Коновалова О.В. Подготовка к ЕГЭ. Подборка заданий типа С1 с решениями.

Таким образом, по оси абсцисс отложена температура, а по оси ординат – давление.

1. На рисунке изображен цикл тепловой машины, у которой рабочим телом является идеальный одноатомный газ. На каком из участков цикла совершается наибольшая работа? Ответ обоснуйте.

Ответ: 2-3.

Решение:

Построим график процесса в осях p, V. Имея в виду, что в этом случае работа газа численно равна площади фигуры по графиком процесса, заключаем, что максимальная работа совершается на участке 2-3.

1. В цилиндрическом сосуде под поршнем длительное время находятся вода и ее пар. Поршень начинают выдвигать из сосуда. При этом температура воды и пара остается неизменной. Как будет меняться при этом масса жидкости в сосуде? Ответ поясните, указав, какие физические закономерности вы использовали для объяснения.

Ответ: Масса жидкости в сосуде будет уменьшаться.

Решение:

Вода и водяной пар находятся в закрытом сосуде длительное время, поэтому водяной пар является насыщенным. При выдвигании поршня происходит изотермическое расширение пара, давление и плотность насыщенного пара в этом процессе не меняются. Следовательно, будет происходить испарение жидкости. Значит, масса жидкости в сосуде будет уменьшаться.

1. Широкую стеклянную трубку длиной около полуметра, запаянную с одного конца, целиком заполнили водой и установили вертикально открытым концом вниз, погрузив низ трубки на несколько сантиметров в тазик с водой. При комнатной температуре трубка остается целиком заполненной водой. Воду в тазике медленно нагревают. Где установится уровень воды в трубке, когда вода в тазике начнет закипать? Ответ поясните, указав, какие физические явления закономерности вы использовали для объяснения.

Ответ: при кипении вода в трубке установится на уровне воды в тазике.

Решение (вариант 1) (Д.Д.Гущин)

1. При комнатной температуре вода занимает весь объем трубки и не выливается из нее, потому что давление насыщенного водяного пара при комнатной температуре очень невелико (менее 3% от нормального атмосферного давления), и «торричеллиева пустота», заполненная насыщенным водяным паром, над водой возникнет только если высота водяного столба будет примерно 10 метров.

2. С ростом температуры воды давление ее насыщенного пара растет, пока при температуре кипения не сравняется с внешним атмосферным давлением.

3. Поэтому, когда температура воды в трубке приблизится к температуре кипения, над водой в трубке появится торричеллиева пустота», заполненная насыщенным водяным паром. С дальнейшим повышением температуры уровень воды в трубке будет понижаться. При температуре кипения достигается равенство давления насыщенного водяного пара в трубке и атмосферного давления, поэтому уровень воды в трубке и в тазике одинаков.

Решение (вариант 2)

Нормальное атмосферное давление, равное 100 кПа, уравновешивает давление столба воды высотой 10 м (p = ρgh), а давление насыщенного водяного пара при комнатной температуре пренебрежимо мало по сравнению с атмосферным. Именно поэтому трубку длиной около полуметра вода заполняет полностью.

Кипение представляет собой интенсивное образование по всему объему жидкости и всплытие пузырьков насыщенного пара и начинается при той температуре, при которой давление насыщенного пара равно внешнему давлению. Т.о, при кипении воды над ней в трубке образуется насыщенный пар, выталкивающий ее из трубки. Поскольку при этом давление пара равно атмосферному давлению, вода будет вытеснена из трубки до уровня воды в тазике.

Т.о., при кипении уровни воды в трубке и тазике совпадут.

1. Вася и Петя должны охладить воду одинаковой массы в двух одинаковых высоких мензурках от температуры t₁ = 4^оС до t₂ = 1^оС, используя одинаковые кусочки тающего льда. Вася охлаждает верхнюю часть сосуда с водой, поместив кусочек льда в верхней части мензурки, а Петя – удерживая кусочек льда вблизи дна. Кто быстрее справится с заданием? График зависимости плотности воды от температуры приведен на рисунке. Ответ поясните, указав какие физические явления и закономерности вы использовали для обоснования.

Ответ: Быстрее справится с заданием Петя.

Решение:

Наиболее эффективная теплопередача в жидкости осуществляется путем конвекции. При охлаждении воды она возникает под действием силы тяжести и силы Архимеда, вследствие различий в плотности холодной и теплой воды. В соответствии с законом Архимеда, более плотная вода перемещается вниз, а менее плотная – вверх. В указанном интервале температур холодная вода имеет меньшую плотность и движется от кусочка льда вверх. Чтобы правильно использовать механизм конвекции, лёд нужно разместить в воде так, чтобы обеспечить условия для ее свободной циркуляции, т.е. снизу, как это сделал Петя.

1. Каким образом установка батарей отопления под окном помогает выравниванию температур в комнате в зимнее время? Ответ поясните, используя физические закономерности.

Решение.

Перемешивание воздуха и выравнивание его температуры в комнате при работающих батареях происходит за счет конвекции. В соответствии с уравнением Менделеева-Клапейрона, pV = mRT/M, из чего следует, что плотность воздуха ρ = pM/RT при одном и том же давлении у холодного воздуха выше, чем у теплого. Поэтому теплый воздух, нагретый батареей, в соответствии с законом Архимеда поднимается вверх, а воздух, остывший от соприкосновения с холодным стеклом окна, опускается вниз к батарее, где нагревается и поднимается вверх. Это перемешивание выравнивает температуру в комнате.

1. Насаженную на вертикальную ось металлическую стрелку АВ закрепили и сбоку к ней поднесли наэлектризованную стеклянную палочку (см. рисунок – вид сверху). Будет ли поворачиваться стрелка, если её освободить, и если будет, то в какую сторону? Объясните поведение стрелки, указав, какими физическими явлениями и закономерностями оно вызвано.

Ответ: Стрелка повернется по часовой стрелке, конец стрелки А будет указывать на стеклянную палочку.

