7-го квітня завершився четвертий етап всеукраїнської олімпіади з фізики. Розглянемо, які задачі пропонувались на експериментальному турі олімпіади у молодших класах. Восьмикласники на всеукраїнській олімпіаді виконували таке експериментальне завдання:
Алюмінієвий стакан з водою слід підвісити на штативі, а під ним поставити свічку так, щоб полум’я торкалось дна стакана. В стакан з водою вставляємо термометр для вимірювання температури води та одночасно спостерігаємо за часом на годиннику. Записавши в табличку дані про температуру води Т у різні моменти часу t, зможемо побудувати графік залежності Т(t). Оскільки учні не звикли виконувати подібні досліди в школах, то багато-хто міг занести в табличку невелику кількість даних (в школі, зазвичай, достатньо трьох вимірювань). Однак, в подібних задачах вимірювань потрібно проводити якомога більше (інтервал часу між двома послідовними вимірюваннями повинен бути невеликим), бо їх мала кількість може призвести до значних неточностей та істотного зменшення оцінки за завдання. Позначимо через Рₘ теплову потужність, яка передається алюмінієвому стакану та воді у ньому. Тоді Рₘ=(с₁m₁+с₂m₂)∆Т/∆t, де с₁, с₂ – питома теплоємність води та алюмінію відповідно, а m₁, m₂ – маса води та алюмінію відповідно. Об’єм води ми попередньо вимірюємо мірним стаканом, а масу води визначаємо, знаючи її об’єм та густину 1000 кг/м³. Щоб побудувати графік залежності Рₘ(t) ми спочатку обчислюємо ∆Т/∆t, де ∆Т=Т₂–Т₁ – різниця температур у двох послідовних вимірюваннях, ∆t – проміжок часу між цими вимірюваннями. Можна вважати, що величину ∆Т/∆t ми визначили для температури Т₁ чи для температури Т₂ чи для температури (Т₂+Т₁)/2 (оскільки, проміжок часу ∆t невеликий, то зміна температури ∆Т невелика, а тому такий вибір істотно не вплине на результат). Потім на міліметровому папері будуємо графік залежності Рₘ(Т). Якщо експеримент виконано правильно, то з графіка залежності Рₘ(Т) учні могли помітити, що потужність Рₘ зменшується зі збільшенням температури Т. Як це пояснити? Позначимо через Р теплову потужність свічки. Тоді Р–Рₘ – потужність теплових втрат, яка пропорційна до різниці температури стакана з водою та температури навколишнього середовища, тобто Р–Рₘ=k(Т–Т₀), де Т – температура стакана з водою, Т₀ – температура повітря в кімнаті, k – коефіцієнт пропорційності. Як видно з останньої формули, потужність теплових втрат зростає із ростом температури. При цьому теплова потужність свічки Р практично не змінюється з часом. І, як наслідок, з ростом температури зменшується Рₘ. Більш того, оскільки Рₘ= Р–k(Т–Т₀), то експериментально встановлена залежність Рₘ(Т) повинна бути близькою до лінійної. Насамкінець зауважимо, що проміжки часу між двома вимірюваннями слід вибирати не надто малими, бо тоді виникатимуть значні похибки при обчисленні ∆Т/∆t. Краще орієнтуватись на температуру і фіксувати моменти часу, коли температура зростає на 2 чи 3 °С.
Також восьмикласники виконували таке завдання:
Отвір шприца (той, де мала бути голка) слід заліпити невеличким кусочком пластиліну (маса пластиліну повинна бути малою, щоб нею можна було знехтувати). Знизу до пластиліну також прикріпимо сталеву кульку. В шприц доливаємо стовпчик води певного об’єму V₁ (цей об’єм ми вимірюємо за поділками на шприці). Масу m₁ води в шприці визначаємо, знаючи її об’єм V₁ та густину. Шприц вертикально плаватиме у воді. Глибину занурення h шприца вимірюємо за допомогою міліметрової стрічки. Об’єм занурений у воду визначається за формулою: V=hS+V₂, де S – площа основи шприца, V₂ – об’єм сталевої кульки, який можна обчислити, знаючи її масу m₂ і густину. Щоб виміряти площу S, можна обкрутити нитку навколо шприца ззовні, поміряти її довжину L і таким чином визначити зовнішній діаметр шприца d=L/π, а потім обчислити і саму площу S=πd²/4. За законом Архімеда, (m₁+m₂+m₃)g=ρgV, де ρ – густина води, m₃ – маса шприца. З останньої формули визначимо масу шприца. Залишилось визначити об’єм шприца. Для цього слід визначити внутрішній діаметр d₁ шприца (зовнішній діаметр шприца d ми вже визначили). Внутрішній діаметр шприца можна знайти, знаючи об’єм V₁ налитої у шприц води та вимірявши висоту h₁ цього стовпчика води. Також у залежності від форми верхньої частини шприца можна різними способами обчислити об’єм його верхньої частини.
