πЕГЭ · ИИ-репетитор12 предметов · задания ФИПИ
Главная → Физика → Курс теории → №23

№23. Расчётная задача повышенного уровня: линзы, газовые процессы и электрические цепи

Задание №23 — расчётная задача на 2 балла из разных разделов: оптика, МКТ и электричество. Схема решения одна и та же, меняются только законы, поэтому главное — быстро опознать сюжет и не потерять единицы измерения.

Задание №23 проверяет умение работать с формулой в незнакомом оформлении: сюжет может быть про линзу, про газ на графике, про теплоёмкость или про цепь с источником. Порядок работы одинаков: что дано (с переводом в СИ) → закон в буквах → рабочая формула → подстановка чисел → вычисление → проверка размерности и правдоподобия → ответ с единицами.

1/F = 1/d + 1/f · D = 1/F · pV = νRT · C = Q/ΔT · I = ε/(R + r) · ε_i = |ΔΦ/Δt|

В оптике помни два закона: формулу тонкой линзы и подобие треугольников. В задачах на газ почти всегда работают уравнение состояния pV = νRT и первое начало термодинамики Q = ΔU + A; если задан график, сначала подумай, что на нём изображено — изотерма, изобара, изохора или произвольный процесс. В электричестве различай закон Ома для участка (U = IR) и для полной цепи (I = ε/(R + r)), а в заданиях с индукцией помни: ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока, а не самой индукции.

Сюжет задания №23Что применяемТиповая ловушка
линза: даны оптическая сила и расстояние до предметаF = 1/D, формула тонкой линзы, подобие треугольниковне перевести сантиметры в метры; считать изображение подобным предмету
газ на графике: найти количество вещества, минимальное давление или объёмpV = νRT, поиск минимального произведения pV или отношения T/Vподставлять литры и килопаскали без перевода в кубометры и паскали
теплоёмкость газа или КПД циклаC = Q/ΔT, первое начало термодинамики Q = ΔU + Aзабыть, что при V = const работа равна нулю, а на изобаре не равна
цепь с источником: в схеме амперметр или вольтметрзакон Ома для участка и для полной цепи, свойства соединенийсчитать, что вольтметр показывает ЭДС, или путать последовательное и параллельное соединение
рамка в магнитном поле, дан график B(t)закон электромагнитной индукции, I = ε_i/Rбрать саму индукцию вместо скорости её изменения

Типичные ошибки. 1) Оптические силы и размеры подставляют в сантиметрах: дптр — это 1/м, поэтому расстояние обязано быть в метрах, иначе ответ уезжает на два порядка. 2) В задачах на газ берут литры и килопаскали «как есть»: переводить нужно обязательно, если в формуле стоит универсальная газовая постоянная. 3) Путают напряжение на элементе цепи с ЭДС источника: вольтметр показывает U = IR, а не ε, если есть внутреннее сопротивление. 4) Забывают, что идеальный амперметр имеет нулевое сопротивление и не меняет схему, а идеальный вольтметр — бесконечное и ток через него не идёт. 5) В заданиях на индукцию вместо скорости изменения потока подставляют значение индукции в момент времени. 6) При вычислении КПД или теплоёмкости путают проценты и доли, а также забывают, что КПД — безразмерная величина.

Проверь себя

  1. Почему в формулу тонкой линзы нельзя подставлять расстояние в сантиметрах, а оптическую силу в диоптриях можно использовать сразу?
  2. Что означает постоянная оптическая сила D = 5 дптр для фокусного расстояния линзы?
  3. Почему при постоянном объёме теплоёмкость газа можно найти прямо по графику внутренней энергии?
  4. Чем закон Ома для полной цепи отличается от закона Ома для участка и когда нужен каждый из них?
  5. Какое сопротивление считают идеальный амперметр и идеальный вольтметр и как это влияет на схему?
  6. Почему ЭДС индукции зависит от скорости изменения магнитного потока, а не от самого потока?

Показательные решения

Разбор из банка: высота изображения в собирающей линзе
Карандаш высотой 9 см расположен перпендикулярно главной оптической оси тонкой собирающей линзы на расстоянии 50 см от линзы. Оптическая сила линзы 5 дптр. Чему равна высота изображения карандаша? Ответ приведите в метрах.
Решение по шагам
  1. Что дано: оптическая сила линзы D = 5 дптр, предмет высотой H = 9 см = 0,09 м стоит на расстоянии d = 0,5 м от линзы. Найти высоту изображения h.
  2. Переводим оптическую силу в фокусное расстояние: F = 1/D = 1/5 дптр = 0,2 м. Диоптрия — это 1/м, поэтому фокусное расстояние сразу получается в метрах.
  3. Закон: формула тонкой линзы 1/F = 1/d + 1/f. Выражаем расстояние до изображения: f = F·d/(d − F) = (0,2 м · 0,5 м)/(0,5 м − 0,2 м) = 0,1/0,3 м ≈ 0,333 м.
  4. Второй инструмент — подобие треугольников: высоты относятся так же, как расстояния от линзы, то есть h/H = f/d, откуда h = H·f/d = H·F/(d − F).
  5. Подставляем числа: h = (0,09 м · 0,2 м)/(0,5 м − 0,2 м) = 0,018/0,3 м = 0,06 м.
  6. Проверяем размерность: м · м/м = м — верно. Правдоподобие: предмет стоит дальше двойного фокусного расстояния (0,5 м > 0,4 м), значит, изображение действительное и уменьшенное, h < H — так и вышло. Ответ: 0,06 м.

