сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 0 № 4606
i

Юному школь­ни­ку дали за­да­ние  — из­ме­рить за­ви­си­мость со­про­тив­ле­ния про­во­да от его длины. Школь­ник решил на­чать де­лать из­ме­ре­ния, не до­ста­вая из ко­роб­ки про­вод. Он вы­та­щил часть про­во­да из ко­роб­ки таким об­ра­зом, что концы про­во­да оста­лись внут­ри. Один кон­такт ом­мет­ра он рас­по­ло­жил на про­из­воль­ном участ­ке вы­тя­ну­то­го про­во­да, а вто­рой начал плав­но ото­дви­гать от пер­во­го. Ре­зуль­та­ты дан­но­го экс­пе­ри­мен­та вы мо­же­те уви­деть на гра­фи­ке за­ви­си­мо­сти по­ка­за­ния ом­мет­ра от рас­сто­я­ния между клем­ма­ми вдоль про­во­да:

Объ­яс­ни­те, по­че­му на гра­фи­ке за­ви­си­мость не­ли­ней­на? Ка­ко­ва ми­ни­маль­но воз­мож­ная длина про­во­да в ко­роб­ке?

Учи­тель, ко­то­рый уви­дел дан­ную ра­бо­ту и усло­вия её вы­пол­не­ния, после не­боль­шо­го шока дал уче­ни­ку дру­гое за­да­ние: взять ого­лен­ный про­вод длины L и со­про­тив­ле­ния R и скру­тить из него N оди­на­ко­вых ко­ле­чек не раз­ры­вая про­вод, как по­ка­за­но на ри­сун­ке. Пер­вый кон­такт ом­мет­ра он велел ему рас­по­ло­жить в точке А, рас­по­ла­га­ю­щей­ся на оси сим­мет­рии, а вто­рой на­чать плав­но ото­дви­гать от точки А вдоль про­во­да. Изоб­ра­зи­те схе­ма­тич­но гра­фик за­ви­си­мо­сти по­ка­за­ний ом­мет­ра от рас­сто­я­ния по го­ри­зон­та­ли между клем­ма­ми при­бо­ра R(x) в дан­ном слу­чае. Ука­жи­те ха­рак­тер­ные точки и мас­шта­бы гра­фи­ка.

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

1)  У школь­ни­ка не по­лу­чи­лось пра­виль­но из­ме­рить за­ви­си­мость, по­то­му что внут­ри ко­роб­ки про­вод за­мкнул­ся. Ми­ни­маль­ная длина воз­мож­на в том слу­чае, если за­мкнут­ся кон­так­ты на кон­цах, по­лу­чим такую схему со­еди­не­ния ре­зи­сто­ров:

При па­рал­лель­ном со­еди­не­нии ре­зи­сто­ров общее со­про­тив­ле­ние вы­счи­ты­ва­ет­ся:

 R_\text общ = дробь: чис­ли­тель: R_1 умно­жить на R_2, зна­ме­на­тель: R_1 плюс R_2 конец дроби = дробь: чис­ли­тель: \rho дробь: чис­ли­тель: x, зна­ме­на­тель: S конец дроби умно­жить на \rho дробь: чис­ли­тель: L минус X, зна­ме­на­тель: S конец дроби , зна­ме­на­тель: \rho дробь: чис­ли­тель: x, зна­ме­на­тель: S конец дроби плюс \rho дробь: чис­ли­тель: L минус X, зна­ме­на­тель: S конец дроби конец дроби = дробь: чис­ли­тель: \rho x левая круг­лая скоб­ка L минус x пра­вая круг­лая скоб­ка , зна­ме­на­тель: S конец дроби .

По­лу­ча­ем квад­ра­тич­ную за­ви­си­мость от рас­сто­я­ния между кон­так­та­ми, как и на нашем гра­фи­ке.

R левая круг­лая скоб­ка x_1 пра­вая круг­лая скоб­ка = дробь: чис­ли­тель: \rho x_1 левая круг­лая скоб­ка L минус x_1 пра­вая круг­лая скоб­ка , зна­ме­на­тель: S конец дроби , R левая круг­лая скоб­ка x_2 пра­вая круг­лая скоб­ка = дробь: чис­ли­тель: \rho x_2 левая круг­лая скоб­ка L минус x_2 пра­вая круг­лая скоб­ка , зна­ме­на­тель: S конец дроби .

