Версия для копирования в MS Word
PDF-версии: горизонтальная · вертикальная · крупный шрифт · с большим полем
РЕШУ ГВЭ — физика 11
Тепловые явления
1.  
i

Каким об­ра­зом уста­нов­ка ба­та­рей отоп­ле­ния под окном по­мо­га­ет вы­рав­ни­ва­нию тем­пе­ра­тур в ком­на­те в зим­нее время? Ответ по­яс­ни­те, ис­поль­зуя фи­зи­че­ские за­ко­но­мер­но­сти.

2.  
i

Ши­ро­кую стек­лян­ную труб­ку дли­ной около по­лу­мет­ра, за­па­ян­ную с од­но­го конца, це­ли­ком за­пол­ни­ли водой и уста­но­ви­ли вер­ти­каль­но от­кры­тым кон­цом вниз, по­гру­зив низ труб­ки на не­сколь­ко сан­ти­мет­ров в тазик с водой (см. рис.). При ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре труб­ка оста­ет­ся це­ли­ком за­пол­нен­ной водой. Воду в та­зи­ке мед­лен­но на­гре­ва­ют. Где уста­но­вит­ся уро­вень воды в труб­ке, когда вода в та­зи­ке нач­нет за­ки­пать? Ответ по­яс­ни­те, ис­поль­зуя фи­зи­че­ские за­ко­но­мер­но­сти.

3.  
i

«Жизнь со­су­лек». Во время от­те­пе­ли, когда влаж­ность воз­ду­ха вы­со­ка, из-⁠под слоя снега на крыше дома ка­па­ет вода, за­мер­за­ю­щая на кар­ни­зе крыши в виде быст­ро рас­ту­щих со­су­лек. Когда от­те­пель кон­ча­ет­ся, со­суль­ки пе­ре­ста­ют расти и в мороз мед­лен­но ме­ня­ют свою форму: они ста­но­вят­ся все тонь­ше, а их концы за­ост­ря­ют­ся. Объ­яс­ни­те, ос­но­вы­ва­ясь на из­вест­ных фи­зи­че­ских за­ко­нах и за­ко­но­мер­но­стях, про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие с со­суль­ка­ми на про­тя­же­нии их «жизни».

4.  
i

Ве­ло­си­пед­ное ко­ле­со, у ко­то­ро­го вме­сто ме­тал­ли­че­ских спиц обод удер­жи­ва­ют на­тя­ну­тые ре­зин­ки, уста­нов­ле­но в вер­ти­каль­ной плос­ко­сти и может сво­бод­но вра­щать­ся во­круг своей го­ри­зон­таль­ной оси, за­жа­той в шта­ти­ве. К не­по­движ­но­му ко­ле­су под­но­сят слева мощ­ную лампу и на­чи­на­ют на­гре­вать ре­зи­но­вые «спицы» (см. рис.). Ре­зи­на, в от­ли­чие от ме­тал­ла, при на­гре­ва­нии не рас­ши­ря­ет­ся, а сжи­ма­ет­ся. Опи­ши­те, опи­ра­ясь на из­вест­ные фи­зи­че­ские за­ко­ны, что будет про­ис­хо­дить с ре­зин­ка­ми и как ко­ле­со будет дви­гать­ся.

5.  
i

Зимой по краям за­сне­жен­ных на­клон­ных крыш домов часто об­ра­зу­ют­ся со­суль­ки, ко­то­рые при не слиш­ком мо­роз­ной по­го­де быст­ро рас­тут и могут со­рвать­ся и упасть, пред­став­ляя боль­шую опас­ность для про­хо­дя­щих внизу людей. На кры­шах мно­гих со­вре­мен­ных за­го­род­ных домов со­суль­ки, од­на­ко, не об­ра­зу­ют­ся бла­го­да­ря спе­ци­аль­ной кон­струк­ции этих крыш: они двух­слой­ные, и между верх­ним и ниж­ним сло­я­ми име­ет­ся зазор, в ко­то­ром воз­дух может сво­бод­но цир­ку­ли­ро­вать и вы­хо­дить на­ру­жу. Объ­яс­ни­те, ос­но­вы­ва­ясь на из­вест­ных фи­зи­че­ских за­ко­нах и за­ко­но­мер­но­стях, при­чи­ну об­ра­зо­ва­ния со­су­лек в пер­вом слу­чае и их от­сут­ствие во вто­ром слу­чае.

