какие физические явления и закономерности вы использовали для объяснения.

 

• Решение:

Мыльный раствор, стекая вниз, образует клин, обращенный широкой гранью вниз. Световые волны, отраженные от передней и задней поверхностей клина, интерферируют. Результат интерференции зависит от разности хода волн, а она в свою очередь определяется толщиной клина в месте падения света.

Появление темного пятна в верхней части каркаса объясняется тем, что пленка в этой области настолько тонкая, что разность хода волн не превышает половины длины самых коротких волн в спектре падающего света .

По мере увеличения толщины пленки разность хода волн начинает удовлетворять условию максимума амплитуды сначала для самых малых, а затем все больших длин волн, поэтому ниже темного пятна цвета пленки сменяются от фиолетового, с минимальной длиной волны, к красному – с максимальной. Возрастающим значениям k соответствуют системы полос, в которых цвета чередуются указанным образом в направлении сверху вниз. При достаточно большой толщине пленки системы полос могут перекрываться, образуя смешанные цвета, поскольку при этом могут выполняться условия максимума амплитуды для волн разных длин.

Кольцеметатель Закон Ленца | Гарвардские естественные науки Лекции Демонстрации

Что это показывает:

Изменяющийся магнитный поток индуцирует ток в металлическом кольце; магнитное поле, создаваемое этим током, противодействует первичному полю, отталкивая кольцо и подбрасывая его в воздух. Это простое объяснение для начинающего ученика «маханием рукой» — далее следует более точное объяснение.

Как это работает на самом деле:

Прыгающее кольцо является яркой и популярной демонстрацией электромагнитной индукции и используется для иллюстрации законов Фарадея и Ленца. Проводящее кольцо, помещенное над ферромагнитным сердечником соленоида, может левитировать или спрыгивать, когда на соленоид подается достаточный переменный ток частотой 60 Гц. Изменяющийся магнитный поток индуцирует ЭДС в металлическом кольце, производя большой ток в кольце. Сила Лоренца между магнитным полем и индуцированным током приводит в движение кольцо.

Осевое магнитное поле железного сердечника отвечает за индукцию тока в кольце. Радиальное магнитное поле обеспечивает силу Лоренца. Таким образом, магнитное поле должно расходиться от железного сердечника, поскольку для эффекта необходимы как осевая, так и радиальная составляющие. Хотя это объяснение вполне верно для возрастающего магнитного поля (как в первой 1/4 цикла), оно не исчерпывающее. Обратитесь к объяснению случая переменного тока, и вы сделаете вывод, что результирующая сила (усредненная по времени за полный цикл) равна нулю. Есть еще одна тонкая, но очень важная особенность, объясняющая эффект в переменном магнитном поле. См. подробное описание демонстрационных фаз привлекательности и отталкивания для графического анализа этого.

Важной особенностью, упущенной из объяснения, является тот факт, что кольцо имеет индуктивность. Хотя эта индуктивность очень мала (0,043 мкГн) ¹ , сопротивление постоянному току (61 мкОм) ² . Полный импеданс кольца равен 63 мкОм, а фазовый угол между ЭДС и током в кольце составляет 15 градусов. Этот фазовый угол отвечает за ненулевую усредненную по времени силу. Уменьшение сопротивления постоянному току (путем охлаждения алюминиевого кольца в LN2) не только увеличит ток в кольце, но также увеличит фазовый угол, так что сила Лоренца на кольце будет значительно больше (кольцо ударится о потолок). Если вы увеличите сопротивление постоянному току (например, используя кольцо из нержавеющей стали), фазовый угол будет настолько мал, что на кольце не будет обнаружено никакой силы.

Также весело (и поучительно) держать одно кольцо над другим парящим кольцом (и рядом с ним). Индуцированные параллельные токи в двух кольцах приводят к возникновению силы притяжения между ними, и нижнее кольцо поднимается, чтобы коснуться верхнего кольца!

Гораздо менее очевидно, почему стопка из пяти узких колец будет парить выше, чем одно кольцо, ширина которого равна стопке из пяти. Отличный и тщательный анализ дан P.J.H. Тьоссем и В. Корнехо, «Измерения и механизмы прыгающего кольца Томсона», AJP 9.0003 68 (3), 238-244 (2000). См. также П.Дж.Х. Тьоссем и Э. К. Брост, «Оптимизация прыжкового кольца Томсона», AJP 79 (4), 353–358 (2011).

Детали аппарата :

Соленоид расположен вертикально, а железный сердечник — группа железных стержней длиной 60 см — находится внутри него и выступает на 42 см. Соленоид представляет собой катушку из 400 витков с индуктивностью воздушного сердечника 4,7 мГн, намотанную проводом 14 AWG с изоляцией на 110 В. Катушка подключена к сети переменного тока 110 В.

