Задание №21 ЕГЭ Физика: разбор и критерии
Ответ на это задание — развёрнутое решение. В тренажёре его проверяет ИИ по официальным критериям ФИПИ, а здесь есть эталонное решение из банка.
Условие
На рисунке изображена схема электрической цепи, состоящей из двух одинаковых источников тока с ЭДС и внутренним сопротивлением r, резистора сопротивлением R, двух одинаковых ламп Л1 и Л2, двух идеальных диодов Д1 и Д2 и ключа К. Опираясь на законы электродинамики, объясните, какие изменения произойдут в работе этой цепи, если перевести ключ К из положения 1 в положение 2. Сравните накал ламп в этих двух случаях.
Подсказки — как подойти к решению
- Для каждого положения ключа определи направление тока в цепи и проверь, в каком направлении он входит в каждый диод. Идеальный диод пропускает ток только в прямом направлении, а в обратном ведёт себя как разрыв цепи.
- Замени диоды эквивалентами (замкнутый ключ или обрыв), нарисуй схему для каждого положения и сравни сопротивления внешней цепи. По закону Ома для полной цепи найди токи, а накал сравни по мощности I²R_л.
Решение
При замыкании первого ключа ток не идет через правый источник тока. В этом случае цепь будет иметь вид, показанный на рис. 1. Направление тока от + а к − у. При этом через диод Д1 ток идет в прямом направлении, а через диод Д2 — в обратном. Известно, что идеальный диод обладает малым сопротивлением при прохождении тока в прямом направлении и бесконечным сопротивлением при прохождении тока в обратном направлении. Тогда эквивалентная схема будет иметь вид, показанный на рис. 2.
При переводе ключа во второе положение, ток не будет идти через левый источник. Цепь будет иметь вид, показанный на рис. 3. В этом случае ток через диод Д2 будет идти в прямом направлении, а через диод Д1 — в обратном. Тогда эквивалентная схема будет иметь вид, показанный на рис. 4.
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4 В первом случае в цепи лампа Л1 и резистор соединены последовательно. Их общее сопротивление равно R + R_л. По закону Ома для полной цепи, сила тока I₁ = /(R + R_л + r).
Во втором случае в цепи будет только лампа Л2. По закону Ома для полной цепи сила тока I₂ = /(R_л + r). Очевидно, что сопротивление уменьшилось, а сила тока увеличилась. Мощность тока в первом случае:
P₁ = I₁² R_л =²/R_л (R + R_л + r)²,
во втором случае:
P₂ = I₂² R_л =²/R_л (R_л + r)².
Из приведенных формул видно, что мощность тока увеличилась, следовательно, при переводе ключа из положения 1 в положение 2 накал одной из ламп увеличится, а другая лампа гореть не будет.
Ответ: накал горящей лампы увеличится.
Критерии оценивания ФИПИ
| Критерий (до 3 баллов) | Балл |
|---|---|
| Приведено полное правильное решение, включающее правильный ответ (в данном случае: указано направление движения магнита) и исчерпывающие верные рассуждения с прямым указанием наблюдаемых явлений и законов (в данном случае: определено направление тока через катушку после замыкания ключа и направление индукции магнитного поля вблизи верхнего торца катушки с указанием на используемые правила, проведена аналогия с взаимодействием двух магнитов). | — |
| 3 Дан правильный ответ и приведено объяснение, но в решении имеются один или несколько из следующих недостатков. В объяснении не указано или не используется одно из физических явлений, свойств, определений или один из законов (формул), необходимых для полного верного объяснения. (Утверждение, лежащее в основе объяснения, не подкреплено соответствующим законом, свойством, явлением, определением и тому подобное.) И (ИЛИ) Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но в них содержится один логический недочет. И (ИЛИ) В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения (не зачеркнуты; не заключены в скобки, рамку и тому подобное). И (ИЛИ) В решении имеется неточность в указании на одно из физических явлений, свойств, определений, законов (формул), необходимых для полного верного объяснения. | — |
| 2 Представлено решение, соответствующее одному из следующих случаев. Дан правильный ответ на вопрос задания и приведено объяснение, но в нем не указаны два явления или физических закона, необходимых для полного верного объяснения. ИЛИ Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, направленные на получение ответа на вопрос задания, не доведены до конца. ИЛИ Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, приводящие к ответу, содержат ошибки. ИЛИ Указаны не все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеются верные рассуждения, направленные на решение задачи. | — |
| 1 Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла. | — |
| 0 Максимальный балл | 3 |
Типичные ошибки
- Ученик не разбирает полярность включения диодов и считает, что при переводе ключа резистор R остаётся в цепи, поэтому ток и накал лампы падают; на самом деле закрытый диод выключает участок с резистором, внешнее сопротивление уменьшается, а ток растёт.
В тренажёре: подсказки по шагам, разбор твоей ошибки ИИ-репетитором (он не даёт готовый ответ), повторение ошибок по интервалам и общий прогресс. Все задания №21 по физике · Разбор темы №21 с нуля