Государственное бюджетное образовательное учреждение дополнительного образования детей «Центр дополнительного образования для детей» 350000 г. Краснодар, ул. E-mail:*****@***ru |
КРАЕВЫЕ ЗАОЧНЫЕ КУРСЫ «ЮНИОР» Физика 8 класс ответы и критерии оценки заданий к работе № 3, 2015-2016 учебный год |
Задача 1. (10 баллов)
Два сопротивления 
и 
подключили к источнику постоянного тока сначала последовательно, потом параллельно. В каком случае и во сколько раз на сопротивлении 
=2
выделится большая мощность? Внутренним сопротивлением источника пренебречь.
Решение.
Последовательное соединение
Параллельное соединение
Отношение мощностей
=
=
Ответ: 2.25
Задача 2. (10 баллов)
На изображенной схеме между узлами AD и BE включены перемычки. Как изменится сопротивление цепи между узлами A и B, если перемычку AD заменить перемычкой АС? Все изображенные на схеме резисторы одинаковы.
Решение. Если перерисовать схему с перемычкой AD,
А затем с АС,
то будет видно, что замена одной перемычки на другую приводит, по сути к одному и тому же соединению. Следовательно, сопротивление цепи между узлами A и B не изменится.
Ответ: Сопротивление цепи между узлами A и B не изменится.
Задача 3. (5 баллов)
Два резистора соединили параллельно и измерили результирующее сопротивление. Затем эти же резисторы соединили последовательно и снова измерили сопротивление. В первом случае измерительный прибор показал 1,2 Ом, во вором случае 3,4 МОм. Чему равны сопротивления резисторов?
Решение.
По условию задачи, сопротивление последовательно соединённых резисторов более чем в миллион раз больше сопротивления тех же резисторов, соединённых параллельно. Это возможно только в том случае, когда сопротивление одного из резисторов (R) много больше сопротивления другого (r) : R>> r.
Когда резисторы соединены параллельно, почти весь ток течёт через резистор с меньшим сопротивлением (r) . Поэтому сопротивление всей цепи (1,2 Ом) почти не зависит от наличия второго резистора и приблизительно равно r : r
. (1)
При последовательном соединении резисторов результирующее сопротивление равно R+ r = 3,4 МОм.
В последнем равенстве можно пренебречь меньшим сопротивлением r, так как его величина заведомо меньше погрешности измерительного прибора (равной 0,1 МОм в данном случае): R = 3,4 МОм.
Сопротивления резисторов различаются более чем в миллион раз. Поэтому в случае параллельного соединения через больший резистор протекает менее чем миллионная доля полного тока. Следовательно, погрешность в приближенном равенстве (1) не превышает 1/1.000.000, т. е. заведомо меньше погрешности прибора. Это значит, что все значащие цифры в (1) достоверны: r
Примечание: Задача может быть решена и более «привычным» способом – нахождением R и r из системы уравнений
Ответ: 1,2 Ом, 3,4 Ом
Задача 4. (10 баллов).
Участок АВ электрической цепи, схема которого показан на рисунке, состоит из одинаковых резисторов и проводов, сопротивление которых пренебрежимо мало. Сопротивление этого участка цепи равно R1 = 730 Ом. После того, как школьник Вася перерезал один из проводов, сопротивление участка АВ стало равным R2 = 1360 Ом. В каких точках Вася мог перерезать провод? Укажите две такие точки. Ответ обоснуйте.
Решение.
Рассмотрим участок АВ электрической цепи. Заметим, что он состоит из набора последовательно и параллельно соединённых звеньев.
Пронумеруем резисторы слева направо, начиная с верхнего ряда, так, как показано на рисунке. Обозначим сопротивление каждого из резисторов, из которых состоит участок цепи, через R, и выразим через R общее сопротивление этого участка цепи. Будем двигаться вдоль него слева направо.