Доступно несколько колец. «Стандартное» кольцо изготовлено из алюминия, имеет ширину 2 см, толщину стенки 3,6 мм и внутренний диаметр 4,2 см, чтобы свободно надевать его на сердечник. Поместите кольцо сверху соленоида и включите питание; кольцо оторвется от конца сердечника на высоту около 2 м. Либо включите питание и поместите кольцо на сердечник, и оно зависнет примерно наполовину. Второе алюминиевое кольцо идентично, за исключением разъема, который предотвращает создание тока в цепи, поэтому поле не может генерироваться; кольцо просто сидит там. Также доступна проволочная петля на 50 витков (20AWG), подключенная к 18-вольтовой лампочке. Индуцированная ЭДС зажигает лампочку, когда кольцо опускается на железный сердечник; его яркость будет резко увеличиваться по мере того, как вы будете перемещать кольцо вниз (см. 9).0013 Комментарии ).

рисунок 1. Кольцемет

Установка:

Метатель сидит на лекционной скамье. Перед включением питания убедитесь, что железный сердечник на месте; низкая индуктивность приведет к перегоранию предохранителя.

Комментарии:

Для более эффектного броска окуните кольцо в жидкий азот. Это объясняется в демо Jumping Ring. Будьте осторожны при использовании катушки и лампы, так как они могут легко сгореть, если их уронить на основание стержня из-за очень сильного потока там внизу. По-видимому, прыгающее кольцо было впервые продемонстрировано Элиу Томсоном в мае 1887 года в Американском институте инженеров-электриков в Нью-Йорке, чтобы помочь продвинуть превосходство его динамо-машин переменного тока над системой постоянного тока Эдисона. ³

¹ Индуктивность была рассчитана с использованием общего уравнения на стр. 105, глава 13 Фредерика Гровера, Inductance Calculations , (D Van Nostrand, 1946). Результат согласуется с другой формулой на стр. 95 для катушек квадратного сечения.
² Сопротивление рассчитано для алюминиевого сплава 6063, который имеет удельное сопротивление = 3,32×10 ^-6 Ом-см.
³ Ноэль Барри и Ричард Кейси, «Прыгающее кольцо Элиу Томсона в левитирующем эксперименте с замкнутым контуром управления», IEEE Transactions on Education 42:1 (февраль 1999 г.): 72–80.

Специальные катушки статора, обмотки якоря, катушки поля постоянного тока и специальные катушки

Амперы – Единица электрического тока, скорость потока электронов. Один вольт на сопротивлении 1 Ом вызывает ток силой 1 ампер.

Арматура – ​​ Подвижный элемент в электромеханическом устройстве.

AWG – Американский калибр проволоки.

Хордовая обмотка — Обмотка с размахом меньше полного шага.

Цепи – Количество проводников, соединенных вместе для передачи электрического тока. Количество путей, по которым может протекать ток с одного конца фазы.

Круговой мил на ампер – Площадь поперечного сечения проводника, деленная на силу тока (ампер) в проводнике.

Изоляция класса B – система изоляции , сертифицированная NEMA для максимальной рабочей температуры 130°C

Изоляция класса F – система изоляции , рассчитанная NEMA на максимальную рабочую температуру 155°C

Изоляция класса H – система изоляции , рассчитанная NEMA на максимальную рабочую температуру 180°C провод, используемый для создания магнитного потока или для механической реакции на изменяющийся магнитный поток.

Нижняя прямая длина катушки – Расстояние прямой части катушки, которая находится в нижней части паза, от точки, где катушка начинает поворачиваться к суставу, до точки, где катушка начинает поворачиваться к суставу за пределами другой конец сердечника статора.

Коэффициент хорды катушки – Отношение эффективных витков катушки к фактическим виткам. Коэффициент хорды = Sin (90 x длина зубца / {прорези/полюс})

Удлинение конца соединения катушки – Расстояние от стали статора до внешней кромки шарнира катушки на стороне соединительного провода катушки.

Группа катушек – Катушки, составляющие один полюс одной фазы (количество групп = фазы x полюса).

Большая капля катушки – Расстояние, перпендикулярное длине сердечника, и расстояние между отверстием и нижним концом удлинителя катушки, где изгиб катушки начинает принимать форму.

Удлинение противоположного конца катушки — Расстояние от статора до внешней кромки шарнира катушки на той стороне катушки, которая не имеет выводов.

Малая капля катушки – Расстояние (величина зазора) перпендикулярно длине сердечника и между отверстием и верхним концом удлинителя катушки, где изгиб катушки начинает принимать форму.

Наклон катушки (шаг или размах) — Количество пазов, которые охватывает змеевик, считая от нижней стороны змеевика до верхней стороны змеевика, включая пазы, которые фактически удерживают нижнюю и верхнюю стороны змеевика.

Верхняя прямая длина катушки – Расстояние прямой части катушки, которая находится в верхней части паза сразу под клином, от точки, где катушка начинает поворачиваться в направлении сустава, до точки, где катушка начинает поворачиваться в сторону шарнир за другой конец сердечника статора.

Общая длина катушки – Общая длина катушки от внешней кромки одной цапфы до внешней кромки противоположной цапфы должна быть измерена еще в сердечнике статора.

