ТЕМА: Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Світлові кванти. Застосування фотоефекту в техніці.

Завдання скеровано на перевірку розуміння суті фотоефекту й уміння застосовувати знання про це явище.

Супроводжувану випромінюванням (емісією) електронів взаємодію світла з речовиною називають фотоефектом.

Розрізняють зовнішній фотоефект, за якого фотоелектрони вилітають за межі тіла, і внутрішній фотоефект, за якого електрони, «вирвані» світлом із молекул й атомів, залишаються всередині тіла.

Фотоефект широко застосовують у пристроях для перетворення світлових сигналів на електричні або для безпосереднього перетворення світлової енергії на електричну.

Відповідь: A.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Закони заломлення світла.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння законів заломлення світла.

Світловий промінь \(1\) проходить через межу в середовище \(2,\) змінюючи, зазвичай, напрямок (див. рисунок). Отже, твердження А – неправильне.

Зміну напрямку поширення світла в разі його проходження через межу поділу двох середовищ називають заломленням світла. Промінь \(2,\) який задає напрямок заломленого пучка світла, називають заломленим променем. Кут \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\) між падаючим променем \(1\) і перпендикуляром до межі поділу двох середовищ називають кутом падіння. Кут \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\gamma},\) утворений заломленим променем \(2\) і перпендикуляром до межі поділу двох середовищ, проведеним із точки падіння променя, називають кутом заломлення. З рисунка видно, що кут падіння менший за кут заломлення, отже, твердження Б є неправильним.

Оскільки кут падіння менший за кут заломлення, то це означає, що промінь переходить з оптично густішого середовища в оптично менш густе. І тоді швидкість світла в середовищі \(1\) менша, ніж у середовищі \(2.\) Твердження В ‒ правильне.

Під час переходу з одного середовища в інше швидкість \(v\) поширення світла змінюється, але частота \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\nu}\) світлової хвилі, і, відповідно, колір світла залишаються незмінними. За формулою хвилі $$ v=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\nu} $$ змінюється довжина \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}\) світлової хвилі. Під час переходу в середовище \(2\) з меншою оптичною густиною довжина хвилі, як і її швидкість, збільшується: $$ \frac{v_1}{v_2}=\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}_1}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}_2}. $$

Тобто твердження Г – неправильне.

Відповідь: B.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Електромагнітні коливання і хвилі. Електромагнітні коливання в коливальному контурі.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння того, як змінюються фізичні величини під час електромагнітних коливань у коливальному контурі.

У коливальному контурі виникають електромагнітні коливання, якщо зарядити конденсатор. На обкладках конденсатора накопичиться деякий електричний заряд \(q,\) а між обкладками виникне електричне поле, енергія \(W_\text{ел}\) якого дорівнює (\(C\) ‒ електроємність конденсатора): $$ W_\text{ел}=\frac{q^2}{2C}. $$

Якщо після зарядки конденсатор замкнути на котушку індуктивності, то під дією електричного поля конденсатора вільні заряджені частинки в контурі почнуть рухатися напрямлено. У контурі виникне електричний струм \(i,\) а конденсатор почне розряджатися. Тобто заряд конденсатора зменшуватиметься, а отже й енергія електричного поля конденсатора меншатиме, оскільки вона прямо пропорційна квадрату заряду.

Під час того як конденсатор розряджатиметься, сила струму в контурі збільшуватиметься, а магнітне поле посилюватиметься, зростатиме його силова характеристика ‒ модуль магнітної індукції магнітного поля котушки. Оскільки енергія магнітного поля \(W_\text{маг}\) котушки (\(L\) ‒ індуктивність котушки) $$ W_\text{маг}=\frac{Li^2}{2} $$ прямо пропорційна силі струму \(i\) в ній, збільшуватиметься й енергія магнітного поля.

Тож єдина з поданих фізична величина, яка зменшуватиметься під час розрядження конденсатора, ‒ це енергія електричного поля.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Електромагнітні коливання і хвилі. Вільні електромагнітні коливання в коливальному контурі.

Завдання скеровано на перевірку знання суті і розуміння закономірностей коливального процесу в коливальному контурі, а також уміння описувати цей процес відповідним рівнянням.

Коливання (зміна значень напруги) у коливальному контурі відбуваються за гармонічним законом (законом косинуса або синуса): \begin{gather*} u=U_{max}\cos\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}t,\\[7pt] \text{або}\\[7pt] u=U_{max}\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}t, \end{gather*} де \(u\) – миттєве значення напруги, \(U_{max}\) – амплітудне значення напруги, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}\) – циклічна частота напруги, \(t\) – час.

В умові не задано амплітудне значення напруги, тож зосередимося на визначенні циклічної частоти \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}:\) $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}=\frac{2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}}{T}, $$ де \(T\) – період коливань.

Період власних електромагнітних коливань у коливальному контурі визначають за формулою Томсона: $$ T=2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}\sqrt{LC}, $$ де \(L\) – індуктивність котушки, \(C\) – електроємність конденсатора.

Отже, за цих умов єдиним рівнянням, що описує залежність напруги \(u\) в котушці від часу \(t,\) може бути рівняння $$ u=0,5\cos2000t. $$

Відповідь: Б.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння гармонічних коливань, а також уміння правильно їх описувати за допомогою графіків.

