сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 0 № 239
i

В со­су­де ци­лин­дри­че­ской формы, у ко­то­ро­го дно пред­став­ля­ет из себя ме­тал­ли­че­скую пла­сти­ну с не­боль­ши­ми дыр­ка­ми, бока сде­ла­ны из стек­ла вы­со­той h (малой по срав­не­нию с ра­ди­у­сом со­су­да), а крыш­ка  — такую же ме­тал­ли­че­скую пла­сти­ну с дыр­ка­ми, налит рас­твор по­ва­рен­ной соли, яв­ля­ю­щий­ся хо­ро­шо про­во­дя­щим элек­тро­ли­том. Про­те­ка­нию через дырки дна элек­тро­ли­ту пре­пят­ству­ет на­пря­же­ние, ко­то­рое создаётся про­ти­во­по­лож­ны­ми за­ря­да­ми на двух пла­сти­нах. Элек­тро­лит за­пол­ня­ет по­ло­ви­ну со­су­да. В не­ко­то­рый мо­мент за­мы­ка­ют цель (см. риc.), в ко­то­рой при­сут­ству­ет очень боль­шое со­про­тив­ле­ние R. После этого элек­тро­лит на­чи­на­ет мед­лен­но про­те­кать через дырки в дне. С какой ско­ро­стью (от­но­ше­ние малых при­ра­ще­ний из­ме­не­ния объёма элек­тро­ли­та в со­су­де к при­ра­ще­нию вре­ме­ни) будет про­ис­хо­дить это про­те­ка­ние сразу после вклю­че­ния? Счи­тать, что в элек­тро­ли­те в каж­дый мо­мент вре­ме­ни успе­ва­ет уста­но­вить­ся ме­ха­ни­че­ское рав­но­ве­сие. Со­про­тив­ле­ни­ем элек­тро­ли­та пре­не­бречь.

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

Найдём мас­со­вую объёмную плот­ность элек­тро­ли­та, рас­смот­рев си­сте­му до за­мы­ка­ния ключа. По сути мы имеем дело с кон­ден­са­то­ром, об­ра­зо­ван­ным верх­ней и ниж­ней стен­ка­ми со­су­да. Пусть за­ря­ды на верх­ней и на ниж­ней об­клад­ках равны Q и −Q  —  со­от­вет­ствен­но. Од­на­ко элек­тро­лит внут­ри себя из­ме­ня­ет поле до нуля. Элек­три­че­ское поле по­это­му при­сут­ству­ет толь­ко под крыш­кой со­су­да над элек­тро­ли­том и равно E= дробь: чис­ли­тель: Q, зна­ме­на­тель: эп­си­лон _0 S конец дроби . Элек­тро­лит создаёт за­ря­жен­ный слой на верх­ней по­верх­но­сти, сум­мар­ный заряд ко­то­ро­го равен за­ря­ду крыш­ки с про­ти­во­по­лож­ным зна­ком. По­это­му элек­три­че­ское поле дей­ству­ет с по­верх­ност­ной силой (т. е. создаёт пе­ре­пад дав­ле­ния)

\Delta p= дробь: чис­ли­тель: E Q, зна­ме­на­тель: 2 S конец дроби = дробь: чис­ли­тель: Q в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: 2 \varepsilon_0 S в квад­ра­те конец дроби .

Этот пе­ре­пад дав­ле­ния ком­пен­си­ру­ет­ся вы­со­той стол­ба элек­тро­ли­та (обо­зна­чим его x, до вклю­че­ния x  =  h/2), по­сколь­ку над элек­тро­ли­том и под ним дав­ле­ние равно ат­мо­сфер­но­му:

\Delta p =\rho gx \Rightarrow p= дробь: чис­ли­тель: Q в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: эп­си­лон _0S в квад­ра­те конец дроби рав­но­силь­но x= дробь: чис­ли­тель: Q в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: 2 эп­си­лон _0S в квад­ра­те конец дроби .\quad левая круг­лая скоб­ка 1 пра­вая круг­лая скоб­ка

Ёмкость кон­ден­са­то­ра, ча­стич­но за­пол­нен­но­го элек­тро­ли­том, равна C= дробь: чис­ли­тель: \varepsilon_0 S, зна­ме­на­тель: h минус x конец дроби . Когда будет за­мкнут ключ, в кон­ту­ре потечёт ток I= дробь: чис­ли­тель: U, зна­ме­на­тель: R конец дроби , а так как U= дробь: чис­ли­тель: Q, зна­ме­на­тель: C конец дроби , то

 дробь: чис­ли­тель: d Q, зна­ме­на­тель: d t конец дроби = минус I= минус дробь: чис­ли­тель: Q левая круг­лая скоб­ка h минус x пра­вая круг­лая скоб­ка , зна­ме­на­тель: \varepsilon_0 S R конец дроби .

Из урав­не­ния (1) можно свя­зать про­из­вод­ную по вре­ме­ни от ве­ли­чи­ны за­ря­да на об­клад­ках с про­из­вод­ной по вре­ме­ни от вы­со­ты стол­ба элек­тро­ли­та:

 дробь: чис­ли­тель: d x, зна­ме­на­тель: d t конец дроби = дробь: чис­ли­тель: Q, зна­ме­на­тель: \varepsilon_0 S в квад­ра­те g \rho конец дроби дробь: чис­ли­тель: d Q, зна­ме­на­тель: d t конец дроби .

В ре­зуль­та­те, ско­рость ухода элек­тро­ли­та из про­стран­ства между пла­сти­на­ми (м3/с)

q= минус S дробь: чис­ли­тель: d x, зна­ме­на­тель: d t конец дроби = дробь: чис­ли­тель: h в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: 2 \varepsilon_0 R конец дроби ,

где мы под­ста­ви­ли зна­че­ние x  =  h/2 для вы­со­ты стол­ба элек­тро­ли­та.

 

Ответ:  дробь: чис­ли­тель: h в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: 2 \varepsilon_0 R конец дроби .

Спрятать критерии
Критерии проверки:

Кри­те­рии по за­да­ниюБаллы
За­пи­са­но вы­ра­же­ние для скач­ка дав­ле­ния на верх­ней гра­ни­це элек­тро­ли­та5
На­пи­са­но гид­ро­ста­ти­че­ское урав­не­ние, вы­ра­жа­ю­щее собой усло­вие не­про­те­ка­ния элек­тро­ли­та4
По­счи­та­на ёмкость кон­ден­са­то­ра с элек­тро­ли­том4
На­пи­са­но урав­не­ние на ток в за­мкну­той цепи4
На­пи­са­но урав­не­ние, свя­зы­ва­ю­щее силу тока в цепи со ско­ро­стью убы­ва­ния стол­ба элек­тро­ли­та5
По­лу­чен ко­неч­ный ответ на ско­рость рас­хо­да элек­тро­ли­та3
Классификатор: Элек­тро­ди­на­ми­ка. Плос­кий кон­ден­са­тор