Установка. Стеклянная банка, наполненная на две трети водой. Деревянная толстая дощечка (толщина примерно 2 см), которой можно прикрыть банку, как крышкой. В дощечке прорезаны два узких, параллельных друг другу щелевидных отверстия на расстоянии примерно в 3 см одно от другого.

Сквозь эти отверстия могут вкладываться две жестяные пластинки, шириной 6–10 см и длиной, зависящей от высоты банки. К жестяным пластинкам прикреплены концы шнура с вилкой для включения в электрическую сеть.

Банка, деревянная дощечка и две пластинки жести со шнуром выставляются отдельно друг от друга.

Условие задачи. Как вскипятить воду в банке, используя энергию городского тока и выставленные перед вами предметы?

Будьте осторожны! Не вставляйте вилки в штепсельную розетку, пока жестяные пластинки не будут надежно установлены. Если одна из них коснется другой, произойдет короткое замыкание!

Дополнения. 1. Почему в вашем опыте стекло банки не трескается, когда вы нагреваете воду, налитую в банку, доводя ее до кипения?

2. Почему вскипятить воду в стеклянной банке, поставленной на обыкновенную плиту или электрическую плитку, совершенно невозможно, так как задолго до кипения стекло банки даст трещину от нагревания?

       3. Почему при решении этой задачи вы замечаете, что вода уже начинает закипать (пузырьки пара начинают подниматься на поверхность воды), а стенки банки около дна холодные? (Только по прошествии долгого времени вся банка разогревается и до нее нельзя дотронуться рукой.)

4. Имеет ли практическое значение осуществленный вами способ нагревания воды? Какой его недостаток?

Решение и пояснения

88. (7, 10-й кл.) Решение понятно из описания установки.

Дополнения. 1. Нет большой разности температур между внутренней и внешней поверхностями стенки банки, так как источник нагревания находится внутри жидкости.

2. Ввиду большой разности температур внешней и внутренней поверхности дна банки.

3. Ввиду того, что сопротивление контакта электрод – вода больше сопротивления соответствующей толщины остальных слоев воды. Сопротивление контакта еще больше увеличивается при появлении на поверхности электродов первых микроскопических пузырьков пара, поскольку пар – диэлектрик.

Верхняя часть банки значительно горячее нижней, благодаря тому, что плотность воды более высокой температуры меньше плотности воды более низкой температуры, в результате чего происходит очень четкое разделение горячей воды и холодной. Это разделение воды прекращается, когда наступает бурное кипение, перемешивающее всю воду в банке.

4. На этом способе построены электрические водогреи, которые представляют собою насадку на водопроводный кран, имеющую размеры, примерно, катушки швейных ниток. Во время Отечественной войны широко пользовались этим способом. Для кипячения воды переменным током в чайниках в воду опускался специальный нагреватель, сделанный в виде двухслойного железного цилиндра с фарфоровой изоляцией.

Недостатки этого способа заключаются, во-первых, в том, что кипятить можно только воду, и, во-вторых, в том, что вода приобретает железистый вкус. При постоянном токе вода делается совершенно непригодной для питья.

Теплоотдача проводов.

Установка. Тонкая проволока высокого сопротивления, натянутая на П-образную деревянную рамку (см. рис. 19), включена последовательно с соответствующим реостатом в сеть городского тока. Реостат с движком.

Над столом с установкой укрепляется деревянная полка.

Условие задачи. Передвиньте движок реостата на наибольшее его сопротивление. Возьмите рамку с проволокой в руку и другой рукой включите установку в сеть городского тока. Держа рамку неподвижно в одной руке, начните другой передвигать движок реостата до тех пор, пока проволока в рамке не накалится до тёмнокрасного накала. Начните очень медленно отводить движок обратно и остановите его, когда свечение проволоки перестанет быть заметным. Затем подведите рамку под полку так, чтобы нагреваемая проволока расположилась вдоль полки и ниже ее приблизительно на 3 см.

Вы увидите, что проволока сильно раскалилась. Почему?

Дополнения. 1. Как меняется накал проволоки в зависимости от ее расстояния до полки?

2. Почему голые уличные провода допускают большую плотность тока, чем покрытые изоляцией?

Посмотрите в справочнике, какие существуют нормы силы тока для голых и изолированных проводов.

3. В какое время года провода наружной проводки могут выдерживать большую плотность тока?

Решение и пояснения

89. (7, 10-й кл.) Теплопроводность воздуха мала. Конвекция же затруднена вследствие наличия полки.

Дополнения (даются вместе с задачей) 1, 2 и 3. Курсовые вопросы.

Проволоку можно подвести под стол вместо полки или, наоборот, поднести к ней сверху лист фанеры, доску, кусок картона и т. п.

При таких заменах в условие задачи вносятся соответствующие поправки.

Периодическое кипение.

Установка. Прямоугольная плоская стеклянная банка („аккумуляторная“) с опущенными в нее двумя жестяными пластинами почти такой же ширины, как и ширина банки (рис. 21).

