Задание 21 ЕГЭ по физике: качественная задача на МКТ, термодинамику и электродинамику

Что проверяет задание

Задание 21 — качественная задача, в которой нет громоздких вычислений, но требуется грамотное физическое объяснение явления или процесса. Проверяется умение:

• выстраивать логическую цепочку «причина → физический закон → следствие»;
• применять понятия и законы МКТ, термодинамики, электродинамики и механики к конкретной ситуации;
• правильно выбирать приборы измерения физических величин и объяснять их назначение;
• работать с табличными (справочными) величинами и понимать, зачем они нужны;
• формулировать ответ связно, без противоречий и лишних деталей.

Задание проверяет не столько знание формул, сколько понимание физического смысла процессов — почему что-то происходит, а не только как это посчитать.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типичная формулировка состоит из двух частей:

1. Описание бытовой или природной ситуации (роса на траве, нагрев воздуха в комнате, поведение жидкости, работа прибора) с вопросом «объясните, почему так происходит».
2. Дополнительный практический вопрос: какие приборы нужны для измерения величины, какие справочные данные потребуются, как изменится физическая величина при заданном изменении условий.

За задание можно получить максимум 3 балла:

• 1 балл — верно указано физическое явление или закон, лежащий в основе объяснения;
• 1 балл — построена верная логическая цепочка рассуждений, приводящая к правильному выводу;
• 1 балл — при необходимости названы верные приборы и справочные величины (или сделан правильный количественный вывод об изменении величины).

Частичное решение — без указания механизма явления или без обоснования причинно-следственной связи — оценивается ниже максимума, даже если итоговый ответ верный.

Что нужно знать

МКТ и влажность:

• Абсолютная влажность — плотность водяного пара в воздухе, $\rho$, измеряется в $\text{кг/м}^3$.
• Относительная влажность: $\varphi = \dfrac{p}{p_{нас}} \cdot 100\%$, где $p$ — парциальное давление пара, $p_{нас}$ — давление насыщенного пара при данной температуре.
• Давление насыщенного пара растёт с температурой нелинейно (по таблицам), поэтому при остывании воздуха пар быстрее становится насыщенным.
• Точка росы — температура, при которой имеющийся в воздухе пар становится насыщенным.
• Уравнение состояния идеального газа: $pV = \dfrac{m}{M}RT$.

Тепловые явления:

• Количество теплоты при нагревании: $Q = cm\Delta T$.
• Теплота фазового перехода: $Q = \lambda m$ (плавление), $Q = Lm$ (парообразование).
• Уравнение теплового баланса: сумма отданных и полученных теплот равна нулю.
• Испарение идёт при любой температуре, кипение — только при температуре, когда давление насыщенного пара равно внешнему давлению.

Термодинамика:

• Первый закон термодинамики: $Q = \Delta U + A$, где $A$ — работа газа.
• Внутренняя энергия идеального газа: $U = \dfrac{i}{2}\dfrac{m}{M}RT$.
• Изопроцессы: изотермический ($T=\text{const}$), изобарный ($p=\text{const}$), изохорный ($V=\text{const}$), адиабатный ($Q=0$).
• КПД тепловой машины: $\eta = \dfrac{A}{Q_1} = \dfrac{Q_1-Q_2}{Q_1}$.

Электричество и магнетизм:

• Закон Ома для участка цепи: $I = \dfrac{U}{R}$.
• Закон электромагнитной индукции: $\varepsilon_i = -\dfrac{\Delta \Phi}{\Delta t}$.
• Сила Ампера: $F = BIl\sin\alpha$; сила Лоренца: $F = qvB\sin\alpha$.
• Мощность тока: $P = UI = I^2R$.

Механика:

• Законы Ньютона, закон сохранения импульса $p = mv$ и энергии.
• Условия равновесия тел, момент силы $M = Fl$.
• Колебания и волны: период, частота, резонанс.

Приборы для измерений: термометр — температура; барометр — атмосферное давление; гигрометр (психрометр) — влажность воздуха; амперметр, вольтметр — сила тока и напряжение; манометр — давление газа.

Методы решения

1. Метод анализа фазовых переходов (МКТ). Применяется, когда речь о влажности, конденсации, испарении. Нужно понять, как меняется давление насыщенного пара при изменении температуры, и сравнить его с реальным парциальным давлением пара.

Мини-пример: стакан с холодной водой запотевает на улице летом — воздух у поверхности стакана охлаждается ниже точки росы, пар становится насыщенным и конденсируется.

2. Метод применения первого закона термодинамики. Используется в задачах про нагрев, сжатие, расширение газа. Нужно определить, что происходит с $Q$, $\Delta U$ и $A$ в конкретном процессе.

