ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Другий закон Ньютона. Вага.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі про рух тіла під дією кількох сил.

Сила, із якою тіло діє на опору чи підвіс – це вага \(\overrightarrow{P}\). Оскільки камінь лежить на гірському схилі й перебуває у стані спокою, то його вага дорівнює силі тяжіння, що діє на нього: $$ \overrightarrow{P}=m\overrightarrow{g}, $$ де \(m\) – маса тіла, \(\overrightarrow{g}\) – прискорення вільного падіння.

Сила тяжіння завжди діє в напрямку до центра Землі, тобто перпендикулярно до її поверхні. Тому, попри те, що тіло лежить на схилі під кутом до поверхі Землі, сила, із якою воно діятиме на опору, буде напрямлена вертикально вниз (рис. 1).

Рис. 1. Схема дії сил на тіло, що лежить на похилій поверхні

Відповідь: A.

ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Сила пружності. Закон Гука

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі на використання закону Гука й потенціальної енергії пружини.

Потенціальну енергію \(W\) пружини обчислюють за формулою: $$ W=\frac{kx^2}{2}, $$ де \(k\) – коефіцієнт жорсткості пружини, а \(x\) – її видовження.

Оскільки відношення коефіцієнтів жорсткості пружин відоме з умови, потрібно визначити відношення обох видовжень.

Пружини розтягуються силою \(\overrightarrow{F}\), тому закон Гука для обох випадків потрібно записати так: \begin{gather*} F=-k_1x_1;\\[7pt] F=-k_2x_2. \end{gather*}

Із цих співвідношень випливає, що \begin{gather*} k_2x_2=k_1x_1\\[7pt] k_2x_2=3k_2x_1;\\[6pt] x_1=\frac{x_2}{3}. \end{gather*}

Тоді потенціальна енергія для обох пружин: \begin{gather*} W_1=\frac{k_1x_1^2}{2}=\frac{3k_2\left(\frac{x_2}{3}\right)^2}{2}=\frac 13 \frac{k_2x_2^2}{2};\\[1pt] W_2=\frac{k_2x_2^2}{2};\\[1pt] W_2=3W_1. \end{gather*}

Відповідь: B.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Рівномірний рух по колу.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння фізичних понять, що стосуються рівномірного руху по колу, зокрема доцентрового прискорення.

Під час рівномірного руху по колу лінійна швидкість не змінюється. Проте лінійна швидкість – це скалярна величина, яку розраховують як середню шляхову швидкість криволінійного руху. Тобто твердження «лінійна швидкість не змінюється» означає, що модуль вектора швидкості під час рівномірного руху по колу залишається незмінним, натомість напрямок швидкості постійно змінюється, щоби підтримувати траєкторію руху (коло).

Вектор швидкості в кожен момент напрямлений по дотичній до кола, тож має змінювати свій напрямок під дією певного прискорення (адже дотична в кожній точці кола відрізнятиметься від дотичної в іншій точці).

Це прискорення може бути напрямлене лише перпендикулярно до вектора швидкості, адже в будь-якому іншому разі воно змінюватиме не лише напрямок, а й модуль вектора.

Рис. 1. Напрямок прискорення і швидкості під час руху по колу

Тож вектор прискорення під час рівномірного руху по колу завжди напрямлений до центра кола, а тому змушений змінювати свій напрямок щоразу, коли його змінює вектор швидкості. Доцентрове прискорення має постійний модуль, який можна обчислити за формулою $$ a=\frac{v^2}{r}, $$ де \(v\) – лінійна швидкість руху, \(r\) – радіус кола.

Відповідь: B.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Рівномірний і рівноприскорений рухи.

Завдання скеровано на оцінювання вміння застосовувати формулу залежності координат від часу для рівноприскореного руху.

Загальний вигляд залежності координати від часу за прямолінійного рівноприскореного руху виражено формулою: $$ x=x_0+v_{0x}t+\frac{a_x}{2}t^2\ \ (1), $$ де \(x_0\) – початкова координата, \(v_{0x}\) – початкова швидкість, \(a_x\) – прискорення тіла, \(t\) – час руху.

