ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Робота в термодинаміці.

Завдання скеровано на перевірку розуміння роботи в термодинаміці.

Роботу газ виконуватиме, якщо змінюватиметься його об’єм. Якщо об’єм газу збільшується, то газ виконує додатну роботу. Якщо об’єм газу зменшується, то робота газу від’ємна.

Під час ізобарного процесу роботу \(A\) газу можна визначити за формулою \begin{gather*} A=p\Delta V, \end{gather*} де \(p\) ‒ тиск, \(\Delta V\) ‒ зміна об’єму.

Скористаймося рівнянням стану ідеального газу (рівнянням Менделєєва ‒ Клапейрона): $$ p\Delta V=\frac mMR\Delta T, $$ де \(m\) ‒ маса газу, \(M\) ‒ молярна маса газу, \(R\) ‒ універсальна газова стала, \(\Delta T\) ‒ зміна абсолютної температури.

Отже, роботу, яку виконує розріджений азот, можна визначити за формулою

Відповідь: B.

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

Завдання скеровано на перевірку розуміння суті адіабатного процесу і закономірностей змін макроскопічних фізичних параметрів газу під час цього процесу.

Адіабатний процес ‒ це процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем. Під час адіабатного процесу кількість теплоти, передана системі, дорівнює нулю. Отже, варіанти відповіді, у яких зазначено, що газ отримує тепло, можна відкинути.

Перший закон термодинаміки для адіабатного процесу має вигляд: $$ \Delta U+A=0,\ \text{або}\ A=-\Delta U. $$

Це означає, що в ході адіабатного розширення газ виконує додатну роботу \(A\) за рахунок зменшення внутрішньої енергії \(\Delta U,\) температура газу знижується, тиск також знижується, а об’єм збільшується.

Отже, правильною буде відповідь, що газ не отримує тепла, а його внутрішня енергія зменшується.

Відповідь: Б.

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

Завдання скеровано на перевірку розуміння ізопроцесів і їхньої графічної інтерпретації.

Розгляньмо кожну ділянку графіка на рисунку з умови.

Ділянка 1‒2: тиск сталий \(p=\mathrm{const}\) (ізобарний процес), абсолютна температура \(T\) підвищується. Якщо зафіксувати тиск і нагрівати газ, то об’єм повинен збільшуватися. Отже, відповідно до рівняння Клапейрона для ізобарного процесу об’єм \(V\) теж збільшуватиметься: \begin{gather*} \frac VT=\mathrm{const}\Rightarrow \frac{V\uparrow}{T\uparrow}=\mathrm{const} \end{gather*} (стрілочка, напрямлена вгору, означає зростання значення величини; стрілочка, напрямлена вниз, означає зменшення значення величини).

Отже, ділянка 1‒2 графіка відповідає ізобарному нагріванню.

Ділянки 2‒3 й 4‒1 відповідають ізотермічному процесу, коли \(T=\mathrm{const},\) а тиск \(p\) зростає (див. рисунок). Це означає, що відповідно до рівняння Клапейрона для ізотермічного процесу об’єм зменшуватиметься: $$ pV=\mathrm{const}\Rightarrow p\uparrow V\downarrow =\mathrm{const}. $$

Отже, ділянки 2‒3 й 4‒1 графіка відповідають ізотермічному стисканню.

Ділянка 3‒4: якщо зафіксувати об’єм й охолоджувати газ, то тиск повинен зменшуватися. Отже, відповідно до рівняння Клапейрона для ізохорного процесу якщо температура \(T\) знижуватиметься, то й тиск теж зменшуватиметься: $$ \frac pT=\mathrm{const}\Rightarrow \frac{p\downarrow}{T\downarrow}=\mathrm{const}. $$

Отже, ділянка 3‒4 графіка відповідає ізохорному охолодженню.

Тепер за визначеними процесами знайдімо відповідний графік у системі координат \(V,\ T.\)

За першим процесом ‒ ізобарне нагрівання ‒ можемо виключити рисунок Г: на його ділянці 1‒2 температура знижується.

Процес 2‒3 ‒ це ізотермічне стискання. Виключаємо рисунок Б: на ньому ділянка графіка 2‒3 відповідає ізотермічному розширенню.

Процес 3‒4 (ізохорне охолодження) на рисунках А і В збігається.

А от за процесом 4‒1 ‒ ізотермічне стискання ‒ правильним буде лише рисунок А. На рисунку Б ділянка графіка 4‒1 відповідає ізотермічному розширенню.

Відповідь: A.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння формули-наслідку з основного рівняння молекулярно-кінетичної теорії і формули, що виражає зв’язок середньої кінетичної енергії поступального руху молекул і температури.

Тиск \(p\) газу повністю визначає його абсолютна температура \(T\) й концентрація \(n\) молекул газу: $$ p=nkT, $$ де \(k=1,38\cdot 10^{-23}\ \text{Дж/К}\) ‒ стала Больцмана.

