ТЕМА: Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Взаємозв’язок маси й енергії.

Завдання скеровано на перевірку розуміння потужності й уміння визначати її.

Потужність випромінювання \(P\) – це повна енергія \(E,\) яку переносить світло за одиницю часу \(t:\) $$ P=\frac Et. $$

Виділення тілом енергії (випромінювання) супроводжується зменшенням його маси. Зміна енергії тіла прямо пропорційна зміні його маси: $$ \Delta E=\Delta mc^2, $$ де \(m\) – маса тіла, \(c\) – швидкість поширення випромінювання.

Відповідно \begin{gather*} P=\frac{\Delta E}{t}=\frac{\Delta mc^2}{t};\\[6pt] \Delta m=\frac{Pt}{c^2}. \end{gather*}

Перед обчисленням потрібно перевести значення часу в систему СІ: \(3\ \text{хв} = 180\ \text{с.}\)

Відповідь: B.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Повне відбивання.

Завдання скеровано на перевірку розуміння явища повного відбивання і вміння бачити (виявляти) це явище в реальних прикладах.

Повне відбивання світла спостерігають, коли заломлення світла немає, тобто світло повністю відбивається від межі поділу із середовищем меншої оптичної густини.

Світловод – це волокно зі скла чи штучного матеріалу, а також трубка або плівка для передавання світла навіть на дуже великі відстані завдяки ефекту багаторазового повного внутрішнього відбивання. Світловоди використовують у телетрансляції, у медичних приладах для спостереження органів ізсередини (ендоскопія) тощо.

Коли світло поширюється в тумані, то воно розсіюється – багато разів невпорядковано змінює напрямок, відбиваючись від великої кількості маленьких крапельок води.

Якщо розмір отвору, крізь який проходить світло, такого ж порядку, як довжина світлової хвилі, то спостерігають дифракцію – огинання країв вузького отвору та проникнення світла в ділянку геометричної тіні. Наприклад, під час світіння ліхтаря промені відбиваються від його обмежувальної поверхні й на краях напрямленого пучка світла можна побачити дифракцію.

Отже, повне відбивання спостерігають під час поширення світла у світловоді.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Електромагнітні коливання і хвилі. Вільні електромагнітні коливання в коливальному контурі.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння коливального процесу в коливальному контурі, а також уміння описувати цей процес відповідним рівнянням.

Коливання в коливальному контурі відбуваються за гармонічним законом: $$ \chi(t)=A\cos(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega} t+\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_0), $$ де \(\chi\) ‒ значення змінної величини в даний момент часу \(t,\) \(A\) ‒ амплітудне значення змінної величини, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}\) – циклічна частота, \(t\) – час, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_0\) ‒ початкова фаза коливань.

У даному випадку за гармонічним законом змінюється напруга \(u\) на конденсаторі: $$ u=U_{\mathrm{max}}\cos\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega} t, $$ де \(U_{\mathrm{max}}\) – амплітудне значення напруги.

За активного опору \(R\) у коливальному контурі коливання згасні́, оскільки частина енергії електромагнітного поля під час кожного коливання перетворюється на внутрішню (теплову) енергію.

Однак у будь-якій реальній коливальній системі завжди є втрати енергії: під час механічних коливань енергія витрачається на долання сил тертя, деформацію; під час електромагнітних коливань – на нагрівання провідників, випромінювання електромагнітних хвиль 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.

В умові не задано амплітудне значення напруги. Тому обчислимо циклічну частоту \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}:\) $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}=\frac{2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}}{T}, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}=3,14,\ T\) – період коливань; $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}=\frac{2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}}{2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}\sqrt{LC}}=\frac{1}{\sqrt{LC}}, $$ де \(L\) – індуктивність котушки, \(C\) – електроємність конденсатора;

Отже, рівняння, що відповідає умові завдання, $$ u=0,5\cos 2000 t. $$

Відповідь: Б.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Механічні коливання і хвилі. Вільні механічні коливання.

Завдання скеровано на розпізнання вільних механічних коливань у реальних прикладах.

Вільними є коливання, які відбуваються під дією внутрішніх сил системи після того, як її було виведено з положення рівноваги. Тобто певна зовнішня сила один раз подіяла на систему й після цього система сама виконує коливання.

На голку діє періодична зовнішня сила від обертання ручним чи ножним механічним або електроприводом. Ця сила, передана через усі необхідні для цього складники швейної машинки, змушує голку підніматися й опускатися.

Коливання буйка під дією хвиль і штори під дією протягу підтримуються нехай не періодичною зовнішньою силою, але силою, що діє постійно.

Пташка, коли злітала з гілочки, один раз відштовхнулася від неї, а після цього гілочка сама продовжила коливання, тому саме ці коливання є вільними.

Відповідь: Б.

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

Завдання скеровано на перевірку розуміння особливостей коливання на пружині, фізичних величин, якими ці коливання описують, і закономірностей переходу одного виду енергії в інший.

Причиною коливань за умовою є сила пружності, що виникла в деформованій пружині. Оскільки ця пружина спільна для обох тягарців, то однаковою для них буде саме частота коливань пружини (пружина буде одночасно скорочуватися і видовжуватися для обох тіл, а частота – це кількість коливань за певний проміжок часу).

Потенціальна енергія пружини переходитиме в кінетичну енергію тягарця і навпаки. За умовою механічна енергія зберігається (утрати на тертя не враховуємо). Кінетична енергія прямо пропорційна масі, а маси тягарців різняться у 2 рази. Тому максимальна швидкість і, відповідно, максимальна кінетична енергія також різні. Оскільки потенціальна енергія теж різна, то й максимальне видовження пружини ‒ амплітуда ‒ різнитиметься для різних за масою тягарців.