Концентрическая обмотка — Обмотка, в которой каждая катушка в группе катушек имеет различный пролет.

Проводник – Провод или комбинация проводов, не изолированные друг от друга, пригодные для передачи электрического тока посредством переноса орбитальных электронов.

Соединение – Точка соединения двух или более составных частей таким образом, чтобы между ними могла осуществляться проводимость.

Заднее железо сердечника – Расстояние между дном паза сердечника и наружным диаметром магнитного (стального) сердечника (рядом с рамой).

Диаметр отверстия сердечника — Внутренний диаметр стального сердечника статора. Расстояние от любой точки на внутренней кромке стали статора до диаметрально противоположной точки (180° вокруг внутренней части отверстия).

Длина сердечника – Длина магнитного (стального) сердечника двигателя. Длина айрона, включая вентиляционные отверстия, но не включая пластины для пальцев.

Глубина основного паза под клином – Глубина паза под клином, имеется место для нижнего рулона, верхнего рулона и наполнителей.

Ширина паза сердечника – Расстояние паза, измеренное между одним зубцом сердечника и следующим соседним зубцом сердечника.

Корона – Разряд электричества вследствие ионизации воздуха, возникающий на поверхности проводника, когда градиент потенциала превышает определенное значение.

Защита от коронного разряда – Токопроводящая лента или токопроводящая краска, предназначенные для выравнивания напряжения между железным сердечником и катушкой, что предотвращает возникновение коронного разряда.

Ток – Движение электронов по проводнику, измеряемое в амперах.

Соединение треугольником – Трехфазное соединение обмоток, в котором фазы соединены последовательно, образуя замкнутую цепь. Треугольное как клеммное соединение в трехфазной системе. Трехфазная обмотка, в которой каждый конец данной фазы соединен с концом другой другой фазы.

Краевая намотка – Катушка, намотанная на край (по ширине) прямоугольного проводника, а не на плоскую сторону (по толщине) прямоугольного проводника. Проводник обычно имеет форму ленты (очень широкий по сравнению с его толщиной).

Пальцевые пластины – Пластины из тяжелого металла, оказывающие давление на пластины статора.

Катушка с формованной обмоткой – Катушка, намотанная и сформированная перед помещением в статор или якорь двигателя или генератора.

Частота (f) – Количество полных циклов за одну секунду волн переменного тока или напряжения, выраженное в герцах.

Герц (Гц) – Единица частоты, равная одному циклу в секунду.

Лошадиная сила (л.с.) – Единица мощности или способности механизма выполнять работу. Одна лошадиная сила равна 746 Вт.

Киловольт-ампер (кВА) – Полная мощность в цепи переменного тока, содержащей реактивное сопротивление. Напряжение, умноженное на ампер без учета фазы.

Киловатт (кВт) – Единица электрической мощности. Выходная мощность двигателя. 1000 Вт.

Намотка внахлест – Обмотка, в которой все витки имеют одинаковый пролет.

Левая катушка – Если смотреть на сторону подключения катушки блока, верхняя сторона катушки находится слева от вас.

Магнитная индукция – Также называется плотностью магнитного потока. Поток на единицу площади перпендикулярен направлению потока.

Двигатель – Вращающаяся машина, преобразующая электрическую энергию в механическую.

Фаза (Φ) – Количество отдельных волн напряжения в источнике переменного тока.

Правосторонний змеевик – Если смотреть на сторону подключения змеевика, верхняя сторона змеевика находится справа от вас.

об/мин – оборотов в минуту.

Ротор – Вращающийся элемент любого двигателя или генератора.

RTD – Датчик температуры сопротивления.

Скошенный паз – Стержневые пазы, не параллельные валу.

Статор – Неподвижная часть вращающейся электрической машины.

Опорное кольцо – Кольцо, предназначенное для механической поддержки удлинителей катушки.

Общая (общая) глубина паза сердечника — Расстояние от вершины зуба сердечника до дна паза.

Всего проводов, соединенных параллельно (провода в руках) – Всего жил проводника для каждого витка катушки, провода собраны вместе в один провод катушки.

Транспозиция – Инверсия проводника в одном или нескольких местах, как правило, в концевой части катушки. Транспонирование уменьшает потери и нагрев из-за циркулирующих токов, которые приводят к неравномерному распределению тока в проводнике.

Оборотов на катушку — Количество раз, когда проводник закручен в катушку. (Провода в сечении / провода параллельно {в руках}).

Напряжение – (Э.) электродвижущая сила. Эффективная разность потенциалов между любыми двумя проводниками. Электрическое давление, существующее между двумя точками. Сила, которая заставляет ток течь через электрический проводник.

Ватт (Вт) – Единица электрической мощности, необходимой для выполнения работы со скоростью 1 джоуль в секунду. В 1 лошадиной силе 746 ватт.

Обмотка – Токопроводящая дорожка, индуктивно связанная с магнитным сердечником.

