ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння поняття сторонніх сил і принципів роботи основних елементів електричного кола.

Сторонні сили – це будь-які не кулонівські сили, що діють на електрично заряджені частинки.

Джерела електричного струму повинні виштовхувати електрони в електричне коло. Вони мають позитивно й негативно заряджені полюси. Електрони рухаються від негативного полюса до позитивного по провідниках у колі. Проте відстань між двома полюсами джерела набагато менша, ніж довжина будь-якого кола. Частинки, що притягуються, завжди рухаються за найкоротшим шляхом. Тож чому електрони взагалі покидають джерело струму й опиняються в колі, а не просто рухаються в межах джерела?

В усіх джерелах діють сторонні сили, що змушують електрони рухатися до негативно зарядженого полюса. Сторонні сили протидіють кулонівським у джерелі, що прагнуть перемістити електрони до позитивно зарядженого полюса. Схематично дію сторонніх і кулонівських сил у джерелі струму зображено на рисунку 1. Стрілками синього кольору позначено кулонівські сили, а червоного – сторонні.

Тож джерело струму не може працювати без дії сторонніх сил всередині.

Рис. 1. Схематичне зображення дій сторонніх та кулонівських сил у джерелі струму

Відповідь: В.

ТЕМА: Магнітне поле, електромагнітна індукція. Сила Лоренца.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння законів руху заряджених частинок в електричному полі.

На рухому заряджену частинку в полі діє сила Лоренца. Саме вона й зумовить зміну напрямку руху електрона, що рухається в однорідному магнітному полі. Сила Лоренца залежить від заряду частинки, її швидкості, індукції магнітного поля і кута, який утворюють напрямок швидкості й лінії магнітної індукції: $$ F=Bvq\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}, $$ де \(B\) – магнітна індукція поля, \(q\) – заряд частинки, \(v\) – швидкість частинки, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\) – кут між вектором магнітної індукції і напрямком руху частинки.

Якщо траєкторія електрона прямолінійна, то сила Лоренца не впливає на його рух, а отже має дорівнювати 0. Сила Лоренца дорівнюватиме нулю, коли \(\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha} = 0\). Тобто коли \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}n\). Тож напрямок швидкості електрона має бути або співнапрямлений із напрямком ліній магнітної індукції, або протилежно напрямлений.

Тому, якщо лінії магнітної індукції напрямлені вертикально, то й електрон має рухатися в такому напрямку.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Електричний струм у різних середовищах.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння впливу струму на середовища, у яких він протікає.

Теплова дія струму полягає в тому, що будь-який провідник нагрівається під час проходження ним струму. Електрони, що рухаються під дією поля, зіштовхуються із частинками у кристалічній ґратці провідника. У результаті таких зіткнень частинки поглинають кінетичну енергію електронів, внутрішня енергія провідника росте, а отже збільшується і температура.

Електроплита працює саме завдяки цьому ефекту: металеві конфорки або спіралі нагріваються, коли по них тече струм, що й дає змогу готувати на них їжу.

У випадку Б ілюстровано йонну провідність електролітів, а у випадках В і Г – появу магнітного поля у провідниках зі струмом.

Відповідь: A.

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Конденсатори.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння залежності ємності конденсатора від його геометричних параметрів.

На рисунку зображено плоский конденсатор. Вираз для його електроємності такий: $$ C=\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_0\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}S}{d}. $$

Зміщення пластин одна відносно одної і їхній поворот не впливають на ємність конденсатора.

Зменшення відстані між пластинами її збільшить, а збільшення – зменшить.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електричне поле. Напруженість електричного поля.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння напруженості електричного поля і вміння порівнювати її в різних точках електричного поля.

Напруженість електричного поля в певній точці \(\overrightarrow{E}\) – векторна фізична величина, яка характеризує електричне поле й дорівнює відношенню сили \(\overrightarrow{F},\) із якою електричне поле діє на пробний заряд \(q\), поміщений у цю точку поля, до значення цього заряду $$ \overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{F}}{q}. $$

На пробний заряд \(q\) з боку поля діє сила Кулона, яка за модулем дорівнює $$ F=k\frac{|Q||q|}{r^2}, $$ де \(r\) – відстань між зарядами, а \(k=9\cdot 10^9\ \text{Нм}^2/\text{Кл}^2\).