Ответ: 0,06 м

Официальное решение из банка ФИПИ

Определим сначала величину фокусного расстояния линзы: F = 1/D = 1/5дптр = 0,2 м. Используя формулу тонкой линзы, определим, на каком расстоянии от линзы будет располагаться объект: 1/F = 1/d + 1/f ⇔ f = (Fd)/(d − F). Из рисунка видно, что высота изображения карандаша h связана с высотой самого карандаша H и расстояниями f и d соотношением (подобие треугольников): h = H f/d = (HF)/(d − F) = (0,09 м · 0,2 м)/(0,5 м − 0,2 м) = 0,06 м. Ответ: 0,06 м.

Разбор из банка: теплоёмкость газа по графику внутренней энергии
На рисунке приведен график зависимости внутренней энергии U порции идеального газа от температуры T. Газ нагревают при постоянном объеме. Чему равна теплоемкость этой порции данного газа в рассматриваемом процессе? Ответ приведите в джоулях на ° Кельвина.
Решение по шагам
  1. Что дано: порцию газа нагревают при постоянном объёме; по графику зависимости внутренней энергии от температуры при T = 400 К значение U = 6,0 кДж, при T = 600 К — U = 9,0 кДж. Найти теплоёмкость этой порции газа в данном процессе.
  2. Закон: теплоёмкость — отношение переданной теплоты к изменению температуры, C = Q/ΔT.
  3. Первый закон термодинамики: Q = ΔU + A. При постоянном объёме газ работы не совершает (A = 0), поэтому вся теплота идёт на изменение внутренней энергии и C = ΔU/ΔT.
  4. Берём на графике две удобные точки: ΔT = 600 К − 400 К = 200 К, ΔU = 9,0 кДж − 6,0 кДж = 3,0 кДж = 3000 Дж.
  5. Подставляем: C = 3000 Дж/200 К = 15 Дж/К.
  6. Проверяем размерность (Дж/К) и правдоподобие: для одного моля одноатомного газа C_V = 1,5R ≈ 12,5 Дж/К, значит, порядок величины разумный. Ответ: 15 Дж/К.

Ответ: 15 Дж/К

Официальное решение из банка ФИПИ

Теплоемкостью фиксированной порции газа в некотором процессе называется отношение переданного газу тепла к изменению его температуры: C = Q/Δ T. Согласно первому началу термодинамики, переданного газу тепло идет на изменение его внутренней энергии и на работу против внешних сил: Q = Δ U + A. Поскольку, согласно условию, газ нагревают при постоянном объеме, он не совершает работы, а значит, все тепло идет на изменение внутренней энергии. Таким образом, C = Δ U/Δ T. Рассмотрев любые две точки на графике получаем численное значение для искомой величины: C = (9,0 кДж − 6,0 кДж)/(600 К − 400 К) = 15 Дж/К. Ответ: 15 Дж/К.

Разбор из банка: ЭДС источника по показанию амперметра
В цепи, изображенной на рисунке, идеальный амперметр показывает 1 A. Найдите ЭДС источника, если его внутреннее сопротивление 1 Ом.
Решение по шагам
  1. Что дано: источник с внутренним сопротивлением r = 1 Ом; резисторы R₁ = 3 Ом, R₂ = 1 Ом, R₃ = 5 Ом; идеальный амперметр в ветви с R₁ показывает 1 А. Найти ЭДС источника ε.
  2. Как устроена цепь: R₁ и R₂ соединены параллельно, а R₃ — последовательно с этим участком. Идеальный амперметр имеет нулевое собственное сопротивление, поэтому схему он не меняет.
  3. При параллельном соединении напряжения на ветвях равны: I₁R₁ = I₂R₂, откуда I₂ = I₁R₁/R₂ = (1 А · 3 Ом)/1 Ом = 3 А.
  4. Полный ток цепи равен сумме токов ветвей: I = I₁ + I₂ = 1 А + 3 А = 4 А. Сопротивление нагрузки R = R₃ + R₁R₂/(R₁ + R₂) = 5 Ом + (3 Ом · 1 Ом)/(4 Ом) = 5,75 Ом.
  5. Закон Ома для полной цепи: ε = I(R + r) = 4 А · (5,75 Ом + 1 Ом) = 27 В.
  6. Проверка размерности: А·Ом = В — верно. Правдоподобие: ЭДС 27 В больше падения напряжения на нагрузке (4 А · 5,75 Ом = 23 В), как и должно быть из-за потерь на внутреннем сопротивлении. Ответ: 27 В.

Ответ: 27 В

Официальное решение из банка ФИПИ

Идеальный амперметр имеет нулевое собственное сопротивление, то есть своим присутствием он не вносит возмущения в электрическую схему. Согласно закону Ома для полной цепи, = I (R + r), где I — полный ток в цепи, а R — полное сопротивление нагрузки. Резисторы R₁ и R₂ соединены параллельно, резистор R₃ подключен к ним последовательно. Следовательно, полное сопротивление нагрузки равно: R = R₃ + (R₁ R₂)/(R₁ + R₂) = 5 Ом + (3 Ом · 1 Ом)/(3 Ом + 1 Ом) = 5,75 Ом. При параллельном соединении токи складываются, а напряжения совпадают. Используя закон Ома для участка цепи U = IR, находим ток через резистор R₂: I₁R₁ = I₂R₂, I₂ = I₁ R₁/R₂ = 1 А 3 Ом/1 Ом = 3 А. Следовательно, полный ток в цепи равен: I = I₁ + I₂ = 1 А +³А = 4 А. Наконец, находим ЭДС источника: = 4 А · (5,75 Ом + 1 Ом) = 27 В. Ответ: 27 В.

Открыть раздел в тренажёре

← Все разделы курса по физике · Решать задания №23