Соединение звездой – Y-образное соединение обмотки, также называемое звездообразным соединением. Трехфазная обмотка, в которой один конец каждой фазы соединен вместе, образуя точку «звезда». Другие концы подключаются к источнику питания.

Демонстрации по физике — Магнетизм

Демонстрации по физике — Магнетизм Магнетизм напоминает подковообразные магниты и железные опилки. Однако магнетизм очень тесно связан с электричеством. В 1819 г.в датский физик и химик Ганс Христиан Эрстед (1777-1851), во время демонстрации лекции заметил, что электрический ток может повлиять на стрелку магнитного компаса ^* и тем самым объединить то, что до этого было рассматривались как два разных предмета[1]. Электродвигатель – это современная реализация этого явления. В 1820-х годах Майкл Фарадей (1791-1867) в Англии и Джозеф Генри (1797-1878) в Соединенные Штаты независимо продемонстрировали, что изменяющееся во времени магнитное поле может производить электрический ток. Электрогенераторы и в конечном итоге в мире доминировала электроника.

^* Такое же открытие было ранее сделано в 1802 году итальянским юристом, Джан Доминико Ромогнози, но был проигнорирован, потому что был опубликован в газете Gazetta de Trentino , а не в научном журнале.

НОМЕР

1. Дж. Нельсон, Ам. Журнал. физ. 7 , 10 (1939).

---

5.1

Левитирующий шар

^*

^* Предоставлено профессором Дональдом В. Керстом

Переменный ток в паре магнитных катушек создает магнитное поля такой формы и силы, что алюминиевый шар может быть устойчиво левитировал.

МАТЕРИАЛЫ

• 2 магнитные катушки
• Источник питания 60 Гц
• полый алюминиевый шар или цилиндр
• жидкий азот (дополнительно)

ПРОЦЕДУРА

Можно использовать алюминиевый шар или другой легкий предмет с высокой проводимостью. левитирует переменным магнитным полем пары одинаковых катушек с их оси вдоль вертикальной линии и разделены расстоянием, сравнимым к их диаметру. Когда токи в двух катушках текут в противоположных направлениях направлениях создается остроконечное поле, в котором магнитное поле равна нулю в центральной точке между витками и увеличивается с каждым направление наружу. Этот магнитный колодец способен стабильно поддерживать полый алюминиевый шар диаметром 10 см и толщиной 1 см. вихревых токов, наведенных в шаре. Можно указать и показать, что шарик не притягивается к постоянному магниту. А полый алюминиевый цилиндр толщиной 1 см, длиной 38 см и длиной 8 сантиметров в диаметре также будет левитировать, но в более низком равновесии должность. Цилиндр совершает замечательные вращения и колебания. если привести в движение. Если баллон охладить до жидкого азота температура перед размещением в поле, он начнет вращаться очень быстро по причинам, которые до конца не изучены.

Если катушки соединены так, что их токи текут в одном и том же направлении образуется так называемое магнитное зеркало, а диамагнитное объект, подобный алюминиевому шару, имеет устойчивое положение вдоль оси катушки, но не под прямым углом к ​​оси. Таким образом, мяч выбрасывается боком. Из-за этого хорошо держать мяч сетчатый мешок из нескольких нитей шпагата. Причина выброса мяча заключается в том, что магнитное поле уменьшается радиально наружу от оси, и, таким образом, шарик покоится в магнитной яме для движения вдоль оси, но он неустойчиво покоится на вершине магнитного холма для движения перпендикулярно оси.

ОБСУЖДЕНИЕ

Строительство аппарата магнитной левитации сложно потому что большие магнитные поля требуются на относительно небольшом объем, а значит катушки должны иметь большую плотность тока и соответствующее тепловыделение. Для катушек глубиной около 5 сантиметров в воздухе, охлаждения за счет свободной конвекции достаточно для плотность тока около 200 ампер на квадратный сантиметр. Эти катушки работают при более высокой плотности тока, и размеры, как показано, будут разрешать короткие (30 секунд) периоды работы. Конденсаторы выбран для резонанса индуктивности катушки на частоте сети (обычно 60 Гц), так что ток, потребляемый от линии электропередачи, намного меньше, чем циркулирующий ток в катушках. Линия электропередач требуется емкость 25 ампер. Емкость, необходимая для зеркала соединения (C = 170 F) немного меньше, чем для соединения встык (C = 212 F) из-за взаимной связи между катушками. вариак позволяет мячу хорошо левитировать, когда вольтметр показывает около 600 вольт. Слои катушки должны быть изолированы, покрыты лаком и запеченный. Мастерские по ремонту электродвигателей могут это сделать.

ОПАСНОСТИ

Катушки и их электрические соединения должны быть изолированы от предотвратить поражение электрическим током. Катушки не должны перегреваться. Один следует держать часы и другие предметы, чувствительные к сильным магнитным полям. поля вдали от катушек. Следует соблюдать осторожность, чтобы избежать падение алюминиевого шара, так как он довольно тяжелый. При охлаждении до температура жидкого азота, мяч нельзя трогать. Когда это начинает быстро вращаться, его можно выбросить из области магнитное поле со значительной силой.

