Зима в этом году оказалась необыкновенно снежной, с частыми сильными снегопадами и редкими оттепелями. На фотографиях видны торцы пластов снега на крышах в конце февраля 2021 г. По этим фотографиям можно идентифицировать процессы, влияющие на изменение толщины слоя снега с течением времени. В интернете также можно найти неполные данные о высоте снежного покрова h в Москве и о его приросте $\Delta h$ на разные календарные даты (см. таблицу). Постройте приблизительно график зависимости высоты h снежного покрова в Москве от времени t (в днях) за три месяца зимы — декабрь, январь и февраль 2020/21 года, и объясните ход этого графика. Объяснения должны базироваться на физических процессах, происходящих в снегу после его выпадения под действием вышележащих слоев, оттепелей и дождей. Используя построенный график, оцените среднюю скорость роста толщины снежного покрова за зиму.
[рис.]
Дата | $\Delta h$ см | h, см | Примечание
01.12.20 | | 0 | После теплых дней в ноябре
06.12.20 | | 13 | После обильного снегопада
15.12.20 | | 6 |
17.12.20 | 10 | | Сильный снегопад, потом оттепель
25.12.20 | | | Подошел циклон «Грета»
26.12.20 | | 16 | После снегопада
31.12.20 | | 10 | Оттепель до 04.01.21
14.01.21 | | 30 | После нескольких небольших снегопадов
16.01.21 | 10 | 40 | Один мощный снегопад
23−29.01 | | 16 | Оттепель
31.01.21 | | 38 | После сильного снегопада
04.02.21 | 10 | |
10.02.21 | | 33 |
12−14.02 | | 60 | Рекордный снегопад
24−25.02 | 10 | | Сильный снегопад
27.02.21 | −10 | | После оттепели с дождем
Чтобы крыша дома не рухнула под тяжестью снега, можно, например, расплавить его горячей водой или с помощью электронагревателей. Сравните затраты на расплавление площади S = 1 м2 слоя слежавшегося снега толщиной hс = 70 см, находящегося при температуре Tс = –10 °C и имеющего плотность $\rho=400кг/м ^3$ этими двумя способами. Горячая вода из-под крана имеет температуру Tв = +60 °C и стоит сейчас 205,15 руб./м3, а электроэнергия — 5,66 руб./(кВт · час).
[рис.]
Дата | $\Delta h$ см | h, см | Примечание
01.12.20 | | 0 | После теплых дней в ноябре
06.12.20 | | 13 | После обильного снегопада
15.12.20 | | 6 |
17.12.20 | 10 | | Сильный снегопад, потом оттепель
25.12.20 | | | Подошел циклон «Грета»
26.12.20 | | 16 | После снегопада
31.12.20 | | 10 | Оттепель до 04.01.21
14.01.21 | | 30 | После нескольких небольших снегопадов
16.01.21 | 10 | 40 | Один мощный снегопад
23−29.01 | | 16 | Оттепель
31.01.21 | | 38 | После сильного снегопада
04.02.21 | 10 | |
10.02.21 | | 33 |
12−14.02 | | 60 | Рекордный снегопад
24−25.02 | 10 | | Сильный снегопад
27.02.21 | −10 | | После оттепели с дождем
Чтобы крыша дома не рухнула под тяжестью снега, можно, например, расплавить его горячей водой или с помощью электронагревателей. Сравните затраты на расплавление площади S = 1 м2 слоя слежавшегося снега толщиной hс = 70 см, находящегося при температуре Tс = –10 °C и имеющего плотность $\rho=400кг/м ^3$ этими двумя способами. Горячая вода из-под крана имеет температуру Tв = +60 °C и стоит сейчас 205,15 руб./м3, а электроэнергия — 5,66 руб./(кВт · час).
