Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов.

ОЛИМПИАДА ШКОЛЬНИКОВ «РОБОФЕСТ» ПО ФИЗИКЕ – ПУТЬ К ЛУЧШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ В ОБЛАСТИ ФИЗИКИ, МАТЕМАТИКИ, ТЕХНИКИ.

Девиз Фестиваля «РобоФест» - «Здесь собирают будущее». Безусловно, он отвечает содержанию – без робототехники невозможно представить себе и ближайшее, и отдаленное будущее человечества, а участники Фестиваля приобретают на нем навыки и умения, которые им пригодятся в их собственном будущем. Но с появлением олимпиады «Робофест» этот девиз приобрел еще один смысл. С помощью олимпиады участники Фестиваля могут открыть себе дорогу в лучшие ВУЗы России, создав свою собственную образовательную траекторию, ведущую к будущему превращению высококлассного специалиста. Как же реализовать эту возможность? Давайте разберемся.

Олимпиада школьников «Робофест» по физике является составной частью Фестиваля, и при этом она – самостоятельное соревнование с официальным статусом: уже второй год она входит в Перечень олимпиад школьников в Российской Федерации, и практически все ВУЗы России, специализирующиеся в области физики и техники, предоставляют ее победителям и призерам льготы при поступлении. Например, физический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова зачисляет победителей олимпиады «Робофест» без вступительных испытаний (это означает, что победителю олимпиады достаточно подать документы в приемную комиссию, сдать в личное дело оригинал аттестата и подписать согласие на зачисление). Призеры олимпиады освобождаются от участия в самом сложном из наших экзаменов – в летнем дополнительном вступительном испытании (письменном экзамене по физике), и им сразу проставляют высшую оценку 100 баллов. Но необходимо знать, что для того, чтобы воспользоваться этими льготами, необходимо еще пройти «фильтр Единого Государственного Экзамена», то есть сдать ЕГЭ по физике на оценку не ниже 75 баллов.

Отметим, что для участия в Фестивале «Робофест» не обязательно участвовать в олимпиаде «Робофест», но для участия в олимпиаде обязательно участвовать в Фестивале. Это обусловлено правилами проведения олимпиад школьников и структурой олимпиады. Все олимпиады из Перечня обязаны проводить отборочные этапы, и допустить до участия в финальном этапе можно только победителей и призеров отборочного этапа текущего года, а также победителей и призеров финального этапа предыдущего года (если они еще учатся в школе). Отборочный этап олимпиады проводится на региональных отборочных площадках Фестиваля. Здесь есть два обстоятельства, на которые имеет смысл особо обратить внимание. Первое состоит в том, что только участники, успешно прошедшие региональные отборы, могут участвовать в финальном этапе. Фестиваль – это командное соревнование, и в случае, если кто-то из членов команды не может приехать на общероссийский Фестиваль, то в команде его может заменить другой участник. Но олимпиада – это личное соревнование, и новый член команды, участвуя в Фестивале, тем не менее не имеет права участвовать в финальном этапе олимпиады, так как он не является призером либо победителем отборочного этапа. Второе важное обстоятельство состоит в том, что участники, являющиеся победителями или призерами финала олимпиады прошлого года, в этом году имеют право на участие в финальном этапе независимо от результатов отборочного этапа этого года. Это, естественно, означает, что они должны быть приглашены и на общероссийскую площадку Фестиваля.

Каким образом испытания олимпиады встроены в жизнь Фестиваля? Все начинается именно на региональных отборах. Участникам региональных робототехнических соревнований предлагаются задания отборочного этапа олимпиады. Все они направлены на то, чтобы обратить внимание школьников на физическую составляющую тех заданий, которые их роботы выполняют в ходе соревнований, проверить знания участников, их физическую интуицию и способность воспринимать новое. Важно понимать, что задания по физике – не просто дополнение к робототехническим заданиям. Это и вызов для участников, и крайне необходимый ориентир для их дальнейшего развития. Не случайно, что именно олимпиада по физике наиболее органично встраивается в соревнования Фестиваля: без серьезных физических знаний невозможно стать высококлассным специалистом по робототехнике. Посмотрим, как связь физики и робототехнических заданий реализуется на ОТБОРОЧНОМ этапе.

