Диоды в физике егэ - Помощь в подготовке к экзаменам и поступлению

В цепи, изображённой на рисунке, сопротивление диода в прямом направлении пренебрежимо мало, а в обратном многократно превышает сопротивление резисторов. При подключении к точке А положительного полюса, а к точке В отрицательного полюса батареи с ЭДС 12 В и пренебрежимо малым внутренним сопротивлением потребляемая мощность равна 14,4 Вт. При изменении полярности подключения батареи потребляемая мощность оказалась равной 21,6 Вт. Укажите, как течёт ток через диод и резисторы в обоих случаях, и определите сопротивления резисторов в этой цепи.

Спрятать решение

Решение.

Токи будут течь, как показано на рисунке.

В первом случае мощность равна откуда

Через диод и резистор R_1 ток не течёт, через резистор R_2 течёт ток

Во втором случае мощность равна откуда

Через диод и резистор R_1 течёт ток

через резистор R_2 течёт ток

Ответ: направления токов изображены на рисунках, R₁ = 20 Ом, R₂ = 10 Ом

Спрятать критерии

Критерии проверки:

Критерии оценивания выполнения задания	Баллы
I) Приведено полное решение, включающее следующие элементы: записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом; II) описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин (за исключением обозначений констант, указанных в варианте КИМ, обозначений, используемых в условии задачи, и стандартных обозначений величин, используемых при написании физических законов); III) проведены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными вычислениями); IV) представлен правильный ответ.	3
Правильно записаны все необходимые положения теории, физические законы, закономерности, и проведены необходимые преобразования. Но имеются один или несколько из следующих недостатков. Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном объёме или отсутствуют. И (ИЛИ) В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения (не зачёркнуты; не заключены в скобки, рамку и т. п.). И (ИЛИ) В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и (или) в математических преобразованиях/вычислениях пропущены логически важные шаги. И (ИЛИ) Отсутствует пункт IV, или в нём допущена ошибка (в том числе в записи единиц измерения величины).	2
Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев. Представлены только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения данной задачи, без каких-либо преобразований с их использованием, направленных на решение задачи. ИЛИ В решении отсутствует одна из исходных формул, необходимая для решения данной задачи (или утверждение, лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи. ИЛИ В одной из исходных формул, необходимых для решения данной задачи (или в утверждении, лежащем в основе решения), допущена ошибка, но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.	1
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла.	0
Максимальный балл	3

Источник: ЕГЭ по физике 02.04.2016. Досрочная волна

Источник

3 балла ставится за задачу если:

_________________________________________________________________________________________________________________
Приведено полное решение, включающее следующие элементы:

I) Записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых
необходимо для решения задачи выбранным способом (в данном случае: использованы свойства диоа,
сказано в каком направлении он открыт, а в каком закрыт. Записана формула мощности, сказано как
находится общее сопротивление цепи в обоих случаях)

II) Описаны все вводимые буквенные обозначения величин, кроме тех, которые приведены в
условии задачи или представлены в виде констант в КИМ, стандартных обозначений величин,
используемых при написании физических законов. (введены обозначения для величин не входящих в
КИМы)

III) Проведены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие
к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными
вычислениями).

IV) Представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины.

2 балла ставится за задачу если:

_________________________________________________________________________________________________________________
Верно записаны все положения теории, физические законы, закономерности, и проведены необходимые
преобразования, но имеются один или несколько из следующих недостатков:

Записи, соответствующие одному или обоим пунктам: II и III, – представлены не в полном объёме
или отсутствуют.

При ПОЛНОМ правильном решении лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), не
отделены от решения (не зачёркнуты; не заключены в скобки, рамку и т. п.).

При ПОЛНОМ решении в необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены
ошибки, и (или) преобразования/вычисления не доведены до конца.

При ПОЛНОМ решении отсутствует пункт IV, или в нём допущена ошибка. (В ответе обязательны единицы
измерений)

1 балл ставится за задачу если:

_________________________________________________________________________________________________________________
Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев.

Записаны только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых
необходимо и достаточно для решения данной задачи, без каких-либо преобразований с их
использованием, направленных на решение задачи.

В решении отсутствует ОДНА из исходных формул, необходимая для решении задачи (или утверждение,
лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися
формулами, направленные на решение задачи.

