Первый (внутрилицейский) этап
Всероссийской олимпиады школьников по физике
г. Сыктывкар, 2015 - 2016 учебный год
11 класс
1. Горизонтальный закрытый теплоизолированный цилиндр разделён на две части тонким теплопроводящим поршнем, который прикреплён пружиной к одной из торцевых стенок цилиндра. Слева и справа от поршня находятся по v молей идеального одноатомного газа. Начальная температура системы Т, длина цилиндра 2l, собственная длина пружины l/2, удлинение пружины в состоянии равновесия равно х. В поршне проделали отверстие. На сколько изменится температура этой системы после установления нового состояния равновесия? Теплоёмкостями цилиндра, поршня и пружины пренебречь, трения нет.
2. Сферический резервуар для жидкости наполовину зарыт в землю. Радиус сферы R = 10 м. Какую минимальную скорость надо сообщить мячику на уровне земли, чтобы он перелетел через резервуар, едва не задев его вершину? Считать g = 10 м/с2. Сопротивлением воздуха пренебречь.
3. Невесомый стержень длиной l с двумя грузами, каждый массой m, на концах соскальзывает по сторонам прямого двугранного угла, одна сторона которого горизонтальная, а другая – вертикальная. Найдите скорости грузов в тот момент, когда стержень составляет с горизонтом угол, а верхний груз еще не оторвался от вертикальной стенки. В начальный момент стержень находился в вертикальном положении и грузы касались стенок угла. Трением при движении пренебречь.
4. Для зарядки конденсатора собрали электрическую цепь по следующей r
схеме (см. рис.) и замкнули ключ. После окончания зарядки энергия, за-
пасенная конденсатором, оказалась равной 5 Дж. Сколько тепла выдели- K R
лось во внешнем резисторе сопротивлением R, если R = 1,5r?
C
Первый (внутрилицейский) этап
Всероссийской олимпиады школьников по физике
г. Сыктывкар, 2015 - 2016 учебный год
11 класс
1. Горизонтальный закрытый теплоизолированный цилиндр разделён на две части тонким теплопроводящим поршнем, который прикреплён пружиной к одной из торцевых стенок цилиндра. Слева и справа от поршня находятся по v молей идеального одноатомного газа. Начальная температура системы Т, длина цилиндра 2l, собственная длина пружины l/2, удлинение пружины в состоянии равновесия равно х. В поршне проделали отверстие. На сколько изменится температура этой системы после установления нового состояния равновесия? Теплоёмкостями цилиндра, поршня и пружины пренебречь, трения нет.
2. Сферический резервуар для жидкости наполовину зарыт в землю. Радиус сферы R = 10 м. Какую минимальную скорость надо сообщить мячику на уровне земли, чтобы он перелетел через резервуар, едва не задев его вершину? Считать g = 10 м/с2. Сопротивлением воздуха пренебречь.
3. Невесомый стержень длиной l с двумя грузами, каждый массой m, на концах соскальзывает по сторонам прямого двугранного угла, одна сторона которого горизонтальная, а другая – вертикальная. Найдите скорости грузов в тот момент, когда стержень составляет с горизонтом угол, а верхний груз еще не оторвался от вертикальной стенки. В начальный момент стержень находился в вертикальном положении и грузы касались стенок угла. Трением при движении пренебречь.
4. Для зарядки конденсатора собрали электрическую цепь по следующей r
схеме (см. рис.) и замкнули ключ. После окончания зарядки энергия, за-
пасенная конденсатором, оказалась равной 5 Дж. Сколько тепла выдели- K R
лось во внешнем резисторе сопротивлением R, если R = 1,5r?
C
Ответы и решения
1. По закону сохранения энергии
(3/2)RT + (3/2)RT + kx2/2 = (3/2)2R(T + T) + 0
Откуда: T = kx2/(6R)
Найдем жесткость пружины k:
В начальном состоянии уравнения состояния (слева и справа от поршня) и условие равновесия поршня дают:
P1S(l/2 + x) = RT
P2S(3l/2 - x) = RT
P1S = P2S + kx
Откуда находим жесткость пружины:
k = RT(1/( l/2 + x) – 1/(3l/2 - x))/x
Подставив в выражение для T, получим окончательно:
T = (Tx/6)1/( l/2 + x) – 1/(3l/2 - x)
2. Минимально возможный радиус кривизны параболы в верхней точке равен R. При этом в верхней точке будет минимальная скорость V. Тогда
V2/g = R
Тогда из закона сохранения энергии
mVo2/2 = mV2/2 + mgR = mgR/2 + mgR = 3mgR/2
Откуда Vo = (3gR)1/2 = 17,3 м/с
3. Из закона сохранения энергии
mgl = mV12/2 + mV22/2 + mglsin
Так как стержень жесткий, то проекции скоростей шариков на линию, соединяющую грузы (т.е.на стержень), должны быть одинаковы в любой момент времени:
V1sin = V2 cos
(V1 – скорость верхнего груза, движущегося по вертикали (пока он не оторвался от стенки), V2 - скорость нижнего груза, движущегося по горизонтали)
Решая эту систему двух уравнений, получим:
V1 = cos2gl(1 - sin)1/2 V2 = sin2gl(1 - sin)1/2
4. После окончания зарядки конденсатора ток прекратится, напряжение на конденсаторе будет равно ЭДС источника тока , заряд на конденсаторе q = C, энергия конденсатора W = C2/2 = 5 Дж.
Работа, совершенная источником тока, равна A = q. Она равна энергии, запасенной конденсатором, и количеству тепла Q, выделившегося на резисторах R и r :
A = W + Q
C = C2/2 + Q
Откуда : Q = C2/2 = 5 Дж.
Резисторы R и r соединены последовательно, ток через них одинаковый, количество теплоты будет пропорционально сопротивлению, поэтому: Q = QR + Qr = QR + 2QR/3 = 5QR/3
Тогда: QR = 3Q/5 = 3 Дж.
Ориентировочная система оценивания
Максимальное количество баллов – 40
(по 10 баллов за каждую правильно решённую задачу)
10 баллов | Задача решена полностью и верно |
8-9 баллов | Верное решение, но содержит недочёты |
5-7 баллов | Неполное решение или содержит негрубые ошибки |
1-4 балла | Решение в целом неверное, но есть продвижение в верном направлении |
0 баллов | Решение неверное или отсутствует |