Мини-пример: при быстром накачивании велосипедного насоса воздух в нём нагревается — сжатие происходит практически без теплообмена (адиабатно), вся работа внешней силы идёт на увеличение внутренней энергии газа.

3. Метод причинно-следственной цепочки через уравнение состояния газа. Применяется, когда нужно проследить, как изменение одной величины (температуры, объёма) влияет на другие через $pV = \dfrac{m}{M}RT$.

Мини-пример: при нагревании закрытого сосуда с газом объём не меняется, значит по уравнению состояния при постоянных $m$, $M$, $V$ давление растёт пропорционально температуре.

4. Метод анализа электромагнитной индукции и закона Ома. Используется в задачах про генераторы, трансформаторы, движение проводника в поле. Нужно определить изменение магнитного потока и направление наведённой ЭДС.

Мини-пример: при вдвигании магнита в катушку стрелка гальванометра отклоняется — меняющийся магнитный поток создаёт индукционный ток, направление которого по правилу Ленца препятствует изменению потока.

5. Метод законов сохранения в механике. Применяется для объяснения столкновений, падений, движения тел под действием сил. Нужно определить, какая величина сохраняется (импульс, энергия), и как это объясняет наблюдаемый эффект.

Мини-пример: мяч, упавший на твёрдый пол, отскакивает ниже, чем был брошен — часть механической энергии переходит во внутреннюю энергию мяча и пола при неупругой деформации.

Алгоритм решения по шагам

1. Прочитать условие и выделить явление. Определить, о каком физическом процессе идёт речь: фазовый переход, теплообмен, работа газа, электромагнитная индукция, движение тела.
2. Сформулировать вопрос точно. Понять, что именно нужно объяснить: причину явления, изменение величины, выбор прибора.
3. Назвать закон или закономерность. Указать конкретный физический закон, который лежит в основе объяснения (например, зависимость давления насыщенного пара от температуры).
4. Построить цепочку рассуждений. От исходного условия (например, «температура понижается») последовательно вывести следствия («давление насыщенного пара уменьшается» → «пар становится насыщенным» → «происходит конденсация»).
5. Указать приборы и справочные величины, если требуется. Перечислить, что именно нужно измерить и какие табличные данные использовать для расчёта.
6. Сформулировать окончательный вывод. Ответ должен прямо отвечать на поставленный вопрос, без лишних деталей и без противоречий с цепочкой рассуждений.
7. Проверить логику. Убедиться, что каждый шаг вытекает из предыдущего и нет скачков в рассуждении.

Разбор примеров

Пример 1. Известно, что вечерняя роса на траве — к хорошей, ясной погоде, а сухая трава — к пасмурной. Объясните это с точки зрения физических законов. Юный физик хочет оценить массу воды в 1 м³ влажного воздуха. Какие приборы и справочные данные ему понадобятся?

Шаг 1. Явление. Речь о конденсации водяного пара — образовании росы, то есть о фазовом переходе пар–жидкость.

Шаг 2. Закон. Давление насыщенного пара $p_{нас}$ сильно зависит от температуры: чем ниже температура, тем меньше $p_{нас}$. Если реальное давление пара $p$ приближается к $p_{нас}$ или превышает его, начинается конденсация.

Шаг 3. Цепочка рассуждений для ясной погоды. В ясную безоблачную ночь земная поверхность интенсивно излучает тепло в атмосферу (нет облаков, которые отражали бы это излучение обратно), поэтому приземный слой воздуха быстро охлаждается. При понижении температуры $p_{нас}$ уменьшается, а содержащееся в воздухе количество пара остаётся почти прежним. В результате пар, который вечером был ненасыщенным, становится пересыщенным — избыток воды конденсируется на холодных поверхностях травы в виде росы.

Шаг 4. Цепочка для пасмурной погоды. Облачность препятствует ночному излучению тепла с поверхности Земли (действует как «одеяло»), приземный воздух остывает слабо, температура не опускается настолько, чтобы пар стал насыщенным — роса не выпадает, трава остаётся сухой.

Шаг 5. Приборы и справочные данные. Чтобы оценить массу воды в 1 м³ воздуха, нужно измерить относительную влажность и температуру воздуха. Значит, потребуются гигрометр (измеряет относительную влажность) и термометр (измеряет температуру). Из справочных данных понадобятся: табличное значение давления насыщенного водяного пара $p_{нас}$ при измеренной температуре и молярная масса воды $M$, чтобы через уравнение состояния газа $pV=\dfrac{m}{M}RT$ пересчитать парциальное давление пара в массу воды в заданном объёме.

Вывод. Ясная погода вечером сопровождается быстрым остыванием приземного воздуха, что переводит пар в насыщенное состояние и вызывает конденсацию (росу); при пасмурной погоде остывание слабее, пар остаётся ненасыщенным, и роса не образуется. Для расчёта массы воды нужны гигрометр, термометр, табличные значения $p_{нас}(T)$ и $M$ воды.

