Разбор качественных задач по электромагнитным явлениям

Решение заданий открытого банка ФИПИ

1. Незаряженный проводящий легкий шарик висит на шёлковой нити между заряженным кондуктором электрофорной машины и незаряженной проводящей пластиной. Что произойдёт, если к шарику приблизить кондуктор электрофорной машины? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: шарик будет совершать колебательное движение.

Объяснение: при приближении к шарику кондуктора электрофорной машины в шарике возникает индуцированный заряд: одноимённый с кондуктором заряд на дальней от кондуктора стороне шарика и разноимённый — на ближней. Шарик начнёт притягиваться к кондуктору и соприкоснётся с ним. После соприкосновения шарик получит электрический заряд и оттолкнётся от кондуктора. Прикоснувшись к проводящей пластине, шарик передаст ей большую часть заряда и качнётся назад. Затем он опять коснётся кондуктора электрофорной машины, и процесс повторится.

[свернуть]

2. Электрическая цепь содержит два последовательно соединённых проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения: один проводник – железный, а другой – медный. Лампа, подключённая параллельно к железному проводнику, слабо горит. Как изменится накал этой лампы, если её так же подключить к медному проводнику? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: лампа не будет гореть или будет гореть ещё слабее.

Пояснение. При последовательном соединении проводников напряжение больше на концах проводника, имеющего большее сопротивление. Поскольку удельное сопротивление железа больше, чем удельное сопротивление меди, то сопротивление железного проводника больше, чем медного, и напряжение на нём также больше. При параллельном соединении лампочки с проводником напряжение на ней будет равно напряжению на проводнике, следовательно, напряжение на лампочке, присоединённой параллельно к медному проводнику, меньше, чем на лампочке, присоединённой к железному проводнику. Учитывая, что мощность лампочки рассчитывается по формуле $P=\frac{U^2}{R}$, можно сделать вывод, что накал лампы после подключения её к медному проводнику будет меньше или лампа не будет гореть вовсе.

[свернуть]

3. Какой(-ие) из перечисленных материалов не может(-гут) использоваться для изготовления корпуса компаса: алюминий, пластмасса, железо? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: железо.

Пояснение. Железо намагничивается в магнитном поле стрелки компаса, начинает взаимодействовать со стрелкой и тем самым искажает показания компаса.

[свернуть]

4. На длинных проводящих нитях (см. рисунок), подсоединённых к источнику постоянного тока, подвешена упругая медная пружинка длиной l0. Что произойдёт с длиной пружины, если цепь разомкнуть? Изменением размера пружины при нагревании пренебречь. Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: длина увеличится.

Пояснение. По соседним виткам пружины токи текут в одном направлении. Проводники, по которым ток течёт в одном направлении, притягиваются, благодаря магнитному взаимодействию. Поэтому длина пружины при протекании в ней электрического тока уменьшается по сравнению с исходной длиной пружины. После размыкания цепи притяжение исчезнет, и пружина восстановит свою форму.

[свернуть]

5. Почему сложно наэлектризовать трением гильзу из фольги, подвешенную на медной проволоке к стальному штативу?

Нажмите, чтобы увидеть решение

При попытке наэлектризовать трением проводник, недостающие заряды (либо избыточные заряды) будут, через медную проволоку, переходить с металлического штатива (или наоборот уходить на штатив в случае их избытка). Поэтому в данном случае сложно наэлектризовать проводник.

[свернуть]

6. Чтобы намагнитить стальной стержень, на него намотали изолированную проволоку и подключили к постоянному источнику тока. В каком случае стержень намагнитится сильнее – когда в процессе намагничивания его нагревают или когда охлаждают? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: стержень намагнитится быстрее, если его нагревают.

Пояснение. Намагничивание стержня связано с ориентацией магнитных полей каждого атома вдоль магнитного поля, созданного током, проходящим по проволоке. Скорость ориентации зависит от скорости движения молекул. Чем выше температура стержня, тем больше скорость движения молекул, а значит намагничивание происходит быстрее.

[свернуть]

7. Конец магнитной стрелки притянулся к одному из концов стального стержня. Можно ли сделать вывод о  том, что изначально стержень был намагничен? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: вывод о намагниченности стержня сделать нельзя. 

