Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Решения задач ЕГЭ

.pdf
Скачиваний:
1455
Добавлен:
10.06.2015
Размер:
6 Мб
Скачать
☆

r

 

 

 

 

 

v2

 

arn = dv

;

 

arn

 

=

;

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

R

 

2.Сила давления на сидение тележки численно равна весу человека массой m. В верхней точке траектории нормальное (центростремительное ускорение)

an направлено к оси вращения тележки, проходящей через центр круговой траектории перпендикулярно вертикальной плоскости, поэтому в верхней точке траектории модуль силы тяжести должен быть равен модулю силы инерции, которая не является фиктивной силой, потому что вызвана не взаимодействием тел, а спецификой движения. Если к действующим ньютоновским силам добавить силы инерции, то в соответствии с принципом Даламбера тело можно рассматривать как неподвижное:

mg = man ; mg =

mv2

; v = gR = 10 6,4 = 8

м

;

R

с

 

 

 

С3. На диаграмме представлены изменения давления и объёма идеального одноатомного газа. Какое количество теплоты было получено или отдано газом при переходе из состояния 1 в состояние 3?

Решение

1. Уравнения состояния газа позволяют установить:

p1V1 p1V2 p2V2 p3V2

=νRT1;

=νRT2 ;

=νRT2 ;

=νRT3;

T2 = 3; T1

T2 = 3; T3

T1 = T3;

 

точки 1 и 3 расположены на изотерме,

Рис. 1.3. Изменение состояния газа

внутренняя энергия газа в этих точках

 

одинакова.

 

2. На участке 1 − 2 совершается работа, численно равная количеству отданной газом теплоты:

Q = p1 V = p1(V2 − V1 )= 60кДж;

С4. В однородном магнитном поле с индукцией В = 1,67 10 − 5 Тл протон движется перпендикулярно вектору магнитной индукции по окружности радиусом R = 5 м. Определить скорость протона.

Решение

1. Протон может находиться на стационарной круговой траектории при равенстве модулей силы инерции, обусловленной движением с нормальным (центростремительным) ускорением и силы Лоренца

qvB =

mpv2

;

v =

qBR

=

1,6

10−19 1,67 10−5

5

≈ 8

км

;

R

mp

 

 

1,67 10−27

 

с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

151

С5. Телескоп имеет объектив с фокусным расстоянием F1 = 1 м, и окуляр с фокусным расстоянием F2 = 5 см. Какого диаметра изображение Солнца можно получить с помощью этого телескопа, если есть возможность удалять экран от окуляра на расстояние L = 1,5 м? Угловой диаметр Солнца ψ = 30′.

Рис. 1.5. Оптическая схема телескопа

Решение

1.

Угловое увеличение телескопа (зрительной трубы Иоганна Кеплера):

 

γ =

F1

 

=

 

1

 

= 20;

ϕ = γψ =100 ;

 

F

5

10−2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

Из тригонометрических соображений:

 

tg ϕ =

 

Dx

;

Dx

= 2tg ϕL ≈ 0,262м;

 

 

2L

 

2

 

 

 

 

 

2

С6. Какая частица Х образуется при осуществлении ядерной реакции:

11 H+21H→23 He + X;

Какая энергия освобождается при осуществлении ядерной реакции? Масса ядра водорода mH ≈ 1,00727 а.е.м., масса яра дейтерия mD ≈ 2,01355 а.е.м., масса ядра гелия mHe ≈ 3,01493 а.е.м., одна атомная единица массы эквивалентна энергии 931,5 МэВ.

Решение

1. В соответствии с законом сохранения зарядов и массовых чисел при ядерных реакциях образовавшаяся частица не обладает массой покоя и не несёт заряд, т.е. частица Х является γ − фотоном.

2. Дефект массы при осуществлении ядерной реакции синтеза: m = (mH + mD )− mHe = 3,0282 −3,01493 ≈ 0,00589 а.е.м.;

Eγ = m 931,5 ≈ 5,48 МэВ

152

Вариант 2

С1. В эксперименте установлено, что при температуре воздуха в комнате t1 = 21 0C на стенке стакана с холодной водой начинается конденсация паров воды, если снизить температуру стакана до t2 = 7 0С. По результатам этих экспериментов определить относительную влажность воздуха, воспользовавшись таблицей. При понижении температуры воздуха в комнате конденсация паров начинается при той же температуре стакана 7 0С. Изменилась ли относительная влажность воздуха?

