1 Zadanie 1.
1. Wyjaśnienie zasady działania bimetalu – 1 pkt.
Na skutek różnicy wartości współczynników rozszerzalności cieplnej obydwu
sprasowanych ze sobą pasków metali stanowiących bimetal po ogrzaniu ulegają one deformacji polegającej na wygięciu się do góry lub do dołu (bimetal w temperaturze pokojowej jest prostym paskiem).
2. Wyjaśnienie - jaki wpływ będzie miała ta deformacja na działającą dźwignię – 1 pkt.
Deformacja spowoduje zmniejszenie lub zwiększenie momentu sił działających
względem osi obrotu po stronie dźwigni z bimetalem (bimetal może się wygiąć do lub od punktu podparcia dźwigni).
3. Określenie zachowania dźwigi dwustronnej – 1pkt.
Ramię z bimetalu, po jego ogrzaniu, uniesie się do góry lub opadnie w dół w zależności od tego, w którą stronę wygnie się bimetal.
Zadanie 2.
1. Analiza każdego z możliwych przypadków – 1 pkt.
Możliwe są dwa przypadki:
a) lód w całości się stopi i otrzymana z niego woda ogrzeje się do temperatury t (wspólnej dla wody m1 i wody powstałej ze stopnienia lodu)
to ≤ t < t1 gdzie to= 0oC
b) tylko część lodu o masie m < m2 stopi się i temperatura w kalorymetrze (wspólna dla lodu, oziębionej wody i wody powstałej z lodu) będzie wynosiła to= 0oC
2. Wybór i wyjaśnienie, który z tych przypadków występuje w zadaniu – 1 pkt.
Q1 – ciepło przekazane przez wodę podczas ochłodzenia jej do temperatury 0oC Q1 = m1 · cW (t1 – to) = 0,3kg · 4200 J/kg oC · (10oC – 0oC) = 12600 J = 12,6 kJ Q2 – ciepło potrzebne do stopienia lodu
Q2 = m2 · cT = 0,04 kg · 334 kJ/kg = 13,36 kJ Pierwszy przypadek nie jest możliwy, bo Q1 < Q2
3. Wyprowadzenie wzoru na obliczenie masy lodu, który uległ stopnieniu – 1pkt.
m1 · cW (t1 – to) = m · cT m = m1 · cW (t1 – to) / cT
2
4. Obliczenie masy lodu, który uległ stopnieniu i podanie wyniku wraz z jednostką – 1 pkt.
m = 0,3kg · 4200 J/kgoC · (100C – 00C) / 334000J/kg = 12600J / 334000J/kg ≈ 0,038 kg 5. Podanie wartości mas składników w kalorymetrze po osiągnięciu stanu równowagi termodynamicznej – 1pkt.
Masa wody 0,3kg + 0,038kg = 0,338kg Masa lodu 0,04kg - 0,038kg = 0,002kg
6. Podanie temperatury panującej w kalorymetrze po osiągnięciu stanu równowagi termodynamicznej – 1 pkt.
Temperatura lodu i wody w kalorymetrze wynosi 0oC.
Zadanie 3.
1. Wyprowadzenie wzoru na długość drutu tworzącego spiralę – 1 pkt.
R = U2 / P= ρ · l / s = ρ · l / (π · r2) l = U2 · π · r2 / (P · ρ)
2. Obliczenie długości drutu i podanie wyniku wraz z jednostką – 1 pkt.
l = 2302 · 3,14 · (2 · 10-4)2 / (500 · 43 · 10-8 )= 30,9[m]
[V2 · m2 / (W · Ω · m) = m]
3. Obliczenie ile razy należałoby skrócić drut, aby grzejnik o tej samej mocy mógł być zasilany napięciem 110 V – 1 pkt.
n = l / l1 l1 = U12
· π · r2 / (P · ρ) n = ( U / U1 )2 n = (230 / 110)2 = 4,37≈ 4,4
4. Obliczenie ile razy należałoby zwiększyć średnicę drutu, aby grzejnik przy tej samej mocy mógł być zasilany napięciem 110 V - 1 pkt.
r12
= ρ · l · P / (π · U12
) r1 / r2 = U / U1
r12
/ r22
= U2 / U12
r1 / r2 = 230V / 110V ≈ 2,09 ≈ 2,1
5. Określenie, który ze sposobów jest korzystniejszy ze względu na trwałość grzejnika– 1 pkt.
Korzystniejsze jest zwiększenie średnicy drutu.
6. Uzasadnienie wyboru zwiększenia średnicy drutu – 1 pkt.
Szybciej przepali się krótszy drut o mniejszej średnicy.
lub
W obu przypadkach natężenie prądu w obwodzie jest takie samo (moce i napięcia są równe).
3 1. Projekt doświadczenia – 1 pkt.
a) umieszczamy baloniki naelektryzowane jednoimiennie zawieszone w jednym punkcie na jedwabnych tasiemkach
b) umieszczamy między nimi płytkę z izolatora
c) umieszczamy między nimi dużą uziemioną płytę z metalu d) obserwujemy zachowanie
2. Określenie zachowania się naelektryzowanych baloników po umieszczeniu między nimi płytki z izolatora – 1 pkt.
Baloniki odpychają się słabiej, kąt odchylenia między nimi maleje.
