Съдържание

Условие Часть 1. Измерения ЭДС и внутреннего сопротивления Часть 2. Трубка во внешней цепи.Листы ответов Решение

BelPhO 2024, Заключителен етап, 9–11 клас — Задача 10-2. Жидкая… проволока

Оригинал на условието (PDF)Съобщи за грешка

Всички материали от BelPhO 2024

Белорусская республиканская олимпиада по физике2024 — заключительный этап, экспериментальный тур,9–11классы · 70 т.

Внимание: Бележка към темата

Все86оригинальных страниц лично прочитаны:49условия/формы/фотографии,30ключ,7схем. Пять целых связанных экспериментов разных классов,79номерованных запросов. Все методы, оборудование, данные,28форм и доступные критерии сохранены; печатные расхождения явно атрибутированы. Соответствующий рубрикатор11класса отсутствует. Отдельная официальная публикация ключа не установлена, решения атрибутированы архиву.

Заключительный этап республиканской олимпиады по учебному предмету «Физика»,2023–2024учебный год. Экспериментальный тур,9класс. Прочтите это в первую очередь!

Полный комплект состоит из одного заданий, на выполнение которого отводится пять часов.
Ознакомьтесь с перечнем оборудования — проверьте его наличие и работоспособность. При отсутствии оборудования или сомнении в его работоспособности немедленно обращайтесь к представителям оргкомитета.
Для Вас приготовлены Листы ответов, в которых отведены поля для занесения выводов формул, полученных результатов, комментариев по ходу выполнения работы. Для результатов измерений в Листах ответов подготовлены Таблицы, для построения графиков — их бланки. Листы ответов — это ваш чистовик. Для черновиков используйте чистые рабочие листы.
Так как ваши работы сканируются, пишите только на одной стороне всех листов. Подписывать листы запрещается.
В ходе работы можете использовать ручки, карандаши, чертежные принадлежности, калькулятор.

Желаем успехов в выполнении данных заданий!

Пакет содержит:

титульный лист (1стр.);
условие экспериментального задания (3стр.);
листы ответов (6стр.).

Заключительный этап республиканской олимпиады по учебному предмету «Физика»,2023–2024учебный год. Экспериментальный тур,10класс. Прочтите это в первую очередь!

Полный комплект состоит из одного заданий, на выполнение которого отводится пять часов.
Ознакомьтесь с перечнем оборудования — проверьте его наличие и работоспособность. При отсутствии оборудования или сомнении в его работоспособности немедленно обращайтесь к представителям оргкомитета.
Для Вас приготовлены Листы ответов, в которых отведены поля для занесения выводов формул, полученных результатов, комментариев по ходу выполнения работы. Для результатов измерений в Листах ответов подготовлены Таблицы, для построения графиков — их бланки. Листы ответов — это ваш чистовик. Для черновиков используйте чистые рабочие листы.
Так как ваши работы сканируются, пишите только на одной стороне всех листов. Подписывать листы запрещается.
В ходе работы можете использовать ручки, карандаши, чертежные принадлежности, калькулятор.

Желаем успехов в выполнении данных заданий!

Пакет содержит:

титульный лист (1стр.);
условие экспериментального задания (7стр.);
листы ответов (9стр.).

Заключительный этап республиканской олимпиады по учебному предмету «Физика»,2023–2024учебный год. Экспериментальный тур,11класс. Прочтите это в первую очередь!

Полный комплект состоит из двух заданий, на выполнение каждого отводится два с половиной часа. Сдавать работу следует после выполнения обоих заданий. Задания могут быть не равноценными, поэтому ознакомьтесь с условиями обеих задач.
Ознакомьтесь с перечнем оборудования — проверьте его наличие и работоспособность. При отсутствии оборудования или сомнении в его работоспособности немедленно обращайтесь к представителям оргкомитета.
Для Вас приготовлены Листы ответов, в которых отведены поля для занесения выводов формул, полученных результатов, комментариев по ходу выполнения работы. Для результатов измерений в Листах ответов подготовлены Таблицы, для построения графиков — их бланки. Листы ответов — это ваш чистовик. Для черновиков используйте чистые рабочие листы.
Так как ваши работы сканируются, пишите только на одной стороне всех листов. Подписывать листы запрещается.
В ходе работы можете использовать ручки, карандаши, чертежные принадлежности, калькулятор.

Желаем успехов в выполнении данных заданий!