Решение

1. Абсолютная влажность воздуха в комнате численно равна массе водяных паров, содержащихся в единичном объёме воздуха при данной температуре:

f= mVП = ρH =18,4 мг3 ;

2.Относительная влажность пара:

ϕ= p = 10 = 0,4 (40%); pH 24

3. При понижении температуры плотность водяного пара и давление насыщенных паров уменьшается, т.е. относительная влажность воздуха в комнате увеличивается.

С2. В аттракционе человек движется на тележке по рельсам и совершает «мёртвую петлю» в вертикальной плоскости. С какой скоростью должна двигаться тележка в верхней точке круговой траектории радиусом R = 4,9 м, чтобы в этой точке сила давления человека на сидение тележки была равна 0 Н. Ускорение свободного падения принять равным g 10 м/с2.

Решение

1. Движение по круговой траектории криволинейное, т.е. ускоренное:

r

 

 

 

 

 

v2

 

arn = dv

;

 

arn

 

=

;

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

R

 

2.Сила давления на сидение тележки численно равна весу человека массой m. В верхней точке траектории нормальное (центростремительное ускорение)

153

an направлено к оси вращения тележки, проходящей через центр круговой траектории перпендикулярно вертикальной плоскости, поэтому в верхней точке траектории модуль силы тяжести должен быть равен модулю силы инерции, которая не является фиктивной силой, потому что вызвана не взаимодействием тел, а спецификой движения. Если к действующим ньютоновским силам добавить силы инерции, то в соответствии с принципом Даламбера тело можно рассматривать как неподвижное:

mg = man ; mg =

mv2

; v = gR = 10 4,9 = 7

м

;

R

с

 

 

 

С3. На диаграмме представлены изменения давления и объёма идеального одноатомного газа. Какое количество теплоты было получено или отдано газом при переходе из состояния 1 в состояние 3?

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

 

Изменение

внутренней

энергии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

газа на участке 1 → 2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p V

= νRT ;

 

T

 

= p1V1 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

νR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p1V2 = νRT2 ;

 

T

 

= 3p1V1

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

νR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

= 3 νR(T − T )

= 2p V = 3 104 Дж;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1→2

 

 

2

2

1

 

1 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

 

Изменение

внутренней

энергии

Рис. 2.3. Изменение состояния газа

 

 

газа при изменении состояния 2 → 3:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p V = νRT ; T =

p2V3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 νR(T − T )=

3 p

 

 

2

3

3

 

 

3

 

νR

U

 

=

(V − V )= 9 104 Дж;

 

 

 

 

2→3

 

2

 

 

3

2

 

2 2

 

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Работа на участке 2 → 3:

 

(V − V )

= 6 104 Дж;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

2→3

= p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Тепло полученное газом в процессах 1 → 2 → 3:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q =

U

 

+

U

2→3

+ A

2→3

=18 103

Дж;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1→2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С4. При коротком замыкании клее мм аккумулятора сила тока в электрической цепи равна Im = 24 А. При подключении к клеммам электрической лампы с сопротивлением R = 23 Ом сила тока в цепи равна I = 1 А. Определить ЭДС аккумулятора и его внутреннее сопротивление.

Im = ε;

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

ε = Imr;

 

 

 

IR

 

 

 

r

 

 

 

 

 

r

=

=1 Ом;

ε = 24 В;

 

 

 

Imr

 

 

 

 

 

I =

ε

 

 

I =

;

 

 

Im − I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

R + r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R + r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

154

С5. Человек читает книгу, держа её на расстоянии F1 = 0,5 м от глаз. Если это расстояние наилучшего видения, то очки какой оптической силы позволят ему читать книгу на расстоянии F2 = 0,25 м?

Решение

1.Человек обладает дефектом зрения

−дальнозоркостью, хрусталик глаза фокусирует изображение за сетчаткой глаза. Корректировка зрения осуществляет-

ся собирающими линзами, которые фокусируют изображение совместно с хру- Рис. 2.5. Дальнозоркость

сталиком на сетчатку.