Решение:

Электрическое поле палочки приведет к перераспределению свободных зарядов (электронов) внутри проводящей стрелки (электростатическая индукция): ближний к положительно заряженной палочке конец А стрелки зарядится отрицательно, а дальний В – положительно. Так как заряды противоположных знаков притягиваются, а одноименных знаков – отталкиваются, то конец А стрелки будет притягиваться к палочке, а В – отталкиваться. Это притяжение и отталкивание разных концов стрелки приведёт к повороту самой стрелки: конец А будет указывать на стеклянную палочку. Поворот произойдёт по часовой стрелке.

1. На рисунке изображены три металлические пластины большой площади. Пластины расположены параллельно друг другу, расстояние между пластинами много меньше их размеров. Внизу указаны заряды пластин. Какой заряд находится на правой плоскости третьей пластины? Ответ обоснуйте.

Решение

1. На фотографии изображена электрическая цепь, состоящая из резистора, реостата, ключа, цифровых вольтметра, подключенного к батарее, и амперметра.
   Составьте принципиальную электрическую схему этой цепи и, используя законы постоянного тока, объясните, как изменятся (увеличатся или уменьшатся) сила тока в цепи и напряжение на батарее при перемещении движка реостата в крайнее правое положение.

Ответ:  Показания амперметра увеличатся, а вольтметра — уменьшатся

Решение

Эквивалентная электрическая схема цепи, учитывающая внутреннее сопротивление батареи, изображена на рисунке, где I — сила тока в цепи. Ток через вольтметр практически не течет, а сопротивление амперметра пренебрежимо мало.

Сила тока в цепи определяется законом Ома для замкнутой цепи: . .

В соответствии с законом Ома для участка цепи напряжение, измеряемое вольтметром

При перемещении движка реостата вправо его сопротивление R₁ уменьшается, что приводит к уменьшению полного сопротивления цепи. Сила тока в цепи при этом растет, а напряжение на батарее уменьшается.

1. Рамку с постоянным током удерживают неподвижно в поле полосового магнита (см. рисунок). Полярность подключения источника тока к выводам рамки показана на рисунке. Как будет двигаться рамка на неподвижной оси МО, если рамку не удерживать? Ответ поясните, указав, какие физические закономерности вы использовали для объяснения. Считать, что рамка испытывает небольшое сопротивление движению со стороны воздуха.

Решение

Рамка повернется против часовой стрелки и встанет перпендикулярно оси магнита так, что контакт «+» окажется внизу.

Рассмотрим сечение рамки плоскостью рисунка в условии задачи. В исходном положении в левом звене рамки ток направлен от нас, а в правом - к нам. На левое звено рамки действует сила Ампера F_A1, направленная вниз, а на правое звено - сила Ампера F_A2, направленная вверх. Эти силы разворачивают рамку на неподвижной оси МО против часовой стрелки (см. рисунок).

Рамка устанавливается перпендикулярно оси магнита так, что контакт «+» оказывается внизу. При этом силы Ампера F_A1 и F_A2 обеспечивают равновесие рамки на оси МО (см. рисунок).

1. На рисунке изображены две изолированные друг от друга электрические цепи. Первая содержит последовательно соединенные источник тока, реостат, катушку индуктивности и амперметр, а вторая — проволочный моток, к концам которого присоединен гальванометр, изображенный на рисунке справа. Катушка и моток надеты на железный сердечник. Как будут изменяться показания приборов, если катушку, присоединенную к источнику тока, медленно перемещая вверх, снять с сердечника? Ответ поясните, указав, какие физические закономерности вы использовали для объяснения.

Ответ: во время перемещения катушки индуктивности вверх и снятия ее с сердечника показания амперметра будут оставаться неизменными, а гальванометр будет регистрировать ток в цепи второй катушки.

Решение

Магнитное поле, создаваемое током в катушке и замыкающееся через сердечник и воздушный промежуток, неоднородно. При перемещении проволочного мотка вверх поток вектора магнитной индукции через него будет изменяться, поэтому в нем возникнет индукционная ЭДС и индукционный ток, который будет регистрироваться гальванометром. Амперметр показывает силу тока, текущего через катушку. При движении мотка она несколько изменяется за счет ЭДС, индуцируемой в катушке изменяющимся магнитным полем тока мотка, но при медленном движении изменение силы тока незначительно, поэтому показания амперметра практически постоянны.

(Примечание: когда катушка будет полностью снята с сердечника, изменение магнитного потока в мотке проволоки прекратится, и сила тока, регистрируемого гальванометром, станет равной нулю. При этом амперметр будет регистрировать постоянную силу тока в цепи катушки индуктивности. Это утверждение для полного ответа не требуется).

1. Три лампы подключены к источнику постоянного тока так, как показано на рисунке. Первоначально ключ разомкнут. В какой последовательности загораются лампы при замыкании ключа? Каким явлением это можно объяснить?

Ответ: Лампы 1 и 2 вспыхивают практически сразу. Лампа 3 разгорается постепенно.

Решение:

При замыкании ключа ток возрастает во всех элементах цепи. При этом возникает ЭДС самоиндукции, противодействующая, по правилу Ленца, увеличению силы тока и зависящая от индуктивности элемента. Индуктивность участков 1 и 2 мала, поэтому ток через лампы 1 и 2 достигает рабочего значения практически сразу. Индуктивность катушки с сердечником значительно больше индуктивности всех остальных элементов, поэтому ток через нее будет нарастать медленно, и лампа 3 загорится позже и будет разгораться до нормального накала постепенно

1. Если кольцо диаметром 3-4 см, согнутое из тонкой проволоки, окунуть в раствор мыла, то, вынув его из раствора, можно обнаружить радужную пленку, затягивающую отверстие кольца. Если держать кольцо так, чтобы его плоскость была вертикальна, и рассматривать пленку в отраженном свете на темном фоне, то в верхней части пленники через некоторое время будет видно растущее темное пятно, окольцованное разноцветными полосами. Как чередуется цвет полос в направлении от темного пятна к нижней части кольца? Ответ поясните, указав, какие физические явления и закономерности вы использовали для объяснения.

