Физическая викторина. Электричество и магнетизм. Электромагнитные колебания
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1. Взять две катушки, каждая из которых замкнута на низковольтную лампочку. Катушка n1 состоит из одного витка, катушка n2 — из нескольких десятков витков.
Катушку n1 поднести к первичной катушке действующего трансформатора Тесла, катушку n2 надеть на сердечник действующего трансформатора Томсона (рис.). Обе лампочки будут гореть. Поменять местами катушки. Обе лампочки гореть не будут. Объяснить явление.
2*. В непосредственной близости друг от друга расположены электрически заряженный шар (имеет вокруг себя электрическое поле) и постоянный магнит (имеет около себя магнитное поле). Можно ли сказать, что в окружающем пространстве существует электромагнитное поле?
3. Составить электрическую цепь из последовательно включенных батареи элементов напряжением 3—4 В, звонка, ключа и металлической цепочки длиной 30—40 см (например, от часов-ходиков). Один конец цепочки жестко прикрепить к стойке, а другой — перебросить через блок и нагрузить гирей. Параллельно цепочке на расстоянии нескольких сантиметров от нее установить горизонтально стержни электрофорной машины (рис.). При проскакивании искры между стержнями и при замкнутом ключе в цепи звонка последний начинает звонить. Перед повторением опыта разомкнуть ключ, слегка постучать по цепочке и снова замкнуть цепь ключом. Объяснить явление.
4. Металлический изолятор.
Электролампу на 3,5 В укрепить на металлической стойке высотой 70 см из изогнутой в виде дуги медной проволоки толщиной около 5 мм (рис. а). Будет ли гореть лампа, если к клеммам m и n подключить источник напряжения, ведь медная дуга замыкает лампу накоротко?
5. Вторичную катушку действующего трансформатора Тесла накрыть тонкостенным химическим стаканом и приблизить к нему металлический стержень. Разряд происходит так же, как и без стакана, который остается неповрежденным, что можно проверить, наливая в него воду. Объяснить явление.
6. Встать на столик с изолирующими ножками и взять правой рукой неоновую лампочку за ее цоколь, а в левую руку какой-нибудь металлический предмет. Коснуться металлическим предметом шарика вторичной катушки действующего трансформатора Тесла, а металлический контакт лампочки приложить ко лбу стоящего на полу человека. При этом лампочка загорится. Объяснить явление.
7. Собрать установку (рис.), где А — школьный генератор УВЧ; В — приемный диполь с лампочкой; С — металлический стержень, параллельный диполю В. Привести в действие генератор А и, изменяя длину диполя В, добиться, чтобы лампочка горела. Медленно издали приближать стержень С к диполю В. Лампочка будет периодически вспыхивать и гаснуть. Объяснить явление. Как с помощью этого опыта определить длину электромагнитной волны, излучаемой генератором А?
Ответы
1. В первом случае ЭДС индукции в обеих катушках достаточна для накаливания лампочек, так как:
а) хотя катушка 1 состоит из одного витка, пронизывающий ее магнитный поток трансформатора Тесла изменяется с громадной быстротой;
б) частота изменения магнитного потока, пронизывающего катушку 2, невелика (50 Гц), однако число витков значительно.
Во втором случае лампочки не горят, потому что:
а) ЭДС индукции в катушке 1 мала, так как мало и число ее витков и частота изменения магнитного потока;
б) сила индукционного тока в катушке 2 мала, так как ее ЭДС в поле трансформатора Тесла приблизительно в п раз, а индуктивное сопротивление во много раз больше, чем у катушки 1 (n — число витков катушки).
2. Нет. Электромагнитным полем называется совокупность связанных между собой и изменяющихся полей — электрического и магнитного. В данном случае поля постоянны и не связаны между собой.
3. Цепочка играет двоякую роль: она одновременно служит приемной антенной электромагнитных волн и когерером (несовершенные контакты оксидированных опилок когерера здесь заменяют звенья цепочки, поверхность которых покрыта естественным слоем окиси).
4. Если к клеммам подключить источник постоянного напряжения (например, гальваническую батарею), то лампа гореть не будет. Если к клеммам присоединить источник переменного напряжения высокой частоты, то лампа загорится, так как индуктивное сопротивление медной дуги будет значительно больше сопротивления нити лампы н через нить пойдет большая часть тока. Источником напряжения высокой частоты может служить первичный контур трансформатора Тесла, присоединенный к индуктивной катушке. Проверить ответ на опыте, включив лампу в цепь по схеме рисунка б.
5. При работе трансформатора Тесла вокруг его вторичной катушки возникает электрическое поле высокого напряжения, которое ионизирует воздух и вызывает в нем искровой разряд. Электрическое поле возникает и в стекле стакана, однако, чтобы в твердом изоляторе произошел пробой, необходимо гораздо большее напряжение.
6. Трансформатор Тесла является источником тока высокой частоты, для которого тело человека представляет небольшое сопротивление. Поэтому этот ток, проходя через неоновую лампочку, заставляет ее светиться.
Примечание. Опыт можно видоизменить. Первый экспериментатор должен взять правой рукой конец безэлектродной трубки с разреженным газом; другой конец трубки берет рукой второй экспериментатор. Трубка будет светиться.
7. Волны, излучаемые генератором А, складываются с волнами, отраженными стержнем С, в результате чего в пространстве возникают стоячие электромагнитные волны. Диполь В попеременно попадает в области пучностей и узлов стоячей волны, так как при движении стержня С они перемещаются. Чтобы найти длину волны λ, надо измерить расстояние l между двумя ближайшими положениями стержня С, которым соответствуют две последующие вспышки лампочки (λ = 2l).