В 2016/17 учебном году все участники отборочных соревнований, независимо от класса, выполняли два из четырех заданий. Критерии оценивания ответов были различны для младшей (7-9 классы) и старшей (10 и 11 классы) групп. Для оценки результатов участников использовалась следующая схема:

Подготовка к олимпиаде школьников «РОБОФЕСТ» по физике: задачи, предлагавшиеся участникам финального тура.

Все задания по подготовке были построены по той же схеме, что и задания отборочного тура, то есть состояли из «наводящего» вопроса и задачи. При выполнении задания в системе дистанционной подготовки участники сначала получали доступ к условиям, а затем, если задание не удавалось выполнить сразу, получали по очереди несколько «подсказок», подводящих к правильному решению. В приводимых примерах мы выделили именно те задания, которые были наиболее близки к будущим заданиям теоретического тура заключительного этапа. Их выполнение – несомненно лучший способ для подготовки к самому финальному испытанию. Но для того, чтобы эта подготовка была действительно эффективной, нужно усвоить все «уроки», предложенные на протяжении всей олимпиады.

Примеры задач для участников 10-11 классов.

Задание 1.

1.1. На гладкой горизонтальной поверхности лежит доска, на которой покоится небольшой брусок. Коэффициент трения между линейкой и бруском равен Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Доску двигают поступательно с ускорением 3 м/с2. С каким ускорением движется относительно поверхности брусок (его движение также поступательно, и он находится на линейке)? Ускорение свободного падения Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м/с2. Ответ запишите в м/с2.

Подсказка 1: ускорение бруску сообщает сила трения.

Подсказка 2: максимальная величина ускорения бруска, при которой он уже проскальзывает по доске, Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м/с2.

Решение:

Ускорение бруску сообщает сила трения, которая не может превышать Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Следовательно, максимальная величина ускорения бруска, при которой он уже проскальзывает по доске, Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м/с2. Значит, при заданном ускорении доски брусок не может двигаться вместе с доской, и он проскальзывает по доске. Его ускорение как раз и равно максимальному.

ОТВЕТ: 2.

1.2. На горизонтальном столе лежат длинная линейка Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru и прямоугольный ластик С.

Ластик касается линейки одной из своих боковых граней (см. рисунок). Линейку переместили на расстояние Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru см, двигая ее равномерно и поступательно, так что ластик двигался перед линейкой, не отрываясь от нее. Угол между линейкой и направлением ее перемещения составляет Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Найдите величину перемещения ластика относительно стола за то же время. Коэффициент трения ластика о линейку равен Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Ответ запишите в сантиметрах.
α
A
B
C

Подсказка 1: поскольку Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , то ластик не может перемещаться без проскальзывания по линейке.

Подсказка 2: сила трения будет иметь величину Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , и результирующая сила реакции линейки Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru будет составлять с нормалью к линейке угол Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

Подсказка 3: для треугольника, образованного вектором перемещения линейки, вектором перемещения ластика относительно стола и вектором смещения ластика относительно линейки, можно использовать теорему синусов.

Решение:

Поскольку Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , то ластик не может перемещаться без проскальзывания по

линейке (результирующая сила реакции линейки Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru должна быть направлена по перемещению, то есть – в отсутствие проскальзывания – под углом Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru к нормали к линейке). Значит, сила трения будет иметь величину Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , и Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru будет составлять с нормалью угол Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Значит, ластик будет перемещаться в направлении, составляющем угол Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru с направлением перемещения линейки. Таким образом, в треугольнике, образованном вектором перемещения линейки Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , вектором перемещения ластика относительно стола Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru и
α
S
SЛ
S//Л
β

вектором смещения ластика относительно линейки Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , угол напротив стороны Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru равен Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , а напротив Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru : Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , и по теореме синусов

Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru см.

ОТВЕТ: 15.

Задание 2 (4 очка).

2.1. Во сколько раз нужно изотермически увеличить давление газа, чтобы его объем уменьшился на 20% от первоначального? Ответ запишите в виде правильной десятичной дроби.

Подсказка: воспользуйтесь законом Бойля-Мариотта.

Решение:

Согласно закону Бойля-Мариотта, в изотермическом процессе Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Поэтому Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

2.2. Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Важной составной частью специализированного робота является датчик ускорения (акселерометр). Разработчики робота предложили следующий прототип акселерометра. В горизонтальный цилиндрический сосуд, заполненный газом, они поместили поршень массой Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru кг и площадью Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru см2, причем в положении равновесия расстояние от поршня до дна сосуда составило Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru см. При испытаниях прототипа акселерометра ему сообщили некоторое ускорение, направленное вправо (см. рисунок). В результате установившееся смещение поршня от исходного положения составило Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru см. Какое ускорение a сообщили цилиндру, если атмосферное давление Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Па? Температуру газа считайте неизменной. Трением поршня о стенки сосуда пренебрегите. Ответ выразить в м/с.