2. Оптическая сила корректирующей линзы:

D = 1 − 1 = 2 дптр; F2 F1

С6. Вычислить энергию, освобождающуюся при протекании ядерной реакции:

2713 Al+42 He→3015 +01n.

Массу ядер и частиц принять равными: mAl = 26,97441 а.е.м.; mP = 29,97

008 а.е.м.; mHe = 4,00151 а.е.м.; mn = 1,00866 а.е.м.; одна атомная единица массы эквивалентна энергии 931,5 МэВ.

Решение

1. Дефект массы при осуществлении ядерной реакции:

m = (mAl + mHe )− (mP + mn ) ≈ 30,97592 −30,97847 ≈ −0,00282 а.е.м.; E = m 931,5 ≈ −2,63 МэВ

155

Вариант 3

С1. В эксперименте установлено, что при температуре воздуха в комнате t1 = 19 0С на стенке стакана с холодной водой начинается конденсация паров воды из воздуха, если снизить температуру стакана до t2 = 9 0С. По результатам эксперимента определить относительную влажность воздуха. Почему конденсация паров воды из воздуха может начинаться при различных значениях температуры?

Решение

1. Абсолютная влажность воздуха в комнате численно равна массе водяных паров, содержащихся в единичном объёме воздуха при данной температуре:

f= mVП = ρH =16,3 мг3 ;

2.Относительная влажность пара:

ϕ= p = 11 = 0,5 (50%); pH 22

3. Водяной пар только условно можно, с множественными оговорками, считать идеальным газом. На самом деле водяной пар представляется реальным газом, молекулы которого обладают заметным собственным объёмом и взаимодействуют между собой. Для описания поведения реальных газов в широком диапазоне температур и давлений было предложено много уравнений, однако самым простым и достаточно точным из всех, по мнению многих авторов, является уравнение, предложенное в 1873 г. нидерландским физиком Ван-дер-

Ваальсом (1837 − 1923).

4. Уравнение Ван-дер-Ваальса учитывает взаимодействие между молекулами двумя способами. Во-первых, учитывается собственный объём молекул. Если обозначить объем всех молекул через b, то свободным останется объём:

Vμ = VΣ − b ,

где V∑ − общий объём, предоставленный газу. Во-вторых, учитывается, что подлетающая к стенке молекула испытывает на себе притяжение остальных, которое уравновешивалось, во время нахождения молекулы внутри сосуда. Это притяжение эквивалентно дополнительному давлению pi , которое называют

внутренним давлением газа. Вместо внешнего давления Ван-дер-Ваальс включил в уравнение сумму давлений(p + pi ) . Внутреннее давление газа определяет-

156

ся концентрацией молекул, силы, возникающие при взаимодействии тоже пропорциональны концентрации, поэтому, для одного моля газа можно записать:

pi n2 12 ;

Vμ

Если коэффициент пропорциональности обозначить через а, то уравнение состояния для одного моля реального газа примет вид:

 

a

 

p +

(Vμ − b)= RT ;

2

 

 

 

Vμ

 

5. Уравнение называется уравнением Ван-дер-Ваальса. Разрешим его относительно давления:

pV2 2+ a (V − b)= RT;V

2 RTVμ2

pVμ = Vμ2 − b −a;

pVμ2 2+ a =Vμ

= RT − Vμ − b

RT ; Vμ2 − b

a . Vμ2

Для разреженных газов величинами а и b можно пренебречь, уравнения в этом случае переходят в уравнение состояния идеального газа.

6. Преобразуем уравнение реального газа к виду кубического уравнения

(pVμ2 )(Vμ − b)= RTVμ2 −(Vμ2 − b)a; pV3 − pV2b − RTV2 + Va − ba = 0;

V3 − V2b −

RTV2

 

+

Va

− ba

= 0;

 

 

 

p

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

p

 

3

 

RT

2

 

 

a

 

 

ab

= 0 .

Vμ

 

 

 

 

 

+

 

Vμ −

 

 

 

 

 

 

− b +

p

Vμ

p

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Кубическое уравнение, как известно, имеет три корня, из которых в данном случае необходимо рассматривать только действительные. Другими словами, уравнение может иметь или три вещественных корня или один вещественный и два комплексно − сопряжённых корня, не имеющих физического смысла. Зависимости давления от объёма при трёх заданных температурах (изотермы) приведены на рис. 3.1.1, причём Т2 > Тk >Т1 .