В банку налит раствор NaCl не более ²/₃ ее высоты. К жестяным пластинам припаяны изолированные провода. Один провод соединен с концом одного из проводов шнура, снабженного штепсельной вилкой для включения его в сеть городского тока. Второй провод соединен с одной клеммой амперметра переменного тока, другая клемма которого соединяется с концом второго провода шнура.

Условие задачи. Установка состоит из последовательно включенных: амперметра переменного тока и сосуда с раствором соли (NaCl), в который опущены два электрода.

Включите установку в цепь городского тока, вставив штепсельную вилку в розетку. Внимательно следите за состоянием жидкости в банке и за показанием амперметра. Сила тока растет, жидкость начинает закипать около электродов. Заметен пар. Кипение усиливается до бурного, сила тока в этот момент достигает своего максимума и вдруг резко падает почти до нуля. Одновременно прекращается кипение. Немедленно снова начинает расти сила тока, кипение увеличивается до бурного, и вновь весь процесс почти полностью приостанавливается.

Так продолжается до тех пор, пока вы не выключите установку из городской сети.

Чем же объяснить возникновение этого периодического кипения жидкости и периодического изменения силы тока в цепи?

Дополнения. 1. Почему кипение жидкости возникает в первую очередь около поверхности электродов?

2. Какая причина вызывает в начале опыта увеличение силы тока в цепи?

3. Проводят ли пузырьки пара электрический ток?

4. Можно ли подобную установку назвать медленно действующим автоматическим прерывателем тока?

5. Как, по-вашему, зависит частота прерываний тока от размеров пластин? Выключите установку. Возьмите вместо одной пластины проволоку и опустите ее в раствор. Включите установку. Увеличилась ли при этом частота прерываний тока или уменьшилась? Проверьте это на опыте.

6. Выключите установку. Оставьте один электрод в сосуде. Второй электрод выньте из сосуда и вместо него присоедините к шнуру голую проволоку (медную, железную) диаметром в 0,5 мм или тоньше. Включите установку в сеть и, опуская сверху вниз свободный конец проволоки, коснитесь им поверхности электролита. Опустите его постепенно на глубину 1 см.

Обратите внимание на то, как бурно происходит сейчас процесс около проволоки. Его даже нельзя назвать бурным кипением, так как он сопровождается свечением раскаленного конца проволоки, вспышками желтого пламени и резким, периодически повторяющимся трескучим звуком.

Попытайтесь, насколько можете_, объяснить это явление.

7. Не напоминает ли вам опыт, который вы проделали в предыдущем вопросе, работу какого-нибудь прибора, с которым знакомил вас во время демонстрации учитель физики?

8. Почему в опыте вопроса 6 и, особенно, в опыте 7 амперметр не отмечал перерывов тока, хотя ухо отчетливо улавливало очень большую частоту прерываний и замыканий тока в цепи?

9. Можно ли получить все описанные эффекты, пользуясь постоянным током?

Решение и пояснения

90. (10-й кл.) Вследствие все более увеличивающегося количества пузырьков пара, покрывающих поверхность электродов, последняя через некоторое время практически полностью изолируется от жидкости. В результате этого цепь размыкается, кипение прекращается и электроды вновь контактируют с раствором. Снова начинается кипение и т. д.

Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Ответ дан в решении задачи 88.

2. Нагревание раствора уменьшает его сопротивление.

3. Нет.

4. Можно.

5. Чем меньше размер одной пластинки, тем чаще происходят перерывы тока в цепи. Причина этого понятна из решения задачи. При этом существенно не уменьшать, насколько возможно, силы тока. Поэтому надо уменьшить размер одной пластины и несколько увеличить концентрацию раствора соли.

6. Вследствие большого сопротивления поверхности тонкой проволоки возникает значительное повышение температуры, которое может оказаться достаточным для периодического накала проволоки. Периодичность накала незаметна, так как частота прерываний тока очень велика. В системе, состоящей из одного очень большого электрода и другого очень малого, возникает частичная униполярная проводимость. В результате происходит электролиз, и водород, выделяющийся на малом электроде, смешанный с мельчайшими капельками раствора NaCl, вспыхивает желтым пламенем. Кислород и водород возникают также в результате температурного разложения водяного пара.

7. Имеется в виду прерыватель Венельта или Симона.

8. Вследствие инерции подвижной системы амперметра, не дающей возможности получать колебания стрелки той частоты, которую имеют перерывы тока.

9. Можно. Явления возникают даже более эффективно.

В школьном физическом кабинете может не оказаться необходимого для опыта амперметра переменного тока (4–6 а). Если амперметр рассчитан на более слабый ток, его необходимо зашунтировать или вместо него употребить лампочку накаливания (500–600 вт.) Лампочка даст еще более эффектный результат, но в школьном кабинете редко бывают лампочки, рассчитанные на такую мощность.