Тоді модуль напруженості електричного поля дорівнюватиме $$ E=k\frac{|Q|}{r^2}. $$

Оскільки масштаб рисунку невідомий, то можна вважати, що клітинка дорівнює умовній одиниці довжини (у. о. д.). Відстань до точки 1 становить 1 у. о. д. і 2 у. о. д. від кожного із зарядів відповідно. Відстань до точки 2 становить 6 у. о. д. і 3 у. о. д. від кожного із зарядів відповідно.

Напруженості електричного поля різних зарядів додають векторно, тому для точки 1 поле створене обома зарядами буде спрямоване у протилежні боки. Вважатимемо, що напрямок зліва направо – додатний, тоді загальна напруженість електричного поля в точці 1 становитиме:

А для точки 2 поля, створені обома зарядами, спрямовані в один бік, тому загальна напруженість становить

Тоді можемо знайти відношення напруженості електрично в кожній із точок:

Відповідь: A.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Капілярні явища.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння загальних принципів капілярних явищ.

Висоту підйому або опускання води в капілярі порівняно з рівнем води в широкій посудині обчислюють за формулою: $$ h=\frac{2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\sigma}}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}gr} . $$ \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\sigma}\) – поверхневий натяг рідини, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\) – густина рідини, \(g\) – прискорення вільного падіння, а \(r\) – радіус капіляра.

Вода змочує скло, тому вона підніматиметься в капілярах.

Поверхневий натяг мильного розчину становить \(0,04\ \text{Н/м}\), а води – \(0,07\ \text{Н/м}\), тому якщо у воду додати мило, то її поверхневий натяг зменшиться. А отже зменшиться висота її підйому в капілярі.

Зі збільшенням температури поверхневий натяг зменшується, адже більше молекул пари опиняється поруч із поверхнею рідини. Що більше молекул газу опиняється поруч із поверхнею, то ближчими будуть сумарні сили взаємодії молекул рідини на поверхні з молекулами газу й молекулами рідини. А отже рівнодійна, що затягує молекули на поверхні вглиб об’єму рідини буде меншою, що й зменшує поверхневий натяг. Тож зі збільшенням температури зменшиться і висота підйому рідини в капілярі.

Ширина посудини з водою ніяк не впливає на підйом рідини всередині капіляра.

Тонший капіляр має менший радіус. Що менший радіус капіляра, то вища висота підйому рідини в ньому.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Абсолютна й відносна вологість. Точка роси.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння понять динамічної рівноваги й відносної й абсолютної вологості.

Точка роси – це температура, за якої водяна пара, що міститься в повітрі, стає насиченою.

Відносна вологість – фізична величина, яка показує, наскільки водяна пара близька до насичення, і дорівнює поданому у відсотках відношенню абсолютної вологості до густини насиченої водяної пари за певної температури.

Абсолютна вологість – фізична величина, яка характеризує вміст водяної пари в повітрі й чисельно дорівнює масі водяної пари, що міститься в повітрі об’ємом \(1\ \text{м}^3.\)

Стан, за якого швидкості конденсації і пароутворення однакові – це стан динамічної рівноваги.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Вимірювальні пристрої.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння фізичних принципів роботи вимірювальних пристроїв.

Термометр – це прилад для вимірювання температури. Він працює завдяки тому, що деякі речовини за сталого тиску суттєво змінюють свій об’єм за зміни температури (ртуть чи спирт розширюються за збільшення температури і звужуються за її зменшення).

Психрометр – це прилад для вимірювання відносної вологості. Принцип його роботи такий: у корпусі приладу є два термометри. Кінець одного з них зазвичай обгорнутий у вологу тканину. Вода з тканини завжди випаровується, і швидкість випаровування залежить від того, яка вологість повітря навколо. Для вимірювання відносної вологості фіксують покази сухого й вологого термометрів і за допомогою спеціальних таблиць виконують необхідні розрахунки.

