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

Завдання скеровано на перевірку явищ молекулярної фізики й термодинаміки.

Якщо помістити свіжий помідор у солону воду, то обов’язково відбудеться дифузія – процес взаємного проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншої, який відбувається внаслідок теплового руху цих молекул, тобто сіль із солоної води поступово проникне в клітини помідора.

Інші явища, згадані в умові, можуть мати місце лише опосередковано й не визначають фізичної суті процесу взаємодії помідора із солоною водою:

• теплопровідність – передавання енергії від більш нагрітих частинок до менш нагрітих без перенесення речовини;
• конденсація – перехід речовини з газоподібного стану в рідкий;
• конвекція – перенесення енергії потоками рідини або газу.

Жодне із цих явищ не є обов’язковим у даному процесі, тоді як дифузія відбувається завжди, коли дві речовини контактують і мають різну концентрацію складників.

Правильна відповідь: Г.

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

Завдання скеровано на перевірку першого закону термодинаміки, уміння застосовувати його до адіабатного й ізопроцесів.

Пригадаймо перший закон (начало) термодинаміки: кількість теплоти \(Q\), передана системі, йде на зміну внутрішньої енергії системи \(\Delta U\) й на виконання системою роботи \(A\) проти зовнішніх сил:

\begin{gather*}Q=\Delta U+A.\end{gather*}

Тепер застосуймо цей закон до першого адіабатного процесу, про який ідеться в умові. Цей процес відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем. Під час адіабатного процесу кількість теплоти \(Q\), передана системі, дорівнює нулю, тому перший закон термодинаміки має вигляд

\begin{gather*}\Delta U+A=0,\ \text{або}\ A=-\Delta U.\end{gather*}

Під час адіабатного розширення газ виконує додатну роботу внаслідок зменшення внутрішньої енергії, а температура газу знижується. Тобто під час цього процесу газ не отримує теплоти:

\begin{gather*}Q=0.\end{gather*}

Розгляньмо другий процес, зазначений в умові – ізотермічний. Під час цього процесу температура і, як наслідок, внутрішня енергія газу не змінюються (\(\Delta U=0\)), тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд

\begin{gather*}Q=A.\end{gather*}

Тобто під час ізотермічного процесу вся передана газу кількість теплоти йде на виконання механічної роботи й газ займає більший об’єм.

Отже, лише під час ізотермічного розширення газ виконує роботу, використовуючи отриману теплоту:

\begin {gather*}Q=28\ \text{кДж}.\end{gather*}

Правильна відповідь: В.

ТЕМА: Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка. Тиск. Температура та її вимірювання. Відносна вологість та її вимірювання.

Завдання скеровано на перевірку принципів дій вимірювальних приладів.

Розгляньмо принципи дії цих вимірювальних приладів.

Термометр

Принцип дії термометра ґрунтується на залежності певної фізичної властивості речовини від температури. У рідинному термометрі ртуть або спирт розширюється під час нагрівання й стискається під час охолодження. Рідина переміщується вузькою капілярною трубкою, і за її рівнем визначають температуру за шкалою.

Психрометр

Психрометр працює на основі охолодження під час випаровування води. Він складається з двох термометрів:

• сухого, що показує температуру повітря;
• вологого, резервуар якого обгорнутий вологою тканиною.

Вода з тканини випаровується, і вологий термометр охолоджується. Що сухіше повітря, то інтенсивніше випаровування й більша різниця показань між сухим і вологим термометрами. За цією різницею, користуючись психрометричною таблицею, визначають відносну вологість повітря.

Ртутний барометр

Барометр працює за принципом зрівноваження атмосферного тиску вагою стовпчика ртуті. Атмосферне повітря тисне на поверхню ртуті в нижній посудині, змушуючи її підійматися в трубці. Рівень ртуті встановлюється тоді, коли тиск повітря врівноважується тиском стовпчика ртуті. За висотою цього стовпчика визначають атмосферний тиск.