Пакет содержит:

титульный лист (1стр.);
условия2экспериментальных заданий (6стр.);
лист с цветными фотографиями (1стр.);
листы ответов (13стр.).

Решения задач (для жюри),9класс — исходные общие указания

Уважаемые члены жюри! Задачи, предложенные школьникам для решения на олимпиаде, не стандартные и достаточно сложные. Предложенные здесь варианты путей решений не являются единственно возможными. Участники олимпиады могут предложить свои способы решения. Если эти способы приводят к правильным ответам и физически обоснованы, то задача (или ее отдельные пункты) должны оцениваться максимальными баллами. Не забывайте, что Вы должны оценивать не только конечные ответы, но и отдельные правильные шаги в ходе решения!

Не жалейте баллов (если, конечно, есть за что!) для наших замечательных школьников!

Решения задач (для жюри),10класс — исходные общие указания

Не жалейте баллов (если, конечно, есть за что!) для наших замечательных школьников!

Решения задач (для жюри),11класс — исходные общие указания

Не жалейте баллов (если, конечно, есть за что!) для наших замечательных школьников!

Условие

Процессы, происходящие в растворах электролитов при протекании электрического тока сложны и многочисленны: движение ионов в растворителе, появление гальванической ЭДС, возникновение двойного электрического слоя у поверхности электродов, появление контактной разности потенциалов, которая может зависеть от протекающего тока, химические реакции с участием электролита и электродов и т.д. При выполнении данного задания вам нет необходимости (да и возможности) вникать во все тонкости протекающих процессов — надо тщательно и аккуратно провести необходимые измерения, обработать их результаты, высказать некоторые разумные предположения по качественному объяснению Ваших экспериментов.

Приборы и оборудование: раствор лимонной кислоты, капиллярная трубка со стальной проволокой, кусок медной проволоки, мультиметр, источник электрического тока1,5В, переменный резистор22кОм, цепочка из5резисторов сопротивлением10кОм каждый, линейка30см, соединительные провода.

Основной элемент исследования — тонкая капиллярная трубка с раствором лимонной кислоты. В узкое горлышко трубки вставлена тонкая железная проволока, конец которой закреплен. Со второго конца в трубку можно вставлять кусок медного провода в изоляции с оголенным концом. Эту провод можно передвигать по трубке, устанавливая нужное расстояние $L$ между концами проводов. Провода служат электродами, положительным электродом будем считать медный провод. На рисунке показано обозначение трубки на электрических схемах.

Исходная капиллярная трубка: Cu,Fe, расстояние L и положительный электрод; обозначение элемента на схеме

Для заполнения трубки раствором кислоты извлеките медный провод из трубки, опустите толстый конец трубки в стакан с раствором и, всасывая воздух через тонкий конец трубки (не доставая стальной проволоки), заполните трубку.

Внимание!

Не доставайте железную проволоку из трубки — вставлять ее обратно не просто!
Меняйте раствор в трубке для каждой серии экспериментов, не оставляйте кислоту в трубке после проведения измерений (это приводит к коррозии электродов и снижению числа полученных баллов).
Следите, чтобы в трубке не оказалось пузырьком воздуха.
Используйте дезинфицирующую салфетку для протирки трубки перед ее заполнением.
Лимонная кислота абсолютно безопасна — нет ничего страшного, если она немного попадет Вам в рот, но пить ее не рекомендуется.
Всегда соблюдайте полярность подключения трубки, согласно приведенным электрическим схемам.

Так как два разных металла погружены в раствор электролита, то данную трубку можно рассматривать как гальванический элемент — источник тока со своими характеристиками: ЭДС $(\varepsilon)$ и внутренним сопротивлением $(r)$ .

Эквивалентная схема трубки с ЭДС ε и внутренним сопротивлением r

Часть 1. Измерения ЭДС и внутреннего сопротивления

1.1.1 1.1 Попытайтесь измерить ЭДС трубки непосредственно с помощью мультиметра.

В каком режиме должен работать мультиметр?

1.1.2 Запишите показания мультиметра при двух полярностях подключения трубки.

1.1.3 Можно ли считать эти показания значением ЭДС трубки?

1.2.1 1.2 Попытайтесь измерить внутренне сопротивление трубки с помощью мультиметра.

В каком режиме должен работать мультиметр?

1.2.2 Запишите показания мультиметра при двух полярностях подключения трубки.

1.2.3 Можно ли считать эти показания значением ЭДС трубки?

