Logo
Logo

Термическая деградация проволоки

A1  0.20 Установите ток через источник $1.4~\mathrm{A}$. Подуйте на проволоку и выберите в листах ответов верный вариант. Объясните почему так произошло.

1 Выбрано "напряжение уменьшается" 0.05
2 Объясняется тем, что удельное сопротивление падает, когда температура уменьшается 0.15
A2  1.00 Снимите зависимость напряжения на проволоке от времени в диапазоне $0$-$5~\mathrm{c}$ после подключения к источнику при силе тока через него $I=1.0 ~\mathrm{A}$. Укажите характерное время, за которое напряжение на проволоке устанавливается.

1 Снято не менее 7 точек. Ставится при правильном виде зависимости 0.45
2 Присутствуют точки при $t<0,5~с$.

Примечание. Ставится только при правильном виде зависимости 

0.15
3 Присутствуют точки при $t>4,5~с$.

Примечание. Ставится только при правильном виде зависимости 

0.15
4 Характерное время установления $\tau\in[0.5, 3.0]~с$.

Примечание. Ставится только при правильном виде зависимости 

0.25
A3  0.60 Снимите зависимость установившегося напряжения $U_m$ через проволоку от силы тока $I< 1.5~\mathrm{A}$ через проволоку. Сделайте не менее 15 измерений.

1 Проведены измерения 15 × 0.04
2 Диапазон измерения тока $I < 1.2~\mathrm{A}$ -0.10
A4  0.20 Теоретически получите зависимость $T(U)$. Ответ выразите через $\alpha, I, L, r_0, T, U$.

1 Записано выражение для сопротивления: $$R(T)=\dfrac{\alpha TL}{\pi r_0^2}$$ 0.10
2 Получен ответ: $$T(U)=\dfrac{\pi r_0^2}{\alpha IL}\cdot U$$ 0.10
A5  0.30 Запишите уравнение теплового баланса для проволоки. Ответ выразите через $U, I, c_{м}, L, r_0, \rho_{м}, \beta, T, T_0, \dfrac{\text{d}T}{\text{d}t}$.

1 Мощность потерь в окружающую среду: $$P_{пот}=\beta \cdot2\pi r_0 L(T-T_0)$$ 0.05
2 Мощность, затрачиваемая на нагревание проволоки:$$P_{н}=\rho_м\pi r_0^2 Lc_м\dfrac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t}$$ 0.05
3 Получен ответ:$$UI=\rho_м\pi r_0^2Lc_м\dfrac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t}+\beta \cdot2\pi r_0 L(T-T_0)$$ 0.20
A6  0.30 Теоретически свяжите установившееся напряжение $U_m$ и силу тока $I$ через проволоку. Ответ запишите через $\alpha, T_0, r_0, L, \beta, U_m, I$.

1 При $U_m$ температура постоянна. 0.05
2 Записано соотношение:$$T(U_m)=\dfrac{\pi r_0^2}{\alpha IL}\cdot U_m$$ 0.05
3 Ответ: $$U_mI = \beta \cdot 2\pi r_0L \left(\dfrac{\pi r_0^2}{\alpha L}\cdot \dfrac{U_m}{I}-T_0\right)$$ или $$U_m = \frac{2\pi r_0 L \beta T_0}{\frac{2\pi^2 r_0^3}{\alpha I}\beta-I}$$ 0.20
A7  1.20 Постройте график зависимости $U_m$ и $I$ в таких осях, в которых он будет линейным. Из графика получите значение коэффициента теплоотдачи $\beta$.

1 Предложена верная линеаризация. Например, $U_mI ~от~ \dfrac{U_m}{I}$ или $\dfrac{I}{U_m}$ от $I^2$. 0.15
2 Произведен пересчет точек по корректной линеаризации.

Примечание. Ставится только если оценены точки в А3.1

15 × 0.03
3 Точки нанесены на график

Примечание. Ставится только если оценены точки в А3.1

15 × 0.02
4 Не подписаны оси (если присутствует график). -0.05
5 Оси не пронумерованы или пронумерованы некорректно (если присутствует график). -0.05
6 Неправильный масштаб графика (если присутствует график). -0.05
7 Выражение для $\beta$:$$\beta=\dfrac{\alpha k_{угл}}{2\pi^2r_o^3}$$ 0.10
8 $\beta\in[240; 280]~\dfrac{Вт}{м^2\cdot \mathrm{K}}$ 0.20
A8  0.60 Используя результаты пунктов A4 и A5, получите теоретическую зависимость напряжения на проволоке $U$ от времени $t$. Ответ выразите через $U_0, \alpha, \beta, I, r_0, L, T_0, \rho_м, c_м, U, t$.

1 Записано соотношение:$$UI = \rho_м \pi r_0^2 L c_м\cdot \dfrac{\pi r_0^2}{\alpha IL} \cdot \dfrac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}t} +\beta \cdot 2\pi r_0L \left(\dfrac{\pi r_0^2}{\alpha IL}\cdot U-T_0\right)$$ 0.20
2 Произведено интегрирование:$$t = \dfrac{\rho_м c_м\pi^2 r_0^4}{\alpha I^2 - 2\beta \pi^2r_0^3}\cdot\ln \dfrac{U\left(I - \dfrac{2\beta \pi^2r_0^3}{\alpha I}\right) +2\beta \pi r_0 LT_0}{U_0\left(I - \dfrac{2\beta \pi^2r_0^3}{\alpha I}\right) +2\beta \pi r_0 LT_0}$$ 0.30
3 Ответ:$$U(t) = U_0 - \left( U_0 +\dfrac{2\beta \pi r_0 LT_0}{I - \dfrac{2\beta \pi^2r_0^3}{\alpha I}}\right)\cdot \left(1-\exp\left( \dfrac{\alpha I^2 - 2\beta \pi^2r_0^3}{\rho_м c_м\pi^2 r_0^4}\cdot t\right) \right)$$ 0.10
A9  0.50 Постройте линеаризованный график зависимости $U$ от $t$, измеренной в пункте A2. Из графика определите удельную теплоемкость меди $c_{м}$.