Барометр – це прилад для вимірювання атмосферного тиску. У завданні зображено безводний барометр (анероїд), усередині якого є вакуумна камера з гофрованою поверхнею. За високого атмосферного тиску кришка коробки сильно опускається, а за низького – піднімається. До кришки за допомогою пружини прикріплено стрілку. Тому, коли кришка камери піднімається чи опускається, пружина деформується, а стрілка починає рухатися по шкалі.

Динамометр – це прилад для вимірювання сили. Зазвичай динамометр складається із пружини і шкали. Коли на кінець пружини діє сила, то за законом Гука пружина розтягується: $$ F=kx. $$

Тому, якщо відомий коефіцієнт жорсткості пружини, то за значенням її видовження можна визначити й силу, що його зумовлює.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Ізопроцеси.

Завдання скеровано на оцінювання вміння аналізувати графіки ізопроцесів і будувати їх у різних системах координат.

Ізотермічний процес – процес змінювання за незмінної температури стану газу деякої маси.

На графіках у завданні процеси зображено в координатах \(V\) і \(T\). У такому вигляді ізотермічний процес – це пряма, перпендикулярна до осі \(T.\)

Відповідь: A.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Середня квадратична швидкість теплового руху молекул.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі, пов’язані із середньою квадратичною швидкістю молекул.

Кількість зіткнень залежить від середньоквадратичної швидкості руху молекул: що більша швидкість їхнього руху, то частіше вони стикаються одні з одними й зі стінками.

За основним рівнянням молекулярно-кінетичної теорії існує зв’язок між макроскопічними параметри (тиском, об’ємом і температурами) і середньою швидкістю руху молекул у квадраті: $$ p=\frac 13 m_0n\overrightarrow{v^2}, $$ де \(p\) – тиск, \(m_0\) – маса однієї молекули, \(\overrightarrow{v^2}\) – середня швидкість молекул у квадраті, \(n\) – концентрація молекул. $$ n=\frac NV. $$ де \(N\) – кількість молекул, \(V\) – об’єм.

Тоді основне рівняння молекулярно-кінетичної можна переписати: $$ pV=\frac 13 m_0N\overrightarrow{v^2}. $$

З огляду на рівняння стану $$ pV=vRT. $$

Тому $$ vRT=\frac 13 m_0N\overrightarrow{v^2}. $$

Середньоквадратичну швидкість можна обчислити з виразу $$ v_{\text{кв}}=\sqrt{\overrightarrow{v^2}}. $$

Кількість речовини $$ v=\frac mM, $$ де \(M\) – молярна маса речовини, а \(m\) – маса тіла.

Зважаючи на те, що добуток маси однієї молекули на їхню кількість становить масу всього тіла, $$ m_0N=m. $$

Тому $$ \frac mM RT=\frac 13m\overrightarrow{v^2}. $$

Тобто $$ v_{\text{кв}}=\sqrt{\overrightarrow{v^2}}=\sqrt{\frac{3RT}{M}}. $$

Аби дізнатися, у скільки разів збільшиться кількість зіткнень зі стінкою за 1 с, необхідно обчислити, чому дорівнює відношення середньоквадратичної швидкості молекул за температури 1 000 К до середньоквадратичної швидкості молекул за температури 250 К: $$ \frac{v_{\text{кв 1000 К}}}{v_{\text{кв 2500 К}}}=\frac{\sqrt{\frac{3R\cdot 1000\ \text{К}}{M}}}{\sqrt{\frac{3R\cdot 250\ \text{К}}{M}}}=\sqrt{\frac{1000\ \text{К}}{250\ \text{К}}}=2. $$

Відповідь: A.

