ТЕМА: Електродинаміка. Явище й закони електромагнітної індукції.

Завдання скеровано на оцінювання знання поняття «електромагнітна індукція» і вміння застосовувати закони електромагнітної індукції.

Гальванометр у досліді, описаному в завданні, фіксує індукційний струм у котушці.

Для правильного розв’язання завдання потрібно пригадати закони електромагнітної індукції.

1. Електричний струм у замкненому провідному контурі виникає лише тоді, коли змінюється магнітний потік через поверхню, обмежену контуром.

2. Чим швидше змінюється магнітний потік, тим більшою є сила індукційного струму в контурі.

3. Напрямок індукційного струму в контурі залежить від того, збільшується чи зменшується магнітний потік через поверхню, обмежену контуром.

За першим законом електромагнітної індукції в котушці виникає струм, бо за наближення або введення магніту змінюється магнітний потік, що через неї протікає.

Чим швидше змінюватиметься магнітний потік, тим більшою, відповідно до другого закону електромагнітної індукції, буде сила струму. Щоби швидше змінювати магнітний потік від магніту, його треба рухати швидше.

Якщо тримати магніт нерухомо, то струм індукції в котушці не виникне, бо магнітний потік, який протікає через контур котушки, не змінюватиметься. А якщо змінити напрямок руху магніту, то, за правилом Ленца, зміниться лише напрямок індукованого струму.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електричне поле. Напруженість електричного поля.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння понять потенціалу й напруженості й уміння порівнювати ці величини в різних точках електричного поля.

На рисунку схематично зображено позитивний заряд, який створює навколо себе електричне поле. Для правильного розв’язання завдання потрібно позначити його величину як \(Q\), а пробний заряд \(q\) помістити в точки 1 і 2 для порівняння напруженості електричного поля і потенціалу.

Напруженість \(\overrightarrow{E}\) електричного поля в точці – векторна фізична величина, яка характеризує електричне поле й дорівнює відношенню сили \(\overrightarrow{F}\), із якою електричне поле діє на пробний заряд, поміщений у цю точку поля, до величини цього заряду. Тобто \(\overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{F}}{q}\).

На пробний заряд з боку поля діє сила Кулона, модуль якої \(F=k\frac{|Q||q|}{r^2}\) , де \(r\) – відстань між зарядами, а \(k=9\cdot 10^9\ \text{Нм}^2/\text{Кл}^2\).

Тоді \(E= k\frac{|Q|}{r^2}\) – модуль напруженості електричного поля. За умовою завдання \(r_1\lt r_2\), тому \(E_1 \gt E_2\).

Потенціал \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}\) електростатичного поля в точці – це скалярна фізична величина, якою характеризують енергетичні властивості поля. Вона дорівнює відношенню потенціальної енергії \(W_{p}\) електричного заряду, поміщеного в цю точку поля, до величини \(q\) цього заряду: $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}= \frac{W_p}{q}. $$ Потенціальну енергію взаємодії точкового заряду \(q\), поміщеного в поле, і заряду \(Q\), який є джерелом цього поля, обчислюють за формулою \(W_p=k\frac{Qq}{r},\) де \(r\) – відстань між зарядами, а \(k= 9\cdot 10^9\ \text{Нм}^2/\text{Кл}^2\). За умовою завдання \(r_1\lt r_2\), тож \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_1 \gt \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_2\).

Відповідь: A.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Паралельне й послідовне з’єднання провідників.

Завдання скеровано на оцінювання знання закону Ома й розуміння особливостей паралельного й послідовного з’єднання провідників.

Яскравість світіння лампи залежить від її потужності, яку визначають за формулою \(P=UI\), де \(U\) – напруга, а \(I\) – сила струму в колі. Чим більша потужність лампи, тим більша яскравість її світіння. Тобто для правильного розв’язання задачі потрібно обчислити напругу й силу струму, який протікає через кожну з ламп.

Позначимо напругу в колі \(U,\) а опір лампочок – \(R'.\)

З рисунку зрозуміло, що лампа 1 послідовно з’єднана з лампами 2 і 3, які між собою з’єднані паралельно.

Правильне розв’язання завдання ґрунтується на розумінні законів паралельного й послідовного з’єднання провідників (див. рисунки 1–2).

Рис. 1. Послідовне з’єднання провідників 1 і 2: \(U=U_1+U_2,\ R=R_1+R_2,\ I=I_1=I_2\)


Рис. 2. Паралельне з’єднання провідників 1 і 2: \(U=U_1=U_2,\ \frac 1R=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2},\ I=I_1+I_2\)

Оскільки за умовою завдання лампи 2 і 3 з’єднані паралельно, то для цієї частини кола

Для повного кола до виходу лампи 2 з ладу

З огляду на те, що опір усіх ламп однаковий, сила струму \(I\) за законом Ома дорівнює частці від ділення напруги на опір: $$ I=\frac UR=\frac{U}{R_1+\frac{R_2 R_3}{R_2+R_3}} =\frac{2U}{3R '}. $$

Тож $$ I_1=\frac{2U}{3R '}, $$ а $$ I_3=\frac{U}{3R '}. $$ Тому на лампі 1 напруга $$ U_1=I_1 R_1=\frac{2U}{3}, $$ а на лампі 3 напруга $$ U_3=I_3 R_3=\frac U3. $$

Тобто до поломки потужність цих ламп була $$ P_{1\ до}=U_1 I_1=\frac{2U}{3}\cdot\frac{2U}{3R '} =\frac{4U^2}{9R '} $$ і $$ P_{3\ до}=U_3 I_3=\frac U3\cdot \frac{U}{3R '}=\frac{U^2}{9R '} $$ відповідно.

