Пояснення

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Робота і потужність електричного струму.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння потужності електричного струму.

Потужність електричного струму ‒ фізична величина, що характеризує швидкість виконання струмом роботи й дорівнює відношенню роботи струму до часу, за який цю роботу виконано: $$ P=\frac At, $$ де \(P\) ‒ потужність електричного струму; \(A\) ‒ робота струму за час \(t.\)

Оскільки

\begin{gather*} A=UIt,\ \text{то}\\[7pt] P=\frac At=\frac{UIt}{t}=UI. \end{gather*}

З умови відомі загальна напруга, на яку розрахований нагрівач, й опір кожної спіралі. Скориставшись законом Ома для ділянки кола, маємо формулу для визначення потужності відповідно до умови завдання:

$$ I=\frac UR\Rightarrow P=UI=U\cdot \frac UR=\frac{U^2}{R}. $$

Оскільки в умові завдання не вказано, як з’єднані спіралі ‒ послідовно чи паралельно, але треба виготовити нагрівач мінімальної потужності, то визначімо потужність для обох способів з’єднання і порівняємо.

Обчислімо загальний опір спіралей:
1) під час послідовного з’єднання:

\begin{gather*} R_\text{посл}=R_1+R_2,\\[7pt] R_\text{посл}=200\ \text{Ом}+248\ \text{Ом}=484\ \text{Ом}. \end{gather*}

2) під час паралельного з’єднання:

Тепер визначімо потужність:
1) під час послідовного з’єднання:

\begin{gather*} P_\text{посл}=\frac{U^2}{R_\text{посл}},\\[6pt] P_\text{посл}=\frac{(220\ \text{В})^2}{484\ \text{Ом}}=\frac{48400}{484}\ \text{Вт}=100\ \text{Вт}, \end{gather*}

2) під час паралельного з’єднання:

Отже, порівнявши значення потужностей \((P_\text{пар}\gt P_\text{посл}),\) ми бачимо, що під час послідовного з’єднання отримаємо нагрівач мінімальної потужності: $$ P_\text{посл}=100\ \text{Вт}. $$

Відповідь: 100.

Пояснення

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття амплітуди, поняття одного повного коливання і шляху, що проходить тіло за один період коливання.

Амплітуда \(A\) коливань ‒ це фізична величина, що дорівнює максимальній відстані, на яку відхиляється тіло від положення рівноваги під час коливань. За одне коливання тіло проходить шлях \(l_0,\) який приблизно дорівнює чотирьом амплітудам: \begin{gather*} l_0=4A. \end{gather*}

Тоді за п’ять періодів коливань тіло, що здійснює коливання на пружині, пройде шлях

\begin{gather*} l=5l_0=5\cdot 4A=20A,\\[7pt] l=20\cdot 0,5\ \text{м}=10\ \text{м}. \end{gather*}

Відповідь: 10.

Пояснення

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

Завдання скеровано на перевірку знання, розуміння і застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів, а саме до ізобарного.

Під час ізобарного нагрівання передана газу кількість теплоти витрачається і на виконання механічної роботи, і на збільшення внутрішньої енергії газу. Якщо газ ідеальний одноатомний (гелій ‒ це одноатомний газ без запаху, кольору та смаку), то робота \(A\) газу дорівнює $$ A=p\Delta V, $$ а зміна його внутрішньої енергії $$ \Delta U=\frac 32p\Delta V, $$ де \(p\) ‒ тиск, \(\Delta V\) ‒ зміна об’єму.

Отже, зміну внутрішньої енергії можна визначити за формулою:

\begin{gather*} \Delta U=\frac 32p\Delta V=\frac 32 A,\\[6pt] \Delta U=\frac 32\cdot 30\ \text{Дж}=45\ \text{Дж}. \end{gather*}

Відповідь: 45.

Пояснення

ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Рух тіла під дією сили тяжіння.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння руху тіла під дією сили тяжіння, кинутого горизонтально, і вміння застосовувати відповідні рисунки і формули.

