πЕГЭ · ИИ-репетитор12 предметов · задания ФИПИ
Главная → Физика → Курс теории → №25

№25. Расчётная задача высокого уровня: поля, цепи, индукция и оптика

Задание №25 — задача высокого уровня на 3 балла: равновесие в электрическом и магнитном поле, цепь с конденсатором, движение в магнитном поле, индукция или преломление света. Формулы знакомые, но применить их нужно в нестандартной комбинации.

Задание №25 отличается тем, что в нём всегда есть лишний шаг: сначала нужно найти промежуточную величину (напряжение, напряжённость, силу натяжения, угол преломления), и только потом искомую. Поэтому схема решения такая: что дано → промежуточный закон → промежуточная величина → основной закон → рабочая формула в буквах → подстановка чисел в СИ → проверка размерности и правдоподобия → ответ.

E = U/d · F = qE · F_А = IBL · F_Л = qvB · ε_i = |ΔΦ/Δt| · n = sin α / sin γ

Разберём типичные сюжеты. В электрическом поле шарик на нити находится в равновесии, поэтому условия равновесия записывают в проекциях на две оси, а напряжённость связывают с напряжением: E = U/d. В цепи с конденсатором помни главное: постоянный ток через конденсатор не течёт, поэтому он не меняет сопротивления цепи, а напряжение на нём равно напряжению параллельного участка. Сила Ампера F_А = IBL и сила Лоренца F_Л = qvB направляются по правилу левой руки, и от направления зависит, складываются они с силой тяжести или вычитаются. В задачах на индукцию ЭДС равна скорости изменения магнитного потока, а в оптике всё держится на законе преломления и геометрии: длину тени или изображения находят через тангенс угла.

Типичные ошибки. 1) Считают напряжение на конденсаторе равным ЭДС источника: в цепи с внутренним сопротивлением это неверно, конденсатор заряжается до напряжения своего участка. 2) Забывают, что через конденсатор постоянный ток не идёт, и «шунтируют» им резистор при расчёте общего сопротивления. 3) Теряют множитель 1/2 в энергии конденсатора: W = qU/2, а не qU. 4) Путают синус и косинус в проекциях: горизонтально направленная сила Ампера даёт вдоль наклонной плоскости проекцию с косинусом угла наклона. 5) Неверно определяют направление силы Лоренца и складывают её с силой тяжести там, где она направлена вверх. 6) В оптике подставляют в геометрию угол падения вместо угла преломления и путают миллиметры с метрами.

Проверь себя

  1. Почему напряжение на конденсаторе в цепи с источником не равно ЭДС?
  2. Как меняется сопротивление цепи при добавлении конденсатора и почему?
  3. Чему равна энергия заряженного конденсатора и откуда берётся множитель 1/2?
  4. Почему горизонтальная сила Ампера даёт вдоль наклонной плоскости проекцию с косинусом угла наклона?
  5. Чем определяется направление силы Лоренца и что меняется при смене знака заряда?
  6. Почему при переходе от синуса угла преломления к тангенсу удобно пользоваться тождеством sin²γ + cos²γ = 1?

Показательные решения

Разбор из банка: теплота при разрядке конденсатора
В электрической схеме, показанной на рисунке, ключ К замкнут. Заряд конденсатора q = 2 мкКл, ЭДС батарейки = 24 В, ее внутреннее сопротивление r = 5 Ом, сопротивление резистора R = 25 Ом. Найдите количество теплоты, которое выделяется на резисторе после размыкания ключа К в результате разряда конденсатора. Потерями на излучение пренебречь.
Решение по шагам
  1. Что дано: источник с ЭДС ε = 24 В и внутренним сопротивлением r = 5 Ом, резистор R = 25 Ом, конденсатор с зарядом q = 2 мкКл = 2·10⁻⁶ Кл включён параллельно резистору. Ключ размыкают, и конденсатор разряжается через резистор. Найти количество теплоты Q, выделившееся на резисторе.
  2. Пока ключ замкнут, в цепи идёт постоянный ток, а конденсатор заряжен до напряжения того участка, параллельно которому он подключён, то есть до напряжения на резисторе. Это первый промежуточный шаг.
  3. Закон Ома для полной цепи: I = ε/(R + r) = 24 В/(25 Ом + 5 Ом) = 0,8 А.
  4. Закон Ома для участка цепи: U = IR = 0,8 А · 25 Ом = 20 В. Именно до 20 В (а не до 24 В) заряжен конденсатор.
  5. После размыкания ключа конденсатор разряжается только через резистор, поэтому вся энергия электрического поля переходит в теплоту: Q = W = qU/2.
  6. Считаем: Q = (2·10⁻⁶ Кл · 20 В)/2 = 2·10⁻⁵ Дж = 20 мкДж.
  7. Проверка размерности: Кл · В = Дж — верно; для заряда в микрокулонах энергия в микроджоулях правдоподобна. Ответ: Q = 20мкДж.

Ответ: Q = 20мкДж

Официальное решение из банка ФИПИ

Количество теплоты, выделяющееся на резисторе после размыкания ключа, равно энергии, накопленной конденсатором: Q = W_C = qU/2. Напряжение на конденсаторе U = падению напряжения на резисторе. С учетом закона Ома для полной цепи I = /(R + r) и закона Ома для участка цепи I = U/R получаем: U = IR = (R)/(r + R). Комбинируя эти формулы, находим: Q = (q R)/(2 (r + R)) = (2·10⁻⁶ · 24 · 25)/(2 · (25 + 5)) = 20мкДж. Ответ: Q = 20мкДж.