Для более надежного исследования характеристик источника тока, как правило, измеряется его нагрузочная характеристика: зависимость напряжения на внешней цепи от силы тока в этой цепи. Схема цепи для измерения этой характеристики показана на рисунке. В качестве переменного резистора используйте цепочку постоянных резисторов. Убедитесь, что их сопротивления равны10кОм. В противном случае обращайтесь к организаторам олимпиады.

Измерение нагрузочной характеристики трубки: резистор R, вольтметр и полярность

1.3.1 1.3 Теоретическое описание.

Получите теоретическую зависимость напряжения на резисторе от силы тока через него — $U(I)$ , при заданных значениях ЭДС $(\varepsilon)$ и внутреннего сопротивления источника $(r)$ .

1.3.2 Постройте схематический график зависимости $U(I)$ . Укажите физический смысл координат точек пересечения графика с осями координат.

1.3.3 Укажите, как с помощью построенного графика определить (рассчитать) ЭДС и внутренне сопротивление источника наиболее простым способом.

1.3.4 Укажите, как по известному значению сопротивления нагрузки $R$ и измеренному значению напряжения на нем $U$ рассчитать силу тока в цепи.

Заполните трубку раствором. Соберите электрическую цепь, показанную на рисунке. Проведите необходимые измерения, после этого удалите раствор из трубки (в стакан для использованного раствора) и только после этого приступайте к расчетам.

1.4.1 1.4 Измерения и расчеты.

Измерьте зависимость напряжения $U$ на нагрузке (резисторе $R$ ) от ее сопротивления при5различных расстояниях между электродами трубки.

Результаты измерений занесите в Таблицу1 листов ответов. Не забудьте указать единицы измерения всех физических величин. Значения расстояний между электродами укажите в верхней строке таблицы.

1.4.2 Рассчитайте значения сил токов $I$ , для всех проведенных измерений. Результаты расчетов также занесите в Таблицу1.

1.4.3 На одном бланке постройте5графиков зависимостей напряжения на нагрузке от силы тока в цепи $U(I)$ .

1.4.4 С помощью построенных графиков найдите значения ЭДС и внутренних сопротивлений трубки-источника для5различных расстояний между электродами. Результаты занесите в нижние строки Таблицы1.

1.5.1 1.5 Зависимость внутреннего сопротивления от расстояния между электродами.

По результатам измерений постройте график зависимости внутреннего сопротивления от расстояния между электродами $r(L)$ .

1.5.2 Качественно (т.е. без формул и чисел) объясните полученную зависимость.

1.5.3 Предложите простую формулу, описывающую полученную зависимость $r(L)$ . Найдите численные значения ее параметров.

1.5.4 Укажите, чему равно электрическое сопротивление1см столбика раствора в трубке.

Часть 2. Трубка во внешней цепи.

В данной части задания Вам необходимо исследовать характеристики трубки с раствором при наличии в цепи источника электрического тока. Традиционно основной характеристикой элемента считается зависимость силы тока через этот элемент от напряжения на нем (ВАХ — вольтамперная характеристика). Однако в данном случае для упрощения обработки результатов Вам предлагается построить и проанализировать обратную зависимость: зависимость напряжения на трубке от силы тока через нее $U(I)$ .

Для проведения измерений используйте цепь, показанную на следующем рисунке.

Исходная цепь с батарейкой1,5В, переменным резистором, трубкой и измерением U,U0 на R0

Для изменения напряжения используйте выданный переменный резистор. Порядок подключения его выводов определите самостоятельно. В качестве постоянного резистора $R_0$ используйте один резистор из цепочки (раскручивать цепочку не надо) $R_0=10\,\mathrm{\text{кОм}}$ . Источник тока — батарейка1,5В (измерьте эту ЭДС, если она окажется меньше1.4В попросите заменить батарейку).

2.1.1 2.1 Теоретическое описание.

Получите формулу, описывающую зависимость напряжения на трубке от силы тока через нее $U(I)$ .

2.1.2 Постройте схематический график зависимости $U(I)$ в данной цепи (считайте. что напряжение может быть как положительным, так и отрицательным).

2.1.3 Укажите физический смысл координат точек пересечения графика с осями координат.

Заполните трубку раствором лимонной кислоты, установите расстояние между электродами равным $L=15\,\mathrm{\text{см}}$ , соберите электрическую цепь, проведите необходимые измерения, освободите трубку от кислоты после чего приступайте к обработке результатов измерений.

2.2.1 2.2 Измерения и обработка результатов.