Решение:

Мыльный раствор, стекая вниз, образует клин, обращенный широкой гранью вниз. Световые волны, отраженные от передней и задней поверхностей клина, интерферируют. Результат интерференции зависит от разности хода волн, а она в свою очередь определяется толщиной клина в месте падения света.

Появление темного пятна в верхней части каркаса объясняется тем, что пленка в этой области настолько тонкая, что разность хода волн не превышает половины длины самых коротких волн в спектре падающего света .

По мере увеличения толщины пленки разность хода волн начинает удовлетворять условию максимума амплитуды сначала для самых малых, а затем все больших длин волн, поэтому ниже темного пятна цвета пленки сменяются от фиолетового, с минимальной длиной волны, к красному – с максимальной. Возрастающим значениям k соответствуют системы полос, в которых цвета чередуются указанным образом в направлении сверху вниз. При достаточно большой толщине пленки системы полос могут перекрываться, образуя смешанные цвета, поскольку при этом могут выполняться условия максимума амплитуды для волн разных длин.

Решение (вариант 2)

1. Окраска пленки обусловлена интерференцией света, отраженного от передней и задней поверхностей пленки.

2. Темное пятно на пленке появляется, когда из-за стекания мыльного раствора вниз толщина пленки становится слишком малой и не наблюдается интерференционный максимум ни для одной из длин волн в видимом диапазоне.

3. По направлению от темного пятна к нижней части кольца толщина пленки постепенно увеличивается, поэтому условие наблюдения первого интерференционного максимума при переходе от темного пятна к нижней части кольца выполняется сначала для света с наименьшей длиной волны (фиолетового), а затем по очереди для света всех цветов радуги, заканчивая светом с наибольшей длиной волны (красным).

Затем наблюдаются максимумы следующих порядков.

В результате под темным пятном пленка окрашена в фиолетовый цвет, затем в синий и т.д. до красного.

Затем чередование цветов повторяется, но цвета начинают смешиваться, т.к. возможно наложение друг на друга максимумов разных порядков для разных длин волн.

1. Дно водоёма всегда кажется расположенным ближе к поверхности воды для наблюдателя, находящегося в лодке. Объяснить это явление.

Решение

Рассмотрим ход лучей 1 и 2, отражённых от некоторой точки А, лежащей на дне водоёма. Луч 1 (взятый для удобства построения) падает перпендикулярно на границу раздела сред (вода-воздух) и не преломляется. Произвольный луч 2 падает на границу раздела под некоторым углом α и преломляется под углом γ (α ₁. Из построения следует, что кажущаяся глубина h₁ меньше глубины водоёма

1. На рисунке приведена электрическая цепь, состоящая из гальванического элемента, реостата, трансформатора, амперметра и вольтметра. В начальный момент времени ползунок реостата установлен посередине и неподвижен. Опираясь на законы электродинамики, объясните, как будут изменяться показания приборов в процессе перемещения ползунка реостата влево.
   
   ЭДС самоиндукции пренебречь по сравнению с .
   
   
   

Решение.

1. Во время перемещения движка реостата показания амперметра будут плавно увеличиваться, а вольтметр будет регистрировать напряжение на концах вторичной обмотки. Примечание: Для полного ответа не требуется объяснения показаний приборов в крайнем левом положении. (Когда движок придет в крайнее левое положение и движение его прекратится, амперметр будет показывать постоянную силу тока в цепи, а напряжение, измеряемое вольтметром, окажется равным нулю.)

2. При перемещении ползунка влево сопротивление цепи уменьшается, а сила тока увеличивается в соответствии с законом Ома для полной цепи I = /(R+r), где R – сопротивление внешней цепи.

3. Изменение тока, текущего по первичной обмотке трансформатора, обмоткой. Это приводит к изменению магнитного потока через вторичную обмотку трансформатора.

4. В соответствии с законом индукции Фарадея возникает ЭДС индукции

= - ΔΦ/ Δt во вторичной обмотке, а следовательно, напряжение U на ее концах, регистрируемое вольтметром.

1. На рисунке изображены графики изобарного расширения (нагревания) двух порций одного и того же идеального газа при одном и том же давлении.
   Почему изобара 1 лежит выше изобары 2?
   Ответ обоснуйте. Какие физические закономерности вы использовали для обоснования ответа?

Решение

Состояние газа описывается уравнением Менделеева-Клапейрона  pV = νRT, где ν – количество вещества. 

По условию давление двух порций газа одинаково, поэтому различие температур при одном и том же объеме (см. рис.) объясняется различием количеств вещества. Поскольку при этом Т₁ T₂,  то из равенства для  обоих порций газа произведения pV₀  вытекает, что ν_{1 2.}

1. В цилиндрическом сосуде под поршнем длительное время находятся вода и ее пар.
   Поршень начинают выдвигать из сосуда. При этом температура воды и пара остается неизменной. Как будет меняться при этом масса жидкости в сосуде?
   Ответ поясните, указав, какие физические закономерности вы использовали для объяснения. 

Решение

Вода и водяной пар находятся в закрытом сосуде длительное время, поэтому водяной пар является насыщенным.

При выдвигании поршня происходит изотермическое расширение пара, давление и плотность насыщенного пара в этом процессе не меняются.
Следовательно, будет происходить испарение жидкости. Значит, масса жидкости в сосуде будет уменьшаться.

1. Человек в очках вошёл с улицы в тёплую комнату и обнаружил, что его очки запотели. Какой должна быть температура на улице, чтобы наблюдалось это явление? В комнате температура воздуха 22°С, а относительная влажность воздуха 50%. Поясните, как вы получили ответ. (Для ответа воспользуйтесь таблицей для давления насыщенных паров воды при различных температурах.)

