Пособие для самостоятельной работы студентов по физике по разделу Электродинамика
 Скачать 0.72 Mb.
|
|
Задание 3. Будьте судьей в споре. Ответь на вопрос: «Кто прав?» 3-1. Два студента поспорили о применении закона Ома  к явлению кроткого замыкания в цепи свинцового (кислотного) и щелочного аккумуляторов. Учащимся было известно, что кислотный аккумулятор при коротком замыкании выходит из строя, в то время как щелочной аккумулятор при не очень длительном коротком замыкании не выходит из строя, хотя и разряжается. Прочитайте суждения обоих учащихся и укажите, кто из них прав.Первый студент рассуждал так: при коротком замыкании внешнее сопротивление можно считать практически равным нулю. Величина тока короткого замыкания при данной ЭДС зависит только от внутреннего сопротивления. У кислотного аккумулятора внутреннее сопротивление очень мало (сотые доли ома), ток короткого замыкания достигает огромных значений, и аккумулятор выходит из строя. У щелочного аккумулятора внутреннее сопротивление на порядок больше (десятые доли ома); ток короткого замыкания остается относительно небольшим, аккумулятор не выходит из строя. Второй студент рассуждал иначе: он писал закон Ома в таком виде:  , а при  получил  и предположил, что при коротком замыкании ЭДС пропорциональна внутреннему сопротивлению  . Поскольку у щелочного аккумулятора внутреннее сопротивление относительно велико, то у него величина ЭДС сохраняется большой и в дальнейшем. У кислотного аккумулятора мало, его ЭДС «садится» и потом уже не может восстановиться. 3-2. Рассудите спор о том, когда следует говорить о большой нагрузке источника тока – при большом и при малом сопротивлении внешней цепи? Один студент заявляет, что в электротехнике следует пользоваться теми же рассуждениями, что и в механике: двигатель (например, у автомобиля) сильно нагружен, когда автомобилю приходится преодолевать большое сопротивление (скажем, при езде по размокшей проселочной дороге). Аналогично в электрической цепи источник тока сильно нагружен при большом внешнем сопротивлении. Другой студентему возражает: в электротехнике нельзя применять эту механическую аналогию. Источник тока надо считать сильно нагруженным, когда от него берут большой ток, т.е. при небольшом внешнем сопротивлении. Самая большая нагрузка – ток короткого замыкания ( ); нагрузка равна нулю при замкнутой внешней цепи ( ). Поэтому в электротехнике под нагрузкой источника понимают не величину внешнего сопротивления, а силу тока в цепи.3-3. Студенты с помощью реостата увеличили сопротивление цепи аккумулятора; при этом подключенный к аккумулятору вольтметр большее напряжение. Почему? Снова загорелся спор и вы должны стать судьей. Первый студентнаписал закон Ома в виде  , где  - напряжение источника,  - потеря напряжения внутри источника, заявил, что с ростом  (при постоянных  и ) ток убывает, а следовательно, уменьшается потеря напряжения внутри источника, вследствие чего растет другое слагаемое , измеряемое вольтметром. Другой студент записал закон Ома в виде и заявил, что с ростом убывает ток и поэтому улучшается вся работа источника, ЭДС растет.Третий студент предположил, что сам опыт поставлен неправильно: надо измерить напряжение на зажимах реостата и тогда все объясняется просто – с ростом внешнего сопротивления растет напряжение по формуле  .3-4. Все наблюдали, что в часы пик (особенно в зимнее время) накал ламп несколько ослабевает. И снова возник спор. Рассуждения одного студента спора таковы: при включении каждого нового потребителя (а в часы пик их особенно много) общее сопротивление сети, подключенной к понижающему трансформатору, растет, соответственно убывает сила тока и накал ламп убывает. Другой студента возразил: при включении большего числа потребителей, соединенных, как правило, параллельно, общее напряжение сети не растет, а уменьшается. При этом растет ток, поступающий от трансформатора, увеличивается также потеря напряжения внутри обмотки трансформатора и убывает напряжение на его зажимах по формуле  .