Решение заданий открытого банка ФИПИ
1. На одну чашу весов поставили блюдце с горячей водой, а на другую уравновешивающие её гири. Сохранится ли с течением времени это равновесие? Ответ поясните.
Ответ: равновесие не сохранится. Пояснение. Вода будет испаряться из блюдца с горячей водой, ее масса будет уменьшаться — равновесие нарушится.
2. Колбу с жидкостью поместили в сосуд с водой (см. рисунок), при этом наблюдали повышение уровня жидкости в трубке. Сравните первоначальные температуры жидкости и воды. Ответ поясните.
Ответ: температура воды выше, чем температура жидкости в колбе. Пояснение. Повышение уровня жидкости в трубке связано с ее тепловым расширением. Температура жидкости увеличивается, поэтому увеличивается ее объем, уровень жидкости в трубке повышается. Энергию, необходимую для нагревания, жидкость получает от воды, т.е. жидкости стремятся к состоянию теплового равновесия, это означит, что температура воды выше.
3. Для исследования процесса испарения жидкостей при комнатной температуре в различные сосуды цилиндрической формы, находящиеся в одном помещении при одинаковых условиях, налили воду или эфир различного объёма (см. рисунок). Далее измеряли время испарения жидкости из каждого сосуда.
Эфир из сосуда 3 испарился быстрее, чем вода из сосуда 4. Можно ли на основании этого наблюдения сделать вывод, что скорость испарения эфира больше скорости испарения воды? Ответ поясните.
Ответ: да, можно. Пояснение. Сравним массы эфира и воды, зная что плотность эфира $\rho _3=710$ кг/м3, а плотность воды $\rho _4=1000$ кг/м3 $\frac{m_3}{m_4}=\frac{\rho _3 V_3}{\rho _4 V_4}=\frac{710 \cdot 300}{1000 \cdot 200}=1,065$. Масса эфира больше, чем масса воды. Поскольку за одно и то же время испаряется большая масса эфира, то скорость испарения эфира больше.
4. В таблице для некоторых строительных материалов приведены значения коэффициента, который характеризует скорость процесса теплопередачи (чем быстрее идёт теплопередача, тем выше коэффициент теплопроводности).
| № | Строительный материал | Коэффициент теплопроводности (условные единицы) |
| 1 | Газобетон | 0,12 |
| 2 | Железобетон | 1,69 |
| 3 | Силикатный кирпич | 0,70 |
| 4 | Дерево | 0,09 |
При использовании какого из материалов (1, 2, 3 или 4) в условиях холодной зимы дом потребует наименьшего дополнительного утепления при равной толщине стен? Ответ: дополнительного утепления потребует дом из железобетона. Пояснение. Из всех материалов, железобетон обладает самым большим коэффициентом теплопроводности, т.е. он будет быстрее всех указанных материалов передавать тепло от помещения к окружающей среде, значит ему потребуется дополнительное утепление, чтобы уменьшить скорость потери тепла.
5. Два тела, имеющие одинаковые температуру и массу одно медное, другое свинцовое упали на Землю с одинаковой высоты. Какое из тел нагрелось при ударе о Землю до более высокой температуры? Почему? Изменением внутренней энергии Земли и сопротивлением воздуха пренебречь.
Ответ: до более высокой температуры нагреется тело из свинца. Пояснение. При падении тела и последующей остановке, его механическая энергия перейдет во внутреннюю, поскольку первоначально тела обладали потенциальной энергией, то будут справедливы равенства $E_\pi =Q\Rightarrow mgh=cm\Delta t\Rightarrow \Delta t=\frac{gh}{c}$. Из последнего соотношения, в частности, следует, что чем меньше удельная теплоемкость, тем больше будет изменяться температура тела. Удельная теплоемкость свинца меньше, чем удельная теплоемкость меди, значит свинцовое тело нагреется до более высокой температуры.
6. В комнате на столе лежат пластмассовый и металлический шарики одинакового объёма. Какой из шариков на ощупь покажется холоднее? Ответ поясните.
