Пояснення

ТЕМА: Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Релятивістський закон додавання швидкостей.

Завдання скеровано на перевірку розуміння релятивістського закону додавання швидкостей та умов його застосування.

Можна одразу відкинути варіанти відповіді Б і Г як неможливі. Адже в них швидкість електрона або досягла максимального значення ‒ швидкості світла у вакуумі, або перевищила його.

У завданні необхідно визначити максимально можливу швидкість руху електрона відносно Землі. Ідеться про ситуацію, коли ядро й електрон, який з нього вилітає, рухатимуться в одному напрямку.

Оскільки йдеться про швидкості руху порядку швидкості світла, то треба скористатися релятивістським законом додавання швидкостей:

\begin{gather*} v=\frac{v_1+v_2}{1+\frac{v_1\cdot v_2}{c^2}}, \end{gather*}

де \(v\) ‒ швидкість руху електрона відносно Землі, \(v_1\) ‒ швидкість руху електрона відносно ядра, \(v_2\) ‒ швидкість руху ядра відносно Землі.

Отже,

Відповідь: B.

Пояснення

ТЕМА: Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Атом та атомне ядро. Радіоактивність. Період піврозпаду.

Завдання скеровано на перевірку знання і застосування основного закону радіоактивного розпаду.

Скористаймося основним законом радіоактивного розпаду: $$ N=N_0\cdot 2^{-\frac tT}, $$ де \(N\) ‒ кількість ядер радіонукліда, що залишились у зразку через час \(t;\) \(N_0\) ‒ початкова кількість ядер; \(T\) ‒ період піврозпаду; \(t\) ‒ час розпаду (відповідно до умови цього завдання \(t=4T\)).

Тоді кількість ядер радіонукліда, що розпадеться за час, зазначений в умові, становитиме \((N_0-N).\) Треба визначити відношення $$ \frac{N_0-N}{N_0}. $$

Запишімо це відношення відповідно до умови завдання:

Отже, розпадеться \(\frac{15}{16}\) від початкової кількості ядер деякого радіоактивного елемента.

Відповідь: A.

Пояснення

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Електромагнітні коливання і хвилі. Формула Томсона.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння формули Томсона ‒ формули для визначення періоду власних коливань контуру.

Період \(T\) власних електромагнітних коливань у коливальному контурі, складниками якого є котушка і конденсатор, визначають за формулою Томсона $$ T=2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}\sqrt{LC}, $$ де \(L\) ‒ індуктивність котушки, \(C\) ‒ електроємність конденсатора.

Запишімо формулу для визначення періоду до змін і після них:

Отже, після змін параметрів котушки і конденсатора період власних коливань контуру збільшиться вдвічі.

Відповідь: A.

Пояснення

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Дифракційні ґратки й використання їх для визначення довжини світлової хвилі.

Завдання скеровано на перевірку розуміння поняття дифракційної ґратки й утворення спектрів різних порядків.

Скористаймося формулою дифракційної ґратки $$ d\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}=k\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}, $$ де \(d\) ‒ період дифракційної ґратки, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}\) – кут, за якого спостерігають інтерференційний максимум, \(k\) ‒ ціле число, яке вказує на порядок (номер) максимуму, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}\) ‒ довжина хвилі.

Вимірюючи кут \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi},\) за якого спостерігають інтерференційний максимум \(k\text{-го}\) порядку, і знаючи період дифракційної ґратки, можна виміряти довжину світлової хвилі, що падає на ґратку: $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}=\frac{d\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}}{k}. $$

Ось приклад зображення дифракційного спектру. Інтерференційні максимуми \(2\text{-го}\) і \(3\text{-го}\) порядку вже накладаються. Про такий самий випадок йде мова в умові завдання, але для максимумів \(3\text{-го}\) і \(4\text{-го}\) порядків.

Запишімо формули для визначення довжин хвиль для максимумів \(3\text{-го}\) і \(4\text{-го}\) порядків:

\begin{gather*} \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}_3=\frac{d\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_3}{3},\\[6pt] \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}_4=\frac{d\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_4}{4}. \end{gather*}

Дифракційна ґратка та сама, тож період однаковий. Оскільки спектри перекриваються, то $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_3\approx \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_4. $$

Поділимо ліві і праві частини формул:

$$ \frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}_3}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}_4}=\frac{d\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_3\cdot 4}{3\cdot d\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_4}=\frac{4}{3}. $$

Звідси визначмо довжину хвилі в спектрі \(3\text{-го}\) порядку, на яку накладається хвиля спектра \(4\text{-го}\) порядку:

\begin{gather*} \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}_3=\frac{4\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}_4}{3},\\[6pt] \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}_3=\frac{4\cdot 420\ \text{нм}}{3}=560\ \text{нм}. \end{gather*}

Відповідь: Г.

Пояснення

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Механічні коливання і хвилі. Коливання вантажу на пружині.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння перетворення механічної енергії під час коливального руху пружинного маятника.

У завданні описана ситуація, коли тягарець проходить якесь проміжне положення і не перебуває ні в положенні рівноваги, ні на максимальній відстані від нього, яку називають амплітудою.

Під час коливального руху тягарця потенціальна енергія деформованої пружини перетворюватиметься на кінетичну енергію руху тягарця, і навпаки. Тобто виконуватиметься закон збереження механічної енергії.

Запишімо розподіл енергії в цьому проміжному положенні. Тягарець володітиме кінетичною енергією \(E_k,\) тому що має певну швидкість (не максимальну). Потенціальна енергія \(E_p\) деформованої пружини матиме певне значення, відмінне від нуля, тому що вона розтягнута (або стиснута, але не на амплітудне значення). Повна енергія системи дорівнює сумі кінетичної і потенціальної енергій.

