ГДЗ по физике, 11 класс, Мякишев, номер 10.2: Основы электродинамики

План решения:

Для ответа на вопрос необходимо проанализировать взаимодействие между витками пружины в двух состояниях: когда цепь замкнута (ток течёт) и когда ключ разомкнут (тока нет). Ключевым физическим явлением здесь является магнитное взаимодействие параллельных токов. Мы сравним силы, действующие на витки, чтобы определить изменение длины пружины.

Вычисление и анализ:

1. Состояние при замкнутом ключе: По всей длине пружины течёт электрический ток. Каждый виток пружины можно условно представить как часть контура с током. Соседние витки пружины расположены параллельно друг другу, и ток в них течёт в одном направлении (например, если смотреть сверху, по часовой стрелке во всех витках). Согласно закону Ампера, два параллельных проводника с током, текущим в одном направлении, притягиваются друг к другу. Это взаимное притяжение витков создаёт дополнительную силу, которая стремится сжать пружину. Таким образом, под действием тока длина пружины уменьшается относительно её естественной длины.

2. Состояние после размыкания ключа: Когда ключ K размыкается, электрическая цепь разрывается, и ток через пружину перестаёт течь (I=0). Магнитные поля вокруг витков исчезают, и сила электромагнитного притяжения между соседними витками становится равной нулю. На пружину продолжают действовать только сила тяжести и упругая сила самой пружины (и вес груза, если он есть, но в условии груз не упомянут, поэтому рассматриваем только собственную массу или отсутствие нагрузки).

3. Изменение длины: Поскольку до размыкания ключа витки были «стянуты» магнитными силами, а после размыкания эти силы исчезли, пружина растянется обратно под действием сил упругости, стремясь вернуться к своему исходному (несжатому током) состоянию. Следовательно, расстояние между витками увеличится.

Проверка и вывод:

Логика проверки опирается на принцип суперпозиции сил. В первом случае на каждый элемент пружины действуют: сила тяжести вниз, сила упругости вверх (если пружина растянута гравитацией) и сила магнитного притяжения к соседям (внутрь пружины, то есть сжимающая). Во втором случае сила магнитного притяжения исчезает. Если пружина была сжата током, то удаление этой сжимающей силы приведёт к её удлинению. Ответ согласуется с известным экспериментом «прыгающая пружина», где при замыкании цепи пружина сжимается, а при размыкании — расправляется.