ТЕМА: Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Атом та атомне ядро. Квантові постулати Бора.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння постулатів Бора.

Модифікацію планетарної моделі запропонував у 1913 р. данський фізик Нільс Бор (1885–1962), який був упевнений, що моделювати будову атома слід із погляду квантових уявлень. Бор припустив існування особливих станів атомів і сформулював два постулати.

Перший постулат Н. Бора (про стаціонарні стани):
атомна система може перебувати тільки в особливих стаціонарних (квантових) енергетичних станах, кожному з яких відповідає певне значення енергії; перебуваючи в стаціонарному стані, атом не випромінює енергію.

Другий постулат Н. Бора (про квантові стрибки):

Під час переходу з одного стаціонарного енергетичного стану в інший атом випромінює або поглинає квант електромагнітної енергії.

Відповідно до постулатів Бора атоми газуватих речовин в атомарному стані за підвищених температур випромінюють електромагнітні хвилі чітко визначених частот ‒ їм властивий лінійчастий спектр випромінювання. Лінійчастий спектр кожного елемента характеризується індивідуальним для цього елемента набором частот.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Прямолінійність поширення світла в однорідному середовищі.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння закону прямолінійного поширення світла, а також понять повної тіні і півтіні.

Джерело світла, яке випромінює світло однаково в усіх напрямках і розмірами якого, зважаючи на відстань до місця спостереження, можна знехтувати, називають точковим джерелом світла.

Найкращим прикладом точкових джерел світла є зорі, адже ми спостерігаємо їх із Землі, тобто з відстані, що в мільйони разів перевищує розміри самих зір.

Джерела світла, що не є точковими, називають протяжними джерелами світла.

Повна тінь ‒ це область простору, в яку не потрапляє світло від джерела.

Якщо джерело світла є точковим, тінь від предмета буде чіткою. У цьому разі утворюється тільки повна тінь.

Якщо тіло освітлене протяжним джерелом світла, то утворюється тінь із нечіткими контурами, тобто утворюється не тільки повна тінь, а ще й півтінь.

Півтінь ‒ це область простору, освітлена деякими з наявних точкових джерел світла або частиною протяжного джерела.

Повну тінь і півтінь пояснюють відповідно до закону прямолінійного поширення світла.

Отже, правильна відповідь ‒ Б.

Відповідь: Б.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння процесу коливань тіла на пружині й характеру зміни фізичних величин, які описують ці коливання.

Розгляньмо ту частину періоду незатухаючих горизонтальних коливань тіла (наприклад, візка) на пружині, коли пружина починає стискатися.

У момент, коли візок доходить до положення рівноваги, сила пружності й прискорення дорівнюють нулю, а швидкість руху візка сягає максимального значення.

Потенціальна енергія пружини дорівнює нулю: $$ E_p=0. $$

Кінетична енергія візка максимальна й дорівнює повній енергії системи: $$ E_k=\frac{mv^2_{max}}{2}. $$

Досягнувши положення рівноваги, візок не зупиняється, а внаслідок інертності продовжує рух ліворуч. Пружина починає стискатися, і щораз більша сила пружності гальмує рух візка. Видовження \(x\) пружини збільшується, тому більшатиме й сила пружності, а отже, і прискорення руху візка (за другим законом Ньютона).

Кінетична енергія візка зменшується: $$ E_k=\frac{mv^2}{2}. $$

Потенціальна енергія пружини зростає: $$ E_p=\frac{kx^2}{2}. $$

Повна енергія системи дорівнює сумі кінетичної і потенціальної енергій.

Отже, з усіх наведених у варіантах відповіді фізичних величин меншатиме кінетична енергія тіла ‒ варіант відповіді А.

Відповідь: A.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння природи індукційного струму, а також вміння застосовувати правило Ленца для визначення напрямку індукційного струму.

Правило для визначення напрямку індукційного струму (правило Ленца): індукційний струм, який виникає в замкненому провідному контурі, має такий напрямок, що створений цим струмом магнітний потік перешкоджає зміні магнітного потоку, який спричинив появу індукційного струму.

