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

Завдання скеровано на перевірку розуміння ізопроцесів і їхньої графічної інтерпретації.

1. Розгляньмо, які з графіків відповідають ізотермічному процесу ‒ \(T=\mathrm{const}.\) Це графіки на рисунках А і Б ‒ тиск змінюється, температура залишається сталою. Процес розширення означає, що об’єм \(V\) збільшується, а тиск \(p\) падає (див. рисунок). Відповідно до рівняння Клапейрона для ізотермічного процесу: $$ pV=\mathrm{const}\Rightarrow p\downarrow V\uparrow=\mathrm{const} $$ (стрілочка, напрямлена вгору, означає зростання значення величини; стрілочка, напрямлена вниз, означає зменшення значення величини).

Отже, процесу ізотермічного розширення відповідає графік на рисунку А.

2. Відповідно розглянемо одразу ізотермічне стискання ‒ графік на рисунку Б.

Процес стискання означає, що об’єм \(V\) зменшується, а тиск \(p\) зростає (див. рисунок). Відповідно до рівняння Клапейрона для ізотермічного процесу: $$ pV=\mathrm{const}\Rightarrow p\uparrow V\downarrow=\mathrm{const}. $$

Отже, процесу ізотермічного стискання відповідає графік на рисунку Б.

3. Розгляньмо ізобарний процес ‒ \(p=\mathrm{const}.\) Можна було б припустити, що правильним буде графік, який відповідає сталому тиску, зображений на рисунку Д.

Під час цього об’єм \(V\) зменшується (див. рисунок). Але ж тоді, відповідно до рівняння Клапейрона для ізобарного процесу температура \(T\) теж буде зменшуватися: $$ \frac VT=\mathrm{const}\Rightarrow \frac{V\downarrow}{T\downarrow}=\mathrm{const}. $$

Тобто на рисунку Д зображений графік ізобарного охолодження.

На рисунку Г тиск змінюється, це не відповідає ізобарному процесу. Тоді розгляньмо рисунок В, на якому зображено графік залежності об’єму від абсолютної температури:

Якщо зафіксувати тиск і нагрівати газ, то об’єм повинен збільшуватися. Отже, відповідно до рівняння Клапейрона для ізобарного процесу якщо температура \(T\) підвищуватиметься, то й об’єм \(V\) теж збільшуватиметься: $$ \frac VT=\mathrm{const}\Rightarrow \frac{V\uparrow}{T\uparrow}=\mathrm{const}. $$

Отже, на рисунку В зображено графік ізобарного нагрівання.

4. І нарешті розгляньмо рисунок Г, що залишився. Як бачимо, графік на ньому відповідає сталому об’єму ‒ ізохорний процес \(V=\mathrm{const}.\)

З’ясуймо, чи буде це процес охолодження. З графіка видно, що тиск \(p\) зменшується (див. рисунок). Отже, відповідно до рівняння Клапейрона для ізохорного процесу температура \(T\) теж знижуватиметься: $$ \frac pT=\mathrm{const}\Rightarrow \frac{p\downarrow}{T\downarrow}=\mathrm{const}. $$

Отже, графік на рисунку Г відповідає ізохорному охолодженню.

Відповідь: 1А, 2В, 3Г, 4Б.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Рівномірний і рівноприскорений рухи. Рух по колу.

Завдання скеровано на перевірку вміння визначати напрямок швидкості руху тіла й напрямок прискорення тіл під час різних видів руху.

1. Яблуко в безвітряну погоду падатиме вертикально, тож і напрямок швидкості \(\overrightarrow{v}\) його руху теж буде напрямлений вертикально вниз (див. рисунок).

Падіння тіл у безповітряному просторі, тобто падіння лише під дією сили тяжіння, називають вільним падінням. У разі вільного падіння всі тіла падають на Землю з однаковим прискоренням ‒ прискоренням вільного падіння \(\overrightarrow{g}.\) Вектор прискорення вільного падіння завжди напрямлений вертикально вниз.

Отже, кут між напрямком швидкості руху яблука й напрямком прискорення становитиме нуль, тобто прискорення напрямлене в напрямку швидкості руху ‒ варіант відповіді В.

