К.А.КОХАНОВ, М.В.ГЫРДЫМОВ,
ВятГГУ, ЦДООШ г. Киров
center@extedu.kirov.ru

Кировский Ломоносовский турнир

Физика. 7–11-й классы

1 (7)*. Объясните, почему пламя большого разгоревшегося костра обязательно охватывает верхушку деревянной конструкции и при этом может не касаться её основания? (2 балла.)

2 (7). Какие из предложенных ниже утверждений о строении вещества неверны?

А) Любое тело состоит из молекул;

Б) любая молекула состоит из более мелких частиц – атомов;

В) атомы состоят из ещё более мелких частиц;

Г) размеры атомов могут быть больше размеров молекул;

Д) молекулы и атомы пахучего вещества источают особые мелкие частицы запаха;

Е) молекулы льда и воды отличаются температурой;

Ж) в состав водяного пара входят молекулы и атомы воды;

З) чем выше температура воды, тем больше скорость теплового поступательного движения её молекул;

И) даже в микроорганизмах можно выделить молекулы;

К) в одном пустом стержне от авторучки в миллиарды раз больше молекул азота и кислорода, чем количество жителей на Земле;

Л) чем больше масса молекул, составляющих вещество, тем больше плотность этого вещества.

(0,5 балла за каждое верное утверждение; –0,5 балла за каждое неверное.)

3 (7–8). Опишите, как могла быть получена фотография с горящим в воздухе словом «Зажигалка». Известно, что снимок сделан учащимися Летней многопредметной школы с помощью цифрового фотоаппарата без применения сложных технических устройств и фотомонтажа. (4 балла.)

Фото Алексея и Александра Былинкиных, А.Лясоты

4 (7–8). Объясните, как могла быть получена фотография мальчика с девочкой на руке без применения сложных технических устройств и методов фотомонтажа. Оцените расстояние между мальчиком и девочкой, если расстояние от мальчика до фотографа 2 м. (5 баллов.)

5 (7–8). Если лист бумаги формата А4 смять руками в комок и затем положить на стол, то комок слегка увеличится в объёме. Объясните этот эффект. (3 балла.)

6 (8). Мальчик запустил игрушечный заводной автомобиль по голому полу своей комнаты и заметил, что он движется по криволинейной траектории. Почему автомобиль при движении мог отклониться от прямолинейного пути? Как двигался бы по полу автомобиль, если бы комната оказалась в состоянии невесомости? (4 балла.)

7 (8). Предложите конструкции из блоков и (или) катушек, дающих выигрыш в силе в два раза. Используйте не более двух блоков и (или) катушек. (2 балла за каждый способ.)

Экспериментальный конкурс (избранное)

1 (7–8). Искривление лазерного луча

Оборудование. Лазерная указка, закреплённая в штативе, свеча, спички, лампочка карманного фонаря.

Демонстрация. Пучок от лазерной указки направляют на экран так, чтобы все школьники могли видеть отражённое лазерное пятнышко. Один из участ-ников турнира, выбранный ведущим, проносит через пучок сначала пламя горящей свечи, а затем лампочку (негорящую, но так, чтобы её спираль не попала в пучок). Пятнышко на экране немного смещается от начального положения.

? Почему оно смещается? Что будет, если внести горящую лампочку?

2 (8). «Дух» лазерного пятна

Оборудование. Лазерная указка, закреплённая в штативе, большое зеркало, экран.

Демонстрация. Лазерную указку, зеркало и экран располагают так, чтобы школьники могли одновременно видеть изображение пятна в зеркале и на экране. Для лучшего наблюдения экран ставят почти прямо перед аудиторией, а зеркало – сбоку от экрана.

Опыт выполняют в два этапа. Сначала лазерный луч направляют в зеркало так, чтобы на экране получилось лазерное пятнышко в результате отражения от зеркала. Если присмотреться к пятнышку, то заметно, что оно на самом деле состоит из трёх пятнышек разной яркости (яркого центрального и двух менее ярких боковых). Демонстратор поясняет, что лазерный луч отражается не только от зеркального напылённого слоя, но и от наружной и внутренней поверхностей стекла, на которое этот слой нанесён.

Далее демонстратор обращает внимание на то, что и отражение в зеркале, естественно, состоит из трёх пятнышек. Затем он поворачивает лазерную указку так, чтобы пучок непосредственно падал на экран, – в этом случае на экране получается только одно светящееся пятнышко. Вновь обращает внимание на отражение этого пятна в зеркале – в нём, как и прежде, пятнышко тройное!

? Почему во втором случае пятнышко и его изображение неодинаковы?

3 (8). «Ящик Рентгена»

Оборудование. Стеклянный «ящик Рентгена», исследуемый предмет, два источника света (лампы мощностью 60 и 40 Вт).

Демонстрация. «Ящик Рентгена» изготовлен из трёх склеенных скотчем оконных стёкол 200  280 мм. В ящик помещается «исследуемый» предмет, который освещается настольными лампами сзади и сбоку от ящика. При этом задняя лампа просвечивает сквозь предмет.

? Объясните, почему это происходит.

4 (8). Холод или тепло?

Демонстрация. Ведущий предлагает всем участникам дунуть на свою руку.

? Объясните, что ощущает рука (холод или тепло) и почему.

1 (7). Раскалённые потоки воздуха поднимаются вверх (всплывают), поджигая при этом верхние слои древесины. Ситуация сходна с горением свечи, когда фитиль горит, а основание остаётся невредимым.

2 (7). А, Д, Е, Ж, Л.

3 (7–8). Съёмка производилась в чулане, освещённом лампой накаливания: пламенем зажигалки в воздухе «написали» слово. Фотоаппарат закреплялся на штативе, устанавливался ручной режим выдержки – 15 с. Быстро движущаяся и слабо освещённая рука на снимке не видна.