Рідинний манометр

Манометр – це U-подібна трубка, частково заповнена рідиною. Одне її коліно під’єднують до системи, тиск у якій треба виміряти, а на друге діє атмосферний тиск. Якщо тиски різні, рідина зміщується, і рівні встановлюються на різній висоті. За різницею рівнів рідини визначають тиск або різницю тисків.

З описаних приладів лише психрометр працює на принципі випаровування рідини, яке спричиняє охолодження та зміну показань термометра.

Правильна відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електричний заряд.

Завдання скеровано на перевірку елементарного заряду й заряду тіла.

Одна з властивостей електричного заряду: електричний заряд дискретний, тобто електричні заряди фізичних тіл кратні певному найменшому (елементарному) заряду, який є неподільним:

\begin{gather*}q=Ne,\end{gather*}

де \(q\) – заряд фізичного тіла; \(N\) – натуральне число; \(e\) – елементарний заряд (\(e=1{,}6\cdot10^{-19}\) Кл).

Отже, тіло може мати заряд \(-36e\), усі інші наведені заряди мають за множник дробове число, а елементарний заряд неподільний.

Правильна відповідь: Г.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Послідовне та паралельне з’єднання провідників. Закон Джоуля – Ленца.

Завдання скеровано на перевірку паралельного і послідовного з’єднання провідників, а також уміння застосувати закон Джоуля – Ленца.

Відповідно до закону Джоуля – Ленца кількість теплоти \(Q\), яка виділяється в провіднику зі струмом, прямо пропорційна квадрату сили струму \(I\), опору провідника \(R\) і часу \(t\) проходження струму:

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

За умовою джерело живлення має сталу напругу. Скориставшись законом Ома, запишімо закон Джоуля – Ленца через напругу й опір:

\begin{gather*}I=\dfrac UR,\\[7pt]Q=I^2Rt=\left(\dfrac UR\right)^2Rt=\dfrac{U^2t}{R}.\end{gather*}

Отже, напруга стала, час теж візьмемо однаковий, тож кількість виділеної теплоти залежатиме від загального опору ділянки електричного кола з трьох нагрівних елементів (на рисунку – резисторів). Що менший опір, то більша кількість теплоти (обернена залежність):

\begin{gather*}Q\sim\dfrac1R.\end{gather*}

Визначмо загальний опір усіх можливих комбінацій трьох резисторів.

Якщо всі резистори будуть з’єднані послідовно,

то загальний опір \(R\) – сума опорів усіх резисторів (нехай опір одного резистора становить \(R_0\):

\begin{gather*}R=3R_0.\end{gather*}

Розгляньмо ділянку електричного кола, де два резистори з’єднано паралельно між собою, а третій до них послідовно:

\begin{gather*}R=\dfrac{R_0}{2}+R_0=\dfrac{3R_0}{2}=\dfrac32R_0.\end{gather*}

Третя ділянка схеми: два резистори з’єднані послідовно й до них паралельно підключено ще один резистор:

\begin{gather*}\dfrac1R=\dfrac{1}{R_0+R_0}+\dfrac{1}{R_0}=\dfrac{1}{2R_0}+\dfrac{1}{R_0}=\dfrac{3}{2R_0},\\[7pt]R=\dfrac{2R_0}{3}=\dfrac23R_0.\end{gather*}

Четверта ділянка електричної схеми: усі три резистори з’єднані паралельно:

Загальний опір становитиме:

\begin{gather*}\dfrac1R=\dfrac{1}{R_0}+\dfrac{1}{R_0}+\dfrac{1}{R_0}=\dfrac{3}{R_0},\\[7pt]R=\dfrac{R_0}{3}=\dfrac13R_0.\end{gather*}

Отже, з усіх визначених опорів:

\begin{gather*}R=3R_0,\\[6pt]R=\dfrac32R_0,\\[7pt]R=\dfrac23R_0,\\[7pt]R=\dfrac13R_0,\end{gather*}

найменшим є \(R=\dfrac13R_0\), тобто, щоб отримати більшу кількість теплоти, треба всі резистори з’єднати між собою паралельно.

