一个绕到让大脑、小脑、脑干集体抽筋的物理题—哪个灯先亮?结论在94楼
hamdad 2009-2-14物理
条件1

ABC.jpg

条件2

ABC_1.jpg

条件3

ABC_2.jpg   


均假设为下述理想条件:

电源为理想电源,输出电压(电池为输出电动势/AC电源为有效值)恒定,内阻为零;
3个灯泡为理想灯泡,通过电流瞬间发光,灯丝无电感,冷/热态灯丝电阻相同;
导线为理想导线,无电阻、无电感、无分布电容,通电后对空间无电场、磁场辐射,空间的电场、磁场不在导线上感应出电动势;
开关为理想开关,无接触电阻,合闸瞬间立刻接通,拉闸瞬间立刻断开;
电源、3个灯泡与观察者(开关操作者)物理位置在同一地点,光线传输到观察者眼睛无延迟时间。
+1000  科创币    虎哥   2009-02-14    很好的题目。
+20  科创币    五成熟的牛排   2012-08-04   高质量发帖
+25  科创币    宅人   2013-08-01   光从地球到太阳大约要8min,场的传播速度不超过光速,就这样
+0.5  科创币    Johnsons   2019-08-02   有趣的题目。
来自:数理化 / 物理
 
5
AnthraX
12年2个月前
1楼
A,C先亮,B最后亮

或者3个同时亮

根据我对电的运作方式的不同理解……
+50
科创币
虎哥
2009-02-14
最先积极参与研究。
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马小甲
12年2个月前
2楼
A,C,C?
LZ有答案吗
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hamdad作者
12年2个月前
3楼
如果认为三种不同的电源条件,亮灯的次序有区别,请详细论述理由。
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虎哥
12年2个月前
4楼
涉及到电场的传播速度。按照已有的理论,场的传播速度也不会高于光速。
现在有GPS同步了,可以在几十千米的条件下做实验验证。
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hamdad作者
12年2个月前
5楼
A—B与K—B的导线长度均为一个天文单位,149,600,000,000米。
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hamdad作者
12年2个月前
6楼
引用第4楼虎哥于2009-02-14 18:36发表的  :
涉及到电场的传播速度。按照已有的理论,场的传播速度也不会高于光速。
现在有GPS同步了,可以在几十千米的条件下做实验验证。


果然是财大气粗的山总,几十千米的导线,就算铺设的起,那还得雇多少人看护防小蟊贼啊?

按照现有的理论,不考虑电缆的缩短系数,100m的电缆,传输延时大约为333nS,贵处实验室的仪器应该就可以进行实验验证了,但是适当的高速理想闸刀恐怕是个器件瓶颈。
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虎哥
12年2个月前
7楼
再长的话,电感和内阻就无法忽略了。而且导线中的信号传播速度是低于真空中的。可以在一个操场上绕圈(双线对折并绕)啊,绕20圈就够了,最后在一点做测试,连GPS都不要,一个晶体振荡器就可以了。
如果要用几十米导线完成的话,保证数据准确,得原子钟吧。况且跳变沿由于线路电感的影响,会变得不够陡,很难精确测量。

本处有用原子钟校准的9位计数器(可测脉冲间隔),怎么设计实验呢,特别是那个交流的实验,还得检波啊。不过貌似用高速数字示波器该可以。
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hamdad作者
12年2个月前
8楼
实验验证,必须采取传输线,一般的导线无法还原上升沿非常陡峭的窄脉冲的前沿形状,实验就没有意义了。

单位长度的传输线,电感和电容的比值是恒定的,可以保证恒定的设计特征阻抗,虽然有损耗,但是受端可以忠实还原源端的信号波形。

要不然就用内壁光滑的紫铜管做波导管?
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AnthraX
12年2个月前
9楼
我认为:
直流的,离负极近的灯先亮,最后是正极旁边的,因为电流是从负极流向正极
交流的,理论上说,根据应该是根据当时交流电的方向,A,C点亮会有1/50秒的时间差……最后轮到B