Пример 2. В закрытой комнате нагревается воздух. Как изменятся относительная влажность и плотность водяных паров в комнате, если парциальное давление паров не меняется?

Шаг 1. Явление. Задача о зависимости относительной влажности и плотности пара от температуры при постоянном парциальном давлении пара.

Шаг 2. Формулы. Относительная влажность: $\varphi = \dfrac{p}{p_{нас}(T)}\cdot 100\%$. Плотность пара из уравнения состояния: $\rho = \dfrac{p M}{RT}$, где $p$ — парциальное давление пара, $M$ — молярная масса воды, $T$ — абсолютная температура.

Шаг 3. Анализ относительной влажности. По условию $p = \text{const}$. При нагревании воздуха температура $T$ растёт, а давление насыщенного пара $p_{нас}(T)$ при этом увеличивается (это табличная закономерность — чем выше температура, тем выше давление насыщенного пара). Значит, знаменатель дроби $\varphi = p/p_{нас}$ растёт при постоянном числителе, следовательно относительная влажность $\varphi$ уменьшается.

Шаг 4. Анализ плотности пара. В формуле $\rho = \dfrac{pM}{RT}$ величины $p$, $M$, $R$ постоянны, а $T$ увеличивается. Значит, $\rho$ (плотность пара, то есть абсолютная влажность) уменьшается обратно пропорционально температуре.

Вывод. При нагревании воздуха в закрытой комнате и постоянном парциальном давлении паров и относительная влажность, и плотность водяных паров уменьшаются: первая — из-за роста давления насыщенного пара при повышении температуры, вторая — из-за прямой обратной зависимости плотности газа от температуры при постоянном давлении.

Разбор общей логики примеров. Оба примера показывают типичную структуру задания 21 по теме влажности: сначала нужно определить, какая величина меняется (температура, давление насыщенного пара), затем — как это влияет на связанные величины (влажность, плотность, конденсация), и в конце дать чёткий качественный или количественный вывод. Важно не путать абсолютную и относительную влажность: первая — это масса пара в единице объёма (плотность), вторая — отношение реального давления пара к давлению насыщенного пара при той же температуре.

Типичные ошибки и ловушки

• Ответ без объяснения механизма. Указание правильного факта («роса выпадает, потому что холодно») без ссылки на закон (зависимость $p_{нас}(T)$) не даёт полного балла.
• Путаница между абсолютной и относительной влажностью. Это разные величины: одна — плотность, другая — отношение давлений. Нельзя утверждать, что они всегда меняются одинаково.
• Забывание о постоянстве величины из условия. Если сказано, что парциальное давление пара не меняется, нельзя рассуждать так, будто меняется масса пара в комнате.
• Неполный список приборов или справочных данных. Часто забывают указать, что нужен не только измерительный прибор, но и табличное значение (давление насыщенного пара, молярная масса, удельная теплоёмкость).
• Логический разрыв в цепочке. Пропуск промежуточного шага (например, сразу от «температура упала» к «выпала роса» без упоминания насыщения пара) снижает оценку.
• Перегруженный ответ. Избыточные детали, не относящиеся к вопросу, размывают структуру ответа и затрудняют проверку — стоит отвечать по существу, придерживаясь чёткой цепочки.
• Игнорирование знака переменных. В задачах на изменение величин нужно явно указывать направление изменения («увеличивается», «уменьшается»), а не только называть зависимость.

Как готовиться

1. Повторить определения и формулы по всем пяти подтемам: МКТ (влажность, давление насыщенного пара), тепловые явления (теплоёмкость, фазовые переходы), термодинамика (первый закон, изопроцессы), электродинамика (закон Ома, индукция), механика (законы сохранения).
2. Разобрать 10–15 качественных задач из открытого банка ФИПИ по каждой подтеме, обращая внимание на структуру эталонного ответа: явление → закон → цепочка → вывод.
3. Тренироваться формулировать ответы письменно, укладываясь в 3–5 предложений на каждый смысловой блок — это соответствует объёму, который ожидают проверяющие.
4. Составить и выучить список приборов для измерения основных физических величин (температура, давление, влажность, сила тока, напряжение) вместе с тем, что каждый из них измеряет.
5. Отработать типовые бытовые явления: запотевание стекол, образование росы и тумана, работа холодильника, нагрев газа в закрытом сосуде, индукционные явления при движении магнита — они регулярно встречаются в формулировках.
6. Проверять свои ответы по критериям: указан ли закон, есть ли полная цепочка причин и следствий, назван ли верный вывод, перечислены ли приборы и справочные данные при необходимости.
7. Периодически решать задание на время, чтобы выработать умение быстро выделять суть явления и не перегружать ответ лишними рассуждениями.