Решение 

Когда человек входит в дом, температура стёкол его очков практически равна температуре на улице. Очки запотевают, если температура стёкол удовлетворяет условию выпадения росы при заданном парциальном давлении водяного пара в комнате. Если относительная влажность воздуха в комнате 50%, то парциальное давление водяных паров составляет половину давления насыщенного пара при комнатной температуре, т.е. 1,32 кПа. Очки запотеют, если температура на улице соответствует такому (или ниже) давлению насыщенного водяного пара. По таблице находим, что температура на улице не выше 11 °С.

Ответ. Не выше 11 °С.

1. Замкнутое медное кольцо подвешено на длинных нитях вблизи катушки индуктивности, закрепленной на столе и подключенной к источнику постоянного тока  (см. рисунок). Первоначально электрическая цепь катушки разомкнута. Как будет двигаться кольцо при замыкании цепи? Ответ поясните, используя физические закономерности.

Решение

1. При замыкании цепи катушки начинает изменяться поток вектора магнитной индукции через кольцо. По закону электромагнитной индукции в кольце возникает ЭДС индукции, появляется индукционный ток. В соответствии с правилом Ленца взаимодействие токов в кольце и в катушке приводит к тому, что кольцо отталкивается от катушки. 

2. Затем кольцо возвращается в исходное положение, т.к. индукционный ток препятствует возможным колебаниям кольца на нитях. 

3. Индукционный ток в неподвижном кольце вблизи катушки с постоянным током равен нулю, магнитные свойства меди выражены слабо, поэтому, вернувшись в исходное положение равновесия, кольцо остается неподвижным.

1. Каким образом установка батарей отопления под окном помогает выравниванию температур в комнате в зимнее время? Ответ поясните, используя физические закономерности.
   
   

Решение.

1. Перемешивание воздуха и выравнивание его температуры в комнате при работающих батареях происходит за счет конвекции.

2. В соответствии с уравнением Менделеева – Клапейрона плотность воздуха при одном и том же значении p выше у холодного воздуха и ниже у теплого воздуха. Поэтому воздух, нагретый батареей, в соответствии с законом Архимеда поднимается вверх, к окну, а воздух, остывший от соприкосновения с холодным стеклом окна, опускается к батарее для нагрева. Это перемешивание выравнивает температуру в комнате.

1. Широкую стеклянную трубку длиной около полуметра, запаянную с одного конца, целиком заполнили водой и установили вертикально открытым концом вниз, погрузив низ трубки на несколько сантиметров в тазик с водой. При комнатной температуре трубка остается целиком заполненной водой. Воду в тазике медленно нагревают. Где установится уровень воды в трубке, когда вода в тазике начнет закипать? Ответ поясните, используя физические закономерности.

Решение.

1. При комнатной температуре вода занимает весь объем трубки и не выливается из нее, потому что давление насыщенного водяного пара при комнатной температуре очень невелико (менее 3% от нормального атмосферного давления) и над водой возникнет «торричеллиева пустота», заполненная насыщенным водяным паром, только если высота водяного столба будет примерно 10 метров. 

2. С ростом температуры воды давление ее насыщенного пара растет, пока при температуре кипения не сравняется с внешним атмосферным давлением. Поэтому, когда температура воды в трубке приблизится к температуре кипения, над водой в трубке появится «торричеллиева пустота», заполненная насыщенным водяным паром. С дальнейшим повышением температуру уровень воды в трубке будет понижаться. При температуре кипения достигается равенство давления насыщенного водяного пара в трубке и атмосферного давления, поэтому уровень воды в трубке и в тазике одинаков.

1. Деревянный брусок плавает на поверхности воды в миске. Миска покоится на поверхности Земли. Что произойдет с глубиной погружения бруска в воду, если миска будет стоять на полу лифта, который движется с ускорением, направленным вертикально вверх? Ответ поясните, используя физические закономерности.

Решение.

1. Сила Архимеда, которая поддерживает брусок на поверхности воды, равна по модулю весу вытесненной бруском воды.

2. Когда брусок, вода и миска покоятся относительно Земли, одна и та же сила Архимеда уравновешивает силу тяжести, как в случае плавающего бруска, так и в случае вытесненной им воды. Поэтому масса бруска и масса вытесненной им воды одинаковы

3. Когда брусок, вода и миска покоятся относительно друг друга, но движутся с ускорением относительно Земли. Одна и та же сила Архимеда вместе с силой тяжести сообщает одно и то же ускорение, как плавающему бруску, так и воде в объеме, вытесненном бруском, что приводит к соотношению: F_a=m*(g-a). Откуда следует, что и при движении относительно Земли с ускорением не равным g масса бруска и масса вытесненной им воды одинаковы. Поскольку масса бруска одна и та же, масса вытесненной им воды в обоих случаях одинакова. Вода практически несжимаема, поэтому плотность воды в обоих случаях одинакова. Значит, объем вытесненной воды не изменяется, глубина погружения бруска в лифте остается прежней.

1. В цилиндрическом сосуде под поршнем длительное время находятся вода и ее пар. Поршень начинают выдвигать из сосуда. При этом температура воды и пара остается неизменной. Как будет меняться при этом масса жидкости в сосуде? Ответ поясните, указав, какие физические закономерности вы использовали для объяснения.

Решение.

1) Масса жидкости в сосуде будет уменьшаться. 

2) Вода и водяной пар находятся в закрытом сосуде длительное время, поэтому водяной пар является насыщенным. 

3) При выдвигании поршня происходит изотермическое расширение пара, давление и плотность насыщенного пара в этом процессе не меняются. Следовательно, будет происходить испарение жидкости. Значит, масса жидкости в сосуде будет уменьшаться.

1. «Жизнь сосулек». Во время оттепели, когда влажность воздуха высока, из-под слоя снега на крыше дома капает вода, замерзающая на карнизе крыши в виде быстро растущих сосулек. Когда оттепель кончается, сосульки перестают расти и в мороз медленно меняют свою форму: они становятся всё тоньше, а их концы заостряются. Объясните, основываясь на известных физических законах и закономерностях, процессы, происходящие с сосульками на протяжении их «жизни».

Решение.

