ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Закон збереження електричного заряду.

Завдання скеровано на перевірку вміння застосовувати закон збереження електричного заряду.

Закон збереження електричного заряду: повний заряд електрично замкненої системи тіл залишається незмінним під час усіх взаємодій, які відбуваються в цій системі: $$q_1+q_2+\cdots +q_n=\mathrm{const},$$ де $q_1,q_2,\dots ,q_n$ ‒ заряди тіл, які утворюють систему; $n$ ‒ кількість тіл.

За умовою

Отже, після з’єднання кульок тонким провідником заряд перерозподілиться порівну між кульками, і заряд кульки $1$ дорівнюватиме заряду кульки $2:$

Відповідь: B.

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. З’єднання конденсаторів.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння з’єднання конденсаторів, уміння визначати їхні характеристики.

Енергію $W$ зарядженого до напруги $U$ конденсатора (батареї конденсатора), який має електроємність $C_{\text{заг}}$ і заряд $Q,$ обчислюють так: $$W=\frac{Q^2}{2C_{\text{заг}}}.$$

Визначімо загальний заряд $Q$ і загальну електроємність $C_{\text{заг}}$ батареї двох конденсаторів (саме ці величини зазначено в умові).

У разі паралельного з’єднання конденсаторів позитивно заряджені обкладки всіх конденсаторів з’єднують в один вузол, а негативно заряджені ‒ в інший вузол (див. рисунок).

У такому разі загальний заряд $Q$ батареї конденсаторів дорівнює алгебричній сумі зарядів окремих конденсаторів: $$Q=q_1+q_2,$$ де $q_1$ і $q_2$ ‒ заряд першого і другого конденсаторів відповідно.

За умовою заряд першого конденсатора дорівнює $q_1=q,$ а другий конденсатор незаряджений, тобто $q_2=0.$ Тоді загальний заряд батареї $$Q=q.$$

З’єднані в один вузол обкладки є одним провідником, тому потенціали обкладок і різниця потенціалів (напруга $U$) між обкладками всіх конденсаторів однакові: $$U=U_1=U_2.$$

Отже, за паралельного з’єднання конденсаторів допустима робоча напруга батареї визначена робочою напругою одного конденсатора. Візьмемо до уваги, що $$\begin{array}{c}Q=C_{\text{заг}}U,\\ q_1=C_{1}U,\\ q_2=C_{2}U.\end{array}$$

Тому $$C_{\text{заг}}U=C_{1}U+C_{2}U.$$

А загальна електроємність $C_{\text{заг}}$ батареї з двох паралельно з’єднаних конденсаторів $$C_{\text{заг}}=C_1+C_2.$$

Зважаючи, що електроємності конденсаторів рівні $$C_1=C_2=C,$$ загальна електроємність $$C_{\text{заг}}=2C.$$

Визначімо енергію електричного поля утвореної системи конденсаторів: $$W=\frac{Q^2}{2C_{\text{заг}}}=\frac{q^2}{2\cdot 2C}=\frac{q^2}{4C}.$$

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Джерела струму.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння будови та принципу дії гальванічного елемента.

Гальванічний елемент – це хімічне джерело живлення, у якому використовують різницю електродних потенціалів двох металів (варіант В неправильний), занурених в електроліт.

Гальванічний елемент з лимона й двох дротів ‒ це простий пристрій, у якому використовують хімічну реакцію між металами та лимонною кислотою для створення електричного струму.

Хімічна реакція розпочинається не відразу, тож є змога виміряти і напругу, і силу струму. Тому цей гальванічний елемент миттєво не розрядиться.

З експериментів відомо, що такий саморобний гальванічний елемент дає дуже малу силу струму, $\sim {10}^{-3}\text{А}.$

За умовою лампа не засвітилася, тобто сила струму була замалою для роботи лампи розжарювання.

Із запису закону Ома для повного кола $$I=\frac{\epsilon }{R+r}$$ випливає, що сила струму $I$ в такому джерелі невелика, бо дуже великий внутрішній опір $r$ лимона.

Через великий внутрішній опір джерела живлення напруга, тобто електрорушійна сила ε не могла бути настільки високою, щоб перегоріла лампа розжарювання. Треба ще долати досить великий внутрішній опір лимона, тому лампа навіть не засвітилася.

