Качественные задачи по физике (8 класс)

Задания по физике 8 класс

Задача 1.

 Неподвижный шар и тонкая непрозрачная сферическая оболочка с отверстием имеют общий центр — точку 0, вокруг которой оболочка вращается с постоянной скоростью. Оболочка освещается параллельным пучком света. Во сколько раз различаются скоростью движения отверстия D и средняя скорость светлого пятна d за все время движения по поверхности шара, если его радиус в два раза меньше радиуса оболочки? Отверстие D и точка 0 находятся в плоскости чертежа, а ось вращения перпендикулярна к ней.

Ответ: 

Если отверстие D переместится из точки A в точку B, то светлое пятно d при этом переместится по поверхности шара из точки a в точку b (рис). Треугольник AOB равносторонний – все его стороны равны R. Значит, угол α = 60°. Тогда путь отверстия S1 = 1/6*k*R, где k – коэффициент пропорциональности. Путь светлого пятна за это же время S2 = 1/2*k*R = 1/4*k*R . Отношение <v2>/v1 = S2/S1 = 1,5 — средняя скорость светлого пятна в 1,5 раза больше скорости отверстия.

Задача 2. 

Котел объемом V = 200 л наполовину заполнен водой при температуре t0 = 20 oС. Желая нагреть воду до температуры t1 = 40 ℃, включили газовую горелку. Спустя вре­мя T1 = 30 мин оказалось, что воду перегрели — ее температура была уже t2 = 50 ℃. Тогда открыли кран с холодной водой (ее температура t3 = 15 ℃) и стали наливать её в котел, забыв выключить горелку. Определите, переполнится ли котел к тому моменту времени, когда вода в нем будет иметь нужную температуру t1 = 40 ℃, если из крана за каждую минуту поступает объем воды V3 = 10 л. Теплоемкость котла и потери теплоты не учитывайте.

 Ответ:

 Рассмотрим баланс теплот на первом этапе нагревания воды. За время этого этапа τ1 нагреватель выделил количество теплоты Q1 = P*t1 , где P – его мощность. Эта теплота пошла на нагревание воды, поэтому ее можно найти по формуле Q1 = c*p*v/2 *(t2-t0) , где с – удельная теплоемкость воды, ρ – ее плотность. Приравняв эти два выражения, найдем мощность нагревателя

P = (c*p*V(t2-t0))/(2*t1)

При дальнейшем решении задачи мы встречаемся с альтернативой – выбором из двух возможных вариантов – или котел переполнится, или не переполнится. Предположим любой из этих вариантов, например, второй и будем решать задачу. Если по ходу решения мы встретимся с противоречием, то это будет означать, что при выборе варианта мы не угадали, т.е. сделанное предположение неверно. Тогда ответом задачи будет первый вариант. А если в ходе решения задачи сделанное предположение найдет подтверждение, то оно будет ответом задачи.

Итак, предполагаем, что котел не переполнится. Тогда спустя некоторое дополнительное время τ2 температура воды в котле станет равной t1. За это время горелка выделит количество теплоты Q2 = P*t2 = (c*p*V(t2-t0)*t2) / (2*t1) , а налитая ранее вода – количество теплоты Q3 = .(c*p*V(t2-t1) / 2. Дополнительно налитая из крана в котел холодная вода получит теплоту Q4 = c*p*V3*t2(t1-t3). В соответствии с тепловым балансом Q2+Q3=Q4. Подставив в это равенство значения теплот, получим уравнение, из которого найдем дополнительное время

t2 = (V*(t2-t1)) / (2*V3*(t1-t3)-V*(t2-t0)/t1)

Тогда объем дополнительно налитой воды в котел Vдоп = 67 , что меньше, чем V/2=100л . Значит, котел, действительно, не переполнится.

Задача 3. 

Муравей ползет с постоянной скоростью v1 = 2,4 см/с, приближаясь к плоскому зеркалу вдоль его нормали. С какой скоростью движется изображение муравья в зеркале, если зеркало одновременно перемещается со скоростью v2 = 5 мм/с в том же направлении, в котором ползет муравей? С какой скоростью нужно двигать зеркало, чтобы изображение муравья было неподвижным?

