Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

Представим себе, что мы заряжаем шар, размещая на нем электроны по одному. Первому электрону все равно, где находиться, поэтому он останется примерно там, куда его поместили. Когда мы разместим на шаре второй электрон, они, в соответствии с законом Кулона, будут отталкиваться друг от друга и постараются разойтись как можно дальше, а поскольку электроны в металле перемещаются свободно, то наши электроны окажутся на противоположных точках поверхности шара. Третий электрон заставит два других разойтись так, чтобы все три электрона находились на большой окружности («меридиане») шара в вершинах правильного треугольника – именно при этом условии все три электрона находятся как можно дальше друг от друга. Четвертый электрон заставит три помещенных ранее сместиться так, чтобы вчетвером они заняли вершины правильного тетраэдра. Продолжая этот процесс (1 нанокулон – это довольно много электронов; кстати, сколько?), мы заметим, что заряды все время стремятся оставаться на поверхности шара. Чтобы доказать это строго, нам пока не хватит математических знаний, но интуитивно это довольно очевидно. А раз заряд все время остается на поверхности, то в средней части шара зарядов не будет – не важно, имеет ли эта средняя часть радиус в два или в четыре раза меньше радиуса шара.

22. Электрический ток. Закон Ома. Мощность электрического тока

170. Забастовка на игрушечной железной дороге

В отличие от реальной железной дороги, где для передачи энергии двигателю электропоезда нужен верхний провод, в игрушечной железной дороге питание подводится только по рельсам: к одному рельсу подключается плюсовой вывод источника напряжения, ко второму – минусовой. (Почему такая схема не используется на настоящей железной дороге?) Левое и правое колесо игрушечного локомотива служат «токосъемниками» – контактами, через которые двигатель замыкает электрическую цепь, чтобы получить электроэнергию.

Допустим, мы подключили к выводу «—» источника питания внутренний рельс верхнего кольца, а к выводу «+» – внешний рельс верхнего кольца. Внешний рельс верхнего кольца примыкает к внутреннему рельсу правого нижнего кольца. Тот, в свою очередь, смыкается с внешним рельсом левого нижнего кольца, который контактирует с… внутренним рельсом верхнего кольца! Значит, получается, что посредством нескольких колец внутренний рельс верхнего кольца соединен с выводом «+», но он же, по условию, напрямую соединен с выводом «—». Получается, что выводы источника питания замкнуты такой конфигурацией путей накоротко (рис. 86).

Рис. 86

А получится ли соединить похожим образом четыре кольца так, чтобы поезд ездил? Пять колец? Попробуйте вывести общее правило.

Кстати, эта задача чем-то напоминает задачу 59… Сумеете ли вы установить логическую связь между ними?

171. Не просто пожар

Вода – хороший проводник. Даже если пожар начался не из-за замыкания, а, скажем, из-за перегрева проводки, вызванного перегрузкой (к удлинителю подключено слишком много слишком «прожорливых» электроприборов), или даже вовсе не по «электрическим» причинам, вода тем не менее способна замкнуть электрическую цепь и усугубить ситуацию. К тому же, плеснув воды из ведра, можно самому нечаянно стать тем проводником, который замыкает цепь накоротко, а это смертельно опасно.

Первым делом в таком случае нужно отключить питание (как можно дальше от места, где произошло возгорание, лучше всего – на электрическом щитке), а гасить пламя следует песком или огнетушителем. При этом огнетушитель тоже подойдет не всякий: нужен порошковый или углекислотный.

172. Где поставить выключатель?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно чуть подробнее разобраться в том, как действует источник переменного напряжения, который питает все электроприборы в нашем доме. (Отметим, что это все же очень упрощенное описание, в котором многие существенные детали опущены.)

И к розеткам, и к люстрам в вашем доме могут подходить две (в старых домах) или три жилы. Если их две, то это «фаза» L (от английского Line) и «ноль» N (от английского Neutral). Если есть третья жила, то это «земля» PE (от английского Protective Earth). И «ноль», и «земля» заземляются, то есть соединяются с землей (здесь это уже не название одной из жил, а земля в прямом смысле слова), однако делается это с разной целью и в разных местах.