Какая энергия выделится во внешней части цепи при протекании тока
Чему равно время прохождения тока силой 5 А по проводнику, если при напряжении на его концах 120 В в проводнике выделяется количество теплоты, равное 540 кДж? (Ответ дайте в секундах.)
Согласно закону Джоуля — Ленца количество выделяемого тепла в проводнике определяется выражением Отсюда находим время прохождения тока по проводнику:
В электронагревателе с неизменным сопротивлением спирали, через который течёт постоянный ток, за время t выделяется количество теплоты Q. Если силу тока и время t увеличить вдвое, то во сколько раз увеличится количество теплоты, выделившееся в нагревателе?
Согласно закону Джоуля — Ленца, количество теплоты, выделяющееся на спирали электронагревателя при прохождении тока, пропорционально произведению квадрата силы тока и времени прохождения тока: Следовательно, увеличение силы тока и времени его прохождения в 2 раза приведёт к увеличению количества теплоты в 8 раз.
Резистор 1 с электрическим сопротивлением 3 Ом и резистор 2 с электрическим сопротивлением 6 Ом включены последовательно в цепь постоянного тока. Чему равно отношение количества теплоты, выделяющегося на резисторе 1, к количеству теплоты, выделяющемуся на резисторе 2 за одинаковое время?
Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты, выделяющееся на проводнике при прохождении тока, пропорционально произведению квадрата силы тока, величины сопротивления проводника и времени прохождения тока: Поскольку резисторы подключены последовательно, ток через них течет одинаковый, а значит, отношение количества теплоты, выделяющегося на резисторе 1, к количеству теплоты, выделяющемуся на резисторе 2 за одинаковое время равно
В электрической схеме, показанной на рисунке, ключ К замкнут.
Заряд конденсатора ЭДС батарейки её внутреннее сопротивление сопротивление резистора Найдите количество теплоты, которое выделяется на резисторе после размыкания ключа К в результате разряда конденсатора. Потерями на излучение пренебречь.
Количество теплоты, выделяющееся на резисторе после размыкания ключа:
Напряжение на конденсаторе равно падению напряжения на резисторе. С учетом закона Ома для полной цепи:
Комбинируя эти формулы, находим:
Ответ:
Критерии оценки выполнения задания
Приведено полное правильное решение, включающее следующие элементы:
1) верно записаны формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом;
2) проведены необходимые математические преобразования и расчеты, приводящие к правильному числовому ответу, и представлен ответ (включая единицы измерения). При этом допускается решение «по частям» (с промежуточными вычислениями).
Представленное решение содержит п.1 полного решения, но и имеет один из следующих недостатков:
— в необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущена ошибка;
— необходимые математические преобразования и вычисления логически верны, не содержат ошибок, но не закончены;
— не представлены преобразования, приводящие к ответу, но записан правильный числовой ответ или ответ в общем виде;
— решение содержит ошибку в необходимых математических преобразованиях и не доведено до числового ответа.
Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев:
— представлены только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи, без каких-либо преобразований с их использованием, направленных на решение задачи, и ответа;
— в решении отсутствует ОДНА из исходных формул, необходимая для решения задачи (или утверждение, лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.
— в ОДНОЙ из исходных формул, необходимых для решения задачи (или утверждении, лежащем в основе решения), допущена ошибка, но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла.
К однородному медному цилиндрическому проводнику длиной 40 м приложили разность потенциалов 10 В. Каким будет изменение температуры проводника за 15 с? Изменением сопротивления проводника и рассеянием тепла при его нагревании пренебречь. (Плотность меди удельное сопротивление удельная теплоёмкость )
Количество теплоты согласно закону Джоуля–Ленца: (1).
Это количество теплоты затратится на нагревание проводника: (2), где масса проводника (3) (S — площадь поперечного сечения проводника).
Сопротивление проводника: (4).