8. Характерной особенностью

 

изотерм,

соответствующих двум

 

более низким температурам Тк и

 

Т1, является свойство исследуе-

 

мого газа при одном и том же

 

давлении

занимать различный

 

объём. Это, на первый взгляд,

 

странное обстоятельство является

 

основанием для очень серьёзных

 

выводов о структуре и поведении

 

вещества в различных условиях.

 

При

высоких

температурах

 

Т ≥ Тk ,

изотермы реального газа

Рис. 3.1.1. Изотермы Ван-дер-Ваальса

отличаются от изотерм идеального газа только искажением формы, оставаясь, в принципе, монотонно спадающей кривой. Изотерма Тк называется критической изотермой, которая имеет только одну точку перегиба К, которая тоже называется критической точкой. Соответствующее этой точке давление и объём

157

так же называются критическими. Состояние вещества, характеризующееся параметрами (pk, Vk, Tk) называется критическим состоянием.

9. Выделим одну из изотерм, например, полученную при температуре Т1 и проанализируем её закономерности. Уравнение Ван-дер-Ваальса при значении давления р1 даёт три значения объёма V1, V2, V3. Горизонтальная линия, соответствующая давлению р1 пересекает выделенную изотерму в трёх точках B, D

иM.

10.Правая часть изотермы (АС) при уменьшении объёма газа в первом

приближении близка к изотерме закона Бойля − Мариотта, поскольку поправки Ван-дер-Ваальса невелики и левая часть уравнения Ван-дер-Ваальса близка к pV. При дальнейшем уменьшении объёма газа поведение его становится нетрадиционным. На участке изотермы CL происходит конденсация, газ частично превращается в жидкость, обладающую несравненно большей плотностью, от-

сюда и уменьшение объёма. В точке изотермы L практически большая часть газа конденсируется и далее жидкость слабо меняет свой объём. Точка М соответствует окончанию конденсации, весь насыщенный пар трансформируется в жидкость.

Следует отметить, что кривая BCDLM не описывается уравнением Ван-дер-Ваальса, это состояние называется метастабильным, т.е. малоустойчивым.

11. Рассмотрим семейство изотерм Ван-дер-Ваальса (рис. 3.1.2), полученных при различных темпе-

Рис. 3.1.2. Семейство изотерм Ван-дер-Ваальса ратурах. Повышение температуры сопровождается укорачиванием го-

ризонтальных участков, соответствующих режиму конденсации насыщенного пара. Начиная с некоторого значения критической температуры Tcr, зона конденсации вырождается, исчезают фазовые переходы, что свидетельствует о неразличимости при данной температуре свойств жидкости и газа.

12. Значение Tcr для каждого вещества индивидуально, этой критической температуре соответствуют вполне определённые критические значения давления и объёма. Если на всех кривых соединить плавной линией все точки изотерм, в которых начинается кипение и конденсация, то образуется некоторая колоколообразная область, обозначенная на рис. 3.1.2. пунктирной линией. Выделенная линия разделяет pV − диаграмму на три характерные области. Правая часть диаграммы соответствует однофазному существованию вещества

вгазообразном состоянии. Правая часть характеризуется состоянием вещества

вжидкой фазе. Внутри колоколообразной области вещество представлено дву-

мя фазами, жидкостью и паром. Выше изотермы, соответствующей Tcr вещество однофазно. Так, например, для воды критической является температура

Tcr(H2O) +374 0С и давление pcr 2,18 107 Па.

13. Метастабильное состояние, характеризующееся тем, что жидкость может быть перегрета, а пар переохлаждён, зависит, прежде всего, от наличия зародышей конкурентной фазы. В данном случае, конденсация начинается на зародышах в виде мельчайших капелек, которые в изобилии присутствуют в

158

микротрещинах на поверхностях твёрдых тел, в частности на поверхности стакана. Так, например, дистиллированную воду при тщательной очистке и дегазации в лабораторных условиях можно нагревать до температур около 150 0С до наступления кипения. Тоже относится и к конденсации, в объёмах, лишённых зародышей конденсация может начинаться при меньших температурах.

