Бесплатный интенсив по физике
3 огненных вебинара, домашние задания, беседа курса, личный кабинет, связь с преподавателем и
многое другое.
Курс стартует 23 января.
Подробнее об интенсиве
Задание 21. Качественная задача по физике. ЕГЭ 2024 по физике
Задачи для практики
Задача 1
Человек встаёт на весы в покоящемся лифте. Как изменятся показания весов, если лифт будет двигаться с постоянным ускорением, направленным вниз. Ответ обоснуйте, используя физические законы.
Решение
1) Весы показываю массу, которую они определяют с помощью измерения веса Р. Показания весов: $m'=P/g$. Если в движущемся с ускорением лифте изменится вес, то изменятся и показания весов.
2) На человека действуют силы тяжести $mg↖{-}$ и реакции опоры $N↖{-}$. (m - истинная масс человека)
По условию, лифт равноускоренно движется вниз с ускорением $a↖{-}$
Запишем 2 закон Ньютона.
1) $mg↖{-}+N↖{-}=ma↖{-}$
Спроецируем уравнение на вертикальную ось Х, направленную вниз:
$mg-N=ma,$ следовательно, $N=m(g-a)$
3) По 3 закону Ньютона вес человека равен $P↖{-}=-N↖{-}, |P↖{-}|=|N↖{-}|$, значит $P=m(g-a)$.
4) Тогда показания весов $m'=P/g={m(g-a)}/g=m(1-a/g)$ будут меньше, чем показания весов в неподвижном лифте.
Задача 2
Может ли человек принимать радиоволны?
Решение
Да. Может не только принимать, но и излучать. Человек излучает и принимает инфракрасные лучи. Инфракрасные лучи — это электромагнитные волны. Следовательно, они являются «роднёй» радиоволнам.
Задача 3
В стакане с чаем, стоящем на столе, на поверхности чая плавает ломтик лимона. Что произойдёт с глубиной погружения ломтика в чай, если стакан с чаем будет стоять на столе в лифте, движущемся с постоянным ускорением, направленным вертикально вниз? Ответ поясните, указав, какие явления и закономерности вы использовали.
Решение
Запишем 2 закон Ньютона в проекции на вертикальную ось, направленную вверх для двух случаев:
1) стол покоится: $F_a-mg=0$, $F_a=mg$
2) стол находится в лифте, движущимся с ускорением, направленным вниз: ${F'}_a-mg=-ma$, ${F'}_a=m(g-а)$
$m$ - масса лимона.
Сила Архимеда равна весу вытесненной жидкости. Если масса вытесненной воды равна $m_в$, то $F_a=m_вg$, а ${F'}_a=m_в(g-а)$.
Значит в обоих случаях масса лимона будет равна массе вытесненной жидкости, т. е. не будет меняться. Так как масса вытесненной жидкости пропорциональна объёму: $m_в=ρV$ ($ρ$ - плотность воды), то объём вытесненной жидкости будет одинаков в обоих случаях. Объём вытесненной жидкости пропорционален глубине погружение $h$: $V=Sh$, где $S$ - площадь лимона. Если объём не меняется, то и глубина погружения лимона не изменится.
Ответ: глубина погружения ломтика лимона в лифте останется прежней.
Задача 4
В стакане с чаем, стоящем на столе, на поверхности чая плавает ломтик лимона. Что произойдёт с глубиной погружения ломтика в чай, если стакан с чаем будет стоять на столе в лифте, движущемся с постоянным ускорением, направленным вертикально вверх? Ответ поясните, указав, какие явления и закономерности вы использовали.
Решение
Запишем 2 закон Ньютона в проекции на вертикальную ось, направленную вверх для двух случаев:
1) стол покоится: $F_a-mg=0$, $F_a=mg$
2) стол находится в лифте, движущимся с ускорением, направленным вверх: ${F'}_a-mg=ma$, ${F'}_a=m(g+а)$
$m$ - масса лимона.
