Задание 21 ЕГЭ по физике · 81C054
Сравнение мощности нагревателей
Рис. а
Рис. б
В сосуд наливают воду при комнатной температуре.
В воду погружают нагревательные элементы с сопротивлениями R1 и R2, подключённые к источнику постоянного напряжения так, как показано на рис. а. Оставив ключ в положении 1, доводят воду до кипения. Затем кипяток выливают, сосуд охлаждают до комнатной температуры, вновь наполняют таким же количеством воды при комнатной температуре и, повернув ключ К в положение 2 (рис. б), повторяют опыт. Напряжение источника в опытах одинаково. Опираясь на законы электродинамики и молекулярной физики, объясните, в каком из приведённых опытов вода закипит быстрее.
В сосуд наливают воду при комнатной температуре.
В воду погружают нагревательные элементы с сопротивлениями R1 и R2, подключённые к источнику постоянного напряжения так, как показано на рис. а. Оставив ключ в положении 1, доводят воду до кипения. Затем кипяток выливают, сосуд охлаждают до комнатной температуры, вновь наполняют таким же количеством воды при комнатной температуре и, повернув ключ К в положение 2 (рис. б), повторяют опыт. Напряжение источника в опытах одинаково. Опираясь на законы электродинамики и молекулярной физики, объясните, в каком из приведённых опытов вода закипит быстрее.
Развёрнутый ответ: проверяется по критериям ФИПИ.
Решение
Масса воды, её начальная температура и температура кипения в обоих опытах одинаковы. Поэтому количество теплоты, необходимое для нагревания воды до кипения, одинаково:
Q=cm(Tкип−T0)
В положении 1 нагревательные элементы соединены последовательно. Их общее сопротивление равно R1+R2, поэтому мощность электрического тока равна:
P1=U2R1+R2
В положении 2 нагревательные элементы соединены параллельно. Каждый элемент находится под напряжением U, поэтому суммарная мощность равна:
P2=U2R1+U2R2
Сравним мощности. Так как R1>0 и R2>0, справедливо неравенство:
P2=U21R1+1R2>U2R1+R2=P1
При одинаковом количестве теплоты время нагревания обратно пропорционально мощности: t=Q/P. Следовательно, при большей мощности вода нагревается за меньшее время.
Q=cm(Tкип−T0)
В положении 1 нагревательные элементы соединены последовательно. Их общее сопротивление равно R1+R2, поэтому мощность электрического тока равна:
P1=U2R1+R2
В положении 2 нагревательные элементы соединены параллельно. Каждый элемент находится под напряжением U, поэтому суммарная мощность равна:
P2=U2R1+U2R2
Сравним мощности. Так как R1>0 и R2>0, справедливо неравенство:
P2=U21R1+1R2>U2R1+R2=P1
При одинаковом количестве теплоты время нагревания обратно пропорционально мощности: t=Q/P. Следовательно, при большей мощности вода нагревается за меньшее время.
Пример ответа
Вода быстрее закипит во втором опыте, когда нагреватели соединены параллельно: P2>P1, поэтому при одинаковом количестве необходимой теплоты время нагревания t2<t1.
Источник: Открытый банк ФИПИ 81C054
Похожие задания
21В опыте по изучению фотоэффекта катод освещается зелёным светом, в результате чего в цепи возникает ток (рис.…Изменение фототока при фиолетовом свете · 00B1EF21Пластины большого по размерам плоского конденсатора расположены горизонтально на расстоянии d = 2 см друг от…Равновесие капли в конденсаторе · 075D3921К колебательному контуру подсоединили источник тока, на клеммах которого напряжение гармонически меняется с…Зависимость тока от индуктивности · 0A303921На рисунке 1 приведена зависимость внутренней энергии U 1 моль идеального одноатомного газа от его давления р…Переход из координат U–p в p–V · 0A953321Линзу удерживают на расстоянии 3 см от тетрадного листа с клетками, на котором нарисованы направленные в одну…Определение фокусного расстояния линзы · 0B795A21Батарея из четырёх конденсаторов электроёмкостью С1 = 2С, С2 = С, С3 = 4С и С4 = 2С подключена к источнику…Энергия батареи конденсаторов · 0C59AA
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.