Запишімо це рівняння до підвищення температури й після: \begin{gather*} p_1=n_1kT_1,\\[7pt] p_2=n_2kT_2. \end{gather*}

За умовою абсолютна температура підвищилася втричі: $$ T_2=3T_1. $$

Також за умовою змінилася концентрація ‒ фізична величина, яка дорівнює кількості структурних одиниць речовини \(N\) в одиниці об’єму газу \(V\) (об’єм, який займає газ у балоні, залишився незмінним, тому що балон закритий): \begin{gather*} n_1=\frac{N_1}{V},\\[6pt] n_2=\frac{N_2}{V},\\[6pt] N_2=\frac 12N_1+\frac 12N_1\cdot 2. \end{gather*}

Відповідно до умови кожна друга молекула розпалася на два атоми. Отже, $$ N_2=\frac 12N_1(1+2)=1,5N_1. $$

Тепер визначімо, у скільки разів збільшився тиск газу:

Отже, тиск газу в балоні збільшиться в 4,5 раза.

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Рівняння стану ідеального газу. Механіка. Елементи механіки рідин і газів. Тиск нерухомої рідини на дно й стінки посудини.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння зв’язку між макроскопічними параметрами газу, а також на розуміння атмосферного й гідростатичного тиску.

Виразімо зв’язок між макроскопічними параметрами повітря (тиском \(p,\) об’ємом \(V\) і температурою \(T\)) в бульбашці, коли вона перебуває на глибині (положення 1), а потім спливає до поверхні озера (положення 2) за допомогою рівняння Клапейрона (маса і молярна маса повітря в бульбашці не змінюються): \begin{gather*} \frac{p_1V_1}{T_1}=\frac{p_2V_2}{T_2}. \end{gather*}

За умовою температура стала, отже, \begin{gather*} T_1=T_2,\\[7pt] p_1V_1=p_2V_2. \end{gather*}

Тиск \(p_1\) на глибині дорівнюватиме сумі атмосферного \(p_\text{атм}\) і гідростатичного \(p_\text{гідр}\) тиску: \begin{gather*} p_1=p_\text{атм}+p_\text{гідр},\\[7pt] p_1=p_\text{атм}+\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}gh, \end{gather*} де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\) ‒ густина рідини, \(g\) ‒ прискорення вільного падіння, \(h\) ‒ глибина.

А тиск біля поверхні дорівнює атмосферному тиску: \begin{gather*} p_2=p_\text{атм}. \end{gather*}

Запишімо відношення об’ємів, підставивши вирази для тисків:

Отже, об’єм бульбашки збільшиться у 2,5 раза.

Відповідь: B.

ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Рух тіл під дією однієї або кількох сил.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння руху тіла під дією кількох сил, уміння застосовувати другий закон Ньютона.

За умовою брусок із тягарцями тягнуть прямолінійно рівномірно. Назвімо сили, що діють на цю систему тіл: сила тяжіння \(\overrightarrow{F}_\text{тяжіння}\) (напрямлена вертикально вниз), сила нормальної реакції опори \(\overrightarrow{N}\) (напрямлена вертикально вгору, за модулем дорівнює силі тяжіння), сила тяги \(\overrightarrow{F}_\text{тяги}\) (визначаємо за показами динамометра на фотографії 1 в умові; за модулем дорівнює силі пружності, що виникає в пружині динамометра), сила тертя ковзання \(\overrightarrow{F}_\text{тертя}\) (напрямлена протилежно до сили, з якою тягнуть брусок, за модулем дорівнює цій силі тяги).

Запишімо другий закон Ньютона: $$ m\overrightarrow{a}=\overrightarrow{F}_\text{тяжіння}+\overrightarrow{N}+\overrightarrow{F}_\text{тяги}+\overrightarrow{F}_\text{тертя}. $$

Вертикально напрямлені сили \(\overrightarrow{F}_\text{тяжіння}\) і \(\overrightarrow{N}\) скомпенсовані, оскільки рух за умовою горизонтальний: $$ F_\text{тяжіння}=N. $$

Рух рівномірний, а отже, прискорення \(\overrightarrow{a}\) дорівнює нулю: $$ 0=F_\text{тяги}-F_\text{тертя}. $$

Знак мінус, тому що сили напрямлені протилежно.

Визначімо коефіцієнт тертя між бруском і рейкою: $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\mu}=\frac{F_\text{тяги}}{F_\text{тяжіння}}. $$

Силу тяги визначімо за показами динамометра на рисунку 1: $$ F_\text{тяги}=0,9\ \text{Н}. $$

Силу тяжіння визначімо за показами динамометра на рисунку 2: \begin{gather*} F_\text{тяжіння}=3,6\ \text{Н},\\[7pt] \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\mu}=\frac{F_\text{тяги}}{F_\text{тяжіння}}=\frac{0,9\ \text{Н}}{3,6\ \text{Н}}=0,25. \end{gather*}

Відповідь: Г.