Ответ:

 Перемещение изображения муравья в зеркале обусловлено двумя причинами – движением самого муравья и движением зеркала. Рассмотрим каждую из этих причин по раздельности.
Предположим сначала, что зеркало неподвижно. Тогда движение муравья со скоростью v1 вызовет движение изображения со скоростью -v1. Знак «-» означает, что изображение движется в строну, противоположную движению муравья: муравей ползет слева направо, а его изображение перемещается справа налево, оба приближаются к зеркалу.
Теперь рассмотрим движение зеркала при неподвижном муравье. Если скорость зеркала v2, то скорость изображения 2v2. Таким образом, в силу одной причины движение изображения происходит со скоростью -v1, а в силу другой – со скоростью 2v2 . Значит, обе причины вместе вызовут итоговое движение изображения со скоростью  v3=2v2-v1. Численное значение этой скорости v3=-1,4 см/с.
Для ответа на второй вопрос задачи достаточно в уравнении, определяющем скорость v3, положить эту величину равной нулю: 0=2v2x-v1. Отсюда получим v2x=v1/2 = 1,2 см/с – зеркало надо двигать в ту же сторону, что и движется муравей (слева направо) со скоростью v2x = 1,2 см/с.

Задача 4. 

В сосуде находится вода при температуре t0 = 0 ℃. В ней плавает кусок льда массой m1= 250 г, в котором находится медный шарик массой m2 = 25 г. Сколько времени надо нагревать сосуд на электроплитке мощностью Р = 600 Вт., чтобы лед с шариком начал тонуть? КПД плитки η= 80 %. Плотность воды ρ0 = 1,00 г/см3, льда ρ1 = 0,90 г/см3, меди ρ2 = 8,90 г/см3, удельная теплота плавления льда = 330 кДж/кг

Ответ: 

При нагревании сосуда лед будет таять. Объем оставшегося куска льда и его подъемная сила будут уменьшаться, в результате чего он вместе с вмерзшим медным шариком постепенно будет погружаться в воду. Наступит такой момент, когда погружение окажется полным (после этого лед с шариком утонет). Обозначим массу растаявшего к этому моменту времени льда буквой m. Тогда условие начала потопления льда с шариком запишется в виде (m1-m)g + m2g =Fa , где Fa=((m1-m)/p1+m2/p2)p0g — архимедова сила выталкивания. Из системы этих двух уравнений найдем массу растаявшего льда

m=m1-(m2*(p1*(p2-p0)/p2(p0-p1))

Теперь запишем уравнение теплового баланса:

ηPτ = mλ = λ * (m1-m2*(p1*p2-p0)/p2*(p0-p1))

Отсюда искомое время

τ = λ/η*P*(m1-m2*(p1*(p2-p0)/(p2*(p0-p1))))

Задачи на смекалку

Задача 1.
Во время дождя стало запотевать ветровое стекло изнутри. Для предотвращения этого водителю следует:

1. включить печку

2. включить кондиционер

3. приоткрыть окно

4. любое действие из вышеперечисленных

Решение.

Почему вообще происходит запотевание? Потому что стекло имеет разную температуру снаружи и внутри. Дождик, видимо, был холодный. Варианты 2 и 3 выравнивают температуру внутри с температурой снаружи. Вариант 1 наоборот — старается выровнять температуру снаружи с температурой внутри (всю улицу мы, конечно, не нагреем, но вот ближайшие окрестности стекла, через которое тепло спокойно проходит — запросто).

Дело не в разности температур наружной и внутренней поверхностей стекла. Дело в разности температур внутренней поверхности стекла и воздуха — даже внутренняя поверхность стекла, как правило, холоднее внутреннего воздуха. Плюс высокая влажность внутри салона. Чем ниже температура, тем меньше водяного пара может вместить в себя воздух, т.е. при понижении температуры относительная влажность воздуха увеличивается, и, когда она достигает 100%, все, что "не вместилось" "превращается" в воду.  Таков механизм образования утренней росы: высокая влажность вечером, ночное понижение температуры повышает относительную влажность . Итак, воздух, попадая в область близ стекла, охлаждается и — стекло запотевает.

Поэтому возможные решения можно подразделить на два типа: снижение влажности и уменьшение разницы температур воздуха и поверхности. Кстати, замечали нити обогрева на заднем стекле? Лет 30-40 назад они были опцией, сейчас повсеместны. Они чего делают? Они нагревают стекло. Решение второго типа.

В принципе, все три пункта в некоторой степени решают и ту и другую задачу, но в разной степени, конечно.

Включение печки нагревает стекло и одновременно "забирает" со стекла влагу, ибо относительная влажность горячего воздуха ниже, чем такого же (с тем же удельным содержанием водяного пара) воздуха холодного. Ну, для этого, конечно, нужно не просто нагревать салон, а направлять поток именно на стекло.