Сила Архимеда равна весу вытесненной жидкости. Если масса вытесненной воды равна $m_в$, то $F_a=m_вg$, ${F'}_a=m_в(g+а)$.
Значит в обоих случаях масса лимона будет равна массе вытесненной жидкости, т. е. не будет меняться. Так как масса вытесненной жидкости пропорциональна объёму: $m_в=ρV$ ($ρ$ - плотность воды), то объём вытесненной жидкости будет одинаков в обоих случаях. Объём вытесненной жидкости пропорционален глубине погружение $h$: $V=Sh$, где $S$ - площадь лимона. Если объём не меняется, то и глубина погружения лимона не изменится.
Ответ: глубина погружения ломтика лимона в лифте останется прежней.
Задача 5
Почему предметы, находящиеся на дне водоёма, кажутся колеблющимися при порывах ветра?
Решение
В ветреную погоду поверхность воды колеблется, следовательно, угол падения лучей на её поверхность постоянно меняется. Изменяется и угол преломления, и угол отражения от предмета, находящегося в воде. Таким образом, изображение этого предмета для наблюдателя колеблется.
Задача 6
Почему изображение предмета, находящегося в воде, всегда выглядит менее ярко, чем сам предмет, находящийся в воздухе?
Решение
В результате отражения на границе сред и прохождения через толщу воды отражённые от предмета лучи всегда теряют часть энергии. Интенсивность лучей, попадающих в глаз наблюдателя, уменьшается. Следовательно, изображение предмета в воде получается менее ярким, чем сам предмет.
Задача 7
Почему растения не следует поливать в то время, когда на них падают солнечные лучи?
Решение
Капли воды на листах могут работать как собирающие линзы и обжечь растения.
Задача 8
Все знают из опыта, что идти в гору трудно. А почему?
Решение
Двигаясь по ровной дороге, мы затрачиваем мускульную силу в основном на преодоление трения и сопротивление воздуха. На подъёме же приходится преодолевать не только эти силы, но и часть собственного веса.
Задача 9
Почему пустой бумажный мешок, надутый воздухом, с треском разрывается, если ударить его об руку или обо что-либо твёрдое?
Решение
При резком ударе давление в мешке резко возрастает, а по закону Паскаля оно распространяется по всем направлениям.
Задача 10
В стеклянной, запаянной с обоих концов трубке, из которой выкачан воздух, заключён столбик воды. При встряхивании трубки столбик воды ударяется в концы трубки так, словно не испытывает никакого сопротивления. Однако известно, что слева и справа от столбика находятся насыщенные водяные пары, причём определённой температуре соответствует определённое давление этих паров. Объясните указанное явление.
Решение
При встряхивании трубки водяной столбик движется от одного конца трубки к другому. Давление насыщенных паров слева и справа от столбика воды зависит от температуры, но не зависит от объёма. Поэтому давление пара слева и справа одинаково и уравновешивает друг друга. Движение столбика воды, если не учитывать трение о стенки, становится свободным.
Задача 11
В цилиндрическом сосуде под поршнем длительное время находятся вода и её пар. Поршень начинают вдвигать в сосуд. При этом температура воды и пара остаётся неизменной. Как будет меняться при этом масса жидкости в сосуде? Ответ поясните.
Решение
Вода и водяной пар находятся в закрытом сосуде длительное время, поэтому водяной пар является насыщенным. При вдвигании поршня происходит изотермическое сжатие пара, давление и плотность насыщенного пара в этом процессе не меняются. Следовательно, будет происходить конденсация жидкости. Значит, масса жидкости в сосуде будет увеличиваться.
Задача 12
На железный сердечник надеты две катушки, как показано на рисунке. Напряжение на клеммах правой катушки можно изменять. По какому закону нужно изменять напряжение на концах правой катушки, чтобы показания амперметра не зависели от времени? Ответ поясните, указав, какие физические законы и явления вы использовали.
Решение
Линейно расти (или уменьшаться) со временем.
