ЕГЭ 2024. Анализ ошибок. Пример 12

[Александр Сакович]

Пример 12. Небольшую рамку с постоянным током удерживают неподвижно в поле полосового магнита (см. рисунок). Полярность подключения источника тока к выводам рамки показана на рисунке. Опишите движение рамки относительно неподвижной оси MO после того, как её отпустят. Ответ поясните, указав, какие физические закономерности Вы использовали для объяснения. Считать, что рамка испытывает небольшое сопротивление движению со стороны воздуха. ЭДС индукции, возникающей в рамке, и колебаниями рамки пренебречь.

Источники:
1. Демидова М.Ю., Грибов В.А. Методические рекомендации для учителей, подготовленные на основе анализа типичных ошибок участников ЕГЭ 2024 года по физике. Москва, 2024.
2. Демидова М. Ю. ЕГЭ 2020. Банк заданий. Физика. 1000 задач. Все задания частей 1 и 2 / М. Ю. Демидова, В. А. Грибов, А. И. Гиголо. — М.: Издательство «Экзамен», 2020. — 430, [2] с. (Серия «ЕГЭ. Банк заданий»). — Качественные задачи № 47.
3. ЕГЭ. Физика. Электродинамика. Квантовая физика. Качественные задачи. 500 задач с решениями и ответами / М. Ю. Демидова, В. А. Грибов, А. И. Гиголо. — М.: Издательство «Экзамен», 2025. — 349, [3] с. (Серия «950 задач»). — Качественные задачи № 75.
4. ЕГЭ 2024. Основная волна. Урал. Задача № 21.

[Александр Сакович]

Комментарий ФИПИ. Качественные задачи на позиции 21 в этом году базировались либо на материале молекулярной физики, либо на материале электродинамики. Средние результаты решения качественных задач составили 37,2 %, что существенно выше значений прошлого года (16,3 %). При этом для задач по молекулярной физике в среднем отмечены более высокие показатели (37 %), чем для задач по электродинамике (24 %).
Наиболее высокие результаты продемонстрированы для задач по молекулярной физике на изменение параметров в изопроцессах: 43 % участников экзамена получили 3 балла. В этих задачах предлагались диаграммы pT или VT с тремя участками, соответствующими различным изопроцсссам, необходимо было определить изменение внутренней энергии (напрямую связанную с температурой, изменение которой показано на графике) и, соответственно, объема или давления газа. 26 % экзаменуемых успешно справились с задачами на перестроение графиков изопроцессов из одних координат в другие с соответствующими объяснениями этих построений. Примерно с таким же результатом выполнены и задачи на движение поршня с пружиной в сосуде при изменении давления газа в одной из его частей. По электродинамике 28 % экзаменуемых смогли определить изменение показаний амперметра и вольтметра в цепи постоянного тока при изменении внешнего сопротивления.
Самой сложной оказалась типовая задача на движение рамки с током в поле постоянного магнита; средний результат выполнения — 20 %, при этом представить полностью верное решение и ответ и получить максимальный балл смогли лишь 10 % участников (см. пример 12).
Сам факт движения рамки не должен был вызывать никаких сложностей, поскольку в задаче представлена схема стандартного демонстрационного опыта. В отличие от других качественных задач, здесь лишь 13 % смогли получить 1 балл, т.е. узнали ситуацию и указали, что на проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Понятны ошибки, связанные с неверным определением направления линий магнитной индукции поля постоянного магнита, неверным определением направления силы Ампера, особенно при вертикальном положении рамки, но столь низкий результат «узнавания» ситуации говорит о некотором пренебрежении экспериментальной частью курса физики.

[Александр Сакович]

Решение из книг под ред. Демидовой М.Ю. [2, 3].
Рассмотрим сечение рамки плоскостью рисунка в условии задачи. В исходном положении в левом звене рамки ток направлен к нам, а в правом — от нас.
На левое звено рамки действует сила Ампера F_a1, направленная вверх, а на правое звено — сила Ампера F_a2, направленная вниз. Эти силы разворачивают рамку на неподвижной оси МО по часовой стрелке (см. рисунок 1).

Рамка устанавливается перпендикулярно оси магнита так, что контакт «+» оказывается внизу. При этом силы Ампера F_a1 и F_a2 обеспечивают равновесие рамки на оси MO (см. рисунок 2).

Ответ: рамка повернется по часовой стрелке и встанет перпендикулярно оси магнита так, что контакт «+» окажется внизу.

Дополнение с сайта «Решу ЕГЭ» [4]. После того как рамка первый раз встанет вертикально, она продолжит движение по инерции. Силы Ампера, действующие на рамку, теперь будут замедлять ее, а потом ускорять в обратном направлении. Далее рамка опять установиться вертикально и т. д. То есть движение будет колебательным. Сопротивление воздуха указывает на то, что колебания затухающие (возможно даже, что движение апериодическое). В конце концов, рамка установиться вертикально (положительный контакт внизу).