Номер 4, страница 73 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

4. Опишите опыты, подтверждающие основные закономерности.

Основные закономерности в учении об электричестве могут быть подтверждены рядом классических опытов. Ниже описаны некоторые из них.

Опыт, подтверждающий закон Кулона

Для экспериментальной проверки закона Кулона используются крутильные весы. Это чувствительный прибор, позволяющий измерять малые силы.

Ход опыта:

1. Два небольших проводящих шарика заряжают электрическими зарядами $q_1$ и $q_2$. Один шарик закрепляют неподвижно, а второй подвешивают на тонкой упругой нити.
2. При сближении шариков между ними возникает сила электростатического взаимодействия (притяжения или отталкивания), которая закручивает нить подвеса.
3. Угол закручивания нити, который можно измерить по шкале, пропорционален силе взаимодействия $F$.
4. Экспериментатор изменяет расстояние $r$ между центрами шариков и измеряет соответствующую силу $F$. Анализ данных показывает, что сила обратно пропорциональна квадрату расстояния: $F \propto \frac{1}{r^2}$.
5. Далее, изменяют величину зарядов на шариках (например, приводя заряженный шарик в соприкосновение с таким же незаряженным, заряд делится пополам) и снова измеряют силу взаимодействия при фиксированном расстоянии. Эти измерения показывают, что сила прямо пропорциональна произведению величин зарядов: $F \propto |q_1 q_2|$.

Объединение этих двух закономерностей приводит к формуле закона Кулона: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$, где $k$ – коэффициент пропорциональности.

Ответ: Опыт с крутильными весами доказывает, что сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Опыт, подтверждающий закон Ома для участка цепи

Этот опыт демонстрирует зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах и от его сопротивления.

Ход опыта:

1. Собирается электрическая цепь, состоящая из источника тока, напряжение которого можно регулировать, исследуемого проводника (резистора), амперметра, ключа и соединительных проводов. Все элементы соединяются последовательно.
2. Параллельно исследуемому проводнику подключается вольтметр для измерения напряжения $U$ на нем.
3. Замыкают ключ. Постепенно изменяя напряжение источника, снимают показания амперметра (сила тока $I$) и вольтметра ($U$).
4. Данные заносят в таблицу. Расчет отношения $U/I$ для каждой пары значений показывает, что эта величина остается практически постоянной. Эта постоянная величина и является сопротивлением проводника $R$.
5. Построение графика зависимости силы тока $I$ от напряжения $U$ дает прямую линию, проходящую через начало координат. Это графически подтверждает прямую пропорциональность $I \propto U$.

Результаты опыта приводят к формулировке закона Ома для участка цепи: $I = \frac{U}{R}$.

Ответ: Опыт демонстрирует, что сила тока на участке цепи прямо пропорциональна приложенному к этому участку напряжению и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Опыты, подтверждающие законы последовательного и параллельного соединений

1. Последовательное соединение

Ход опыта: Собирают цепь из источника тока и двух последовательно соединенных резисторов $R_1$ и $R_2$. С помощью амперметра, включаемого в разные точки цепи, устанавливают, что сила тока везде одинакова: $I_{общ} = I_1 = I_2$. С помощью вольтметров измеряют напряжение на каждом резисторе ($U_1$, $U_2$) и общее напряжение на двух резисторах ($U_{общ}$). Измерения показывают, что $U_{общ} = U_1 + U_2$. Используя закон Ома, из этого соотношения получают формулу для общего сопротивления: $R_{общ} = R_1 + R_2$.

Ответ: Опыт доказывает, что при последовательном соединении сила тока во всех проводниках одинакова, общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных проводниках, а общее сопротивление равно сумме их сопротивлений.

2. Параллельное соединение

Ход опыта: Собирают цепь, в которой два резистора $R_1$ и $R_2$ подключены параллельно. С помощью вольтметра убеждаются, что напряжение на параллельных ветвях одинаково: $U_{общ} = U_1 = U_2$. С помощью амперметров измеряют ток в общей части цепи ($I_{общ}$) и в каждой из ветвей ($I_1$, $I_2$). Измерения показывают, что $I_{общ} = I_1 + I_2$. Из этого соотношения, используя закон Ома, получают формулу для общего сопротивления: $\frac{1}{R_{общ}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}$.

Ответ: Опыт доказывает, что при параллельном соединении напряжение на всех ветвях одинаково, общая сила тока равна сумме токов в ветвях, а величина, обратная общему сопротивлению, равна сумме величин, обратных сопротивлениям ветвей.

Опыт, подтверждающий закон Джоуля-Ленца

Этот опыт демонстрирует тепловое действие тока и позволяет количественно его измерить.

Ход опыта:

1. Нагревательный элемент (спираль с сопротивлением $R$) помещают в калориметр – сосуд с водой известной массы $m$.
2. Измеряют начальную температуру воды $T_{нач}$.
3. Через спираль в течение определенного времени $t$ (измеренного секундомером) пропускают электрический ток $I$, величину которого измеряют амперметром.
4. После выключения тока измеряют конечную температуру воды $T_{кон}$.
5. Количество теплоты, полученное водой, рассчитывают по формуле: $Q = c m (T_{кон} - T_{нач})$, где $c$ – удельная теплоемкость воды.
6. Проводя серию опытов, изменяя силу тока $I$, сопротивление $R$ (используя другие спирали) и время $t$, устанавливают, что количество выделяемой теплоты $Q$ пропорционально каждой из этих величин: $Q \propto I^2$, $Q \propto R$, $Q \propto t$.

Объединение этих зависимостей дает закон Джоуля-Ленца: $Q = I^2 R t$.

Ответ: Опыт с калориметром доказывает, что количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.