Після того, як лампа 2 вийшла з ладу, її опір став дуже великим, тому крізь неї струм не потече. Електричне коло після виходу з ладу лампи 2 схематично зображено на рисунку 3.

Рис. 3. Схема електричного кола після виходу з ладу лампи 2

У цьому електричному колі лампи 1 і 3 з’єднано послідовно, тому $$ U=U_1+U_3,\ R=R_1+R_3,\ I=I_1=I_3. $$

Напруга в колі не змінилася через поломку лампи, тож, за законом Ома, у цьому колі сила струму $$ I=\frac UR=\frac{U}{R_1+R_3}=\frac{U}{2R '}=I_1=I_3. $$ На кожній із ламп напруга така: $$ U_1=I_1 R_1=\frac U2,\ U_3=I_3 R_3=\frac U2. $$ Тоді після поломки їхня потужність становить

Отже, \(P_{1\ до}\gt P_{1\ після}\), а \(P_{3\ до}\lt P_{3\ після}\)

Відповідь: B.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле і явище магнітної індукції.

Завдання скеровано на оцінювання вміння визначати напрямок ліній магнітної індукції за допомогою правила правої руки.

За правилом правої руки можна визначити напрямок ліній магнітної індукції: якщо спрямувати великий палець уздовж напрямку протікання струму, то загнуті пальці правої руки вкажуть напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля провідника зі струмом (рис. 1).

Рис. 1. Правило правої руки

Магнітна стрілка в магнітному полі повернеться вздовж ліній магнітної індукції так, що лінії входитимуть у її південний полюс і виходитимуть із її північного полюса.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Механічні коливання і хвилі. Гармонічні коливання.

Завдання скеровано на оцінювання вміння аналізувати рівняння і графік гармонічних коливань і визначати основні фізичні величини, пов’язані з ними.

Загальний вигляд рівняння гармонічних коливань \(x=A\mathrm{cos}(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}t+\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_0)\) або \(x=A\mathrm{sin}(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}t+\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_0)\), де \(x\) – координата, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}\) – циклічна частота коливань, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_0\) – початкова фаза коливань, \(t\) – час.

Обома варіантами цього рівняння можна описати будь-які гармонічні коливання, і єдине, що зміниться внаслідок переходу від рівняння, що використовує \(\mathrm{sin}\), до рівняння, що використовує \(\mathrm{cos}\), – початкова фаза.

Початкова фаза коливань – фаза коливань у момент початку відліку часу.

На рисунку до завдання в точці \(t = 0\) – максимальне відхилення від положення рівноваги. Таку криву в загальному випадку описують рівнянням

\(x=A\mathrm{cos}(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}t)\) або \(x=A\mathrm{sin}(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}t+\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}}{2})\), де \(\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}}{2}\) – початкова фаза.

Амплітуда коливань – це максимальне відхилення від положення рівноваги. Його можна визначити за рисунком – це відстань від осі \(x\) (рівня рівноваги) до максимуму або мінімуму синусоїди. \(A = 40\ см = 0,4\ м\).

Циклічну частоту \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}\) визначають за формулою \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}=\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{2\pi}}{T}\), де \(T\) – період коливань (час, за який коливання повністю повторюється).

Період коливань також можна визначити за рисунком як відстань між двома максимумами синусоїди – \(T = 0,4\ с\). Тоді \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}=\frac{2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}}{0,4}=5\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}\).

Затим потрібно підставити всі визначені величини в рівняння гармонічних коливань: \(x=0,4\mathrm{cos}(5\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}t)\) або \(x=0,4\mathrm{sin}(5\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}t+\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}}{2})\).

Відповідь: Г.

ТЕМА: Електромагнітні коливання і хвилі. Перетворення енергії в коливальному контурі.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розраховувати енергію елементів коливального контуру і його повну енергію.

Коливальний контур – це схематично зображений на рисунку 1 фізичний пристрій із послідовно з’єднаних котушки індуктивності 1 і конденсатора 2.

Рис. 1. Електрична схема коливального контуру

В ідеальному коливальному контурі вся енергія під час коливань перетікає від конденсатора до котушки без утрат. Якщо вважати, що в початковий момент часу конденсатор заряджений на повну, то його енергія перетікатиме в енергію котушки з максимальним струмом індукції під час коливань у такому електромагнітному контурі.