Подсказка 1: уравнение движения поршня с ускорением Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru имеет вид: Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

Подсказка 2: по закону Бойля-Мариотта: Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

Подсказка 3: объединяя эти равенства, получаем ответ.

Решение:

Уравнение движения поршня с ускорением Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru имеет вид: Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Отсюда давление газа в ускоренно движущемся цилиндре Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . По закону Бойля-Мариотта: Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Объединяя записанные равенства, получаем ответ: Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м/с2.

ОТВЕТ: 5.

Задание 3.

3.1. Аккумулятор с ЭДС Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru В подключен к устройству, потребляющему от него ток Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru А. Полезная мощность, используемая устройством, составляет Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Вт. Чему равен КПД устройства? Ответ запишите в процентах.

Подсказка 1: мощность затрат аккумулятора равна Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Вт.

Подсказка 2: КПД Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

Решение:

Мощность затрат аккумулятора равна произведению ЭДС на ток потребления, то есть Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Вт. Поэтому КПД устройства Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

ОТВЕТ: 60.

3.2. Двигатель работа работает от аккумулятора с ЭДС Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru В. Сопротивление обмотки двигателя Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Ом много больше внутреннего сопротивления аккумулятора. Робот закреплен на горизонтальной поверхности и с помощью двигателя подтягивает к себе легким прочным горизонтальным тросом груз массой Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru кг с постоянной скоростью Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м/с. Коэффициент трения между грузом и поверхностью равен Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Найти ток, потребляемый двигателем. Ответ выразить в Амперах, записав виде десятичной дроби с точностью до сотых. Ускорение свободного падения считать равным Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м/с2.

Подсказка 1: Мощность затрат аккумулятора идет на компенсацию джоулевых потерь в цепи обмотки двигателя и полезную мощность.

Подсказка 2: Так как груз движется с постоянной скоростью, то сила, с которой двигатель тянет канат, постоянна и равна силе трения.

Подсказка 3: Мощность тепловых потерь Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

Решение:

Мощность затрат аккумулятора идет на компенсацию джоулевых потерь в цепи обмотки двигателя и полезную мощность, которая соответствует работе по перемещению груза. Мощность тепловых потерь Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Поэтому Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Так как груз движется с постоянной скоростью, то сила, с которой двигатель тянет канат, постоянна и равна силе трения. Таким образом, Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Значит, сила тока определяется из уравнения Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . При нулевой полезной мощности ток должен равняться Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , и поэтому нужный корень этого уравнения Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru А.

ОТВЕТ: 2,25.

Задание 4.

4.1. При какой минимальной величине угла падения луча света, идущего из воды (показатель преломления Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru ) в воздух ( Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru ) луч преломленного луча не будет? Ответ дайте в градусах, округлив до ближайшего целого.

Подсказка 1: явление полного внутреннего отражения наблюдается при выходе в оптически менее плотную среду, если угол падения Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

Подсказка 2: Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

Решение:

Явление полного внутреннего отражения наблюдается при выходе в оптически менее плотную среду, если угол падения Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Поскольку Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , то Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

ОТВЕТ: 45.

4.2. В оптической системе используется световод в виде прямого цилиндрического стержня. Вплотную к его торцу расположен «глазок» светодиода, испускающего свет в область, ограниченную конической поверхностью с углом раствора, близким к 90°. При какой минимальной величине показателя преломления стержня Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru все лучи, попавшие в стержень через торец вблизи светодиода, достигнут его другого торца? Ответ записать в виде правильной десятичной дроби, округлив до десятых. Вне стержня находится воздух.

Подсказка 1: так как максимальный угол падения лучей от светодиода на торец Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , то преломленные лучи составляют с осью стержня углы, не превышающие Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

Подсказка 2: минимальный угол падения лучей на боковую поверхность стержня равен Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

Подсказка 3: чтобы все лучи, попавшие в стержень через торец вблизи светодиода, достигли его другого торца, на боковой поверхности должно происходить полное внутреннее отражение.

Решение:

Так как максимальный угол падения лучей от светодиода на торец Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , то преломленные лучи составляют с осью стержня углы, не превышающие Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Поэтому минимальный угол падения лучей на боковую поверхность стержня равен Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Для того, чтобы все лучи, попавшие в стержень через торец вблизи светодиода, достигли его другого торца, на боковой поверхности должно происходить полное внутреннее отражение. Таким образом, должно выполняться требование Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

ОТВЕТ: 1,4.