Отже, єдиною причиною того, що лампа не засвітилася, є завеликий внутрішній опір гальванічного елемента.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Електричний струм у різних середовищах.

Завдання скеровано на перевірку розуміння фізичної природи електричного струму в різних середовищах, а також залежності сили струму від температури.

Електроліти ‒ тверді або рідкі речовини, які мають йонну провідність. Якщо в розчин або розплав помістити електроди, приєднані до різнойменних полюсів джерела струму, то, подібно до вільних електронів у металах, йони дрейфуватимуть у певному напрямку: позитивні йони (катіони) ‒ до негативного електрода (катода); негативні йони (аніони) ‒ до позитивного електрода (анода). Тобто в розчині виникне електричний струм. З підвищенням температури кількість йонів в електроліті значно збільшується, тому попри збільшення кількості ефективних зіткнень опір електроліту зменшується (див. графік), відповідно сила струму збільшується.

Напівпровідники, як це випливає з їхньої назви, за своєю провідністю посідають проміжне місце між провідниками й діелектриками. Серед валентних електронів обов’язково є електрони, кінетична енергія яких достатня, щоб покинути зв’язки й стати вільними. Якщо напівпровідниковий кристал помістити в електричне поле, то вільні електрони рухатимуться до позитивного полюса джерела струму, тому в напівпровіднику виникне електричний струм. Якщо напівпровідник нагріти або опромінити світлом, кількість вільних електронів і дірок збільшиться, відповідно збільшиться і провідність напівпровідника. На відміну від металевих провідників питомий опір напівпровідників зазвичай зменшується з підвищенням температури (див. графік), а отже, сила струму збільшується.

Згідно з класичною електронною теорією модель внутрішньої будови металу – це утворена позитивно зарядженими йонами кристалічна ґратка, яка перебуває в «газі» вільних електронів. Якщо в металевому провіднику створити електричне поле, то на хаотичний рух електронів накладеться дрейф електронів у напрямку сили, що діє на електрони з боку електричного поля. Цей дрейф електронів і є електричним струмом у металах. Якщо підвищувати температуру металевого провідника, то йони у вузлах кристалічної ґратки коливатимуться з більшою амплітудою, хаотичність руху електронів збільшиться, тож вони частіше зіштовхуватимуться з йонами. Відповідно опір (питомий опір) збільшуватиметься (див. графік), а сила струму зменшуватиметься за законом Ома для ділянки кола: $$I=\frac{U}{R},$$ де $I\sim \frac{1}{R}$ ‒ сила струму $I,$ що обернено пропорційна до електричного опору $R.$

У природних умовах гази складаються з нейтральних атомів і молекул, тому вони є діелектриками. Для створення вільних електричних зарядів гази піддають зовнішнім впливам (впливу зовнішнього йонізатора). Під впливом йонізатора (нагрівання або опромінення) нейтральні молекули діляться на позитивний йон і вільний електрон (див. рисунок). Далі електрон може об’єднатися з нейтральною молекулою, утворюючи тим самим негативний йон.

Описані вище процеси називають йонізацією газу.

За наявності електричного поля йони й електрони рухаються впорядковано, утворюючи електричний струм.

Отже, у газах електричний струм зумовлений спрямованим рухом позитивних і негативних йонів і вільних електронів.

Під час збільшення температури концентрація носіїв струму в газах зростає, що приводить до зменшення опору (див. рисунок). Відповідно сила струму зростатиме.

Єдине з наведених середовище, у якому підвищення температури спричиняє зменшення сили струму, ‒ метал.

Відповідь: B.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Магнітне поле. Магнітна індукція.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння магнітної індукції, уміння визначати полюси котушки за правилом правої руки.

Алюмінієвий дріт, намотаний на каркас, називають котушкою. Якщо цим дротом пропустити електричний струм, котушка стане штучним магнітом. Треба визначити полюси такого магніту, тоді зможемо визначити, як поводитимуться магніти, підвішені з ним поруч на нитках.

За напрямок струму в замкненому електричному колі прийнято напрямок, у якому частинки, що мають позитивний заряд, рухаються по колу, тобто напрямок від позитивного полюса джерела струму до негативного (див. рисунок).

