Олимпиадные задачи скрывают в себе множество подвохов, незаметных на первый взгляд. Интуиция, предполагающая гипотетическое поведение объектов из условия, часто подводит, когда дело доходит до решения. Сегодня я на примере расскажу, почему не стоит доверять собственному чутью, и как, руководстводствуюясь сухими фактами, прийти к ответу.
Условие задачи звучит следующим образом:
Имеются два одинаковых шарика, находящихся при одной и той же температуре. Один из них лежит на горизонтальной поверхности, другой подвешен на нити. Обоим шарикам сообщают одинаковое количество теплоты. Будут ли после этого температуры шариков одинаковыми или нет? (Любыми видами тепловых потерь можно пренебречь.)
«Интуитивное решение»
Не будем долго тянуть и сразу предположим, что ответ зависит от условий термического расширения шаров. Тепло действует равномерно по всему объему тела, и следует предположить, что лежащий шар поднимется (потому что у него есть точка опоры), а висящий на нити шар наоборот, опустится. В результате лежащий шарик нагреется слабее, т.к. часть переданной ему теплоты будет затрачена на его подъем, а висящий шарик нагреется сильнее за счет дополнительной работы силы тяжести при его опускании.
Казалось бы, ответ достаточно логичен и понятен, но, на практике, в корне неверен. Это легко проверить, постоив абстрактную модель тепловой машины на основе этих шариков. Принцип работы данной модели можно описать следующими условиями:
- Указанный шарик лежит на столе, при нагреве центр масс поднимается.
- Закрепляем шарик на висящей нити и аккуратно убираем стол, чтобы высота шарика не изменялась.
Так как это абстрактная модель, которая должна наглядно показать ошибочность наших рассуждений, мы пренебрегаем описанием процесса «убирания стола» и считаем его совершенным действием.
3. Охлаждаем шарик до изначальной температуры, в результате сжатия центр масс поднимается.
Итог: часть теплоты, которую дали шарику при нагреве, превратилась в механическую работу подъема, а цикл можно бесконечно повторять.
Сразу становится понятно, что подобная машина не может существовать, а значит в решении задачи допущена ошибка.
Реальное решение
Чтобы узнать, как будут вести себя шары в реальности, стоит проявить внимательность и смекалку. Ключевым наблюдением здесь будет понимание, что ни одно шарообразное тело не остается таковым в поле гравитации Земли. Например, капля имеет форму идеального шара в невесомости, но находясь на поверхности стола сплющиваются под силой тяжести. А воздушный шар, наполненный водой, при удержании его за кончик будет растягиваться, под действием все той же силы тяжести.
Исходя из этого понимания, мы можем точно сказать, что лежащий на столе шарик будет сплющиваться, а висящий на нити — растягиваться. В этом и кроется ответ на нашу задачу. У сплющенного и растянутого тела разное расстояние между атомами, а значит и разная теплоемкость.
Не сложно догадаться, что сплющенное тело имеет меньшее расстояние между атомами, а значит на нагрев ему нужно меньше энергии. Поэтому правильным ответом в этой задаче будет обратная ситуация: лежащий шарик окажется горячее.
Физика иногда противоречит интуиции
При решении задач необходимо аккуратно использовать математический аппарат, не ограничиваясь поверхностными рассуждениями. А мы с вами знаем, что это умение помогает не только за школьной партой, но и во взрослой жизни.
Развить критическое и аналитическое мышление ваш ременок сможет у нас в группе решения олимпиадных задач. На занятиях дети не только разбирают задачи повышенной сложности, но и формируют навыки анализа ситуации, проверки гипотез и доказательной базы.
Предварительная запись на новый поток в группы обучения уже открыта. В них ваш ребенок научится:
- Понимать физику даже в абстрактных задачах;
- Использовать логическое и критическое мышление;
- Решать задачи всероссийского уровня;
- Применять технику брейншторма для решения задач.
Группы 4-8 человек;
Подходят для учеников 7-9 классов;
Начало занятий в июле-августе.
Записаться можно тут:
Спасибо, что дочитали, надеюсь увидеть вас снова.
Ваш репетитор по физике, Оксана Васильевна❤