6.  
i

Зимой школь­ник решил по­ста­вить опыт: пол­но­стью за­пол­нил две тон­кие пла­сти­ко­вые бу­тыл­ки с прак­ти­че­ски не­рас­тя­жи­мы­ми стен­ка­ми го­ря­чей водой (почти ки­пят­ком), потом из одной вылил воду, сразу же обе плот­но за­крыл крыш­ка­ми и вы­ста­вил бу­тыл­ки на мороз на всю ночь. В ре­зуль­та­те одна бу­тыл­ка лоп­ну­ла, а дру­гая сплю­щи­лась. Объ­яс­ни­те, ос­но­вы­ва­ясь на из­вест­ных фи­зи­че­ских за­ко­нах и за­ко­но­мер­но­стях, какая из бу­ты­лок лоп­ну­ла и по­че­му.

7.  
i

На кухне во время при­го­тов­ле­ния пищи могут слу­чать­ся раз­ные не­при­ят­но­сти. На­при­мер, если силь­но пе­ре­греть рас­ти­тель­ное масло на ско­во­ро­де, по­став­лен­ной на га­зо­вую плиту, то его пары могут вос­пла­ме­нить­ся от га­зо­вой го­рел­ки, масло в ско­во­ро­де тоже нач­нет го­реть, и его надо будет по­ту­шить. Спра­ши­ва­ет­ся чем? Ока­зы­ва­ет­ся, что при обыч­ной по­пыт­ке ту­ше­ния масла вы­ли­той на него водой воз­ни­ка­ет столб огня, ко­то­рый может под­жечь весь дом.

Опи­ши­те, ос­но­вы­ва­ясь на из­вест­ных фи­зи­че­ских за­ко­нах и за­ко­но­мер­но­стях, про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие при такой по­пыт­ке его «ту­ше­ния».

8.  
i

В этом году в Под­мос­ко­вье зима была теп­лая и ма­ло­снеж­ная. После не­сколь­ких не­боль­ших сне­го­па­дов в ян­ва­ре были дли­тель­ные от­те­пе­ли, сме­няв­ши­е­ся мо­ро­за­ми, в фев­ра­ле такая по­го­да про­дол­жи­лась, и пу­ши­стый снег по­сте­пен­но пре­вра­тил­ся в жест­кую массу, по ко­то­рой можно было хо­дить, не про­ва­ли­ва­ясь.

Опи­ши­те, ос­но­вы­ва­ясь на из­вест­ных фи­зи­че­ских за­ко­нах и за­ко­но­мер­но­стях, про­цес­сы, про­ис­хо­див­шие в снегу и при­вед­шие к его за­твер­де­ва­нию.

9.  
i

Опыт­ный ту­рист, как и пар­ти­за­ны в годы войны, раз­жи­гая ко­стер, вна­ча­ле скла­ды­ва­ет не­боль­шую кучку сухих ли­стьев, травы и тон­ких ве­то­чек, об­кла­ды­ва­ет их «пи­ра­мид­кой» из на­клон­но сто­я­щих ве­то­чек по­тол­ще, а затем и тол­сты­ми вет­ка­ми. Не­опыт­ный ту­рист про­сто бес­по­ря­доч­но скла­ды­ва­ет ветки в кучу и под­жи­га­ет их. В каком слу­чае ко­стер будет боль­ше ды­мить и может во­об­ще по­тух­нуть?

Объ­яс­ни­те, ос­но­вы­ва­ясь на из­вест­ных фи­зи­че­ских за­ко­нах и за­ко­но­мер­но­стях, по­че­му это про­ис­хо­дит.