Ответ: металлический шарик на ощупь кажется холоднее. Пояснение. Теплопроводность металлического шарика больше теплопроводности пластмассового (металл лучше проводит тепло). Оба шарика имеют комнатную температуру, которая меньше температуры человеческого тела, поэтому будет происходить передача тепла от человека к шарикам. Теплоотвод от пальца к металлическому шарику происходит интенсивнее, это создаёт ощущение холода.
7. Зимой на окнах квартир появляются красивые ледяные узоры из инея. Появится ли иней на окне при открытой форточке? Ответ поясните.
Ответ: иней образовываться на окне не будет. Пояснение. Причина появления инея ледяных узоров на окнах — высокая влажность и медленное охлаждение стекол. Как правило воздух в помещении имеет высокую влажность, если этот воздух приближается к окну, то он охлаждается. Водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным при достижении температуры, которая называется точка росы, при дальнейшем охлаждении происходит его конденсация и кристаллизация образовавшейся воды на стеклах. Если открыть форточку, то теплый воздух из помещения будет выходить в окружающую среду (улицу). Вместе с ним будет покидать помещение и водяной пар, находящийся в нем. С улицы же, напротив, в помещение будет попадать холодный, но в то же время более сухой воздух. Это приведет к уменьшению температуры в помещении и уменьшению влажности воздуха в нем. Точка росы для такого воздуха сместится в область более низких температур и поэтому конденсации пара и последующей кристаллизации воды на стеклах не происходит.
8. Капля маслянистой жидкости попадает на поверхность воды и растекается, образуя тонкую плёнку. Обязательно ли эта плёнка закроет всю поверхность воды? Ответ поясните.
Ответ: нет, не обязательно. Пояснение. Маслянистая жидкость будет растекаться по поверхности воды, пока ее толщина не станет равна диаметру одной молекулы. При этом пленка покроет определенную площадь. Если площадь поверхности воды больше, чем площадь пленки, то пленка не покроет всю поверхность воды.
9. Два спиртовых термометра – большой и маленький – сделаны из одинакового материала. Большой термометр значительно тяжелее и содержит, соответственно, бОльшую массу спирта. Термометры опустили в два одинаковых небольших стаканчика с одновременно налитым в них кипятком и дождались установления теплового равновесия в системе термометр–вода. Одинаковую ли температуру покажут термометры? Ответ поясните.
Ответ: большой термометр покажет меньшую температуру. Пояснение. Шкалы всех термометров проградуированы таким образом, чтобы в состоянии теплового равновесия они показывали одинаковые значения температур. Для нагревания большого термометра по сравнению с малым термометром до одинаковой температуры потребуется большее количество теплоты.
10. Для того чтобы стеклянный стакан не треснул, какую ложку (деревянную или металлическую) следует в него опустить, прежде чем налить кипяток? Ответ поясните.
Ответ: нужно поместить металлическую ложку. Пояснение. Ложка нужна для того, чтобы часть энергии кипятка пошло на ее нагревание, не вся энергия пошла на нагревание стакана. Это позволяет избежать повреждения стакана при его тепловом расширении, стакан может попросту лопнуть. Теплопроводность металла выше, чем теплопроводность дерева, поэтому металлическая ложка будет способствовать более быстрому охлаждению кипятка и препятствовать растрескиванию стакана в большей степени.
11. Два сухих листа бумаги не слипаются при соприкосновении. Будут ли слипаться листы бумаги, если оба листа смочить водой? Ответ поясните.
Ответ: листы будут слипаться. Пояснение. Два сухих листочка не слипаются, поскольку их молекулы не могут сблизиться на расстояние взаимодействия. Когда листочки смочены водой, молекулы воды на них могут сблизиться на расстояние взаимодействия, поэтому они будут слипаться.
12. Что обжигает кожу сильнее: вода или водяной пар одинаковой массы при одной и той же температуре? Ответ поясните.