或者……
不论直流交流,都是同时亮,因为要整个导线的电流都开始流动的时候才能形成电压……

看来不做实验确实是没法确定了啊……
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hamdad作者
12年2个月前
10楼
引用第7楼虎哥于2009-02-14 18:45发表的  :
本处有用原子钟校准的9位计数器(可测脉冲间隔),怎么设计实验呢,特别是那个交流的实验,还得检波啊。不过貌似用高速数字示波器该可以。


高速多通道数字存储示波器,三个灯泡分别用同轴电缆的T型接头代替,每个T头接示波器的3个独立的Y通道,观察脉冲前沿到达3个T头的时刻差。但是同轴电缆的阻抗匹配问题比较头疼。
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hamdad作者
12年2个月前
11楼
给山总设计了一个实验室验证电路,实施起来还是不困难的。
ABC实验室验证电路.GIF

全部接插件使用50Ω同轴电缆系统的标准件,如N或者BNC。

电池用一节1号干电池,T头A——T头B、开关元件——T头B,均连接100m 50Ω同轴电缆,其他主电路的连接,使用尽可能短的50Ω同轴电缆。
+400
科创币
虎哥
2009-02-14
关键实验方法。
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warmonkey
12年2个月前
12楼
值得一试,不过这个数字示波器的上升时间要控制到多少呢?
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kangyuhelf2
12年2个月前
13楼
我认为是同时亮...
不过不是一闭合开关就马上亮
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虎哥
12年2个月前
14楼
我有做此实验的打算了。。
同轴线就用0.5英寸馈管吧,现在就通知库房提一千米来。
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虎哥
12年2个月前
15楼
同志们赶快从理论上论证,一会儿就用实验检验。。。
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hamdad作者
12年2个月前
16楼
本人观点:
1、直流电源的极性上+下-或者上-下+或者任意频率的交流电源,结论是一样的:

最靠近电源的A、C同时先亮,经过有限时间的延迟,远离电源的B最后亮。

2、电池不是是永动机,更不是核物理研究上的电子枪,不可能负极只对外源源不断释放出电子,而同一时刻正极不吸收电子进来。


3、白炽灯泡能够发光,遵循焦耳定律,灯丝发热功率=I*I*R。


4、合闸瞬间,电池消耗内部的化学物质,(-)极对外电路提供(输出)电子流,(+)极吸收外电路灌进去的电子流。电流数值的大小,根据欧姆定律,等于电池电动势/电池以外的电路总电阻。

金属导线,内部的金属原子,并不允许长期出现某个孤立的原子携带多余的电子或者缺少电子,必须由临近的不带+/-电的原子补充,于是,C——B段导线,从电池(-)流出的电子流,不断以光速向B端“奔跑”,出现一个瞬间富余电子的原子与正常不带电原子的分界面(此分界面正是导线中有/无电流的分界面)以光速向B端移动;类似情况,电池(+)吸收电子流,C——B段导线,出现一个瞬间缺少电子的原子与正常不带电原子的分界面,此分界面亦以光速向B端移动。

5、外推假设一下:平行导线长度50光年,开关瞬间接通1秒钟后立刻断开。

则:
开关接通瞬间,观察者看到A、C同时闪亮了1秒钟,经过50年以后(假如观察者还没有翘辫子,同时假设A、B、C、电池、开关和观察者的物理位置在同一地点,不存在光线传播的延迟问题),观察者才看到B闪亮了1秒钟。
+400
科创币
虎哥
2009-02-14
有理有据。
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zzt
12年2个月前
17楼
最直观的理解就是:
条件1:C 、B、A
条件2、A、B、C
条件3:AC同时亮,B再亮
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虎哥
12年2个月前
18楼
电缆已经运到实验室了,马上做接头。。

