ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Середня квадратична швидкість теплового руху молекул.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння зв’язку фізичних величин, що характеризують рух молекул ‒ середня квадратична швидкість руху молекул, середній квадрат швидкості, середня кінетична енергія поступального руху молекул ідеального газу.

Квадратний корінь із середнього квадрата швидкості називають середньою квадратичною швидкістю руху молекул \((\overrightarrow{v}_\text{кв}):\) $$ \overrightarrow{v}_\text{кв}=\sqrt{\overline{v^2}}. $$

(Середній квадрат швидкості \((\overline{v^2}):\) $$ \overline{v^2}=\frac{v_1^2+v_2^2+\text{...}+v_N^2}{N}, $$ де \(N\) ‒ кількість молекул; \(v_1, v_2, \text{...} v_N\) ‒ швидкості руху окремих молекул.)

Середній квадрат швидкості \(\overline{v^2}\) можна визначити з формули для середньої кінетичної енергії \(\overline{E}_\text{к}\) поступального руху молекул ідеального газу (кінетична енергія поступального руху, що в середньому припадає на одну молекулу масою \(m_0\)): $$ \overline{E}_\text{к}=\frac{m_0\overline{v^2}}{2}. $$

Залежність середньої кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу від абсолютної температури \(T\) визначмо за формулою: $$ \overline{E}_\text{к}=\frac 32kT, $$ де \(k\) ‒ стала Больцмана.

Прирівняймо обидва вирази для визначення середньої кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу: $$ \frac{m_0\overline{v^2}}{2}=\frac 32kT, $$ звідки $$ \overline{v^2}=\frac{3kT}{m_0}. $$

Отже, коли склянку заповнили снігом (див. рисунок 1), то температура становила \(t_1=-23\ ^\circ\mathrm{C}\) (абсолютна температура дорівнюватиме \(T_1=t_1+273=-23+273=250\ \text{K}\): $$ \overline{v}_\text{кв1}=\sqrt{\overline{v_1^2}}=\sqrt{\frac{3kT_1}{m_0}}. $$

Коли сніг у склянці розтанув, а вода нагрілася (див. рисунок 2), то температура \(t_2=87\ ^\circ\mathrm{C}\) (абсолютна температура дорівнюватиме \(T_2=t_2+273=87+273=360\ \text{K}\): $$ \overline{v}_\text{кв2}=\sqrt{\overline{v_2^2}}=\sqrt{\frac{3kT_2}{m_0}}. $$

Тепер визначимо, у скільки разів збільшилася середня квадратична швидкість руху молекул гелію в кульці:

Отже, середня квадратична швидкість руху молекул гелію в кульці збільшилася в \(1\mathord{,}2\) раза.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Ізопроцеси в газах.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння ізопроцесів, а саме ізохорного.

Ізохорний процес ‒ це процес змінювання стану даного газу деякої маси, що відбувається за незмінного об’єму \((V=\mathrm{const}).\) Ділянки графіка \(2\rightarrow 3\) і \(4\rightarrow 1\) є ізохорами.

Що більшим є об’єм газу \((V_2\gt V_1),\) то менші концентрація цього газу й тиск, який він чинить. Ділянка графіка \(2\rightarrow 3\) (див. рисунок) відповідатиме ізохорному нагріванню, тому що температура підвищується, а ділянка графіка \(4\rightarrow 1\) ‒ це ізохорне охолодження.

Ділянки графіка \(1\rightarrow 2\) і \(3\rightarrow 4\) (див. рисунок) є ізобарами. Що більшим є тиск газу, за якого відбувається ізобарний процес \((p_2\gt p_1),\) то менший об’єм займає газ й то нижче розташована ізобара.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Стала Авогадро.

У будь-якій речовині кількістю \(1\ \text{моль}\) міститься однакова кількість атомів або молекул, ‒ стільки, скільки атомів Карбону міститься у вуглеці масою \(12\ \text{г}.\) Це стала Авогадро \(N_\mathrm{А},\) її одиниця – \(\text{моль}^{-1}.\)

Фізичну величину, яка дорівнює частці від ділення кількості структурних частинок речовини \(N\) до числа Авогадро, називають кількістю речовини \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\nu}:\) $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\nu}=\frac{N(X)}{N_\mathrm{A}}, $$ де \(N(X)\) ‒ кількість структурних частинок речовини \(X.\)

Отже, щоб визначити кількість молекул \(N\) газу \(X\) у балоні, треба помножити одну порцію молекул \((N_\mathrm{А})\) на кількість цих порцій \((\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\nu}):\)

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Дифузія.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння положень молекулярно-кінетичної теорії та явища дифузії, яке можна пояснити за цими положеннями.