Включение кондиционера довольно сильно уменьшает влажность воздуха, точнее — снижает удельное содержание водяного пара — но уже ни в "пристеклянной" зоне, а во всем салонном воздухе. Ведь в нем, кстати, опять происходит тот же процесс — воздух охлаждается, что чаще всего опять же сопровождается конденсацией водяного пара — но только не на стекле на этот раз, а внутри кондиционера, а затем вода отводится наружу — попросту говоря, капает на дорогу.

Ну и, наконец, приоткрывание окна несколько уменьшает и температуру, и удельное содержание водяного пара.

Наиболее "цивилизованно-эффективный" вариант — одновременное включение и печки, и кондиционера. Это можно сделать, даже если вам холодно — тепловая мощность отопителя, как правило, значительно превышает тепловую мощность кондиционера. Окна открыть не всегда хорошо — кому охота, что бы на него капли дождя попадали. Хотя на время немного приоткрыть, конечно, можно.

Честно говоря, я не знаю, как в точности ведут себя в таких случаях системы климат контроля. Обычно, если установленная температура ниже текущей, кондиционер, видимо, не включен, ибо надо же нагревать. А что происходит, если сильно повышена влажность, понимает "умная система", что надо бы

В написанном решении есть кажущийся парадокс — И нагреватель (печка), И охладитель (кондиционер) каким-то образом умудряются ОБА приводить к уменьшению влажности. Объяснение этого парадокса такое: воздух из кондиционера выходит с высокой влажностью. Относительной. Ведь при охлаждении относительная влажность повышается. Капающий конденсат свидетельствует об уменьшении абсолютной влажности, но относительной — нет, относительная повышается!

Если ничто потом этот холодный воздух не нагреет — включение кондиционера не понизит, а повысит влажность в помещении (салоне авто).

Поэтому в действительности сушит воздух не сам кондиционер, а те нагревательные элементы, которые противодействуют работе кондиционера и нагревают охлаждённый им воздух.

А эффект кондиционера сводится к тому, что при его включении в помещении/салоне появляется гораздо больше элементов, которые следует считать нагревательными. Представим, что изначально в салоне авто воздух имеет температуру +30 °C. Все предметы в салоне, к примеру, сиденье — тоже имеют температуру +30 °C. Теперь включаем кондиционер, который выдаёт струю воздуха с температурой +10 °C. Воздух в салоне быстро охлаждается до +25 °C. Сиденье за то же время успеет охладиться лишь чуть-чуть, до +29 °C. И теперь это сиденье по отношению к воздуху работает нагревателем. И сушит воздух.

 В современных автомобилях есть специальный режим - против запотевания лобового стекла. Весть воздух на стекло, обдув - максимум, кондиционер - вкл, рециркуляция воздуха - откл, обогрев воздуха - максимум. В таком режиме воздух проходит сначала через радиатор кондиционера и охлаждается ниже точки росы. Избыток влаги концентрируется на радиаторе и стекает в дренаж. После этого, сухой, холодный воздух проходит через радиатор печки и нагревается. Печка полюбому мощьнее кондиционера. На выходе имеем сильный поток сухого, теплого воздуха. Этот поток одновременно - забирает влагу со стекла, нагревает стекло препятствуя образованию нового конденсата, выталкивает из салона влажный воздух. По опыту - достаточно 30-60 секунд чтобы стекло очистилось. 

Поэтому ответ – 4.

Задача 2.

В безграничном водяном океане, заполняющем всю Вселенную, недалеко друг от друга расположены два шара, один свинцовый, другой пенопластовый. Пользуясь известными физическими законами, объясните, каково будет направление сил взаимодействия между этими шарами?

Решение.

Надо полагать,  что свинцовый шар будет притягивать воду, а вода, соответственно, вытеснять пенопластовый шар, за счет силы Архимеда. Движение шаров - пенопластовый шар будет удаляться от свинцового... вот куда будет двигаться свинцовый шар? предположим свинцовый шар слева, а пенопластовый – справа, тогда слева от свинцового шара воды больше и он, за счет гравитационных сил, должен слегка двигаться влево... Или можно учесть,  что из за отталкивания пенопластового шара вода начнет движение влево, тогда по закону сохранения импульса свинцовый шар должен двигаться вправо... Ответ – шары будут отталкиваться друг от друга

Задача 3.

Пользуясь известными физическими законами, объясните, почему для защиты от рентгеновского излучения применяются вещества с большим атомным номером, например свинец, в то время как для защиты от нейтронного излучения более эффективны вещества с малыми атомными номерами, например полиэтилен.