Ответ: пар обжигает сильнее. Пояснение. Кипяток, попавший на кожу, охлаждается выделяя энергию, эта энергия поглощается кожей, что приводит к ожогу. Пар, попавший на поверхность кожи, сначала конденсируется, а затем получившаяся вода охлаждается, освободившаяся энергия также идет на нагревание кожи. Энергия, выделяющаяся при конденсации и последующем охлаждении воды намного больше, чем энергия, выделяющаяся при охлаждении кипятка, несмотря на меньшую массу пара. Поэтому пар обжигает кожу сильнее.
13. Какого цвета одежду рекомендуется носить жарким летом? Ответ поясните.
Ответ: летом рекомендуется носить белую одежду. Пояснение. Одежда темных тонов, черная одежда будут поглощать солнечное излучение в отличие от одежды светлых тонов и белой одежду, которая преимущественно отражает излучение. Поэтому белая одежда не будет так сильно нагреваться, как черная или темная.
14. Будет ли легче сдвигать полированные стёкла, сложенные стопкой, если предварительно между ними положить листы сухой бумаги? Ответ поясните.
Ответ: легче сдвинуть стекла между которыми находятся листы сухой бумаги. Пояснение. Сухая бумага имеет шероховатости, которые не позволяют стеклам приблизиться друг к другу на расстояния достаточные для того, чтобы молекулы начали притягиваться. Поверхности полированных стекол гладкие, в результате, между молекулами стекол возникают силы притяжения. Сила трения, препятствующая движению одного стекла по поверхности другого будет больше в случае, если ее появление обусловлено силами межмолекулярного взаимодействия, чем в случае возникновения трения из-за неровностей поверхностей. Поэтому сдвинуть стекла будет легче, если предварительно положить между ними сухую бумагу.
15. Какая доска на ощупь кажется более холодной: сухая или влажная, если температура досок одинакова и равна комнатной? Ответ поясните.
Ответ: влажная. Пояснение. Чем интенсивнее происходит теплообмен, тем более холодным нам кажется тело. Теплопроводность воды выше, чем воздуха, поэтому влажная доска будет интенсивнее забирать тепло от руки и поэтому влажная доска кажется более холодной.
16. Турист разжёг костёр на привале в безветренную погоду. Находясь на некотором расстоянии от костра, турист ощущает тепло. Каким способом, в основном происходит процесс передачи теплоты от костра к туристу? Ответ поясните.
Ответ: процесс передачи теплоты от костра к туристу происходит в основном за счет излучения. Пояснение. Между туристом и костром воздух — плохой проводник тепла, поэтому передача тепла происходит не с помощью теплопроводности. Нагретый воздух будет подниматься вверх, поэтому не за счет конвекции. Пламя костра имеет высокую температуру, поэтому оно излучает энергию, значит основной способ теплопередачи в данном случае — излучение.
17. В какую погоду – тихую или ветреную – человек переносит мороз легче? Ответ поясните.
Ответ: в тихую погоду мороз переносится легче. Пояснение. Ощущение большего или меньшего холода связано с интенсивностью передачи тепла телом в окружающую среду. В ветреную погоду от лица (от тела) за одно и то же время отнимается гораздо больше тепла, нежели в тихую погоду. В тихую погоду образующийся у поверхности тела слой тёплого влажного воздуха не так быстро сменяется новой порцией холодного воздуха.
18. Из какой кружки – металлической или керамической – легче пить горячий чай, не обжигая губы? Ответ поясните.
Ответ: из керамической. Пояснение. Поскольку теплопроводность металла намного больше теплопроводности керамики, кружка из керамики будет нагреваться гораздо медленнее и медленнее будет отдавать тепло губам. Из неё легче пить горячий чай.
19. В жаркий день туристы налили холодную воду из колодца в две одинаковые пластиковые бутылки. Одну из них они несли в полиэтиленовом пакете, а другую – в рюкзаке, завёрнутую в толстый шерстяной свитер. Вода в какой бутылке нагреется быстрее? Ответ поясните.