关于hamdad的实验方法,为严谨考虑,应该是测量灯泡上的电压降,但是触发记录就很麻烦,所以大家分析一下实验的严谨性,看看用hamdad的办法可行不。

IMG_3926.JPG
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虎哥
12年2个月前
19楼
请hamdad赶快论证,同轴电缆的外壳是接地吗?如果接地对实验的严谨性有无影响?
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hamdad作者
12年2个月前
20楼
我设计的那个草图,测量的是同轴电缆芯线上的电压,同轴电缆的皮和仪器外壳,接地与否,是一个独立的参考点(系),对测量结果没有直接影响。
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hwdz
12年2个月前
21楼
我的答案:
1是CBA,其中A的等待时间较长
2是ABC,其中C的等待时间较长
3是AC随机有一个先亮,最后是B,其中B的等待时间较长。

理由,直流电从电学上虽然计从正极出来,但事实上,从微观物理角度上讲电子是从负极出去的,就好比是一个在下方(相当于负极)有出水管的水箱,水会受到水的压力(相当于电压),当出水管的龙头打开时,水就会受到水压而出来,在出水口到龙头之间的管道膨胀,则这段中如果串入水表(相当于灯泡),水表就会先开始动起来,早于远端的水表。
根据以上理由,永远是负极端先亮,越远越慢。交流电时,因为方向不确定,所以肯定是电源近端两个之一先亮,随后,极性由于在1/50秒内反转而另一个近端的也亮,只有远端的最后才亮。
+100
科创币
虎哥
2009-02-14
虽错犹荣
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shuimi126
12年2个月前
22楼
真是好奇,KC是干啥的这么多RMB.....难道卖大力丸?
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马小甲
12年2个月前
23楼
开玩笑,LS这么小看山寨工业集团总公司啊
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小俊
12年2个月前
24楼
Re:给山总设计了一个实验室验证电路,实施起来还是不困难的。
引用第11楼hamdad于2009-02-14 19:30发表的 给山总设计了一个实验室验证电路,实施起来还是不困难的。 :
ABC实验室验证电路.GIF

全部接插件使用50Ω同轴电缆系统的标准件,如N或者BNC。

电池用一节1号干电池,T头A——T头B、开关元件——T头B,均连接100m 50Ω同轴电缆,其他主电路的连接,使用尽可能短的50Ω同轴电缆。



这个图来验证应该不对,因为灯亮是电流的效应。

而这个图是用来验证电压信号的。C点任何时候都是低电平的,而A、B原先为高电平,开关闭合后,B会先比A变为低电平,100m的长度延时大概590ns(假设传输线延时为150ps/inch)。
+20
科创币
虎哥
2009-02-14
提得很好。
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虎哥
12年2个月前
25楼
接头难做,终于做好一个了。理论分析要跟上哈。。 IMG_3929.JPG    IMG_3931.JPG    IMG_3932.JPG IMG_3928.JPG
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小俊
12年2个月前
26楼
个人觉得越靠近开关的越先亮。
+512
科创币
hamdad
2009-02-14
楼主奖励9比特最先答对者
+20
科创币
虎哥
2009-02-14
怎么不写理由?
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小俊
12年2个月前
27楼
不应该用电压信号的测量方法去验证。

而应该用电流探棒去直接测量各处的电流。
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hamdad作者
12年2个月前
28楼
Re:Re:给山总设计了一个实验室验证电路,实施起来还是不困难的。
引用第24楼qwernet于2009-02-14 21:18发表的 Re:给山总设计了一个实验室验证电路,实施起来还是不困难的。 :

这个图来验证应该不对,因为灯亮是电流的效应。

而这个图是用来验证电压信号的。C点任何时候都是低电平的,而A、B原先为高电平,开关闭合后,B会先比A变为低电平,100m的长度延时大概590ns(假设传输线延时为150ps/inch)。

这个图来验证应该不对,因为灯亮是电流的效应。

.......


