Задачи › Атомы и молекулы, оценки

Температурный компенсатор

  1. Температурный компенсатор

    ИОШ 2022/23, 9 кл.
    4/10

    Лазеры для научно-инженерных исследований нуждаются в очень точной установке расстояния между зеркалами оптического резонатора, которое не должно меняться при изменении температуры. Предлагается следующая конструкция температурного компенсатора расстояния между зеркалами. Зеркала (З\(_1\) и З\(_2\) на рисунке) крепятся к концам пластин из иридия длиной \(l = 10\text{ см}\). Между этими пластинами вставляется пластина из никеля \(AB\) (см. рисунок), концы которой соединены с правым концом нижней пластины и с левым концом верхней. По чертежу объясните, как работает компенсатор расстояний. При какой длине пластины из никеля расстояние между зеркалами не будет меняться при тепловом расширении? Коэффициенты линейного теплового расширения иридия — \(\alpha_1 = 6{,}5\cdot 10^{-6}\text{ 1/град}\), никеля — \(\alpha_2 = 13{,}4\cdot 10^{-6}\text{ 1/град}\). Указание. При изменении температуры размеры твёрдых тел изменяются по закону: \(\Delta L = \alpha L\,\Delta t\), где \(\Delta L\) — изменение длины тела, \(\alpha\) — коэффициент линейного теплового расширения, \(L\) — первоначальная длина, \(\Delta t\) — изменение температуры.

    Рисунок
    ▶Показать разборСкрыть разбор
    Подсказка

    Выразите расстояние между зеркалами через длину никелевой пластины \(x\) и длину иридиевых пластин \(l\). Какое условие на удлинения пластин делает расстояние между зеркалами неизменным?

    Ответ

    \(x = \dfrac{2\alpha_1 l}{\alpha_2} \approx 9{,}7\text{ см}\).

    Решение

    Расстояние между зеркалами равно длине верхнего иридиевого стержня плюс расстояние от его левого конца до левого зеркала, которое, в свою очередь, равно длине нижнего иридиевого стержня минус длина никелевого стержня: \[\Delta x = l + (l - x) = 2l - x .\] Здесь \(l\) — длина иридиевых стержней, \(x\) — длина никелевого стержня. При тепловом расширении длина иридиевого стержня увеличивается на \(\delta l\), а никелевого — на \(\delta x\). Тогда расстояние между зеркалами изменится на \[\delta(\Delta x) = 2\,\delta l - \delta x .\] Расстояние не меняется, если \[2\,\delta l = \delta x .\] Используя указание к условию, при нагреве на \(\Delta T\) получим \(2\alpha_1 l\,\Delta T = \alpha_2 x\,\Delta T\), откуда \[x = \frac{2\alpha_1 l}{\alpha_2} \approx 9{,}7\text{ см} .\]

    Вся олимпиада на сайте

    Страница задачиОшибка в задаче?

Похожие задачи