Ответ: быстрее нагреется вода в полиэтиленовом пакете. Пояснение. Шерстяной свитер, благодаря наличию воздуха в промежутках между нитями и шерсти, плохо проводит тепло, значит нагревание воды в бутылке, завернутой в шерстяной свитер будет происходить медленнее.
20. В жаркий день туристы налили холодную воду из колодца в две одинаковые стеклянные бутылки. Одну из них завернули в сухое полотенце, а другую – в мокрое полотенце. Вода в какой бутылке нагреется быстрее? Ответ поясните.
Ответ: Пояснение.
21. Медную и алюминиевую ложки одинаковой массы, имеющие комнатную температуру, опустили в кипяток. Равное ли количество теплоты они получат от воды? Почему?
Ответ: алюминиевая ложка получит большее количество теплоты. Пояснение. Начальные и конечные температуры ложек одинаковы, их массы тоже. Значит полученное количество теплоты будет зависеть от удельной теплоемкости. Удельная теплоемкость алюминия больше, чем удельная теплоемкость меди, значит алюминиевая ложка получит большее количество теплоты.
22. У окна, выходящего на северную или южную сторону, лучше располагать термометр для измерения температуры наружного воздуха? Ответ поясните.
Ответ: термометр лучше устанавливать на северной стороне. Пояснение. Рекомендуется установка на северной стороне, это позволит узнать более точные показания и продлит срок службы термометра. Устанавливать требуется в тени, вдали от тепла и прямых солнечных лучей. К источникам тепла относятся форточки, выносной блок кондиционера и системы вентиляции. Для того чтоб показания были с минимальными погрешностями, лучше устанавливать в 10-15 см. от окна.
23. Зимой стёкла движущегося автомобиля могут запотеть. Где запотевают стёкла – изнутри или снаружи? Ответ поясните.
Ответ: стёкла запотевают изнутри. Пояснение. Водитель/пассажиры внутри автомобиля выдыхают тёплый влажный воздух. Стекла автомобиля в холодную погоду имеют низкую температуру. Тёплый влажный пар, попадая на стёкла, охлаждается и конденсируется.
24. При каких условиях у человека возникает ощущение жары в большей степени:
1) при температуре воздуха 35 °С и относительной влажности 90%;
2) при температуре воздуха 35 °С и относительной влажности 40%?
Ответ поясните.
Ответ: ощущение жары возникает в большей степени в первом случае Пояснение. Комфортная влажность для человека — 40-60%. При высокой влажности будет затруднено испарение пота с поверхности кожи. Чем меньше интенсивность испарения, тем хуже происходит охлаждение организма и возникает ощущение жары в большей степени.
25. В каком климате (влажном или сухом) человек легче переносит жару? Ответ поясните.
Ответ: в сухом. Пояснение. Человек легче переносит жару в сухом климате. При влажных климатических условиях влажность воздуха больше, чем при сухих. Чем больше влаги содержится в воздухе, тем быстрее передаётся тепло от окружающей среды человеку, тем медленнее идёт испарение воды с поверхности тела человека, то есть человек охлаждается медленнее.
26. Два одинаковых сосуда наполнены молоком. Первый сосуд накрыли сухой марлевой салфеткой, а второй сосуд накрыли марлевой салфеткой, края которой опустили в воду. В каком сосуде молоко дольше не прокиснет в жаркий день? Ответ поясните.
Ответ: в сосуде накрытой марлей, концы которой опущены в воду. Пояснение. В процессе испарения температура влажной салфетки уменьшается, это будет дополнительно охлаждать молоко и оно дольше не скиснет.
27. Какой снег – грязный или чистый – на поле тает быстрее под лучами Солнца? Ответ поясните.
Ответ: грязный снег тает быстрее. Пояснение. Грязный снег, в отличии от белого, который будет большую часть солнечного излучения отражать, поглощает солнечное излучение, в результате чего он быстрее нагревается и тает.
28. Теплее или холоднее воздуха кажется вам вода, когда, искупавшись в жаркий день, вы выходите из нее? Ответ поясните.