1 Предложена линеаризация (например, $\ln\left({\dfrac{U_m-U(t)}{1~В}}\right) ~от ~t$) 0.13
2 Произведен пересчет точек. 9 × 0.02
3 Точки нанесены на график. 9 × 0.01
4 Не подписаны оси (если присутствует график). -0.03
5 Оси не пронумерованы или пронумерованы некорректно (если присутствует график). -0.03
6 Неправильный масштаб графика (если присутствует график). -0.03
7 Ответ:$$c_м=[550;650]~\dfrac{Дж}{кг\cdot\mathrm{K}}$$ 0.10
A10  0.10 Современная теория теплоемкости твердых тел утверждает, что молярная теплоемкость твёрдых тел примерно равна $3R$. Оцените удельную теплоемкость $c_м^{th}$ исходя из этой теории.

1 Ответ:$$c_м^{th} = \dfrac{3R}{\mu} = 392.6~\dfrac{Дж}{кг\cdot \mathrm{K}}$$ 0.10
B1  4.00 Проведите измерения, согласно алгоритму выше, для 5-ти различных значений $I$ из указанного диапазона.

1 Измерена пара малого тока $I_n$ ($<100~мА$) и напряжения $U_n$ для вычисления сопротивления $R_n$ 5 × 0.05
2 Измерена зависимость напряжения $U$ от времени $t$ для первого тока 7 × 0.05
3 Измерена зависимость напряжения $U$ от времени $t$ для второго тока 7 × 0.05
4 Измерена зависимость напряжения $U$ от времени $t$ для третьего тока 7 × 0.05
5 Измерена зависимость напряжения $U$ от времени $t$ для четвертого тока 7 × 0.05
6 Измерена зависимость напряжения $U$ от времени $t$ для пятого тока 7 × 0.05
7 Изменение напряжения в серии больше $7~мВ$ 5 × 0.25
8 Для каждой серии получен $\gamma(I_n)$ 5 × 0.09
9 Скорость роста напряжения от времени растет с увеличением тока 0.15
10 Ширина диапазонов токов, для которых проведено хотя бы одно измерение $U(t)$ больше $0.5~\mathrm{A}$ 0.15
B2  0.10 Выразите длину $L_n$ образца проволоки с номером $n$ через $\alpha, T_0, r_0, R_n$. По полученным ранее данным пересчитайте $L_n$.

1 \[L_n = \dfrac{\pi r_0^2 R_n}{\alpha T_0}\] 0.05
2 Пересчитаны значения $L_n$. 5 × 0.01
B3  0.10 Выразите температуру проволоки $T$ через $I , \beta, L, U, r_0, T_0$.

1 \[T = T_0 + \dfrac{UI}{2\beta \pi r_0 L}\] 0.10
B4  0.10 Выразите напряжение на проволоке $U$ через $I , \alpha , L, T(U)$ и радиус проводящей части проволоки $r(t)$.

1 \[U = \dfrac{\alpha T(U) \cdot IL}{\pi r(t)^2}\] 0.10
B5  0.70 Используя результаты пунктов B3 и B4, получите теоретическую зависимость $r(t)$. Ответ выразите через $I,L, \alpha, \beta, T_0, r_0, t, \gamma(I), U_0$.

3 Получен ответ: \[r(t) = \sqrt{\dfrac{\alpha IL}{\pi (U_0 + \gamma(I) t)}\cdot \left(T_0 + \dfrac{(U_0 + \gamma(I)t)I}{2\beta \pi r_0 L}\right)}\] 0.70
4 Ответ выражен не через те велечины, через которые просили. Или допущена ошибка, не влияющая на характер зависимости -0.30
B6  0.50 Разложите полученное $r(t)$ в ряд Тейлора по степеням $t$ до линейного члена: $r(t) = r_0 - \delta t$. Выразите $\delta$ через $r_0, \gamma(I), \alpha, T_0, L, I, U_0$.

0 Используется формула $(1+x)^\alpha \simeq 1 + \alpha x$ 0.10
3 Получено выражение вида: \[r(t) = r_0\cdot \left( 1- \dfrac{\gamma T_0 t}{\dfrac{IU_0^2}{\beta \pi r_0 L}+2U_0 T_0} \right) \]

Примечание: (При потере числовых коэффициентов этот пункт всё равно засчитывается)

0.20
4 Ответ: \[\delta = \dfrac{\alpha IL\gamma T_0}{2U_0^2 \pi r_0} \] 0.20
B8  0.20 Укажите размерность $E_A$.

1 \[[E_A] = \dfrac{Дж}{моль}\] 0.20
B9  1.30 Найдите $E_A$.

1 Используется корректная оценка для температуры в момент установления нагревания. Например, $T_m = T(U_m)$. 0.50
2 Предложена линеаризация $\ln \delta (T^{-1})$ 0.20
3 Точки нанесены на график. 5 × 0.04
4 Получен ответ $E_A \in [20;30] ~\dfrac{кДж}{моль}$ 0.40