Номер 7.4, страница 38 - гдз по физике 9 класс задачник Артеменков, Ломаченков

VII. Квантовые явления - номер 7.4, страница 38.

Условие.

7.4 Объясните, почему уменьшение напряжения на спирали лампы накаливания приводит к уменьшению яркости лампы и свечение приобретает красноватый оттенок.

Решение.

Решение

Данное явление объясняется двумя ключевыми физическими принципами: зависимостью мощности электрического тока от напряжения и законами теплового излучения.

Уменьшение яркости лампы

Яркость свечения лампы накаливания напрямую связана с мощностью ($P$), выделяемой на её спирали в виде тепла и света. Мощность можно рассчитать, используя закон Джоуля-Ленца и закон Ома. Формула, связывающая мощность с напряжением ($U$) и сопротивлением спирали ($R$), выглядит так:

$P = \frac{U^2}{R}$

Из этой формулы следует, что мощность пропорциональна квадрату напряжения. Это означает, что даже небольшое снижение напряжения приводит к значительному уменьшению мощности. Поскольку именно выделяемая мощность определяет количество излучаемого света, яркость лампы падает.

Приобретение свечением красноватого оттенка

Цвет свечения нагретого тела зависит от его температуры. Спираль лампы является тепловым источником света, и её излучение можно описать законами излучения абсолютно чёрного тела. Согласно закону смещения Вина, длина волны ($\lambda_{max}$), на которую приходится максимум энергии в спектре излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре тела ($T$):

$\lambda_{max} = \frac{b}{T}$

где $b$ — постоянная Вина. Когда напряжение уменьшается, мощность падает, и спираль остывает — её температура ($T$) снижается. В соответствии с законом Вина, при понижении температуры максимум спектра излучения смещается в сторону более длинных волн. В видимой части спектра длинным волнам соответствует красный цвет, а коротким — синий. При нормальной рабочей температуре спираль излучает достаточно энергии во всех частях видимого спектра, и свет кажется белым или желтовато-белым. При остывании доля излучения в красной области спектра становится преобладающей, поэтому свечение лампы приобретает красноватый оттенок.

Ответ: Уменьшение напряжения на спирали лампы приводит к снижению выделяемой на ней мощности ($P \propto U^2$), из-за чего падает яркость. Одновременно снижается температура спирали, что, согласно закону смещения Вина, смещает максимум спектра излучения в сторону длинных волн. Это визуально воспринимается как смещение цвета свечения в красную сторону, поэтому оно приобретает красноватый оттенок.