Из (1)—(4), получаем:
Критерии оценки выполнения задания
Приведено полное правильное решение, включающее следующие элементы:
1) верно записаны формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом;
2) проведены необходимые математические преобразования и расчеты, приводящие к правильному числовому ответу, и представлен ответ (включая единицы измерения). При этом допускается решение «по частям» (с промежуточными вычислениями).
Представленное решение содержит п.1 полного решения, но и имеет один из следующих недостатков:
— в необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущена ошибка;
— необходимые математические преобразования и вычисления логически верны, не содержат ошибок, но не закончены;
— не представлены преобразования, приводящие к ответу, но записан правильный числовой ответ или ответ в общем виде;
— решение содержит ошибку в необходимых математических преобразованиях и не доведено до числового ответа.
Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев:
— представлены только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи, без каких-либо преобразований с их использованием, направленных на решение задачи, и ответа;
— в решении отсутствует ОДНА из исходных формул, необходимая для решения задачи (или утверждение, лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.
— в ОДНОЙ из исходных формул, необходимых для решения задачи (или утверждении, лежащем в основе решения), допущена ошибка, но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла.
Через однородный медный цилиндрический проводник длиной 40 м пропускают постоянный электрический ток. Определите разность потенциалов, если за 15 с проводник нагрелся на 16 К. Изменением сопротивления проводника и рассеянием тепла при его нагревании пренебречь. (Плотность меди — удельное сопротивление — удельная теплоёмкость — )
Согласно закону Джоуля — Ленца в проводнике выделяется тепло
Это количество теплоты затратится на нагревание проводника:
S — площадь поперечного сечения проводника.
Сопротивление проводника равно
Ответ:
Критерии оценки выполнения задания
Приведено полное правильное решение, включающее следующие элементы:
1) верно записаны формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом;
2) проведены необходимые математические преобразования и расчеты, приводящие к правильному числовому ответу, и представлен ответ (включая единицы измерения). При этом допускается решение «по частям» (с промежуточными вычислениями).
Представленное решение содержит п.1 полного решения, но и имеет один из следующих недостатков:
— в необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущена ошибка;
— необходимые математические преобразования и вычисления логически верны, не содержат ошибок, но не закончены;
— не представлены преобразования, приводящие к ответу, но записан правильный числовой ответ или ответ в общем виде;
— решение содержит ошибку в необходимых математических преобразованиях и не доведено до числового ответа.
Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев:
— представлены только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи, без каких-либо преобразований с их использованием, направленных на решение задачи, и ответа;
— в решении отсутствует ОДНА из исходных формул, необходимая для решения задачи (или утверждение, лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.
— в ОДНОЙ из исходных формул, необходимых для решения задачи (или утверждении, лежащем в основе решения), допущена ошибка, но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла.
В электрической цепи, показанной на рисунке, ЭДС источника тока равна 12 В, емкость конденсатора 2 мФ, индуктивность катушки 5 мГн, сопротивление лампы 5 Ом и сопротивление резистора 3 Ом.
В начальный момент времени ключ К замкнут. Какая энергия выделится в лампе после размыкания ключа? Внутренним сопротивлением источника тока, и проводов пренебречь.
Пока ключ замкнут, через катушку течет ток I, определяемый сопротивлением резистора: конденсатор заряжен до напряжения Энергия электромагнитного поля в катушке Энергия электромагнитного поля в конденсаторе
После размыкания ключа начинаются электромагнитные колебания, и вся энергия, запасенная в конденсаторе и катушке, выделится в лампе и резисторе:
Согласно закону Джоуля — Ленца, выделяемая в резисторе мощность пропорциональна его сопротивлению. Следовательно, энергия 0,184 Дж распределится в лампе и резисторе пропорционально их сопротивлениям, и на лампу приходится
Ответ:
Критерии оценки выполнения задания
Приведено полное правильное решение, включающее следующие элементы:
1) верно записаны формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом (в данном решении — закон Ома, закон Джоуля–Ленца, формулы расчета энергии магнитного поля катушки с током и электрического поля конденсатора);
2) проведены необходимые математические преобразования и расчеты, приводящие к правильному числовому ответу, и представлен ответ (включая единицы измерения). При этом допускается решение «по частям» (с промежуточными вычислениями).
