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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння ввімкнення напівпровідникового діода в електричне коло.

Пряме включення: підключімо кристал зі сформованим у ньому \(p\text{-}n\textbf{-переходом}\) 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.

У варіантах відповіді А і Г неправильно позначено ділянку \(n\text{-типу}.\) А у варіанті відповіді Б зображене зворотне підключення ‒ коли електрони почнуть рух до позитивного полюса джерела струму, дірки ‒ до негативного. Запірний шар розшириться, його опір збільшиться. Через місце контакту рухаються тільки неосновні носії струму (вільні електрони з \(p\text{-ділянки},\) дірки з \(n\text{-ділянки}\)), яких дуже мало, тому сила зворотного струму незрівнянно менша від прямого.

Отже, правильна відповідь ‒ варіант В.

Відповідь: B.

ТЕМА: Електромагнетизм. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Магнітний потік.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння фізичного змісту магнітного потоку і фізичних величин, від яких він залежить.

Потік магнітної індукції (магнітний потік) \(\textbf{Ф}\) ‒ це фізична величина, яка дорівнює добуткові магнітної індукції \(B\) на площу \(S\) поверхні та на косинус кута \(\mathbf{\alpha}\) між вектором магнітної індукції і нормаллю до поверхні: $$ \textbf{Ф}=BS\cos \mathbf{\alpha}. $$

За умовою магнітне поле є однорідним і незмінним, тому його силова характеристика магнітна індукція також залишається незмінною під час повороту контуру навколо його сторони. І площа поверхні, обмежена контуром, також не змінюється під час повороту.

Магнітний потік буде максимальним, якщо поверхня перпендикулярна до ліній магнітної індукції:

Нормаль \(n,\) проведена до поверхні, що обмежує контур, утворює кут \(\mathbf{\alpha}\) з вектором магнітної індукції \(\overrightarrow{B}:\)

Отже, для того, щоб магнітний потік зменшився вдвоє, треба контур повернути навколо його сторони на кут \(60^\circ.\)

Відповідь: B.

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Потенціал і різниця потенціалів.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння потенціалу.

Потенціал \(\mathbf{\varphi}\) поля, створеного точковим зарядом \(Q,\) у точках, які розташовані на відстані \(r\) від цього заряду, можна розрахувати за формулою $$ \mathbf{\varphi}_1=k\frac Qr. $$

Ця формула справджується і для потенціалу поля рівномірно зарядженої сфери (або кулі) на відстанях, які більші за її радіус або дорівнюють йому.

Обчислімо загальний заряд восьми крапель ртуті відповідно до закону збереження заряду:

Обчислімо об’єм однієї краплі ртуті:

Загальний об’єм великої краплі дорівнюватиме

Тоді радіус утвореної великої краплі становитиме

Визначімо загальний потенціал краплі, утвореної з восьми крапель ртуті, підставивши визначені значення загального заряду \(Q\) великої краплі та її радіуса \(R:\)

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Послідовне і паралельне з’єднання провідників.

Завдання скеровано на перевірку вміння тлумачити електричну схему, еквівалентно її перетворювати й застосовувати відношення фізичних величин, що характеризують послідовне і паралельне з’єднання провідників.

Перебудуємо еквівалентно ділянку електричного кола, про яку йдеться в умові.

Вольтметр показує напругу на резисторах \(1\) і \(2,\) які з’єднано послідовно, отже, напруга \(U_V\) на них дорівнюватиме сумі напруг \(U_1\) і \(U_2:\) $$ U_V=U_1+U_2. $$

Обчислімо напругу на першому резисторі: $$ U_1=I_1R=IR, $$ де \(I\) – загальний струм у ділянці кола, \(R\) – опір резистора.

