Пояснення

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Закон Ома для повного кола. Закон Джоуля-Ленца.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння закону Джоуля ‒ Ленца й закону Ома для повного кола.

Відповідно до 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: \begin{gather*} Q=I^2Rt. \end{gather*}

За умовою до того самого резистора опором \(R=1\ \text{Ом}\) на рівні проміжки часу \(t\) приєднували різні батареї гальванічних елементів, кожна зі своєю електрорушійною силою \(\varepsilon\) і внутрішнім опором \(r.\)

Отже, змінною буде лише сила струму. А кількість теплоти, що виділиться в резисторі, залежатиме від сили струму: \begin{gather*} Q\sim I^2. \end{gather*}

Визначмо силу струму для кожної батареї гальванічних елементів, скориставшись законом Ома для повного кола:

\begin{gather*} I=\frac{\varepsilon}{R+r},\\[6pt] I_\text{А}=\frac{1{,}5\ \text{В}}{1\ \ \text{Ом}+0{,}2\ \ \text{Ом}}=1{,}25\ \ \text{А},\\[6pt] I_\text{Б}=\frac{3\ \text{В}}{1\ \ \text{Ом}+0{,}5\ \ \text{Ом}}=2\ \ \text{А},\\[6pt] I_\text{В}=\frac{6\ \text{В}}{1\ \ \text{Ом}+1{,}5\ \ \text{Ом}}=2{,}4\ \ \text{А},\\[6pt] I_\text{Г}=\frac{9\ \text{В}}{1\ \ \text{Ом}+3\ \ \text{Ом}}=2{,}25\ \ \text{А}. \end{gather*}

Найбільший струм \(I_\text{В}=2{,}4\ \ \text{А}\), отже, найбільша кількість теплоти виділиться в резисторі, якщо до нього приєднати батарею гальванічних елементів В.

Відповідь: B.

Пояснення

ТЕМА: Електродинаміка. Електричний струм у різних середовищах. Залежність опору металів від температури.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння залежності опору провідника від температури, уміння тлумачити за графіком залежність величин.

Опір \(R\) металевого провідника залежить від його геометричних розмірів (\(l\) – довжина, \(S\) – площа поперечного перерізу) і речовини (\(\rho\) – густина), з якої він виготовлений: \begin{gather*} R=\rho\frac lS. \end{gather*}

Також на опір провідника впливає температура (це обґрунтовано в квантовій теорії електропровідності металів). Досліди свідчать: якщо температура \(t\) металу є не надто низькою і не надто високою \((t\lt t_\text{плавлення})\), питомий опір металу й опір металевого провідника залежать від температури майже лінійно (див. рисунок):

\begin{gather*} \rho=\rho_0(1+\alpha t),\\[7pt] R=R_0(1+\alpha t), \end{gather*} де \(\rho_0\), \(R_0\) − відповідно питомий опір і опір провідника за температури \(0\ ^\circ\mathrm{C}\); \(\rho\), \(R\) − відповідно питомий опір й опір провідника за температури \(t\); \(\alpha\) − температурний коефіцієнт електричного опору.

Розгляньмо вольт-амперну характеристику металевої дротини (див. рисунок в умові).

Зафіксуймо на рисунку певне значення напруги й проаналізуймо, якою буде сила струму.

За законом Ома для ділянки кола

\begin{gather*} R=\frac UI\Rightarrow R\sim \frac 1I. \end{gather*}

Отже, за однакової напруги внаслідок нагрівання до різних температур \(I_3\lt I_2\lt I_1.\) Відповідно до оберненої залежності сили струму і опору \(R_1\lt R_2\lt R_3.\) Зваживши на пряму залежність опору від температури, робимо висновок, що \begin{gather*} T_1\lt T_2\lt T_3. \end{gather*}

Також можна проаналізувати кут нахилу графіків: що менший кут нахилу графіка, то більший опір, а отже, найбільша температура.

Відповідь: B.

Пояснення

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння сили, що діє з боку магнітного поля на рухому заряджену частинку, − сили Лоренца, і вміння визначати напрямок її дії за правилом лівої руки.

