Задание №28 ЕГЭ по физике


Применение законов физики для решения качественных задач


Условие задания № 28 может быть связано с любым разделом физики. Основное условие: необходимость использования при его решении одного или нескольких фундаментальных физических законов. Информация, которая может быть в данном случае полезной, приведена в разделе теории.


Теория к заданию №28 ЕГЭ пор физике


Основные законы в механике

Основополагающими в макрофизике считаются законы Ньютона. 1-й з-н описывает явление инерции. 3-й – характер взаимодействия между телами разных масс. 3-й з-н говорит о том, что в ответ на каждое действие возникает определенное (равноценное по числовой величине) противодействие ( ). Наиболее же часто применяемым при решении задач является 2-й з-н Ньютона, поскольку он позволяет количественно описывать при решении задач полный комплекс силовых взаимодействий между телами.

Закон всемирного тяготения. Он позволяет находить силу взаимодействия больших тел (например, планет) и выражается уравнением: . В рамках закона описывается взаимодействие с Землей – свободное падение – тел, несоизмеримо малых по сравнению с ней. Такое взаимодействие называется притяжением и характеризуется силой тяжести.

Законы сохранения. Они закрепили факт неизменности величин энергий и импульса в замкнутых макрофизических системах.

Основные законы в молекулярной физике

Закон Авогадро. Он констатирует, что в разных газах при одинаковых температурах, объемах и давлениях содержится равное количество молекул. Этот закон считается одним из основных в теории идеальных газов.

Ур-ние состояния идеального газа (ур-ние Менделеева-Клапейрона). Оно фиксирует взаимосвязь между основными физическими характеристиками газов – температуры, объема, давления – и выражается формулой: .

Ур-ние Менделеева-Клапейрона является основой для законов, описывающих изопроцессы – изотермический ( ), изобарный ( ), изохорный ( ). Такими законами являются соответственно: з-н Бойля-Мариотта, з-н гей-Люссака, з-н Шарля.

Законы термодинамики. 1-й закон связывает основополагающие в термодинамике понятия работы, теплоты и внутренней энергии, выражает их зависимость для произвольной неизолированной системы и является, по сути, законом превращения и сохранения энергии на молекулярном уровне. 2-й з-н термодинамики описывает состояние термодинамических систем на основании понятия энтропии. В нем же введено и понятие абсолютной темп-ры. Имеется несколько формулировок 2-го закона.

Основные законы в электродинамике

З-н сохранения заряда формулируется так: алгебраическая (количественная, без учета знаков) сумма эл.зарядов в замкнутой системе остается неизменной: . При этом под замкнутой системой подразумевается произвольное количество тел, защищенных от исхода из их комплекса собственных зарядов и от привнесения в них внешних зарядов.

З-н Кулона – основной з-н электростатики, описывающий количественную величину (силу) взаимодействия пары неподвижных эл.зарядов (заряженных тел). Такое – кулоновское – взаимодействие выражается уравнением: .

З-н Ома для участка цепи имеет вид: . При решении задач распространенными являются использование других взаимосвязей между величинами, входящими в это уравнение, а именно: .

З-н Ома для полной цепи используется для замкнутых эл.цепей, в которых движение заряда осуществляется за счет имеющегося источника питания, характеризующегося ЭДС (Ɛ) и внутренним сопротивлением (r). Этот з-н Ома выражается уравнением: . Не меньшее распространение имеет и его вариация в виде: .

З-н Джоуля-Ленца связывает понятие работы эл.поля с количеством энергии, выделяемой при этом в результате нагрева проводника с током. Формула закона: , где Q – кол-во выделяемой энергии, I – сила тока в проводнике, ∆t – время нагрева (совершения работы).

Законы волновой физики

Среди множества понятий, процессов и закономерностей, связанных с явлением колебательных движений, особое место занимают 2 фундаментальных закона – отражения и преломления волн. З-н отражения волн: угол падения луча на поверхность равен углу его отражения, причем эти лучи лежат в одной плоскости. Иными словами, закон говорит о зеркальном отражении лучей, падающих на непрозрачные поверхности. З-н преломления волн: отношение синусов углов луча, падающего на поверхность, и луча преломленного является постоянной величиной для данной пары сред. Количественное выражение закона: , где α – угол падения, β – угол преломления, n – показатель преломления, 1 и 2 – соответственно среды, в которых луч падает и преломляется.

Законы квантовой физики

Законы фотоэффекта. Они описывают взаимосвязь и зависимости между величинами, характеризующие световое излучение. В частности, 1-й закон позволяет находить количественное значение мощности и силы тока светового излучения, 2-й – кинетическую энергию фотонов и частоты света. 3-й закон определяет понятие красной границы для фотоэффекта.


Разбор типовых вариантов заданий №28 по физике


Демонстрационный вариант 2018

Опираясь на законы физики, найдите показание идеального вольтметра в схеме, представленной на рисунке, до замыкания ключа К и опишите изменение его показаний после замыкания ключа К. Первоначально конденсатор не заряжен.