Напруга на другому резисторі становитиме: $$ U_2=I_2R. $$

Опір усіх резисторів за умовою однаковий. Сила струму у вітці, де резистори \(2\) і \(3\) з’єднані послідовно, буде у \(2\) рази меншою за силу струму в резисторі \(4,\) що приєднаний до них паралельно, тому що загальний опір резисторів \(2\) і \(3\) вдвічі більший за опір резистора \(4.\)

Силу струму \(I_2\) визначімо зі співвідношення: $$ I_2=I_3:I_4=1:2. $$

Отже,

Тоді $$ U_2=I_2R=\frac 13IR, $$

А сумарна напруга на резисторах \(1\) і \(2\) $$ U_V=U_1+U_2=IR+\frac 13 IR=\frac 43 IR. $$

Виразімо добуток \(IR\) через напругу на ділянці кола: $$ U=IR_\text{заг}. $$

Визначімо загальний опір ділянки кола:

Підставімо цей вираз для загального опору у формулу для напруги на ділянці кола: $$ U=IR_\text{заг}=I\cdot\frac 53R=\frac 53 IR. $$

Звідси $$ IR=\frac 35U. $$

Отже, дізнаймося значення напруги, яке показує вольтметр: \begin{gather*} U_V=\frac 43IR=\frac 43\cdot \frac 35U=\frac 45U,\\[6pt] U_V=\frac 45\cdot 100\ \text{В}=80\ \text{В}. \end{gather*}

Відповідь: A.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Капілярні явища.

Завдання скеровано на перевірку знання і використання формули для визначення підняття рідини в капілярі.

Висота \(h\) підняття рідини в капілярі прямо пропорційна поверхневому натягу \(\mathbf{\sigma}\) рідини й обернено пропорційна густині \(\mathbf{\rho}\) рідини, прискоренню вільного падіння \(g\) й радіусу капіляра \(r:\) $$ h=\frac{2\mathbf{\sigma}}{\mathbf{\rho}gr}. $$

Обчислімо висоту стовпчика води в капілярній трубці за даних в умові температур:

Тепер визначмо, на скільки зменшиться висота стовпчика води в капілярній трубці:

Відповідь: A.

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Напруженість електричного поля.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття силової характеристики електричного поля ‒ напруженості.

Розгляньмо поле зарядженої сфери за умови рівномірного розподілу заряду \(q\) по її поверхні. Із симетрії системи випливає, що всі силові лінії напрямлені радіально (див. рисунок). Вочевидь поле не відрізняється від поля точкового заряду \(q,\) розташованого в центрі сфери. Отже, якщо заряд розподілений по поверхні сфери, то всередині сфери електричного поля немає, тобто напруженість поля дорівнюватиме нулю, як на рисунку Г.

Біля поверхні сфери напруженість буде максимальною (на відстані радіуса R від центру сфери), про що говорить стрибок значення напруженості на графіку \(E(r)\) варіанта відповіді Г.

Залишається визначити поле ззовні від сфери.

Напруженість є силовою характеристикою електричного поля. Напруженість \(\overrightarrow{E}\) електричного поля чисельно дорівнює силі \(\overrightarrow{F},\) з якою поле в даній точці діє на одиничний позитивний заряд \(q_1:\) $$ \overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{F}}{q_1}. $$

За законом Кулона модуль сили дорівнює $$ F=k\frac{|q|\cdot |q_1|}{r^2}. $$ де \(k\) – коефіцієнт пропорційності, \(q\) – нерухомий точковий позитивний заряд, що є джерелом електричного поля, \(r\) – відстань між зарядами.

Маємо $$ E=k\frac{|q|}{r^2}. $$

Тобто напруженість поля точкового заряду \(q\) спадає нелінійно, обернено пропорційно квадрату відстані від джерела поля до заряду \(q_1,\) поміщеного в поле. Що далі від поверхні сфери, то слабша дія електричного поля сфери.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Рівняння стану ідеального газу.

Завдання скеровано на перевірку знання і застосування рівняння стану ідеального газу.

Запишімо рівняння стану ідеального газу (рівняння Менделєєва – Клапейрона): $$ pV=\frac mM RT, $$ де \(p\) – тиск, \(V\) − обʼєм, \(m\) – маса газу, \(M\) – молярна маса газу, \(R\) – універсальна газова стала, \(T\) – абсолютна температура.

Перетворімо це рівняння, щоб можна було визначити густину \(\mathbf{\rho}\) газу в балоні: \begin{gather*} \mathbf{\rho}=\frac mV,\\[6pt] \mathbf{\rho}=\frac mV=\frac{pM}{RT}. \end{gather*}

Запишімо температуру в градусах Кельвіна й обчислімо густину газу:

Відповідь: Б.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Рівняння стану ідеального газу.