Розглянемо рух камінця, кинутого горизонтально зі скелі, скориставшись принципом незалежності рухів. Опором повітря нехтуємо (за умовою), тобто рух відбувається лише під дією сили тяжіння з прискоренням \(\overrightarrow{g}.\) Такий рух ‒ це результат додавання двох незалежних рухів: горизонтального ‒ рівномірного вздовж осі \(Ox\) (оскільки \(g_x=0\)); вертикального ‒ рівноприскореного (з прискоренням \(\overrightarrow{g}\)) уздовж осі \(Oy\) без початкової швидкості. Тобто камінець одночасно рухається горизонтально і падає.

Зобразімо схематично рух камінця. Нехай через \(2\ \text{с}\) камінець, вилетівши з точки \(A,\) опиниться в точці \(B.\) Тоді модуль його переміщення дорівнюватиме довжині відрізка \(AB.\) Відрізок \(CB\) ‒ це дальність польоту, а відрізок \(AC\) ‒ це висота. За \(2\ \text{с}\) камінець може й не впасти на нульовий рівень (рівень основи скелі), тобто точка \(B\) ‒ це якесь його проміжне положення.

З рисунка бачимо, що переміщення \(s=AB\) камінця можна визначити за теоремою Піфагора, обчисливши довжину гіпотенузи \(AB\) з прямокутного трикутника \(ABC,\) де \(h=AC\) i \(l=CB\) ‒ катети цього трикутника.

Дальність польоту \(l=CB\) камінця можна визначити за формулою: \begin{gather*} l=v\cdot t,\\[7pt] l=7,5\ \text{м/с}\cdot 2\ \text{с}=15\ \text{м}, \end{gather*} де \(v\) ‒ швидкість, з якою камінець кинули горизонтально, \(t\) ‒ час руху.

Відстань \(h,\) яку подолав би камінець, якщо б вільно падав вертикально, визначімо за формулою: \begin{gather*} h=\frac{gt^2}{2},\\[6pt] h=\frac{10\ \text{м/с}^2\cdot (2\ \text{с})^2}{2}=20\ \text{м}, \end{gather*} де \(g\) ‒ прискорення вільного падіння.

Тепер за теоремою Піфагора визначімо модуль переміщення камінця:

Відповідь: 25.

Пояснення

ТЕМА: Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Атом та атомне ядро. Ядерні реакції.

Завдання скеровано на перевірку вміння складати рівняння ядерних реакцій.

Ядерною реакцією називають взаємодію ядер або елементарних частинок із ядром, яка відбувається з утворенням частинок, відмінних від початкових.

Під час ядерних реакцій, як і під час будь-яких явищ, що відбуваються у Всесвіті, справджуються закони збереження: закон збереження електричного заряду, закон збереження імпульсу, закон збереження енергії-маси.

1. Запишімо рівняння ядерної реакції відповідно до умови завдання: $$ \mathrm{_3^7Li+_2^4He\rightarrow\ _{Z}^{A}X+_3^2He}, $$ де \(\mathrm{X}\) ‒ невідома частинка, що утворилася внаслідок реакції.

У лівій і правій частинах рівняння реакції суми зарядів, як і суми мас, мають збігатися. Із відповідних рівнянь дістанемо зарядове (протонне) \(Z\) і масове (нуклонне) \(A\) числа невідомого ядра елемента \(\mathrm{X}.\)

Запишімо суму мас і суму зарядів для обох частин рівняння реакції:

\begin{gather*} 7+4=A+3,\\[7pt] 3+2=Z+2. \end{gather*}

З одержаних рівнянь маємо: $$ A=8,\ Z=3. $$

Невідомий нуклід у рівнянні – Літій \(\mathrm{_3^8Li}\) (Д).

2. Наступне рівняння $$ \mathrm{_{25}^{55}Mn+_1^1H\rightarrow\ _{Z}^{A}X+}_0^1n, $$ де \(n\) ‒ нейтрон.

Запишімо суму мас і суму зарядів для обох частин рівняння реакції:

\begin{gather*} 55+1=A+1,\\[7pt] 25+1=Z+0. \end{gather*}

З одержаних рівнянь маємо: $$ A=55,\ \ Z=26. $$

Невідомий нуклід у рівнянні – Ферум \(\mathrm{_{26}^{55}Fe}\) (В).