2. Коли футбольний м’яч піднімається, спрямований під кутом до горизонту (див. рисунок), то швидкість \(\overrightarrow{v}\) руху м’яча буде напрямлена по дотичній до траєкторії руху вгору ‒ до параболи. А прискорення \(\overrightarrow{g}\) вільного падіння під час руху м’яча по параболі буде напрямлене завжди вертикально вниз.

Отже, кут між векторами \(\overrightarrow{v}\) і \(\overrightarrow{g}\) буде тупий ‒ варіант відповіді Б.

3. Коли автомобіль гальмує, рухаючись прямолінійно, то напрямок прискорення \(\overrightarrow{a}\) буде протилежним до напрямку руху, тобто до напрямку швидкості \(\overrightarrow{v}\) руху автомобіля (див. рисунок) ‒ варіант відповіді А.

4. Штучний супутник рухається навколо Землі по коловій орбіті. Швидкість \(\overrightarrow{v}\) його руху в кожній точці кола напрямлена по дотичній до кола. А доцентрове прискорення \(\overrightarrow{a}_\text{д}\) спрямоване до центра кола (див. рисунок).

Отже, у цьому разі доцентрове прискорення буде напрямлене під прямим кутом до напрямку швидкості руху ‒ варіант відповіді Д.

Відповідь: 1В, 2Б, 3А, 4Д.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння гіпотези Планка й формули для визначення енергії фотона.

За гіпотезою Планка випромінювання електромагнітних хвиль атомами й молекулами речовини відбувається не безперервно, а дискретно, тобто окремими порціями, енергія \(E\) кожної з яких прямо пропорційна частоті \(\mathbf{\nu}\) випромінювання: $$ E=h\mathbf{\nu}=\frac{hc}{\mathbf{\lambda}}, $$ де \(h\) ‒ стала Планка, \(\mathbf{\lambda}\) ‒ довжина хвилі фотона, \(c\) ‒ швидкість руху фотона, що дорівнює швидкості поширення світла у вакуумі. Згодом порції енергії стали називати квантами енергії, а потім фотонами.

Визначімо співвідношення енергій \(E_1\) і \(E_2\) фотонів з різними довжинами хвиль

Відповідь: B.

ТЕМА: Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Світлові кванти. Рівняння Ейнштейна для фотоефекту.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння законів фотоефекту й рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.

Запишімо рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту: $$ E_\text{ф}=A_\text{вих}+E_\text{k max} - $$ унаслідок поглинання фотона металом катода фотоелемента енергія фотона \((E_\text{ф}=h\mathbf{\nu})\) може бути повністю передана електрону й витратитися на здійснення роботи виходу \((A_\text{вих}=h\mathbf{\nu}_\text{min})\) і надання електрону кінетичної енергії \((E_\text{k max}=\frac{mv_\text{max}^2}{2}=eU_\text{з}).\)

За одним із законів фотоефекту для кожної речовини існує максимальна довжина світлової хвилі \(\mathbf{\lambda}_\text{max}=\mathbf{\lambda}_\text{черв}\) (червона межа фотоефекту), за якої починається фотоефект. Опромінення речовини світловими хвилями, які мають більшу довжину, фотоефекту не викликає. Максимальна довжина світлової хвилі (мінімальна частота) відповідає мінімальній енергії фотона:
якщо $$ h\mathbf{\nu}\lt A_\text{вих}, $$ то електрони не вилітатимуть із речовини. Умова $$ h\mathbf{\nu}_\text{min}=\frac{hc}{\mathbf{\lambda}_\text{max}}=A_\text{вих} $$ визначає червону межу фотоефекту.

Запишімо рівняння для фотоефекту, ураховуючи вирази для величин: $$ h\mathbf{\nu}=h\mathbf{\nu}_\text{min}+eU_\text{з} - $$ з досягненням певної затримувальної (запірної) напруги \(U_\text{з}\) навіть найшвидші електрони не дістануться анода, а отже, фотострум припиниться: $$ \frac{hc}{\mathbf{\lambda}}=\frac{hc}{\mathbf{\lambda}_\text{черв}}+eU_\text{з}. $$

Виразімо із цього рівняння шукану величину ‒ запірну напругу: $$ U_\text{з}=\frac{hc}{e}\left(\frac{1}{\mathbf{\lambda}}-\frac{1}{\mathbf{\lambda}_\text{черв}}\right). $$

Відповідь: A.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Інтерференція світла та її практичне застосування.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння явища інтерференції світла за умови інтерференції світла на тонких плівках.