За умовою початкова швидкість \(v_{0x}=6\ \text{м/с}\), прискорення \(a_x=1\ \text{м/с}^2.\) Тож рівняння координати таке: $$ x=x_0+6t+\frac 12 t^2\ \ (2). $$

Хоча значення початкової координати невідоме, однак можна з-поміж наведених вибрати відповідь, що не суперечить виразу (2).

Відповідь: B.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Матеріальна точка. Шлях і переміщення.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння понять шляху й переміщення і відмінності між ними.

Для правильного розв’язання завдання потрібно пригадати визначення шляху й переміщення.

Переміщення \((\overrightarrow{s})\) – це векторна величина, яку графічно зображують як напрямлений відрізок прямої, що з’єднує початкове й кінцеве положення матеріальної точки.

Шлях \(l\) – це фізична величина, що чисельно дорівнює довжині траєкторії руху матеріальної точки за певний інтервал часу.

Тож для автобуса, про який ідеться в завданні, відстань між початковою і кінцевою точками (обидві – у гаражі), дорівнює нулю.

Водночас лічильником, установленим в автобусі, вимірюють відстань, пройдену цим транспортним засобом, тобто шлях. Тож шлях автобуса дорівнює 150 км.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Квантова фізика. Світлові кванти. Фотоефект і його закони. Рівняння Ейнштейна для фотоефекту.

Завдання скеровано на перевірку вміння застосовувати основні поняття теорії фотоефекту й уміння розв'язувати розрахункові задічі на застосування рівняння Ейнштейна для фотоефекту.

Дано:
\(\mathbf{\lambda}=450\ \text{нМ}=450\cdot 10^{-9}\ \text{м}\)
\(h=4,14\cdot 10^{-15}\ \text{еВ}\cdot \text{с}\)
\(c=3\cdot 10^{8}\ \text{м/с}\)
\(A_{\text{вих}}=2,4\cdot \text{еВ}\)

1. Знайти:
\(\mathbf{\varphi}\ -\ ?\)

Кулька заряджається позитивно завдяки фотоефекту.

Рівняння Ейнштейна $$ hv=A_{\text{вих}}+U_{\text{з}}\cdot e $$

Після того як кулька зарядиться максимально завдяки різниці потенціалу, електрони почнуть повертатися назад на кульку, тому максимальний потенціал дорівнює запірній напрузі \(U_{\text{з}}\).

Відповідь: 0,36.

ТЕМА: Оптика. Закони заломлення світла. Абсолютний і відносний показники заломлення світла.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв'язувати задачі, які передбачають оброблення й аналізування результатів експерименту, поданих на схематичному рисунку.

Прямокутники \(ABCD\) i \(DEKL\) рівні, що можна визначити, якщо порахувати клітинки (6 · 4). Тому діагоналі \(AD=DL=c\).

Промінь падає з повітря, абсолютний показник заломлення якого \(n=1\), відносний показник заломлення \(n_{21}\). $$ n_{21}=\frac{n_2}{n_1}\rightarrow n_2=n_{21}=\frac{\sin\angle ADB}{\sin\angle KDL} $$

Нехай сторона однієї клітинки зошита дорівнює \(a\), тоді \(AB=6a,\ KL=4a\). \begin{gather*} \sin(\angle ADB)=\frac{AB}{c}\\[6pt] \sin(\angle KDL)=\frac{KL}{c}\\[6pt] n_2=\frac{AB}{c}\cdot \frac{c}{KL}=\frac{6a}{4a}=1,5. \end{gather*}

Відповідь: 1,5.

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Коденсатори.

Завдання скеровано на перевірку вміння аналізувати дію електричного поля на заряд і розв'язувати задачі із застосуванням функціональних залежностей між основними фізичними величинами.

Напруженість однорідного електричного поля плоского конденсатора $$ E=\frac Ud $$

Сила iз якою це поле діє на електрон: $$ F=E\cdot q=E\cdot e. $$

З другого закону Нютона прискорення електрона $$ a=\frac Fm. $$

Звідти $$ a=\frac{U\cdot e}{d\cdot m_e} $$

Електрон у вертикальному напрямку рухається без початкової швидкості, тому $$ h=\frac{at^2}{2}. $$

Час руху обчислюють за формулою $$ t=\frac SV. $$

Дано:
\(U=9\ \text{В}\)
\(d=10\ \text{см}=10^{-2}\ \text{м}\)
\(V=10^{7}\ \text{м/с}\)
\(S=10\ \text{см}=0,1\ \text{м}\)
\(e=1,6\cdot 10^{-19}\ \text{Кл}\)
\(m_e=9,1\cdot 10^{-31}\ \text{кг}\)

Знайти:
\(h\ -\ ?\)

Відповідь: 8.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Кількість теплоти. Питома теплоємність речовини.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв'язувати задачі на аналіз графіків.