Ответ: вода кажется теплее. Пояснение. Капли воды, интенсивно испаряясь с поверхности мокрого тела, приводят к охлаждению тела. Из-за этого воздух кажется холоднее.
29. Два одинаковых бруска льда внесли с мороза в тёплое помещение. Первый брусок завернули в шерстяной шарф, а второй оставили открытым. Какой из брусков будет нагреваться быстрее? Ответ поясните.
Ответ: второй брусок растает быстрее. Пояснение. Шерсть — плохой проводник тепла, потому между у открытого бруска будет быстрее идти теплообмен между льдом и окружающим воздухом. Потому первый брусок льда растает быстрее.
30. Зимой на улице металл на ощупь холоднее дерева. Каким будет казаться на ощупь металл по сравнению с деревом на солнце в летнюю жару? Ответ поясните.
Ответ: Металл на ощупь в жару кажется горячее, чем дерево. Пояснение. Металл обладает лучшей теплопроводностью, чем дерево. Поэтому нагретый на солнце металл будет быстрее передавать тепло пальцам руки.
31. Имеются деревянный и металлический шарики одинакового объёма. Какой из шариков в 40-градусную жару на ощупь кажется холоднее? Ответ поясните.
Ответ: Металл на ощупь в жару кажется горячее, чем дерево. Пояснение. Металл обладает лучшей теплопроводностью, чем дерево. Поэтому нагретый на солнце металл будет быстрее передавать тепло пальцам руки.
32. Как меняется температура газа при его быстром сжатии? Ответ поясните.
Ответ: температура газа увеличивается. Пояснение. Газ сжимают, значит над ним совершают работу, если над телом совершают работу, то его внутренняя энергия увеличивается. Сжатие происходит быстро, значит газ не успевает обмениваться энергией с окружающей средой. Таким образом, вся работа совершенная над газом пойдет на увеличение его внутренней энергии, значит температура газа повысится.
33. В две одинаковые чашки налили одинаково горячий кофе, только в первой чашке кофе чёрный, а во второй кофе со сливками высокой жирности. В какой из чашек кофе будет остывать быстрее? Ответ поясните.
Ответ: черный кофе будет остывать быстрее. Пояснение. Испарение кофе в чашках происходит за счет теплообмена с окружающей средой и испарения (при испарении температура жидкости уменьшается). Жир, плавающий на поверхности кофе, будет препятствовать испарению, значит такой кофе будет охлаждаться медленнее.
34. Как изменится температура газа при его быстром расширении? Ответ поясните.
Ответ: температура газа уменьшится Пояснение. Газ расширяется, значит он совершает работу. Расширение происходит быстро, значит газ не успевает обмениваться энергией с окружающей средой. Таким образом, всю работу газ будет совершать за счет его внутренней энергии, которая будет уменьшаться, значит температура газа уменьшится.
35. Для исследования процесса испарения жидкостей при комнатной температуре в различные сосуды цилиндрической формы, находящиеся в одном помещении при одинаковых условиях, налили спирт или воду различного объёма (см. рисунок). Далее измеряли время испарения жидкости из каждого сосуда.
Вода из сосуда 2 испаряется быстрее, чем из сосуда 4. Можно на основании этого наблюдения сделать вывод, что скорость испарения жидкости зависит от площади поверхности испарения? Ответ поясните.
Ответ: нет, нельзя. Пояснение. Условия опытов должны отличаться, только исследуемым параметром, поэтому в сосуде 2 и 4 все параметры, характеризующие воду должны быть одинаковыми, кроме площади поверхностей. В сосуды налита вода разной массы, значит сделать однозначный вывод о влиянии площади поверхности жидкости на скорость испарения сделать нельзя.
36. Куда следует поместить лёд, с помощью которого необходимо быстро охладить закрытый сосуд, полностью заполненный горячей жидкостью положить сверху на сосуд или поставить сосуд на лёд? Ответ поясните.