Резистора № 1 и № 5 соединены параллельно, их общее сопротивление равно 
. Затем последовательно к ним подсоединен резистор № 2, что дает общее сопротивление. Далее к ним параллельно подключены два последовательно соединенных резистора № 6 и № 7, с их учетом сопротивление равно Добавляя последовательно соединённый резистор № 3, получим сопротивление 
. Далее параллельно к полученному участку подсоединяются три последовательно включенных резистора № 8, № 9, № 10, что дает сопротивление
Наконец, путем последовательного подключения резистора № 4 получим сопротивление всего участка цепи: RАВ=
. Отсюда 
Вычислим отношение 
. Такой результат означает, что цепь, полученная в результате перерезания провода, эквивалентна четырем последовательно соединеннымрезисторам. Можно заметить, что резисторы № 8, № 9, № 10, № 4 окажутся соединенными нужным образом, если изолировать одним отрезом все остальные резисторы цепи. Следовательно, Вася мог перерезать провод возле резистора № 3 с любой из сторон от него (см. рисунок)
Ответ: Вася мог перерезать провод возле резистора № 3 с любой из сторон от него (см. рисунок)
Задача 5. (5 баллов).
Иногда для питания электрических устройств используют несколько параллельно соединенных одинаковых гальванических элементов (батареек). Объясните, зачем это может быть нужно (на первый взгляд кажется, что смысла в этом нет, так как несколько параллельно соединенных дают такое же напряжение, что и одна батарейка.
Замечание. Причин возможного использования параллельно соединенных батареек несколько – и эти причины могут быть разными в различных устройствах.
Ответ.
Основных причин две (но, тем не менее, внимательно читайте работы – возможно, школьники укажут что-нибудь интересное, про что мы не думали).
Увеличивается срок службы устройства (до следующей смены батареек). Заметим, что для этой цели параллельное соединение батареек имеет смысл использовать только тогда, когда работа от одной батарейки приводит к исчерпанию ресурса батарейки раньше, чем истекает срок хранения этой батарейки (когда она испортится в любом случае, даже если вообще не использовалась). Пример такой ситуации: настенные электронные часы с большими декоративными стрелками (на вращение которых тратится много энергии). Небольшое значение веса таких часов проблем не создает, а вот часто залезать на стенку, где они весят, для смены батареек – неудобно. Уменьшение внутреннего сопротивления. Разумеется, если слов «внутреннее сопротивление» школьник не написал, а просто пишет о зависимости реального напряжения батарейки от тока (сопротивления нагрузки) – это тоже правильный ответ. Стабильное (то есть как можно меньше зависящее от нагрузки) напряжение питания необходимо для точных электроизмерительных приборов. Комбинация первого и второго случаев – устройства с большим, но кратковременным электропотреблением (например, фотовспышка). Батарейка от большой нагрузки «портится» со временем (но пока не «испортилась» - может выдавать большой ток), а затем восстанавливается. Если батареек несколько – сила тока делится на количество батареек, и каждая батарейка работает дольше. Во многих случаях для фотокорреспондента может оказаться более полезной возможность сделать больше снимков подряд, чем более лёгкий фотоаппарат (например, если съёмка ведется со штатива, то дополнительный вес нескольких «лишних» батареек почти не создает дополнительных неудобств).Задача 6. (10 баллов)
Нить лампочки накаливания обычно сворачивают в спираль, а затем получившуюся спираль – ещё раз в спираль. После первого сворачивания «внутри» остаётся примерно половина поверхности нити, а после второго «сворачивания» - половина оставшейся поверхности. То есть в результате более 75% поверхности нити попадает внутрь. Не пропадет ли зря свет, излучаемый этой «внутренней» поверхностью?
Решение. Ответ.
Энергия излучения, оказавшегося внутри спирали, разумеется, зря никуда не пропадает, а поглощается этой же спиралью.
Использовать это излучение более полезным образом, тоже, увы не получится. Если предположить, что мы каким-то способом сумели «вытащить» свет внутри спирали (например, вообще не сворачивать нить в спираль, а сделать очень длинную лампочку с прямой нитью накаливания), то теплоотдача нити возрастёт (раньше часть излучения поглощалась, теперь – нет). Соответственно, уменьшится температура нити (при той же электрической мощности лампочки), уменьшится и яркость (температура нити в этой ситуации вообще может оказаться близкой к комнатной – тогда лампочка вообще светить не будет и превратиться в обогреватель).
