Решение задач по физике для школьников

Вот решения задач, оформленные так, чтобы их было удобно переписать в тетрадь школьнику. 1. Каким способом можно осуществить теплопередачу между телами, разделенными безвоздушным пространством? А) теплопроводностью; Б) конвекцией; В) излучением; Г) всеми предложенными способами. Ответ: Правильный ответ: В) излучением. Пояснение: Теплопроводность и конвекция требуют наличия среды для передачи тепла. В безвоздушном пространстве (вакууме) тепло может передаваться только путем излучения. 2. Какое количество теплоты требуется для нагревания стальной детали массой 300г от 25°C до 75°C? (удельная теплоемкость стали 500 Дж/(кг·°C)). Дано: Масса стали \(m = 300 \text{ г} = 0,3 \text{ кг}\) Начальная температура \(t_1 = 25 \text{ °C}\) Конечная температура \(t_2 = 75 \text{ °C}\) Удельная теплоемкость стали \(c = 500 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C})\) Найти: Количество теплоты \(Q\) Решение: Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, определяется по формуле: \[Q = c \cdot m \cdot (t_2 - t_1)\] Подставим известные значения: \[Q = 500 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C}) \cdot 0,3 \text{ кг} \cdot (75 \text{ °C} - 25 \text{ °C})\] \[Q = 500 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C}) \cdot 0,3 \text{ кг} \cdot 50 \text{ °C}\] \[Q = 150 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C}) \cdot 50 \text{ °C}\] \[Q = 7500 \text{ Дж}\] Ответ: Для нагревания стальной детали требуется 7500 Дж теплоты. 3. Какое количество теплоты потребуется, чтобы расплавить кусок цинка массой 1,5 кг, взятый при температуре 20°C? (удельная теплота плавления цинка \(12 \cdot 10^4 \text{ Дж/кг}\), температура плавления 420°C). Дано: Масса цинка \(m = 1,5 \text{ кг}\) Начальная температура цинка \(t_1 = 20 \text{ °C}\) Температура плавления цинка \(t_{пл} = 420 \text{ °C}\) Удельная теплота плавления цинка \(\lambda = 12 \cdot 10^4 \text{ Дж/кг}\) Удельная теплоемкость цинка (не указана в задаче, но необходима для нагрева до температуры плавления. Примем ее значение из справочника: \(c_{цинка} \approx 380 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C})\)). Найти: Общее количество теплоты \(Q_{общ}\) Решение: Процесс состоит из двух этапов: 1. Нагревание цинка от начальной температуры до температуры плавления. 2. Плавление цинка при температуре плавления. 1. Количество теплоты для нагревания: \[Q_1 = c_{цинка} \cdot m \cdot (t_{пл} - t_1)\] \[Q_1 = 380 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C}) \cdot 1,5 \text{ кг} \cdot (420 \text{ °C} - 20 \text{ °C})\] \[Q_1 = 380 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C}) \cdot 1,5 \text{ кг} \cdot 400 \text{ °C}\] \[Q_1 = 570 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C}) \cdot 400 \text{ °C}\] \[Q_1 = 228000 \text{ Дж}\] 2. Количество теплоты для плавления: \[Q_2 = \lambda \cdot m\] \[Q_2 = 12 \cdot 10^4 \text{ Дж/кг} \cdot 1,5 \text{ кг}\] \[Q_2 = 120000 \text{ Дж/кг} \cdot 1,5 \text{ кг}\] \[Q_2 = 180000 \text{ Дж}\] 3. Общее количество теплоты: \[Q_{общ} = Q_1 + Q_2\] \[Q_{общ} = 228000 \text{ Дж} + 180000 \text{ Дж}\] \[Q_{общ} = 408000 \text{ Дж}\] Ответ: Для расплавления куска цинка потребуется 408000 Дж теплоты. 