1. Из дома через крышу идёт поток теплоты. Поэтому в оттепель температура крыши под снегом поднимается выше 0⁰С и начинается таяние снега. 

2. Из-за высокой влажности воздуха скорость испарения воды мала. Поэтому вытекающие на карниз капли воды охлаждаются и, не успевая испариться, постепенно замерзают, превращаясь обратно в лёд и образуя сосульки. Таким образом, сосульки могут вырастать до больших размеров.

3. Когда оттепель кончается и ударяет мороз, снег на крыше перестаёт таять, поскольку температура крыши под слоем снега падает ниже 0⁰С, и сосульки перестают расти. 

4. В дальнейшем на морозе при низкой влажности воздуха происходит медленное испарение сосулек, то есть фазовый переход льда сразу в пар, минуя жидкое состояние. При этом сосульки уменьшаются в объёме, становясь всё тоньше и приобретая острые концы.

1. В сельской местности люди обычно живут в деревянных домах. Трубы, по которым в дом подаётся из уличного водопровода холодная вода, имеющая температуру 8­­­ -10°С, опытные хозяева теплоизолируют и защищают от влаги, оборачивая влагостойкими материалами с низкой теплопроводностью. Это, наряду с проветриванием, позволяет уменьшить сырость в доме. Объясните, опираясь на известные физические законы, зачем это делается и почему описанные процедуры уменьшают сырость.

Решение.

1) Так как по трубам течёт холодная вода, поверхность труб имеет температуру, близкую к 8—10° С. Температура воздуха в жилом доме превышает эту температуру. 

2) Абсолютная влажность воздуха в доме обычно довольно высокая. Если оказывается, что температура поверхности труб ниже точки росы, то водяной пар начинает конденсироваться на холодных трубах. При этом на трубах образуются водяные капли, которые затем падают на пол. Плохое проветривание замедляет испарение воды с пола и препятствует удалению водяных паров. 

3) Оборачивание труб слоем тепло и влагоизолирующего материала позволяет ликвидировать резкий перепад температур между поверхностью трубы и воздухом в доме. Наружная поверхность теплоизолятора имеет температуру, близкую к температуре воздуха, а внутренняя поверхность - близкую к температуре воды в трубе. При этом образование конденсата на трубах становится невозможным, и сырость в доме уменьшается. Дополнительно она уменьшается за счёт проветривания, при котором влажный воздух удаляется и заменяется более сухим наружным.

1. В герметичную банку, сделанную из очень тонкой жести и снабженную наверху завинчивающейся крышкой, налили немного воды (заполнив малую часть банки) при комнатной температуре и поставили на газовую плиту, на огонь, не закрывая крышку. Через некоторое время, когда почти вся вода выкипела, банку сняли с огня, сразу же плотно завинтили крышку и облили банку холодной водой. Опишите физические явления, которые происходили на различных этапах этого опыта, а также предскажите и объясните его результат.

Решение.

1. После помещения банки на огонь вода в ней нагревалась через тонкую стенку банки от горячих продуктов горения газа. При этом с ростом температуры вода испарялась, и возрастало давление ее паров в банке, которые постепенно вытесняли из нее воздух. Когда вода закипела и почти вся испарилась, воздуха внутри банки практически не осталось. Давление насыщенных паров в банке при этом стало равно внешнему атмосферному давлению.

2. Когда банку сняли с огня, закрыли крышкой и охладили холодной водой почти до комнатной температуры, горячие пары воды внутри банки остыли и практически целиком сконденсировались на ее стенках, отдавая теплоту конденсации наружу, холодной воде, благодаря процессу теплопроводности через стенки. 

3. В соответствии с уравнением Клапейрона-Менделеева давление пара в банке резко упало - во-первых, из-за уменьшения массы оставшегося в банке пара, и, во-вторых — из-за падения его температуры. Заметим, что резкое уменьшение давления в банке можно объяснить и так: при понижении температуры до комнатной пары конденсируются, оставаясь насыщенными, но их давление становится намного меньше давления насыщенных паров воды при температуре кипения (примерно в 40 раз). 

4. Поскольку при комнатной температуре давление насыщенных паров воды составляет лишь малую долю от атмосферного давления (не более 3—4%), тонкая банка после поливания ее водой окажется под действием разности этого большого внешнего давления и низкого давления пара внутри. По этой причине на банку начнут действовать большие сдавливающие силы, которые будут стремиться сплющить банку. Как только эти силы превысят предельную величину, которую могут выдержать стенки банки, то она сплющится, резко уменьшившись в объеме.

1. Летом в ясную погоду над полями и лесами к середине дня часто образуются кучевые облака, нижняя кромка которых находится на одинаковой высоте. Объясните, опираясь на известные вам законы и закономерности, физические процессы, которые приводят к этому.

Решение.

1. Когда лучи Солнца нагревают за счет поглощения света влажную землю и воздух около нее, из земли и растений активно испаряется вода, и более легкий нагретый за счет теплопроводности воздух с парами воды из-за действия выталкивающей силы Архимеда поднимается вверх, образуя восходящие потоки. 

2. В процессе подъема давление воздуха падает, а теплообмена с окружающими телами практически нет. Поэтому процесс изменения состояния влажного воздуха близок к адиабатному, и его температура падает, а относительная влажность растет. 

3. На определенной высоте, в момент достижения «точки росы», пары воды становятся насыщенными и конденсируются в капли — образуется туман, то есть облака. Туман с восходящим потоком воздуха продолжает подниматься и охлаждаться, так что мы наблюдаем образование кучевых облаков с четкой нижней кромкой.

1. Катушка, обладающая индуктивностью L, соединена с источником питания
   с ЭДС Е и двумя одинаковыми резисторами R. Электрическая схема
   соединения показана на рис. 1. В начальный момент ключ в цепи разомкнут.

В момент времени t = 0 ключ замыкают, что приводит к изменениям силы
тока, регистрируемым амперметром, как показано на рис. 2. Основываясь на известных физических законах, объясните, почему при замыкании ключа сила тока плавно увеличивается до некоторого нового значения – I₁.
Определите значение силы тока I₁. Внутренним сопротивлением источника
тока пренебречь.