Завдання скеровано на перевірку розуміння рівняння стану ідеального газу та вміння за його допомогою визначати макроскопічні параметри газу.

За допомогою рівняння стану ідеального газу (рівняння Менделєєва – Клапейрона) $$ pV=\frac mM RT $$ можна встановити зв’язок між макроскопічними параметрами газу (\(p\) – тиск, \(V\) − обʼєм, \(T\) – абсолютна температура) у разі його переходу з одного стану в інший. Тобто якщо газ тієї ж маси \(m\) і молярної маси \(M,\) то можемо скористатися рівнянням Клапейрона: $$ \frac{p_1V_1}{T_1}=\frac{p_2V_2}{T_2}, $$ тобто для газу деякої маси відношення добутку тиску на об’єм до температури газу є незмінним: $$ \frac{pV}{T}=\text{const.} $$

Запишімо рівняння Клапейрона для кожної ділянки циклу.

Процес \(1−2\) відбувається за незмінного об’єму (відповідно до графіка), тобто \begin{gather*} V=\text{const},\\[6pt] \frac{p_1}{T_1}=\frac{p_2}{T_2},\\[6pt] \frac{p}{T_1}=\frac{2p}{T_2}, \end{gather*} \(T_2=2T_1\) – температура під час процесу \(1−2\) підвищилася в \(2\) рази порівняно з початковою температурою \(T_1.\)

Процес \(2−3\) відбувається за незмінного тиску (див. графік), тобто \begin{gather*} p=\text{const},\\[6pt] \frac{V_2}{T_2}=\frac{V_3}{T_3},\\[6pt] \frac{V}{T_2}=\frac{2V}{T_3}, \end{gather*} \(T_3=2T_2=4T_1\) – температура під час процесу \(2−3\) підвищилася в \(4\) рази порівняно з початковою температурою \(T_1.\)

Процес \(3−4\) відбувається за незмінного об’єму (відповідно до графіка), тобто \begin{gather*} V=\text{const},\\[6pt] \frac{p_3}{T_3}=\frac{p_4}{T_4},\\[6pt] \frac{2p}{T_3}=\frac{p}{T_4}, \end{gather*} \(T_4=\frac 12 T_3=\frac 12\cdot 4T_1=2T_1\) – температура під час процесу \(3−4\) підвищилася в \(2\) рази порівняно з початковою температурою \(T_1.\)

Процес \(4−1\) відбувається за незмінного тиску (відповідно до графіка), тобто \begin{gather*} p=\text{const},\\[6pt] \frac{V_4}{T_4}=\frac{V_1}{T_1},\\[6pt] \frac{2V}{T_4}=\frac{V}{T_1}, \end{gather*} \(T_4=2T_1\) – температура під час процесу \(4−1\) дійсно підвищилася в \(2\) рази порівняно з початковою температурою \(T_1,\) що вже було математично доведено на ділянці циклу \(3−4.\)

Отже, температура підвищилася найбільше під час процесу \(2−3\) – у \(4\) рази.

Відповідь: B.

ТЕМА: Механіка. Закони збереження в механіці. Закон збереження енергії в механічних процесах.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння закону збереження повної механічної енергії, а також залежності в цьому законі величин, які описують тіло або систему тіл, від часу.

Тіло, кинуте під кутом до горизонту, рухається по параболі, тож кінетична енергія тіла переходить у потенціальну, а потім, під час падіння, навпаки – потенціальна в кінетичну.

У замкненій системі тіл, які взаємодіють тільки консервативними силами, повна механічна енергія залишається незмінною (зберігається).

Закон збереження повної механічної енергії виконується тільки в тому разі, якщо в системі немає тертя.

За умовою на опір повітря не зважаємо, тому закон збереження повної механічної енергії справедливий.

Якщо повна механічна енергія \(E\) із часом залишається сталою, то графіком її залежності від часу \(t\) буде пряма, паралельна до осі часу ‒ варіант В:

Відповідь: B.