3. Наступне рівняння $$ \mathrm{_{\ 5}^{10}B+}_0^1n\rightarrow \mathrm{_Z^{A}X+_2^4He} $$

Запишімо суму мас і суму зарядів для обох частин рівняння реакції:

\begin{gather*} 10+1=A+4,\\[7pt] 5+0=Z+2. \end{gather*}

З одержаних рівнянь маємо: $$ A=7,\ \ Z=3. $$

Невідомий нуклід у рівнянні – Літій \(\mathrm{_{3}^{7}Li}\) (Г).

4. Наступне рівняння $$ \mathrm{_{1}^{2}H+_1^2H}\rightarrow\ _0^1n+ \mathrm{_{Z}^{A}X} $$

Запишімо суму мас і суму зарядів для обох частин рівняння реакції:

\begin{gather*} 2+2=1+A,\\[7pt] 1+1=0+Z. \end{gather*}

З одержаних рівнянь маємо: $$ A=3,\ \ Z=2. $$

Невідомий нуклід у рівнянні – Гелій \(\mathrm{_{2}^{3}He}\) (Б).

Відповідь: 1Д, 2В, 3Г, 4Б.

Пояснення

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція.

Завдання скеровано на перевірку знання одиниць фізичних величин із розділу «Магнітне поле, електромагнітна індукція».

1. Генрі (Гн) ‒ одиниця індуктивності \((L)\) в SI, названа на честь американського фізика Джозефа Генрі (1797–1878):

Індуктивність провідника дорівнює \(1\) генрі, якщо в ньому виникає ЕРС самоіндукції \((\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_{is})\) \(1\ \text{В}\) у разі зміни сили струму \((\Delta I)\) на \(1\ \text{А}\) за час \((\Delta t)\) \(1\ \text{с}.\)

Варіант відповіді ‒ Д.

2. Ват (Вт) ‒ одиниця потужності струму \((P)\) у Міжнародній системі одиниць SI, названа на честь шотландського винахідника-механіка Джеймса Ватта (1736‒1819):

\(1\) Вт ‒ це потужність струму силою \(1\ \text{А}\) на ділянці кола з напругою \(1\ \text{В}.\)

Варіант відповіді ‒ А.

3. Тесла (Тл) ‒ одиниця магнітної індукції \((B)\) у Міжнародній системі одиниць SI, названа на честь сербського фізика Ніколи Тесли (1856–1943):

$$ B=\frac{F_\text{Ампера}}{Il}\Rightarrow [B]=1\frac{\text{Н}}{\text{А}\cdot \text{м}}=1\ \text{Тл}. $$

\(1\) тесла − це магнітна індукція такого однорідного магнітного поля, яке діє з максимальною силою \((F_\text{Ампера})\) \(1\ \text{ньютон}\) на провідник завдовжки \((l)\) \(1\ \text{метр},\) сила струму \((I)\) в якому \(1\ \text{ампер}.\)

Варіант відповіді ‒ Б.

4. Фарад (Ф) ‒ одиниця електроємності у Міжнародній системі одиниць SI, названа на честь англійського фізика і хіміка Майкла Фарадея (1791‒1867):

$$ C=\frac{q}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}}\Rightarrow [C]=1\frac{\text{Кл}}{\text{В}}=1\ \text{Ф}. $$

\(1\ \text{Ф}\) ‒ це електроємність провідника, потенціал якого дорівнює \(1\ \text{В},\) коли йому надають заряд \(1\ \text{Кл}.\)

Варіант відповіді ‒ В.

Відповідь: 1Д, 2А, 3Б, 4В.

Пояснення

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння формул розділу «Механічні коливання і хвилі».

1. Потенціальна енергія \(E_p\) тіла, що здійснює горизонтальні коливання на пружині. Цю енергію має тіло внаслідок взаємодії з іншими тілами або внаслідок взаємодії частин тіла між собою (формула виводиться із геометричного змісту роботи сили пружності): $$ E_p=\frac{kx^2}{2}\ (\text{А}), $$ де \(E_p\) ‒ потенціальна енергія, \(k\) ‒ жорсткість пружини, \(x\) ‒ видовження пружини.