Котушка зі струмом має два полюси ‒ південний $S$ і північний $N.$ Полюси котушки розташовані на її торцях, і їх легко визначити за допомогою правила правої руки:
якщо чотири зігнуті пальці правої руки спрямувати за напрямком струму $I$ в котушці, то відігнутий на ${90}^{\circ }$ великий палець укаже напрямок на північний полюс котушки, тобто напрямок вектора магнітної індукції всередині котушки (див. рисунок).

Отже, ліворуч у котушки північний полюс, а праворуч ‒ південний. Підвішені магніти зорієнтовані різнойменними полюсами до полюсів котушки, тому притягуватимуться і зліва, і справа до котушки.

Відповідь: A.

Коливання і хвилі. Механічні коливання і хвилі. Нитяний маятник, період коливань нитяного маятника.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння параметрів, від яких залежить період коливань нитяного маятника.

Період коливань $T$ нитяного (математичного) маятника визначають за формулою $$T=2\pi \sqrt{\frac{l}{g}},$$ де $l$ ‒ довжина маятника; $g$ ‒ прискорення вільного падіння.

За умовою довжини обох ниток однакові: $$l_1=l_2.$$

У формулу також входить прискорення вільного падіння, але в умові не зазначено, що кульки в різних місцях, тому вважаємо, що прискорення вільного падіння однакове для обох кульок.

З формули зрозуміло, що період коливань нитяного маятника не залежить від маси тіла. Тож ні від густини (у металу й дерева значення густини різні), ні від об’єму (за умовою радіуси кульок однакові) період коливань також не залежить.

Період коливань математичного маятника не залежить від маси маятника, а визначається лише довжиною нитки та прискоренням вільного падіння в тому місці, де розташований цей маятник.

Отже, періоди малих коливань кульок із різних матеріалів на нитках однакової довжини будуть однакові: $$T_1=T_2.$$

Відповідь: Б.

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

Завдання скеровано на перевірку знання суті і розуміння закономірностей коливань тіла на пружині, сил, що діють на тіло в певній ситуації.

Позначмо на рисунку сили, які діють на кульку, що підвішена до пружини й поки не коливається на ній (див. рисунок ліворуч). На кульку діє сила тяжіння ${\overrightarrow{F}}_{\text{тяж}}$ і сила пружності ${\overrightarrow{F}}_{\text{пруж с}}.$ Кулька перебуває в положенні рівноваги: у середній точці, сили врівноважені, рівнодійна сил дорівнює нулю.

Коли кулька переміститься у верхню точку (див. рисунок посередині), сила пружності ${\overrightarrow{F}}_{\text{пруж в}}$ зменшиться (може зменшитися навіть до нуля), натомість сила тяжіння ${\overrightarrow{F}}_{\text{тяж}}$ змін не зазнає. У цьому разі рівнодійна обох сил буде відмінна від нуля і напрямлена вертикально вниз.

У нижній точці навпаки: сила пружності ${\overrightarrow{F}}_{\text{пруж н}}$ збільшиться (можливо, що й до максимального значення), а сила тяжіння ${\overrightarrow{F}}_{\text{тяж}}$ не зміниться. Рівнодійна сил, відмінна від нуля, буде напрямлена вгору.

Отже, сили, що діють на кульку, будуть урівноважені лише в положенні рівноваги, тобто в середній точці.

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 в коливальному контурі (у котушці зокрема) відбуваються за гармонічним законом (законом косинуса або синуса): $$\begin{array}{c}i=I_{max}\cos \omega t,\\ \text{або}\\ i=I_{max}\sin \omega t,\end{array}$$ де $i$ – миттєве значення сили струму, $I_{max}$ – амплітудне значення сили струму, $\omega$ – циклічна частота змінного струму, $t$ – час.

У будь-якій реальній коливальній системі завжди є втрати енергії. Під час електромагнітних коливань – на нагрівання провідників, випромінювання електромагнітних хвиль. Частина енергії електромагнітного поля під час кожного коливання перетворюється на внутрішню (теплову) енергію тощо. Унаслідок цього амплітуда коливань із часом зменшується. А через певний інтервал часу, якщо немає надходжень енергії від зовнішнього джерела, коливання припиняються (згасають). Тому вільні коливання завжди є згасними. Але в умові зазначено, що амплітуда коливань не змінюється, отже, вважатимемо коливання незгасними.