---

5.2

Магнит и электронно-лучевая трубка

Постоянный магнит подносят к электронно-лучевой трубке, вызывая искажение рисунка на флуоресцентном экране для иллюстрации действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы.

МАТЕРИАЛЫ

• постоянный магнит
• осциллограф или другая рабочая электронно-лучевая трубка
• железные опилки и проектор (по желанию)

ПРОЦЕДУРА

Воздействие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу может можно проиллюстрировать, поднеся постоянный магнит (пруток или подкову) к экран электронно-лучевой трубки. Следует предварить это демонстрация с обсуждением полюсов магнита и формы магнитного поля вблизи магнита. Обычная демонстрация с железные опилки, возможно, насыпанные на лист прозрачного пластика сверху магнитом и проецируется на экран с помощью диапроектора, может быть используется, чтобы помочь аудитории визуализировать форму магнитного поля. Следует отметить, что магнитное поле исходит с севера. полюс магнита и зацикливается к южному полюсу, хотя направление — это просто условность. Следует также подчеркнуть, что силовые линии магнитного поля не заканчиваются на южном полюсе магнита как линии электрического поля действуют на заряды, а скорее продолжаются сквозь железо и выйти на северный полюс. Таким образом, нельзя разрезать магнит пополам и изолировать северный и южный полюса. Нет, это не так правильно сказать, что силовые линии всегда замыкаются сами на себя, но скорее следует сказать, что они не могут закончиться. На практике магнитное поле линии часто уходят в бесконечность или бесконечно блуждают в пределах некоторого ограниченного область космоса.

Во-вторых, чтобы демонстрация была эффективной, аудитория должна понять, как работает электронно-лучевая трубка. Следует подчеркнуть факт что электронный пучок состоит из большого количества отрицательно заряженных электроны, движущиеся со скоростью, составляющей значительную часть скорости света (около 0,25 с для типичного ускоряющего напряжения 17 кВ). С одним пятном на на экране осциллографа можно показать отклонение пятна при магнит подносится к экрану. Горизонтальная линия на экране может должны отклоняться вверх на одном конце и вниз на другом. направление силы задается вектором q v B который с момента заряд q электрона отрицательный, направлен в направлении B v , учитывая по правилу правой руки. Поочередно, работая в обратном направлении, можно определить, какой полюс магнита какой, заметив направление в которой луч отклоняется. С шаблоном, таким как синусоида на осциллограф, с помощью магнита можно создать много интересных фигур. Электронный пучок также можно рассматривать как электрический ток, с ток движется назад от экрана из-за отрицательного заряд электронов. Таким образом, можно ввести идею магнитные поля воздействуют на токи и приступаем к демонстрации обычные случаи действия сил на токи в проводах.

ОБСУЖДЕНИЕ

Существует множество примеров использования магнитных полей для отклонения движущиеся заряженные частицы. Электронный луч в телевизоре или монитор компьютера отклоняется под действием магнитного поля, а не электрического в большинстве осциллографов. Ускорители заряженных частиц, такие как циклотроны используют магниты, чтобы удерживать частицы по кругу, пока они ускоряются электрическими полями и устройствами удержания плазмы, такими как поскольку токамак использует сложные магнитные поля, чтобы удерживать газ заряженных частиц в поисках управляемого ядерного синтеза. Другой соответствующими примерами являются анализаторы скорости, масс-спектрометры, магнетроны и устройства на эффекте Холла. Роль магнитных полей в астрофизика (пояса Ван Аллена, солнечный ветер, космические лучи и др.) интересное отступление.

Может возникнуть соблазн попробовать эту демонстрацию, используя картинку. трубка телевизионного приемника или видеомонитор компьютера. Такой не рекомендуется, потому что такие тюбики, особенно цветные, требуют очень точное выравнивание электронного луча и содержат компоненты, которые могут постоянно намагничиваются и искажают изображение. Много телевидения наборы и мониторы содержат специальную схему, размагничивающую трубку каждый раз при включении телевизора в попытке устранить случайные магнитные поля.

ОПАСНОСТИ

В этой демонстрации нет никаких значительных опасностей, кроме чем, возможно, разбить стекло на ЭЛТ магнитом. Если отклонение слишком мало, может возникнуть соблазн удалить ЭЛТ из свой корпус, чтобы магнит приблизился к лучу. Это не рекомендуется, так как слишком легко вступить в контакт со смертельным напряжение, используемое для ускорения луча.

---

5,3

Консервная дробилка

Большой конденсатор разряжается в катушку с низким импедансом в несколько витков создает магнитное поле достаточной силы, чтобы раздавить алюминиевая банка для безалкогольных напитков.

