Номер 5, страница 26 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 8. Соединения проводников. Глава 1. Постоянный электрический ток - номер 5, страница 26.

5. Какую гидродинамическую аналогию можно использовать для моделирования последовательного и параллельного соединений проводников?

Решение

Для моделирования электрических цепей используется гидродинамическая аналогия, где физические величины, описывающие электрический ток, сопоставляются с величинами, описывающими течение жидкости по трубам. Основные соответствия в этой аналогии:

• Сила тока ($I$), представляющая собой направленное движение зарядов, аналогична объемному расходу жидкости ($Q$) — объему воды, протекающей через сечение трубы за единицу времени.
• Электрическое напряжение ($U$), или разность потенциалов, которое является причиной движения зарядов, аналогично разности давлений ($\Delta p$) между двумя точками трубопровода, которая заставляет жидкость течь.
• Электрическое сопротивление ($R$), характеризующее противодействие проводника току, аналогично гидродинамическому сопротивлению ($R_h$), которое труба (из-за своей узости, длины, шероховатости) оказывает потоку жидкости.

На основе этой аналогии можно смоделировать различные типы соединений.

Последовательное соединение

В электрической цепи при последовательном соединении общее сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных проводников ($R_{общ} = R_1 + R_2 + ...$), а сила тока через каждый проводник одинакова.

Гидродинамической аналогией является система из нескольких труб, соединенных одна за другой. Чтобы пройти через такую систему, вода должна последовательно преодолеть каждую трубу. При этом:

• Расход воды (аналог тока) во всех участках трубы будет одинаковым.
• Общее гидравлическое сопротивление системы будет равно сумме сопротивлений каждой отдельной трубы. Узкие или длинные участки будут вносить больший вклад в общее сопротивление.
• Общий перепад давления, необходимый для поддержания потока, будет равен сумме перепадов давления на каждом из последовательно соединенных участков.

Ответ: Последовательное соединение проводников моделируется системой труб, соединенных друг за другом в одну общую магистраль.

Параллельное соединение

При параллельном соединении напряжение на всех ветвях цепи одинаково, а общий ток равен сумме токов в каждой ветви ($I_{общ} = I_1 + I_2 + ...$). Общее сопротивление уменьшается, так как появляются дополнительные пути для тока ($1/R_{общ} = 1/R_1 + 1/R_2 + ...$).

Гидродинамической аналогией является разветвление основной трубы на несколько параллельных потоков, которые затем снова сливаются в один. При этом:

• Перепад давления (аналог напряжения) между точкой разветвления и точкой слияния будет одинаковым для всех параллельных труб.
• Общий поток воды (аналог общего тока) разделится между ветвями. Причем через трубу с меньшим гидравлическим сопротивлением (например, более широкую) потечет больше воды. Общий расход будет равен сумме расходов в каждой ветви.
• Общее гидравлическое сопротивление системы будет меньше сопротивления любой из параллельных труб, так как для потока создаются обходные пути.

Ответ: Параллельное соединение проводников моделируется разветвлением трубопровода на несколько параллельных каналов (труб), которые затем снова объединяются.