В умові не задано амплітудне значення сили струму, тож зосередимося на визначенні циклічної частоти $\omega :$ $$\omega =\frac{2\pi }{T},$$ де $T$ – період коливань.

Період власних електромагнітних коливань у коливальному контурі визначають за формулою Томсона: $$T=2\pi \sqrt{LC},$$ де $L$ – індуктивність котушки, $C$ – електроємність конденсатора.

Отже, за цих умов єдиним рівнянням, що описує залежність сили струму $i$ в котушці від часу $t,$ може бути рівняння $$i=0,15\sin 250t.$$

Відповідь: A.

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 променям, що падають 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). Ця точка збіглася з точкою $2$ з умови. Це є додатковий фокус.

Будь-який пучок паралельних променів, 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 (лежить на фокальній площині).

Тож після проходження крізь збиральну лінзу промені перетнуться в точці $2.$

Відповідь: Б.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Прямолінійність поширення світла в однорідному середовищі.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння закону прямолінійного поширення світла, а також понять повної тіні й півтіні.

Джерело світла, яке випромінює світло однаково в усіх напрямках і розмірами якого, зважаючи на відстань до місця спостереження, можна знехтувати, називають точковим джерелом світла.

Найкращим прикладом точкових джерел світла є зорі, адже ми спостерігаємо їх із Землі, тобто з відстані, що в мільйони разів перевищує розміри самих зір.

Джерела світла, що не є точковими, називають протяжними джерелами світла.

Повна тінь ‒ це область простору, у яку не потрапляє світло від джерела.

Якщо джерело світла є точковим, тінь від предмета буде чіткою. У цьому разі утворюється тільки повна тінь.

Якщо тіло освітлене протяжним джерелом світла, то утворюється тінь із нечіткими контурами, тобто утворюється не тільки повна тінь, а ще й півтінь.

Півтінь ‒ це область простору, освітлена деякими з наявних точкових джерел світла або частиною протяжного джерела.

Повну тінь і півтінь пояснюють відповідно до закону прямолінійного поширення світла.

Отже, правильна відповідь ‒ Б.

Відповідь: Б.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття імпульсу фотона.

Імпульс $p$ фотона дорівнює відношенню його енергії $E$ до швидкості руху $c$ й обернено пропорційний довжині хвилі $\lambda$ фотона: $$p=\frac{E}{c}=\frac{h\nu }{c}=\frac{h}{\lambda },$$ де $\nu$ ‒ частота випромінювання, $h$ ‒ стала Планка.

Модуль імпульсу фотона видимого світла $$p_1=\frac{h}{{\lambda }_1}.$$

Модуль імпульсу фотона рентгенівського випромінювання $$p_2=\frac{h}{{\lambda }_2}.$$

Визначімо співвідношення $p_1$ і $p_2:$

Відповідь: Г.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння законів поширення світла.

Кут $\alpha$ між променем, що падає, і перпендикуляром, проведеним із точки падіння, називають кутом падіння; кут $\beta$ між відбитим променем і цим перпендикуляром називають кутом відбивання. А кут $\gamma ,$ утворений заломленим променем і перпендикуляром до межі поділу двох середовищ, проведеним із точки падіння променя, називають кутом заломлення (див. рисунок).

З огляду на визначення, кути $1,4,7$ ‒ це кути падіння. А кути $3,6,9$ ‒ це кути заломлення.

Відповідь: Б.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння першого закону термодинаміки й уміння застосовувати його до адіабатного та ізопроцесів.

Перший закон (начало) термодинаміки: кількість теплоти $Q,$ передана системі, йде на зміну внутрішньої енергії системи $\mathrm{\Delta }U$ та на виконання системою роботи $A$ проти зовнішніх сил: $$Q=\mathrm{\Delta }U+A.$$

1. Ізотермічний процес. Під час цього процесу температура, а отже, і внутрішня енергія газу не змінюються $(\mathrm{\Delta }U=0),$ тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд $$Q=A.$$

Під час ізотермічного процесу вся передана газу кількість теплоти йде на виконання механічної роботи.