Щоб з’ясувати, у якому з прикладів А ‒ Г правильно показано напрямок індукційного струму \(i\) в мідному кільці, користуємося алгоритмом:

1. Визначаємо напрямок ліній магнітної індукції \(\overrightarrow{B}\) зовнішнього магнітного поля.

2. З’ясовуємо, посилюється чи послаблюється зовнішнє магнітне поле (тобто збільшується чи зменшується кількість ліній магнітної індукції, що пронизують контур).

3. Визначаємо напрямок магнітної індукції магнітного поля, створеного індукційним струмом \(\overrightarrow{B}_i.\)

4. Визначаємо напрямок індукційного струму.

Розгляньмо рисунок А.

1. Магніт повернутий до кільця північним полюсом. А магнітні лінії поза магнітом виходять із північного полюса \(N\) магніту і входять у південний \(S.\) Отже, лінії магнітної індукції \(\overrightarrow{B}\) зовнішнього магнітного поля у цьому разі напрямлені до кільця.

2. Вертикальна стрілка на рисунку вказує, що магніт рухається до кільця, наближається, тобто зовнішнє магнітне поле посилюється (збільшується кількість ліній магнітної індукції, що пронизують кільце).

3. Це означає, що в кільці виникає індукційний струм такого напрямку, що кільце буде обернене до магніту однойменним полюсом (кільце відштовхуватиметься від магніту), тобто північним \(N,\) що запобігає наростанню зовнішнього магнітного поля: \(\overrightarrow{B}\downarrow\uparrow\overrightarrow{B}_i\) (вертикальні стрілочки вказують на напрямок ліній магнітної індукції).

4. За правилом правої руки визначаємо напрямок індукційного струму в кільці:
орієнтуємо праву руку так, що відігнутий на \(90^\circ\) великий палець вказує на північний полюс кільця, тобто вертикально вгору, тоді чотири зігнуті пальці, які наче обіймають кільце по периметру, укажуть напрямок індукційного струму в кільці. У цьому разі напрямок індукційного струму вказано правильно ‒ проти годинникової стрілки. Отже, варіант А ‒ це правильна відповідь.

Проаналізуймо інші варіанти відповіді, з’ясуймо помилки на рисунках.

Рисунок Б. Магніт наближається до кільця південним полюсом \(S\) ‒ магнітний потік крізь кільце збільшується, отже, магнітне поле, створене індукційним струмом, протидіятиме зовнішньому полю магніту. Кільце буде обернене до магніту однойменним полюсом (кільце відштовхуватиметься від магніту), тобто південним \(S:\) $$ \overrightarrow{B}\uparrow\downarrow\overrightarrow{B}_i. $$

За правилом правої руки визначімо напрямок індукційного струму в кільці:
орієнтуємо праву руку так, що відігнутий на \(90^\circ\) великий палець вказує на північний полюс кільця, тобто вертикально вниз, тоді чотири зігнуті пальці вказують, що напрямок індукційного струму в кільці повинен бути за годинниковою стрілкою, а на рисунку ‒ проти. Отже, варіант Б ‒ неправильний.

Рисунок В. Магніт віддаляється від кільця північним полюсом \(N\) ‒ магнітний потік крізь кільце зменшується, отже, магнітне поле, створене індукційним струмом, підтримуватиме зовнішнє поле, створене магнітом. Кільце буде обернене до магніту протилежним полюсом (кільце притягуватиметься до магніту), тобто південним \(S:\) $$ \overrightarrow{B}\downarrow\downarrow\overrightarrow{B}_i. $$

За правилом правої руки визначаємо напрямок індукційного струму в кільці:
орієнтуємо праву руку так, що відігнутий на \(90^\circ\) великий палець вказує на північний полюс кільця, тобто вертикально вниз, тоді чотири зігнуті пальці вказують, що напрямок індукційного струму в кільці повинен бути за годинниковою стрілкою, а на рисунку ‒ проти. Отже, варіант В ‒ неправильний.