Разбор из банка: сила Ампера разгоняет стержень по наклонной плоскости
Горизонтальный проводящий стержень прямоугольного сечения поступательно движется с ускорением вверх по гладкой наклонной плоскости в вертикальном однородном магнитном поле (см. рис.). По стержню протекает ток I. Угол наклона плоскости α = 30 °. Отношение массы стержня к его длине m/L = 0,1 кг/м. Модуль индукции магнитного поля B = 0,2 Тл. Ускорение стержня a = 1,9 м/с². Чему равна сила тока в стержне?
Решение по шагам
  1. Что дано: стержень массой m = 0,1 кг и длиной L = 0,2 м лежит на наклонной плоскости с углом α = 30° в магнитном поле с индукцией B = 1 Тл; ток перпендикулярен вектору индукции, а сила Ампера направлена горизонтально; стержень движется вверх по плоскости с ускорением a = 1,9 м/с². Найти силу тока I.
  2. Расставляем силы: сила тяжести mg вниз, сила реакции опоры N перпендикулярно плоскости, сила Ампера F_А горизонтально. Ось направляем вдоль плоскости вверх, по направлению движения.
  3. Модуль силы Ампера: F_А = IBL sin β, где β — угол между направлением тока и вектором индукции; по условию β = 90°, значит F_А = IBL.
  4. Второй закон Ньютона в проекции на ось вдоль плоскости: ma = −mg sin α + IBL cos α. Сила Ампера горизонтальна, поэтому вдоль плоскости она даёт проекцию с косинусом угла наклона.
  5. Выражаем ток: I = m(a + g sin α)/(LB cos α).
  6. Подставляем числа: sin 30° = 0,5, cos 30° ≈ 0,866; I = (0,1 кг · (1,9 м/с² + 10 м/с² · 0,5))/(0,2 м · 1 Тл · 0,866) = 0,69/0,1732 ≈ 4 А.
  7. Проверка размерности: Н : (м · Тл) = Н · А · м/(м · Н) = А, так как 1 Тл = 1 Н/(А·м) — верно. Ответ: I≈ 4 А.

Ответ: I≈ 4 А

Официальное решение из банка ФИПИ

1. На рисунке показаны силы, действующие на стержень с током: — сила тяжести mḡ, направленная вертикально вниз; — сила реакции опоры N̄, направленная перпендикулярно к наклонной плоскости; — сила Ампера F̄_А, направленная горизонтально вправо, что вытекает из условия задачи. 2. Модуль силы Ампера F_А = IBL sin β, где угол между направлением тока и вектором магнитной индукции sin β = 1. 3. Систему отсчета, связанную с наклонной плоскостью, считаем инерциальной. Для решения задачи достаточно записать второй закон Ньютона N̄ + F̄_A + m ḡ = m ā. В проекциях на ось х (см. рис.): ma = − mg sin α + IBL cos α. Отсюда находим I = (m (a + g sin α))/(LB cos α) = (0,1 · (1,9 + 10 · sin 30 °))/(0,2 · cos 30 °) ≈ 4 А. Ответ: I≈ 4 А.

Разбор из банка: длина тени на дне от преломлённого луча
В горизонтальное дно водоема глубиной 3 м вертикально вбита свая, полностью скрытая под водой. Высота сваи 2 м. При угле падения солнечных лучей на поверхность воды, равном 30 °, определите длину тени сваи на дне водоема. Коэффициент преломления воды n = 4/3.
Решение по шагам
  1. Что дано: солнечный луч падает на поверхность воды под углом α = 30° (sin α = 0,5), показатель преломления воды n = 4/3 ≈ 1,33, высота сваи h = 2 м. Найти длину тени L на дне.
  2. Какой закон: закон преломления света sin α / sin γ = n. Именно угол преломления γ определяет, куда пойдёт луч в воде, а значит, и размер тени.
  3. Находим промежуточную величину — синус угла преломления: sin γ = sin α/n = 0,5/(4/3) = 0,375.
  4. Из геометрии длина тени равна L = h·tg γ, поэтому от синуса переходим к тангенсу: tg γ = sin γ/√(1 − sin²γ) = 1/√(4n² − 1).
  5. Считаем: 4n² − 1 = 4 · (16/9) − 1 = 55/9, значит tg γ = 3/√55 ≈ 0,4045.
  6. Тогда L = h·tg γ = 2 м · 0,4045 ≈ 0,81 м, то есть L≈ 0,8 м.
  7. Проверка: тень короче самой сваи, потому что лучи входят в воду под углом и идут вниз почти вертикально. Ответ: L≈ 0,8 м.

Ответ: L≈ 0,8 м

Официальное решение из банка ФИПИ

Согласно рисунку, длина тени L определяется высотой сваи h и углом γ между сваей и скользящим по ее вершине лучом света: L = h · tg γ. Этот угол является и углом преломления солнечных лучей на поверхности воды. Согласно закону преломления (sin α)/(sin γ) = n, sin γ = (sin α)/(n) = 1/2n, tg γ = (sin γ)/(√(1 − sin² γ)) = 1/(√(4n² − 1)). Следовательно, L = h 1/(√(4n² − 1)) = (2)/(√(4 · 16/9 − 1)) = (6)/(√(55)) ≈ 0,8 м. Ответ: L≈ 0,8 м.

Открыть раздел в тренажёре

← Все разделы курса по физике · Решать задания №25