Варіант відповіді – Г.

2. Адіабатний процес. Це процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем. Під час адіабатного процесу кількість теплоти $Q,$ передана системі, дорівнює нулю, тому перший закон термодинаміки має вигляд $$\mathrm{\Delta }U+A=0,\text{або}A=-\mathrm{\Delta }U.$$

Під час адіабатного розширення газ виконує додатну роботу за рахунок зменшення внутрішньої енергії, а температура газу зменшується.

Відповідний варіант відповіді – В.

3. Ізохорний процес. Під час цього процесу об’єм газу не змінюється $(\mathrm{\Delta }V=0)$ і газ роботу не виконує $(A=0),$ тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд $$\begin{array}{c}Q=\mathrm{\Delta }U.\end{array}$$

Під час ізохорного процесу вся передана газу кількість теплоти витрачається на збільшення внутрішньої енергії газу.

Варіант відповіді – А.

4. Ізобарний процес. Під час цього процесу виконується робота і змінюється внутрішня енергія газу, тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд $$Q=\mathrm{\Delta }U+A.$$

Під час ізобарного процесу передана газу кількість теплоти йде і на збільшення внутрішньої енергії газу, і на виконання механічної роботи.

Варіант відповіді – Б.

Відповідь: 1Г, 2В, 3А, 4Б.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння сили, що діє на провідник із струмом із боку магнітного поля – сили Ампера, уміння визначати її напрямок.

Сила Ампера − це сила, із якою магнітне поле діє на провідник зі струмом.

Напрямок сили Ампера визначають за правилом лівої руки (див. рисунок): якщо ліву руку розташувати так, щоб лінії магнітної індукції $\overrightarrow{B}$ входили в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрямок струму $I$ в провіднику, то відігнутий на ${90}^{\circ }$ великий палець укаже напрямок сили Ампера ${\overrightarrow{F}}_A.$

Розгляньмо кожний зображений варіант. Ліву руку орієнтуватимемо відносно сторінки з рисунком. Пригадаймо позначення:

На рисунку 1 вектор магнітної індукції напрямлений перпендикулярно до площини рисунка від вас (позначено хрестиком). Отже, зорієнтуймо ліву руку долонею до себе (лінії магнітної індукції входять в долоню), чотири пальці напрямлені вертикально вгору за напрямком струму, тоді великий палець, відігнутий на ${90}^{\circ },$ буде напрямлений ліворуч у площині рисунка – варіант А.

На рисунку 2 вектор магнітної індукції напрямлений вертикально вниз, отже долоню зорієнтуймо торцем (перпендикулярно) до площини рисунка, а чотири пальці руки спрямуймо праворуч за напрямком сили струму. Тоді великий палець, відігнутий на ${90}^{\circ },$ буде напрямлений перпендикулярно до площини рисунка від вас – варіант В.

На рисунку 3 сила Ампера не діятиме, оскільки напрямок сили струму збігається з напрямком вектора магнітної індукції та неможливо зорієнтувати ліву руку відповідно до правила визначення сили Ампера. За формулою сила Ампера також дорівнює нулю. Оскільки кут $\alpha$ між напрямком струму в провіднику й вектором магнітної індукції дорівнює $0^{\circ },$ синус кута $0^{\circ }$ дорівнює нулю, відповідно й сила Ампера дорівнює нулю: $$F_A=BIl\sin \alpha ,$$ де $l$ – довжина провідника; $$F_A=BIl\sin 0^{\circ }=BIl\cdot 0=0.$$ Отже, сила Ампера не діятиме на провідник – варіант Д.

На рисунку 4 вектор магнітної індукції напрямлений перпендикулярно до площини рисунка до вас (позначено точками). Отже, зорієнтуймо ліву руку долонею від себе (лінії магнітної індукції входять в долоню), чотири пальці напрямлені вертикально вгору за напрямком струму, тоді великий палець, відігнутий на ${90}^{\circ },$ буде напрямлений праворуч у площині рисунка – варіант Б.

Відповідь: 1А, 2В, 3Д, 4Б.