Пояснение. Магнитная стрелка притянется и к ненамагниченному стержню, если приблизить достаточно близко. Если приблизить магнит к подобному стержню, то почувствуете силу притяжения магнита к стальному стержню, был ли он изначально намагничен или нет.

[свернуть]

8. Что произойдёт с листочками заряженного электроскопа (см. рисунок), если к шарику электроскопа поднести (не касаясь шарика) незаряженную металлическую палочку? Объясните, почему.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: угол расхождения лепестков электроскопа уменьшится.

Пояснение. Листочки электроскопа заряжены одноименно, они отталкиваются друг от друга. Чем больше заряд листочков, тем сильнее они отталкиваются, и наоборот.   Под действием электрического поля электроскопа произойдет перераспределение зарядов в металлическом стержне, на конце стержня, ближайшем к электроскопу образуется заряд противоположного знака электроскопа. Этот заряд в свою очередь будет притягивать заряды, на электроскопе, в связи с чем часть их перейдет на шар электроскопа. Заряд на лепесточках уменьшится. Поэтому при поднесении незаряженной металлической палочки к стержню угол между листочками электроскопа уменьшится.

[свернуть]

9. Две лампы, рассчитанные на одинаковое напряжение, но потребляющие различную мощность, включены в электрическую сеть последовательно. Какая лампа будет гореть ярче? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: лампа потребляющая меньшую мощность будет гореть ярче.

Пояснение. Мощность лампы рассчитывается по формуле $P=\frac{U^2}{R}$. Поскольку лампочки рассчитаны на одинаковое напряжение, чем больше номинальная мощность лампы, тем меньше её сопротивление. Через две лампы, включенные последовательно, будет протекать одинаковый ток, следовательно, мощность будет больше на той лампе, у которой сопротивление больше. Таким образом, лампа меньшей номинальной мощности, включенная последовательно с лампой большей номинальной мощности, будет гореть ярче.

[свернуть]

10. Стёкла окон дома или его стены в лучах солнечного света кажутся более тёмными? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: стекла домов кажутся темными. 

Пояснение. Стекла окон хорошо пропускают солнечный свет с улицы и почти не отражают его, поэтому они кажутся темными.

[свернуть]

11. Аккомодация глаза рыбы основана на том, что хрусталик глаза имеет способность перемещаться вперёд-назад относительно глазного дна. Куда смещается хрусталик (по направлению к предмету или по направлению к глазному дну) в случае, когда рыба приближается к рассматриваемому предмету? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: хрусталик должен сместиться дальше от сетчатки.

Пояснение. В расслабленном состоянии глаз рыбы «настроен» на близкое видение. На рисунке показана оптическая схема расположения хрусталика (пунктирной линией) при приближении предмета к рыбе (рис. А) и при удалении предмета от рыбы (рис. Б). Отсюда видно, что чем ближе предмет к рыбе, тем дальше хрусталик от сетчатки. 

[свернуть]

12. Можно или нельзя опрыскивать водой листья растений, посаженных в открытом грунте, в солнечный жаркий день? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: нет, нельзя.

Пояснение. Капля на поверхности листьев имет форму плоско-выпуклой собирающей линзы. Световые лучи, проходя через каплю преломляются. В результате световой поток концентрируется на участках меньших, чем мог бы в отсутствии капли. В результате этого листья растений могут получить ожоги.

[свернуть]

13. В какое время суток в безоблачную погоду отражение Солнца в спокойной озёрной воде более яркое: утром или в полдень? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: отражение Солнца более яркое утром.

Пояснение. Высота Солнца над горизонтом в полдень максимальная, поэтому лучи падают в воду почти отвесно, в большинстве своем проходя границу раздела воздуха и воды и лишь частично отражаясь от поверхности и попадая в глаза наблюдателю.

В вечерние и утренние часы высота Солнца над горизонтом такая, что угол падения его лучей на воду намного больше, чем в полдень. Поэтому практически весь световой поток, отражаясь от поверхности воды, попадает в глаза наблюдателю.