В ОДНОЙ из исходных формул, необходимых для решения данной задачи (или в утверждении, лежащем в
основе решения), допущена ошибка, но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися
формулами, направленные на решение задачи.

Во всех остальных случаях за задачу выставляется 0 баллов.

Источник

Электродинамика. Расчетная задача

В. З. Шапиро

Как правило, это задание по теме «Электродинамика». Оно требует умения читать электрические схемы и применять теоретические знания при решении задач. На каждом этапе необходимо проводить анализ выведенных формул, вводить дополнительные обоснования в процессе решения. Так как это задание высокого уровня сложности, то в них могут появляться ситуации, которые не встречались ранее в сборниках задач.

1. К аккумулятору с ЭДС 50 В и внутренним сопротивлением 4 Ом подключили лампу сопротивлением 10 Ом и резистор сопротивлением 15 Ом, а также конденсатор ёмкостью 100 мкФ (см. рисунок). Спустя длительный промежуток времени ключ К размыкают. Какое количество теплоты выделится после этого на лампе?

Необходимая теория:

Соединения проводников

Конденсатор. Энергия электрического поля

ЭДС. Закон Ома для полной цепи

Решение:

До размыкания ключа электрический ток протекает через параллельно соединённые лампу и резистор. Найдем их общее сопротивление.

Проведем расчет общего сопротивления.

По закону Ома для полной цепи определим общую силу тока.

Таким образом, до размыкания ключа в конденсаторе была накоплена энергия $displaystyle W=frac{CU^2_c}{2} . W=frac{100cdot {10}^{-6}cdot {30}^2}{2}=45cdot 10^{-3}$ (Дж) = 45 (мДж).

После размыкания ключа вся энергия, накопленная в конденсаторе, будет выделяться на параллельно включенных лампе и резисторе. Согласно закону Джоуля – Ленца, количество теплоты, выделяющееся в промежуток времени обратно пропорционально сопротивлению, поскольку напряжение u на лампе и резисторе в любой момент времени одно и то же.

Ответ: 27 мДж.

Секрет решения. Понимание схемы является ключом к решению данной задачи. Так как конденсатор заряжен, то после размыкания ключа происходит распределение накопившейся энергии между лампочкой и сопротивлением. С учетом того, что лампочка и резистор соединены параллельно, здесь необходима формула $displaystyle Q=frac{U^2}{R}Delta t.$ Если бы они были соединены последовательно, то надо было пользоваться формулой Выбор формулы определяется видом соединения и постоянством либо напряжения, либо силы тока. Задачу удобнее решать, проводя промежуточные вычисления.

2. На рисунке показана схема электрической цепи, состоящей из источника тока с ЭДС mathcal E=12 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом, двух резисторов с сопротивлениями $R_{1} = 8$ Ом и $R_{2} = 3$ Ом, конденсатора электроёмкостью С = 4 мкФ и катушки с индуктивностью L = 24 мкГн. В начальном состоянии ключ К длительное время замкнут. Какое количество теплоты выделится на резисторе R_{2} после размыкания ключа К? Сопротивлением катушки пренебречь.

Необходимая теория:

Соединения проводников

Конденсатор. Энергия электрического поля

ЭДС. Закон Ома для полной цепи

Дано: «СИ»

E = 12 В;

r = 1 Ом;

R₁ = 8 Ом;

R₂ = 3 Ом;

С = 4 мкФ; $4 cdot 10^{-6}$ Ф;

L = 24 мкГн. $24 cdot 10^{-6}$ Гн.

Найти: Q – ?

Решение:

До размыкания ключа электрический ток протекает через последовательно соединённые резисторы $R_{1}, R_{2}$ и катушку L.

Направление тока I на схеме указано стрелками.

По закону Ома для полной цепи можно определить значение силы тока.

$displaystyle I=frac{E}{R_1+R_2+r}.$

Проведем расчет значения силы тока.

$displaystyle I=frac{12}{8+3+1}=1$ (А).
Так как конденсатор соединен параллельно с резистором $R_{2},$ то напряжения у них будут одинаковыми.

U_C – напряжение на конденсаторе, U_2 – напряжение на резисторе $R_{2}.$

По закону Ома для участка цепи можно записать, что
(В).
U_C=3 (В).

