Задание 24 ЕГЭ по физике · 18E99E
Сила для извлечения пробки
В бутылке объёмом 1 л находится гелий при нормальном атмосферном давлении. Горлышко бутылки площадью 2 см2 заткнуто короткой пробкой, имеющей массу 20 г. Когда бутылку поставили на стол вертикально горлышком вверх, оказалось, что если сообщить гелию в бутылке количество теплоты не менее 9 Дж, то он выталкивает пробку из горлышка. Какую минимальную постоянную силу нужно приложить к пробке, чтобы вытащить её из горлышка бутылки, не нагревая, если бутылка лежит горизонтально? Модуль силы трения, действующей на пробку, считать в обоих случаях одинаковым.
Развёрнутый ответ: проверяется по критериям ФИПИ.
Решение
До начала движения пробки объём газа постоянен, поэтому сообщённая теплота идёт на увеличение внутренней энергии гелия:
Q=ΔU=32ΔpV
Найдём увеличение давления газа относительно атмосферного:
Δp=2Q3V=2⋅93⋅10−3=6000 Па
Добавочная сила давления газа на пробку в вертикальном положении равна:
Fдавл=ΔpS=6000⋅2⋅10−4=1,2 Н
В момент начала движения пробки добавочная сила давления уравновешивает силу тяжести и силу трения. Принимая g≈10 м/с2, получаем:
Fтр=Fдавл−mg=1,2−0,020⋅10=1,0 Н
Когда бутылка лежит горизонтально и газ не нагревают, его давление равно атмосферному. Силы давления изнутри и снаружи пробки взаимно компенсируются, а сила тяжести не препятствует движению вдоль горлышка. Поэтому внешняя сила должна преодолеть только силу трения.
Fmin=Fтр=1,0 Н
Q=ΔU=32ΔpV
Найдём увеличение давления газа относительно атмосферного:
Δp=2Q3V=2⋅93⋅10−3=6000 Па
Добавочная сила давления газа на пробку в вертикальном положении равна:
Fдавл=ΔpS=6000⋅2⋅10−4=1,2 Н
В момент начала движения пробки добавочная сила давления уравновешивает силу тяжести и силу трения. Принимая g≈10 м/с2, получаем:
Fтр=Fдавл−mg=1,2−0,020⋅10=1,0 Н
Когда бутылка лежит горизонтально и газ не нагревают, его давление равно атмосферному. Силы давления изнутри и снаружи пробки взаимно компенсируются, а сила тяжести не препятствует движению вдоль горлышка. Поэтому внешняя сила должна преодолеть только силу трения.
Fmin=Fтр=1,0 Н
Пример ответа
Минимальная постоянная сила равна 1,0 Н.
Источник: Открытый банк ФИПИ 18E99E
Похожие задания
24Три одинаковых сосуда, содержащих разреженный газ, соединены друг с другом трубками малого диаметра: первый…Изменение количества газа · 003B5124Закрытый сверху вертикальный цилиндрический сосуд, заполненный воздухом, разделён тяжёлым поршнем, способным…Количество удалённого воздуха · 05A6DD24В запаянной с одного конца трубке находится влажный воздух, отделённый от атмосферы столбиком ртути длиной l…Тепловой баланс и тепловое равновесие · 060CB224Два одинаковых теплоизолированных сосуда соединены короткой трубкой с краном. В первом сосуде находится ν1 =2…Равновесие двух газов · 075E8424Закрытый вертикальный цилиндрический сосуд, заполненный идеальным газом, разделён на две части тяжёлым…Газ под поршнем: механическое равновесие · 0EEB9424В запаянной с одного конца стеклянной трубке, расположенной горизонтально, находится столбик воздуха длиной…Воздушный столбик и ртуть · 0F5292
Нужен репетитор по физике?
Посмотрите репетиторов, которые ведут занятия в Precettore, или оставьте заявку — подберём сами.
Готовьтесь к ЕГЭ по физике в Precettore
Варианты с автопроверкой, домашние задания от репетитора, онлайн-доска и разбор ошибок — в одном кабинете. Регистрация бесплатная.