[свернуть]

14. На белом листе бумаги красным карандашом Ирина нарисовала цветок. Что она увидит, рассматривая листок через красный фильтр. Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: Ирина увидит листок красного цвета (без рисунка).

Пояснение. Бумага белого цвета отражает все лучи видимой части солнечного спектра, рисунок красного цвета отражает лучи красного цвета и поглощает лучи всех других цветов. Красный фильтр пропускает только лучи красного цвета. Поэтому в глаз наблюдателю попадают красного цвета лучи одинаково от всех областей бумаги.

[свернуть]

15. Правильно ли с точки зрения физики утверждение о том, что северный полюс магнитной стрелки указывает на Северный географический полюс Земли?  Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: нет, не верно.

Пояснение. Северный полюс стрелки компаса указывает на ЮЖНЫЙ магнитный полюс, он расположен в нескольких сотнях километров от Северного географического полюса.

[свернуть]

16. На белом листе бумаги зелёным карандашом Кирилл нарисовал автомобиль. Что он увидит, рассматривая листок через красный фильтр? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: Кирилл увидит чёрного цвета автомобиль на красном фоне.

Пояснение. Бумага белого цвета отражает все лучи видимой части солнечного спектра, рисунок зелёного цвета отражает лучи зелёного цвета и поглощает лучи всех других цветов. Красный фильтр пропускает только лучи красного цвета. Поэтому в глаз наблюдателю не попадает никаких лучей от рисунка (как от предметов чёрного цвета) и попадают красного цвета лучи от других областей бумаги.

[свернуть]

17. Для перевозки бензина используются автоцистерны и железнодорожные цистерны. В каком случае к корпусу цистерны необходимо прикреплять массивную металлическую цепь, которая должна волочиться по земле? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: Прикреплять массивную цепь необходимо к автоцистерне.

Пояснение. В результате трения бензин и корпус цистерны могут наэлектризоваться. Поэтому высока вероятность пробоя — может проскочить искра, которая воспламенит бензин или его пары. Цепь в данном случае должна играть роль заземления — она отводит образующийся электрический заряд в землю. В случае с железнодорожной цистерной такая цепь не потребуется, поскольку заряд и так будет стекать с цистерны на землю через корпус и рельсы.

[свернуть]

18. Изменится ли, и если изменится, то как намагниченность предварительно намагниченного стального стержня при его механическом встряхивании в отсутствие внешнего магнитного поля? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: намагниченность уменьшится.

Пояснение. Намагниченность возникает вследствие упорядочения микроскопических токов в веществе. При встряхивании упорядоченность нарушается.

[свернуть]

19. Огородникам не рекомендуется поливать растения при ярком солнечном свете, так как это может повлечь их ожог. Объясните почему.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Смотри задание №12.

[свернуть]

20. Каким  пятном (тёмным или светлым) ночью на неосвещенной дороге кажется пешеходу лужа в свете фар приближающегося автомобиля? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: лужа кажется светлым пятном на фоне более темной дороги.

Пояснение. И лужу, и дорогу освещают только фары встречного автомобиля. От гладкой поверхности воды свет отражается зеркально, то есть вперед, и попадает в глаза пешеходу. Поэтому лужа будет казаться ярким пятном. От шероховатой поверхности дороги свет рассеивается и в меньшей степени попадает в глаза пешеходу.

[свернуть]

21. Когда железный стержень приблизили к компасу, стрелка компаса отклонилась. Означает ли это, что стержень предварительно был намагничен? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Смотри задание №7

[свернуть]

22. Какое явление иногда называют «кровавой Луной»? Объясните, почему Луна приобретает тёмно-красный цвет.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: «кровавая Луна» — явление при котором поверхность Луны приобретает красный цвет.

Пояснение. Луна не выделяет свет, а только отражает солнечный. Его потоки неоднородны и включают пучки разных цветов. Каждый обладает индивидуальными характеристиками и имеет свою длину волны. Так, фиолетовые и синие – самые короткие. Достигнув Земли, в ясную погоду они рассеиваются и окрашивают лунную поверхность в немного магический голубой. А длинные лучи, пройдя через земную атмосферу, не рассеиваются так сильно, и, попадая на лунную поверхность, придают ей как раз тот самый необычный багрово-пурпурный цвет.

