Ответьте на вопросы, страница 171 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему металлы с плотной кристаллической решеткой имеют большее удельное сопротивление?

2. Почему при нагревании проводника его сопротивление увеличивается?

3. Почему лампы накаливания перегорают в момент включения цепи?

1. Удельное сопротивление металлов обусловлено рассеянием свободных электронов на дефектах кристаллической решетки и на ее тепловых колебаниях. Кристаллическая решетка представляет собой упорядоченную структуру, состоящую из ионов, расположенных в узлах. Свободные электроны движутся в пространстве между этими ионами. В металлах с более плотной кристаллической решеткой расстояние между ионами меньше. Это означает, что при своем движении свободные электроны с большей вероятностью будут сталкиваться с ионами решетки. Чем чаще происходят столкновения, тем большее сопротивление испытывают электроны на своем пути. Увеличение частоты столкновений сокращает среднюю длину свободного пробега электрона, что и приводит к увеличению удельного сопротивления материала.

Ответ: Металлы с плотной кристаллической решеткой имеют большее удельное сопротивление, так как в такой структуре свободные электроны чаще сталкиваются с ионами, что затрудняет их упорядоченное движение.

2. При нагревании проводника увеличивается внутренняя энергия его кристаллической решетки. Это приводит к тому, что ионы в узлах решетки начинают колебаться с большей амплитудой и частотой. В результате этого хаотичного теплового движения ионы создают большие "помехи" для направленного движения свободных электронов, которые и образуют электрический ток. Амплитуда колебаний ионов увеличивается, и, как следствие, возрастает вероятность их столкновения с электронами. Частые столкновения тормозят упорядоченное движение электронов, что на макроскопическом уровне проявляется как увеличение электрического сопротивления проводника. Зависимость сопротивления от температуры для металлов в определенном диапазоне температур можно описать формулой: $R = R_0(1 + \alpha \Delta T)$, где $R_0$ — сопротивление при начальной температуре, $\alpha$ — температурный коэффициент сопротивления (для металлов он положителен), а $\Delta T$ — изменение температуры.

Ответ: При нагревании проводника ионы его кристаллической решетки колеблются с большей амплитудой, что увеличивает частоту их столкновений с движущимися электронами и, следовательно, повышает сопротивление.

3. Нить накала в лампе (обычно из вольфрама) в холодном состоянии имеет очень низкое электрическое сопротивление. В момент включения лампы в сеть, согласно закону Ома $I = U/R$, через холодную нить с малым сопротивлением $R_{холод}$ протекает очень большой ток, называемый пусковым током. Этот ток может в 10-15 раз превышать рабочий ток лампы. Такой большой ток вызывает мгновенный и очень сильный нагрев нити накала по закону Джоуля-Ленца ($P = I^2R$). По мере нагревания сопротивление нити $R$ резко возрастает, и ток снижается до своего нормального рабочего значения. Однако этот первоначальный бросок тока и резкий нагрев (термический удар) создают огромную нагрузку на нить. Со временем, в процессе эксплуатации, нить накала истончается из-за испарения материала. В самых тонких и ослабленных местах нити этот пусковой ток и термический удар приводят к ее разрыву.

Ответ: Лампы накаливания перегорают в момент включения из-за большого пускового тока, который возникает из-за низкого сопротивления холодной нити накала, что создает термический и механический шок, разрушающий ослабленную со временем нить.