Радиация - это излучение. Состав излучения изотопов радиоактивных материалов разделяется на Альфа частицы, которые задерживаются поверхностью кожи, Бета частицы проникают глубже, но фольга толщиной 0,1 мм для них является непреодолимым барьером, нейтронное излучение легко прошибает бетон толщиной 15 см, но полиэтиленовая пленка 1 мм для них труднопроходимая преграда. Свинец используют для защиты от рентгеновского излучения и гамма квантов. Бетон в 10см ослабит поток гамма квантов в 2 раза. Свинцовый экран для рентгеновских лучей будет непреодолим при толщине около 0,5см. Так что если построить  бетонный бункер с метровой толщиной стен и облицевать его свинцом и полиэтиленом, то от радиации вы защититесь на 100%. Свинец -этот металл,  обладает рядом чудодейственных свойств, которые десятки, если уже не сотню лет (с момента открытия радиации Резерфордом) помогают предохраниться от всех этих Х-лучей (рентгеновского излучения - радиации). Свинец и его соединения токсичны. Попадая в организм, свинец накапливается в костях, вызывая их разрушение.

Полная защита от быстрых и промежуточных нейтронов в своем составе должна иметь:

- водородосодержащие вещества для замедления нейтронов при упругом рассеивании (вода, полиэтилен, парафин);

- тяжелые элементы с большой атомной массой для замедления при неупругом рассеивании и для ослабления первичного захватного γ-излучения;

- элементы с высоким эффективным сечением захвата для поглощения тепловых нейтронов (бор или кадмий);

- элементы защиты (свинец) от вторичного γ-излучения при захвате тепловых нейтронов.

Полная защита от быстрых нейтронов на каландровых боксах применяется редко. Защита от быстрых нейтронов на боксах состоит из водяного или полиэтиленового экранов с целью замедления нейтронов и, как следствие, уменьшению взвешивающего радиационного коэффициента нейтронного излучения. На каландровых боксах элементы защиты для поглощения тепловых нейтронов не применяются, поскольку значительно увеличивается вторичное γ-излучение при захвате тепловых нейтронов, а это требует установки дополнительной свинцовой защиты.

Задача 4.

Почему в Сибири сильный мороз переносится легче, чем в Петербурге?

Решение.

Рассмотрим на примере города Иркутска зимой. Температура -30⁰ С, а у них в черте города ГЭС и вода в Ангаре не замерзает. Петербургу  далеко до этих ощущений - как будто кожа на лице просто отваливается. О сильном морозе в Сибири - его терпимость нужно объяснять меньшей влажностью воздуха (в Петербурге морской тип климата, а в Сибири континентальный).

Задача 5.
Почему «утро туманное», а не «вечер туманный»?

Перепад температур, движение теплого воздуха на более холодную подстилающую поверхность, или наоборот.  При переходе с холодного на теплый воздух образуется конденсат. Воздух остывает быстрее, земля (вода) медленнее. При столкновении теплой поверхности и холодного воздуха, а это бывает утром, образуется туман (ночью). Еще всё зависит от климата того места, где он может появиться.  Обычно образованию тумана служит испарение воды, в результате резкого перепада температур. Ведь известно, что ночью температура в разы меньше, чем днём, а,  следовательно, утром температура повышается,  вечером уменьшается. Чаще всего туманы можно наблюдать в ближе водоёмов - реки, озёра, побережье. И туман образуется за ночь перед рассветом, он более густой и насыщенный конденсатом. Поэтому и говорят, «утро туманное». Есть народная примета: если туман утром «упал» на землю, значит, будет ясная погода. Если туман поднялся выше над землей и исчез, то жди дождей.

Задача 6.
Ракета-носитель «Протон» не сумел вывести космический корабль «Прогресс» на целевую высокую орбиту. Прогресс вращается вокруг Земли по низкой орбите, в верхних, сильно разреженных слоях атмосферы. Из-за трения о воздух космический корабль:

1. Замедляется

2. Ускоряется

3. Скорость не меняется

4. Ответ зависит от массы корабля

Задача 7.

Однородный куб положили на плоскую горизонтальную поверхность и придали горизонтальную скорость. При какой скорости куб будет кувыркаться? Коэффициент трения положить равным единице.

Задача 8.

Положил колбасу в вакуумной упаковке в морозилку. Когда достал, вакуумная упаковка изнутри заполнена снегом. Почему?