ТЕМА: Гідростатичний тиск.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння поняття гідростатичного тиску

У кожній із посудин, зображених на рисунку, рідина встановилася на однаковому рівні. Тиск на дно рідини складатиметься з атмосферного тиску, який буде однаковим для трьох посудин, що розташовані в тій самій кімнаті і тиску стовпчика рідини в посудині. Тиск нерухомого стовпчика рідини або газу називають гідростатичним.

Гідростатичний тиск \(p\) визначають за формулою $$ p=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}gh, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\) – густина рідини, \(g\) – прискорення вільного падіння, \(h\) – висота стовпчика рідини.

Оскільки висота стовпчика рідини в усіх посудинах однакова, то і їхній гідростатичний тиск також буде однаковим. А отже й загальний тиск на дно посудини буде однаковим.

Відповідь: A.

ТЕМА: Механіка. Закони збереження в механіці. Пружне зіткнення.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння особливостей пружного зіткнення і вміння використовувати закони збереження.

Пружне зіткнення – це зіткнення, після якого сумарна кінетична енергія тіл зберігається: $$ W_{\text{кульки}}=\frac{mv^2}{2}. $$

Тож можна обчислити кінетичну енергію кожної з кульок до зіткнення. Нехай рухома кулька – кулька 1, а нерухома – 2: \begin{gather*} W_1=\frac{mv^2}{2}=\frac{m(10\ \frac{\text{м}}{\text{с}})^2}{2}=50m\ \text{Дж};\\[1pt] W_2=\frac{mv^2}{2}=\frac{m(0\ \frac{\text{м}}{\text{с}})^2}{2}=0\ \text{Дж}. \end{gather*}

Тоді сумарна кінетична енергія до зіткнення становить $$ W_{\text{до}}=W_1+W_2=50m\ \text{Дж}. $$

У замкнутій системі має зберігатися сумарний імпульс тіл. Імпульс першої кульки до зіткнення становить $$ p_1=mv=10m\ \text{кг}\cdot \text{м/с}. $$

Імпульс другої кульки: $$ p_2=mv=0\ \text{кг}\cdot \text{м/с}. $$

Тоді сумарний імпульс до зіткнення становить: $$ p_{\text{до}}=p_1+p_2=10m\ \text{кг}\cdot \text{м/с}. $$

У випадку A після зіткнення швидкості першої і другої кульки дорівнюють \(–10\ \text{м/с}\) і \(0\ \text{м/с}\) відповідно. Тоді сумарна кінетична енергія після удару становитиме:

Імпульс першої кульки до зіткнення становить $$ p_{1 А}=mv=-10m\ \text{кг}\cdot \text{м/с}. $$

Імпульс другої кульки $$ p_{2 А}=mv=0\ \text{кг}\cdot \text{м/с}. $$

Сумарний імпульс системи після зіткнення становить $$ p_{\text{після А}}=p_{1 А}+p_{2 А}=-10m\ \text{кг}\cdot \text{м/с}. $$

Отже імпульс не зберігається.

У випадку Б після зіткнення швидкості першої і другої кульки відповідно дорівнюють \(–5\ \text{м/с}.\) Тоді сумарна кінетична енергія після удару становитиме

Отже кінетична енергія після удару менша, ніж до нього. Зіткнення не пружне.

У випадку B після зіткнення швидкості першої і другої кульки відповідно дорівнюють \(-5\ \text{м/с}\) та \(5\ \text{м/с}.\) Тоді сумарна кінетична енергія після удару становитиме:

Отже кінетична енергія після удару менша, ніж до нього. Зіткнення не пружне.

У випадку Г після зіткнення швидкості першої і другої кульки дорівнюють \(0\ \text{м/с}\) і \(10\ \text{м/с}\) відповідно. Тоді сумарна кінетична енергія після удару становитиме

Імпульс першої кульки до зіткнення становить $$ p_{1 Г}=mv=0\ \text{кг}\cdot \text{м/с}. $$

Імпульс другої кульки дорівнює $$ p_{2 Г}=mv=10\ \text{кг}\cdot \text{м/с}. $$

Сумарний імпульс системи після зіткнення становить $$ p_{\text{після Г}}=p_{1 Г}+p_{2 Г}=10m\ \text{кг}\cdot \text{м/с}. $$

Отже імпульс і кінетична енергія зберігаються – зіткнення пружне.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Механіка. Потенціальна енергія.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння поняття потенціальної енергії і способів її обчислення для різних тіл

Потенціальна енергія \(U\) – це енергія, яку має тіло внаслідок взаємодії з іншими тілами або внаслідок взаємодії частин тіла між собою.