Правильна відповідь: Г.

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

Завдання скеровано на перевірку проходження електричного струму в різних середовищах і залежність їхнього електричного опору від температури.

Опір металевого провідника з підвищенням температури збільшується.

Уявімо модель руху електрона в металі, у якому створено електричне поле. Відповідно до класичної теорії, електрон досить короткий час розганяється під дією електричного поля, потім, зіткнувшись із позитивним йоном, змінює напрямок свого руху, тоді знову набирає швидкості в напрямку дії поля, знову зіштовхується з йоном і так багато разів. Під час зіткнень електрон передає йону частину кінетичної енергії, здобутої внаслідок дії поля. Саме ці зіткнення зумовлюють опір металу. Тож коли нагріваємо метал, кількість таких зіткнень більшає, а отже, опір збільшується.

Вивчаючи залежність провідності напівпровідників від зовнішніх чинників, виявили: на відміну від металевих провідників питомий опір напівпровідників зазвичай зменшується з підвищенням температури.

Отже, правильне лише друге твердження.

Правильна відповідь: Б.
 

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

Завдання скеровано на перевірку формули для обчислення періоду коливань пружинного маятника, уміння визначати його за різних умов.

Формула для обчислення періоду \(T\) коливань пружинного маятника:

\begin{gather*}T=2\pi\sqrt{\dfrac mk},\end{gather*}

де \(m\) – маса тягарця, \(k\) – жорсткість пружини.

Для маятника № \(1\) підійде саме ця формула:

\begin{gather*}T_1=2\pi\sqrt{\dfrac mk}.\end{gather*}

Для маятника № \(2\) скористаймося формулами з’єднання пружин:

\begin{gather*}T_2=2\pi\sqrt{\dfrac{m}{2k}}.\end{gather*}

Визначмо період коливань маятника № \(3\):

\begin{gather*}\dfrac{1}{k_\text{послідовно}}=\dfrac1k+\dfrac1k=\dfrac2k,\\[7pt] k_\text{послідовно}=\dfrac k2,\\[7pt]T_3=2\pi\sqrt{\dfrac{2m}{k}}.\end{gather*}

Для маятника № \(4\):

\begin{gather*}T_4=2\pi\sqrt{\dfrac{2m}{k}}.\end{gather*}

Отже, рівні періоди коливань мають маятники № \(3\) і № \(4\).

Правильна відповідь: В.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Електромагнітні коливання і хвилі. Формула Томсона.

Завдання скеровано на перевірку формули Томсона, уміння її застосовувати.

Період \(T\) електромагнітних коливань у контурі можна визначити за формулою Томсона:

\begin{gather*}T=2\pi\sqrt{LC},\end{gather*}

де \(L\) – індуктивність котушки, а \(C\) – електроємність конденсатора.

Тоді в положенні \(1\) період дорівнюватиме:

\begin{gather*}T_1=2\pi\sqrt{4LC}=4\pi\sqrt{LC}.\end{gather*}

А в положенні \(2\):

\begin{gather*}T_2=2\pi\sqrt{LC}.\end{gather*}

Тобто період \(T_2\lt T_1\) у \(2\) рази – зменшиться вдвічі:

\(T_1=2T_2.\)

Правильна відповідь: А.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння базових понять геометричної і хвильової оптики.

За сонячної погоди вранці тіні довші, ніж опівдні (див. рисунки):

Це правильне твердження.

Місяць не є природним джерелом світла, він лише відбиває світло Сонця.

Червоне світло відбивається не лише від червоної поверхні, а й від білої: червона поверхня відбиває переважно червоне світло, а біла поверхня відбиває світло всіх кольорів.

Зміну дня і ночі зумовлено обертанням Землі навколо своєї осі. А обертанням Землі навколо Сонця зумовлено зміни пір року.

Правильна відповідь: А.