На дне цилиндрического сосуда с водой площадью 400
Задача 2.
Ведро, в котором находится m = 10 кг смеси воды со льдом, внесли в комнату и сразу начали измерять температуру смеси. График зависимости температуры от времени t(t) изображен на рисунке. Какая масса льда была в ведре, когда внесли в комнату? Удельная теплоемкость воды с=4200 Дж/(кг оС), удельная теплота плавления льда l = 330 кДж/кг. Теплоемкостью ведра пренебречь.
(10 баллов)
Возможное решение | |
Таяние льда в ведре и нагревание воды происходит за счет теплообмена с окружающей средой. Так как рост температуры от времени в рассматриваемом диапазоне является линейным, то мощность Р теплового потока можно считать постоянной. Уравнение теплового баланса для таяния льда mлl = Рt0, где mл – масса льда в ведре, t0 = 50 мин – время таяния льда. Уравнение теплового баланса при нагревании воды mсΔt = РΔt, где Δt – время нагревания воды. Из графика определим. Таким образом | |
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
Приведено полное правильное решение, включающее следующие элементы: описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин; представлено полное верное объяснение с указанием наблюдаемых явлений и законов: пояснили, что таяние льда в ведре и нагревание воды происходит за счет теплообмена с окружающей; Заметили, что рост температуры от времени в рассматриваемом диапазоне является линейным, следовательно мощность Р теплового потока можно считать постоянной средой записано уравнение теплового баланса для таяния льда mлl = Рt0; уравнение теплового баланса при нагревании воды mсΔt = РΔt; определим проведены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу; представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины | 1 1 2 1 1 1 2 1 |
Задача 3.
Резисторы сопротивлениями R1 = 1 кОм, R2 = 2 кОм, R3 = 3 кОм, R4 = 4 кОм подключены к источнику постоянного напряжения U0 = 33В через клеммы А и В. К резисторам подключили два идеальных амперметра А1, А2. Определите показания амперметров I1, I2.
(10 баллов).
Возможное решение | |
Определим токи Ii, текущие через резисторы Ri (i = 1, 2, 3, 4). Так как амперметры идеальные, то можно рассмотреть эквивалентную электрическую цепь. Для этой цепи , RAB = RAC + RCB = . Полный ток в цепи Для определения показания амперметров запишем закон сохранения токов в узлах d и с ( выбранное направление токов указано на рисунке): I1 = IR1 – IR3 = 5 мА, I2 = IR3 – IR4 = 4 мА
| |
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
Приведено полное правильное решение, включающее следующие элементы: Сделан пояснительный рисунок; проведены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу определили сопротивление RAC; определили сопротивление RCB; определили сопротивление RAB; | 1 1 1 1 |
определили I; определили IR1; определили IR2; определили IR3; представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины : I1 = 5 мА, I2 = 4 мА | 1 1 1 1 2 |
Задача 4.
Кусок льда привязан нитью ко дну цилиндрического сосуда с водой (см. рис.). Над поверхностью воды находится некоторый объём льда. Нить натянута с силой Т= 1Н. На сколько и как изменится уровень воды в сосуде, если лёд растает? Площадь дна сосуда S= 400 см2 , плотность воды ρ= 1 г/см3.
(10 баллов)
Возможное решение | |
Запишем условие плавания куска льда в воде: mлg+ Т =FА= ρ вVп.ч.g; где Vп.ч – объём погружённой в воду части куска льда. Найдём первоначальный уровень воды в сосуде (1), где V о – первоначальный объём воды в сосуде до таяния льда. Соответственно (2), где h2 – уровень воды в сосуде, после таяния льда, V 1 – объём воды, полученной из льда. Решая совместно (1) и (2), получаем h 1 –h 2 = (V п.ч. –V1 )/S; найдём Vп.ч = (m лg+Т)/( ρ в.g). Учтём mл = m1, где m1 – масса воды, полученной изо льда m1 = ρвV1 ; V1 = mл/ρв. Тогда h 1 –h 2 = ((mлg+Т)/ ρ вg. – m л / ρ в )/ S = 2,5 мм | |
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
Приведено полное правильное решение, включающее следующие элементы: cделан пояснительный рисунок, с указанием всех действующих сил; описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин; представлено полное верное объяснение с указанием наблюдаемых явлений и законов: записано условие плавания куска льда в воде: mлg + Т = FА= ρвVп.ч.g; записали формулу для расчета h1 ; записали формулу для расчета h2; проведены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу: h 1 –h 2 = (V п.ч. –V1 )/S; Vп.ч = (mлg+Т)/(ρв.g); V1 = mл/ρв ; h 1 –h 2 = ((mлg+Т)/ ρ вg. – m л / ρ в )/ S. Представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины: h 1 –h 2 = 2,5 мм | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 |
Задача 5.