Напрямок сили Лоренца визначають за правилом лівої руки: лінії магнітної індукції «ловимо» в долоню, чотири витягнуті пальці спрямовуємо за напрямком руху позитивно зарядженої частинки (або протилежно до руху негативно зарядженої), і тоді відігнутий на \(90^\circ\) великий палець буде спрямовано так само, як сила Лоренца (див. рисунки).

Застосуймо правило до ситуацій в умові.

У ситуації А сила Лоренца напрямлена до нас перпендикулярно до площини рисунка.

У ситуації Б сила Лоренца не діє на позитивно заряджену частинку, оскільки напрямок вектора швидкості частинки збігається з напрямком вектора магнітної індукції, кут між цими векторами дорівнює нулю, отже,

\begin{gather*} F_\text{Л}=|q|Bv\sin \alpha,\\[7pt] \sin 0^\circ=0,\\[7pt] F_\text{Л}=0. \end{gather*}

У ситуації В сила Лоренца напрямлена до нас перпендикулярно до площини рисунка.

У ситуації Г сила Лоренца напрямлена вертикально вгору в площині рисунка.

Відповідь: Б.

Пояснення

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Електромагнітні коливання і хвилі. Власна частота і період електромагнітних коливань. Формула Томсона.

Завдання скеровано на перевірку знання й уміння визначати період і частоту коливань коливального контуру.

Період \(T\) власних електромагнітних коливань у коливальному контурі визначають за формулою Томсона: \begin{gather*} T=2\pi\sqrt{LC}, \end{gather*} де \(L\) ‒ індуктивність котушки, \(C\) ‒ електроємність конденсатора.

Частота \(\nu\) власних коливань у контурі ‒ це фізична величина, обернена до періоду:

\begin{gather*} \nu=\frac 1T=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}. \end{gather*}

Коли перемикач П буде в положенні 1, то частота становитиме \begin{gather*} \nu_1=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}, \end{gather*} а коли в положенні 2, то

\begin{gather*} \nu_2=\frac{1}{2\pi\sqrt{L\cdot 4C}}=\frac 12\cdot \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}=\frac 12\nu_1. \end{gather*}

Тобто внаслідок збільшення електроємності конденсатора вчетверо частота коливань зменшиться вдвічі.

Відповідь: Б.

Пояснення

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння законів відбивання і заломлення світла, а також уміння визначати шуканий кут за геометричними побудовами.

Закони відбивання світла:

1. Промінь, що падає, промінь відбитий і перпендикуляр до поверхні відбивання, проведений із точки падіння променя, лежать в одній площині.

2. Кут відбивання світла дорівнює куту його падіння: \begin{gather*} \alpha=\beta. \end{gather*}

За умовою: \begin{gather*} \alpha=\beta=45^\circ. \end{gather*}

Перший закон заломлення світла: промінь, який падає, промінь заломлений і перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, проведений із точки падіння променя, лежать в одній площині.

Кут, утворений заломленим променем і перпендикуляром до межі поділу двох середовищ, проведеним із точки падіння променя, називають кутом заломлення \(\gamma.\)

За умовою: \begin{gather*} \gamma=15^\circ. \end{gather*}

Продовженням початкового напрямку променя \(AO\) є промінь \(OD.\) Кут відхилення заломленого променя від початкового напрямку позначмо \(\varphi.\)

Як видно з рисунка, кути \(AOB\) і \(COD\) вертикальні, отже рівні:

\begin{gather*} \angle AOB=\angle COD=45^\circ. \end{gather*}

Тоді кут відхилення заломленого променя від початкового напрямку дорівнюватиме:

\begin{gather*} \varphi=\angle DOE=\angle COD-\angle COE=45^\circ-15^\circ=30^\circ. \end{gather*}

Відповідь: Б.

Пояснення

ТЕМА: Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Світлові кванти. Кванти світла (фотони).

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння формули Планка, формули хвилі, імпульсу фотона.