За умовою коливання є гармонічними, тож координата \(x\) тіла, що коливається, змінюється з часом \(t\) за законом косинуса (або синуса):

де \(A\) ‒ амплітуда коливань (найбільше зміщення тіла від положення рівноваги), \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}\) ‒ циклічна частота коливань, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_0\) ‒ початкова фаза коливань. Ці рівняння називають рівняннями гармонічних коливань.

Крива \(x(t),\) зображена на рисунку \(A,\) ‒ синусоїда; \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_0=0\) (оскільки графік проходить через початок координат): $$ x=A\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}t. $$

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

Коли координата тіла змінюється за гармонічним законом (за законом косинуса або синуса), швидкість і прискорення руху тіла теж змінюються гармонічно. Швидкість руху тіла ‒ це похідна від зміщення тіла за часом:

Функція залежності модуля імпульсу тіла від часу матиме вигляд $$ p=mv=mA\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}\cos\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}t. $$

Графіком такої функції \(p(t)\) буде косинусоїда, тобто на рисунку Б це графік \(2.\)

Відповідь: B.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння видів механічних коливань, і вміння розпізнавати їх у конкретних прикладах.

Вільні коливання ‒ це коливання, які відбуваються під дією внутрішніх сил системи після того, як її було виведено з положення рівноваги. Щоб у коливальній системі виникли вільні коливання, необхідне виконання двох умов: 1) системі має бути передано надлишкову енергію; 2) тертя в системі має бути досить малим, інакше коливання швидко затухнуть або навіть не виникнуть. Оскільки під час вільних коливань система не отримує енергію ззовні, то вільні коливання ‒ це завжди згасні коливання.

З усіх наведених ситуацій прикладом вільних коливань є коливання гілочки, з якої щойно злетіла пташка ‒ пташка вивела гілочку із стану рівноваги, один раз штовхнувши її лапками (передала енергію), поступово ці коливання затухнуть унаслідок дії сил пружності і опору повітря.

Коливання занавіски біля прочиненого вікна під дією протягу й коливання буйка під дією хвиль можна вважати вимушеними: на занавіски діє зовнішня сила, що періодично змінюється, ‒ протяг, а буйок піднімається й опускається разом із хвилями на поверхні води. Такі коливання зазвичай незгасні, їхня частота дорівнює частоті зміни зовнішньої сили, що змушує тіло коливатися.

Коливання голки швацької машинки, що працює, ‒ це автоколивання. Ці коливання є незгасними й відбуваються внаслідок здатності системи самостійно регулювати надходження енергії від постійного джерела.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Сила Лоренца.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння сил електромагнітної природи.

Магнітне поле діє на провідник зі струмом із певною силою ‒ силою Ампера.

Оскільки електричний струм ‒ це напрямлений рух заряджених частинок, виникнення сили Ампера є результатом дії магнітного поля на окремі заряджені частинки, що рухаються в провіднику. Силу, з якою магнітне поле діє на одну рухому заряджену частинку, називають силою Лоренца. Тобто, на електрон, що влітає в магнітне поле, діятиме сила Лоренца.

Стала Фарадея ‒ фізична стала, заряд електронів кількістю речовини \(1\ \text{моль}\) (але не сила Фарадея).

Сила Кулона ‒ це сила взаємодії між нерухомими точковими зарядами.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Закон Джоуля ‒ Ленца.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння закону, що визначає кількість теплоти, яка виділяється в провіднику зі струмом і яку він віддає довкіллю ‒ закону Джоуля ‒ Ленца.

Кількість теплоти \(Q,\) яка виділяється в провіднику зі струмом, прямо пропорційна квадрату сили струму \(I,\) опору \(R\) провідника й часу \(t\) проходження струму: $$ Q=I^2Rt. $$

Цією формулою описують закон Джоуля ‒ Ленца. Запишімо його до і після змін параметрів (за умовою \(I_1=I_2,\) \(R_2=2R_1,\) \(t_2=2t_1\)):

Відповідь: Б.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння потужності струму й параметрів, від яких вона залежить.

Потужність струму \(P\) ‒ фізична величина, яка чисельно дорівнює роботі струму \(A\) за одиницю часу \(t:\) $$ P=\frac At. $$

Узявши до уваги, що $$ A=UIt, $$ маємо $$ P=UI, $$ де \(U\) ‒ напруга на ділянці кола, на якій визначають потужність струму; \(I\) ‒ сила струму в ділянці.

Фізична величина, що характеризує саме провідник (спіраль електричного нагрівника) ‒ це електричний опір. За допомогою закону Ома для ділянки кола покажемо, як залежить потужність від опору й, відповідно, від параметрів спіралі: \begin{gather*} I=\frac UR,\\[6pt] P=UI=U\cdot \frac UR=\frac{U^2}{R}. \end{gather*}

Опір провідника, який має незмінний поперечний переріз: $$ R=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\frac lS, $$ 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: $$ P=\frac{U^2}{R}=\frac{U^2\cdot S}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}l}. $$

За умовою напруга в мережі стала, залежністю електричного опору від температури можна знехтувати. Отже, потужність нагрівача буде обернено пропорційна до його довжини: $$ P\sim \frac 1l. $$

Визначімо відношення потужності нагрівача після вкорочення його вдвічі до початкової його потужності: $$ \frac{P_2}{P_1}=\frac{1}{l_2}:\frac{1}{l_1}=\frac{l_1}{l_2}=\frac{l_1}{\frac 12 l_1}=2. $$

Отже, потужність \(P_2\) нагрівника збільшилася вдвічі.

Відповідь: B.