Представленное решение содержит п.1 полного решения, но и имеет один из следующих недостатков:
— в необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущена ошибка;
— необходимые математические преобразования и вычисления логически верны, не содержат ошибок, но не закончены;
— не представлены преобразования, приводящие к ответу, но записан правильный числовой ответ или ответ в общем виде;
— решение содержит ошибку в необходимых математических преобразованиях и не доведено до числового ответа.
Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев:
— представлены только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи, без каких-либо преобразований с их использованием, направленных на решение задачи, и ответа;
— в решении отсутствует ОДНА из исходных формул, необходимая для решения задачи (или утверждение, лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.
— в ОДНОЙ из исходных формул, необходимых для решения задачи (или утверждении, лежащем в основе решения), допущена ошибка, но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла.
Установите соответствие между физическими законами и формулами для них. К каждой позиции первого столбца подберите нужную позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
1)
2)
3)
4)
Физические законы — самое важное, что есть в физике. Чтобы успешно сдать экзамен по физике, надо специально потратить время на выучивание формул и названных физических законов. Задания на «соответствие» помогут в этом. Полезный ориентир: признаком успеха в этом деле будет то, что задачи подобного типа станут казаться вам простыми.
Закон Ампера определяет силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Опыт показывает, что модуль этой силы пропорционален произведению силы тока, индукции магнитного поля, длины проводника и синуса угла между направлениями поля и тока: (А — 2). Закон Джоуля — Ленца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока: (Б — 3).
Ученик собрал электрическую цепь, изображенную на рисунке. Какая энергия выделится во внешней части цепи при протекании тока в течение 10 мин? (Ответ выразите в кДж. Необходимые данные указаны на схеме. Амперметр считать идеальным.)
Согласно закону Джоуля — Ленца, энергия выделяющаяся за время t при протекании через сопротивление величиной R тока I равна На схеме ученика резисторы 2 Ом и 4 Ом соединены последовательно, а значит, их общее сопротивление равно Сила тока равна 1 А. Таким образом, во внешней цепи за 10 минут выделится
На рисунке приведена электрическая цепь. Чему равна работа электрического тока за 5 мин протекания тока на участке цепи, к которому подключен вольтметр? (Ответ дайте в джоулях.)
Работа тока за время t связана с напряжением и силой тока соотношением Из рисунка видно, что напряжение равно а сила тока Следовательно, работа тока равна
К источнику тока с ЭДС 4 В и внутренним сопротивлением подсоединили нагрузочное сопротивление. Чему оно должно быть равно, чтобы КПД источника был равен 50%? (Ответ дайте в омах.)
КПД источника определяется как отношение полезной работы (тепла, выделяющегося на нагрузке) к работе, совершаемой ЭДС: Обе эти работы пропорциональны времени, в течение которого пропускается ток, поэтому отношение работ заменим на отношение соответствующих мощностей: По закону Ома для полной цепи, сила тока в цепи будет равна Мощность источника равна тогда напряжение, приходящееся на нагрузку, по закону Ома для участка цепи, равно Следовательно, полезная мощность: Таким образом, для того, чтобы КПД был равен 50% необходимо, чтобы выполнялось равенство
В электрической цепи, схема которой изображена на рисунке, измерительные приборы идеальные, вольтметр показывает значение напряжения 8 В, а амперметр — значение силы тока 2 А. Какое количество теплоты выделится в резисторе за 1 секунду? (Ответ дайте в джоулях.)
То, что приборы идеальные, означает, что они своим присутствием не вносят никаких изменений в схему, и их показания отражают реальные значения силы тока и напряжения в цепи. Количество теплоты, выделяющейся на резисторе за время t связано с напряжением на резисторе и текущим через него током соотношением:
Таким образом, за 1 с на резисторе выделится тепло:
Реостат с максимальным сопротивлением R подсоединён к клеммам батарейки с внутренним сопротивлением Перемещая движок реостата, его сопротивление увеличивают от некоторого начального значения до Как после этого изменятся следующие физические величины: сила тока в электрической цепи, выделяющаяся в реостате мощность, КПД электрической цепи?
