πЕГЭ · ИИ-репетитор12 предметов · задания ФИПИ
Главная → Физика → Курс теории → №14

№14. Верные утверждения: цепи, графики и опыты по электромагнетизму

Задание №14 — не расчёт, а проверка утверждений по схеме, графику, таблице измерений или фотографии опыта. Угадывать бесполезно: каждое утверждение нужно либо подтвердить коротким расчётом, либо опровергнуть. Здесь ценят аккуратность чтения данных и умение делать по каждому пункту отдельный вывод.

Устройство задания всегда одинаковое: дана установка (схема, график, таблица измерений, рисунок опыта), а затем пять утверждений, из которых нужно выбрать верные. Алгоритм тоже всегда один. Сначала пойми, какой процесс изображён: зарядка конденсатора, нарастание тока в катушке, движение ползунка реостата, изменение магнитного потока. Затем переведи каждое утверждение в конкретную проверку — расчёт по закону Ома, чтение точки на графике или вывод из закона индукции.

U = I·R · U = ε − I·r · |ε_si| = L·|ΔI|/Δt · |ε_i| = |ΔΦ|/Δt

Три самых частых вида данных. В таблице измерений смотрят, как меняется величина со временем: растёт, убывает или остаётся постоянной; именно от этого зависит, верно ли утверждение про «увеличивается». В графике читают наклон прямой и точки пересечения с осями: продолжение прямой U(I) до нулевого тока даёт ЭДС, а точка, где напряжение падает до нуля, даёт ток короткого замыкания. В схеме важно понять, что замыкает ключ и какие резисторы оказываются закороченными.

Полезно держать в голове два зеркальных сценария. Зарядка конденсатора: в момент замыкания ключа конденсатор разряжен, всё напряжение источника падает на резисторе, а ток максимален; дальше ток убывает, напряжение на конденсаторе растёт, и напряжение на конденсаторе в любой момент равно разности ЭДС источника и напряжения на резисторе. Включение катушки: ток нарастает, а разность ЭДС источника и напряжения на резисторе равна ЭДС самоиндукции; когда ток перестаёт расти, ЭДС самоиндукции обращается в нуль.

ФормулировкаЧто проверяемВерно или нет
«Ток через резистор в процессе наблюдения увеличивается»Смотрим столбец силы тока в таблице: 300, 110, 40, 15, 5, 2, 1 мкА — значения падаютНеверно: ток убывает
«Через 6 с после замыкания конденсатор полностью зарядился»В этот момент ток равен 1 мкА, то есть зарядка ещё продолжаетсяНеверно
«ЭДС источника равна 6 » момент t = 0 конденсатор разряжен, всё напряжение на резисторе: U = 300 мкА · 20 кОм = 6 ВВерно
«При t = 3 с напряжение на резисторе 0,6 В»Считаем U = I·R = 15 мкА · 20 кОм = 0,3 ВНеверно: получилось 0,3 В
«При токе 6 А вольтметр показывает 6 В»Находим на прямой U(I) точку с током 6 А и читаем её ординатуВерно, если точка даёт 6 В
«Ток короткого замыкания равен 10 А»Ищем точку, где U = 0: там реостат выведен полностьюНеверно: прямые пересекают ось при 12 А
«ЭДС источника равна 5 В»Продолжаем прямую U(I) до I = 0: при нулевом токе вольтметр показывает ЭДСНеверно: ЭДС равна 12 В
«Сопротивление реостата уменьшалось с большей скоростью»По графику U(I) о скорости движения ползунка судить нельзяНеверно: данных для этого нет
«Между 1 с и 2 с индукция в сердечнике равна нулю»Ток в соседней катушке в это время не равен нулю, значит и поле не равно нулюНеверно
«Сила тока через амперметр была отлична от нуля всё время»Там, где ток в правой катушке постоянен, магнитный поток не меняется и ток в левой катушке равен нулюНеверно

Типичные ошибки. 1) Ставят галочку «на глаз», не считая: в этом задании почти каждое утверждение требует числа. 2) Берут данные из другой строки таблицы или из другой точки графика. 3) Судят по графику зависимости напряжения от тока о том, как быстро двигали ползунок реостата: график этого не показывает. 4) Путают напряжение на резисторе и напряжение на конденсаторе, хотя второе равно разности ЭДС и первого. 5) Считают, что при неизменном токе в катушке магнитное поле в сердечнике исчезает: поле есть, но поток не меняется, поэтому индукционный ток равен нулю. 6) Забывают перевести микроамперы и килоомы в амперы и омы: произведение 300 мкА на 20 кОм даёт 6 В только при аккуратном переводе.

Проверь себя

  1. Почему в момент замыкания ключа в цепи с конденсатором ток максимален, а затем постепенно убывает?
  2. Как по графику зависимости напряжения на клеммах источника от силы тока найти ЭДС и внутреннее сопротивление?
  3. Что показывает точка пересечения прямой U(I) с осью силы тока?
  4. Почему при неизменном токе в катушке амперметр в соседней катушке показывает нуль, хотя магнитное поле в сердечнике есть?
  5. Почему по графику зависимости напряжения от тока нельзя судить о скорости движения ползунка реостата?