Примеры задач для участников 7-9 классов.

Задание 1.

1.1.Жесткий стержень скользит по ровной плоской поверхности. В некоторый момент времени скорость одного из его концов направлена перпендикулярно стержню. Под каким углом друг к другу направлены в этот момент скорости центра стержня и другого конца? Известно, что этот угол не равен нулю и что величина этих скоростей также отлична от нуля. Ответ запишите в градусах.

Подсказка 1: расстояние между любыми двумя точками жесткого стержня не изменяется при его движении.

Подсказка 2: из утверждения подсказки 1 следует, что проекции скоростей всех точек стержня на прямую, идущую вдоль стержня, равны.

Решение:

Расстояние между любыми двумя точками жесткого стержня не изменяется при его движении. Поэтому проекции скоростей всех точек стержня на прямую, идущую вдоль стержня, равны. Так как скорость одного из концов стержня имеет нулевую проекцию на эту прямую, то скорости всех точек также имеют нулевую проекцию. Значит, скорости другого конца и центра стержня направлены вдоль одной прямой. Так как угол между ними не равен нулю, то он равен 180°.

ОТВЕТ: 180.

1.2.Один из узлов промышленного робота представляет собой два одинаковых маленьких шарика, соединенных легким жестким стержнем длиной Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru см. Один из шариков может свободно перемещаться по вертикальной направляющей, а другой − по горизонтальной. Первоначально стержень располагался вертикально. Из-за неосторожности, допущенной при сборке узла, нижний шарик сместился вправо на малое расстояние и система пришла в движение в плоскости рисунка. Найдите модуль скорости нижнего шарика Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru в момент времени, когда верхний шарик опустился до высоты Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru см над горизонтальной направляющей. Считайте, что при движении шарики не отрываются от направляющих, трением пренебрегите. Ускорение свободного падения примите равным Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м/с2. Ответ запишите в виде десятичной дроби с одним знаком после запятой.

Подсказка 1: поскольку длина стержня постоянна, проекции скоростей шариков на направление стержня в каждый момент времени совпадают.

Подсказка 2: кинетическая энергия системы – сумма кинетических энергий шариков, потенциальная – энергия верхнего шарика в поле тяжести Земли.

Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Подсказка 3: из закона сохранения механической энергии шариков следует равенство Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , где Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru – угол между стержнем и вертикальной направляющей.

Решение:

Поскольку длина стержня постоянна, проекции скоростей шариков на направление стержня в каждый момент времени совпадают. Обозначив через Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru скорость верхнего шарика, имеем (см. рисунок): Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , откуда Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , где Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Из закона сохранения механической энергии шариков следует равенство: Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Из записанных выражений получаем, что Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м/с.

ОТВЕТ: 1,5.

Задание 2.

2.1. Найти расход воды (т.е. массу воды, вытекающую в единицу времени) для трубы сечением 20 см2, в которой вода движется со скоростью 4 м/с. Плотность воды считать равной 1 г/см3. Ответ дать в кг/с.

Подсказка 1: объем воды, протекающий за время Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru через трубу сечением Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , равен Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru (где Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru – скорость течения воды).

Подсказка 2: расход воды Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , где Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru – плотность воды.

Решение:

Объем воды, протекающий за время Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru через трубу сечением Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , равен Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru (где Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru – скорость течения воды). Поэтому расход воды с плотностью Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru равен Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru кг/с.

ОТВЕТ: 8.

2.2. Бензиновый двигатель модели потребляет 2 г бензина на 10 м пути при скорости движения 2 м/с. Его КПД равен 30%. Температура двигателя поддерживается постоянной за счет водяного охлаждения. Вода поступает в систему охлаждения двигателя из радиатора с температурой 25°С, а возвращается в радиатор с температурой 45°С. С какой скоростью циркулирует вода в системе охлаждения, если площадь сечения трубок в ней постоянна и равна 0,5 см2. Удельная теплота сгорания используемого бензина 45 МДж/кг, удельная теплоемкость воды 4,2 кДж/(кг·°С). Плотность воды считать равной 1 г/см3. Ответ дать в м/с.

Подсказка 1: расход воды в системе охлаждения Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

Подсказка 2: отводимое водой тепло равно разности количества тепла, выделившегося при сгорании топлива, и полезной работы двигателя.