A) Сила тока в электрической цепи
Б) Выделяющаяся в реостате мощность
Согласно закону Ома для полной цепи сила тока связана с ЭДС и сопротивлением соотношением:
Поскольку сопротивление нагрузки (реостата), по условию, увеличивается, заключаем, что сила тока в цепи уменьшается (А — 2).
По закону Джоуля — Ленца мощность тепловыделения на реостате равна
Для того, чтобы понять, как эта величина ведет себя при увеличении нагрузки, воспользуемся производной:
Поскольку сопротивление реостата изменяется от некоторого сопротивления до максимального сопротивления R, заключаем, что производная от мощности по сопротивлению реостата всегда положительна, а значит, мощность тепловыделения всё время увеличивается (Б — 1).
Осталось разобраться с КПД электрической цепи. Полезная работа заключается в тепле, выделяемом на резисторе. Полная работа — это работа совершаемая источником. Обе эти величины пропорциональны времени, поэтому для определения КПД достаточно рассмотреть отношение мощностей тепловыделения на реостате и мощности источника :
КПД также можно исследовать как функцию сопротивления реостата при помощи производной. Но мы просто перепишем это выражение в следующем виде:
Из последнего представления видно, что при увеличении сопротивления на реостате КПД цепи растёт (В — 1).
Восьмиклассник исследовал процесс протекания постоянного тока через проволоку и установил, что при силе тока через проволоку 0,25 А вольтметр, подсоединённый к её концам, показывает напряжение 3,6 В. Установите соответствие между зависимостями, характеризующими протекание тока через проволоку, и уравнениями, выражающими эти зависимости, приведёнными ниже. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
А) Зависимость работы постоянного электрического тока от времени
Б) Зависимость заряда, протекающего через проволоку, от времени
1)
2)
3)
4)
Работа постоянного тока равна
Правильная формула указана под номером 2.
Зависимость заряда, протекающего через проволоку, от времени:
Это соответствует формуле 1.
При помощи первого электрокипятильника можно вскипятить 200 г воды в стакане за 2 минуты, а при помощи второго, включённого в ту же розетку, — за 3 минуты. За какое время закипит та же масса воды в стакане, если подключить эти кипятильники параллельно? Теплопотерями пренебречь. Ответ приведите в минутах.
Обозначим количество теплоты, необходимое для того, чтобы вскипятить 200 г воды, через Напряжение в розетке через Сопротивление первого и второго кипятильников через и соответственно.
Тогда При параллельном соединении, общее сопротивление системы будет равно
Таким образом, потребуется
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
---|---|
2 | |
1 | |
0 | |
Максимальный балл | 2 |
Комната освещается четырьмя одинаковыми параллельно включёнными лампочками. Расход электроэнергии за час равен Q. Каким должно быть число параллельно включённых лампочек, чтобы расход электроэнергии в час был равен 2Q?
При параллельном соединении ко всем лампочкам приложено одинаковое напряжение Независимо от общего количества лампочек за 1 час каждая лампочка расходует одинаковое количество энергии где R — сопротивление лампочки. Согласно условию, расход 4 лампочек равен Следовательно, чтобы расход энергии за час стал равен необходимо, чтобы было включено 8 лампочек (параллельно соединенных).
В цепи, изображённой на рисунке, ЭДС батареи равна 100 В; сопротивления резисторов: и а ёмкости конденсаторов и В начальном состоянии ключ К разомкнут, а конденсаторы не заряжены. Через некоторое время после замыкания ключа в системе установится равновесие. Какое количество теплоты выделится в цепи к моменту установления равновесия?