[свернуть]

23. На белой бумаге зелёными чернилами написан текст. Удастся ли ученику прочесть текст через синее стекло? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: да, удастся.

Пояснение. Ученику удастся прочесть текст. Белая бумага может отражать все цвета спектра, то через синее стекло она будет казаться синей. А зеленые чернила могут отражать лучи только зеленого света, а лучи остальных диапазонов ЭВ поглощает, поэтому через синее стекло зеленые чернила будут темного (черного) цвета. Прочитать черные буквы на синем фоне довольно реально.

[свернуть]

24. В плоском зеркале вы видите мнимое изображение другого человека, смотрящего на вас. Видит ли он в зеркале изображение ваших глаз? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: видит.

Пояснение. Из закона отражения света следует, что падающий и отражённый лучи (пучки света) обратимы. Следовательно, человек, смотрящий на вас, в соответствии с законом отражения света обязательно видит изображение ваших глаз.

[свернуть]

25. Человек, рассматривая предмет, приближает его к глазам. Изменяется ли при этом кривизна хрусталика (если изменяется, то как)? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: Кривизна хрусталика изменяется.

Пояснение. Хрусталик играет роль собирающей линзы, а сетчатка глаза — роль экрана, на котором получается изображение предмета. При приближении предмета к собирающей линзе (для расстояний, больших фокусного) действительное изображение предмета удаляется от линзы. Чтобы положение сфокусированного изображения приближенного предмета относительно центра линзы (хрусталика) не изменилось, необходимо изменить оптическую силу хрусталика. Это достигается за счет изменения кривизны хрусталика.

[свернуть]

26. После захода Солнца на Земле темнеет не сразу, некоторое время длятся сумерки. Можно ли наблюдать сумерки на Луне? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: нет, нельзя. 

Пояснение. Сумерки наблюдаются благодаря рассеянию солнечных лучей в атмосфере. На Луне атмосфера отсутствует.

[свернуть]

27. В каком случае колебания стрелки компаса затухают быстрее: если корпус компаса изготовлен из стали или из дерева? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: в случае стального корпуса затухание будет проходить быстрее.

Пояснение. При колебаниях магнитной стрелки в проводящем корпусе (в данном случае, стальном) будет возникать индукционный ток. Магнитное поле индукционного тока будет взаимодействовать с магнитной стрелкой, замедляя её движение.

[свернуть]

28. На белой бумаге красными чернилами написан текст. Удастся ли ученику прочесть текст через красное стекло? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: написанное красными чернилами слово не удастся прочесть через стекло красного цвета (того же цвета, что и цвет чернил).

Пояснение. Красные чернила поглощают свет всех цветов, кроме красного, а красный свет отражают. Белая бумага отражает лучи всех цветов, но красное стекло поглощает весь свет, кроме красного. В глаза попадут одинаковые лучи и от чернил, и от бумаги, поэтому слово будет неразличимо.

[свернуть]

29. Кольцо из медной проволоки быстро вращается между полюсами сильного магнита (см. рисунок). Будет ли происходить нагревание кольца? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: Кольцо будет нагреваться.

Пояснение. При вращении кольца в магнитном поле в кольце возникает индукционный ток, который будет его нагревать.

[свернуть]

30. У ученика есть провод длиной 1 м, толстый железный гвоздь и батарейка. Он намотал 10 витков провода на гвоздь и подключил его к батарейке. Гвоздь стал притягивать мелкие железные предметы. Что может сделать ученик, чтобы увеличить силу, с которой эти предметы притягиваются к гвоздю? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: ученик может намотать на гвоздь больше витков провода, подсоединить намотанный на гвоздь провод сразу к двум параллельно соединенным батарейкам, укоротить провод.

Пояснение. Гвоздь с витками провода, присоединённый к батарейке, становится электромагнитом. Сила, с которой электромагнит притягивает железные предметы, увеличивается с увеличением числа витков, с увеличением силы тока, которая протекает по проводу.

[свернуть]

31. Необходимо наэлектризовать трением о ткань стальной и стеклянный стержни. В каком случае для успешности процесса необходимо использовать резиновые перчатки? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: для успешной электризации необходимо одеть резиновый перчатки при электризации стальной палочки.