💡 Пошаговый разбор и решение:
1. Построим график зависимости h(t). Из фотографий и из таблицы следует, что слои снега наращивались в течение всех трех месяцев зимы, причем в декабре снега выпало не очень много, и он подтаивал и сжимался под весом следующих порций. Незадолго до Нового года был снегопад и потом оттепель, и это видно по прослойке льда в нижней части фотографий. В январе было два сильных снегопада, сменявшихся сильными оттепелями, когда слой выпавшего снега быстро уплотнялся, но на него снова падал снег, и потом таял, и осадков было выше нормы. На второй фотографии хорошо видна ледяная прослойка, образовавшаяся в конце января из-за дождя. В феврале (12−14.02) был почти рекордный снегопад, когда выпало около 60 см снега, потом еще один сильный снегопад, а затем — резкая оттепель, и много снега растаяло. На графике h(t) изображен приблизительный ход изменения толщины слоя снега в Москве за зиму 2020/21 г. Видно, что средняя скорость прироста высоты снежного покрова за зиму составляет около $\frac{2}{3} см/день$
[рис.]
2. Оценим затраты на расплавление слоя снега объемом $S \cdot h_c=1 \cdot 0,7м ^3$ и массой $m_c=\rho \cdot S \cdot h_c=280кг$ находящегося при температуре Tc = −10 °C, двумя предложенными способами. Энергозатраты для плавления снега составляют, очевидно, $Q=c_лm_с\Delta T_с + \lambda m_с=2,1 \cdot 10 ^3 \cdot 280 \cdot 10 + 3,3 \cdot 10 в степени 5 \cdot 280=98,28 \cdot 10 в степени 6 Дж$ Здесь cл и $\lambda$ удельная теплоемкость льда (снега) и удельная теплота плавления льда.
3. От воды при ее охлаждении до 0 °C нужно получить такое же количество теплоты: $Q=c_в m_в\Delta T_в=c_в\rho_в V_в\Delta T_в$ (cв и mв — удельная теплоемкость и масса воды). Поэтому надо будет использовать объем горячей воды:
$V_в= $\frac{Q}{( c_в\rho_в\Delta T_в )}$ = $\frac{98,28 \cdot 10 в степени 6}{( 4200 \cdot 1000 \cdot 60 )}$ =0,39м ^3$
и он будет стоить $0,39 \cdot 205,15\approx 80рублей$
4. 1 кВт · час = 1000 Вт · 3600 с = 3,6 · 106 Дж, поэтому стоимость электроэнергии для плавления снега будет равна:
$( $\frac{98,28}{3,6}$ ) \cdot 5,66\approx 154,5рубля$
Таким образом, плавить снег горячей водой почти в два раза дешевле, чем электроэнергией! Обычно так и делают.
[рис.]
2. Оценим затраты на расплавление слоя снега объемом $S \cdot h_c=1 \cdot 0,7м ^3$ и массой $m_c=\rho \cdot S \cdot h_c=280кг$ находящегося при температуре Tc = −10 °C, двумя предложенными способами. Энергозатраты для плавления снега составляют, очевидно, $Q=c_лm_с\Delta T_с + \lambda m_с=2,1 \cdot 10 ^3 \cdot 280 \cdot 10 + 3,3 \cdot 10 в степени 5 \cdot 280=98,28 \cdot 10 в степени 6 Дж$ Здесь cл и $\lambda$ удельная теплоемкость льда (снега) и удельная теплота плавления льда.
3. От воды при ее охлаждении до 0 °C нужно получить такое же количество теплоты: $Q=c_в m_в\Delta T_в=c_в\rho_в V_в\Delta T_в$ (cв и mв — удельная теплоемкость и масса воды). Поэтому надо будет использовать объем горячей воды:
$V_в= $\frac{Q}{( c_в\rho_в\Delta T_в )}$ = $\frac{98,28 \cdot 10 в степени 6}{( 4200 \cdot 1000 \cdot 60 )}$ =0,39м ^3$
и он будет стоить $0,39 \cdot 205,15\approx 80рублей$
4. 1 кВт · час = 1000 Вт · 3600 с = 3,6 · 106 Дж, поэтому стоимость электроэнергии для плавления снега будет равна:
$( $\frac{98,28}{3,6}$ ) \cdot 5,66\approx 154,5рубля$
Таким образом, плавить снег горячей водой почти в два раза дешевле, чем электроэнергией! Обычно так и делают.
📚 Похожие разобранные задания по предмету:
ID 105436 • Задание №11
[рис.] В электрической цепи, схема которой изображена на рисунке, измерительные приборы идеальные, вольтметр п...