МАТЕРИАЛЫ

• Конденсатор 60 F, 10 кВ с зарядной цепью ^*
• Зажигатель класса А или переключатель искрового промежутка
• катушка из 5 витков медной трубки диаметром 1/4 дюйма
• алюминиевые банки для безалкогольных напитков
• большой вольтметр, полная шкала 10 кВ (дополнительно)
• бейсбольная перчатка (дополнительно)

^* Этот же аппарат можно использовать для демонстрации взрыва проволоки (см. Глава 4)

ПРОЦЕДУРА

Очень эффективная демонстрация силы магнитного поля. сила может быть собрана с конденсатором 60-Ф, 10-кВ и катушкой состоит из 5 витков медной трубки диаметром четверть дюйма. Пик ток может достигать порядка 100 000 ампер и поэтому требует специальный переключатель, такой как игнитрон класса А или искровой разрядник. Для безопасности, конденсатор заряжается только до 8 кВ, а по факту блок питания сконструирован таким образом, что он не способен зарядить конденсатор до более высокого напряжения. Катушка намотана так, что плотно облегает мягкую пить может только с тонким слоем изоляции. Плотная посадка необходимо для того, чтобы индуцировать требуемые токи в банке. изоляция должна выдерживать напряжение 10 кВ и более. Межвитковое напряжение катушка может превышать 1 кВ, поэтому витки должны быть изолированы от одного еще один. В самом простом варианте кнопка нажимается, чтобы инициировать заряд, а игнитрон или искровой разрядник срабатывает, когда напряжение достигает нужного уровня и кнопку отпускают. Поочередно, могут быть предусмотрены отдельные кнопки зарядки и разрядки. вольтметр подключен к конденсатору и хорошо виден зрителям. полезное дополнение.

Банка безалкогольных напитков, конечно же, должна быть пустой и иметь отверстие. сверху для выхода воздуха. На самом деле, он разрушается более полно, если дно банки срезано, чтобы воздух мог легко выходить насколько это возможно. Также предпочтителен безалкогольный напиток со словом «Crush» в названии. Раздавливание банки сопровождается громким шумом, и поэтому зрители следует предупредить. Если банку быстро снять, она будет теплой из-за токов, наведенных в банке. Банка удерживается для публике, чтобы увидеть, а затем передается для более тщательного изучения.

Раздавив банку, можно спросить у зрителей, хотел бы, чтобы это было сделано снова. Обычно это вызывает энтузиазм отклик. На этот раз, однако, можно положить банку только дном. касаясь конца катушки, и банка выталкивается в аудитория. Для этой демонстрации ось катушки должна быть направлена ​​на примерно под углом 45° к вертикали, чтобы банка следовала параболическая траектория с максимальной дальностью до аудитории. А Для этой части предпочтительнее использовать банку 7-Up с неповрежденным дном. демонстрация. С практикой можно заставить банку всегда приземляться в на то же место и попросите человека, сидящего там, попытаться поймать его. Вручение человеку бейсбольной перчатки перед тем, как запустить банку, добавляет прикосновение интереса и подсказки аудитории к тому, что должно произойти без необходимости объяснения. На практике банка больше чаще ловят, чем нет. Нужно быстро извиниться за прицел плохо, если банка пропущена, чтобы публика не освистала смущенного потерпевший.

ОБСУЖДЕНИЕ

Магнитное поле, создаваемое катушкой, пропорционально количество ампер-витков в катушке, которое определяется как NV(C/L) ^{, где N число витков, V — напряжение конденсатора, C — емкость L — индуктивность катушки и ее выводов обратно к конденсатор. Магнитная сила пропорциональна квадрату поле или N 2 V 2 C/L. Таким образом, эффективная демонстрация требует большого напряжения и емкости и низкой индуктивности. Оказывается, что увеличение количества витков выгодно, но за пределами определенного момент улучшение компенсируется увеличением индуктивности с N. С другой стороны, можно считать, что при правильном проектировании по существу вся энергия в конденсаторе (CV 2 /2) передается в магнитное поле, энергия которого приблизительно в 2 /2 _o раз превышает объем внутреннюю часть катушки.}

Эта демонстрация иллюстрирует ряд важных физических принципы. Банка раздавливается или толкается благодаря отталкивающему сила между током в катушке и индукционным током в Можно. Таким образом, он иллюстрирует как силу, действующую на ток со стороны магнитное поле и закон индукции Фарадея. Магнитное давление (Б ² /2 _o ) существует только в пространстве между витками катушки и может за короткое время до того, как магнитное поле пропитает банку. Электрическая схема состоит из затухающего гармонического генератора. банка не притягивается магнитом, и эффект не возникнет с жестяная банка из-за ее гораздо более высокого электрического сопротивления. Охлаждение может с жидким азотом может помочь уменьшить его сопротивление, но не не дает значительного улучшения, по-видимому, потому, что уже может давит быстрее, чем ток затухает при комнатной температуре, алюминиевая банка. Необходимость выпуска воздуха иллюстрирует закон идеального газа и отношение давления к объему и вязкости воздуха, что исключает его быстрое изгнание. Демонстрация могла повторить с банками с отверстиями разного размера для выхода воздуха.