Третий студента спора занял другую позицию: вы забыли о том, что пользуемся переменным током. Записанный вами закон Ома применим только для цепей постоянного тока. Вы же применяете его для сети переменного тока и считаете понижающий трансформатор источником тока. Все это не законно и поэтому ваши рассуждения ошибочны. Кто же прав? 3-5. В квартире перегорел предохранитель, и между жильцами произошел такой разговор: Первый: у понижающего трансформатора, по-видимому, иногда резко возрастает напряжение, и тогда наш предохранитель не выдерживает и перегорает. Второй: устарела проводка, поэтому происходят частые короткие замыкания и при этом перегорают лампочки. Третий: подводящие провода имеют слишком большое сечение, поэтому их сопротивление очень мало, течет большой ток, а это ведет к короткому замыканию. Четвертый: при коротком замыкании в подводящих проводах лампочки не перегорают. Когда в проводах происходит замыкание, сопротивление резко падает и ток растет до такой величины, что предохранитель плавится. А вы как думаете? За направление электрического тока в цепи условились принять направление движения положительных зарядов, или, как кратко говорят, направление от плюса к минусу во внешней цепи. Разберитесь в следующем споре. 3-6. Существует ли необходимость вводить определенное направление тока? Играет ли оно какую – либо роль в практике? Первый студент: Мы все знаем, что в городской сети течет переменный ток, направление которого каждую секунду меняется 100 раз. Для ученых направление тока, может быть, имеет значение, но в практике оно роли не играет. Ведь мы произвольно переставляем вилку в розетке при включении плитки, утюга, пылесоса, приемника и других приборов. Второй студент: Не согласен! Некоторые действия тока зависят от его направления. Примером может служить химическое действие тока. Если мы заранее не уничтожим направление тока при электролизе, то нельзя будет указать, на каком электроде выделится металл или другое вещество. А попробуйте-ка не учесть полярность при заряде аккумулятора. 3-7. В металлических проводах носителями тока являются электроны, перемещающиеся во внешней цепи от отрицательного полюса источника к положительному. Между тем за направление тока принято противоположное направление. Почему ученые так поступили? Первый студент: Вот видите, я же сказал, что направление тока никакой практической роли не играет! Второй студент:Это неверно! В начале прошлого века, когда начали изучать электрический ток, ученые еще не знали, какие заряды движутся при наличии тока в цепи, и они приняли условно за направление тока движение положительных зарядов. Соответственно была установлена полярность включения всех приборов и потребителей в тех случаях, когда это имеет значение. 3-8. Разве можно, хотя бы мысленно, заменить реальное движение отрицательных зарядов (электронов) от минуса к плюсу воображаемым движением положительных зарядов от плюса к минусу? Первый студент: Попробовал бы кто-либо на уроке географии заявить один раз, что Волга течет от Валдайской возвышенности в Каспийское море, другой раз – что она течет от Каспийского моря к Валдайской возвышенности, да еще настаивать на том, что это одно и то же! Второй студент: Конечно, Волга течет в Каспийское море. В случае движения жидкости или других веществ изменять направление движения на противоположное нельзя, так как здесь нас интересует, куда перемещается масса вещества. А все частицы вещества имеют положительную массу! Только благодаря тому, что в природе существуют заряды двух противоположных знаков, мы приходим к одинаковому результату, когда при стекании зарядов с положительно заряженного тела на землю один раз говорим, что положительные заряды ушли в землю, а другой раз – что отрицательные заряды с земли перешли на тело и нейтрализовали его положительный заряд. 3-9. Почему же ученые после того, как было установлено, что носителями тока в металлах являются электроны, не изменили принятой ими ранее договоренности о направлении тока? Первый студент:Если произошла ошибка, то ее нужно исправить. Второй студент: В металлах действительно движутся только отрицательные заряды и при том «против тока». Но в других проводниках, например электролитах, носителями тока являются как положительные, так и отрицательные заряды, которые при токе перемещаются в противоположных направлениях. Отрицательные заряды перемещаются «против тока», а положительные – «по току». Нет смысла изменять договоренность о направлении тока: это свелось бы просто к тому, что на всех источниках, измерительных приборах и потребителях пришлось бы менять местами знаки «+» и «-». 