10.  
i

В проч­ный сосуд объ­е­мом V  =  1 л с гер­ме­тич­но за­кры­ва­ю­щей­ся крыш­кой на­ли­ли 800 г воды при тем­пе­ра­ту­ре T  =  0 °C и при нор­маль­ном ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии p  =  1 атм, за­вин­ти­ли крыш­ку и по­ста­ви­ли на­гре­вать­ся на га­зо­вую плиту. Когда вода на­гре­лась до 100 °C, сосуд пе­ре­ме­сти­ли в мо­ро­зиль­ник и до­жда­лись, когда вода пол­но­стью за­мерз­нет. Какое дав­ле­ние при этом уста­но­вит­ся в со­су­де? На­ри­суй­те при­мер­ный гра­фик за­ви­си­мо­сти дав­ле­ния p в этом со­су­де, вы­ра­жен­но­го в ат­мо­сфе­рах, от вре­ме­ни t. Дав­ле­ни­ем паров воды при тем­пе­ра­ту­ре T  =  0 °C по срав­не­нию с 1 атм можно пре­не­бречь, как и теп­ло­вым рас­ши­ре­ни­ем воды при ее на­гре­ва­нии. Зна­че­ния дав­ле­ния в ха­рак­тер­ных точ­ках, ис­поль­зу­е­мых для по­стро­е­ния гра­фи­ка, можно округ­лять до де­ся­тых долей атм. Плот­ность льда равна 0,9 г/⁠см3.

11.  
i

Со­глас­но пред­по­ло­же­нию И. Нью­то­на, ко­то­рое он про­ве­рил экс­пе­ри­мен­таль­но, теп­ло­вая мощ­ность, от­да­ва­е­мая на­гре­тым до тем­пе­ра­ту­ры Т телом в окру­жа­ю­щую среду с более низ­кой тем­пе­ра­ту­рой Т0, про­пор­ци­о­наль­на раз­но­сти тем­пе­ра­тур тела и среды. От­сю­да сле­ду­ет, что ско­рость охла­жде­ния тела дробь: чис­ли­тель: dT, зна­ме­на­тель: dt конец дроби = минус k левая круг­лая скоб­ка T минус T_0 пра­вая круг­лая скоб­ка . Это урав­не­ние можно ре­шать чис­лен­но, дей­ствуя сле­ду­ю­щим об­ра­зом. Разо­бьем время охла­жде­ния тела на оди­на­ко­вые ин­тер­ва­лы \Delta t, в те­че­ние каж­до­го из ко­то­рых будем счи­тать раз­ность тем­пе­ра­тур Ti−T0 по­сто­ян­ной. Затем най­дем ве­ли­чи­ну \Delta T_i = –k левая круг­лая скоб­ка T_i минус T_0 пра­вая круг­лая скоб­ка \Delta t  — это из­ме­не­ние тем­пе­ра­ту­ры тела за ин­тер­вал вре­ме­ни \Delta t. Про­дол­жая такую про­це­ду­ру, можно опре­де­лить ход за­ви­си­мо­сти T(t).

Пусть ста­рин­ный чу­гун­ный утюг мас­сой m  =  1,8 кг осты­ва­ет от 200 °С до 100 °С в воз­ду­хе с тем­пе­ра­ту­рой Т0  =  20 °С. Вы­бе­рем \Delta t   =  3 мин. Удель­ная теп­ло­ем­кость чу­гу­на c  =  500 Дж/ левая круг­лая скоб­ка кг умно­жить на \! гра­ду­совС пра­вая круг­лая скоб­ка , ко­эф­фи­ци­ент k  =  0,05 мин−1. Рас­счи­тай­те, чему будет равна тем­пе­ра­ту­ра утюга через 3 мин., 6 мин., 9 мин. и так далее с мо­мен­та на­ча­ла осты­ва­ния до мо­мен­та до­сти­же­ния ко­неч­ной тем­пе­ра­ту­ры.

1.  По­строй­те по най­ден­ным точ­кам гра­фик за­ви­си­мо­сти тем­пе­ра­ту­ры T утюга от вре­ме­ни t.

2.  За какое время t0 утюг осты­нет от 200 °С до 100 °С?

3.  Чему равна сред­няя мощ­ность теп­ло­от­да­чи утюга во внеш­нюю среду за время осты­ва­ния t0? По­яс­ни­те от­ве­ты на эти во­про­сы, ука­зав, какие фи­зи­че­ские яв­ле­ния и за­ко­но­мер­но­сти Вы ис­поль­зо­ва­ли при ре­ше­нии за­да­чи.