Продолжение. См. № 3/07

М.А.СНЕГИРЁВА, О.Л.ЩЕЛЫКАЛОВА,
СОШ № 58, г. Иваново

Задачи к экзаменационным билетам

Выпускные экзамены, базовый уровень. 11-й класс

Билет № 6

2. Наблюдение взаимодействия постоянного магнита и катушки с током. В вашем распоряжении имеется оборудование для наблюдения взаимодействия постоянного магнита и катушки с током: источник тока, постоянный магнит, катушка, железный сердечник, ключ, реостат, соединительные провода. Пронаблюдайте зависимость взаимодействия магнита и катушки с током от силы тока, наличия сердечника, полярности поля магнита. Опишите и объясните свои наблюдения.

Ответ. Сила взаимодействия магнита и катушки возрастает с увеличением силы тока, а также при наличии ферромагнитного сердечника. Направление действия этой силы зависит от направления тока и направления магнитного поля.

3. Смачивание и капиллярность. В тех случаях, когда молекулы жидкости притягиваются к молекулам твёрдого тела сильнее, чем друг к другу, мы говорим о смачивании твёрдого тела. Вода смачивает стекло, дерево, хлопок, кожу и растекается по этим материалам тонким слоем, стремясь как можно больше увеличить площадь поверхности соприкосновения.

Если же опустить на поверхность воды покрытую жиром стеклянную пластинку, то на её поверхности вода будет собираться крупными каплями и легко стекать. Это указывает на то, что сила притяжения между молекулами воды больше, чем между молекулами воды и жира. В таких случаях говорят о явлении несмачиваемости.

Явления смачивания и несмачивания часто встречаются в быту и в технике. Для подъёма горючей жидкости по фитилям в свечах и лампах, при стирке, склеивании необходимо хорошее смачивание. Благодаря явлению смачивания жидкость по тонким капиллярам (трубочкам или слоям толщиной около миллиметра) поднимается вверх. Такими капиллярами пронизаны стволы деревьев, и по ним к кроне поднимаются питательные вещества, растворённые в воде. При строительстве фундаменты домов изолируют от кирпичных стен рубероидом либо другим материалом, в котором нет капилляров, чтобы стены не отсыревали.

Перья водоплавающих птиц, наоборот, смазаны жиром, поэтому они не смачиваются водой и не намокают, поэтому птицы не мёрзнут. Если иголку, смазанную жиром, аккуратно положить плашмя на воду, она не утонет, а немного «продавит» поверхностную плёнку воды и будет лежать в образовавшейся ложбинке. Это явление используется насекомыми для быстрого бега по воде (водомерки, например, настолько приспособились «ходить по воде», что постоянно живут на её поверхности).

Вопросы к тексту

– Что называют явлением смачивания и несмачивания?

– Для чего нужны капилляры дереву?

– Почему на поверхности резины капелька воды принимает форму шарика, а на поверхности хлопчатобумажной ткани растекается тонкой плёнкой и впитывается?

– Как высота подъёма жидкости в капиллярах зависит от их диаметра?

Билет № 7

2. а) Сухое молоко получают путём выпаривания его в герметичном сосуде, откуда непрерывно откачивают пар, причём температура выпаривания намного ниже 100 °С. Какие физические закономерности лежат в основе этого процесса?

Ответ. При откачивании воздуха понижается давление, при этом и кипение происходит при более низкой температуре, и сухой продукт получают в процессе кипения при низком давлении.

б) Можно ли было бы пользоваться ветряными двигателями, если бы температура атмосферного воздуха была везде одинаковой?

Ответ. Нет, в таком случае не образовывались бы воздушные потоки.

3. Трубы-хамелеоны. Для трубопроводов, которые находятся в помещениях, большое значение имеет их внешний вид – их красят, никелируют. Но можно применить необычное покрытие, изобретение которого подсказано бабочками.

Чешуйки тропических бабочек семейства Ураний представляют собой многослойную структуру. Хитиновые пластинки разделены между собой воздушными промежутками. В результате многократного отражения и интерференции отражённые лучи приобретают более насыщенный цвет, а поверхность крыла – блеск полированного металла. При деформации чешуйки или при изменении угла зрения толщина воздушного зазора изменяется, что вызывает и изменение окраски чешуйки, так называемые перламутровые переливы.