Удоб­но взять зна­че­ния в точ­ках пе­ре­се­че­ния кле­ток

R левая круг­лая скоб­ка 20 см пра­вая круг­лая скоб­ка =5 Ом, R левая круг­лая скоб­ка 40 см пра­вая круг­лая скоб­ка =8 Ом.

Решая дан­ную си­сте­му урав­не­ний, по­лу­ча­ем ми­ни­маль­ную длину L=1 м.

2)  Те­перь рас­смот­рим си­ту­а­цию, когда про­вод длины L скру­чен N раз:

Крас­ны­ми точка от­ме­че­но дви­же­ние вто­ро­го кон­так­та.

В слу­чае, если мы дви­жем­ся по пер­во­му участ­ку, то дан­ная за­да­ча никак не от­ли­ча­ет­ся от пер­вой. Будет такая же квад­ра­тич­ная за­ви­си­мость со­про­тив­ле­ния от длины.

 r левая круг­лая скоб­ка x пра­вая круг­лая скоб­ка = дробь: чис­ли­тель: \rho x левая круг­лая скоб­ка L минус x пра­вая круг­лая скоб­ка , зна­ме­на­тель: S конец дроби .

Но после пе­ре­хо­да на вто­рой уча­сток, у нас будет по­сле­до­ва­тель­ное со­еди­не­ние пер­во­го ко­леч­ка и вто­ро­го. Вклад от пер­во­го будет фик­си­ро­ван­ным и рав­нять­ся r= дробь: чис­ли­тель: R, зна­ме­на­тель: 4 N конец дроби , а за­ви­си­мость у вто­ро­го будет такая же, как у пер­во­го. По­лу­ча­ет­ся, что общее со­про­тив­ле­ние будет их сум­мой. Далее будет про­ис­хо­дить то же самое. При пе­ре­хо­де на сле­ду­ю­щие ко­леч­ки, вклад от преды­ду­щих будет фик­си­ро­ван­ным и рав­нять­ся r= дробь: чис­ли­тель: R, зна­ме­на­тель: 4 N конец дроби . По­лу­ча­ет­ся гра­фик «на­сту­па­ю­щих друг на на друга па­ра­бол:

Шаг по оси х со­от­вет­ству­ет  дробь: чис­ли­тель: L, зна­ме­на­тель: 4 N конец дроби и мак­си­мум L, шаг по оси R_\text общ со­от­вет­ству­ет r= дробь: чис­ли­тель: R, зна­ме­на­тель: 4 N конец дроби и мак­си­мум  дробь: чис­ли­тель: R, зна­ме­на­тель: 4 конец дроби . После до­сти­же­ния мак­си­му­ма все идёт сим­мет­рич­но в об­рат­ную сто­ро­ну.

 

Ответ: L=1 м см. гра­фик.

Спрятать критерии
Критерии проверки:

Ука­за­но, что не­ли­ней­ность гра­фи­ка свя­за­на

с за­мы­ка­ни­ем про­во­да внут­ри ко­роб­ки

2 балла
Ука­за­но, что ми­ни­маль­ная длина про­во­да в

ко­роб­ке ре­а­ли­зу­ет­ся в слу­чае, когда за­мы­ка­ние

про­изо­шло на кон­цах про­во­да

2 балла
Со­став­ле­на эк­ви­ва­лент­ная схема из­ме­ре­ний2 балла
По­лу­че­на за­ви­си­мость из­ме­рен­но­го со­про­тив­ле­ния

от рас­сто­я­ния между клем­ма­ми

ом­мет­ра

3 балла
По­лу­че­на вер­ное зна­че­ние ми­ни­маль­ной длины

ка­бе­ля в ко­роб­ке

3 балла
По­ка­за­но, что гра­фик во вто­ром пунк­те

за­да­чи будет ча­стич­но-па­ра­бо­ли­че­ским

3 балла
Най­де­ны все ха­рак­тер­ные точки (шаг сме­ще­ния по оси икс,

по оси игрек, урав­не­ние какой-либо па­ра­бо­лы,

со­став­ля­ю­щей гра­фик) гра­фи­ка во вто­ром пунк­те

5 бал­лов
Классификатор: Элек­тро­ди­на­ми­ка. Рас­чет элек­три­че­ско­го со­про­тив­ле­ния