Задание(экспериментальное исследование), страница 57, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

Даны источники постоянного и переменного напряжения 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 ящики, узнать, что находится в каждом из них?

Для того чтобы определить, какой элемент находится в каждом из трех ящиков, не вскрывая их, необходимо провести последовательные эксперименты, используя источники постоянного и переменного тока, а также лампочку в качестве индикатора силы тока в цепи. Решение основано на различном поведении реостата, конденсатора и катушки индуктивности в цепях постоянного и переменного тока.

1. Эксперимент с источником постоянного тока.

Собираем электрическую цепь, последовательно соединив лампочку, один из ящиков и источник постоянного напряжения. Поочередно подключаем каждый из трех ящиков и наблюдаем за поведением лампочки.

• Если лампочка кратковременно вспыхивает и гаснет, то в ящике находится конденсатор. Конденсатор для постоянного тока представляет собой разрыв цепи. Ток течет только в момент его зарядки, после чего прекращается.

• Если лампочка загорается и продолжает гореть, то в ящике может быть либо реостат, либо катушка индуктивности. Оба этих элемента обладают активным сопротивлением и пропускают постоянный ток.

Таким образом, после первого этапа мы однозначно определим ящик с конденсатором.

2. Эксперимент с источниками постоянного и переменного тока.

Теперь необходимо различить два оставшихся ящика. Для этого мы будем сравнивать яркость горения лампочки при подключении этих ящиков к источникам постоянного и переменного тока. Напряжение постоянного тока и действующее (RMS) значение переменного напряжения одинаковы.

Сначала подключаем один из оставшихся ящиков последовательно с лампочкой к источнику постоянного тока и запоминаем яркость свечения. Затем ту же цепь подключаем к источнику переменного тока и сравниваем яркость.

• Если яркость свечения лампочки в цепи переменного тока практически такая же, как и в цепи постоянного тока, то в ящике находится реостат. Сопротивление реостата (активное сопротивление $R$) не зависит от частоты тока. Поэтому сила тока в цепи, определяемая законом Ома ($I = U/R$ для постоянного тока и $I_{действ} = U_{действ}/R$ для переменного), будет одинаковой в обоих случаях (пренебрегая сопротивлением лампочки и его зависимостью от температуры), что приведет к одинаковой яркости.

• Если лампочка в цепи переменного тока горит заметно тусклее, чем в цепи постоянного тока, то в ящике находится катушка индуктивности. В цепи постоянного тока сопротивление катушки определяется только ее малым активным сопротивлением обмотки $R_L$. В цепи переменного тока катушка обладает не только активным, но и индуктивным сопротивлением $X_L = \omega L$, где $\omega$ — угловая частота тока. Полное сопротивление цепи (импеданс) $Z = \sqrt{(R_{ламп} + R_L)^2 + X_L^2}$ оказывается значительно больше, чем сопротивление цепи постоянному току $R_{пост} = R_{ламп} + R_L$. Следовательно, сила тока в цепи переменного тока будет меньше, и лампочка будет гореть тусклее.

Проделав эту процедуру со вторым неопознанным ящиком, мы определим его содержимое. Третий ящик определяется по остаточному принципу.

Ответ: 1. Собрать цепь из источника постоянного тока, лампочки и одного из ящиков. Поочередно подключить все ящики. Тот ящик, при подключении которого лампочка не загорится (лишь кратковременно вспыхнет), содержит конденсатор. 2. Два оставшихся ящика поочередно подключать в цепь с лампочкой сначала к источнику постоянного тока, а затем — к источнику переменного тока. Тот ящик, при котором лампочка в цепи переменного тока будет гореть значительно тусклее, содержит катушку индуктивности. В ящике, где яркость свечения лампочки практически не изменится, находится реостат.