Чему должен быть равен минимальный коэффициент трения μ между шинами и поверхностью наклонной дороги с уклоном α=30о, чтобы автомобиль мог двигаться по ней вверх с ускорением a=0,6 м/с2?
(10 баллов)
Возможное решение | |
Cилой, вынуждающей двигаться автомобиль является сила трения покоя F(тр.п)макс . Проскальзыванием колёс и силой трения качения пренебрегаем. Укажем все действующие на автомобиль силы и запишем 2 закон Ньютона ma = Fтр.п. + mg. Через проекцию на ось ОХ: Fтр.п. – mg = ma Fтр.п.=μN; OY: N = mg Þ Fтр.п.=μ mg Þ μmg – mg = ma ; μ = (а + g)/g ; μ = 0,64. | |
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
Приведено полное правильное решение, включающее следующие элементы: cделан пояснительный рисунок, с указанием всех действующих сил; представлено полное верное объяснение с указанием наблюдаемых явлений и законов (II закон Ньютона); cилой, вынуждающей двигаться автомобиль является сила трения покоя F(тр.п)макс; Проскальзыванием колёс и силой трения качения пренебрегаем; проведены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу: ОХ: Fтр.п. – mg = ma OY: N = mg μmg – mg = ma μ = (а + g)/g Представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины: μ = 0,64 | 2 1 1 1 1 1 1 1 1 |
| Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 |
Источник
Комбинированные задачи по механике
Особенность задания № 29 заключается в том, что в нем требуется использование материалов не менее чем из двух-трех разделов механики. Актуальные сведения, необходимые для решения задания, приведены в разделе теории. Законы сохранения, силы, действующие в макромире, и другая нужная информация содержится в разделах теории соответствующих типовых заданий по механике.
Теория к заданию №29 ЕГЭ по физике
Проекции сил, скорости, ускорения
При решении расчетных задач векторные величины требуется представлять в их скалярных (числовых) значениях. Для этого их выражают в виде проекций на оси выбранной инерционной с-мы координат, например: Fx, vY. Система координат может быть представлена единственной осью (Ox или Oy), если речь идет о движении по горизонтальной плоскости, о свободном падении тела и т.п. При перемещении тела под углом к горизонту и в других более или менее сложных случаях требуется прямоугольная система (Oxy).
Если направление вектора физ.величины совпадает с направлением координатной оси (или одной из осей, когда задача решается в рамках прямоугольной с-мы координат), то величина проекции совпадает с величиной ее модуля. К примеру, если тело бросают вертикально вниз с ускорением
, то представив схему движения в системе Ox, ось которой направлена тоже вертикально вниз, получим для расчетов: .
Если векторная величина направлена по отношению к осям под углом, то вектор вместе со своими проекциями на оси прямоугольной системы координат образует прямоугольный треугольник, в котором вектор – гипотенуза, а проекции – катеты. Приняв угол между вектором и осью Оx равным α (на рисунке представлен пример для вектора ускорения),
величины проекций определяют таким образом:
;
.
Закон Архимеда
На помещенное в жидкость тело действует выталкивающая его сила. Эта сила традиционно обозначается как FA и вычисляется по формуле:
,
где ρ – плотность жидкости, в которую помещено тело,
– ускорение свободного падения, V – объем погруженного тела. Относительно объема нужно отметить важный момент: если тело погружено полностью, то для расчета должен браться полный его объем; если тело погружено частично, то следует использовать объем части тела, находящейся в толще жидкости.