Спираль лампы должна работать при возможно более высокой температуре, чтобы возникло достаточно яркое свечение, и в то же время спираль должна выдержать много циклов «включение – выключение» и достаточно долго проработать, светясь. Описанная форма спирали обеспечивает при заданной мощности лампочки и напряжении в электрической сети определённую эквивалентную площадь излучающей горячей поверхности, а следовательно, и определенную температуру излучающей поверхности. Если изготовить не спираль, а сплошной цилиндр с нужной площадью и с длиной, заданной размерами лампочки, то при заданной мощности излучения напряжение на егго концах будет значительно меньше, чем напряжение в электрической цепи (например нынешнее 220 В или в прежние времена 127 В). Лампочки с прямыми спиралями (то есть нитью, закрученной в спираль только раз) использовались в старых моделях мотоциклов и автомобилей (с аккумуляторами напряжением 6 В), и сейчас используются в карманных фонариках.
То есть спираль решает и проблему габаритов лампочки при заданном напряжении сети. Вторая проблема, которая решается описанной формой спирали, связана с тем, что в электрической сети используется переменное напряжение. Мощность, выделяющаяся в спирали при протекании по ней тока, пульсирует, изменяясь о нуля до некоторого максимального значения. Описанная форма спирали обеспечивает тепловую инерцию спирали лампочки. Её температура в течение каждого периода (0,02 секунды) изменяется при такой форме спирали всего на 10-15 %, что мало заметно и не создает неудобств для зрения.
Задача 7. (5 баллов)
Электрическая схема состоит из батарейки, лампочки и нескольких выключателей. Лампочку можно включить, а можно выключить. Если любой один из этих выключателей сломается, то остальными выключателями лампочку всё равно можно будет и включить, и выключить.
Приведите пример такой схемы.
Неисправный выключатель может оказаться всё время включенным, всё время выключенным или вообще вести себя непредсказуемым образом.
Решение. Возможный вариант решения. В данной схеме следует разомкнуть выключатель, соединенный последовательно с исправным включателем. Тогда неисправный выключатель на работу схемы уже никак не повлияет.
Из двух оставшихся выключателей один нужно замкнуть, тогда вторым можно будет включать и выключать лампочку.
Другой вариант решения. В приведенной ниже схеме нужно замкнуть исправный выключатель,
соединённый параллельно с неисправным – тогда неисправный выключатель на работу схемы никак не повлияет. Из двух оставшихся выключателей один нужно разомкнуть, тогда вторым можно будет включать и выключать лампочку.
Задача 8. (10 баллов)
Между контактами «1» и «2», к которым подключен источник постоянного напряжения, собрана электрическая схема, состоящая только из резисторов. Напряжение на одном из резисторов U0. Сопротивление этого резистора изменили, в результате напряжение на этом резисторе стало U1 , напряжения на других резисторах схемы так же изменились. Может ли в этой схеме оказаться резистор, на котором изменение напряжения окажется больше, чем 
?
Комментарий. Вместо изменения величины резистора можно менять напряжение на нём с помощью внешнего источника напряжения. Для остальной схемы «подмена» будет незаметна.
Если бы в результате этого в каком-то другом месте схемы напряжение менялось бы с большей амплитудой, чем мы меняем на своем резисторе, получился бы усилитель, собранный целиком на линейных элементах – резисторах, чего не бывает и быть не может.
Решение. Если заменить источник питания (источник с постоянным напряжением) 
и всю остальную часть схемы (в которую не включается изменяемое сопротивление r) «эквивалентным» сопротивлением R, то изменённая схема – это последовательно включенные идеальный источник напряжения, его внутреннее сопротивление R и то самое сопротивление r, величину которого изменяют. При этом сумма напряжений на R и r равна. Значит изменение напряжения на R равно по величине и противоположно по знаку изменению напряжения на r. Все остальные резисторы, для которых произведена эквивалентная замена, входят в состав R, поэтому на любом из них изменение напряжения не может превосходить величины изменения напряжения на R.
Экспериментальный тур
Рекомендации к оформлению результатов экспериментов (оформление отчёта).