Решение

1. Медная прямоугольная рамка, по которой протекает постоянный электрический ток силой I, может вращаться вокруг вертикальной оси OO’, закрепленной в подшипниках. При вращении рамки на нее действуют силы вязкого трения. Опираясь на законы электродинамики и механики, опишите и объясните движение  этой рамки после включения однородного магнитного поля с индукцией В (см. рисунок).

Решение

На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера, величина её считают с помощью закона Ампера F=IBlsin α, а направление узнают, используя правилом левой руки. Применяя описанные ранее физические законы и правила находим, что на левую и правую стороны рамки действуют силы F₁ и F₂ соответственно, которые направлены так, как показано на рисунке (изображен вид сверху). Силы, которые действуют на верхнюю и нижнюю стороны рамки, параллельные вектору магнитной индукции, равны нулю.

Силы F₁ и F₂ поворачивают рамку против часовой стрелки до тех пор, пока она не займет положение, при котором плоскость рамки перпендикулярна вектору магнитной индукции. Из-за инерции рамка преодолеет это положение и будет двигаться дальше. Направления сил  F₁ и F₂  при этом будут оставаться неизменными, но теперь они станут замедлять вращение рамки до полной остановки, а затем поворачивать ее  в обратном направлении. Описанный процесс будет повторяться с амплитудой, уменьшающейся за счет работы сил трения  (возникнут затухающие колебания), до тех пор, пока рамка не остановится в положении, когда ее плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции (момент равен нулю). 

1. На рисунке изображены три металлические пластины большой площади.  Пластины расположены параллельно друг другу, расстояние между пластинами много меньше их размеров. Внизу указаны заряды пластин. Какой заряд находится на правой плоскости третьей пластины? Ответ обоснуйте.

Решение

Электрического поля внутри проводника нет. Весь электростатический заряд металлической пластины сосредоточен на его поверхности. Поле зарядов, которые находятся левее третьей металлической пластины, должно быть компенсированным полем зарядов, расположенных справа от нее.

Общий заряд трех пластин должен быть распределен так, чтобы общий «левый заряд» равнялся общему правому заряду. Общий заряд всех трех пластин равен нулю (3q — 4q + q = 0). Значит, справа и слева от третьей пластины должен находиться заряд, равный нулю. Это достигается в том случае, если на правой поверхности третьей пластины находится заряд, равный нулю. 

1. Объясните, основываясь на известных физических законах и закономерностях, почему у басовых труб органа длины большие, а у труб с высокими тонами — маленькие. Органная труба открыта с обоих концов и звучит при продувании через неё потока воздуха.

Решение

1. Громкий звук бывает, когда на выходе из органной трубы устанавливается пучность стоячей волны, так как вблизи пучности колебания воздуха происходят с максимальной амплитудой, а амплитуда определяет громкость звука.

2. Поскольку труба открыта с обоих концов, то пучность также должна устанавливаться и на входе трубы.

3. Поэтому для наиболее громкого звучания минимальная длина трубы должна быть равна половине длины волны — при этом посередине трубы находится узел стоячей волны, а на её концах — две пучности.

4. Звуки низкой частоты  (басы) соответствуют большим длинам волн, а высокой частоты — маленьким длинам волн, поскольку длина волны , а скорость звука с не зависит от его частоты.

5. Таким образом, размеры трубы пропорциональны длине волны звука: чем частота звука ниже, тем длина трубы больше, и наоборот.

1. В зазоре между полюсами электромагнита создано сильное магнитное поле, линии индукции которого практически горизонтальны. Над зазором на некоторой высоте удерживают длинную плоскую медную пластинку, параллельную вертикальным поверхностям полюсов (см. рис.). Затем пластинку отпускают без начальной скорости, и она падает, проходя через зазор между полюсами, не касаясь их. Опишите, опираясь на физические законы, как и почему будет изменяться скорость пластинки во время ее падения.

Решение:

1. В начальный момент времени пластинка падает под действием силы тяжести с ускорением свободного падения g, при этом ее скорость увеличивается (как бы очевидно, но обязательно к упоминанию!)

2. Когда нижний край пластинки входит в область между полюсами магнита, где присутствует сильное магнитное поле, магнитный поток, пронизывающий пластинку, возрастает, в ней по закону электромагнитной индукции Фарадея появляется индукционный ток. Этот ток взаимодействует согласно закону Ампера с магнитным полем магнита, и, в соответствии с правилом Ленца, появляется сила, которая тормозит падение пластинки. Поэтому скорость пластинки  уменьшается. 

3. Когда тормозящая сила сравнивается с силой тяжести, то ускорение пластинки становится равным нулю, и пластинка далее падает в зазоре электромагнита с постоянной скоростью. 

4. В тот момент, когда верхний край пластинки дойдет до верхнего края зазора электромагнита, магнитный поток через пластинку будет уменьшаться, а тормозящая сила падать. При этом в соответствии со вторым законом Ньютона скорость пластинки увеличится, и после ее выхода из магнитного поля продолжается падение с ускорением свободного падения g. 

Решение

1) Фототок насыщения определяется числом электронов, вырванных фотонами из катода за 1 секунду. Согласно постулатам Эйнштейна, каждый фотон взаимодействует не более, чем с одним электроном.

2) Во втором случае значение угла меньше, чем в первом, поэтому число фотонов, движущихся в нем меньше, чем в первом. При падении их на одну и ту же площадь катода, число вырванных электронов за 1 секунду во 2 случае меньше. Фототок уменьшится.

1. Намагниченный стальной стержень начинает свободное падение с нулевой начальной скоростью из пoлoжения, изoбpажённoгo на pис. 1.

Пролетая сквозь закрепленное проволочное кольцо, стержень создает в нём электрический ток, сила которого изменяется со временем так, как пoказанo на pис. 2. Почему в моменты времени t₁ и t₂ ток в кольце имеет различные направления? Ответ поясните, указав, какие физические явления и закономерности Вы использовали для объяснения.