Імпульс фотона дорівнює відношенню його енергії \(E\) до швидкості \(c\) руху та обернено пропорційний довжині \(\lambda\) хвилі фотона:

\begin{gather*} p=\frac Ec=\frac{h\nu}{c}=\frac{h}\lambda. \end{gather*}

За гіпотезою Планка випромінювання електромагнітних хвиль атомами і молекулами речовини відбувається не безперервно, а дискретно, тобто окремими порціями, енергія \(E\) кожної з яких прямо пропорційна частоті \(\nu\) випромінювання: \begin{gather*} E=h\nu, \end{gather*} де \(h\) ‒ стала Планка.

Для вакууму формула хвилі має вигляд \begin{gather*} c=\lambda\nu, \end{gather*} звідки \begin{gather*} \lambda=\frac{c}{\nu}. \end{gather*}

Імпульс фотона до змін: \begin{gather*} p_1=\frac{h}{\lambda_1}. \end{gather*}

Після збільшення довжини хвилі вдвічі:

\begin{gather*} p_2=\frac{h}{\lambda_2}=\frac{h}{2\lambda_1}=\frac 12p_1. \end{gather*}

Отже, імпульс \(p_2\) зменшився вдвічі.

Відповідь: B.

Пояснення

Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Атом та атомне ядро. Утворення лінійчастого спектра.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння спектрального аналізу й уміння визначати хімічний склад речовин за лінійчастим спектром.

Під час нагрівання атоми переходять у збуджений стан. Повертаючись в основний стан, атоми випромінюють електромагнітні хвилі (відповідно до постулатів Бора ‒ чітко визначених частот, а отже, і довжин). Наприклад, для Натрію найбільша інтенсивність випромінювання припадає на довжини хвиль, які відповідають світлу жовтого кольору (рис. a).

Численні дослідження довели, що за нагрівання до дуже високої температури атоми будь-якого хімічного елемента можуть випромінювати світло, вузький пучок якого розкладається призмою на кілька пучків. Якщо газ розріджений і перебуває в атомарному (не молекулярному) стані, то на екрані спектрографа спостерігаються різнокольорові лінії, розділені широкими темними смугами. Сукупність цих ліній називають лінійчастим спектром випромінювання (рис. б).

Лінійчастий спектр будь-якого хімічного елемента не збігається з лінійчастим спектром інших хімічних елементів, а отже, є своєрідною «візитівкою» елемента, адже кожний газ в атомарному стані дає власний набір ліній спектра (власний чітко визначений набір довжин хвиль). Ці лінії завжди розташовані в тих самих місцях спектра, незалежно від способу збудження атомів. Зараз визначено спектри всіх атомів і складено таблиці спектрів. За інтенсивністю випромінювання можна визначити концентрацію певних елементів у розрідженому газі: що більше атомів певного хімічного елемента в суміші газів, то яскравіші відповідні лінії в спектрі випромінювання або темніші ‒ у спектрі поглинання. Метод якісного і кількісного визначення складу речовини за її спектром називають спектральним аналізом.

Визначити склад речовини, яка перебуває у твердому або рідкому стані, за допомогою спектрального аналізу неможливо ‒ спочатку її треба перевести в газуватий стан.

Отже, розглянувши рисунок в умові завдання, доходимо висновку, що в зразку невідомої речовини містяться атоми Стронцію (є повний збіг ліній спектра Стронцію з лініями спектра невідомої речовини), але не містяться атоми Кальцію (немає збігів).

Відповідь: Г.

Пояснення

ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Гравітаційні сили. Невагомість. Механіка. Елементи механіки рідин і газів. Архімедова сила. Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Капілярні явища.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння фізичних явищ.

(1 − Г) Капілярні явища − це піднімання або опускання рідини в тонких трубках (капілярах) порівняно з рівнем цієї рідини в широких посудинах, спричинене змочуванням або незмочуванням.

Змочування: сили притягання між молекулами рідини та твердого тіла сильніші за сили притягання між молекулами рідини. Рідина «розтікається» по поверхні. У капілярі утворюється ввігнутий меніск (викривлена поверхня), і рідина підіймається вище від рівня навколишньої рідини (рис. a).

Прикладом є вода на склі, вода в ґрунті та стеблах рослин.