Отражённый луч представляет собой результат интерференции лучей, отражённых от передней и задней поверхностей пластинки. Оптическая разность хода АВС – AD определяется толщиной пластинки и углом падения луча.

Современные технологии позволяют получать тонкие плёнки толщиной до 0,5 мкм. На внешние стенки труб наносят покрытия из плёнок толщиной около 5 мкм, склеенных между собой не сплошь, а тонкими полосками, так что получается структура, аналогичная чешуйкам бабочек Ураний. Такое покрытие, нанесённое на внешнюю стенку трубы, будет менять цвет при изменении температуры: если труба горячая, давление на слои покрытия увеличивается, и толщина воздушных зазоров уменьшается. По оттенкам цвета можно определить, течёт ли по трубе вода и какая она – горячая или холодная. Кроме того, подобное покрытие служит хорошим теплоизолятором и уменьшает потери тепла.

Вопросы к тексту и задания

– Что представляет собой явление интерференции света? Рассмотрите первый рисунок и поясните, какие лучи интерферируют в чешуйке бабочки.

– Почему для нанесения описанного покрытия на трубы нельзя использовать плёнки толщиной, например, 1 мм?

– Предположим, что чешуйка бабочки семейства Ураний в данном пучке света имела зелёный цвет. Как изменится цвет пластинки при уменьшении воздушной полости между хитиновыми пластинками (например, при увеличении внешнего давления)?

– При нагревании металлические трубы расширяются быстрее, чем материал плёнок в покрытии. Как изменится окраска трубы при увеличении температуры протекающей по трубе воды – станет синее или краснее? Почему?

Билет № 8

2. Построение графика зависимости температуры от времени остывания воды. В вашем распоряжении имеются металлический стакан от калориметра, термометр, часы. Исследуйте зависимость температуры остывающей воды от времени. Для этого фиксируйте температуру воды через равные промежутки времени (2 мин). Данные запишите в таблицу:

Постройте график зависимости температуры от времени и выясните, справедлива ли закономерность: за любые последовательные равные промежутки времени изменение температуры воды одинаково.

 

Ответ.

 

3. Исследование атмосферного электричества. Изучение грозного атмосферного электричества требовало отчаянной смелости от учёных, особенно в далёком XVIII столетии, когда не существовало ни измерительных приборов, ни изолированных проводов, ни представления о том, как электрический ток сделать безопасным.

Пытаясь зарядить «небесным» электричеством во время грозы лейденскую банку, погиб верный помощник М.В.Ломоносова – Г.Рихман. Сам Михаил Васильевич во время подобных опытов тоже не раз подвергался смертельной опасности. Но новое влекло неудержимо. Недаром Ломоносов записывал в дневнике: «Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений». И планировал новые эксперименты: «Каков будет цвет электрических искр и пламень, вызванный в растворах солей и соляных жидкостях? Будет ли наэлектризованное олово плавиться при меньшей степени огня? Способствует ли электрическая сила кристаллизации или нет? Ускоряет ли осаждение электрическая сила?»

Как мы видим, задолго до изобретения удобных источников тока – гальванических батарей – родоначальник отечественной науки намечал опыты по осаждению одних материалов на другие с помощью электрического тока. Ломоносов предвосхитил метод гальванопластики, который изобрёл через 100 лет другой российский академик – Б.С.Якоби.

На другом конце земного шара, в Америке, в те же годы работал Б.Франклин, тоже занимаясь изучением атмосферного электричества. К счастью, очень рискованные опыты Франклина окончились благополучно. Ведь он тоже решил вызвать молнию на себя, запустив во время грозы высоко в небо воздушного змея, которого держал на влажной бечёвке. Вода проводит электричество, и если молния имеет электрическую природу, то она спустится, подумал Франклин, по мокрой бечёвке, как по металлическому проводу. И молния действительно ударила в землю рядом с Франклином!

Вопросы к тексту и задания

– Назовите фамилии учёных, исследовавших атмосферное электричество.

– Как взаимодействуют заряженные тела друг с другом?

– Что такое метод гальванопластики?

– Каким способом можно наэлектризовать тело?

Билет № 9

2. Действует ли сила Лоренца: а) на незаряженную частицу в магнитном поле; б) на заряженную частицу, покоящуюся в магнитном поле; в) на заряженную частицу, движущуюся вдоль линий магнитной индукции поля; г) на заряженную частицу, движущуюся перпендикулярно линиям магнитной индукции поля?