Влиянием тока в кольце на движение магнита пренебречь.

Решение:

Индукционный ток в кольце вызван ЭДС индукции, возникающей при пересечении проводником линий магнитного поля. По закону индукции Фapaдeя  ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф, т.e. кoличeству линий, пepeсeкaeмых кoльцoм в секунду. Она тем выше, чем больше скорость движения магнита. Сила тoкa I, в сooтвeтствии с зaкoнoм Oмa для зaмкнутoй цепи, пpoпopциoнaльнa ЭДС индукции ε .

В момент времени t₁ к кольцу приближается магнит, и магнитный поток увеличивается. В момент t₂ магнит удаляется, и магнитный поток уменьшается. Следовательно, ток имеет различные направления.

1. Мягкая пружина из нескольких крупных витков провода подвешена к потолку. Верхний конец пружины подключается к источнику тока через ключ К, а нижний – с помощью достаточно длинного мягкого провода. Как изменится длина пружины   через    достаточно большое время после замыкания ключа К? Ответ поясните, указав, какие физические явления и закономерности вы использовали для объяснения.

Решение:

До замыкания ключа пружина находится в состоянии, в котором упругие силы, действующие на каждый виток пружины со стороны соседних витков, уравновешивают силу тяжести, действующую на виток. При замыкании ключа К по цепи пойдет ток. 

В   соседних   витках пружины токи потекут сонаправлено. Проводники с сонаправленными токами притягиваются друг к другу. В результате будет достигнуто новое состояние равновесия (пружина станет короче), в котором упругие силы, действующие на каждый виток пружины со стороны соседних витков, будут уравновешивать силу тяжести и силу Ампера, действующие на виток.

1. Между двумя близко расположенными металлическими пластинами, укрепленными на изолирующих подставках, положили металлический шарик. Когда пластины подсоединили к клеммам высоковольтного выпрямителя, подав на них заряды разных знаков, шарик пришёл в движение. Опишите и объясните движение шарика.
   
   
   

Решение:

Под действием электрического поля пластин изменится распределение электронов в шарике и произойдет его электризация: шарик приобретёт тот же заряд, что и пластина, на которой он лежит, — отрицательный.

Отрицательно заряженный шарик будет отталкиваться от нижней и притягиваться к верхней пластине. Если масса шарика достаточно мала, он поднимется к положительно заряженной пластине и, коснувшись ее, поменяет знак заряда. В результате он начнёт отталкиваться от верхней пластины и притягиваться к нижней — шарик вернется к первой пластине и вновь поменяет знак своего заряда на отрицательный. Такое движение вверх-вниз будет повторяться. 

1. Около небольшой металлической пластины, укрепленной на изолирующей подставке, подвесили на длинной шелковой нити легкую металлическую незаряженную гильзу. Когда пластину подсоединили к клемме высоковольтного выпрямителя, подав на нее положительный заряд, гильза пришла в движение. Опишите движение гильзы и объясните его, указав, какими физическими явлениями и закономерностями оно вызвано.

Решение:

Под действием электрического поля пластины изменится распределение электронов в гильзе, и ее поверхность электризуется: сторона, ближайшая к пластине приобретет отрицательный заряд, а противоположная сторона — положительный (электростатическая индукция). Поскольку поле небольшой пластины неоднородно, и ближе к пластине напряженность поля больше,  сила притяжения гильзы к пластине, действующая на ее левую сторону, больше силы  отталкивания, действующей на правую сторону.  Равнодействующая этих сил направлена к пластине, и гильза будет притягиваться к ней.

Если нить достаточно длинная, а гильза достаточно легкая, то гильза коснется пластины. В момент касания часть электронов перейдет с гильзы на положительно заряженную пластину, гильза приобретет положительный заряд, оттолкнется от пластины и остановится в положении, в котором равнодействующая сил электростатического отталкивания, тяжести и натяжения нити станет равной нулю.

Если длина нити недостаточна для того, чтобы гильза коснулась пластины, или гильза достаточно тяжелая, то она остановится в положении, в котором равнодействующая сил электростатического притяжения, тяжести и натяжения нити равна нулю.

1. В цилиндрическом сосуде под поршнем длительное время находятся вода и ее пар. Поршень начинают выдвигать из сосуда. При этом температура воды и пара остается неизменной. Как будет меняться при этом масса жидкости в сосуде? Ответ поясните, указав, какие физические закономерности вы использовали для объяснения.

Решение:

Вода и водяной пар находятся в закрытом сосуде длительное время, поэтому водяной пар является насыщенным.  При выдвигании поршня происходит изотермическое расширение пара, давление и плотность насыщенного пара в этом процессе не меняются. Следовательно, будет происходить испарение жидкости. Значит, масса жидкости в сосуде будет уменьшаться. 

1. В цилиндре, закрытом подвижным поршнем, находится идеальный газ. На рисунке показана диаграмма, иллюстрирующая изменение внутренней энергии U газа и передаваемое ему количество теплоты Q. Опишите изменение объема газа при его переходе из состояния 1 в состояние 2, а затем в состояние 3. Свой ответ обоснуйте, указав, какие физические закономерности вы использовали для объяснения.

Ответ: в процессах 1-2 и 2-3 объем газа увеличивался

Решение:

Воспользуемся первым законом термодинамики: Q = ∆U + A, где А – работа системы над внешними телами. Именно по знаку А можно судить об изменении объема газа.  Очевидно,  A = Q — ∆U .

В процессе 1-2  Q 0,  ∆U = 0, следовательно, A 0, значит, объем газа увеличивался.

В процессе 2-3 Q = 0,  ∆U 0, и объем газа увеличивался.

Т.о, в процессах 1-2 и 2-3 объем газа увеличивался.