4. Чему равен коэффициент полезного действия паровой турбины, если полученное количество теплоты равно 1100 МДж, а полезная работа составляет 500 МДж? Дано: Затраченное количество теплоты \(Q_{затр} = 1100 \text{ МДж}\) Полезная работа \(A_{пол} = 500 \text{ МДж}\) Найти: Коэффициент полезного действия \(\eta\) Решение: Коэффициент полезного действия (КПД) определяется как отношение полезной работы к затраченной энергии (в данном случае, количеству теплоты): \[\eta = \frac{A_{пол}}{Q_{затр}} \cdot 100\%\] Подставим известные значения: \[\eta = \frac{500 \text{ МДж}}{1100 \text{ МДж}} \cdot 100\%\] \[\eta \approx 0,4545 \cdot 100\%\] \[\eta \approx 45,45\%\] Ответ: Коэффициент полезного действия паровой турбины равен примерно 45,45%. 5. Какое количество теплоты необходимо, чтобы изо льда массой 3 кг, взятого при температуре -10°C, получить пар при 100°C? Дано: Масса льда \(m = 3 \text{ кг}\) Начальная температура льда \(t_{лед1} = -10 \text{ °C}\) Конечная температура пара \(t_{пар} = 100 \text{ °C}\) Справочные данные (не указаны в задаче, но необходимы): Удельная теплоемкость льда \(c_{лед} = 2100 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C})\) Температура плавления льда \(t_{пл} = 0 \text{ °C}\) Удельная теплота плавления льда \(\lambda = 3,34 \cdot 10^5 \text{ Дж/кг}\) Удельная теплоемкость воды \(c_{вода} = 4200 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C})\) Температура кипения воды \(t_{кип} = 100 \text{ °C}\) Удельная теплота парообразования воды \(L = 2,26 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг}\) Найти: Общее количество теплоты \(Q_{общ}\) Решение: Процесс состоит из нескольких этапов: 1. Нагревание льда от -10°C до 0°C. 2. Плавление льда при 0°C. 3. Нагревание воды от 0°C до 100°C. 4. Парообразование воды при 100°C. 1. Нагревание льда: \[Q_1 = c_{лед} \cdot m \cdot (t_{пл} - t_{лед1})\] \[Q_1 = 2100 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C}) \cdot 3 \text{ кг} \cdot (0 \text{ °C} - (-10 \text{ °C}))\] \[Q_1 = 2100 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C}) \cdot 3 \text{ кг} \cdot 10 \text{ °C}\] \[Q_1 = 63000 \text{ Дж}\] 2. Плавление льда: \[Q_2 = \lambda \cdot m\] \[Q_2 = 3,34 \cdot 10^5 \text{ Дж/кг} \cdot 3 \text{ кг}\] \[Q_2 = 1002000 \text{ Дж}\] 3. Нагревание воды: \[Q_3 = c_{вода} \cdot m \cdot (t_{кип} - t_{пл})\] \[Q_3 = 4200 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C}) \cdot 3 \text{ кг} \cdot (100 \text{ °C} - 0 \text{ °C})\] \[Q_3 = 4200 \text{ Дж}/(\text{кг} \cdot \text{°C}) \cdot 3 \text{ кг} \cdot 100 \text{ °C}\] \[Q_3 = 1260000 \text{ Дж}\] 4. Парообразование: \[Q_4 = L \cdot m\] \[Q_4 = 2,26 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг} \cdot 3 \text{ кг}\] \[Q_4 = 6780000 \text{ Дж}\] 5. Общее количество теплоты: \[Q_{общ} = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4\] \[Q_{общ} = 63000 \text{ Дж} + 1002000 \text{ Дж} + 1260000 \text{ Дж} + 6780000 \text{ Дж}\] \[Q_{общ} = 9105000 \text{ Дж}\] \[Q_{общ} = 9,105 \text{ МДж}\] Ответ: Для получения пара из льда массой 3 кг, взятого при температуре -10°C, потребуется 9105000 Дж (или 9,105 МДж) теплоты.