Ответ: лед нужно положить сверху. Пояснение. Если поставить сосуд на лед, то охлаждение жидкости будет происходить за счет теплопроводности, а если положить лед сверху, то за счет конвекции. Охлаждение за счет конвекции будет происходить быстрее.
37. Имеются деревянный и металлический шарики одинакового объёма. Какой из шариков в сорокаградусную жару на ощупь кажется холоднее? Ответ поясните.
Ответ: Дерево на ощупь в жару кажется холоднее, чем металл. Пояснение. Металл обладает лучшей теплопроводностью, чем дерево. Поэтому нагретое на солнце дерево будет медленнее передавать тепло пальцам руки, поэтому будет казаться холоднее. Пояснение.
38. Возьмём два одинаковых стеклянных кувшина, наполним их одинаковым количеством воды комнатной температуры. Один из кувшинов накроем куском чёрной ткани. Поставим кувшины на солнце и будем измерять температуру в них каждые полчаса (см. рис. 1 и 2). В каком кувшине температура будет повышаться быстрее? Ответ поясните.
 |
 |
| Рисунок 1 | Рисунок 2 |
Ответ: температура воды будет быстрее повышаться в кувшине накрытом коском черной ткани. Пояснение. Черные тале лучше поглощают падающее на них излучение, тем самым черная ткань, быстрее нагреваясь, будет способствовать более быстрому нагреванию воды в кувшине, передавая ей часть своей энергии.
39. В одинаковые калориметры налили одинаковое количество воды и эфира, первоначальная температура которых равна 25 °С.Будут ли отличаться (и если будут, то как) показания термометров в воде и эфире через некоторое время? Ответ поясните.
Ответ: температура эфира будет меньше. Пояснение. Обе жидкости будут испаряться. При испарении температура жидкости уменьшается. Скорость испарения эфира больше, чем скорость испарения воды, значит эфир будет охлаждаться быстрее.
40. Возможна ли работа морозильной камеры без периодического выключения и размораживания (в современных холодильных установках размораживание делается автоматически)? Ответ поясните.
Ответ: нет, не возможна. Пояснение. При работе морозильной камеры на ее стенках неизбежно образуется иней, который необходимо периодически удалять размораживанием, это производится либо в ручную (отключением морозильной камеры и разморозкой при появлении инея на стенках камеры) либо автоматически (без отключения). Но даже в случае автоматической разморозки, со временем, в ее закрытых конструкциях может накапливаться иней, поэтому рекомендуется отключать морозильную камеру, хотя бы один раз в год.
41. Где сливки на молоке будут отстаиваться быстрее: в тёплой комнате или в холодильнике? Почему?
Ответ: сливки будут быстрее отстаиваться в холодильнике. Пояснение. Сливки — это мелкие капельки молочного жира, которые подвержены броуновскому движению. При понижении температуры броуновское движение замедляется, значит капельки молочного жира замедляются и слипаются. А поскольку плотность молочного жира меньше плотности воды, он всплывает на поверхность. При этом уменьшение скорости движения молекул приводит к уменьшению сопротивления при движении капелек жира.
42. В какой трубе (кирпичной или металлической) лучше тяга при условии, что трубы имеют одинаковые диаметры и высоту? Ответ поясните.
Ответ: кирпичная труба обеспечивает лучшую тягу. Пояснение. Тяга возникает из-за того, что горячий воздух в трубе имеет меньшую плотность, чем холодный воздух вокруг печи. С его стороны на горячий воздух действует выталкивающая сила, обеспечивающая движение воздуха по трубе, то есть «тягу». Чем меньше воздух за время подъёма по трубе будет охлаждаться, тем тяга будет лучше. Поэтому труба должна иметь как можно меньшую теплопроводность, и металлическая труба хуже кирпичной.
43. Какая почва прогревается летом быстрее: влажная или сухая?
Ответ: Влажная почва прогреется быстрее. Пояснение. Теплопроводность воды, находящейся во влажной почве, больше теплопроводности воздуха, который содержится в сухой почве. Поэтому влажная почва прогреется быстрее