Номер 2, страница 10 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

2. Мягкая пружина из нескольких крупных витков провода подвешена к потолку. Верхний конец пружины подключён к источнику тока через ключ K, а нижний — с помощью длинного мягкого провода (см. рис.). Как изменится длина пружины через достаточно большое время после размыкания ключа K? Ответ поясните, указав, какие физические явления и закономерности вы использовали для объяснения.

Когда ключ K замкнут, по виткам пружины, которая представляет собой соленоид, протекает электрический ток. Направление тока во всех витках одинаково (например, по часовой стрелке, если смотреть сверху).

Согласно закону Ампера, два параллельных проводника с токами, текущими в одном направлении, притягиваются друг к другу. Витки пружины можно рассматривать как совокупность таких параллельных проводников. Следовательно, между витками пружины возникают силы магнитного притяжения, которые сжимают пружину. Таким образом, в состоянии с замкнутым ключом длина пружины меньше, чем была бы в отсутствие тока.

Также при протекании тока пружина нагревается в соответствии с законом Джоуля-Ленца. Тепловое расширение материала провода приводит к некоторому увеличению длины пружины. Однако в задачах такого типа, где речь идет о «мягкой пружине», основной эффект, определяющий заметное изменение длины — это магнитное взаимодействие витков.

После размыкания ключа K ток в цепи прекращается. Это приводит к двум последствиям:

1. Исчезает магнитное поле, создаваемое током. Вместе с ним исчезают и силы магнитного притяжения между витками, которые сжимали пружину. Под действием силы тяжести (и/или внутренних сил упругости) пружина стремится распрямиться, что ведет к её удлинению.
2. Прекращается выделение тепла, и пружина начинает остывать до температуры окружающей среды. Остывание вызывает тепловое сжатие, что ведет к укорочению пружины.

В данном случае основным является магнитный эффект. Силы магнитного взаимодействия для соленоида значительны и вызывают заметное сжатие пружины. Поэтому после отключения тока исчезновение этой сжимающей силы приведёт к тому, что пружина удлинится. Изменение длины из-за остывания, как правило, значительно меньше. Таким образом, через достаточно большое время, когда все переходные процессы (включая затухающие механические колебания и остывание) завершатся, пружина установится в новом положении равновесия.

Выводы и используемые физические явления и закономерности:

• Протекание тока по соленоиду (пружине) создает магнитное поле.
• Взаимодействие параллельных токов (закон Ампера): витки пружины с сонаправленными токами притягиваются, что приводит к сжатию пружины.
• Закон Гука: пружина находится в равновесии под действием силы тяжести, силы упругости и силы магнитного взаимодействия.
• При размыкании цепи магнитное взаимодействие исчезает, и пружина удлиняется, приходя в новое состояние равновесия, определяемое только силой тяжести и силой упругости.

Ответ: Длина пружины увеличится. Это произойдет потому, что при размыкании ключа исчезнет электрический ток, а вместе с ним и силы магнитного притяжения между витками, которые сжимали пружину.