Механика — квантовая физика, методы научного познания
В. З. Шапиро
В задании 23 ЕГЭ по физике мы применяем свои знания и умения для проведения физических экспериментов и лабораторных работ.
В задании требуется выбрать необходимый набор оборудования для практического определения какой-либо физической величины.
Здесь также возможен выбор оборудования для выявления экспериментальной зависимости одной физической величины от другой или для проведения опыта по заданной гипотезе.
Как выполнять задание 23 ЕГЭ по физике?
- На первом этапе необходимо определить, какие физические величины должны быть постоянными, а какие в ходе эксперимента изменяются.
- На втором этапе требуется объединение нескольких экспериментов в группы по постоянству физической величины.
- На третьем этапе из созданных групп надо выбрать номера экспериментов, соответствующих условию задачи.
- Ученику необходимо на опыте обнаружить зависимость объёма газа, находящегося в сосуде под подвижным поршнем, от внешнего давления.
У него имеются пять различных сосудов с манометрами. Сосуды наполнены одним и тем же газом при различной температуре и давлении (см. таблицу).
Какие два сосуда необходимо взять ученику, чтобы провести данное исследование?
|
№ сосуда |
Давление, кПа | Температура газа в сосуде, °С | Масса газа, г |
| 1 | 150 | 50 | 10 |
| 2 | 200 | 50 | 15 |
| 3 | 150 | 20 | 15 |
| 4 | 150 | 20 | 10 |
| 5 | 200 | 20 | 15 |
Запишите в таблицу номера выбранных сосудов.
Ответ:
Необходимая теория.
Согласно условию, в эксперименте проверяется гипотеза зависимости объёма газа, находящегося в сосуде под подвижным поршнем, от внешнего давления. Следовательно, остальные физические величины должны быть постоянными и не будут влиять на ход эксперимента. Из данных таблицы можно выделить две группы.
Первая – №№ сосудов 1 и 2; вторая – №№ сосудов 3, 4, 5. Распределение по группам сделано на основании постоянства температуры: для первой группы – 50 °С, для второй группы – 20 °С.
В первой группе находятся сосуды с массами газов 10 г и 15 г. Так как в проведении эксперимента не говорится о разных массах исследуемых газов, то эта выборка не удовлетворяет условию задачи.
Во второй группе объединены сосуды с массами газов 15 г, 10 г, 15 г. Рассуждая аналогично, условию проведения эксперимента будут соответствовать сосуды с № 3 и № 5. Дополнительно можно убедиться, что в этих сосудах созданы различные внешние давления 150 кПа и 200 кПа, которые именно влияют на объем газа в сосудах.
Ответ:
| 3 | 5 |
Секрет решения. Важно иметь опыт решения таких задач. На первый взгляд, задание кажется запутанным, но надо правильно представить, что должно влиять на ход эксперимента, а что не должно меняться. Тогда выбор оборудования для реализации гипотезы или опыта станет очевидным.
- Необходимо экспериментально изучить зависимость заряда, накопленного конденсатором, от внутреннего сопротивления аккумулятора.
Какие две схемы следует использовать для проведения такого исследования?
| 1) |
|
4) |
|
|
2) |
 |
5) |
|
|
3) |
 |
|
Ответ:
Необходимая теория.
Конденсатор. Энергия электрического поля
В этой задаче можно объединить схемы под № 1, № 3, № 5
и № 2, № 4.
Распределение по группам сделано на основании постоянства ЭДС. Из первой группы можно выделить схемы под номерами № 1 и № 5.
На них указаны одинаковые значения ЭДС, одинаковые сопротивления резисторов и одинаковые емкости конденсаторов. Схемы отличаются разными внутренними сопротивлениями источников тока. Согласно условию, именно эти схемы подходят для исследования зависимости заряда, накопленного конденсатором, от внутреннего сопротивления аккумулятора.
Ответ:
| 1 | 5 |
Секрет решения. В этой задаче очень важно увидеть все элементы, использованные на схеме. Идеально, если вы поймете, как этот эксперимент выполняется в реальности. Тогда выбор двух схем для исследования будет несложным.
- Необходимо собрать экспериментальную установку и определить с её помощью внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи. Для этого школьник взял аккумулятор, ключ, вольтметр и реостат. Какие два предмета из приведённого ниже перечня оборудования необходимо дополнительно использовать для проведения этого эксперимента?
| 1) | лампа накаливания; |
| 2) | конденсатор; |
| 3) | соединительные провода; |
| 4) | амперметр; |
| 5) | секундомер. |
В ответ запишите номера выбранных оборудований.
Ответ:
Необходимая теория.
ЭДС. Закон Ома для полной цепи
В подобной задаче, где требуется экспериментально определить значение физической величины, надо соблюсти два условия.
- Использовать необходимую формулу, при помощи которой можно провести расчет неизвестной физической величины.
- Подкрепить свои рассуждения и расчеты пояснительным рисунком или электрической схемой.
Решение данной задачи основывается на законе Ома для полной цепи.
\(I = \frac{E}{R+r}.\)
Из этой формулы надо выразить внутреннее сопротивление источника тока.
\(E = IR + Ir;\)
\(r = \frac{E - IR}{I} = \frac{E - U}{I}.\)
Схема для проведения эксперимента представлена на рисунке.
При разомкнутом ключе К вольтметр показывает значение ЭДС источника тока, при замкнутом – падение напряжения на внешнем участке цепи, равное напряжению на реостате.
Для нахождение внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи необходимо измерить значение ЭДС, падение напряжения на внешнем участке цепи (напряжение на реостате) и определить величину силы тока. Для этого необходимо использовать следующие приборы: вольтметр, амперметр, ключ, реостат, соединительные провода, аккумуляторную батарею. Так как часть этих приборов дается по условию задачи, вам надо добавить только амперметр и соединительные провода.
Ответ:
| 3 | 4 |
Секрет решения. В подобных задачах надо вспомнить физическую формулу, позволяющую рассчитать искомую физическую величину. Это могут быть формулы для расчета периодов колебаний математического (нитяного) и пружинного маятников, формулы законов Ома для участка цепи и для полной цепи и т. д. Затем свой «воображаемый эксперимент» можно изобразить на рисунке или схеме. Тогда выбор необходимого оборудования станет очевидным.