Подсказка 3: следовательно, умножение расхода воды на ее удельную теплоемкость Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru и разность температур Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru на выходе и входе в систему охлаждения дает величину, равную 70% от теплоты сгорания бензина в единицу времени.

Решение:

Отводимое водой тепло равно разности количества тепла, выделившегося при сгорании топлива, и полезной работы двигателя. Полезная работа двигателя за время Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru равна 30% от теплоты сгорания топлива Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru ( Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru МДж/кг, а Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru – масса сгоревшего бензина). Ясно, что Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru г соответствует Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru с. Расход воды в системе охлаждения Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Умножение расхода воды на ее удельную теплоемкость Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru и разность температур Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru на выходе и входе в систему охлаждения дает величину, равную 70% от теплоты сгорания бензина в единицу времени. Таким образом,

Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м/с.

ОТВЕТ: 5

Задание 3.

3.1. При работе светодиода напряжение на нем примерно постоянно и равно 7,5 В. Чему равно его сопротивление в рабочем режиме, в котором мощность излучаемого света составляет 9 Вт? КПД светодиода равно 80%. Ответ запишите в Омах.

Подсказка 1: Потребляемая светодиодом мощность равна 1,25×9 Вт.

Подсказка 2: Эта мощность равна Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , где Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru – напряжение на светодиоде, а Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru – его сопротивление.

Решение:

Потребляемая светодиодом мощность равна Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Вт. Эта мощность равна Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , где Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru – напряжение на светодиоде, а Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru – его сопротивление. Поэтому Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Ом.

ОТВЕТ: 5.

3.2. Для световой панели с тремя светодиодами собрана схема, показанная на рисунке.

Резистор в схеме имеет сопротивлением Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Ом. Для питания схемы используется источник постоянного напряжения. Оказалось, что при изменении положения движка реостата яркость свечения всех светодиодов совершенно не изменяется. При работе каждого светодиода напряжение на нем примерно постоянно и равно и двух светодиодов Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru В, а у третьего оно отличается от этого значения. КПД всех светодиодов равен 75%, а мощность излучаемого света у третьего
R

в два раза больше, чем у двух других. у двух из них номинальная мощность была равна Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Вт, а у третьей – Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Вт. меняется. Найдите суммарную мощность излучения панели. Ответ запишите в Ваттах.

Подсказка 1: яркость свечения светодиодов не изменяется, если ток через реостат отсутствует при любом положении движка.

Подсказка 2: это возможно только в том случае, если напряжения на диодах в нижней части схемы равны друг другу, а напряжение на диоде в верхней части схемы равно напряжению на резисторе.

Подсказка 3: поскольку при одинаковом токе и одинаковом КПД мощность свечения светодиодов отличается в два раза, то и рабочие напряжения у них отличаются в два раза.

Решение:

Яркость свечения светодиодов не изменяется, если ток через реостат отсутствует при любом положении движка. Это возможно только в том случае, если напряжения на диодах в нижней части схемы равны друг другу, а напряжение на диоде в верхней части схемы равно напряжению на резисторе. Значит, два «нижних» светодиода одинаковы и напряжение на них равно Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru В. Поскольку при одинаковом токе и одинаковом КПД мощность свечения светодиодов отличается в два раза, то и рабочие напряжения у них отличаются в два раза. Следовательно, рабочее напряжение «верхнего» светодиода и напряжение на резисторе равны Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru В. По закону Ома ток через резистор равен Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru А, и такой же ток течет через все светодиоды. Значит, суммарная мощность, потребляемая тремя светодиодами, равна Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Вт, а мощность излучения Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Вт.

ОТВЕТ: 36.

При внимательном рассмотрении можно заметить, что многие физические идеи, нужные для решения тренировочных заданий, связаны с идеями, разобранными в заданиях отборочного этапа. И эта тенденция сохраняется и при переходе к заданиям финала!

ЗАДАНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ТУРА ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОГО ЭТАПА ПО ФИЗИКЕ:

условия, решения и ответы

И 11 классы

БИЛЕТ № 01 (10-11 классы)

Задание 1:

Вопрос: На горизонтальной поверхности лежит доска, на которой покоится небольшой брусок массы Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru г. Коэффициент трения между доской и бруском равен Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Доску быстро сместили вдоль нее самой по поверхности на расстояние Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м. При этом брусок сдвинулся относительно поверхности на расстояние Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru см. Какое количество тепла выделилось из-за трения между бруском и доской? Ускорение свободного падения Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м/с2.

