Задание(теоретическое исследование), страница 34 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

Даны источники постоянного и переменного напряжений одинаковой величины; лампочка, рассчитанная на это напряжение; три одинаковых закрытых ящика с реостатом, конденсатором и катушкой индуктивности. На ящиках имеются наружные зажимы, к которым подключены реостат, конденсатор и катушка. Как, не открывая ящиков, узнать, что находится в каждом из них?

Для определения содержимого каждого ящика необходимо провести два последовательных эксперимента, используя разное поведение элементов цепи в цепях постоянного и переменного тока.

Шаг 1: Идентификация конденсатора с помощью источника постоянного напряжения.

Собираем последовательную электрическую цепь, состоящую из источника постоянного напряжения, лампочки и одного из ящиков. Поочередно подключаем к цепи каждый из трех ящиков и наблюдаем за поведением лампочки.

1. Если при подключении ящика лампочка не загорается (или вспыхивает на мгновение и гаснет), то в этом ящике находится конденсатор. Это происходит потому, что конденсатор в цепи постоянного тока после своей зарядки представляет собой разрыв цепи, и постоянный ток через него не протекает.

2. В двух других случаях лампочка будет гореть, так как и реостат, и катушка индуктивности (состоящая из проводника) пропускают постоянный ток. Эти два ящика мы пока отложим.

Таким образом, ящик с конденсатором однозначно определен.

Шаг 2: Идентификация реостата и катушки индуктивности с помощью источника переменного напряжения.

Теперь нам нужно различить два оставшихся ящика. Для этого мы будем сравнивать их сопротивление постоянному и переменному току. Активное сопротивление реостата не зависит от рода тока, в то время как катушка индуктивности создает дополнительное реактивное сопротивление в цепи переменного тока.

Сначала возьмем один из оставшихся ящиков и подключим его в последовательную цепь с лампочкой и источником постоянного напряжения. Запомним яркость горения лампочки.

Затем, не меняя ничего в цепи, заменим источник постоянного напряжения на источник переменного напряжения той же величины. Снова наблюдаем за яркостью лампочки.

1. Если яркость лампочки практически не изменилась, то в ящике находится реостат. Его полное сопротивление (импеданс) в цепи переменного тока равно его активному сопротивлению $Z_R = R$, которое не отличается от сопротивления в цепи постоянного тока.

2. Если лампочка стала гореть заметно тусклее, то в ящике находится катушка индуктивности. Ее полное сопротивление переменному току $Z_L$ складывается из ее активного сопротивления (сопротивления провода) $R_{катушки}$ и индуктивного реактивного сопротивления $X_L = \omega L$. Полный импеданс равен $Z_L = \sqrt{R_{катушки}^2 + (\omega L)^2}$. Так как $Z_L > R_{катушки}$, общее сопротивление цепи переменному току будет больше, чем постоянному. В результате сила тока уменьшится, и лампочка будет гореть тусклее.

Проделав эту процедуру с одним из двух оставшихся ящиков, мы определим его содержимое, а содержимое третьего ящика определится методом исключения.

Ответ: Сначала нужно поочередно подключить каждый ящик в цепь с лампочкой и источником постоянного тока. Тот ящик, при подключении которого лампочка не загорится, содержит конденсатор. Затем для двух оставшихся ящиков нужно сравнить яркость горения лампочки при подключении к источнику постоянного и переменного тока. Тот ящик, при замене источника в цепи с которым яркость лампочки не изменится, содержит реостат. Ящик, в цепи с которым лампочка при переходе на переменный ток станет гореть тусклее, содержит катушку индуктивности.