Тож можна обчислити зміну повної енергії контуру за зміною енергії зарядженого конденсатора: $$ W_{\text{конденсатора}}= \frac{q^2}{2C}, $$ де \(q\) – це максимальний заряд на обкладинці, а \(C\) – ємність конденсатора. Після збільшення максимального заряду енергія конденсатора

Відповідь: Г.

ТЕМА: Оптика. Закони заломлення світла. Відносний показник заломлення.

Завдання скеровано на оцінювання вміння визначати відносний показник заломлення речовини.

Для правильного розв’язання завдання потрібно визначити кут падіння \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\) й кут заломлення \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}\) (див. рисунок 1): \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}=40^{\circ},\ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}=20^{\circ}\).

Рис. 1. Кут падіння і кут заломлення за проходження променю через межу повітря і рідини

За законом заломлення: \(n_{\text{повітря}}\mathrm{sin}(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha})=n_{\text{рідини}}\mathrm{sin}(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta})\), де \(n_{\text{повітря}}\) і \(n_{\text{рідини}}\) – це відповідні абсолютні показники заломлення речовин.

Абсолютний показник заломлення \(n\) – це фізична величина, яка показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі менша порівняно з вакуумом. Його обчислюють за формулою \(n=\frac cv\), де \(c\) – швидкість світла у вакуумі, \(v\) – швидкість світла в середовищі.

За визначенням відносний показник заломлення показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі 1 більша (або менша) за швидкість поширення світла в середовищі 2.

У завданні необхідно визначити відносний показник заломлення рідини відносно повітря, тобто обчислити, у скільки разів швидкість світла в рідині менша за швидкість світла в повітрі:

За законом заломлення можна обчислити відносний показник заломлення:

Відповідь: Б.

ТЕМА: Оптика. Квантова фізика. Світлові кванти.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння корпускулярно-хвильової природи світла і явищ інтерференції, дифракції, дисперсії і фотоефекту.

Інтерференція – явище накладання хвиль, унаслідок якого в деяких точках простору спостерігають стійке в часі посилення (або послаблення) результувальних коливань.

Дифракція – явище огинання хвилями перешкод або будь-яке інше відхилення поширення хвилі від законів геометричної оптики.

Дисперсія світла – явище розкладання світла у спектр, зумовлене залежністю абсолютного показника заломлення середовища (а отже, і швидкості поширення світла в цьому середовищі) від частоти світлової хвилі.

Фотоефект – це явище взаємодії світла з речовиною, супроводжуване випромінюванням (емісією) електронів.

Тобто інтерференція, дифракція і дисперсія – це явища, пов’язані з хвильовою природою світла.

Корпускулярна природа світла виявляється у фотоефекті, закони якого потрібно знати для правильного розв’язання завдання.

1. Кількість фотоелектронів, яку випромінює катод за одиницю часу, прямо пропорційна інтенсивності світла.

Цей закон фотоефекту можна пояснити й хвильовою теорією світла, адже чим більша інтенсивність світла, тим більше його частинок (фотонів) потрапляє на катод і може брати участь у взаємодії.

2. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів збільшується зі збільшенням частоти падного світла й не залежить від його інтенсивності.

Цей закон можна пояснити, якщо розглядати фотоефект лише як явище «вибивання» фотонами електронів із поверхні катода.

Під час зіткнення у катоді з фотоном електрон поглинає енергію фотона, яку визначають за формулою \(E_ф=hv\).

Ця енергія має бути витрачена на те, щоби вирвати електрон із поверхні катода (цю частку енергії називають роботою виходу \(A_{\text{вих}}\), а та частина енергії, яка залишається після цього, переходить у кінетичну енергію фотоелектрона \((E_{\text{кін}})\): $$ E_ф=A_{\text{вих}}+E_{\text{кін}}. $$ Оскільки робота виходу залежить лише від матеріалу катода, то максимальна початкова швидкість фотоелектрона залежить від переданої фотоном енергії.
А вона залежить від частоти світла, а не від кількості фотонів, які потрапляють на катод (тобто інтенсивності).

3. Для кожної речовини є максимальна довжина світлової хвилі \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda_{\text{черв}}}\) (червона межа фотоефекту), за якої починається фотоефект.

Цей закон також пояснюють лише корпускулярною природою світла. Якщо \(hv\lt A_{\text{вих}}\), то електрони не зможуть вирватись із поверхні катода, отже існує \(ν_{min},\) за якої \(E_ф=hv_{min}=A_{\text{вих}}\), і саме це є червоною межею фотоефекту.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Квантова фізика. Атом і атомне ядро. Альфа-, бета- й гамма-випромінювання.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння явища бета-випромінювання.

Потік \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}^-\)-частинок – це потік електронів, які летять зі швидкістю, близькою до швидкості світла.

Потік \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}^+\)-частинок – це потік позитронів, які летять зі швидкістю, близькою до швидкості світла.

Потік ядер атомів Гелію називають \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\)-променями, а електромагнітне випромінювання надвисокої частоти (понад \(10^{18}\) Гц) – \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\gamma}\)-випромінюванням.

Відповідь: Б.