4 (7–8). Объекты съёмки – мальчик и девочка – находятся на значительном удалении друг от друга и соответственно на разных расстояниях от фотографа. Определим расстояние s между ними. Крайние световые лучи АО и ВО, попадающие в фотоаппарат от девочки АВ, образуют ОАВ, а попадающие от кажущейся девочки ОА'B'. Тогда s = ОА – ОА'.

Из подобия ОАВ и ОА' B' :

Тогда 

Сделаем некоторые оценки. Пусть высота АВ слегка присевшей девочки 1,5 м, уменьшение её размеров (по сравнению с мальчиком) – 3 раза и, как следствие, кажущаяся высота А' B' = 0,5 м. Тогда: s = 2(3 – 1) = 4 (м).

5 (7–8). В местах изгиба листка возникают деформации (связанные с растяжением наружных слоёв бумаги и со сжатием внутренних слоёв). Эти деформации частично являются упругими, т.е. после снятия внешнего действия бумага способна слегка распрямиться, но не полностью, поскольку не обладает абсолютной упругостью. После разжимания кулака бумажный комок слегка расправляется, вследствие чего увеличивается в размерах.

Эффект расправления комка более заметен при небольших сжатиях. Если сжать очень сильно, то расправление столь мало, что его можно и не заметить (хотя эффект есть!). Дело в том, что различные участки бумаги могут оказаться механически сцепленными друг с другом и будут удерживать друг друга. Такого сцепления нет, например, когда бумага просто сложена «гармошкой».

6 (8). Отклонение от прямолинейного пути чаще всего вызывается какой-либо асимметрией между левой и правой частями автомобиля: большее сопротивление одной из частей движению, например, из-за неодинаковой деформированности колёс (отличия их формы от окружности), крепления колёс, попадания мелкого мусора под одно из колёс и др.

Движение автомобиля в состоянии невесомости стало бы невозможным, т.к. при исчезновении веса автомобиля исчезла бы и сила трения. А именно благодаря силе трения колёса автомобиля отталкиваются от «земли», приводя его в движение.

7 (8). Возможные конструкции систем блоков и катушек показаны на рисунке.

1 (7-8). Плотность раскалённого воздуха около пламени свечи заметно меньше плотности окружающего воздуха, имеющего обычную температуру. Когда лазерный луч проходит сквозь воздушные области различной плотности, направление его распространения изменяется (из-за преломления на границах раздела сред с разным показателем преломления, ведь он зависит от температуры). Явление очень схоже с «дрожанием» предметов в пламени костра.

При внесении в луч лампочки отклонение вызвано преломлением света в стеклянной колбочке. (Результат эксперимента усилится, если лампочка заж-жена, тогда преломление увеличится из-за разности температур. – Ред.)

2 (8). Справедливости ради следует заметить, что при выполнении эксперимента в помещении с сильным затемнением наблюдаемая картина выглядит несколько иначе. Становится заметным, что в зеркале (и на экране) получается не три, а больше пятнышек: одно яркое центральное, одно относительно слабое, например, слева от центрального, а также несколько убывающих по яркости справа от центрального. Большое количество пятнышек справа обусловлено многократными отражениями лазерного луча внутри стекла; левое слабое пятнышко появляется в результате отражения от наружной поверхности зеркала.

Ответим на вопрос задачи. Одиночное светящееся пятно на экране является самостоятельным источником света, и изображение в зеркале формируется так же, как и при падении на это зеркало самого лазерного луча, – в результате множественных отражений. При хорошем затемнении можно наблюдать до пяти пятнышек.

Дополнительно заметим, что факт, отмеченный в условии эксперимента как очевидный – «отражение» в зеркале, естественно, состоит из трёх пятнышек, – на самом деле не так уж и очевиден. Тройной источник света даёт в нашем зеркале много изображений, однако из-за относительно малой яркости боковых пятнышек в зеркале также виден тройной источник.

3 (8). Эффект просвечивания предмета – кажущийся. Стёкла ящика установлены так, что мы, глядя на заднюю лампу, видим отражение боковой лампы. При включённых лампах эффект просвечивания предмета в ящике кажется очень правдоподобным (причём тем правдоподобнее, чем меньше мощности ламп). Заметим, что иногда стёкла дают нежелательные дополнительные отражения ламп. Для исключения этого эффекта заднее стекло можно убрать совсем.

4 (8). Результат эксперимента зависит от того, как именно дуть на руку. Если дуть медленно (например, дохнуть прямо на ладонь), то мы почувствуем тепло своего дыхания. Если дуть быстро, то вместо тепла рука почувствует лёгкую прохладу.

Дело в том, что в первом случае рука успевает ощутить тёплый воздух. Во втором случае поток воздуха изо рта сдувает тёплую воздушную оболочку, созданную самой рукой, отчего и возникает ощущение прохлады.

Константин Анатольевич Коханов – выпускник Кировского ГПУ 1996 г., учитель физики высшей квалификационной категории, педагогический стаж 9 лет, методист, к.п.н. Женат, имеет двоих детей.

Михаил Владимирович Гырдымов – выпусник Вятского ГГУ (г. Киров) 2002 г., учитель физики 12-го квалификационного разряда, педагогический стаж 4 года, вторая квалификационная категория, аспирант и преподаватель ВятГГУ. Пока не женат. Хобби – физический эксперимент.

____________________________________

См. также задачи Кировских Ломоносовских турниров 2003 г. (№ 7) и 2004 г. (№ 8). – Ред.

*В скобках указаны классы. Автор теоретической задачи № 5 – М.Гырдымов, всех остальных теоретических и экспериментальных задач – К.Коханов.