1. После толчка льдинка закатилась в яму с гладкими стенками, в которой она может двигаться практически без трения. На рисунке приведен график зависимости энергии взаимодействия льдинки с Землей от её координаты в яме. В некоторый момент времени льдинка находилась в точке А с координатой 10 см и двигалась влево, имея кинетическую энергию, равную 2 Дж. Сможет ли льдинка выскользнуть из ямы? Ответ поясните, указав, какие физические закономерности вы использовали для объяснения.

Решение:

Чтобы льдинка выскользнула из ямки через левый край, она должна обладать полной механической энергией не менее 5 Дж, а через правый край – менее 4 Дж, что видно из графика. В начальный момент механическая энергия льдинки равна сумме кинетической и потенциальной энергий, т.е. Ек + Ер  = 4 Дж.  По условию задачи трение отсутствует, тогда по закону сохранения полной механической энергии, эта энергия сохраняется, значит, льдинка сможет выскользнуть из ямы через ее правый край.

1. В эксперименте установлено, что при температуре воздуха в комнате 60⁰С на стенке стакана с холодной водой начинается конденсация паров воды из воздуха, если снизить температуру стакана до 29⁰С. По результатам этих экспериментов определите изменится ли относительная влажность при повышении температуры воздуха в комнате, если конденсация паров воды из воздуха будет начинается при той же температуре стакана 29⁰С? Давление и плотность насыщенного водяного пара при различной температуре показано в таблице:

Решение

1. В стеклянном цилиндре под поршнем при комнатной температуре t₀ находится только водяной пар. Первоначальное состояние системы показано точкой на pV-диаграмме. Медленно перемещая поршень, объём V под поршнем изотермически уменьшают от 4V₀ до V₀. Когда объём V достигает значения 2V₀, на внутренней стороне стенок цилиндра выпадает роса. Постройте график зависимости давления p в цилиндре от объёма V на отрезке от V₀ до 4V₀. Укажите, какими закономерностями Вы при этом воспользовались

Решение

1. На рисунке показана принципиальная схема электрической цепи, состоящей из источника тока с отличным от нуля внутренним сопротивлением, резистора, реостата, измерительных приборов – идеального амперметра и идеального вольтметра. Как будут изменяться показания приборов при перемещении движка вправо?

Решение.

При перемещении движка вправо сопротивление реостата уменьшается, и, следовательно, сопротивление внешней цепи тоже уменьшается R = RрR₁/( Rр + R₁) . Согласно закона Ома для полной цепи I=ξ / (R+r₀), сила тока (показ амперметра) увеличивается.

ξ = IR+Ir₀. ξ = const, r₀ = const, Ir₀ – увеличивается, следовательно, IR (показания вольтметра) уменьшается

1. В цилиндрическом сосуде под поршнем длительное время находятся вода и пар. Поршень начинают вдвигать в сосуд. При этом температура воды и пара остаётся неизменной. Как будет при этом меняться масса жидкости в сосуде?

Решение.

Масса жидкости будет увеличиваться, так как при постоянной температуре давление насыщенного пара и концентрация молекул остаются неизменными. Следовательно, при уменьшении объёма часть молекул из пара будет возвращаться в жидкость.

1. Цветок в горшке стоит на подоконнике. Цветок полили водой и накрыли стеклянной банкой. Когда показалось Солнце, на внутренней поверхности банки появилась роса. Почему?

Ответ.

За счёт парникового эффекта насыщенный пар под банкой нагревается и, соприкасаясь с холодной поверхностью банки, конденсируется. Появляется роса.

1. В схеме, предложенной на рисунке, вольтметр и амперметр можно считать идеальными, а источник тока имеет конечное сопротивление. Движок реостата передвинули, и показания амперметра увеличились. Куда передвинули движок реостата и как изменились показания амперметра?

Решение.

При перемещении движка сила тока (показ амперметра) увеличивается I=ξ / (R+r₀), следовательно сопротивление реостата уменьшается, движок перемещается влево.

ξ = IR+Ir₀. ξ = const, r₀ = const, Ir₀ – увеличивается, следовательно, IR (показания вольтметра) уменьшается.

1. Лёгкая трубочка из тонкой алюминиевой фольги подвешена к штативу на тонкой шёлковой нити. Что произойдёт с трубочкой, когда вблизи неё окажется отрицательно заряженный шар. Трубочка не заряжена. Длина нити не позволяет трубочке коснуться шара.

Решение.

В результате электростатической индукции часть свободных электронов в трубочке переместится на противоположную от шара сторону трубочки. Трубочка притянется, но не дотянется до шара (не хватит нити) и зависнет в этом положении, в котором сумма всех сил, действующих на гильзу, будет равна нулю.

1. Две одинаковые металлические пластинки заряжены противоположными зарядами Q и – Q . Пластины установлены параллельно друг другу, площадь каждой пластины равна S. Расстояние между пластинами и их толщина много меньше их длины и ширины. Чему равен заряд на нижней стороне нижней пластины?

Решение:

Пластины одинаковы, заряд на них по модулю одинаков. Заряды, под действием кулоновских сил переместятся на внутренние стороны пластин. На внешних сторонах пластин заряд будет равен Q.

Материалы для подготовки к решению качественных задач

1. Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике для средней школы (любое издание).

2. Марон А.Е., Марон Е.А. Качественные задачи по физике: 7-9 классы. – М.: просвещение, 2006.

3. Новиков С.М. Электромагнитная индукция: Качественные (логические) задачи. – М.: Чистые пруды, 2007.

4. Меледин Г.В.  Физика в задачах – М.: Наука, 1994. - Гл. VI. Задачи-демонстрации.

5. Фурсов В.К. Задачи-вопросы по физике.- М.: Просвещение, 1977.

6. Гельфгат И.М., Генденштейн Л.Э., Кирик Л.А. 1001 задача по физике (любое издание).

7. Единый государственный экзамен: Контрольно-измерительные материалы; Федеральный банк тестовых заданий (открытый сегмент) [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.fipi.ru/view/sections/91/docs/

8. Обучающая система Дмитрия Гущина [Электронный ресурс] Режим доступа: http://phys.reshuege.ru/test?theme=196&ttest=true