Раздавливание банки аналогично плазменному тета-пинчу. Рябь, возникающая по окружности банки, когда она столкновение является примером нестабильности, хорошо известной для плазмы, и изменение длины волны ряби может быть изучено в демонстрации с различными типами банок. Сверхсильный магнитный поля (>10 ⁷ гаусс) могут быть получены путем разумного использования взрывчатых веществ и используется для изучения вещества в условиях давления, обнаруженного в звездах и планеты[1].

ОПАСНОСТИ

В конденсаторе накапливается значительная энергия, и напряжения и токи, используемые в этой демонстрации, потенциально смертельны. конденсатор лучше всего размещать за лекционной скамьей только с катушкой выставлены для защиты зрителей в случае взрыва. Конденсатор не должен заряжаться выше 80% от его номинального значения. Напряжение. Все высоковольтные проводники должны быть хорошо изолированы. Один должен стоять далеко назад, пока он заряжается и разряжается. конденсатор должен быть снабжен стабилизирующим резистором или, что еще лучше, с перемычкой, которая автоматически закорачивает конденсатор через низкое сопротивление (<100 Ом), когда он не заряжается или находится в режиме ожидания разрядиться в катушку. Элементы управления, используемые для запуска зарядка и разрядка должны быть на длинном шнуре и снабжены безопасное заземление. Приводная банка относительно безвредна, если только оно направлено непосредственно на кого-то. Острые концы и незакрепленные выступы должны быть удалено из банки, однако.

ССЫЛКА

1. F. Bitter, Scientific American 213 , 65 (июль 1965 г.).

---

5,4

Кольцо для прыжков

Катушка проволоки, намотанная на короткую цилиндрическую ламинированную железную пластину. сердечник возбуждается, чтобы подтолкнуть алюминиевое кольцо к потолку.

МАТЕРИАЛЫ

• соленоид с железным сердечником
• кнопка с прочными контактами
• непрерывное кольцо из алюминия для установки на железный сердечник
• идентичное кольцо с зазором в нем
• железный стержень (дополнительно)
• чаша с жидким азотом (опционально)
• конденсатор для резонанса соленоида на 60 Гц (опция)

ПРОЦЕДУРА

Катушка может работать напрямую от сети 60 Гц. через кнопочный переключатель с контактами, достаточно прочными, чтобы выдержать искрение, возникающее при размыкании выключателя. Ядро диаметром 10 см длиной около 20 см с несколькими сотнями витков провода #16 обеспечивает достаточное магнитное поле и индуктивность, чтобы двигать кольцо, в то время как ограничение тока до допустимого значения. Отдельный стержень из железа, около 40 см в длину, может быть размещен поверх сердечника, чтобы сконцентрировать магнитное поле и заставляет кольцо подниматься выше в воздух. Охлаждая кольцо в чашке с жидким азотом (-196С), кольцо может заставить подняться еще выше. Если в кольце есть зазор, оно не двигаться, когда катушка находится под напряжением. Непрерывные кольца разных материалы можно использовать. Если демонстрации проводятся правильно порядок, аудиторию можно убедить на каждом шагу умолять сделать кольцо иди выше.

В альтернативной версии демонстрации конденсатор такой значение, необходимое для того, чтобы схема резонировала на частоте около 60 Гц, помещается в серия с катушкой. Затем кольцо можно заставить колебаться вверх и вниз на железном сердечнике из-за изменения индуктивности, вызванного положение кольца[1].

ОБСУЖДЕНИЕ

Кольцо взлетает в воздух, потому что в нем индуцируется ток. его в направлении, противоположном направлению тока в катушке. Противоположные течения отталкивают друг друга. Величина тока индуцированное зависит от сопротивления кольца. Таким образом, хороший требуется электрический проводник, такой как алюминий или медь. Алюминий предпочтительнее из-за его меньшей массы, которая позволяет ему ускоряться легче. Удельное сопротивление алюминия уменьшается примерно в несколько раз. семь при охлаждении до температуры жидкого азота. Отталкивание также можно понимать в терминах тенденции проводящее кольцо, чтобы исключить магнитный поток, который катушка пытается сила через это. Кольцо не притягивается к постоянному магниту, а скорее сила возникает из-за тока, индуцируемого в кольце изменение магнитного поля катушки.

ОПАСНОСТИ

Напряжения, необходимые для проведения впечатляющей демонстрации, составляют потенциально летальный. Даже если низкое напряжение используется для питания катушки, возникает опасный переход высокого напряжения на катушке, когда переключатель открыт. Таким образом, катушка и переключатель должны быть тщательно изолированный. Кольцо можно вытолкнуть с некоторым усилием, поэтому площадь выше должны быть ясны. Демонстрация не должна проводиться под верхним светом, который может разбиться. Поскольку жидкий азот может привести к сильному обморожению, кольцо следует брать щипцами во время ту часть демонстрации. Немного потренировавшись, можно поймать кольцо с щипцами на радость публике.

ССЫЛКА

1. C.L. Strong, Scientific American 205 , 143 (август 1961 г.).

---

5,5

Сверхпроводники

Высокотемпературные сверхпроводники используются с постоянными магнитами. для демонстрации эффекта Мейснера.