Незмочування: сили притягання між молекулами рідини сильніші за сили притягання між молекулами рідини та твердого тіла. Рідина збирається у краплі. У капілярі утворюється випуклий меніск (викривлена поверхня), і рівень рідини в капілярі опускається нижче від рівня навколишньої рідини (рис. б).

Прикладом є крапля жиру на воді, вода на парафіні.

(2 − Б) На занурений у рідину кубик з усіх боків діють сили гідростатичного тиску рідини (див. рисунок).

Сили гідростатичного тиску \(\overrightarrow{F}_3\) і \(\overrightarrow{F}_4\), що діють на бічні грані кубика, протилежні за напрямком і рівні за значенням, оскільки площі бічних граней однакові й ці грані розташовані на однаковій глибині. Такі сили зрівноважують одна одну. А от сили гідростатичного тиску \(\overrightarrow{F}_1\) і \(\overrightarrow{F}_2\), що відповідно діють на верхню і нижню грані кубика, одна одну не зрівноважують. На верхню грань кубика діє сила тиску \(\overrightarrow{F}_1{:}\)

\begin{gather*} F_1=p_1S=\rho_\text{рід}gh_1S, \end{gather*}

де \(p_1=\rho_\text{рід}gh_1\) − гідростатичний тиск рідини, \(S\) − площа грані.

Аналогічно на нижню грань кубика діє сила тиску \(\overrightarrow{F}_2{:}\)

\begin{gather*} F_2=p_2S=\rho_\text{рід}gh_2S, \end{gather*}

Нижня грань перебуває на більшій глибині, ніж верхня \((h_2\gt h_1)\), тому сила тиску \(F_2\) більша за силу тиску \(F_1.\) Рівнодійна цих сил дорівнює різниці значень сил \(F_2\) і \(F_1\) і напрямлена в бік дії більшої сили, тобто вертикально вгору.

Вертикально вгору на кубик, занурений у рідину, діє сила, зумовлена різницею тисків на його нижню і верхню грані, − виштовхувальна сила, вона ж архімедова сила:

\begin{gather*} F_\text{вишт}=F_\text{арх}=F_2-F_1. \end{gather*}

(3 − А) Припливи і відпливи − періодичні коливання рівня Океану і морів, спричинені гравітаційною взаємодією Землі, Місяця і Сонця. Уважають, що сили тяжіння Місяця і Сонця порушують рівномірність обертальних рухів Землі, викликаючи гравітаційні прискорення, що впливають на переміщення речовини в надрах Землі і припливи та відпливи водних мас на її поверхні. Величина припливів і відпливів залежить і від інших чинників − обертання Землі, розташування Місяця і Сонця відносно Землі, висота Місяця над екватором Землі, форми і структури морських басейнів, розподілу їхніх глибин, конфігурації берегової лінії, сили вітру, атмосферного тиску тощо. Звичайні (найменші) припливи відбуваються, коли сили тяжіння Місяця і Сонця діють під прямим кутом, тобто майже максимально віддалені одна від одної. Більші (іноді втричі) припливи бувають, коли Місяць і Сонце займають положення майже на одній лінії із Землею і їхні сили тяжіння діють уздовж одного напрямку.

(4 − В) Невагомість − це стан тіла, за якого вага тіла дорівнює нулю.

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

Падіння тіл у безповітряному просторі, тобто падіння лише під дією сили тяжіння, називають вільним падінням.

У стані невагомості не лише тіло не тисне на опору, а й частини тіла не тиснуть одна на одну; космонавт на орбіті (на орбіті космічний корабель рухається лише під дією сили тяжіння) не відчуває своєї ваги, предмет, випущений із його рук, нікуди не падає.

Річ у тім, що сила тяжіння надає кожному тілу та будь-якій частині тіла однакового прискорення – прискорення вільного падіння.

Відповідь: 1Г, 2Б, 3А, 4В.

Пояснення

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Закони заломлення світла. Інтерференція світла та її практичне застосування. Дифракція світла. Дисперсія світла. Поляризація світла.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння явищ хвильової і геометричної оптики.

(1 − В) Зміна швидкості поширення світла в разі переходу з першого прозорого середовища в друге прозоре – заломлення.