Дано графік залежності температури (°C) від наданої кількості теплоти.

Спочатку потрібно зафіксувати конкретне значення \(Q\), позначене пунктиром. Для цього випадку \(Q_1=Q_2\), а зміну температури від початку потрібно порахувати у клітинках.

\begin{gather*} \triangle t_1=4\ \text{клітинки}\\[7pt] \triangle t_2=1\ \text{клітинка}\\[7pt] Q=cm\triangle t\\[7pt] m_1=m_2=m\\[6pt] Q_1=Q_2\rightarrow c_1m\triangle t_1=c_2m\triangle t_2\\[6pt] \frac{c_2}{c_1}=\frac{m\triangle t_1}{m\triangle t_2}=\frac{\triangle t_1}{\triangle t_2}\\[6pt] \frac{c_2}{c_1}=\frac 41=4. \end{gather*}

Відповідь: 4.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Прискорення. Графіки залежності кінематичних величин від часу.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв'язувати задачі на аналіз графіків руху тіл і визначення за ними його параметрів.

Спочатку потрібно записати залежність координати від часу: $$ x=x_0+V_{Ox}t+\frac{a_xt^2}{2} $$

З графіка \begin{gather*} x=20\ \text{за}\ t=2\ \text{с},\ x_0=-10\ \text{м}\\[7pt] V_0=3\ \text{м/с}\\[6pt] 20=-10+3\cdot 2+\frac{a_x2^2}{2}\\[6pt] a=12\ \text{м/с}^2. \end{gather*}

Відповідь: 12.

ТЕМА: Механіка. Закони збереження в механіці. Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв'язувати розрахункові задачі на закон збереження імпульсу.

Дано:
\(m_{\text{т}}=990\ \text{г}\)
\(m_{\text{к}}=10\ \text{г}\)
\(U=6\ \text{м/с}\)

Знайти:
\(V_{\text{к}}\ -\ ?\)

Запишемо закон збереження імпульсу: $$ m_{\text{к}}\overline{V_{\text{к}}}=m_{\text{т}}\overline{V_{\text{т}}}=(m_{\text{к}}+m_{\text{т}})\overline{U} $$

Перейдемо до проєкцій на вісь \(Ox\): \begin{gather*} m_{\text{к}}V_{\text{к}}+0=(m_{\text{к}}+m_{\text{т}})\cdot U\\[6pt] V_{\text{к}}=\frac{(m_{\text{к}}+m_{\text{т}})\cdot U}{m_{\text{к}}}\\[6pt] V_{\text{к}}=\frac{(990\ \text{г}+10\ \text{г})\cdot 6\ \text{м/с}}{0,01\ \text{кг}}\\[6pt] V_{\text{к}}=\frac{1\ \text{кг}\cdot 6\ \text{м/с}}{0,01\ \text{кг}}=600\ \text{м/с}. \end{gather*}

Відповідь: 600.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Електромагнитні коливання і хвилі. Змінний електричний струм.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв'язувати розрахункові комбіновані задачі, для розв'язування яких використовуються поняття і закономірності із різних розділів фізики.

Дано:
\(u=50\cos100\mathbf{\pi}t\)
\(C = 2\ \text{мкФ}\)
\(t = \frac 34 T\)
\(V_2 = 9\ \text{В}\)

1. Знайти:
\(T(\text{с})\ -\ ?\)

Періодична зміна напруги на конденсаторі $$ u=U_{max}\cos(wt). $$

За положенням у формулі \begin{gather*} U_{max}=50\ \text{В}\\[7pt] w=100\mathbf{\pi}, \end{gather*} тому \begin{gather*} w=\frac{2\mathbf{\pi}}{T}=100\mathbf{\pi}\\[6pt] T=\frac{2\mathbf{\pi}}{100\mathbf{\pi}}=0,02\ \text{с}. \end{gather*}

2. Знайти:
\(q(\text{Кл})\ -\ ?\)

Заряд на обкладках конденсатора змінюється за законом

Відповідь: 1. 0,02. 2. 0.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Послідовне з'єднання провідників.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв'язувати задачі на розрахунок електричних кіл.

