Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Словарь единиц измерения

Ниже дан словарь некоторых единиц измерения, который может оказаться полезным. При решении задач нельзя допускать жаргонного употребления приведенных ниже соотношений вместо названий соответствующих физических величин.

1 джоуль = 1 ньютон-метр

1 ампер = 1 кулон/сек

1 ватт = 1 джоуль/сек

1 вольт = 1 джоуль/кулон

1 ом = 1 вольт/ампер

Задачи к главе 32

Задачи 1—19 приведены в тексте главы.

Задача 20. Смысл «вольтов» и т. д.

Утверждение «сила тока в цепи равна 5 а» означает, что через каждое сечение проводников в цепи за каждую секунду проходит 5 кулонов. Спишите следующие утверждения и дополните их аналогичным образом.

а) Утверждение «сила тока в цепи равна… ампер» означает, что…

б) Утверждение «к небольшому нагревателю подводится мощность 10 вт» означает, что…

в) Утверждение «напряжение между концами проводника равно 12 в» означает, что…

Задача 21. Нити накала ламп

Две лампочки накаливания, А и Б , рассчитаны на различные напряжения, но обе дают одну и ту же мощность при нормальном режиме работы. Лампочка А светит на полную яркость при 6 в, Б — при 120 в.

а) Какой ток потребляет лампочка Б по сравнению с А , больший или меньший?

б) Дайте четкое обоснование вашему ответу на вопрос а) .

в) Какой должна быть нить накала у лампочки Б , более короткой или более длинной, чем у лампочки А , при одинаковой толщине?

г) Какой должна быть нить накала у лампочки Б , более толстой или более тонкой, чем у А , при одинаковой длине?

д) Дайте четкие обоснования вашим ответам на вопросы в) и г) .

Задача 22

Дуговая лампа устойчиво горит, когда напряжение на ней равно 70 в.

Какое сопротивление нужно включить последовательно с лампой, если ее подключат к источнику с напряжением 100 в?

а) Напряжение источника 100 в. Что это означает?

б) Напряжение между концами дуги 70 в. Что это означает?

в) Какое, следовательно, напряжение должно быть на добавочном сопротивлении?

г) Если дуга потребляет силу тока 5 а, то какой ток должен течь по сопротивлению?

д) Каково должно быть сопротивление соответствующего резистора?

е) Начертите цепь, состоящую из источника питания, дуговой лампы и добавочного резистора.

Задача 23. Сопротивление лампы накаливания

а) Лампа накаливания потребляет 200 вт. Что это означает?

б) Лампа работает от 100-вольтового источника питания. Что это означает?

в) Какой ток потребляет лампа?

г) Каково сопротивление лампы, когда она горит?

(Покажите, как вы пришли к своим ответам.)

Задача 24. Электронвольты

Когда электрон движется против направления поля, его энергия возрастает благодаря действию на него поля. Если электрон переместился из одной точки в другую, разность потенциалов между которыми 1 в, то говорят, что электрон приобретает один «электронволът» энергии (1 эв). Используя величину заряда электрона и определение вольта, вычислите значение одного электронвольта в джоулях.

(Заряд одного электрона равен — 1,60∙10 -19кулон.)

Хотя это и отрицательный заряд (в соответствии с нашим выбором знаков), электронвольт не есть отрицательная энергия. Электрон, обладающий отрицательным зарядом, приобретает энергию, проходя отрицательную разность потенциалов, например, — 1 в.

Задача 25

Полкилограмма урана (U 235) содержит примерно 10 24атомов. Установлено опытом, что при делении одного атома U 235освобождается примерно 200 000 000 электронвольт энергии.

а) Какое количество тепла выделилось бы при полном делении полкилограмма U 235;

б) Уголь, состоящий главным образом из углерода, дает 7000 килокалорий при сгорании 1 кг с образованием СО 2. Во сколько раз больше энергии дают 0,5 кг U 235по сравнению с 0,5 кг угля?

в) Масса атома углерода близка к 1/ 20массы атома урана, поэтому 0,5 кг угля содержат свыше 20∙10 24атомов. Подсчитайте, какое количество энергии в электронвольтах на атом выделяется при сгорании угля. (Данные приближенные, и ваша оценка может быть верна с ошибкой 10–20 %.)

Задача 26

а) Для какой величины служит единицей измерения киловатт∙час?

б) Выразите 1 киловатт-час в других общепринятых единицах (не употребляя слова «ватт»),

в) Во многих городах 1 киловатт∙час стоит примерно 4 цента. Предположите для удобства расчетов, что 1 киловатт∙час стоит 3,6 цента. В таком случае 1 центом можно было бы оплатить…?

(Укажите число и единицу измерения.)

Задача 27. Общее свойство напряжения

В этой задаче рассматривается важное свойство напряжения (разности потенциалов) как величины, входящей в расчет энергии. Предположим, что в ветвях цепи на участке от X до Y , о котором идет речь ниже, нет «источников» э.д.с. — батарей, где происходят химические превращения, или генераторов с меняющимся магнитным полем. Тогда мы можем сказать, что каждый кулон растрачивает в какой-то форме в интервале между X и Y электрическую потенциальную энергию, принесенную из другого участка цепи.

Фиг. 48. К задаче 27.

а) В некоторой цепи два проводника А и Б соединены параллельно, как показано на фигуре. Для измерения напряжения между концами проводника А используют вольтметр. Вольтметр показывает 100 в.

1) Что такое напряжение между концами проводника Б ?

2) Предположим, что напряжение между концами проводника Б не то же самое, что напряжение между концами проводника А , скажем напряжение на Б равно 101 в. Что произойдет, если пустить 1 кулон по пути Б и затем, затратив достаточное количество энергии (из той, что при этом выделится), перетащить этот кулон обратно по пути А ? Какое количество энергии мы приобрели бы (из ничего) при таком обходе?

Какой вывод вы можете сделать из этого рассуждения относительно поставленного выше вопроса 1) ?

б) Как и в задаче а) , имеются две параллельные ветви. Одна из них — проводник А , концы которого совпадают с точками X и Y ; другая — радиолампа, в которой из раскаленной нити накала испускаются электроны; электроны движутся в лампе между X и Y . Если напряжение между концами проводника А 100 в, то, согласно рассуждениям, проведенным в а) , напряжение между выводами радиолампы должно быть…?

в) Точки X и Y соединены проводником А , как в задаче б) , а другой путь от X до Y проходит не через проводник или радиолампу, а по воздуху, вдоль траектории блуждающего электрона, которому удается попасть из X в Y , избежав захвата. Если разность потенциалов между концами ника 100 в, то какую разность потенциалов проходит заряд, движущийся вдоль указанной траектории электрона?