Проведите измерения зависимости напряжения на трубке $U$ от силы тока $I$ . Укажите, как вы определяли силу тока.

Результаты измерений и расчетов занесите в Таблицу2 листов ответов. Измерения проведите при двух полярностях подключения батарейки: прямой (как показано на рисунке) и обратной. Полярность подключения вольтметров не изменяйте — напряжения могут быть как положительными (при прямом подключении), так и отрицательными.

2.2.2 Постройте график полученной зависимости $U(I)$ .

2.2.3 Рассчитайте значения ЭДС и внутреннего сопротивления трубки (для каждой полярности подключения батарейки отдельно). Оцените погрешности найденных значений.

2.2.4 Сравните результаты, полученные в этой части, с характеристиками трубки, найденными в части1. Дайте качественное объяснение возможных расхождений.

2.2.5 Дайте качественное объяснение основных особенностей полученной зависимости $U(I)$ .

Листы ответов

Полный исходный Лист ответов: поля, таблицы, сетки и печатные подписи, страница23

Полный исходный Лист ответов: поля, таблицы, сетки и печатные подписи, страница24

Полный исходный Лист ответов: поля, таблицы, сетки и печатные подписи, страница25

Полный исходный Лист ответов: поля, таблицы, сетки и печатные подписи, страница26

Полный исходный Лист ответов: поля, таблицы, сетки и печатные подписи, страница27

Решение

Часть 1. Измерения ЭДС и внутреннего сопротивления

1.1

1.1.1 Мультиметр должен быть включен в режим измерения напряжения (режим вольтметра).

1.1.2 Показания мультиметра $U_1=652\,\mathrm{\text{мВ}}$ , $U_2=-656\,\mathrm{\text{мВ}}$ .

1.1.3 Да, это значения ЭДС, так как сопротивление мультиметра значительно превышает сопротивление трубки–источника.

1.2

1.2.1 Мультиметр надо включить в режим измерения сопротивлений (режим омметра).

1.2.2 Показания мультиметра $R_1=55\,\mathrm{\text{кОм}}$ , $R_2=-27\,\mathrm{\text{кОм}}$ .

1.2.3 Нет, это не есть сопротивление трубки, так как трубка имеет источник ЭДС.

1.3 Теоретическое описание.

1.3.1 Из закона Ома для полной цепи

I=\frac{\varepsilon}{R+r},\qquad (1)

следует, что искомая зависимость напряжения на внешней цепи $U=IR$ от силы тока имеет вид

I=\frac{\varepsilon}{R+r}\ \Rightarrow\ I(R+r)=\varepsilon\ \Rightarrow\ U=\varepsilon-Ir.\qquad (2)

1.3.2 Схематический график зависимости(2) является прямой линией с отрицательным наклоном (см.рис.). Продолжение графика до пересечения с осями координат отсекает:

на оси напряжений значение ЭДС — $\varepsilon$ ;
на оси сил токов значение тока короткого замыкания $I_{\text{КЗ}}=\frac{\varepsilon}{r}$ .

Исходный схематический график нагрузочной характеристики, ε и ток короткого замыкания

1.3.3 Значение ЭДС снимается непосредственно с графика, а значение внутреннего сопротивления рассчитывается по формуле

r=\frac{\varepsilon}{I_{\text{КЗ}}}.\qquad (3)

1.3.4 Значение силы тока рассчитывается на основании закона Ома для участка цепи

I=\frac{U}{R}.\qquad (4)

1.4 Измерения и расчеты.

Результаты измерений и расчетов приведены в Таблице1.

Полная исходная Таблица1: пять расстояний, все измеренные U и вычисленные I, ЭДС и внутренние сопротивления

Графики полученных нагрузочных характеристик показаны на рисунке.

Полный исходный график пяти нагрузочных характеристик трубки, все точки, линии и оси

1.5 Зависимость внутреннего сопротивления от расстояния между электродами.

1.5.1 График зависимости внутреннего сопротивления от расстояния между электродами $r(L)$ .

Полный исходный график сопротивления от длины, данные и ненулевой свободный член

1.5.2 Данная зависимость линейна, но не проходит через нуль. По-видимому, помимо сопротивления самого столбика раствора присутствует заметное дополнительное сопротивление — сопротивление «контактов» электродов с раствором кислоты.

1.5.3 Формулу, описывающую полученную зависимость $r(L)$ , является линейной функцией

r=r_0+\rho L.\qquad (5)

Параметры этой функции можно найти по графику, или По МНК.