2. Період \(T\) коливань математичного маятника обчислюємо за формулою $$ T=2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}\sqrt{\frac lg}\ (\text{Д}), $$ де \(l\) ‒ довжина маятника; \(g\) ‒ прискорення вільного падіння.

3. Кінетична енергія \(E_k\) тіла, що здійснює коливання, $$ E_k=\frac{mv^2}{2}\ (\text{Г}), $$ де \(m\) ‒ маса тіла, \(v\) ‒ швидкість руху тіла.

4. Період \(T\) коливань тіла, що здійснює коливання на пружині, обчислюємо за формулою $$ T=2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}\sqrt{\frac mk}\ (\text{Б}), $$ де \(m\) ‒ маса тіла, \(k\) ‒ жорсткість пружини.

Відповідь: 1А, 2Д, 3Г, 4Б.

Пояснення

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Опір провідників.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння того, від яких параметрів залежить електричний опір провідника.

Опір провідника, який має незмінний поперечний переріз, обчислюють за формулою $$ R=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\frac lS, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\) ‒ питомий опір речовини, з якої виготовлено провідник; \(l\) ‒ довжина провідника; \(S\) ‒ площа поперечного перерізу провідника.

1. Неізольований металевий дріт склали вдвоє ‒ це означає, що довжина дроту зменшилася \((l_2=\frac 12 l_1),\) а площа поперечного перерізу збільшилася вдвічі \((S_2=2S_1).\)

Визначімо, як змінився опір дроту після змін:

Отже, опір провідника зменшився вчетверо ‒ варіант відповіді Г.

2. Неізольований металевий дріт протягли через волочильний верстат: довжина дроту збільшилася вдвічі, а маса не змінилася: \(l_2=2l_1,\) а якщо маса \(m\) не змінилася, то змінилася площа поперечного перерізу:

\begin{gather*} m_1=m_2,\\[7pt] \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}V_1=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}V_2\ \text{(тут }\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\ -\ \text{густина)},\\[7pt] S_1l_1=S_2l_2,\\[6pt] \frac{S_2}{S_1}=\frac{l_1}{l_2}=\frac{l_1}{2l_1}=\frac 12,\\[6pt] S_2=\frac 12S_1. \end{gather*}

Визначимо, як змінився опір дроту після змін:

Отже, опір провідника збільшився в \(4\) рази ‒ Б.

3. На неізольованому металевому дроті нарізали різьбу, унаслідок чого площа його поперечного перерізу зменшилася вдвічі по всій довжині: тобто довжина залишилася тією самою \(l_2=l_1,\) а \(S_2=\frac 12 S_1.\)

Визначимо, як змінився опір дроту після змін:

Отже, опір провідника збільшився у \(2\) рази ‒ B.

4. Неізольований металевий дріт укрили ізоляцією: довжина і площа поперечного перерізу залишилися ті самі, і матеріал дроту не змінився (питомий опір той самий).

Отже, ізоляція ніяк не впливає на опір дроту, його опір не змінився ‒ А.

Відповідь: 1Г, 2Б, 3В, 4А.

Пояснення

ТЕМА: Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Атом та атомне ядро. Методи реєстрації йонізувального випромінювання.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння методів реєстрації йонізувального випромінювання.

Камера Вільсона ‒ це трековий детектор, ємність, заповнена парою спирту або ефіру. Коли поршень різко опускають, то внаслідок адіабатного розширення пара охолоджується і стає перенасиченою. Коли в перенасичену пару потрапляє заряджена частинка, на своєму шляху вона йонізує молекули пари ‒ отримані йони стають центрами конденсації. Ланцюжок крапель cконденсованої пари, який утворюється вздовж траєкторії руху частинки (трек частинки), знімають на камеру або фотографують (див. рисунок).

Загальний принцип реєстрації йонізувального випромінювання полягає в реєстрації дії, яку чинить це випромінювання:
‒ йонізація молекул фотоемульсії ‒ використовують шари фотоемульсій;
‒ газовий розряд унаслідок йонізації молекул газу ‒ газорозрядний лічильник;
‒ випромінювання квантів світла люмінофором, на який потрапляють частинки;
‒ сцинтиляційні лічильники.

Відповідь: B.