Молекулярная физика, термодинамика, электродинамика. Расчётная задача
В. З. Шапиро
Задание № 25 открывает вторую часть экзаменационной работы по физике, которая посвящена решению задач. Оно представляет собой расчетную задачу с кратким ответом. Тематика этого задания – термодинамика и электродинамика. В этом номере не требуется подробного решения, в бланк ответа необходимо внести только численный результат. Но, в отличие от заданий части № 1, решение потребует более глубоких знаний по вышеуказанным темам.
1. Кусок льда опустили в термос с водой. Начальная температура льда 0 °С, начальная температура воды 30 °С. Теплоёмкостью термоса можно пренебречь. При переходе к тепловому равновесию часть льда массой 210г растаяла. Чему равна исходная масса воды в термосе?
Ответ: __________________________г.
Необходимая теория: Количество теплоты
Дано:
t1 = 0 °С;
t2 = 30 °С;
m1 =210 г = 0,21 кг.
Найти: m2 – ?
Решение:
Подобные задачи, в которых происходит теплообмен между телами, необходимо решать, составляя уравнение теплового баланса. Для этого рассмотрим, какие изменения происходят с каждым телом, вступающим в теплообмен.
Q1 – количество теплоты, необходимое для плавления льда массой m1.
Q1 = ?m1.
Q2 – количество теплоты, отданное водой при охлаждении от 30 °С до 0 °С.
Q2 = сm2(t1 – t2).
Составим уравнение теплового баланса:
Q1 + Q2 = 0.
?m1 + сm2(t1 – t2) = 0.
сm2(t1 – t2) = -?m1.
подставим численные значения и проведем расчет.
= 0,55 (кг) = 550 (г).
Ответ: 550 г.
Секрет решения. В задачах на теплообмен трудности возникают с момента прочтения и краткой записи условия. Особенно это касается расставления индексов для различных температур. Рационально поступить следующим образом: присваивать индексы 1, 2, 3 и т.д. согласно порядку перечисления температур в условии задачи. Затем необходимо расписать процессы, происходящие с каждым телом, вступающим в теплообмен. Если тело нагревается или охлаждается, то при использовании формулы Q = сm (tкон – tнач) на первом месте пишется конечная температура, на втором – начальная. Причем индексы для этих температур могут быть любые. Тогда при составлении уравнения теплового баланса, в котором сумма количеств теплоты равна нулю, с «+» получатся количества теплоты, которые поглощаются телами, а с «-» – количества теплоты, которые выделяются телами.
В некоторых случаях уравнение теплового баланса в общем виде может иметь громоздкий вид. Его решение с буквенными обозначениями представляется трудоемким. Поэтому на этом этапе рациональнее подставить численные значения и решить его относительно неизвестной величины.
2. Прямоугольный контур, образованный двумя рельсами и двумя перемычками, находится в однородном магнитном поле, перпендикулярном плоскости контура. Правая перемычка скользит по рельсам, сохраняя надежный контакт с ними. Известны величины: индукция магнитного поля В = 0,1 Tл, расстояние между рельсами l = 10 см, скорость движения перемычки u = 2 м/c, сопротивление контура R = 2 Ом. Какова сила индукционного тока в контуре?
Ответ: ___________________________ мА.
Необходимая теория: Электромагнитная индукция
Дано:
В = 0,1 Тл;
l = 10 cм = 0,1 м;
= 2 м/с;
R = 2 Ом.
Найти: I –?
Решение:
Согласно закону электромагнитной индукции, на концах проводника, движущегося в магнитном поле, возникает ЭДС индукции.
Формула для расчета ЭДС индукции для этого случая имеет вид:
Так как вектор магнитной индукции перпендикулярен вектору скорости
(см. рис), то
Формула для расчета ЭДС принимает вид:
Согласно закону Ома для участка цепи, сила тока в проводнике равна:
Проведем расчет для силы тока:
(мА).
Ответ: 10 мА.
Секрет решения. Данная задача является комбинированной, т.е. в ней совмещены темы из разных разделов физики. Безусловно, электромагнитная индукция и постоянный электрический ток, темы близкие, но изучаются в школьном курсе физики в разное время. Здесь надо добиться понимания единой картины процессов, происходящих в электродинамике.
3. В двух идеальных колебательных контурах происходят незатухающие электромагнитные колебания. Максимальное значение заряда конденсатора во втором контуре равно 6 мкКл. Амплитуда колебаний силы тока в первом контуре в 2 раза меньше, а период его колебаний в 3 раза меньше, чем во втором контуре. Определите максимальное значение заряда конденсатора
в первом контуре.
Ответ: _________________________мкКл.
Необходимая теория: Электромагнитные колебания
Дано:
Кл
Кл;
Найти:
Решение:
Колебания электрического заряда в контуре можно представить в виде формулы:
Колебания электрического заряда в контуре можно представить в виде формулы:
Силу тока необходимо выразить как производную от заряда.
Таким образом, колебания силы тока в контуре выражаются уравнением:
Сравнивая с уравнением для тока в общем виде,
получим, что амплитуда силы тока равна:
(1).
Запишем полученное уравнение для двух случаев:
(2).
(3).
Разделим (3) на (2).
Отсюда выразим максимальное значение заряда конденсатора в первом контуре:
Подставим численные значения и проведем расчет:
Кл=1 мкКл
Ответ: 1 мкКл.
Секрет решения. На первый взгляд, решение задачи выглядит очень сложным. Но здесь надо выделить ключевые моменты, которые не потребуют запоминания огромного числа формул.
- Сила тока – это первая производная от заряда
- Заряд может меняться c течением времени по законам:
или
В условии задачи об этом ничего не говорится, поэтому подойдет любая формула.
- Надо уметь находить производную сложной функции.
- Величина, стоящая перед функциями синус или косинус, является амплитудой физической величины.
- Общие формулы для любых колебательных процессов и равномерного движения тела по окружности имеют вид:
Спасибо за то, что пользуйтесь нашими статьями. Информация на странице «Задание 25 ЕГЭ по физике» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ. Чтобы успешно сдать нужные и поступить в высшее учебное заведение или техникум нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими статьями из разделов нашего сайта.
Публикация обновлена: 08.05.2023