Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

Внимательно глядя на цель, мы видим, что в нее включен конденсатор. В цепи постоянного тока конденсатор представляет собой разрыв цепи, поскольку через него ток не течет. Поэтому мы можем предположить, что второе наблюдение из описанных в условии задачи было выполнено тогда, когда цепь подключили к источнику постоянного напряжения. Однако там есть один загадочный момент: сказано, что лампочка мигнула и погасла, то есть в течение очень короткого промежутка времени ток через лампочку все же шел. Почему?

Утверждение, гласящее, что конденсатор – это разрыв в цепи постоянного тока, относится к ситуации, когда ток в цепи уже установился. Но в первые мгновения после замыкания ключа в цепи происходят не совсем обычные события. На «плюсовом» разъеме источника питания наблюдается недостаток электронов, а на «минусовом» – избыток. По сути дела, «плюсовая» клемма напоминает «тело, заряженное положительно», а «минусовая» – «тело, заряженное отрицательно». Войдя в контакт с нейтральными проводниками, эти «тела» начнут «делиться» своим зарядом: электроны двинутся по цепи к «плюсовой» клемме и от «минусовой», поскольку заряд стремится распределиться по проводнику. Это значит, что обкладку конденсатора со стороны «плюсовой» клеммы электроны будут покидать, а на обкладке со стороны «минусовой» – накапливаться. Начнется процесс зарядки конденсатора. По мере роста заряда на обкладках между обкладками возникнет электрическое поле, которое остановит перетекание зарядов. Ток в цепи исчезнет. Однако в течение того короткого времени, пока заряжался конденсатор, ток по цепи проходил – и лампочка горела.

Источник переменного напряжения все время перезаряжает конденсатор: одна и та же обкладка конденсатора становится то положительно, то отрицательно заряженной, а в остальной цепи все время протекает ток, который при этом постоянно меняет направление на противоположное. Другими словами, для цепи переменного тока конденсатор разрывом цепи не выступает. Раз есть ток, то и лампочка горит постоянно.

176. Нуллибер и Винкель изучают силу тока

Разглядывая карточки, мы можем заметить, что они разбиваются на две группы: в одну входят две карточки с достаточно большими значениями тока, в другую – три карточки с намного более низкими значениями.

Терпеливо нарисовав все варианты схемы, мы увидим, что без медного провода и при его подключении к точке 1 амперметр измеряет ток во всей цепи, а при подключении к точкам 2, 3 и 4 амперметр остается в одной из двух параллельных ветвей схемы, причем вторую ветвь в этом случае образует сам медный провод. Поскольку медь очень хороший проводник, то сопротивление медного провода будет низким, следовательно, заметная часть тока будет течь по этой ветви. Пропорции будут зависеть от соотношения сопротивлений проводников, но на долю второй ветви в любом случае придется лишь часть всего тока в цепи. Значит, два больших значения тока соответствуют отсутствию медного провода и его подключению к точке 1, а три меньших значения – подключению к точкам 2, 3 и 4.

Мы можем уверенно сказать, что при подключении медного провода к точке 1 сопротивление участка от вывода источника питания до точки 1 упадет, а значит, упадет общее сопротивление цепи, поэтому, по закону Ома, ток в цепи несколько вырастет. Поэтому значение 0,25 А соответствует подключению к точке 1, а значение 0,22 А – изначальному замеру.

А вот три карточки с маленькими значениями так уверенно разложить не получится: значения очень близкие, и здесь многое зависит от соотношения сопротивлений в цепи. Можно лишь робко предположить, что наибольшее из этих трех значений (0,04 А) соответствует подключению медного провода к точке 4: это практически короткое замыкание, так что ток во всей цепи вырастет очень заметно, а значит, может увеличиться даже в ветке с лампочками.

К сожалению, Винкелю и Нуллиберу придется повторить часть измерений, а вы тем временем можете заняться расчетами. Попробуйте вычислить ток, протекающий через амперметр в каждом варианте подключения, если источник питания выдает постоянное напряжение 4,5 В, сопротивление каждой из лампочек равно 7 Ом, сопротивление медного провода равно 0,5 Ом, участок цепи от вывода источника питания до точки 1 имеет сопротивление 3 Ом (да, мы привыкли для простоты считать, что у соединительных проводников сопротивления нет, однако достаточно тонкие и достаточно длинные проводки могут иметь заметное сопротивление!), такое же сопротивление 3 Ом имеет участок от точки 4 до второго вывода источника питания, а проводники на остальных участках достаточно короткие, чтобы их сопротивлением можно было пренебречь. Амперметр считайте идеальным, то есть имеющим нулевое сопротивление. Получились ли у вас такие значения, как на карточках? (Помните, что измерительные приборы имеют ограниченную точность.)

Сможете ли вы описать, как должны были вести себя лампочки при каждом варианте подключения медного провода?