Таким образом, до размыкания ключа в конденсаторе была накоплена энергия $displaystyle W_C=frac{CU^2}{2}; W_C=frac{4cdot {10}^{-6}cdot 3^2}{2}=18cdot {10}^{-6}$ (Дж)=18 (мкДж).

В катушке индуктивности накапливается энергия магнитного поля, которую можно рассчитать по формуле:
$displaystyle W_L=frac{LI^2}{2}; W_L=frac{24cdot {10}^{-6}cdot 1^2}{2}=12cdot {10}^{-6}$ (Дж)=12 (мкДж).

После размыкания ключа вся накопленная в элементах цепи энергия выделится в виде тепла на резисторе $R_{2}.$

$Q=18cdot {10}^{-6}+12cdot {10}^{-6}=30cdot {10}^{-6}$ (Дж)=30(мкДж).

Ответ: 30 мкДж.

Секрет решения. Умение читать электрические схемы является ключом к решению подобных задач. Становится очевидным, что конденсатор и резистор $R_{2}$ соединены параллельно, их напряжения одинаковые, при этом ток через конденсатор не протекает. Пространство между пластинами конденсатора разделено слоем диэлектрика, поэтому на пластинах накапливается электрический заряд, но ток через него не течет.

При протекании тока через катушку в ней накапливается энергия магнитного поля. При этом надо понимать, что сопротивление катушки не влияет на значение тока в цепи, оно по условию равно нулю. Соответственно, напряжение на концах катушки по закону Ома ${(U}_L=Icdot R_L)$ также равно нулю.

После размыкания ключа накопленные энергии (электрического и магнитного полей) выделяются в виде тепла на резисторе $R_{2}.$

3. В цепи, изображённой на рисунке, сопротивление диода
в прямом направлении пренебрежимо мало, а в обратном многократно превышает сопротивление резисторов. При подключении к точке А положительного полюса, а к точке В отрицательного полюса батареи с ЭДС 12 В и пренебрежимо малым внутренним сопротивлением, потребляемая мощность равна 14,4 Вт. При изменении полярности подключения батареи потребляемая мощность оказалась
равной 21,6 Вт. Укажите, как течёт ток через диод и резисторы в обоих случаях, и определите сопротивления резисторов в этой цепи.

Необходимая теория:

Соединения проводников

Работа и мощность тока

Дано:

Е = 12 В;

$P_{1} = 14,4$ Вт;

$P_{2} = 21,6$ Вт.

Найти:

$R_{1}, R_{2}$ – ?

Решение:

Если при подключении батареи потенциал точки А оказывается выше, чем потенциал точки В, ${ phi }_{A} textgreater { phi }_{B} ,$ то ток через диод не течёт, и эквивалентная схема цепи имеет вид, изображённый на рис. 1. Потребляемую мощность можно рассчитать по формуле:

$displaystyle P_1=frac{E^2}{R_2}$ (1), отсюда $displaystyle R_2=frac{E^2}{P_1} .$

Проведем расчет для $R_{2}.$

$displaystyle R_2=frac{{12}^2}{14,4}=10$ (Ом).

Рис. 1

При изменении полярности подключения батареи ${ phi }_{A} textless { phi }_{B} ,$ диод открывается и подключает резистор $R_{1}$ параллельно резистору $R_{2}.$ Эквивалентная схема цепи в этом случае изображена на рис. 2.

Рис. 2

При этом потребляемая мощность увеличивается:

$displaystyle P_2=frac{E^2}{R_1} +frac{E^2}{R_2}$ (2). Эта формула для расчета мощности с учетом того, что резисторы $R_{1}$ и $R_{2}$ во втором случае соединены параллельно. Общая мощность, выделяемая в цепи, равна сумме мощностей на каждом из резисторов.

Выразим из формулы (2) сопротивление резистора $R_{1}.$

$displaystyle frac{E^2}{R_1}=P_2-frac{E^2}{R_2};R_1=frac{E^2}{P_2-frac{E^2}{R_2}}=frac{E^2R_2}{P_2R_2-E^2}.$

Подставим численные значения и проведем расчет.

$displaystyle R_1=frac{{12}^2cdot 10}{21,6cdot 10-{12}^2}=frac{1440}{216-144}=20$ (Ом).

Ответ: 20 Ом, 10 Ом.