Решение.
Вакуум позволяет продлить свежесть продуктов, поэтому вакуумная упаковка настолько популярна среди производителей продуктов. Вакуумная упаковка уменьшает морозильный ожог, предотвращая пищу от воздействия холодного сухого воздуха. Снег образуется благодаря испарению остатков влаги на продукте, кристаллизуясь в виде снега, т.к. испарение происходит при любой низкой температуре

Задача 9.
Из-за катастрофы Титаника как изменился уровень Мирового Океана?
1. Поднялся
2. Снизился
3. Не изменился
4. Недостаточно данных для ответа на вопрос

Решение.  

Объем материалов Титаника намного меньше объема воды, на которую он "выталкивает" при погружении. А если Боинг упадет и затонет, какой будет результат? Ваше утверждение и для Боинга и для Титаника годится, а результаты будут разные. Конечно поднимется.  Он же летает и на уровень воды никакого влияния не оказывает.
Ответ: 1. Поднялся

Задача 10.
Какая природа взаимодействия, в результате которого происходит  ускорение гоночного автомобиля?
1. Слабое взаимодействие
2. Сильное взаимодействие
3. Гравитационное взаимодействие
4. Электромагнитное взаимодействие
5. Термодинамическое взаимодействие
6. Химическое взаимодействие

Решение.
Кроме затрат энергии на разгон массы автомобиля, движущейся поступательно, часть тяговой силы при ускорении движения расходуется на ускорение вращающихся частей. Самая большая часть энергии затрачивается на разгон маховика, деталей сцепления и колес автомобиля. Остальные вращающиеся детали обладают сравнительно малыми моментами инерции, и их влияние на разгон автомобиля можно не учитывать. Сила, необходимая для углового ускорения вращающихся масс автомобиля, также оказывает определенное сопротивление движению автомобиля при его разгоне. Сила трения, действующая на ведущие колеса, а эта сила является электромагнитным взаимодействием

Ответ: 4

Задача 11.
Имеется классическая коллекторная обратимая электромагнитная машина постоянного тока, с постоянными магнитами в статоре, подключенная к незаряженному конденсатору большой емкости. Вращаем машину внешней силой, по часовой стрелке, заряжая конденсатор. Убираем внешнюю силу. В какую сторону будет вращаться машина под действием разряда конденсатора?
1. По часовой стрелке
2. Против часовой стрелки
3. То в одну сторону, то в другую
4. Вращения не будет

Задача 12.
Быстрее света  может двигаться
1. Световое пятно от лазерной указки
2. Облако 
3. Тень
4. Торнадо 
5. Ничто из вышеперечисленного
6. Все вышеперечисленное

Решение.
Кроме теней быстрее света могут двигаться и зайчики, например, пятнышко от лазерного луча, направленного на Луну . В нашем материальном 3-х мерном пространстве - вряд ли существуют скорости выше световой поскольку свет (фотон) имеет кроме волновых свойств еще и свойства частицы (обладает массой). Если предположить, что существуют элементы, обладающие только волновыми свойствами, то они (элементы, или она - волна), могут обладать неограниченной скоростью, в частности, передачи информации. Смотря, что понимать под словом "двигаться". У солнечного зайчика очень здорово получается. Если постараться, можно сделать бегущую строку, в которой буквы будут бежать быстрее скорости света. А вот нам с Вами, увы, двигаться быстрее света не суждено ... Пока не доказано, что что - то может двигаться быстрее скорости света. Это считается незыблемой константой в науке. Есть правда предположения, связанные с поиском новых частиц. Речь идет о нейтрино. Может! В некоторых средах скорость света составляет всего лишь 80 процентов от скорости его же в вакууме. Причем, в этих средах некоторые частицы распространяются быстрее, чем свет, при этом возникает излучение Вавилова- Черенкова.

Ответ: 1. Световое пятно от лазерной указки

Задача 13.
Из кота Тимки можно сделать 8 котлет и сшить пару перчаток.
Сколько котлет и перчаток можно сшить из другого, подобного кота, который в два раза выше, в два раза длиннее и в два раза толще?

Ответ:  64 котлеты и 8 пар перчаток

Краткое описание документа:

Данный документ содержит разноуровневые задачи по физике. Привожу примеры.

Задача 8. Положил колбасу в вакуумной упаковке в морозилку. Когда достал, вакуумная упаковка изнутри заполнена снегом. Почему?

Задача 12. Быстрее света может двигаться

1. Световое пятно от лазерной указки
2. Облако
3. Тень
4. Торнадо
5. Ничто из вышеперечисленного
6. Все вышеперечисленное