Отчет по лабораторным исследованиям - это маленькая научная публикация. Поэтому ваши результаты должны быть изложены грамотно и доступно для прочтения. Вы представляете свои практические исследования. Это значит, что из вашего отчета хотелось бы узнать:
что вы хотели исследовать (как вы ставили экспериментальную задачу); что вам было известно из курса физики по теме эксперимента (кратко, без вывода формул); какие приборы и приспособления вы использовали в эксперименте; особенности подключения приборов, важные для проведения измерений; саму процедура измерений; способ оценки ошибок; способ представления обработанных данных; выводы, содержащие ваши пожелания по усовершенствованию эксперимента.Если вы исследовали зависимость одной величины от другой, то обязательно должен быть график (для случая не менее трех точек). На этом же графике должно быть сопоставление с теоретическими данными. Если вы измеряли одну и туже величину (например, коэффициент поверхностного натяжения воды) - представьте результат на числовой оси вместе с табличным значением данной величины. На графике и числовой оси должны быть указаны ошибки измерений.
Задача 9. (10 баллов) Изучение теплового электробытового прибора и определение его характеристик.
Цель работы – ознакомиться с основными деталями и принципом действия прибора, научиться определять его характеристики.
Приборы и материалы: любой тепловой электробытовой прибор (чайник, электроплитка, кипятильник и т. п.)
1. Выберите бытовой электроприбор. Определите принцип его действия, назначение, характеристики бытового электроприбора.
2. По паспортным данным, указанным на самом приборе, определите электрические параметры, на которые рассчитан этот прибор: напряжение сети U, потребляемая мощность P.
3. Определите недостающие параметры: силу тока I, протекающего по спирали, сопротивление спирали R по формулам: I = P : U R = U : I
4. Рассчитайте количество теплоты Q, которое выделяет этот прибор за 5 минут своей работы, по формуле Q = I2R t Все вычисления выполняйте в системе СИ.
5. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.
Напряжение в сети U, В | Мощность прибора P, Вт | Сила тока в спирали I, А | Сопротивление спирали R, Ом | Количество теплоты Q, Дж |
6. Разместите в бланке отчёта фотографию своего бытового прибора, на которой видны его электрические параметры.
Ответьте на вопросы:
1. Почему проводник, по которому протекает электрический ток, нагревается? Дайте развёрнутый ответ.
2. Приведите примеры использования теплового действия тока.
3. Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготавливают нагревательные элементы?
4. Какие известные вам материалы обладают необходимыми для нагревательного элемента свойствами?
Задача 10 (10 баллов) Определение КПД электрочайника
Цель работы – научиться определять КПД электроприборов на примере электрочайника.
Приборы и материалы: Электрический чайник, термометр, часы с секундной стрелкой.
Указания к работе
1. Рассмотрите электрочайник. По паспортным данным определите электрическую мощность электроприбора P.
2. Налейте в чайник воду объёмом V, равным 1 л или 1,5 л.
3. Измерьте с помощью термометра начальную температуру воды t1.
4. Включите чайник в электрическую сеть и нагревайте воду до кипения.
5. Определите по таблице температуру кипения воды t2.
6. Заметьте по часам промежуток времени, в течение которого нагревалась вода Дŧ.
Все измерения выполняйте в системе СИ.
7. Используя данные измерений, вычислите:
а) совершённую электрическим током работу, зная мощность чайника P и время нагревания воды Дŧ, по формуле A эл. тока = P * Дŧ
б) количество теплоты, полученное водой и равное полезной работе, Q нагр. = cm(t2 - t1)
8. Рассчитайте коэффициент полезного действия электрочайника по формуле
9. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.
Мощность чайника P, Вт | Объём воды V, м3 | Начальная температура воды t1,0С | Время одного нагревания воды в чайнике Дŧ, с | Конечная температура воды t2,0С | Совершённая эл. током работа Aэл. тока, Дж | Количество теплоты Q нагр., Дж | КПД чайника ŋ, % |
10. Разместите в бланке отчёта фотографии своего бытового прибора, на которых видны его электрические параметры и вода, налитая в чайник.
Ответьте на вопросы:
1. Как рассчитать количество теплоты, выделяющегося в проводнике при протекании по нему тока, зная сопротивление этого проводника?
2. Почему спираль электрочайника изготавливают из проводника большой площади сечения? Дайте развёрнутый ответ.
3. Приведите примеры других электроприборов, в которых нагревательным элементом является спираль. Чем эти приборы отличаются друг от друга? Дайте развёрнутый ответ