Ответ. а) Нет; б) нет; в) нет; г) да. Сила Лоренца действует на заряженную частицу, движущуюся перпендикулярно линиям индукции, заставляя её закручиваться по спирали.

3. Трение скольжения и трение качения. Силы, которые приходится преодолевать, заставляя тело скользить и катиться, различаются в несколько десятков раз. Неудивительно, что трение качения «победило» трение скольжения, и человечество уже давно перешло на колёсный транспорт. Но замена полозьев колёсами ещё не была полной победой, ведь колесо насажено на ось. На первый взгляд, невозможно избежать трения осей о подшипники. На протяжении веков люди старались уменьшить трение скольжения в подшипниках с помощью различных смазок. Получалось уменьшение в 8–10 раз, но всё же иногда и этого было недостаточно.

Только в конце XIX в. возникла замечательная идея заменить в подшипниках трение скольжения трением качения. Эту замену осуществляют с помощью шарикового подшипника. Между осью и втулкой помещают шарики, заменяя, таким образом, трение скольжения трением качения. Роль подшипников качения в современной технике трудно переоценить. Их делают с шариками, с цилиндрическими роликами, с коническими роликами. Существуют шариковые подшипники размером в миллиметр и подшипники для больших машин массой более тонны.

В технике часто необходимо уменьшать трение, чтобы увеличить срок службы деталей. В этих случаях трение скольжения заменяют с помощью подшипников трением качения либо наносят смазку на трущиеся части.

Вопросы к тексту и задания

– Чем отличаются силы трения качения и силы трения скольжения друг от друга?

– Какие существуют способы для уменьшения трения в деталях и механизмах?

– Назовите различные виды сил трения.

– Как связана силы трения скольжения с массой движущегося тела?

Билет № 10

2. Проверка зависимости периода колебания нитяного маятника от длины нити и его независимости от массы груза. В вашем распоряжении имеются штатив, к лапке которого привязана нить длиной 100 см с грузом массой 0,1 кг, набор грузов по 0,1 кг, секундомер.

Измерьте период колебаний груза при его начальном отклонении его от положения равновесия на 5 см. Подвесьте к нити ещё один груз массой 0,1 кг и снова измерьте период колебаний. Подтверждают ли результаты опытов предположение о том, что период колебаний при этом увеличится в 2 раза?

Измерьте период колебаний маятника с одним грузом и нитью длиной 100 см при его начальном отклонении от положения равновесия на 5 см. Уменьшите длину маятника до 25 см и снова измерьте период колебаний маятника. Подтверждают ли результаты опытов предположение о том, что при уменьшении длины нити в 4 раза период колебаний уменьшается в 2 раза?

Ответ. Период колебаний маятника зависит только от длины маятника:

3. Электричество превращается в свет. Замечательный русский учёный, академик В.В.Петров ещё в конце XVIII в. сумел с помощью тонких опытов обнаружить различие между биологической и химической люминесценцией, между свечением живых организмов и неорганических веществ – люминофоров, – смог выяснить условия, при которых светлячки в лесу сияют ярче, а люминофоры светятся дольше. Свечение люминофоров становится более длительным, если их предварительно облучить солнечным светом, а излучение светлячков усиливается при воздействии кислорода воздуха. В 1802 г. ему удалось сделать открытие мирового значения: сближая две угольные палочки, соединённые с огромным вольтовым столбом (составленным из сотен гальванических элементов), Петров впервые в мире наблюдал возникновение разряда между ними, светящуюся дугу ослепительно белого цвета, превращение электричества в свет! Петров прекрасно понимал значение своего открытия. В его сообщениях есть строчки, в которых говорится, что при сближении углей возникает «яркий белого цвета свет или пламя... от которого тёмный покой довольно ясно освещён быть может».

В 1876 г. русский изобретатель П.Н.Яблочков создал первую электрическую лампу, в которой между двумя параллельными электродами горела электрическая дуга... Как жаль, что в начале XIX в. труды русских учёных не переводились на иностранные языки! В 1808 г. знаменитый английский химик сэр Хэмфри Дэви тоже зажёг электрическую дугу, не подозревая, что он не первооткрыватель.

Вопросы к тексту

– Какое открытие было сделано академиком В.В.Петровым?

– Каково устройство электрической лампы накаливания?

– Кто был создателем первой электрической дуговой лампы?

– Что называют люминесценцией?

Продолжение в № 5