Разбор типовых вариантов №29 по физике
Демонстрационный вариант 2018
Деревянный шар привязан нитью ко дну цилиндрического сосуда с площадью дна S=100 см2. В сосуд наливают воду так, что шар полностью погружается в жидкость, при этом нить натягивается и действует на шар с силой Т. Если нить перерезать, то шар всплывет, а уровень воды изменится на h=5 см. Найдите силу натяжения нити Т.
Алгоритм решения:
- Переводим числовые данные, приведенные в условии, в СИ. Записываем необходимое для решения табличное значение для плотности жидкости (воды).
- Анализируем начальную ситуацию (шар на нити). Определяем силы, действующие на шар.
- Анализируем ситуацию после перерезания нити. Определяем силы, действующие на шар. Составляем уравнение для вычисления объема вытесненной части шара.
- Применяя 3-й з-н Ньютона, составляем уравнения силы для начальной ситуации (1) и последующей (2). Из этой системы выражаем Т. Используя формулу з-на Архимеда и выражение для объема вытесненной части шара, находим Т.
- Записываем ответ.
Решение:
1. Переведем S и h в СИ: , . Плотность воды ρ равна:. 2. Поскольку шар полностью погружен в воду, то он вытесняет объем воду, равный собственному объему. Обозначим его V1. На погруженный шар действуют: сила тяжести mg, сила Архимеда FA1, сила натяжения Т.
3. После перерезания нити уровень воды в сосуде понизился, поскольку шар всплыл и теперь занимает в толще воды только часть своего объема, вытесняя меньше воды. Обозначим этот объем через V2. Объем части шара, оказавшегося над поверхностью воды, составляет
. Силы, действующие на шар: сила тяжести mg, сила Архимеда FT2.
4. В обеих ситуациях шар находится в равновесии. Поэтому по 3-му з-у Ньютона:
(1) – (2) :
.
Отсюда:
.
Ответ: 5 Н.
Первый вариант (Демидова, № 5)
На вертикальной оси укреплена гладкая горизонтальная штанга, по которой могут перемещаться два груза массами m1 = 100 г и m2 = 400 г, связанные нерастяжимой невесомой нитью длиной l. Нить закрепили на оси так, что грузы располагаются по разные стороны от оси и натяжение нити с обеих сторон от оси при вращении штанги одинаково (см. рисунок). При вращении штанги с частотой 900 об/мин модуль силы натяжения нити, соединяющей грузы, T = 150 Н. Определите длину нити l.
Алгоритм решения:
- Определяем для каждого из грузов инерциальную с-му отсчета, в которой, применив 2-й з-н Ньютона, записываем уравнения в соответствующих проекциях.
- Определяем вид ускорения и записываем формулы для его вычисления. Из предыдущих формул формируем уравнения для определения сил, действующих на грузы.
- Анализируем соотношения между входящими в уравнения величинами и после преобразований выводим формулу для вычисления искомой длины.
- Переводим в СИ несоответствующие ей значения из условия. Подставляем данные в результирующее уравнение, вычисляем длину нити.
- Записываем ответ.
Решение:
1. Выбираем системы отсчета для каждого из грузов так, чтобы их оси были направлены горизонтально (вдоль штанги) от края штанги к оси вращения:
Т1 и Т2 на рисунке – силы, действующие соответственно на левый и правый грузы.
На основании 2-го з-на Ньютона запишем уравнения силы в проекции на оси с-м отсчета:
;
.
2. Т.к. в данном случае имеет место вращательное движение, то грузы испытывают центростремительное ускорение. Для их вычисления используем формулу:
, где w – угловая скорость их вращательного движения, R – радиусы окружностей их вращения. Поскольку , то применив эту и предыдущую формулы для каждого груза, получим: , . Подставим формулы для и в (1) и (2). Получим:
;
.
3. Если l – длина нити между грузами, то
. Выразим радиус вращения одного из грузов (например, правого) через радиус другого: .Поскольку грузы связаны в единую систему, то . Отсюда: (3)=(4) → . Учтя при этом (5), имеем: (6).
Приравняем Т к одной из сил, например:
. Приняв при этом во внимание (6), получаем: . Тогда: .