1. После установления равновесия ток через резисторы прекратится, конденсатор будет заряжен до напряжения, равного ЭДС батареи, а — разряжен (его пластины соединены между собой через резисторы): При этом через батарею пройдёт заряд
2. Энергия заряженного конденсатора равна
3. Работа сторонних сил источника тока пропорциональна заряду, прошедшему через него: Эта работа переходит в энергию конденсаторов и теплоту:
4. Подставляя значения физических величин, получим
Ответ:
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
---|---|
Приведено полное решение, включающее следующие элементы: I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом (в данном случае: формулы для работы сторонних сил в источнике тока для заряда и энергии конденсатора, закон сохранения энергии); II) описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин (за исключением обозначений констант, указанных в варианте КИМ, и обозначений величин, используемых в условии задачи); III) проведены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение«по частям» с промежуточными вычислениями); IV) представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины | 3 |
Правильно записаны все необходимые положения теории, физические законы, закономерности, и проведены необходимые преобразования. Но имеются следующие недостатки. Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном объёме или отсутствуют. В решении лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), не отделены от решения(не зачёркнуты; не заключены в скобки, рамку и т.п.). В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и(или) преобразования/вычисления не доведены до конца. Отсутствует пунктIV, или в нём допущена ошибка | 2 |
Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев. Представлены только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи, без каких-либо преобразований с их использованием, направленных на решение задачи, и ответа. В решении отсутствует ОДНА из исходных формул, необходимая для решения задачи (или утверждение, лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи. В ОДНОЙ из исходных формул, необходимых для решения задачи (или в утверждении, лежащем в основе решения), допущена ошибка, но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи | 1 |
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла | 0 |
Максимальный балл | 3 |
В цепи, схема которой изображена на рисунке, вначале замыкают ключ К налево, в положение 1. Спустя некоторое время, достаточное для зарядки конденсатора ёмкостью от идеальной батареи с напряжением ключ К замыкают направо, в положение 2, подсоединяя при этом к первому, заряженному, конденсатору второй, незаряженный, конденсатор ёмкостью
Какое количество теплоты Q выделится в резисторе R в течение всех описанных процессов? Первый конденсатор сначала был незаряженным.
В положении 1 ключа К конденсатор зарядится до напряжения U от батареи, и его заряд, согласно формуле для связи заряда и напряжения на конденсаторе, станет равным При этом батарея совершит работу по перемещению этого заряда на конденсатор, равную энергия заряженного конденсатора станет равной и в резисторе выделится, согласно закону сохранения энергии, количество теплоты
После переключения ключа К в положение 2 произойдёт перераспределение заряда на оба параллельно соединённых конденсатора суммарной ёмкостью Поэтому напряжение на конденсаторах станет равным а энергия уменьшится от начальной, запасённой в первом конденсаторе и равной до энергии двух заряженных конденсаторов, равной При этом, согласно закону сохранения энергии, на втором этапе процесса, при перетекании заряда с первого конденсатора на второй, на резисторе выделится количество теплоты
Всего в течение обеих стадий процесса в резисторе выделится количество теплоты
Ответ:
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
---|---|
Приведено полное решение, включающее следующие элементы: I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом (в данном случае: формулы для последовательного и параллельного соединения резисторов); II) описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин (за исключением обозначений констант, указанных в варианте КИМ, и обозначений величин, используемых в условии задачи); III) проведены необходимые математические преобразования, приводящие к правильному ответу; IV) представлен правильный ответ. | 3 |
Правильно записаны все необходимые положения теории, физические законы, закономерности, и проведены необходимые преобразования. Но имеются следующие недостатки. Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном объёме или отсутствуют. В решении лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), не отделены от решения (не зачёркнуты; не заключены в скобки, рамку и т. п.). В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и (или) преобразования/ вычисления не доведены до конца. Отсутствует пункт IV, или в нём допущена ошибка. | 2 |
Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев. Представлены только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи, без каких-либо преобразований с их использованием, направленных на решение задачи, и ответа. В решении отсутствует ОДНА из исходных формул, необходимая для решения задачи (или утверждение, лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи. Источник |