Рисунок Г. Магніт віддаляється від кільця південним полюсом \(S\) ‒ магнітний потік крізь кільце зменшується, отже, магнітне поле, створене індукційним струмом підтримуватиме зовнішнє поле, створене магнітом. Кільце буде обернене до магніту протилежним полюсом (кільце притягуватиметься до магніту), тобто північним \(N:\) $$ \overrightarrow{B}\uparrow\uparrow\overrightarrow{B}_i. $$

За правилом правої руки визначаємо напрямок індукційного струму в кільці:
орієнтуємо праву руку так, що відігнутий на \(90^\circ\) великий палець вказує на північний полюс кільця, тобто вертикально вгору, тоді чотири зігнуті пальці вказують, що напрямок індукційного струму в кільці повинен бути проти годинникової стрілки, а на рисунку ‒ за. Отже, варіант Г ‒ неправильний.

Відповідь: A.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння будови й принципу дії напівпровідникового діода.

У ході вивчення залежності провідності напівпровідників від зовнішніх чинників виявили:

1) на відміну від металевих провідників питомий опір напівпровідників зазвичай зменшується з підвищенням температури (варіант Г неправильний);

2) питомий опір більшості напівпровідників зменшується зі збільшенням освітленості.

Але основна властивість напівпровідникового діода ‒ пропускати електричний струм переважно в одному напрямку.

Якщо напівпровідник містить дві дотичні ділянки з різними типами провідності, то на межі дотику утворюється \(p\text{-}n\text{-}\textbf{перехід},\) який має однобічну провідність.

Напівпровідниковий пристрій, у внутрішній будові якого сформований один \(p\text{-}n\text{-перехід},\) називають напівпровідниковим діодом.

Відповідь: B.

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Принцип суперпозиції полів.

Завдання скеровано на перевірку розуміння напруженості електричного поля і вміння застосовувати принцип суперпозиції полів.

Якщо електричне поле утворене кількома зарядами, то результувальна сила \(\overrightarrow{F},\) яка діє на пробний заряд із боку системи зарядів, визначається геометричною сумою сил, з якими діють ці заряди на даний пробний заряд: $$ \overrightarrow{F}=\overrightarrow{F}_1+\overrightarrow{F}_2+\dots +\overrightarrow{F}_n. $$

Звідси випливає принцип суперпозиції (накладання) електричних полів: напруженість \(\overrightarrow{E}\) електричного поля системи зарядів у певній точці простору дорівнює векторній сумі напруженостей полів, створених цими зарядами в цій точці:

Модуль напруженості \(\overrightarrow{E}\) електричного поля, створеного точковим зарядом \(q\) на відстані \(r\) від цього заряду, обчислюють за формулою (\(k\) ‒ коефіцієнт пропорційності): $$ E=k\frac{|q|}{r^2}. $$

Визначімо модулі напруженості, які створюють заряди в точках \(1\) і \(2.\)

Той заряд, що ліворуч від точки \(1,\) створює модуль напруженості: $$ E_{11}=k\frac{|q|}{r^2_{11}}=\frac{k|q|}{1^2}=k|q|, $$ \(r_{11}\) ‒ відстань від заряду ліворуч до точки \(1,\) дорівнює \(1\) клітинці.

Заряд, що праворуч від точки \(1,\) створює модуль напруженості: $$ E_{12}=k\frac{|q|}{r^2_{12}}=\frac{k|q|}{2^2}=\frac{k|q|}{4}, $$ \(r_{12}\) ‒ відстань від заряду праворуч до точки \(1,\) дорівнює \(2\) клітинкам.

Однакові заряди розташовані по різні боки від точки \(1\) на одній прямій. Тож за принципом суперпозиції полів визначімо модуль напруженості \(E_1\) в точці \(1:\) $$ E_{1}=k|q|-\frac{k|q|}{4}=\frac 34k|q|. $$

Відносно точки \(2\) обидва однакові заряди розташовані ліворуч на відстанях трьох і шести клітинок:

Визначімо правильне співвідношення між модулями напруженості \(E_1\) і \(E_2:\)

Відповідь: A.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів.

Завдання скеровано на перевірку вміння застосовувати перший закон термодинаміки до ізопроцесів.