Алгоритм решения:
  1. Анализируем приведенную в условии схему и определим напряжение, показываемое вольтметром.
  2. Рассматриваем ситуацию, когда К разомкнут. Определяем соответствующее показание вольтметра.
  3. Рассматриваем схему, если К замкнут. Находим изменение показания вольтметра, происходящее после замыкания.
Решение:
  1. Вольтметр подключен к конденсатору параллельно, поэтому при любом положении ключа (до замыкания или после) он будет показывать значение напряжения (Uv), имеющееся на конденсаторе (Uc). Т.е. имеет место равенство: . Поскольку напряжение на конденсаторе , то и .
  2. Когда ключ разомкнут, то конденсатор отключен от источника эл.питания. Учитывая, что по условию конденсатор изначально не заряжен, получаем: q=0. Следовательно, при разомкнутом ключе .
  3. При замкнутом ключе ток в месте подключения в цепь резистора разветвляется и начинается зарядка конденсатора. В начальный момент зарядки (t=0) заряд на конденсатор еще не пришел, т.е. q=0 и . Далее конденсатор заряжается, а это значит, что заряд увеличивается: . И поэтому . В момент полной зарядки конденсатора он будет иметь максимальный заряд и напряжение меняться перестанет. Поскольку резистор и конденсатор соединены в цепи параллельно, то напряжение на конденсаторе равно напряжению на резисторе: . В этом состоянии напряжение может быть найдено из з-на Ома для участка цепи: . Силу тока (I) для расчета можно найти из з-на Ома для полной цепи, т.к. заряд на полностью заряженный конденсатор не поступает и ток будет идти только через источник и резистор. Поэтому: . В итоге получим: . Вывод: при замыкании ключа напряжение на вольтметре изменится от 0 до значения .

Первый вариант (Демидова, № 2)

На столе установили два незаряженных электрометра и соединили их алюминиевым стержнем с изолирующей ручкой (рис. 1). Затем к первому электрометру поднесли, не касаясь шара, положительно заряжённую палочку (рис. 2). Не убирая палочки, убрали стержень, а затем убрали палочку.

http://self-edu.ru/htm/2018/ege2018_phis_30/files/2_28.files/image001.jpg http://self-edu.ru/htm/2018/ege2018_phis_30/files/2_28.files/image002.jpg

Ссылаясь на известные Вам законы и явления, объясните, почему электрометры оказались заряженными, и определите знаки заряда каждого из электрометров после того, как палочку убрали.

Алгоритм решения:
  1. Анализируем условие и обосновываем заряженность электрометров после поднесения к ним заряженной палочки.
  2. Используя з-н сохранения заряда, делаем вывод относительно величины зарядов электрометров. Определяем знаки зарядов после того, как убрали палочку.
Решение:
  1. Поднесение заряженной палочки к системе электрометров ведет к образованию эл.поля и к перераспределению зарядов внутри их системы, т.е. делает их заряженными. Причем каждый электрометр приобретает заряд определенного знака. Поскольку палочка заряжена положительно, она притягивает отрицательные заряды и отталкивает отрицательные. Соответственно, при ее поднесении к электрометру 1 по алюминиевому стержню перемещаются заряды, причем отрицательные концентрируются на электрометре 1 и положительные – на электрометре 2.
  2. Поскольку изначально электрометры были не заряжены, то в такой системе количественно сумма положительных и отрицательных их зарядов равны. Согласно з-ну сохранения заряда, в изолированной системе из двух электрометров, соединенных алюминиевым стержнем, количественно заряд не меняется. Следовательно, отрицательный заряд электрометра 1 и положительный заряд электрометра 2 количественно (по модулю) равны. После изъятия стержня показания приборов не изменяются, и, значит, электрометр 1 заряжен отрицательно, а электрометр 2 – положительно.

Второй вариант (Демидова, № 5)

На графике представлена зависимость давления неизменной массы идеального газа от его плотности. Опишите, как изменяются в зависимости от плотности температура и объём газа в процессах 1-2 и 2-3.

http://self-edu.ru/htm/2018/ege2018_phis_30/files/5_28.files/image001.jpg

Алгоритм решения:
  1. Анализируя приведенный график и используя ур-ние Менделеева-Клапейрона и формулу для вычисления плотности, определяем характер изменений искомых величина на участке 1-2.
  2. Аналогично определяем характер изменения объема и температуры на участке 2-3.
Решение:
  1. Записываем ур-ние Менделеева-Клапейрона: (1). Записываем формулу для нахождения плотности газа: (2). Преобразуем (1): . Подставим (2) в (3): . Из графика видно, что на участке 1-2 плотность ρ уменьшается. На основании (2) это указывает на то, что в процессе 1-2 объем газа увеличивается. Поскольку на графике , то из уравнения (1) следует: при увеличении объема и неизменных значениях m и μ в процессе 1-2 температура газа увеличивается.
  2. На участке 2-3 происходит снижение давления при снижении плотности (т.е. ). Приняв во внимание соотношение (3), делаем вывод о независимости давления от температуры, т.е. в процессе 2-3 . Следовательно, имеет место изотермический процесс, а если так, то по з-ну Бойля-Мариотта . Это значит, что V обратно пропорционально р и в процессе 2-3 объем увеличивается.