ГДЗ по физике, 10 класс, Мякишев, номер 122.2

План решения:

Для объяснения этого явления необходимо рассмотреть зависимость электрического сопротивления металла от температуры и закон Джоуля-Ленца. Мы выделим два участка проволоки: тот, что находится в воде (холодный), и тот, что на воздухе (нагревающийся). Сравним их сопротивление и мощность тепловыделения при одинаковом токе.

Вычисление и логический вывод:

1. Электрическое сопротивление металлических проводников зависит от температуры. При повышении температуры удельное сопротивление металлов увеличивается. Формула зависимости сопротивления от температуры имеет вид: R=R₀[1+α(t-t₀)] где α — температурный коэффициент сопротивления.

2. Часть проволоки, опущенная в холодную воду, интенсивно охлаждается водой. Поэтому её температура t_cold близка к температуре воды и значительно ниже температуры части проволоки, находящейся на воздухе (t_hot).

3. Следовательно, сопротивление холодной части проволоки R_cold меньше, чем сопротивление горячей части R_hot: R_cold<R_hot

4. Так как проволока является единым последовательным участком цепи, сила тока I через обе части проходит одинаковая. Количество теплоты Q, выделяемое за время t, определяется законом Джоуля-Ленца: Q=I²Rt Мощность тепловыделения P равна: P=I²R

5. Поскольку ток I одинаков, а сопротивление горячей части R_hot больше сопротивления холодной части R_cold, то и мощность тепловыделения на участке вне воды будет выше: P_hot>P_cold Это приводит к тому, что часть проволоки на воздухе нагревается сильнее.

Проверка результата:

Рассмотрим предельный случай. Если бы сопротивление не зависело от температуры, то при одинаковом токе и одинаковой длине участков выделение тепла было бы равным. Однако физически известно, что металлы расширяются и их кристаллическая решетка усиливает рассеяние электронов при нагреве, увеличивая сопротивление. Увеличение сопротивления на горячем участке при постоянном токе действительно ведет к росту выделяемой мощности (P=I^2R). Таким образом, положительная обратная связь (нагрев -> рост R -> рост нагрева) работает для участка на воздухе, а участок в воде стабилизирован низким сопротивлением из-за охлаждения. Объяснение корректно с точки зрения законов электродинамики и термодинамики.