Перший закон (начало) термодинаміки можна сформулювати так:
кількість теплоти \(Q,\) передана системі, йде на зміну внутрішньої енергії системи \(\Delta U\) та на виконання системою роботи \(A\) проти зовнішніх сил: $$ Q=\Delta U+A. $$

У першому прикладі газ нагрівають за незмінного тиску \((p=\mathrm{const})\) ‒ це ізобарне нагрівання. У ході цього процесу виконується робота і змінюється внутрішня енергія газу, тому рівняння першого закону термодинаміки має незмінний вигляд: $$ Q_{(p=\mathrm{const})}=\Delta U+A. $$

Під час ізобарного процесу передана газу кількість теплоти йде і на збільшення внутрішньої енергії газу, і на виконання механічної роботи.

За умовою газ ідеальний сталої маси, тому робота газу дорівнює $$ A=p\Delta V, $$ а зміна його внутрішньої енергії $$ \Delta U=\frac 32p\Delta V. $$

Кількість теплоти, передана газу, дорівнює:

У другому прикладі газ нагрівають за незмінного об’єму \((V=\mathrm{const}),\) це ізохорне нагрівання. У ході цього процесу об’єм газу не змінюється \((\Delta V=0)\) і газ роботу не виконує \((A=0).\) Під час ізохорного процесу вся передана газу кількість теплоти витрачається на збільшення внутрішньої енергії газу, тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд: \begin{gather*} Q_{(V=\mathrm{const})}=\Delta U,\\[6pt] Q_{(V=\mathrm{const})}=\frac 32p\Delta V. \end{gather*}

Якщо порівняти вирази для визначення кількості теплоти в обох прикладах, то отримана газом кількість теплоти буде більшою за незмінного тиску: \begin{gather*} Q_{(p=\mathrm{const})}\gt Q_{(V=\mathrm{const})},\\[6pt] \frac 52p\Delta V\gt \frac 32p\Delta V. \end{gather*}

Відповідь: A.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії. Маса і розмір молекул.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння основних положень молекулярно-кінетичної теорії.

Скраплення газу ‒ це перетворення газу на рідину, тобто зміна агрегатного стану.

Отже, під час скраплення хімічний склад газу не змінюється, тому молекули не можуть об’єднуватися, утворюючи молекули іншої речовини.

Також молекули не можуть ні зменшуватися, ні збільшуватися, оскільки за одним із основних положень молекулярно-кінетичної теорії частинки речовини взаємодіють одна з одною. Основна причина міжмолекулярної взаємодії ‒ електричне притягання і відштовхування заряджених частинок, що утворюють атом.

На відстанях, які більші за розміри молекул, молекули притягуються одна до одної; на відстанях, які трохи менші за розміри молекул, ‒ відштовхуються. Ці сили не впливають на розміри молекул, змінюються лише проміжки між молекулами.

Отже, під час скраплення молекули газової суміші не змінюються.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Механіка. Елементи механіки рідин і газів. Тиск нерухомої рідини на дно й стінки посудини.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння закону Паскаля і формули гідростатичного тиску.

Із закону Паскаля (тиск, створюваний на нерухому рідину, передається рідиною однаково в усіх напрямках) і формули гідростатичного тиску \(p\ (p=\mathbf{\rho}gh,\) де \(\mathbf{\rho}\) ‒ густина рідини, \(g\) ‒ прискорення вільного падіння, \(h\) ‒ висота стовпчика рідини) випливає, що тиск усередині нерухомої однорідної рідини на одному рівні є однаковим.

Отже, робимо висновок, що тиск усередині нерухомої однорідної рідини ‒ у воді (див. рисунок) ‒ у точках \(E\) і \(F\) є однаковим: $$ p_E=p_F. $$

На рівні точок \(C\) і \(D\) тиск стовпчиків рідин ‒ гасу й води ‒ у посудинах також є однаковим:

Це одна з властивостей сполучених посудин (у завданні ‒ \(U\text{-подібна}\) трубка): у відкритих сполучених посудинах стовпчик нерухомої рідини з меншою густиною (а густина гасу менша за густину води) буде вищим, ніж стовпчик нерухомої рідини з більшою густиною.

Тиск у точках \(A\) і \(B\) буде різний, тому що хоча вони й розташовані на одному рівні, але в різних рідинах (точка \(A\) ‒ у гасі, а точка \(B\) ‒ у воді).

На рівні точки \(B\) діє лише атмосферний тиск.

А на рівні точки \(A\) крім атмосферного діє ще тиск стовпчика гасу над точкою \(A.\)

Відповідь: B.

ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Невагомість.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття невагомості.

Стан тіла, за якого вага тіла дорівнює нулю, називають станом невагомості.

У стані невагомості на тіло діє лише сила тяжіння (тіло вільно падає), і навпаки: якщо тіло рухається тільки під дією сили тяжіння, воно перебуває у стані невагомості.

У стані невагомості не тільки тіло не тисне на опору, а й частини тіла не тиснуть одна на одну.

Отже, з усіх умов, зазначених у варіантах відповіді, однозначно правильним є варіант А.

Відповідь: A.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Шлях і переміщення.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння базових понять кінематики ‒ шлях і переміщення.

Шлях ‒ це фізична величина, яка дорівнює довжині траєкторії або довжині її ділянки.

Переміщення ‒ це векторна величина, яку графічно подають у вигляді напрямленого відрізка прямої, який з’єднує початкове і кінцеве положення матеріальної точки.

В автобусі лічильник, на якому зафіксували збільшення пробігу, ‒ це одометр (дав. грец. ‒ шлях, дорога й міра, мірило) ‒ пристрій для вимірювання відстані, яку подолав транспортний засіб.

Отже, пройдений шлях становитиме \(150\ \text{км}.\)

А модуль переміщення дорівнюватиме нулю, оскільки автобус після рейсу повернувся в гараж, тобто його початкове і кінцеве положення збіглися.

Відповідь: Г.

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.

Виразимо кількість ядер радіонукліда, що залишились у зразку, через початкову кількість ядер відповідно до умови завдання: $$ N=\frac{N_0}{32}. $$

Підставимо всі дані у формулу:

Кількість атомів радіонукліда, що потрапили у водойму, зменшиться в \(32\) рази через \(150\) років.

Відповідь: 150.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Формула тонкої лінзи.

Завдання скеровано на перевірку вміння будувати зображення в збиральній лінзі й уміння застосовувати формулу тонкої лінзи.

Побудуємо відповідно до умови завдання зображення, що дає збиральна лінза.

Побудувавши, отримуємо два рівні прямокутні трикутники – за катетом і гострим кутом: гострі кути рівні як вертикальні, катети рівні за умовою – предмет і його зображення однакового розміру.

Зваживши на це, запишімо формулу тонкої лінзи: $$ \frac 1F=\frac 1d+\frac 1f, $$ де \(F\) – фокусна відстань лінзи, \(d\) – відстань від предмета до лінзи, \(f\) – відстань від лінзи до зображення предмета.

З рівності трикутників випливає, що \(f=d,\) тоді $$ \frac 1F=\frac 1d+\frac 1f=\frac 1d+\frac 1d=\frac 2d. $$

Обчислімо фокусну відстань лінзи:

Відповідь: 20.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Закон Ома для ділянки кола.

Завдання скеровано на перевірку знання закону Ома для ділянки кола й параметрів, від яких залежить електричний опір.

Електричний опір \(R\) провідника визначають за формулою: $$ R=\mathbf{\rho}\frac ls, $$ де \(\mathbf{\rho}\) – питомий опір, \(l\) – довжина провідника, \(s\) – площа поперечного перерізу провідника.

Якщо не замінювати дріт, а брати лише його частину, то у формулі зміниться лише значення довжини дроту, а питомий опір і площа поперечного перерізу залишаться ті самі. Тобто опір провідника прямо пропорційний його довжині: $$ R\sim l. $$

Отже, можна скласти пропорцію. Якщо дріт довжиною \(1,2\ \text{м}\) має опір \(10\ \text{Ом},\) то ділянка цього дроту довжиною \(24\ \text{см}\) \((0,24\ \text{м})\) матиме опір \(R_x:\)

Обчислимо опір ділянки дроту довжиною \(0,24\ \text{м}:\) $$ R_x=\frac{0,24\ \text{м}\cdot 10\ \text{Ом}}{1,2\ \text{м}}=2\ \text{Ом}. $$

За законом Ома для ділянки кола можна визначити силу струму в дроті, якщо за умовою вольтметр показує напругу \(1\ \text{В}\) на ділянці дроту довжиною \(0,24\ \text{м}:\)

Відповідь: 0,5.