Молекули, атоми, йони, між якими є проміжки, перебувають у безперервному хаотичному русі. Саме рухом частинок речовини можна пояснити таке явище, як дифузія.

Дифузія (від лат. diffusio ‒ поширення, розтікання) ‒ процес самовільного взаємного проникнення частинок однієї речовини у проміжки між частинками іншої (перемішування дотичних речовин), який відбувається внаслідок теплового руху цих частинок. Завдяки такому рухові речовини перемішуються без жодного зовнішнього втручання.

Пригадаймо, що молекули газів розташовані безладно й на відстанях, які в десятки разів більші за розміри самих молекул; молекули рідини розташовані хаотично, у розташуванні найближчих молекул зберігається певний (ближній) порядок, середня відстань між молекулами приблизно дорівнює розмірам самих молекул, кожна молекула час від часу перескакує з місця на місце; частинки твердих (кристалічних) тіл розташовані в певному порядку (утворюють кристалічні ґратки) на відстанях, що приблизно дорівнюють розмірам самих частинок, тому сили міжмолекулярної взаємодії (сили притягання між частинками) утримують їх біля положення рівноваги; на відміну від рідин, перескакування молекул у твердих тілах відбуваються дуже рідко.

Дифузія в рідині відбувається досить повільно (наприклад, сироп змішується з водою протягом доби), проте у твердих тілах дифузія повільніша в сотні й тисячі разів (дві відшліфовані та притиснуті одна до одної пластинки свинцю та золота «зростаються» на \(1\ \text{мм}\) протягом \(5\) років). У газах дифузія йде набагато швидше, ніж у рідинах, але все одно: якби не було конвекції (перенесення енергії потоками рідини або газу), запах парфумів поширювався би в кімнаті протягом годин.

Отже, як зазначено в умові, за інших однакових умов (як-от температура й тиск) найшвидше дифузія відбуватиметься в газах: у цьому завданні – між випарами ефіру й повітрям.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Механіка. Закони збереження в механіці. Імпульс тіла.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття імпульсу тіла, його напрямку й напрямку швидкості під час руху тіла, кинутого під кутом до горизонту.

Імпульс тіла \(\overrightarrow{p}\) ‒ це векторна фізична величина, яка дорівнює добутку маси \(m\) тіла на швидкість \(\overrightarrow{v}\) його руху: $$ \overrightarrow{p}=m\overrightarrow{v}. $$

У ході криволінійного руху напрямок швидкості руху весь час змінюється. Оскільки рівняння траєкторії руху тіла, кинутого з деякої висоти зі швидкістю під кутом до горизонту, має вигляд квадратичної функції (з виведенням формули можна ознайомитися в параграфах підручника з відповідної теми), то траєкторія руху тіла, якому поблизу поверхні Землі надано початкової швидкості, є параболічною (як в умові завдання).

Напрямок вектора імпульсу збігається з напрямком вектора швидкості: $$ \overrightarrow{p}\uparrow\uparrow \overrightarrow{v}. $$

У точці \(A,\) як і в будь-якій точці траєкторії будь-якого криволінійного руху тіла, швидкість напрямлена по дотичній.

Дотична ‒ це пряма, яка торкається кривої або поверхні в одній точці, не перетинаючи її. Якщо розглянути рисунок і візуально продовжити зображені промені в обидва боки, то дотична збігатиметься з напрямком \(2.\)

Відповідь: Б.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Графіки залежності кінематичних величин від часу в рівномірному й рівноприскореному рухах.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння кінематичних величин, уміння користуватися графіком.

