Номер 3, страница 187 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 3. Электрические явления. Параграф 45. Лампа накаливания. Вопросы - номер 3, страница 187.

Условие.

3. Почему нить накала лампы делают из вольфрама?

Решение.

3. Почему нить накала лампы делают из вольфрама?

Нить накала в лампах накаливания изготавливают из вольфрама по нескольким ключевым причинам, связанным с его уникальными физическими свойствами:

1. Высокая температура плавления. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов — около $3422$ °C. Лампа накаливания работает за счет нагрева нити до очень высоких температур (порядка $2000$–$3000$ °C), при которых она начинает ярко светиться в видимом спектре. Большинство других металлов при таких температурах расплавились бы.

2. Низкая скорость испарения (низкое давление паров). Даже при высоких рабочих температурах вольфрам испаряется очень медленно. Это обеспечивает долгий срок службы лампы. Если бы металл испарялся быстро, нить стала бы тоньше и быстро перегорела, а испарившийся материал осел бы на внутренней поверхности колбы, затемняя ее и снижая светоотдачу.

3. Высокое удельное электрическое сопротивление. Вольфрам обладает значительным удельным сопротивлением. Согласно закону Джоуля — Ленца, количество теплоты, выделяемое в проводнике, пропорционально его сопротивлению ($Q = I^2Rt$). Высокое сопротивление позволяет нити эффективно нагреваться до нужной температуры. Кроме того, это позволяет сделать нить достаточно короткой и компактной для размещения в колбе.

4. Механическая прочность. Вольфрам — прочный и твердый металл, что позволяет изготавливать из него очень тонкие нити и сворачивать их в спирали. Он сохраняет свою прочность даже при сильном нагреве, что важно для устойчивости к вибрациям и ударам во время эксплуатации лампы.

Ответ: Нить накала делают из вольфрама из-за его чрезвычайно высокой температуры плавления, низкой скорости испарения при рабочих температурах, высокого удельного сопротивления и хорошей механической прочности, что в совокупности обеспечивает яркое свечение и долгий срок службы лампы.

4. Выведите формулу (45.1).

Поскольку сама формула не приведена, предположим, что формула (45.1) — это закон Джоуля — Ленца, который определяет количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током. Это основная формула в теме, связанной с тепловым действием тока, к которой относится работа лампы накаливания.

Решение

1. Начнем с определения электрического напряжения. Напряжение $\text{U}$ на концах участка цепи равно работе $\text{A}$, совершаемой электрическим полем при перемещении по этому участку заряда $\text{q}$:

$U = \frac{A}{q}$

Из этой формулы можно выразить работу электрического поля:

$A = U \cdot q$

2. Далее используем определение силы тока. Сила тока $\text{I}$ — это заряд $\text{q}$, проходящий через поперечное сечение проводника за единицу времени $\text{t}$:

$I = \frac{q}{t}$

Отсюда выразим заряд, прошедший по цепи за время $\text{t}$:

$q = I \cdot t$

3. Теперь подставим выражение для заряда $\text{q}$ из пункта 2 в формулу для работы $\text{A}$ из пункта 1. Так мы получим формулу для работы электрического тока:

$A = U \cdot (I \cdot t) = UIt$

4. Согласно закону сохранения энергии, если на данном участке цепи не совершается механическая работа и не происходят химические превращения, вся работа электрического тока переходит во внутреннюю энергию проводника, то есть выделяется в виде теплоты $\text{Q}$. Таким образом:

$Q = A = UIt$

5. Наконец, воспользуемся законом Ома для участка цепи, который связывает напряжение $\text{U}$, силу тока $\text{I}$ и сопротивление $\text{R}$:

$U = I \cdot R$

6. Подставим выражение для напряжения $\text{U}$ из закона Ома (пункт 5) в формулу для количества теплоты (пункт 4), чтобы получить искомую формулу:

$Q = (I \cdot R) \cdot It = I^2Rt$

Это и есть закон Джоуля — Ленца.

Ответ: Работа электрического поля по перемещению заряда $\text{q}$ через разность потенциалов $\text{U}$ равна $A = qU$. Так как сила тока $I = q/t$, то $q=It$. Следовательно, работа тока $A = UIt$. Если вся эта работа превращается в тепло, то количество теплоты $Q = A = UIt$. По закону Ома $U=IR$. Подставляя это в формулу для теплоты, получаем итоговое выражение: $Q = (IR)It = I^2Rt$.