Физическая викторина. Электричество и магнетизм. Тепловое действие тока
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1. Три одинаковые электролампы включить в электрическую цепь так, как это показано на рисунке. Одинаков ли будет их накал, если замкнуть цепь?
Ответ проверить опытом.
2. Две электрические лампы мощностью 25 и 200 Вт включить последовательно в электрическую цепь. Какая из ламп будет гореть ярче при замыкании цепи?
Ответ проверить опытом.
3. Три электрические лампы мощностью 50, 50 и 100 Вт, рассчитанные на напряжение 110 В, нужно включить в сеть с напряжением 220 В так, чтобы они горели с нормальным накалом. По какой схеме это можно сделать?
4. Как изменится теплоотдача электроплитки, если укоротить ее спираль?
5*. В каком из трех сопротивлений (рис.) при протекании тока выделится большее количество теплоты?
6*. Как устроить автоматический сигнализатор, который: 1) осветил бы панель с пробками (рис.) при перегорании одной или двух пробок; 2) указал бы, какая пробка перегорела; 3) дал бы возможность выяснить, существует ли еще в цепи короткое замыкание или оно было кратковременным?
Ответы
1. При замыкании ключа сопротивление участка ab электрической цепи уменьшится, а сила тока в цепи увеличится. Следовательно, накал лампы 1 усилится. С другой стороны, уменьшение сопротивления участка ab уменьшит напряжение на его концах, поэтому накал лампы 2 ослабится. Накал лампы 3 будет такой же, как у лампы 2.
2. Формула мощности электролампы P=U²/R показывает, что более мощная лампа имеет меньшее сопротивление. При последовательном включении таких ламп в сеть сила протекающего через них тока будет одинакова, а напряжение будет меньше у более мощной лампы. Поэтому менее мощная лампа будет гореть ярче.
3. Лампы мощностью по 50 Вт включить на участке АВ, а лампу мощностью 100 Вт — на участке ВС (рис.). При этом сопротивления участков АВ и ВС будут равны и, следовательно, на каждом из них падение напряжения будет 110 В.
4. Если, укоротив спираль, уменьшить ее сопротивление, например, в два раза, то сила тока (по закону Ома для участка цепи) увеличится в два раза (напряжение на электроплитке постоянное). Как показывает формула Джоуля—Ленца Q=I²RΔt, теплоотдача спирали увеличится при этом в два раза, так как сомножитель I² увеличится в четыре раза, а сомножитель R уменьшится в два раза.
5. Очевидно, если через сопротивление R1 проходит ток силой I, через сопротивления R2 и R3 течет ток 2I. Следовательно, количество теплоты, выделяющееся в 1 с в сопротивлениях R1, R2 и R3, при протекании тока будет равно соответственно:
Q1=60I²,
Q2=10(2I)²=40I²,
Q3=20(2I)²=80I².
Следовательно, Q3>Q1>Q2.
6. Надо присоединить к клеммам 1—3 и 2—4 параллельно пробкам сигнальные лампы. При коротком замыкании одна или две пробки перегорают, и тогда загораются соответствующие сигнальные лампы, так как благодаря короткому замыканию цепь остается замкнутой и весь ток идет через них.