24

Решение: Сила для извлечения пробки

ЕГЭ · Физика · Задание 24 · Основы термодинамики
ВысокаяФИПИ18e99eРазвёрнутое решение≈ 10 минутРазбор в 5 шагов
Условие

В бутылке объёмом $1\ \text{л}$ находится гелий при нормальном атмосферном давлении. Горлышко бутылки площадью $2\ \text{см}^2$ заткнуто короткой пробкой, имеющей массу $20\ \text{г}$. Когда бутылку поставили на стол вертикально горлышком вверх, оказалось, что если сообщить гелию в бутылке количество теплоты не менее $9\ \text{Дж}$, то он выталкивает пробку из горлышка. Какую минимальную постоянную силу нужно приложить к пробке, чтобы вытащить её из горлышка бутылки, не нагревая, если бутылка лежит горизонтально? Модуль силы трения, действующей на пробку, считать в обоих случаях одинаковым.

Открыть задачу и решить самому
Дальше ответЕсли ещё решаете — начните с подсказок: они ведут к ответу, но не выдают его.
К подсказкам

Решение по шагам

5 шагов
1

До начала движения пробки объём газа постоянен, поэтому сообщённая теплота идёт на увеличение внутренней энергии гелия:

$$Q=\Delta U=\frac{3}{2}\Delta pV$$
2

Найдём увеличение давления газа относительно атмосферного:

$$\Delta p=\frac{2Q}{3V}=\frac{2\cdot9}{3\cdot10^{-3}}=6000\ \text{Па}$$
3

Добавочная сила давления газа на пробку в вертикальном положении равна:

$$F_{\text{давл}}=\Delta pS=6000\cdot2\cdot10^{-4}=1{,}2\ \text{Н}$$
4

В момент начала движения пробки добавочная сила давления уравновешивает силу тяжести и силу трения. Принимая $g\approx10\ \text{м/с}^2$, получаем:

$$F_{\text{тр}}=F_{\text{давл}}-mg=1{,}2-0{,}020\cdot10=1{,}0\ \text{Н}$$

Когда бутылка лежит горизонтально и газ не нагревают, его давление равно атмосферному. Силы давления изнутри и снаружи пробки взаимно компенсируются, а сила тяжести не препятствует движению вдоль горлышка. Поэтому внешняя сила должна преодолеть только силу трения.

$$F_{\min}=F_{\text{тр}}=1{,}0\ \text{Н}$$
Ответ

Минимальная постоянная сила равна $1{,}0\ \text{Н}$.

Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.

Где здесь ошибаются

Не учитывать, что при горизонтальном положении сила тяжести не направлена вдоль горлышка.

Считать, что вся сообщённая теплота совершает работу, хотя до начала движения пробки объём газа постоянен.

Не вычитать силу тяжести из добавочной силы давления при определении силы трения.

Закрепить приёмВ теме «Основы термодинамики» ещё 170 задач — с ответом и таким же разбором.
Тренироваться

Как решать задание 24 ЕГЭ, физика

Разбор этой задачи разложен на 5 шагов: видно, откуда берётся каждое число и где теряется балл. Ответ приведён рядом с выкладками, а не вместо них.

Задача из темы «Основы термодинамики»: в ней 171 задача, и у каждой есть такой же разбор. Регистрация не нужна.