МАТЕРИАЛЫ

• высокотемпературных сверхпроводника ^*
• постоянных магнитов
• дьюара из жидкого азота
• видеокамера и монитор (опционально)

^* Доступен в компании Carolina Biological Supply Company, Central Scientific Компания Edmund Scientific и TEL-Atomic, Inc.

ПРОЦЕДУРА

То, что в течение многих лет было чрезвычайно трудной демонстрацией Требующий жидкого гелия теперь стал довольно обычным с разработка в 1987 году таких материалов, как иттрий-барий-оксид меди которые становятся сверхпроводниками при температурах выше точки кипения жидкий азот (77К). Эти комплекты сверхпроводимости теперь доступны по низкой цене из ряда источников. Пользователю нужно только подавать жидкость азот, который можно получить в больничных кассах и других источники. Хотя бы один поставщик ^** продает даже комплект для изготовления сверхпроводников, требующих печи, способной достигать 1000C и тиски среднего размера.

^** Arbor Scientific, P.O. Box 2750, Анн-Арбор, MI 48106-2750 (313) 663- 3733.

Обычная демонстрация состоит в размещении диска с материалом несколько сантиметров в диаметре в стеклянную посуду и положить достаточно жидкий азот в тарелке, чтобы просто покрыть диск. Затем небольшой магнит из редкоземельного материала, такого как неодим или самарий-кобальт левитирует на несколько миллиметров над диском. Это занимает около минуту, чтобы сверхпроводник достаточно остыл, чтобы эффект проявился. происходить. Под магнит можно продеть лист бумаги или проволочный обруч. чтобы проиллюстрировать, что он действительно левитирует. Видео для больших компаний камера и монитор почти необходимы, чтобы каждый мог видеть, хотя в некоторых случаях может быть достаточно мощного точечного источника света, чтобы спроецировать тень магнита на экран.

Как вариант, можно начать с магнита, покоящегося на диске. перед добавлением жидкого азота. Магнит резко взлетит при достижении критической температуры. Если азот разрешен выкипеть, магнит внезапно падает, и весь процесс может быть повторил. Если водяной пар конденсируется из воздуха, он может образовать слой льда, заставляющего магнит прилипать к диску.

Еще одна демонстрация, которую легче увидеть крупным планом. публике требуется диск из сверхпроводника, подвешенный на веревке около полметра длинной. Помимо сверхпроводника, можно также подвесить на отдельные струнные материалы одинакового размера и формы, но изготовленные из пластик, железо и медь. Сначала подносят сильный стержневой магнит. пластик без эффекта. Затем магнит подносят к железу. который сильно притягивается к магниту. Затем один указывает, что пластик является электрическим изолятором, а железо является электрическим проводником но не такой хороший проводник, как медь. Затем аудиторию просят предсказать эффект, когда магнит приблизит к меди. Если магнит медленно подносится к меди, эффекта нет, но если магнит качается туда-сюда рядом с медью, медный диск начинает качаться. Тогда можно объяснить вихревые токи, генерируемые переменные во времени магнитные поля.

Наконец магнит подводят к теплому сверхпроводнику. По размахивая магнитом вперед-назад, зрителям можно показать, что там не влияет, и материал ведет себя как электрический изолятор. Затем сверхпроводник опускают в сосуд Дьюара с жидким азотом на около минуты, и демонстрация повторилась. На этот раз есть очевидное отталкивание сверхпроводника от магнита. Эффект сохраняется около минуты, пока сверхпроводник снова не нагреется.

Еще одна драматическая демонстрация, подходящая для чуть более искушенная аудитория представляет собой тороид из сверхпроводящего материала вокруг железного сердечника трансформатора[1]. Вторичная обмотка трансформатора может быть подключен к лампе накаливания, которая перестает светиться, когда сверхпроводник охлаждается. Первичная обмотка трансформатора должна иметь достаточно последовательное сопротивление, чтобы выдержать короткозамкнутый виток, представленный сверхпроводник.

Вероятно, не следует заканчивать демонстрацию без комментарий о потенциальной важности высокотемпературных сверхпроводники и трудности использования технологии для практические приложения[2].

ОБСУЖДЕНИЕ

Магнит будет парить над сверхпроводником (или над сверхпроводником). над магнитом) из-за эффекта Мейснера, который вызывает магнитный поток, выбрасываемый из сверхпроводника. Изображение одно должен иметь магнит с силовыми линиями, выходящими из одного полюса и петляя снаружи, чтобы снова войти в шест на другом конец. Поскольку эти силовые линии не могут проникнуть через сверхпроводник, магнит вынужден подниматься над сверхпроводником, чтобы создать поле линии пробел, чтобы вернуться. Сверхпроводник является примером диамагнетика. материал, в отличие от железа, которое является ферромагнитным. Диамагнетик объекты притягиваются к областям слабого магнитного поля, тогда как ферромагнитные (и парамагнитные) объекты притягиваются к областям сильное магнитное поле.