С2. В аттракционе человек массой m = 80 кг движется на тележке по рельсам и совершает «мёртвую петлю» в вертикальной плоскости. Каков радиус круговой траектории, если при скорости v = 10 м/с, направленной вертикально вверх, сила нормального давления человека на сиденье равна Р = 1600 Н?

Решение

1. В указанном положении сила тяжести,

направленная вертикально вниз будет иметь на горизонтальную ось нулевую проекцию, Рис. 3.2. «Мёртвая петля»

поэтому сила нормального давления будет обусловлена только нормальным (центростремительным) ускорением:

 

 

 

 

r

 

=

 

 

r

 

=

mv2

;

 

R =

mv2

= 5м;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

N

 

R

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С3. На диаграмме представлены изме-

 

 

 

 

 

 

нения давления и объёма идеального одно-

 

 

 

 

 

 

атомного газа. Какое количество теплоты

 

 

 

 

 

 

было получено или отдано газом при пере-

 

 

 

 

 

 

ходе из состояния 1 в состояние 3?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Изменение внутренней энергии при

 

 

 

 

 

 

переходе газа из состояния 1 в состояние 2:

 

 

 

 

 

 

p V

= νRT ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

= p1V1 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

νR

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.3. Изменение состояния газа

1 1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p2V1 = νRT2 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

T

= p2V1 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

νR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

=

i

 

νR(T − T )=

3 V

(p

 

− p )= −9 104 Дж;

 

 

 

 

 

 

 

1→2

2

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

2

1

 

2

 

1

 

 

2. Работа, производимая над газом на переходе 2 → 3:

 

 

 

 

 

 

 

A

2→3

 

= p

(V − V )= −2 104 Дж;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Изменение внутренней энергии газа при переходе 2 → 3:

 

 

 

 

 

 

 

 

p V

 

= νRT ;

 

T

 

=

p3V3

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

3 3

 

 

 

3

3 p

 

 

3

 

 

νR

 

U

 

=

 

νR(T − T )=

 

(V − V )

= −3 104 Дж;

 

 

 

 

 

 

 

2→3

2

 

 

 

 

 

 

 

3

 

2

 

2

2

 

3

 

2

 

 

4. Количество отданной теплоты:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q = −(

 

 

U1→2 + A2→3 + U2→3 )= −14 103 Дж;

159

С4. При коротком замыкании выводов гальванического элемента сила тока в цепи Im = 2 А. При подключении к выводам элемента лампочки с электрическим сопротивлением R = 3 Ом сила тока в цепи I = 0,5 А. Определить внутреннее сопротивление источника.

Im = ε;

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

ε = Imr;

 

 

IR

 

0,5 3

 

 

r

 

 

 

 

 

r =

=

=1 Ом;

 

 

 

Imr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I =

ε

 

 

I =

;

 

Im − I

 

2 −

0,5

 

 

 

 

 

 

R + r

;

 

 

R + r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С5. Для наблюдения явления интерференции света используется точечный источник света и небольшой экран с двумя отверстиями у глаз наблюдателя. Оценить максимальное расстояние d между отверстиями в экране, при котором может наблюдаться явление интерференции. Разрешающая способность глаза равна ζ = 1′, длина световой волны λ = 5,8 10 − 7 м.

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Максимальное расстояние между от-

 

 

верстиями будет иметь место при оптиче-

 

 

ской разности хода лучей

 

 

равной длине

 

 

волны источника света λ:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

1 0

Рис. 3.5. Интерференция света

 

 

= λ = dsin ζ;

 

d =

 

 

 

;

ζ =

 

;

 

 

sin

ζ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

60

d ≈

 

λ

 

≈ 2 10−3 м;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,9

10−4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C6. Фотокатод облучают светом с длиной волны λ = 300 нм. Красная граница фотокатода λ0 = 450 нм. Определить запирающее напряжение U между анодом и катодом.

Решение

1. Работа выхода фотоэлектронов из фотокатода:

A = hc ;

λ0

2. Запирающее напряжение между анодом и катодом:

hc

 

 

 

hc

 

 

hc

 

 

 

 

hc

 

1

 

1

 

= eU + A;

= eU +

 

 

U =

 

−

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

;

λ

λ

λ0

e

 

λ

λ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U ≈

6,61 10−34 3

108

 

1

 

−

 

1

 

 

 

≈1,38 В;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,6

10−19

3

10−7

4,5 10−7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

160