电平的高低,有参考零点才行,所以您说的“C点任何时候都是低电平的”说法是不严谨的。
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虎哥
12年2个月前
29楼
好像是有一点点问题,同轴线如果这样使用,电容量就很难忽略了。
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AnthraX
12年2个月前
30楼
Orz
科创的实力啊
这1000米的电缆说弄就弄到手了啊…………
科创这水深了啊……
+1
科创币
听我说瞎话
2012-08-23
我就说虎哥有后台的吧
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小俊
12年2个月前
31楼
Re:Re:Re:给山总设计了一个实验室验证电路,实施起来还是不困难的。
引用第28楼hamdad于2009-02-14 21:25发表的 Re:Re:给山总设计了一个实验室验证电路,实施起来还是不困难的。 :


电平的高低,有参考零点才行,所以您说的“C点任何时候都是低电平的”说法是不严谨的。


我是假设你的系统和示波器共地。

另外,要验证应该用电流探棒才对。
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hamdad作者
12年2个月前
32楼
引用第27楼qwernet于2009-02-14 21:23发表的  :
不应该用电压信号的测量方法去验证。

而应该用电流探棒去直接测量各处的电流。


检测电流的方式曾经考虑过,除非是把一个T头变两个,中间的那一短截同轴电缆采用特制的高阻芯线,否则通常的仪表电流探头传输特性的上升/下降时间,对于这个系统是一个完全无法容忍的误差项。
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小俊
12年2个月前
33楼
引用第32楼hamdad于2009-02-14 21:30发表的  :


检测电流的方式曾经考虑过,除非是把一个T头变两个,中间的那一短截同轴电缆采用特制的高阻芯线,否则通常的仪表电流探头传输特性的上升/下降时间,对于这个系统是一个完全无法容忍的误差项。


应该没什么问题。电流探棒带宽有50MHz以上的,如果只用来测量延时,ns级的更不是问题。而且不需要截开电缆或者加什么接头的,直接套在电缆上就可以测量。
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hamdad作者
12年2个月前
34楼
Re:Re:Re:Re:给山总设计了一个实验室验证电路,实施起来还是不困难的。
引用第31楼qwernet于2009-02-14 21:28发表的 Re:Re:Re:给山总设计了一个实验室验证电路,实施起来还是不困难的。 :


我是假设你的系统和示波器共地。

另外,要验证应该用电流探棒才对。


可能是因为我画图的时候偷懒,没有把同轴电缆的皮画上。

DC电源系统是浮地的,没有参考点,就好象三相交流电,确定相序以后,其实可以任意假设某一相是A相的。
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warmonkey
12年2个月前
35楼
科创怎么这么有钱啊,哪来的库房和1km同轴电缆啊,谁付钱?

还有,同轴电缆的屏蔽层也是1km长的导线啊,电流传导在屏蔽层中传导也是要时间的。

示波器用什么型号的呢?
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小俊
12年2个月前
36楼
Re:Re:Re:Re:Re:给山总设计了一个实验室验证电路,实施起来还是不困难的。
引用第34楼hamdad于2009-02-14 21:34发表的 Re:Re:Re:Re:给山总设计了一个实验室验证电路,实施起来还是不困难的。 :


可能是因为我画图的时候偷懒,没有把同轴电缆的皮画上。

DC电源系统是浮地的,没有参考点,就好象三相交流电,确定相序以后,其实可以任意假设某一相是A相的。


哦,这样的。浮地的话没有参考点啊,电平怎么确定?

另外纠正一点,100m的电缆,传输延时大约为333ns是不对的,实际是比333ns大很多,应该在590ns左右。电压信号在导线中的传播速度是小于真空中光速的。
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hamdad作者
12年2个月前
37楼
引用第29楼虎哥于2009-02-14 21:26发表的  :
好像是有一点点问题,同轴线如果这样使用,电容量就很难忽略了。


我设计的系统,其实是受到了Token Ring令牌环网的启发,但是一个闭环的系统,如何能够保证源端/受端的阻抗均为50欧姆呢?
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hamdad作者
12年2个月前
38楼
Re:Re:Re:Re:Re:Re:给山总设计了一个实验室验证电路,实施起来还是不困难的。
引用第36楼qwernet于2009-02-14 21:38发表的 Re:Re:Re:Re:Re:给山总设计了一个实验室验证电路,实施起来还是不困难的。 :


哦,这样的。浮地的话没有参考点啊,电平怎么确定?