Для рівноприскореного прямолінійного руху рівняння координати має вигляд: $$ x=x_0+v_0t+\frac{at^2}{2}, $$ де \(x_0\) і \(x\) ‒ початкова і кінцева координата тіла відповідно через деякий інтервал часу \(t,\) \(v_0\) ‒ модуль швидкості руху тіла в момент початку відліку часу (початкова швидкість); \(a\) ‒ модуль прискорення руху тіла.

Із цього рівняння прискорення дорівнюватиме: $$ a=(x-x_0-v_0t)\cdot \frac{2}{t^2}. $$

Значення всіх величин візьмемо з графіка в умові: \begin{gather*} x_0=-10\ \text{м},\\[7pt] x=20\ \text{м},\\[7pt] t=2\ \text{с}. \end{gather*}

Початкова швидкість руху матеріальної точки дорівнює $$ v_0=3\ \text{м/c}. $$

Обчислімо прискорення цієї точки:

Відповідь: B.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Доцентрове прискорення.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння, від яких фізичних величин і як залежить доцентрове прискорення.

У разі рівномірного руху тіла по колу вектор прискорення напрямлений до центра кола ‒ саме тому прискорення рівномірного руху тіла по колу називають доцентровим прискоренням \(\overrightarrow{a}_\text{дц}.\) Модуль доцентрового прискорення обчислюють за формулою $$ a_\text{дц}=\frac{v^2}{r}, $$ де \(v\) ‒ лінійна швидкість руху тіла; \(r\) ‒ радіус кола.

Позначмо на рисунку центри \(O_1\) і \(O_2\) кожної з двох дуг і радіуси кіл \(CO_1\) і \(AO_2=BO_2:\)

Запишімо формули для доцентрового прискорення в кожній точці: \begin{gather*} a_\mathrm{C}=\frac{v^2}{CO_1},\\[6pt] a_\mathrm{A}=\frac{v^2}{AO_2},\\[6pt] a_\mathrm{B}=\frac{v^2}{BO_2}. \end{gather*}

За умовою модуль швидкості тіла не змінюється. А за побудовою бачимо, що $$ AO_2=BO_2\gt CO_1. $$

Оскільки прискорення обернено пропорційне до радіуса кола $$ a_\text{дц}\sim \frac 1r, $$ то співвідношення між доцентровими прискореннями таке: $$ a_\mathrm{A}=a_\mathrm{B}\lt a_\mathrm{C}. $$

Відповідь: Б.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Матеріальна точка.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння фізичної моделі ‒ матеріальної точки.

Матеріальна точка ‒ це фізична модель тіла, розмірами якого в умові задачі можна знехтувати. Те саме тіло в умовах однієї задачі можна вважати матеріальною точкою, а в умовах іншої ‒ ні.

Це визначення можна застосувати до ведмедя і бджоли. Наприклад, розглядаючи будову тіла бджоли, не можна знехтувати розмірами її тіла. А під час вивчення її руху – можна.

Те саме стосується і ведмедя. Коли вивчають анатомію тварини, розміри важливі. Коли ж спостерігають за міграцією ведмедя, розмірами можна знехтувати.

Отже, чи можна знехтувати розмірами тіла, чи ні, визначають умови, за яких це тіло розглядаємо.

Відповідь: B.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Система відліку.

Завдання скеровано на перевірку розуміння поняття системи відліку й відносності механічного руху.

Механічний рух ‒ зміна із часом положення тіла (або частин тіла) в просторі відносно інших тіл. Доки не вибрано систему відліку, неможливо стверджувати, рухається тіло чи перебуває в стані спокою.

Якщо людина підійматиметься ескалатором зі швидкістю \(2,5\ \text{м/с},\) то за законом додавання швидкостей відносно Землі вона рухатиметься з подвійною швидкістю \(5\ \text{м/с}.\)

Якщо людина стоятиме нерухомо на ескалаторі, то відносно Землі вона рухатиметься з тією самою швидкістю, що й ескалатор, тобто \(2,5\ \text{м/с}.\)

Якщо ж людина спускатиметься ескалатором із такою ж швидкістю, з якою він підійматиметься, то відносно ескалатора людина рухатиметься зі швидкістю \(2,5\ \text{м/с},\) а відносно системи відліку, пов’язаної із Землею, людина не змінюватиме свого положення із часом, тобто перебуватиме в стані спокою.

Відповідь: A.