Світлова хвиля частково відбивається від зовнішньої поверхні плівки (хвиля 1), частково проходить через плівку і, відбившись від її внутрішньої поверхні, повертається в повітря (хвиля 2). Оскільки хвиля 2 проходить більшу відстань, ніж хвиля 1, між ними існує різниця ходу. Обидві хвилі когерентні, адже створені одним джерелом, тому внаслідок накладання їх спостерігають стійку інтерференційну картину. Якщо хвиля 2 відстає від хвилі 1 на парне число півхвиль, то спостерігають посилення світла (інтерференційний максимум), якщо на непарне ‒ послаблення світла (інтерференційний мінімум). Саме інтерференцією світла зумовлений колір, наприклад, багатьох комах (див. рисунок).

Біле світло поліхроматичне (складається з хвиль різної довжини), тому для посилення світлового випромінювання різного кольору потрібна різна товщина плівки: якщо плівка різної товщини освітлюється білим світлом, то вона має райдужне забарвлення (райдужні мильні бульбашки, райдужна оліїста плівка нафтопродуктів на поверхні води). Крім того, різниця ходу хвиль залежить від кута падіння світла на плівку (зі збільшенням кута падіння різниця ходу збільшується), тому тонкі плівки грають веселкою ‒ змінюють колір, коли змінюється кут, під яким ми дивимося на плівку. Зверніть увагу: якщо товщина плівки в кілька разів більша за довжину світлової хвилі, то інтерференційні смуги розташовані надто близько й око не здатне їх розділити ‒ смуги збігаються, і ми бачимо біле світло.

Відповідь: B.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Побудова зображень, які дає тонка лінза.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння законів поширення променя в збиральній лінзі, уміння схематично зобразити його хід.

Спочатку добудуймо фокальну площину, яка проходить через фокус лінзи точку \(F,\) перпендикулярно до головної оптичної осі, що перпендикулярна до лінзи.

Далі побудуймо додаткову оптичну вісь, що проходить так само, як і головна, крізь оптичний центр лінзи точку \(O,\) але паралельно променю, що падає на лінзу. Пам’ятаймо, що промінь, який проходить крізь оптичний центр лінзи, не заломлюється.

Отримуємо точку перетину додаткової оптичної осі і фокальної площини (див. схематичний рисунок). Це є додатковий фокус \(F'.\)

Будь-який пучок паралельних променів (у цій умові це промінь, що падає на лінзу і промінь, що поширюється вздовж додаткової оптичної осі), навіть якщо ці промені не паралельні головній оптичній осі, після заломлення в збиральній лінзі завжди перетинаються в одній точці ‒ у головному фокусі \(F\) або додатковому \(F'\) (лежить на фокальній площині).

Тож після проходження крізь збиральну лінзу промінь поширюватиметься вздовж напрямку \(2,\) тому що саме продовження променя \(2\) пройде через додатковий фокус \(F'\) (див. рисунок).

Відповідь: Б.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Механічні коливання і хвилі. Перетворення енергії під час гармонічних коливаннях.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння суті повного коливання нитяного маятника й перетворень його енергії під час коливань.

Нитяний маятник є фізичною моделлю маятника настінного годинника.

Виберімо положення рівноваги маятника за нульовий рівень, де потенціальна енергія дорівнюватиме нулю. Здійснюючи коливання, маятник відхиляється на певний кут, піднімаючись на певну максимальну висоту.

За одне повне коливання (маятник повинен повернутися в початкове положення), маятник два рази піднімається на максимальну висоту. Отже, за одне коливання потенціальна енергія маятника двічі набуває максимального значення.

Тепер обчислімо, скільки ж повних коливань здійснив маятник за хвилину, коливаючись із частотою \(2\ \text{Гц}.\)

Визначімо час одного коливання ‒ період. Частота \(\mathbf{\nu}\) і період \(T\) коливань пов’язані так: \begin{gather*} T=\frac{1}{\mathbf{\nu}}\\[6pt] T=\frac{1}{2\ \text{Гц}}=0,5\ \text{с}. \end{gather*}

За час \(t\) (хвилину) маятник виконає кількість \(N\) повних коливань:

І, зваживши на те (як ми вже раніше довели), що за кожне коливання потенціальна енергія маятника двічі набуватиме максимального значення, то за хвилину потенціальна енергія буде максимальною \(240\) разів.