另外纠正一点,100m的电缆,传输延时大约为333ns是不对的,实际是比333ns大很多,应该在590ns左右。电压信号在导线中的传播速度是小于真空中光速的。


电缆的缩短系数没有计算进去,看山总用的物理发泡介质的馈管,标称缩短系数应该在0.80左右。
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zzt
12年2个月前
39楼
应该是A,B,C一起亮:

1、灯泡发光的条件是要存在持续变化的电磁场;
2、实验电路中导线周围是存在电磁场的,只不过不是变化的;
3、只要开关一闭合,导线周围的电磁场便开始变化,因此所有的灯都会亮,不会涉及到电子的
   传播速度。
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hamdad作者
12年2个月前
40楼
Re:接头难做
引用第25楼虎哥于2009-02-14 21:19发表的  :
接头难做,终于做好一个了。理论分析要跟上哈。。 IMG_3929.JPG    IMG_3931.JPG    IMG_3932.JPG IMG_3928.JPG


还好是在实验室做接头。

俺有一次施工,在70米的铁塔平台上现场做接头,拧紧N头屁股的最后操作中,手一抖,扳手掉下去了,幸好塔下面没有人。[s:237]
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epi.clyce
12年2个月前
41楼
按光速,算距离半径即可
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马小甲
12年2个月前
42楼
原来都是搞网络设备安装的啊
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hamdad作者
12年2个月前
43楼
引用第39楼zzt于2009-02-14 21:48发表的  :
应该是A,B,C一起亮:

1、灯泡发光的条件是要存在持续变化的电磁场;
2、实验电路中导线周围是存在电磁场的,只不过不是变化的;
3、只要开关一闭合,导线周围的电磁场便开始变化,因此所有的灯都会亮,不会涉及到电子的传播速度。
.......


大师啊,总算找到你了![s:104]

就算您把独家秘方的时间隧道工程藏起来让俺找不到,告诉俺明天2009017期双色球的开奖号码总可以吧?[s:184]
+20
科创币
虎哥
2009-02-14
最佳寒碜奖!
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虎哥
12年2个月前
44楼
哎,接头太难做了。。。才做完两卷线的。

芯线直流电阻,大约0.3欧姆(图上数值是未稳定时抓拍的)
IMG_3933.JPG
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hamdad作者
12年2个月前
45楼
芯线DC电阻
应该把贵处实验室的高档台式万用表搬出来,四端子法精确测量,结果保留5位有效数字。
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虎哥
12年2个月前
46楼
这个貌似影响不大吧,只是检查下通与不通就行了。。。
不过贵筹备处的四端子法测量是很有水平的哦。
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hamdad作者
12年2个月前
47楼
应该把2VO请来论证一下,必要的时候把霍金他老人家也请来论证一下,更加必要的时候请爱因斯坦他老人家今天晚上给众人托梦解惑……

NND,事情搞大了[s:100]
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lkjjkl
12年2个月前
48楼
建议从微观角度考虑

我看是这样:
由于这个电缆/灯泡的特殊性质,电场形成过程中没有带电粒子移动/电流0

电场完全形成后abc一起亮。

试验就不用作了,没有这种理想中的设备
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虎哥
12年2个月前
49楼
其实现在想来这真是一个简单得不得了的问题,就是干电池点灯泡,初中物理第一册的内容。。。。

实验装置全部到位:

IMG_3940.JPG    IMG_3941.JPG    IMG_3942.JPG    IMG_3943.JPG    IMG_3944.JPG    IMG_3945.JPG
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虎哥
12年2个月前
50楼
比较简陋哇,呵呵。今天就测电压,电流的测试还没想到比较方便的办法,就改天再来吧。马上就要出实验结果了,答对的力请HAMDAD给予加分鼓励!

关于48楼,你的意思是开关打开后不亮,然后经过不算短的等待以后,三个灯泡同时亮?嗯,这又是一种答案。。
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