Ответ: Количество тепла равно модулю работы силы трения скольжения, которая равна Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , а относительное смещение бруска и доски равно Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Итак, Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru Дж.

Задача: Модель бульдозера должна вытеснить за пределы поля небольшую коробку. Скорость

модели направлена перпендикулярно краю поля, а ковш повернут на угол Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru относительно этого края (см. рисунок). Начальное расстояние от коробки до края поля Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м, коэффициент трения между ковшом и коробкой Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Найдите координату Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru точки, в которой коробка пройдет край. Во сколько раз отличаются количества теплоты, выделившиеся из-за трения между ковшом и коробкой и между коробкой и полом? Коэффициент трения коробки о пол Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .
L
x
α

Коробка движется поступательно и не отрывается от ковша. Скорость модели постоянна.

Решение: Коробка двигалась бы перпендикулярно краю поля, если бы не скользила по ковшу.

Но в этом случае также была бы направлена и равнодействующая сил трения о ковш и силы нормальной реакции ковша. Но тогда между этими силами выполнялось бы соотношение Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , что невозможно, ибо Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Значит, коробка скользит по ковшу. Поэтому результирующая сила Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru направлена под углом
L
x
α

Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru к силе Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , то есть под углом Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru к перпендикуляру к краю поля. Значит, Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м. Так как скорость модели постоянна, то и скорость коробки почти на всем пути постоянна, и поэтому сила Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru равна по величине силе трения коробки о пол Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Тогда Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , и соотношение количеств теплоты, выделившиеся из-за трения между ковшом и коробкой и между коробкой и полом Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , где Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru – величина проскальзывания коробки по ковшу, а и Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru – путь коробки по полу. Из геометрии находим; что Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , а Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Итак, Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

Ответ: Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м, Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

Задание 2:

Вопрос: На сколько процентов нужно изотермически уменьшить объем идеального газа, чтобы его давление возросло на 25%? А на 0,5% (ответ дайте с точностью до 0,1%)?

Ответ: Согласно закону Бойля-Мариотта, в изотермическом процессе Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Поэтому, если Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , то Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , то есть для увеличения давления на 25% нужно уменьшить объем на 20%. Аналогично для Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru получается Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , то есть во втором случае уменьшить объем нужно примерно на 0,5%. Можно сделать вывод: при малых изменениях величины относительных изменений совпадают с точностью до поправок большего порядка малости.

Задача: В конструкции специализированного робота используется акселерометр (датчик

ускорения) следующей конструкции: в гладкой герметичной горизонтальной трубке, заполненной газом, находится небольшой поршень. В отсутствие ускорения поршень располагается точно посередине трубки.
L
x

При появлении продольного ускорения поршень смещается. На испытаниях робот двигался с ускорением Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru м/с2, а температура газа равнялась Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , и при этом смещение поршня составило Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru мм. В один из моментов работы робота смещение поршня равнялось Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru мм при температуре газа Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . С каким продольным ускорением двигался робот? Ответ нужно получить с ошибкой менее 2%.

Решение: Поскольку в отсутствие ускорения поршень располагается точно посередине трубки, то в трубке по разные стороны от поршня находится одинаковое количество газа Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона для газа в каждой из частей трубки, в которой поршень смещен от середины на Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru при температуре Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru : Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru (здесь Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru – площадь поперечного сечения трубки). Дополним их уравнением движения поршня массой Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , движущегося вместе с трубкой с ускорением Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru : Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Выразив силы давления из первых двух соотношений и подставив их в третье, получим связь ускорения и смещения:

Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru .

При указанных в условиях величинах ускорений и температурах, близких к нормальной, смешения небольшого по массе поршня должны быть малы по сравнению с длиной трубки ( Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru ). Поэтому в знаменателе можно пренебречь Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru по сравнению с Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru , и тогда Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru . Например, если давление в трубке близко к нормальному атмосферному, а масса поршня равна 100 г при площади 1 см2 (то есть он весьма тяжелый), то для создания ускорения в 1 м/с2 достаточно, чтобы разность давлений составляла 1% от равновесного давления. Того же порядка должна быть и относительная разность объемов, тогда Максимальная сумма баллов за робототехнические соревнования: 60 баллов. - student2.ru ! Значит, точность полученной формулы при разумных значениях параметров акселерометра значительно лучше требуемой. Таким образом, для разных значений температуры и ускорения