4. Переводим данные из условия в СИ:
; ; . Найдем l:
Ответ: 0,21 м.
Второй вариант (Демидова, № 11)
Алгоритм решения:
- На основании условия чертим схему движения описанных объектов.
- Используя з-н сохранения импульса, записываем уравнение для импульсов снаряда и осколков в проекции на ось Ох. Из него выразим модуль скорости для 2-го осколка (1).
- Приняв во внимание, что кинет.энергия осколков (по условию) увеличилась на ∆Е, запишем уравнение, описывающее соотношение энергий снаряда и осколков. Отсюда выразим массу осколка (2).
- Подставив (1) в (2) получим результирующее выражение для массы m.
- Записываем ответ.
Решение:
1. Схема движения снаряд и его осколков выглядит так:
На схеме масса снаряда обозначена как 2m. Это следует из условия, что снаряд разорвался на равные части. Поскольку масса каждого из них составляет m, то их суммарная масса, являющаяся массой неразорвавшегося заряда, как раз и равна 2m. Обозначение на схеме «
» – это скорость второго осколка, движущегося в противоположную снаряду сторону. Обозначения вида mv – импульсы, соответствующие снаряду и паре осколков.
2. По з-ну сохранения импульса в момент разрыва снаряда
. Отсюда: .
3. Выразим взаимосвязь энергий до и после разрыва снаряда:
. Выполним преобразования и выразим m:
4. (1) → (2) :
.
Ответ:
.
Даниил Романович | ???? Скачать PDF |
Источник
4.1. Найти скорость v течения углекислого газа по трубе, если известно, что за время t= 30 мин через поперечное сечение трубы протекает масса газа m = 0,51 кг. Плотность газа р = 7,5 кг/м3. Диаметр трубы D= 2 см.
Решение:
4.2. В дне цилиндрического сосуда диаметром D= 0,5 м име круглое отверстие диаметром d= 1см. Найти зависимость скорости понижения уровня воды в сосуде от высоты hэтого уровня. Найти значение этой скорости для высоты h= 0,2 м.
Решение:
4.3. На столе стоит сосуд с водой, в боковой поверхности которого имеется малое отверстие, расположенное на рас h1 от дна сосуда и на расстоянии h2от уровня воды. Уровень воды в сосуде поддерживается постоянным. На каком расстоянии l от сосуда ( по горизонтали) струя воды падает на стол в случае, если: a) h1= 25 см, h2=16см ; б) h1 =16 см, h2 = 25 см?
Решение:
4.4. Сосуд, наполненный водой, сообщается с атмосферой через стеклянную трубку, закрепленную в горлышке сосуда. Кран К находится на расстоянии h2= 2 см от дна сосуда. Найти скорость v вытекания воды из крана в случае, если расстояние между нижним концом трубки и дном сосуда: а) h1 = 2 см; б) h1 =7,5 см; в) h1 =10 см.
Решение:
4.5. Цилиндрической бак высотой h= 1 м наполнен до краев водой. За какое время t вся вода выльется через отверстие, расположенное у дна бака, если площадь S2поперечного сечения отверстия в 400 раз меньше площади поперечного сечения бака? Сравнить это время с тем, которое понадобилось бы для вытекания того же объема воды, если бы уровень воды в баке поддерживался постоянным на высоте h= 1 м от отверстия.
Решение:
4.6. В сосуд льется вода, причем за единицу времени наливается объем воды V1= 0,2 л/с. Каким должен быть диаметр dотверстия в дне сосуда, чтобы вода в нем держалась на постоянном уровне h =8,3 см?
Решение:
4.7. Какое давление р создает компрессор в краскопульте, если струя жидкой краски вылетает из него со скоростью v = 25 м/с? Плотность краски р = 0,8 • 103 кг/м3.
Решение:
4.8. По горизонтальный трубе АВ течет жидкость. Разность уровней этой жидкости в трубах а и bравна dh = 10 см. Диаметры трубок а и bодинаковы. Найти скорость v течения жидкости в трубе АВ.