ТЕМА: Механіка. Закони збереження в механіці. Кінетична і потенціальна енергія.

Завдання скеровано на перевірку розуміння графіків, що описують прямолінійний рівноприскорений вертикальний рух (під дією постійної сили тяжіння), і на розуміння функціональної залежності фізичних величин, що описують цей рух.

Потенціальною енергією \(E_\text{п}\) піднятого на висоту \(h\) тіла масою \(m\) називають величину $$ E_\text{п}=mgh, $$ де \(g\) ‒ прискорення вільного падіння.

Потенціальна енергія піднятого тіла залежить від висоти, на якій перебуває тіло, тобто залежить від вибору нульового рівня, ‒ рівня, від якого відлічуватимуть висоту. Запишімо кінематичне рівняння, яке показує залежність висоти \(h\) тіла, що за умовою вільно падає (початкова швидкість \(v_0=0\)), від часу \(t:\)

За умовою завдання пластилінова кулька перебувала спочатку на певній висоті \(h_0.\) Із часом висота кульки над підлогою зменшувалася. Тож графіки А і В не відповідають цій умові, бо вони показують збільшення потенціальної енергії із часом.

Оскільки висота пропорційна часу в другому степені $$ h\sim t^2, $$ то залежність буде квадратичною (графік Г ‒ це лінійна залежність), а схематичним графіком буде вітка параболи. Тобто цим умовам відповідає графік Б.

Горизонтальна ділянка графіка, що збігається з віссю часу, коли вже потенціальна енергія дорівнює нулю, відповідає тій умові завдання, що кульку зроблено з пластиліну, тобто після непружного удару об підлогу вона не підскочить знову на певну висоту.

Відповідь: Б.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття відносності руху, додавання швидкостей і знання властивостей зображення, що дає плоске дзеркало.

Намалюємо пояснювальний рисунок: початок координат пов’яжемо з точкою \(O\) на поверхні Землі, з якої камінець кинули під кутом до горизонту; вісь \(Oy\) спрямуємо вертикально вгору; вісь \(Ox\) ‒ горизонтально.

У вибраній системі відліку рух уздовж осі \(Ox\) ‒ рівномірний: $$ v_{0x}=v_0\cos\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}, $$ рух уздовж осі \(Oy\) ‒ рівноприскорений: $$ v_{0y}=v_0\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}. $$

У найвищій точці своєї траєкторії ‒ точці \(A\) швидкість руху камінця відносно поверхні озера становитиме \(v_{0x}=v_0\cos\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha},\) оскільки вертикальний складник швидкості \(v_{0y}\) дорівнюватиме нулю ‒ камінець на мить перестане підійматися і після цього почне падати, одночасно рухаючись горизонтально.

Зображення камінця в дзеркальній поверхні озера рухатиметься з тією ж швидкістю \(v_{0x}=v_0\cos\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\) і в той самий бік, що й сам камінець (за властивостями зображення, яке дає плоске дзеркало).

Один відносно одного камінець і зображення в ту мить, коли камінець перебуває на максимальній висоті підйому і ще не почав падати, але перестав підійматися, не рухатимуться. Тобто вони й не наближаються і не віддаляються, а швидкість руху камінця відносно його зображення в цю мить дорівнюватиме нулю.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Інерціальні системи відліку.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття інерціальних систем відліку, а також фізичних величин у цих системах.

Інерціальною системою відліку називають систему відліку, відносно якої спостерігають явище інерції.

Інерцією називають явище збереження тілом стану спокою або рівномірного прямолінійного руху за умови, що на нього не діють інші тіла й поля або їхні дії скомпенсовані.

Систему відліку утворюють тіло відліку, пов’язана з ним система координат і прилад для відліку часу.

Швидкість руху досліджуваного тіла, його переміщення і напрямок руху залежатимуть від того, що буде вибрано за тіло відліку, з якою сталою швидкістю воно рухатиметься, як будуть зорієнтовані осі координат. Наприклад, якщо розглядати рух автомобіля в потоці відносно інших машин, то його швидкість може дорівнювати нулю, а відносно дерева на тротуарі автомобіль рухатиметься з певною швидкістю. Або якщо змінимо напрямок осі на протилежний, то напрямок руху автомобіля відносно до напрямку осі теж зміниться на зворотний.

Натомість прискорення залишиться незмінною величиною в будь-якій інерціальній системі відліку. Зміна швидкості руху тіла буде однаковою відносно систем відліку, що зберігають стан спокою або рухаються з певною сталою швидкістю.

Відповідь: Б.