Дано:
\(R_1=2\ \text{Ом}\)
\(R_2=3\ \text{Ом}\)
\(R_3=3\ \text{Ом}\)
\(V_2=9\ \text{В}\)

1. Знайти:
\(I_{\text{загальна}}\ -\ ?\)

З'єднання послідовне, тому сила струму однакова на всій ділянці кола.

Із закону Ома для ділянки кола $$ I=\frac VR $$

Розрахуємо \begin{gather*} I_2=\frac{V_2}{R_2}\\[6pt] I_2=\frac{9\ \text{В}}{3\ \text{Ом}}=3\ \text{А}=I_{\text{загальна}}. \end{gather*}

2. Знайти:
\(V_{\text{загальна}}\ -\ ?\)

\begin{gather*} R_{\text{загальна}}=R_1+R_2+R_3\\[7pt] R_{\text{загальна}}=(2+3+3)\ \text{Ом}=8\ \text{Ом}\\[7pt] V_{\text{загальна}}=I_{\text{загальна}}\cdot R_{\text{загальна}}\\[7pt] V_{\text{загальна}}=3\ \text{А}\cdot 8\ \text{Ом}=24\ \text{В}. \end{gather*}

Відповідь: 1. 3. 2. 24.

ТЕМА: Термодинаміка. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна і його максимальне значення.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв'язувати розрахункові задачі, застосовуючи функціональні залежності між основними фізичними величинами.

Дано:
\(T_{\text{Н}}=373\ \text{К}\)
\(T_{\text{Х}}=273\ \text{К}\)
\(\mathbf{\lambda}=330\ \text{кДж/кг}\)
\(A_{\text{кор}}=110\ \text{кДж}\)

Знайти:
\(m(\text{г})\ -\ ?\)
\(\text{ККД}\ (\text{%})\ -\ ?\)

ККД ідеальної теплової машини можна записати у двох формах: \begin{gather*} \text{ККД}=\frac{T_{\text{Н}}-T_{\text{Х}}}{T_{\text{Н}}}\cdot 100\ \text{%}\\[6pt] \text{і}\\[6pt] \text{ККД}=\frac{A_{\text{кор}}}{A_{\text{повна}}}\cdot 100\ \text{%}. \end{gather*} Корисна робота \(A_{\text{кор}}\) передається робочому тілу, а різниця між корисною і повною роботою – холодильнику. Тобто енергію \(Qx\), отриману холодильником, визначають за формулою \begin{gather*} Qx=A_{\text{кор}}\left(\frac{T_{\text{Н}}}{T_{\text{Н}}-T_{\text{Х}}}-1\right);\\[6pt] A_{\text{кор}}\left(\frac{T_{\text{Х}}}{T_{\text{Н}}-T_{\text{Х}}}\right);\\[6pt] Qx=A_{\text{повна}}-A_{\text{кор}};\\[6pt] Qx=\frac{A_{\text{кор}}\cdot 100\ \text{%}}{\text{ККД}}-A_{\text{кор}};\\[6pt] Qx=A_{\text{кор}}\left(\frac{100\ \text{%}}{\text{ККД}}-1\right);\\[6pt] Qx=A_{\text{кор}}\left(\frac{T_{\text{Н}}}{T_{\text{Н}}-T_{\text{Х}}}-1\right);\\[6pt] Qx=110\ \frac{\text{кДж}}{\text{кг}}\cdot \left(\frac{273\ \text{К}}{373\ \text{К}-273\ \text{К}}\right);\\[6pt] Qx=110\ \cdot 10^3\ \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}\cdot \left(\frac{273\ \text{К}}{100\ \text{К}}\right);\\[6pt] Qx=300,3\cdot 10^3\ \text{Дж}. \end{gather*} Рівняння теплового балансу для речовини під час плавлення: $$ Qx=\mathbf{\lambda}m. $$ Тож

Обчислення ККД ідеальної теплової машини:

Відповідь: 1. 910. 2. 27