Пояснение. Стекло — диэлектрик, поэтому при электризации, те заряды, которые попадают на стеклянную палочку будут оставаться на ней. Сталь — проводник, поэтому, если электризовать стальную палочку без резиновых перчаток, то заряд, который попадает на стальную палочку будет переходить на более массивный проводник — человеческое тело и наэлектризовать стержень не получится.

[свернуть]

32. Отрицательно заряженная эбонитовая палочка притягивает подвешенную на нити лёгкую гильзу из алюминиевой фольги. Имеет ли гильза электрический заряд? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: не обязательно.

Отрицательно заряженная палочка может притягивать положительно заряженную гильзу, но если гильза будет не заряжена, то под действием электрического поля палочки в гильзе произойдет перераспределение электрического заряда и она также будет притягиваться к заряженной палочке. Таким образом, гильза может быть заряжена положительно, либо не заряжена вовсе.

[свернуть]

33. Может ли двояковыпуклая линза рассеивать пучок параллельных лучей? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: может.

Пояснение.  Обоснование: если показатель преломления среды, в которой находится двояковыпуклая линза, больше, чем показатель преломления материала линзы, то линза будет рассеивать падающий на неё параллельный световой пучок. Поэтому если двояковыпуклую стеклянную линзу погрузить в жидкость с показателем преломления большим, чем у стекла, то такая линза будет рассеивающей.

[свернуть]

34. Может ли двояковогнутая линза собирать пучок параллельных лучей в одной точке? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Смотри предыдущее задание.

[свернуть]

35. Ёлочная гирлянда спаяна из лампочек для карманного фонаря. При включении этой гирлянды в сеть на каждую из лампочек приходится напряжение не более 4 В. Опасно ли, выкрутив одну из лампочек, сунуть в патрон палец? Для справки: сила тока в гирлянде не более 2,5 А, а сопротивление пальца несколько сотен Ом. Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: опасно.

Пояснение. Объяснение: сила тока, превосходящая 50 мА, способна принести человеку существенное увечье. Сопротивление каждой лампочки 4 В / 2,5 А = 1,6 Ом. Всего лампочек 220 В / 4 В = 55 штук. Если вместо одной из них сунуть палец с сопротивлением 1000 Ом, то общее сопротивление будет 1000 Ом + 54 · 1,6 Ом ≈ 1100 Ом. Сила тока, протекающего через ткани, составит 220 В / 1100 Ом ≈ 200 мА. При меньших сопротивлениях пальца сила тока будет ещё больше.

[свернуть]

36. Дима рассматривает красные розы через зеленое стекло. Какого цвета будут казаться ему розы? Объясните наблюдаемое явление. Дайте развернутое, логически связанное обоснование.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: розы будут казаться черными.

Пояснение. Их цвет зависит от света, который попадает к Диме в глаза. Красные розы поглощают все цвета, кроме красного, а красный цвет отражают. Зеленое стекло поглощает весь свет, кроме зеленого. Но зеленого цвета нет в свете, который отражают розы, – они его поглотили. К Диме в глаза через зеленое стекло не попадет никакого света от красных роз – они покажутся черными.

[свернуть]

37. В люстре одновременно включили пять одинаковых ламп. Во сколько раз уменьшится потребляемая люстрой мощность, если одна лампа перегорит?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: уменьшится в 1,25 раза.

Пояснение. Лампы в люстре соединены параллельно, значит напряжение на лампах одинаковое. Мощность каждой лампочки равна $P=\frac{U^2}{R}$. Общая мощность пяти параллельно соединенных ламп будет равна $P_1=\frac{5U^2}{R}$. Если одна лампа перегорит, то общая мощность уменьшится и составит $P_2=\frac{4U^2}{R}$. Видно, что мощность в первом случае больше, чем во втором в $\frac{5}{4}=1,25$ раза.

[свернуть]

38. В помещении включены пять одинаковых светильников. Во сколько раз уменьшится потребляемая мощность, если выключить три светильника?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: уменьшится в 2,5  раза.

Пояснение. Смотри решение предыдущей задачи.

[свернуть]