Номер 1, страница 84, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Экспериментируйте

Включите в электрическую цепь электроплитку и амперметр. Как изменятся показания амперметра, если на раскаленную плитку направить струю холодного воздуха от вентилятора?

Дано:

Электрическая цепь: источник напряжения $\text{U}$, амперметр, электроплитка.

Напряжение источника постоянно: $U = \text{const}$.

Нагревательный элемент плитки изготовлен из металла, для которого температурный коэффициент сопротивления $\alpha > 0$.

Плитка раскалена, затем ее начинают обдувать холодным воздухом, что приводит к понижению ее температуры.

Найти:

Как изменятся показания амперметра $\text{I}$?

Решение:

Электроплитка и амперметр соединены последовательно в электрическую цепь. Амперметр измеряет силу тока $\text{I}$ в цепи. Согласно закону Ома для участка цепи, сила тока $\text{I}$ прямо пропорциональна напряжению $\text{U}$ и обратно пропорциональна сопротивлению $\text{R}$ цепи: $I = \frac{U}{R}$

Основное сопротивление в цепи создается нагревательным элементом электроплитки. Сопротивление металлических проводников зависит от их температуры. Эта зависимость для большинства металлов описывается формулой: $R = R_0 (1 + \alpha \cdot \Delta t)$, где $R_0$ — сопротивление при начальной температуре, $\alpha$ — температурный коэффициент сопротивления, а $\Delta t$ — изменение температуры.

Для металлов, из которых изготавливают нагревательные элементы (например, нихром), коэффициент $\alpha$ является положительной величиной ($\alpha > 0$). Это означает, что при увеличении температуры сопротивление проводника увеличивается, а при уменьшении — уменьшается.

1. В начальном состоянии плитка раскалена, то есть ее нагревательный элемент имеет высокую температуру $t_1$. Его сопротивление в этом состоянии равно $R_1$. Сила тока, показываемая амперметром, равна $I_1 = \frac{U}{R_1}$.

2. Когда на раскаленную плитку направляют струю холодного воздуха, происходит интенсивный теплообмен (принудительная конвекция). Плитка начинает отдавать тепло воздуху быстрее, и ее температура понижается до нового, более низкого значения $t_2$. Таким образом, $t_2 < t_1$.

3. Поскольку температура нагревательного элемента уменьшилась, его электрическое сопротивление также уменьшится. Новое сопротивление $R_2$ будет меньше исходного: $R_2 < R_1$.

4. Новый ток в цепи будет равен $I_2 = \frac{U}{R_2}$. Так как знаменатель дроби ($R_2$) стал меньше, а числитель ($\text{U}$) остался неизменным, значение всей дроби увеличится. Следовательно, $I_2 > I_1$.

Таким образом, показания амперметра увеличатся.

Ответ: Показания амперметра увеличатся, так как при охлаждении нагревательного элемента его электрическое сопротивление уменьшится, что при постоянном напряжении в сети приведет к увеличению силы тока.