Решение:
4.9. Воздух продувается через трубку АВ. За единицу времени через трубку АВ протекает объем воздуха V1= 5 л/мин. Площадь поперечного сечения широкой части трубки АВ равна S1 = 2 см2, а узкой ее части и трубки abcравна S2= 0,5 см2. Найти разность уровней dhводы, налитой в трубку abc. Плотность воздуха р = 1,32 кг/м3.
Решение:
4.10. Шарик всплывает с постоянной скоростью v в жид, плотность р1которой в 4 раза больше плоскости мате шарика. Во сколько раз сила трения Fтр , действующая на всплывающий шарик, больше силы тяжести mg, действующей на этот шарик?
Решение:
4.11. Какой наибольшей скорости v может достичь дождевая капля диаметром d= 0,3 мм, если динамическая вязкость воз n= 1,2-10-5 Па*с?
Решение:
4.12. Стальной шарик диаметром d = 1мм падает с посто скоростью v = 0,185 см/с в большом сосуде, наполненном касторовым маслом. Найти динамическую вязкость nкасторо масла.
Решение:
4.13. Смесь свинцовых дробинок с диаметрами d1 =3 мм и d2= 1 мм опустили в бак с глицерином высотой h= 1 м. На сколько позже упадут на дно дробинки меньшего диаметра по сравнению с дробинками большего диаметра? Динамическая вязкость глицерина n= 1,47 Па*с.
Решение:
4.14. Пробковый шарик радиусом r = 5 мм всплывает в сосуде, наполненном касторовым маслом. Найти динамическую и кинематическую вязкости касторового масла, если шарик всплывает с постоянной скоростью v = 3,5 см/с.
Решение:
4.15. В боковую поверхность цилиндрического сосуда радиусом R = 2 см вставлен горизонтальный капилляр, внутренний радиус r= 1 мм которого и длина l = 2 см. В сосуд налито касторовое масло, динамическая вязкость которого n= 1,2Па*с. Найти зависимость скорости v понижения уровня касторового масла в сосуде от высоты hэтого уровня над капилляром. Найти значение этой скорости при h= 26 см.
Решение:
4.16. В боковую поверхность сосуда вставлен горизон капилляр, внутренний радиус которого r= 1 мм и длина l = 1,5 см. В сосуд налит глицерин, динамическая вязкость которого n= 1,0Па*с. Уровень глицерина в сосуде поддержи постоянным на высоте h = 0,18м выше капилляра. Какое время потребуется на то, чтобы из капилляра вытек объем глицерина V = 5 см3?
Решение:
4.17. На столе стоит сосуд, в боковую поверхность которого вставлен горизонтальный капилляр на высоте h1= 5 см от дна сосуда. Внутренний радиус капилляра r =1 мм и длина l = 1 см. В сосуд налито машинное масло, плотность которого р = 0,9 • 103 кг/м3 и динамическая вязкость n = 0,5 Па*с. Уровень масла в сосуде поддерживается постоянным на высоте h2– 50 см выше капилляра. На каком расстоянии Lот конца капилляра (по горизонтали) струя масла падает на стол?
Решение:
4.18. Стальной шарик падает в широком сосуде, напол трансформаторным маслом, плотность которого р — 0,9 • 103 кг/ m3 и динамическая вязкость n= 0,8Па*с. Считая, что закон Стокса имеет место при числе Рейнольдса Re< 0,5 (если при вычислении Reв качестве величины Dвзять диаметр шарика), найти предельное значение диаметра Dшарика.
Решение:
4.19. Считая, что ламинарность движения жидкости (или газа) в цилиндрической трубе сохраняется при числе Рейнольдса Rе<3000 (если при вычислении Reв качестве величины Dвзять диаметр трубы), показать, что условия задачи 4.1 соответствуют ламинарному движению. Кинематическая вязкость газа v = 1,33 • 10-6 м2/с.
Решение:
4.20. Вода течет по трубе, причем за единицу времени через поперечное сечение трубы протекает объем воды V1= 200см3/с. Динамическая вязкость воды n =0,001 Па*с. При каком предельном значении диаметра Dтрубы движение воды остается ламинарным? (Смотри условие предыдущей задачи.)
Решение:
/>
Источник