Проектная деятельность, страница 304 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

Предложите механический аналог, который можно считать моделью опыта Толмена и Стюарта. Проведите сравнение опытов Мандельштама и Папалекси с опытами Толмена и Стюарта.

Предложите механический аналог, который можно считать моделью опыта Толмена и Стюарта.

Опыт Толмена и Стюарта (1916 г.) был поставлен для доказательства того, что носителями тока в металлах являются отрицательно заряженные частицы (электроны), обладающие массой и, следовательно, инерцией. Суть опыта заключалась в следующем: катушку с проводом приводили в быстрое вращение, а затем резко останавливали. Из-за инерции свободные электроны в проводе продолжали двигаться, что приводило к возникновению кратковременного электрического тока, который регистрировался гальванометром.

Простым и наглядным механическим аналогом этого явления может служить поведение пассажиров в резко тормозящем автобусе.

В этой модели:

• Автобус — это аналог металлического проводника (его кристаллической решетки).
- Пассажиры внутри автобуса — это аналог свободных электронов.
• Движение автобуса с постоянной скоростью — аналог состояния проводника, в котором нет направленного движения зарядов (ток равен нулю). Пассажиры неподвижны относительно автобуса.
- Резкое торможение автобуса — аналог резкой остановки вращающейся катушки. Автобус (кристаллическая решетка) останавливается. - Пассажиры, продолжающие по инерции двигаться вперед относительно остановившегося автобуса, — это аналог электронов, которые из-за своей инертности продолжают движение, создавая кратковременный электрический ток.

Таким образом, смещение пассажиров вперед при торможении наглядно демонстрирует тот же принцип инерции, который лежит в основе опыта Толмена и Стюарта.

Ответ: Механическим аналогом опыта Толмена и Стюарта является резкое торможение автобуса с пассажирами. Автобус моделирует кристаллическую решетку проводника, а пассажиры, которые по инерции продолжают двигаться вперед, моделируют электроны, создающие импульс тока.

Проведите сравнение опытов Мандельштама и Папалекси с опытами Толмена и Стюарта.

Оба типа экспериментов относятся к так называемым инерционным экспериментам и преследовали общую цель — доказать, что носители заряда в металлах обладают массой (инерцией), и измерить их удельный заряд $e/m$. Однако подходы к достижению этой цели были принципиально разными, по сути, "прямым" и "обратным".

Опыт Толмена и Стюарта (1916 г.):

• Суть: Механическое воздействие вызывает электрический эффект.
• Метод: Проводник (катушка) приводится в движение, а затем резко тормозится. Измеряется возникший в результате инерции электронов электрический ток (или ЭДС индукции).
• Схема эффекта: Механическое ускорение $\rightarrow$ Электрический ток.
• Результат: Опыт оказался успешным, позволил измерить удельный заряд носителей тока, который с хорошей точностью совпал с удельным зарядом электрона, и доказал, что эти носители заряжены отрицательно. Этот эксперимент считается классическим доказательством инертности электронов в металлах.

Опыт Мандельштама и Папалекси (1913 г.):

• Суть: Электрическое воздействие должно вызывать механический эффект (обратный эффект по отношению к опыту Толмена-Стюарта).
• Метод: Через проводник (например, тонкую проволоку или нить с зеркальцем для регистрации колебаний) пропускается переменный ток высокой частоты. Предполагалось, что колеблющиеся под действием тока электроны, обладая инерцией, будут передавать импульс кристаллической решетке, заставляя весь проводник механически колебаться с частотой тока.
• Схема эффекта: Переменный электрический ток $\rightarrow$ Механические колебания.
• Результат: Эффект оказался чрезвычайно малым и находился на пределе возможностей измерительной техники того времени. Хотя идея была абсолютно верной, убедительно зарегистрировать эти колебания и провести точные измерения было крайне сложно. Поэтому опыт Мандельштама и Папалекси менее известен, в то время как опыт Толмена и Стюарта вошел во все учебники.

Сводное сравнение:

1. Общая цель: Доказать наличие массы (инертности) у носителей тока в металлах.
2. Принципиальное различие: Опыты являются "взаимно обратными". Толмен и Стюарт измеряли электрический отклик на механическое воздействие. Мандельштам и Папалекси пытались измерить механический отклик на электрическое воздействие.
3. Характер движения: В опыте Толмена-Стюарта используется непериодическое движение (резкая остановка), в то время как в опыте Мандельштама-Папалекси — периодическое (колебания, вызванные переменным током).
4. Успешность и признание: Эффект в опыте Толмена-Стюарта оказался значительно более выраженным и легким для регистрации, что принесло ему широкое признание.

Ответ: Оба опыта доказывают инертность электронов. Ключевое различие состоит в том, что опыт Толмена-Стюарта является "прямым" (механическое ускорение проводника создает электрический ток), а опыт Мандельштама-Папалекси — "обратным" (переменный электрический ток в проводнике должен вызывать его механические колебания). Опыт Толмена-Стюарта оказался более успешным из-за большей величины измеряемого эффекта.