Секрет решения. В этой задаче может возникнуть сложность с пониманием и принципом работы диода. Для решения задач, встречающихся в ЕГЭ по физике, не требуется глубоких знаний по устройству этого полупроводникового прибора. Достаточно знать, что диод обладает односторонней проводимостью. На схемах направление пропускания тока обозначено стрелкой. При обратном подключении диод закрыт, то есть ток через него не течет.

В остальном задача является стандартной и базируется на известных закономерностях. Если формула (2) очевидна не сразу, то общую мощность, выделяемую в цепи, можно рассмотреть, как мощность на сопротивлении R_общ, а его можно рассчитать по формуле:

Тогда, общая мощность для второго случая будет равна:

Используя полученное значение для $R_{2},$ из последней формулы можно вычислить сопротивление резистора $R_{1}.$

Благодарим за то, что пользуйтесь нашими материалами.
Информация на странице «Задание 31 ЕГЭ по физике» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам.
Чтобы успешно сдать нужные и поступить в ВУЗ или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими статьями из разделов нашего сайта.

Публикация обновлена:
08.03.2023

Источник

Снова решаем задачи со схемами, в которых диоды и конденсаторы соседствуют.

Задача 1.

Школьники Вова и Дима собрали электрическую цепь, состоящую из самодельной батареи с ЭДС , резистора сопротивлением кОм, конденсатора ёмкостью и двухпозиционного ключа К (см. схему на рисунке). Затем они в момент времени включили секундомер, замкнули ключ в положение 1 и спустя некоторое время переключили ключ в положение 2. Получившаяся у Вовы и Димы зависимость напряжения ( на конденсаторе от времени показана на рисунке 2. Проанализировав этот график, они смогли определить, чему равны ёмкость конденсатора , ЭДС и внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи. Найдите эти значения.

К задаче 1

Решение.

После длительного времени, когда замкнут ключ в положение 1, конденсатор зарядится до напряжения и ток прекратится. Таким образом, сразу можно установить значение ЭДС – именно к 27 В стремится график напряжения.

Когда ключ находится в положении 2, конденсатор разряжается через резистор, пока вся энергия не превратится в тепло. При этом напряжение на конденсаторе убывает по экспоненте. У экспоненты есть свойство: если провести к ней касательную, то от точки касания до пересечения касательной установившегося значения проходит ровно время — постоянная времени цепи. Для резистивно-емкостной цепи это время рассчитывается как

Это общий случай. Составим систему уравнений для обоих положений ключа (то есть для обеих экспонент). Проведем к ним касательные.

Касательные к обеим экспонентам

В первом случае (положение ключа 1) в схеме два сопротивления — и . Касательная отсекла с:

Во втором случае в схеме только одно сопротивление — , установившееся значение напряжения – ноль, касательная отсекла время 1 с:

Получили систему уравнений. Если разделить первое на второе, то получим

Получили кОм. Теперь посчитаем :

Ответ: мкФ, кОм.

Задача 2.

В электрической цепи на рисунке все элементы можно считать идеальными. Конденсатор ёмкостью не заряжен. ЭДС батареи задана. Ключ К замыкают, а затем размыкают в тот момент, когда скорость изменения энергии, запасённой в конденсаторе, составляет 75% от максимальной. Найдите количество теплоты, выделившееся в цепи при замкнутом ключе.

К задаче 2

Решение. Энергию конденсатора запишем как

Скорость изменения энергии можно выяснить, найдя производную по времени:

Как видно, полученная зависимость – парабола ветвями вниз. Можно легко определить, где находится вершина:

Тогда (подставляем полученное значение)

Мы нашли точку, где скорость изменения энергии максимальна, и значение этой максимальной скорости. А нам нужно значение, равное максимальной скорости. Решим такое уравнение:

Имеем:

Теперь можно найти выделившееся количество теплоты. Закон сохранения энергии:

Так как конденсатор не заряжен вначале, то .

При получим:

Ответ: выделившееся количество теплоты либо , либо .

Задача 3.

В схеме, показанной на рисунке, оба источника одинаковы. Диод существенно отличается от идеального: его вольт-амперная характеристика (связь протекающего тока с напряжением) в открытом состоянии описывается выражением , где — ток короткого замыкания каждого из источников, а — величина ЭДС. Пока ключ К разомкнут, конденсатор заряжен до заряда . Какой заряд будет на конденсаторе в установившемся режиме после замыкания ключа?