Задача 13
Квадратная рамка со стороной a изготовлена из медной проволоки. Рамка находится на гладкой горизонтальной поверхности. Начальное положение рамки изображено на рисунке. Рамке сообщают начальную скорость V0 вдоль оси Ox. За время движения рамка проходит между полюсами магнита и вновь оказывается в области, где магнитное поле отсутствует. Ширина полюсов магнита d. Опишите характер движения рамки между полюсами магнита. Считайте, что магнитное поле имеет резкую границу и однородно между полюсами.
Решение
При пересечении рамкой границы области поля со скоростью V изменяющийся магнитный поток создаёт ЭДС индукции $E_{инд} = -{∆Φ}/{∆t} = V Bb$. Сила тока в это время $I = {E_{инд}}/{R} = {VBb}/{R}$. При этом возникает тормозящая сила Ампера $F_A = I Bb = V{(Bb)^2}/{R}$, поэтому рамка движется равнозамедленно. Ток течёт в рамке только во время изменения магнитного потока, т.е. при входе в пространство между полюсами и при выходе. Поэтому при движении рамки в области, где её контур находится полностью в магнитном поле, движение рамки равномерное.
Задача 14
Алюминиевое кольцо, надетое на катушку электромагнита, через которую пропускают переменный ток постоянной амплитуды, спокойно висит в воздухе. Однако если ток резко включить, то кольцо весьма эффектно подпрыгнет. Почему кольцо ведёт себя по-разному в этих двух случаях? Ответ объясните, указав, какие физические законы вы использовали.
Решение
Переменный ток в катушке создаёт переменное магнитное поле. Это поле возбуждает в кольце электрический ток, магнитное поле которого направлено противоположно магнитному полю катушки. Кольцо отталкивается от катушки и парит на такой высоте, на которой его сила отталкивания уравновешивает силу тяжести. Когда ток включают, резкий скачок тока в катушке возбуждает в кольце большой ток и соответственно большее магнитное поле. Из-за взаимодействия полей кольцо подпрыгивает.
Задача 15
На рисунке показаны траектории движения заряженных частиц, движущихся в магнитном поле с одинаковыми по модулю скоростями. Укажите знаки зарядов частиц и сравните их удельные заряды (заряды, приходящиеся на единицу массы: $q/m$). Ответ поясните, опираясь на законы механики и электродинамики.
Решение
1) По правилу левой руки можно определить, что 1 — положительный заряд, а 2 и 3 — отрицательные.
2) Такая траектория частиц объясняется действием на них силы Лоренца: $F=qvB$. Эта сила задаёт центростремительное ускорение: $a={v^2}/R$, где R - радиус траектории. Тогда по 2 закону Ньютона: $qvB=m{v^2}/R$. Выразим отсюда удельный заряда: $q/m={Bv}/R$. Так как скорость $v$ всех частиц одинаковая, удельный заряд будет тем больше, чем меньше радиус траектории. Значит наибольший удельный заряд у первой частицы, наименьший — у второй, значение удельного заряда 3 частицы лежит между 1 и 2 .
Задача 16
Постоянная масса одноатомного идеального газа совершает процесс, график которого представлен в координатах U –V, где U — внутренняя энергия газа, V — его объём. Определите, получает газ или отдаёт теплоту в процессах 1–2 и 2–3. Ответ поясните, опираясь на законы молекулярной физики и термодинамики.
Решение
Согласно 1 закону термодинамики, количество теплоты $Q=ΔU+A$, где $ΔU$ - изменение внутренней энергии, а $A$ - работа газа.
Рассмотрим процесс 12:
Изменение внутренней энергии $ΔU=U_2-U_1=0$, работа газа $A>0$, так как газ расширяется, значит $Q=ΔU+A>0$, т.е. газ получает тепло.
Рассмотрим процесс 23:
Изменение внутренней энергии $ΔU=U_3-U_2>0$, работа газа $A=0$, так как объём газа не меняется, значит $Q=ΔU+A>0$, газ получает тепло.
Ответ: в обоих процессах 1–2 и 2–3 газ получает тепло.