Показательные решения

Разбор из банка: два графика напряжение — ток
На рис. 1 приведена схема установки, с помощью которой исследовалась зависимость напряжения на реостате от величины протекающего тока при движении ползунка реостата справа налево. На рис. 2 приведены графики, построенные по результатам измерений для двух разных источников напряжения. Выберите все утверждения, соответствующих результатам этих опытов, и запишите в ответ цифры, под которыми указаны эти утверждения. Вольтметр считать идеальным. 1. В первом опыте при силе тока 6 А вольтметр показывает значение 6 В. 2. Ток короткого замыкания равен 10 А. 3. Во втором опыте сопротивление резистора уменьшалось с большей скоростью. 4. Во втором опыте при силе тока 4 А вольтметр показывает значение 4 В. 5. В первом опыте ЭДС источника равна 5 В.
Решение по шагам
  1. Дана установка с реостатом и два графика зависимости напряжения на реостате от силы тока для двух разных источников. Проверяем утверждения по прямым U(I).
  2. Утверждение 1: в первом опыте при силе тока 6 А вольтметр показывает 6 В. Находим на первой прямой точку с током 6 А — её ордината равна 6 В, значит утверждение верно.
  3. Утверждение 2: ток короткого замыкания равен 10 А. Обе прямые пересекают ось тока при 12 А, где напряжение равно нулю и реостат выведен полностью; значит ток короткого замыкания 12 А, и утверждение неверно.
  4. Утверждение 3: во втором опыте сопротивление реостата уменьшалось с большей скоростью. График показывает связь напряжения и тока, но ничего не говорит о том, как быстро двигали ползунок, поэтому утверждение неверно.
  5. Утверждение 4: во втором опыте при силе тока 4 А вольтметр показывает 4 В. Точка на второй прямой с током 4 А даёт напряжение 4 В — утверждение верно.
  6. Утверждение 5: в первом опыте ЭДС источника равна 5 В. Продолжаем первую прямую до нулевого тока: там напряжение равно 12 В, ведь при разомкнутой цепи вольтметр показывает именно ЭДС. Утверждение неверно.
  7. Верными оказались утверждения 1 и 4, поэтому в ответ записываем 14. Ответ: 14.

Ответ: 14

Официальное решение из банка ФИПИ

1. Верно. Из графика видно, что в первом опыте при силе тока 6 А вольтметр показывает значение 6 В. 2. Неверно. При токе, равном 12 А, реостат полностью выведен, цепь замкнута накоротко, следовательно, 12 А — ток короткого замыкания. 3. Неверно. На данном графике представлена лишь зависимость напряжения от тока, поэтому ничего нельзя сказать о скорости изменения сопротивления резистора. 4. Верно. Из графика видно, что во втором опыте при силе тока 4 А вольтметр показывает значение 4 В. 5. Неверно. Если продлить прямую, то при силе тока 0 А напряжение равно 12 В. Вольтметр показывает ЭДС источника при разомкнутом ключе (сила тока равна 0). Следовательно, в первом опыте ЭДС источника равна 12 В. Ответ: 14.

Разбор из банка: зарядка конденсатора по таблице измерений
Конденсатор подключен к источнику тока последовательно с резистором R = 20 кОм (см. рис.). В момент времени t = 0 ключ замыкают. В этот момент конденсатор полностью разряжен. Результаты измерений силы тока в цепи, выполненных с точностью 1 мкА, представлены в таблице. t, с | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 I, мкА | 300 | 110 | 40 | 15 | 5 | 2 | 1 Выберите все верные утверждения о процессах, наблюдаемых в опыте. 1. Ток через резистор в процессе наблюдения увеличивается. 2. Через 6 с после замыкания ключа конденсатор полностью зарядился. 3. ЭДС источника тока составляет 6 В. 4. В момент времени t = 3 с напряжение на резисторе равно 0,6 В. 5. В момент времени t = 3 с напряжение на конденсаторе равно 5,7 В.
Решение по шагам
  1. Дан опыт: конденсатор подключён последовательно с резистором R = 20 кОм к источнику, ключ замыкают при t = 0, конденсатор разряжен. В таблице — сила тока в моменты от 0 до 6 с. Проверяем пять утверждений.
  2. Утверждение 1: ток увеличивается. В таблице значения 300, 110, 40, 15, 5, 2, 1 мкА убывают, значит утверждение неверно.
  3. Утверждение 2: через 6 с конденсатор полностью зарядился. В этот момент ток равен 1 мкА и всё ещё течёт, то есть зарядка продолжается — утверждение неверно.
  4. Утверждение 3: ЭДС источника равна 6 В. В момент замыкания конденсатор разряжен, поэтому всё напряжение источника падает на резисторе: U = I·R = 300·10⁻⁶ А · 20·10³ Ом = 6 В. Утверждение верно.
  5. Утверждение 4: при t = 3 с напряжение на резисторе равно 0,6 В. Считаем: U = 15·10⁻⁶ А · 20·10³ Ом = 0,3 В, а не 0,6 В — утверждение неверно.
  6. Утверждение 5: при t = 3 с напряжение на конденсаторе равно 5,7 В. Напряжение на конденсаторе равно разности ЭДС источника и напряжения на резисторе: 6 В − 0,3 В = 5,7 В. Утверждение верно.
  7. Верны утверждения 3 и 5, значит в ответ записываем 35. Ответ: 35.