Відносний показник \(n_{21}\) заломлення показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі \(1\) більша (або менша), ніж швидкість поширення світла в середовищі \(2\) (\(\alpha\), \(\beta,\ \gamma\) – кути падіння, відбивання, заломлення відповідно): \begin{gather*} n_{21}=\frac{v_1}{v_2}. \end{gather*}

Саме зміна швидкості поширення світла в разі його переходу з першого прозорого середовища в друге є причиною заломлення світла.

Зазвичай говорять про оптичну густину середовища: що більшою є оптична густина середовища, то меншою є швидкість поширення світла в цьому середовищі. Наприклад, оптична густина води менша від оптичної густини алмазу, відповідно швидкість світла у воді більша, ніж в алмазі.

(2 − Б) Залежність абсолютного показника заломлення середовища від частоти світлової хвилі – дисперсія.

Дисперсією світла називають явище розкладання світла у спектр, зумовлене залежністю абсолютного показника заломлення середовища від частоти світлової хвилі.

Згідно з хвильовою теорією світла, його колір визначено частотою електромагнітної хвилі. Найменшу частоту має червоне світло, найбільшу – фіолетове.

Результати дослідів Ньютона: 1) призма не забарвлює біле світло, а розкладає його в спектр; 2) пучок білого світла складається з багатьох різнокольорових пучків; 3) показник заломлення середовища для променів різного кольору є різним.

Для більшості середовищ абсолютний показник заломлення зростає зі збільшенням частоти світла.

Зверніть увагу: унаслідок переходу з одного середовища в інше швидкість \(v\) поширення світла змінюється, але частота \(\nu\) світлової хвилі, а отже, і колір світла залишаються незмінними.

(3 − Г) Накладання когерентних хвиль, унаслідок якого перерозподіляється інтенсивність світла у просторі – інтерференція.

Інтерференція − явище накладання хвиль, унаслідок якого в деяких точках простору спостерігають стійке в часі посилення (або послаблення) результувальних коливань.

Унаслідок поширення світлової хвилі в кожній точці простору її поширення відбувається періодична зміна напруженості та магнітної індукції електромагнітного поля.

Якщо через деяку точку простору поширюються дві світлові хвилі, то напруженості полів векторно додають (так само додають і вектори магнітної індукції). Результувальна напруженість характеризуватиме світлову енергію, що надходить у цю точку: що більша напруженість, то більша енергія, яка надходить.

Коли напрямки напруженостей полів двох світлових хвиль, що приходять у певну точку, збігаються, результувальна напруженість збільшується. Тому в цій точці спостерігають максимальне збільшення освітленості.

І навпаки, коли напруженості полів напрямлені протилежно, результувальна напруженість зменшується («світло гаситиме світло»).

Зверніть увагу: під час інтерференції енергія не зникає − відбувається її перерозподіл у просторі.

(4 − А) Відхилення від прямолінійного поширення світла, обгинання світловими хвилями перешкод – дифракція.

Явище обгинання хвилями перешкод або будь-яке інше відхилення поширення хвилі від законів геометричної оптики називають дифракцією.

Також дифракцією світла називають обгинання світловими хвилями межі непрозорих тіл і проникнення світла в ділянку геометричної тіні.

Дифракція властива будь-яким хвилям незалежно від їхньої природи. Дифракцію спостерігають у двох випадках:

1) коли лінійні розміри перешкод, на які падає хвиля (або розміри отворів, через які хвиля поширюється), порівняні з довжиною хвилі;

2) коли відстань від перешкоди до місця спостереження набагато більша за розмір перешкоди.

Хвилі, що обгинають перешкоду, когерентні, тому дифракцію завжди супроводжує інтерференція. Інтерференційну картину, отриману внаслідок дифракції, називають дифракційною картиною.

Поляризація світла – це явище, за якого коливання електромагнітної хвилі (вектора електричного поля) в поперечній хвилі обмежено певною площиною.

Наприклад, природне світло не поляризоване, його коливання відбуваються у всіх можливих площинах, перпендикулярних до напрямку поширення.

Відповідь: 1В, 2Б, 3Г, 4А.