ID 166941 • Задание №5
На рисунке изображена схема электрической цепи, состоящей из трех резисторов и двух ключей К1 и К2. К точкам А...
Официальные критерии проверки ФИПИ:
Критерии проверки:
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы
Приведено полное правильное решение, включающее правильный ответ (в данном случае: п. 3 и п. 4) и исчерпывающие верные рассуждения с прямым указанием наблюдаемых явлений и закономерностей: (в данном случае: ход графика объясняется ростом снежного покрова из-за снегопадов, дальнейшим уплотнением снега из-за нагрузки новых выпадающих слоев, таянием снега при оттепелях и его смерзанием при последующих морозах). | 3
Дан правильный ответ, и приведено объяснение, но в решении имеются один или несколько из следующих недостатков. В объяснении не указано или не используется одно из физических явлений, свойств, определений или один из законов (формул), необходимых для полного верного объяснения. (Утверждение, лежащее в основе объяснения, не подкреплено соответствующим законом, свойством, явлением, определением и т. п.)
И (ИЛИ)
Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но в них содержится один логический недочет.
И (ИЛИ)
В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения (не зачеркнуты; не заключены в скобки, рамку и т. п.).
И (ИЛИ)
В решении имеется неточность в указании на одно из физических явлений, свойств, определений, законов (формул), необходимых для полного верного объяснения. | 2
Представлено решение, соответствующее одному из следующих случаев.
Дан правильный ответ на вопрос задания и приведено объяснение, но в нем не указаны два явления или физических закона, необходимых для полного верного объяснения.
ИЛИ
Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, направленные на получение ответа на вопрос задания, не доведены до конца.
ИЛИ
Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, приводящие к ответу, содержат ошибки.
ИЛИ
Указаны не все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеются верные рассуждения, направленные на решение задачи. | 1
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным
критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла. | 0
Максимальный балл | 3
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы
Приведено полное правильное решение, включающее правильный ответ (в данном случае: п. 3 и п. 4) и исчерпывающие верные рассуждения с прямым указанием наблюдаемых явлений и закономерностей: (в данном случае: ход графика объясняется ростом снежного покрова из-за снегопадов, дальнейшим уплотнением снега из-за нагрузки новых выпадающих слоев, таянием снега при оттепелях и его смерзанием при последующих морозах). | 3
Дан правильный ответ, и приведено объяснение, но в решении имеются один или несколько из следующих недостатков. В объяснении не указано или не используется одно из физических явлений, свойств, определений или один из законов (формул), необходимых для полного верного объяснения. (Утверждение, лежащее в основе объяснения, не подкреплено соответствующим законом, свойством, явлением, определением и т. п.)
И (ИЛИ)
Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но в них содержится один логический недочет.
И (ИЛИ)
В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения (не зачеркнуты; не заключены в скобки, рамку и т. п.).
И (ИЛИ)
В решении имеется неточность в указании на одно из физических явлений, свойств, определений, законов (формул), необходимых для полного верного объяснения. | 2
Представлено решение, соответствующее одному из следующих случаев.
Дан правильный ответ на вопрос задания и приведено объяснение, но в нем не указаны два явления или физических закона, необходимых для полного верного объяснения.
ИЛИ
Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, направленные на получение ответа на вопрос задания, не доведены до конца.
ИЛИ
Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, приводящие к ответу, содержат ошибки.
ИЛИ
Указаны не все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеются верные рассуждения, направленные на решение задачи. | 1
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным
критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла. | 0
Максимальный балл | 3
🔗 Другие задания линии №21 по предмету Физика:
ID 107284
В эксперименте установлено, что при температуре воздуха в комнате 23 °C на стенке стакана с хол...
ID 107285
В эксперименте установлено, что при температуре воздуха в комнате $25 градусовС$ на стенке стак...
ID 107286
В эксперименте установлено, что при температуре воздуха в комнате 29 °C на стенке стакана с хол...
ID 107287
В эксперименте установлено, что при температуре воздуха в комнате $25 градусов С$ на стенке ста...
ID 107288
В эксперименте установлено, что при температуре воздуха в комнате $29 градусовС$ на стенке стак...