3. Określenie zachowania się naelektryzowanych baloników po umieszczeniu między nimi dużej uziemionej płyty z metalu – 1 pkt.
Po wstawieniu dużej uziemionej płyty metalowej baloniki dotykają powierzchni płyty.
4. Uzasadnienie zachowania się baloników w przypadku - płytki z izolatora – 1 pkt.
Naelektryzowane jednoimiennie baloniki wytwarzają pole elektryczne, w którym
następuje polaryzacja płytki i na jej powierzchni pojawią się ładunki przeciwnego znaku do ładunków zgromadzonych na balonikach.
W wyniku tego zjawiska wypadkowe pole elektryczne między balonikami zmniejszy się.
Siła ich wzajemnego odpychania również ulega zmniejszeniu.
lub
Jeżeli uczeń nie napisze nic na temat pola elektrycznego, ale dobrze opisze zachowanie się baloników w oparciu o zmianę sił kulombowskich to również otrzyma punkt.
5. Uzasadnienie zachowania się baloników w przypadku - dużej uziemionej metalowej płyty – 1 pkt.
Po wstawieniu między baloniki dużej metalowej uziemionej płyty linie pola, pochodzące od ładunków na powierzchni obydwu baloników, kończą się na ładunkach
wyindukowanych na powierzchni tej płyty. Dlatego pole elektryczne pochodzące od baloników nie przeniknie przez płytę.
Zniknie wzajemne oddziaływanie naelektryzowanych baloników.
Płyta metalowa izoluje je elektrostatycznie od siebie.
Ładunki baloników oddziałują teraz jedynie z wyindukowanymi ładunkami metalowej płyty.
4 lub
Jeżeli uczeń używając innych sformułowań uzasadni prawidłowo zachowanie się baloników również otrzyma punkt.
6. Wymienienie jednego prawa lub zjawiska, z którym uczeń ma do czynienia w doświadczeniu – 1 pkt.
Prawo Coulomba lub zasada zachowania ładunku elektrycznego lub zjawisko indukcji elektrostatycznej.
Zadanie 5.
1. Podanie warunku rezonansu akustycznego – 1 pkt.
Dwa kamertony rezonują ze sobą wówczas, gdy ich okresy drgań własnych są sobie równe (T1 = T2)
2. Podanie zjawiska fizycznego wpływającego na zmianę okresów drgań własnych kamertonów – 1 pkt.
Na skutek ogrzewania wzrasta długość i grubość ramion kamertonu - zjawisko
rozszerzalności temperaturowej ciał stałych. Ogrzanie jednego z kamertonów narusza warunek równości okresów drgań własnych kamertonów.
3. Określenie czy obserwowany efekt zależy od rodzaju metalu, z którego jest wykonany kamerton – 1 pkt.
Wpływ temperatury na częstotliwość zależy od rodzaju metalu, z którego wykonany jest kamerton.
lub
Różne metale mają różne wartości współczynnika liniowej rozszerzalności termicznej zatem wydłużenie ramion kamertonów wykonanych z różnych metali ogrzanych o tyle samo stopni będzie różne i różna będzie częstotliwość drgań własnych takich
kamertonów.
Zadanie 6.
1. Wyprowadzenie wzoru na obliczenie przyrostu energii wewnętrznej układu stół – klocek – 1 pkt.
Przyrost energii wewnętrznej układu ΔEw jest równy pracy W wykonanej przeciwko sile tarcia T. Siła nacisku Fn jest równa ciężarowi klocka Q = m · g
5
T = 2/5 m · g ΔEw = W = T · s = 2/5 m · g · s
2. Obliczenie przyrostu energii wewnętrznej układu stół – klocek i podanie wyniku wraz z jednostką – 1 pkt.
ΔEw = 2/5 · 1kg · 10m/s2 · 1m = 4 N · m = 4J
3. Wyprowadzenie wzoru na obliczenie energii mechanicznej uzyskanej przez klocek – 1 pkt.
Ruch klocka jest ruchem jednostajnie przyspieszonym bez prędkości początkowej.
Przyrost energii kinetycznej klocka ΔE = mv2/2
Z równań ruchu: v = at, s = at2/2 otrzymujemy v2 = 2as stąd ΔE = m2as/2 = mas
4. Obliczenie energii mechanicznej uzyskanej przez klocek i podanie wyniku wraz z jednostką – 1 pkt.
ΔE = 1kg· 0,1m/s2 · 1m = 0,1N · m = 0,1J
5. Wyprowadzenie wzoru na siłę z jaką musi działać chłopiec – 1 pkt.
F = ma + T = ma + 2/5 mg = m (a + 2/5g)
6. Obliczenie siły z jaką musi działać chłopiec i podanie wyniku wraz z jednostką – 1 pkt.
F = 1kg ( 0,1m/s2 +2/5 · 10m/s2) = 4,1 N
Uczeń może uzyskać maksymalnie 30 pkt. Do etapu wojewódzkiego konkursu kwalifikuje się uczeń, który uzyskał minimum 24 pkt.