Ответ: 35

Официальное решение из банка ФИПИ

Проверим справедливость предложенных утверждений. 1. Из таблицы ясно, что ток через резистор в процессе наблюдения уменьшается. 2. Через 6 с после замыкания ключа ток в цепи еще наблюдается, следовательно, конденсатор еще заряжается. 3. В момент замыкания ключа, то есть при t = 0, напряжение на резисторе равно ЭДС источника. Напряжение на резисторе в этот момент равно: U = I (0) · R = 300мкА · 20 кОм = 300·10⁻⁶ А · 20·10³ Ом = 6 В. 4. В момент времени t = 3 с напряжение на резисторе равно: U = I (3) · R = 15мкА · 20 кОм = 15·10⁻⁶ · 20·10³ Ом = 0,3 В. 5. Напряжение на конденсаторе равно разности ЭДС источника тока и напряжения на резисторе. При t = 3 с напряжение на конденстаторе равно 6 В − 0, 3 В = 5,7 В. Таким образом, верными являются утверждения под номерами 3 и 5. Ответ: 35.

Разбор из банка: две катушки на сердечнике
На железный сердечник надеты две катушки, как показано на рисунке. По правой катушке пропускают ток, который меняется согласно приведенному графику. На основании этого графика выберите все верные утверждения. Индуктивностью катушек пренебречь. 1. В промежутке между 1 с и 2 с показания амперметра были равны 0. 2. В промежутках 0 − 1 с и 2 − 3 с направления тока в левой катушке были одинаковы. 3. В промежутке между 1 с и 2 с индукция магнитного поля в сердечнике была равна 0. 4. Все время измерений сила тока через амперметр была отлична от 0. 5. В промежутках 0 − 1 с и 2 − 3 с сила тока в левой катушке была одинаковой.
Решение по шагам
  1. На железный сердечник надеты две катушки: по правой пропускают ток, меняющийся по графику, в левой возникает индукционный ток, который измеряет амперметр. Индуктивностью катушек пренебрегаем.
  2. Пренебрежение индуктивностью означает, что поток меняется одновременно с током, а ток в левой катушке пропорционален скорости изменения тока в правой, то есть наклону графика.
  3. Утверждение 1: между 1 с и 2 с показания амперметра равны нулю. На этом участке ток в правой катушке постоянен, поток через левую катушку не меняется, значит ЭДС индукции равна нулю. Утверждение верно.
  4. Утверждение 2: в промежутках 0—1 с и 2—3 с направления тока в левой катушке одинаковы. В первом промежутке ток убывает, во втором растёт, поэтому по правилу Ленца направления индукционного тока будут разными. Утверждение неверно.
  5. Утверждение 3: между 1 с и 2 с индукция магнитного поля в сердечнике равна нулю. Ток в правой катушке в это время не равен нулю, значит и поле не равно нулю — утверждение неверно.
  6. Утверждение 4: всё время измерений сила тока через амперметр была отлична от нуля. В промежутке между 1 с и 2 с она равна нулю, поэтому утверждение неверно.
  7. Утверждение 5: в промежутках 0—1 с и 2—3 с сила тока в левой катушке была одинаковой. Наклоны графика на этих участках равны по модулю, значит и силы индукционного тока совпадают. Утверждение верно. Верны утверждения 1 и 5, ответ 15.

Ответ: 15

Официальное решение из банка ФИПИ

Обратим внимание, что авторы задачи просят пренебречь индуктивностью катушек. Это означает, что магнитный поток в катушках изменяется одновременно, не испытывая задержек. Таким образом, ток в левой катушке будет пропорционален производной от тока в правой катушке. 1. В промежутке между 1 с и 2 с ток в правой катушке остается неизменным, следовательно, показания амперметра равны нулю. 2. В промежутке 0 − 1 с ток в правой катушке уменьшается, а в промежутке 2 − 3 с растет, следовательно, ток, индуцированный в левой катушке, будет иметь разные направления. 3. В промежутке между 1 с и 2 с ток в правой катушке отличен от нуля, следовательно, индукция магнитного поля в сердечнике также отлична от нуля. 4. Как замечено ранее, в промежуток между 1 с и 2 с показания амперметра равны нулю. 5. В промежутке 0 − 1 с и в промежутке 2 − 3 с производная тока по времени одинакова по модулю, следовательно, силы токов, индуцированных в левой катушке, одинаковы. Таким образом, верны утверждения 1 и 5. Ответ: 15.

Открыть раздел в тренажёре

← Все разделы курса по физике · Решать задания №14