У крайньому положенні, тобто коли тягарець віддалений від положення рівноваги на максимальну відстань, його кінетична енергія дорівнюватиме нулю, тому що він на мить зупиняється, тобто швидкість його руху дорівнює нулю.

А потенціальна енергія розтягнутої пружини буде максимальною \(E_{pmax}\) і дорівнюватиме повній енергії системи.

Запишімо закон збереження механічної енергії:

\begin{gather*} E_{pmax}=E_k+E_p,\\[6pt] \frac{kA^2}{2}=\frac{mv^2}{2}+\frac{kx^2}{2}. \end{gather*}

Помножимо ліву і праву частини рівності на \(2\) й виразимо шукану величину ‒ амплітуду:

\begin{gather*} kA^2=mv^2+kx^2,\\[6pt] A=\sqrt{\frac{mv^2+kx^2}{k}}. \end{gather*}

Обчислимо значення амплітуди:

Відповідь: Б.

Пояснення

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Механічні коливання і хвилі. Гармонічні коливання.

Завдання скеровано на перевірку вміння визначати фізичні величини, які характеризують гармонічні коливання.

Гармонічними називають коливання, під час яких координата \(x\) тіла, що коливається, змінюється із часом \(t\) за законом косинуса (або синуса). Їх описують таким рівнянням у загальному вигляді: $$ x=A\cos(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}t+\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_0), $$ де \(A\) ‒ амплітуда коливань, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}\) ‒ циклічна частота коливань, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_0\) ‒ початкова фаза коливань.

Перша похідна від координати за часом \(x'(t)\) дорівнює швидкості \(v:\)

\begin{gather*} x'(t)=v=-A\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}\sin(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}t+\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_0). \end{gather*}

А друга похідна від координати за часом або перша похідна від швидкості ‒ це прискорення \(a:\)

\begin{gather*} x''(t)=v'=a=-A\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}^2\cos(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}t+\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_0). \end{gather*}

Зробимо заміну в рівнянні для прискорення, скориставшись першим загальним рівнянням:

У будь-який момент часу руху тіла його прискорення прямо пропорційне зміщенню і напрямлене в бік, протилежний зміщенню (тому знак «мінус»).

Визначмо циклічну частоту коливань:

Відповідь: B.

Пояснення

ТЕМА: Електродинаміка. Електричний струм у різних середовищах. Електричний струм у напівпровідниках.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння протікання електричного струму в напівпровідниках.

Розгляньмо пряме підключення кристала зі сформованим у ньому \(p\text{-}n\text{-переходом}\) до джерела струму так, щоб \(p\text{-ділянка}\) була з’єднана з позитивним полюсом джерела, а \(n\text{-ділянка}\) − з негативним.

Електрони почнуть рух до позитивного полюса джерела струму, а дірки − до негативного. Запірний шар поповниться вільними електронами й дірками, тому його опір зменшиться. Оскільки через місце контакту рухаються основні носії струму (електрони з \(n\text{-ділянки}\), дірки з \(p\text{-ділянки}\)), яких багато, то в колі існує помітний електричний струм.

Отже, з усіх залежностей сили струму від напруги, зображених на рисунках у варіантах відповіді, вольт-амперній характеристиці напівпровідникового діода, підключеного в прямому напрямку, відповідає лише графік А.

Відповідь: A.

Пояснення

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Правило Ленца.

Завдання скеровано на перевірку розуміння індукційного струму, взаємодії створеного ним магнітного поля з магнітним полем, що викликало цей струм.

Модель із кільцями, використана в завданні, дуже схожа на пристрій, сконструйований Емілем Ленцем для демонстрації однойменного правила. Але в пристрої «Кільця Ленца» одне кільце розрізане.

Якщо наближати магніт до суцільного кільця, то в кільці виникне індукційний струм \(I_i.\) Цей струм створить біля кільця магнітне поле \(\overrightarrow{B}_i,\) напрямлене проти зовнішнього поля \(\overrightarrow{B},\) тому кільце відштовхнеться від магніту.

Якщо магніт віддаляти від суцільного кільця, то кільце притягуватиметься до магніту.

У розрізаному кільці індукційний струм не міг виникнути, бо кільце не замкнене. А в моделі, про яку йдеться в умові завдання, друге кільце суцільне. Але в ньому також не може виникнути індукційний струм. Адже до другого кільця магніт не наближають, із першим кільцем воно з’єднане дерев’яним стержнем, а дерево – це діелектрик.

Отже, унаслідок унесення в кільце штабового магніту (тобто наближення магніту) кільце рухатиметься за напрямком стрілки – відштовхуватиметься від магніту.

Відповідь: Б.

Пояснення

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електроємність плоского конденсатора.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння параметрів, від яких залежить електроємність конденсатора.

Електроємність \(C\) плоского конденсатора обчислюють за формулою $$ C=\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_0\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}S}{d}, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_0\) − електрична стала, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}\) − діелектрична проникність діелектрика (текстоліту), \(S\) − площа пластини конденсатора, \(d\) − відстань між пластинами (вона ж товщина пластини текстоліту).

Виразімо з формули шукану величину – діелектричну проникність $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}=\frac{Cd}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_0S}. $$

Площу пластини конденсатора визначимо за формулою $$ S=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}R^2, $$ де \(R\) – радіус пластини.

Обчислімо діелектричну проникність текстоліту:

Відповідь: B.