Численные значения:
$r_0=1{,}8\,\mathrm{\text{кОм}}$ — имеет смысл сопротивления контактов;
$\rho=7{,}2\,\mathrm{\text{кОм}/\text{см}}$ .

1.5.4 Электрическое сопротивление1см столбика раствора в трубке и есть параметр $\rho$ .

Часть 2. Трубка во внешней цепи.

2.1 Теоретическое описание.

2.1.1 Формула, описывающая зависимость напряжения на трубке от силы тока через нее непосредственно следует из закона Ома

U(I)=\varepsilon+Ir.\qquad (6)

2.1.2 Построенный схематический график зависимости $U(I)$ в данной цепи показан на рисунке.

Исходный схематический график трубки во внешней цепи, ε и I′, оба знака напряжения

2.1.3 Точка пересечения с осью напряжений — ЭДС элемента; точка пересечения с осью тока — $I'$ — значение силы тока, когда напряжение на нем равно и противоположно ЭДС.

2.2 Измерения и обработка результатов.

Результаты измерений и расчетов приведены в Таблице2. график зависимости на рисунке.

Полная исходная Таблица2: прямое и обратное подключение, все U0,U,I, ЭДС и сопротивления с буквальной неполной погрешностью

2.2.3

Полный исходный график ВАХ трубки: обе полярности, разрыв, все данные и шкалы

Силы токов рассчитаны по формуле

I=\frac{U_0}{R_0}.

2.2.4 Рассчитанные здесь значения внутреннего сопротивления примерно в два раза отличаются от полученных в части1. Значения ЭДС также отличаются от полученных ранее. Это свидетельствует о том. что под действием электрического тока изменяются свойства контактного слоя, примыкающего к электродам.

2.2.5 Наиболее существенная особенность полученной зависимости — разрыв графика, проявляющийся в различных значениях ЭДС трубки при разных полярностях внешнего поля. Это означает, что под действием электрического тока возникает дополнительная контактная ЭДС, зависящая от направления тока. Подтверждением этого служит тот факт, что среднее значение ЭДС по двум полярностям подключения примерно равно ЭДС, полученной в первой части. Поэтому дополнительная ЭДС оказывается примерно равной60мВ.

Примечание читателя: в вопросе1.2.3 сохранено слово «ЭДС», хотя раздел касается измерения сопротивления. Числа $r_0=1{,}8$ и $\rho=7{,}2$ оставлены как в ключе, хотя они не согласуются с наклоном и свободным членом исходного графика. В таблице2 обратное сопротивление напечатано с незаконченной погрешностью $(60{,}5\pm1{,})\,\mathrm{\text{кОм}}$ ; отсутствующая цифра не восстановлена. Лист ответов и ключ помечают график2.2.3, а вопрос —2.2.2. В схеме оценивания часть1 обозначена40баллами, хотя суммы ее подпунктов дают50; итог70 также сохранен буквально. В строке2.1.2 схемы сказан отрицательный наклон, в то время как(6) ключа имеет положительный.

Полная исходная схема оценивания, страница5: все критерии, баллы и поля участника

Полная исходная схема оценивания, страница6: все критерии, баллы и поля участника

Примечание читателя: полный оригинальный комплект и атрибуция

Лично прочитаны все86исходных страниц:49условий и форм,30ключа и7схем оценивания. Пять целых связанных экспериментов для9/10/11классов содержат79номерованных запросов в11частях. Все28исходных Листов ответов, три цветные фотографии, исходные таблицы повторных измерений, графики, схемы установок и доступные критерии сохранены. Фотолист на странице35 повторен на последней странице49; фотографии не содержат новых данных на повторном листе. На титульных страницах напечатана олимпиада2024года и2023–2024учебный год. В обложке10класса напечатано «из одного заданий», хотя далее помещены два самостоятельных эксперимента; эта запись оставлена. В нумерации общих указаний отсутствует пункт5. Архивный ключ содержит заголовок «для жюри», но отдельная публикация организатором не установлена: атрибуция решений — архив. Полные соответствующие схемы имеются для9и10классов. Страница7 схем под заголовком11класса содержит только начальные критерии чужой задачи9класса; полного соответствующего рубрикатора11класса нет. Печатные расхождения в формулах, данных, нумерации и баллах оставлены с отдельно атрибутированными примечаниями.

Оригинал в Архива: 2024_expiremental_problems.pdf · решение от архива: 2024_expiremental_solutions.pdf · допълнителни данни: 2024_expiremental_shemes.pdf