К задаче 3

Решение. В схемах с диодами часто применяют следующий прием: предполагают, открыт диод или закрыт, просчитывают схему и убеждаются в том, что предположение верно. Или не верно – тогда снова просчитывают схему.

Предположим, что диод открыт и ветвь с ним представляет собой перемычку, по которой замкнется ток. Этот ток будет равен

Откуда

В некоторый момент ток в цепи равен , с одной стороны, это

— напряжение на конденсаторе, с другой стороны,

То есть

Подставим :

Один из корней отрицателен, что свидетельствует о закрытом диоде, поэтому берем положительный корень: .

Откуда можно определить емкость:

При замыкании ключа появится второй источник, точно такой же, как первый. По методу наложения токов делаем вывод, что ток станет вдвое большим:

Предположим, диод открыт. Тогда

Отрицательный корень не подойдет, так как мы предположили, что диод открыт.

И определяем заряд на конденсаторе:

Ответ: .

Источник

1. Подготовка к ЕГЭ

2. Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники — твердые вещества, проводимость которых
зависит от внешних условий (в основном от нагревания и от
освещения).
При нагревании или освещении
некоторые электроны приобретают
возможность свободно перемещаться
внутри кристалла, так что при
приложении электрического поля
возникает направленное
перемещение электронов.
полупроводники представляют собой
нечто среднее между проводниками и
изоляторами.

3. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление

возрастает и вблизи
абсолютного нуля они практически становятся
изоляторами.
Зависимость удельного сопротивления ρ чистого
полупроводника от абсолютной температуры T.

4.

Строение полупроводников
К полупроводникам относятся химические элементы
германий, кремний, селен, мышьяк, индий, фосфор,…
и их соединения. В земной коре этих соединений достигает 80%.
При низких температурах и в отсутствии освещенности
С
чистые п/п не проводят электрического тока, т. к. в них
нет свободных зарядов. Кремний и германий имеют на
е
внешней электронной оболочке по 4 (валентных) электрона.
Р
В кристалле каждый из этих электронов принадлежит двум
а
соседним атомам, образуя, т. н. ковалентную связь. Эти
электроны участвуют в тепловом движении, но остаются на
С
своих местах в кристалле.
е
л
е
н
Кремний
Собственная проводимость полупроводников

5. Образование электронно-дырочной пары

При повышении температуры или
увеличении освещенности
некоторая часть валентных
электронов может получить
энергию, достаточную для
разрыва ковалентных связей.
Тогда в кристалле возникнут
свободные электроны (электроны
проводимости). Одновременно в
местах разрыва связей
образуются вакансии, которые не
заняты электронами. Эти
вакансии получили название
«дырок».

6. Примесная проводимость полупроводников

Проводимость
полупроводников при
наличии примесей называется
примесной проводимостью.
Различают два типа примесной
проводимости – электронную и
дырочную проводимости.

7. Электронная и дырочная проводимости.

Если примесь имеет
валентность
большую, чем
чистый
полупроводник, то
появляются
свободные
электроны.
Проводимость –
электронная,
примесь донорная,
полупроводник n –
типа.
Если примесь имеет
валентность
меньшую, чем
чистый
полупроводник, то
появляются
разрывы связей –
дырки.
Проводимость –
дырочная, примесь
акцепторная,
полупроводник p –
типа.

8.

примесная проводимость полупроводников
Вводят пятивалентный
Мышьяк (As)
N электронов > N дырок
Проводимость – электронная
( донорная).
Полупроводник – n-типа.
Вводят трехвалентный
Индий (In)
N дырок > N электронов.
Проводимость –дырочная
( акцепторная).
Полупроводник – p-типа.

9. Полупроводниковые приборы

1.Полупроводниковый диод
2. Транзисторы
3.
Фоторезисторы
4. Терморезисторы

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23. 24. ЕГЭ 2020 Вариант 26 № 31

25.

26. 27. ЕГЭ 2020 Вариант 26 № 31

28.

29. 30. ДЗ ЕГЭ 2020 Вариант 25 № 31

31. ДЗ: Взять данные предыдущей задачи, но схему, которая указана ниже

32. ДЗ Вариант 1 и 2 №27

Источник