3-10. Можно ли придумать аналогию, поясняющую допустимость замены движения отрицательного заряда в одном направлении движения положительного заряда в противоположную сторону? Первый студент: Нельзя, поскольку вещество не имеет той полярности, которая наблюдается у зарядов. Второй студент: Сами знаки зарядов подсказывают нам такую аналогию с числами разных знаков в алгебре. Возьмем равенство  и прибавим к обеим частям положительное число 3, получим  , или  . Но точно такой же результат получится, если от обеих частей равенства вычесть отрицательное число -3:  . Раскрыв скобки вновь получим . Таким образом, перенос отрицательного числа с правой стороны равенство в левую равнозначен переносу такого же (по модулю) положительного числа в обратном направлении.3-11.Студент подставил формулу  (1) значение силы тока, выразив его по закону Ома через напряжение и сопротивление  , и получил другую формулу для количества теплоты, выделяемой током:  (2).Как же на самом деле зависит количество теплоты, выделенное током, от сопротивления проводника? Первый студент: Сравнивая формулы (1) и (2), мы видим, что в одном случае количество теплоты прямо пропорционально сопротивлению, в другом случае обратно пропорционально сопротивлению. Но ведь это не возможно! Второй студент: По формуле (1) количество теплоты прямо пропорционально сопротивлению проводника при условии, что в сравниваемых проводниках одинаковы сила тока и время пропускания тока. По формуле (2) количество теплоты обратно пропорционально сопротивлению проводника при условии, что к проводникам приложено одинаковое напряжение и время пропускания тока одно и то же. 3-12. А можно ли создать такие условия, чтобы сила тока в различных проводниках была строго одинаковой? Первый студент: Это можно выполнить следующим образом: взять две цепи с реостатами и амперметрами и отрегулировать токи при помощи движков реостатов так, чтобы они стали одинаковыми. Второй студент: Я знаю более простой способ получения одинаковых токов в проводниках. Для этого надо только включить проводники последовательно в цепь, тогда  . 3-13. Можно ли создать условия, чтобы напряжение на концах различных проводников было строго одинаковым? Первый студент: Это можно выполнить следующим образом: взять два источника со строго одинаковым напряжением (что можно установить вольтметром) и присоединить к ним эти проводники. Второй студент: И в этом случае есть более простой способ приложения одинакового напряжения к двум проводникам. Для этого надо только включить проводники параллельно в цепь, тогда  .3-14. Можно ли на опыте убедиться в правильности зависимости:  при , ?Третий студент:Я предлагаю сравнить нагрев спирали электрической плитки и соединительных проводов, через которые ток проводится к плитке. Сила тока в них одинакова и время пропускания так одинаково, поскольку они соединены последовательно. Выделяемое количество теплоты различается очень сильно: провода – еле теплые (их сопротивление мало), спираль же накалена (ее сопротивление велико). Четвертый студент: Вероятно, здесь важную роль играет изоляция проводников. Соединительные провода – изолированные, спираль – голая (без изоляции). 3-15. Можно ли на опыте убедиться в правильности зависимости  при , ?Третий студент: Я предлагаю сравнить две лампочки, соединенные параллельно, из которых одна горит ярче другой. На лампочке указаны напряжение и потребляемая ею мощность тока. У нас на кухне горит лампочка 220 В, 40 Вт, в комнате – 220 В, 100 Вт. Я вычислил их сопротивление. У лампы на кухне оно равно 1210 Ом, у комнатной лампочки – 484 Ом. При вычислении я применил формулу  (полученную из формул  и  ). Как видно, лампа на кухне имеет в 2,5 раза большее сопротивление и в ней выделяется за 1 с. в 2,5 раза меньшее количество теплоты, чем в комнатной лампе.КОНТРОЛЬНЫЕ ТЕСТЫ 1.Тесты по теме « Электростатика» Нейтральная капля при освещении потеряла 2 электрона. Заряд капли оказался равным: 1,6 * 10-19 Кл. 3,2 * 10-19 Кл. 2 Кл. 1,6 * 10-17 Кл. Если значение каждого из одинаковых зарядов уменьшить в 2 раза, а расстояние между ними оставить прежним, то сила кулоновского взаимодействия: Уменьшится в 4 раза. Увеличится в 8 раз. Увеличится 2 раза. Увеличится в 4 раза. Одинаковые металлические шарики с зарядами 1 нКл и 9 нКл находятся на расстоянии rдруг от друга. Шарики привели в соприкосновение и снова развели на прежнее расстояние. Сила их кулоновского взаимодействия: Не изменилась. Уменьшилась. Увеличилась. Ответ неоднозначен. В электрическом поле на заряд |