Для тіл, що перебувають у полі сили тяжіння, потенціальну енергію визначають за формулою $$ U=mgh, $$ де \(m\) – маса тіла, \(g\) – прискорення вільного падіння, \(h\) – висота підняття тіла над поверхнею.

Потенціальну енергію пружного тіла визначають за формулою \begin{gather*} U=\frac{kx^2}{2}, \end{gather*} де \(k\) – жорсткість тіла, \(x\) – його абсолютне видовження.

А Коли космічний корабель віддаляється від поверхні Землі, то він мусить виконувати роботу проти поля тяжіння Землі. У такому разі його потенціальна енергія зростає.

Б Коли контейнер піднімають на борт судна, то його висота над поверхнею землі збільшується, а отже й потенціальна енергія зростає.

В Коли тіло занурили у воду, то була виконана робота проти виштовхувальної сили. Тобто м’яч отримав додаткову енергію. Те саме відбувається із тілами, які піднімають на певну висоту (робота виконується проти поля сили тяжіння). Відразу після того, як сили перестають підтримувати тіло в положенні з більшою потенціальною енергією, воно починає рухатися до положення з найменшою потенціальною енергією. Саме тому, якщо тіло, підняте на висоту, відпустити, то воно падає. У цьому випадку тіло спливає, а його потенціальна енергія зменшується.

Г Коли спортсмен натягує тятиву, її абсолютне видовження \(x\) збільшується, а отже збільшується і її потенціальна енергія.

Відповідь: B.

ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Умови рівноваги.

Завдання скеровано на оцінювання вміння використовувати умови рівноваги для розв’язування розрахункових задач.

Важіль – це тверде тіло, яке може обертатися навколо нерухомої осі – осі обертання.

Важіль перебуває в рівновазі, якщо сума моментів сил, що діють на нього, дорівнює нулю.

Момент сили \(M\) – це фізична величина, що дорівнює добутку модуля сили \(F\), яка діє на тіло, на плече \(d\) цієї сили.

За рисунком до завдання можна визначити, що до правого плеча на відстані чотирьох поділок прикріплено три вантажі. Кожен із цих вантажів діє на плече із силою, що дорівнює їхній вазі.

На праве плече важеля на відстані трьох поділок прикріплено один вантаж, а на відстані двох поділок ми діємо силою.

Оскільки важіль за умовою перебуває в стані рівноваги, можна скористатися рівністю моментів сил: $$ 1)\ M_1=M_2, $$ де \(M_1\) і \(M_2\) – відповідні моменти сил: $$ 2)\ \left\{\begin{array}{l} M_1=l_1P_{3\ \text{вантажі}}=3l_1mg;\\ M_2=l_2F+l_3P_{1\ \text{вантаж}}=l_2F+l_3mg. \end{array}\right. $$

Вага трьох вантажів дорівнює сумі ваги кожного з них: $$ 3)\ \overrightarrow{P_3}=m\overrightarrow{g}+m\overrightarrow{g}+m\overrightarrow{g}=3m\overrightarrow{g}, $$ де \(l_1,\ l_2\) і \(l_3\) – відповідні плечі сил в умовних одиницях, позначені на рисунку 1.

Рис. 1. Схематичний розподіл сил

Після підставлення виразу (2) у вираз (1): $$ 3)\ 3l_1mg=l_2F+l_3mg. $$ Оскільки масштаб в умові не зазначено, то вважатимемо, що поділка – це умовна одиниця довжини (у. о. д.).

Із (3) можемо виразити \(F\):

Відповідь: B.