Відповідь: Г.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння сили Лоренца, уміння застосувати правило визначення напрямку її дії в конкретній ситуації.

Електронний пучок ‒ це потік електронів, що рухаються за близькими траєкторіями в одному напрямку, має розміри, значно більші в напрямку руху, ніж у поперечній площині.

Коли над центром екрана осцилографа розмістили магніт, то на електрони подіяло магнітне поле. А магнітне поле діє на рухомі заряджені частинки із силою Лоренца, напрямок дії якої визначається за правилом лівої руки: лінії магнітної індукції \(\overrightarrow{B}\) «ловимо» в долоню, чотири витягнуті пальці спрямовуємо за напрямком руху \(\overrightarrow{v}\) позитивно зарядженої частинки (або протилежно до руху негативно зарядженої), і тоді відігнутий на \(90^\circ\) великий палець укаже напрямок сили Лоренца \(\overrightarrow{F}_\text{Л}\) (див. рисунок для негативно зарядженої частинки ‒ електрона).

Якщо ми дивимося на екран осцилографа, то пучок електронів напрямлений до нас, тобто чотири витягнуті пальці направляємо протилежно до напрямку руху електронів ‒ перпендикулярно до екрану від нас).

За умовою завдання магніт піднесли зверху екрана північним полюсом донизу, отже, лінії магнітної індукції магнітного поля будуть напрямлені вертикально вниз, входити в долоню.

Тоді відігнутий на \(90^\circ\) великий палець буде напрямлений ліворуч ‒ укаже напрямок сили Лоренца \(\overrightarrow{F}_\text{Л}.\)

Відповідь: A.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Досліди Фарадея. Явище електромагнітної індукції.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння дослідів Фарадея, причин виникнення індукційного струму й уміння застосувати ці знання до конкретної практичної ситуації.

Судячи з рисунка, струм пропускають по котушці, що міститься ліворуч на феромагнітному осерді. На кінцях котушки є клеми, за допомогою яких котушку можна приєднати до джерела струму, реостата, вимикача тощо. Котушка зі струмом є штучним електромагнітом, навколо якого існує магнітне поле.

Котушка праворуч, яка замкнена на амперметр, є нерухомим провідним контуром, розташованим у магнітному полі електромагніту (котушки ліворуч).

За означенням явища електромагнітної індукції індукційний (наведений) електричний струм буде виникати в котушці праворуч у разі зміни сили струму в котушці ліворуч. Змінити силу струму в котушці можна, наприклад, замикаючи і розмикаючи електричне коло котушки ліворуч, або, наприклад, рухаючи повзунок реостата, якщо приєднати його послідовно з котушкою (відповідно до осучаснених дослідів Фарадея). Що швидше змінюватиметься значення сили струму, то сильніше мінятиметься магнітне поле котушки ліворуч.

Але в цьому разі сили, що діють з боку змінного магнітного поля, не можуть зробити хаотичний рух заряджених частинок всередині котушки праворуч напрямленим. Чому ж у цій котушці виникає індукційний струм? Річ у тім, що змінне магнітне поле завжди супроводжує поява в навколишньому просторі вихрового електричного поля (силові лінії такого поля є замкненими). Саме електричне поле, а не магнітне, діє на вільні заряджені частинки в котушці праворуч та надає їм напрямленого руху, створюючи в такий спосіб індукційний струм.

Тепер проаналізуймо графік з умови. Є ділянки графіка, де струм має стале значення. Це інтервали часу від \(1\) до \(2\) секунди, і від \(4\) до \(5\) секунди. У цих випадках магнітне поле, що існує навколо котушки ліворуч не є змінним, а отже, не виникатиме вихрове електричне поле й індукційний струм в котушці праворуч. Тож амперметр нічого не покаже.

За проміжок часу від \(0\) до \(1\) секунди сила струму змінилася в котушці ліворуч на три позиції, а за проміжок часу від \(2\) до \(4\) секунд ‒ на одну позицію. Це означає, що зміна магнітного поля в першому випадку більша, ніж у другому. А значить, і індукційний струм від \(0\) до \(1\) секунди, який зафіксує амперметр, буде більшим за індукційний струм від \(2\) до \(4\) секунди.

Відповідь: A.