Задание 3, страница 154 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Задание 3

Сравните формулы расчета работы и мощности электрического тока с формулами расчета работы и мощности сторонних сил. В чем различие указанных формул?

Для сравнения формул расчета работы и мощности электрического тока с формулами для сторонних сил, необходимо рассмотреть их определения и физический смысл.

Формулы для работы и мощности электрического тока

Работа электрического тока $A_{эл}$ на участке цепи — это работа, совершаемая электрическим полем при перемещении электрических зарядов по этому участку. Она вычисляется по формуле:

$A_{эл} = U \cdot I \cdot t$

где $U$ — напряжение (разность потенциалов) на концах участка, $I$ — сила тока в цепи, а $t$ — время, в течение которого протекал ток.

Мощность электрического тока $P_{эл}$ — это работа, совершаемая в единицу времени. Она показывает, с какой скоростью электрическая энергия на данном участке превращается в другие виды энергии (тепловую, световую, механическую).

$P_{эл} = \frac{A_{эл}}{t} = U \cdot I$

Эти формулы описывают процесс потребления или преобразования электрической энергии на нагрузке (например, в резисторе, лампе, электродвигателе).

Формулы для работы и мощности сторонних сил

Сторонние силы — это любые силы неэлектростатического происхождения (например, химические в гальваническом элементе, магнитные в генераторе), которые действуют внутри источника тока. Их задача — перемещать заряды против сил электрического поля, создавая и поддерживая разность потенциалов.

Физическая величина, характеризующая работу сторонних сил, — это электродвижущая сила (ЭДС), обозначаемая $\mathcal{E}$. ЭДС равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда.

Работа сторонних сил $A_{ст}$ вычисляется по формуле:

$A_{ст} = \mathcal{E} \cdot q = \mathcal{E} \cdot I \cdot t$

где $\mathcal{E}$ — ЭДС источника, $I$ — сила тока, $t$ — время.

Мощность сторонних сил $P_{ст}$ — это мощность, развиваемая источником тока за счет преобразования неэлектрической энергии в электрическую.

$P_{ст} = \frac{A_{ст}}{t} = \mathcal{E} \cdot I$

Эти формулы описывают процесс генерации электрической энергии внутри источника тока.

В чем различие указанных формул?

При внешнем сходстве формул, их главное различие заключается в физическом смысле величин, входящих в них, и в описываемых процессах:

1. Физический процесс. Формулы для работы и мощности тока ($A_{эл}$, $P_{эл}$) описывают преобразование электрической энергии в другие виды на потребителе во внешней цепи. Формулы для работы и мощности сторонних сил ($A_{ст}$, $P_{ст}$) описывают преобразование неэлектрической энергии в электрическую внутри источника тока.

2. Ключевые величины. В формулах для тока используется напряжение $U$, которое представляет собой разность потенциалов на участке цепи и характеризует работу электрического поля. В формулах для сторонних сил используется ЭДС $\mathcal{E}$, которая характеризует работу неэлектрических сил внутри источника.

3. Применение. Работа и мощность тока рассчитываются для участка внешней цепи (потребителя). Работа и мощность сторонних сил — для источника тока.

В замкнутой цепи с источником, имеющим внутреннее сопротивление $r$, ЭДС всегда больше напряжения на клеммах источника $U$ на величину падения напряжения внутри самого источника: $\mathcal{E} = U + I \cdot r$. Поэтому мощность, развиваемая сторонними силами ($\mathcal{E}I$), всегда больше полезной мощности, отдаваемой во внешнюю цепь ($UI$).

Ответ: Формулы для работы ($A_{эл} = UIt$) и мощности ($P_{эл} = UI$) электрического тока и аналогичные формулы для сторонних сил ($A_{ст} = \mathcal{E}It$, $P_{ст} = \mathcal{E}I$) структурно похожи, но описывают противоположные процессы. Первые характеризуют потребление и преобразование электрической энергии в другие виды на внешней нагрузке и зависят от напряжения $U$. Вторые характеризуют генерацию электрической энергии внутри источника за счет работы сторонних сил и зависят от ЭДС $\mathcal{E}$. Основное различие заключается в физической природе и месте действия: работа тока совершается электрическим полем на нагрузке, а работа сторонних сил — неэлектрическими силами внутри источника.