Відповідь: A.

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

Завдання скеровано на перевірку розуміння умов виникнення змінного електричного струму й законів, якими описують його.

У рамці, яка зі сталою кутовою швидкістю обертається в магнітному полі, індукуватиметься змінна електрорушійна сила (ЕРС), яка змінюватиметься за гармонічним законом – із часом за законом синуса або косинуса.

Кут \(\alpha\) між нормаллю до площини рамки й вектором магнітної індукції під час обертання змінюватиметься за законом, який описують формулою $$ \alpha=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega} t, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega}\) – кутова швидкість, \(t\) – час обертання.

Тому й магнітний потік \(\text{Ф}\) через площину рамки змінюватиметься: $$ \text{Ф}=BS\cos\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega} t, $$ де \(B\) – магнітна індукція поля, \(S\) – площа рамки.

Відповідно ЕРС індукції \(e\) у даний момент часу (миттєве значення ЕРС), що виникає в рамці за законом Фарадея, змінюватиметься за законом $$ e(t)=\varepsilon_{\mathrm{max}}\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega} t, $$ де \(\varepsilon_{\mathrm{max}}\) – амплітудне значення ЕРС, оскільки \(e(t)=-\text{Ф}'(t)\) – похідній магнітного потоку за часом \(t.\)

Згідно із законом Ома миттєве значення сили струму \(i\) в рамці змінюватиметься за законом \begin{gather*} i(t)=\frac{e}{R+r}=\frac{\varepsilon_{\mathrm{max}}\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega} t}{R+r}=\\[6pt] =\frac{\varepsilon_{\mathrm{max}}}{R+r}\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega} t=I_{\mathrm{max}}\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\omega} t, \end{gather*} де \(R\) – опір активного навантаження, \(r\) – опір джерела (рамки), \(I_{\mathrm{max}}\) ‒ амплітудне значення сили струму.

Отже, сила струму пропорційна часу, але під тригонометричною функцією. Тому із часом сила струму так само, як ЕРС індукції, змінюватиметься за законом синуса (або косинуса за певних умов).

Відповідь: B.

ТЕМА: Електродинаміка. Електричний струм у різних середовищах.

Завдання скеровано на перевірку розуміння протікання електричного струму в різних середовищах, залежності сили струму від температури.

В розчинах або розплавах електролітів носіями електричного заряду є вільні йони. Із підвищенням температури кількість таких йонів значно збільшується. Тому, попри збільшення кількості зіткнень йонів, опір розчину або розплаву електроліту зменшується, а сила струму за незмінної напруги, відповідно, збільшується.

У газах за підвищення температури збільшується концентрація носіїв заряду – вільних електронів, позитивних і негативних йонів. Це приводить до зменшення опору й, відповідно, збільшенню сили струму.

Провідність напівпровідників зумовлена або вільними електронами, або переміщенням дірок. Із підвищенням температури зростає енергія теплового руху електронів і, як наслідок, збільшується кількість пар «електрон – дірка» в напівпровіднику. Збільшення кількості носіїв заряду приводить до збільшення провідності та зменшення опору. Відповідно зменшення опору веде до зростання сили струму.

У металах позитивні йони коливаються навколо положення рівноваги, а відносно вільні електрони переносять заряд. Середня швидкість теплового руху електронів провідності й енергія коливань йонів у вузлах кристалічних ґраток збільшуються з підвищенням температури металевого провідника. Унаслідок цього зростає і частота зіткнень електронів із йонами, що приводить до збільшення опору провідника та зменшення сили струму.

Відповідь: B.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Електровимірювальні прилади.

Завдання скеровано на перевірку розуміння деяких правил складання електричних кіл і підключення до них різних приладів.

Ні амперметр, ні вольтметр не мають впливати на значення вимірюваної величини, як будь-який вимірювальний прилад. До того ж в умові зазначено, що прилади та провідники є ідеальними. Це означає, що опором провідників можна знехтувати, а опір ідеального амперметра вважати рівним нулю. За цих умов послідовно підключений в електричне коло амперметр без утрат покаже значення тієї сили струму, що проходить через споживач (тут – резистор).

На відміну від амперметра опір ідеального вольтметра нескінченно великий. Такий опір не дає змоги струму проходити через вольтметр. Тому вольтметр показує точне значення напруги на ділянці кола, до якої він приєднаний паралельно. Тож підключення в електричному колі амперметра паралельно, а вольтметра послідовно зі споживачем є неправильним.

Якщо підключити вольтметр паралельно до споживача або до ділянки кола, де послідовно з’єднано амперметр і споживач, то вольтметр покаже падіння напруги на споживачі (амперметр ідеальний, тому не впливатиме на значення напруги).

Якщо підключити вольтметр паралельно лише до амперметра, за законом Ома для ділянки кола напруга на амперметрі дорівнюватиме нулю, оскільки опір амперметра вважаємо рівним нулю: $$ U=IR\rightarrow 0, $$ де \(U\) – напруга, \(I\) – сила струму, \(R\) – опір.

Відповідь: A.

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Принцип суперпозиції полів.

Завдання скеровано на перевірку вміння геометрично інтерпретувати дію кількох електричних полів у точці простору.

Електричне поле можна зобразити графічно лініями напруженості.

Якщо в точці простору електричне поле створене системою зарядів, то напруженість цього результувального поля дорівнюватиме векторній сумі напруженостей полів цих зарядів.

За напрямок напруженості в точці електричного поля потрібно взяти напрямок сили, яка діяла б на пробний позитивний заряд, якби він був поміщений у цю точку поля.

На рисунку в умові завдання зображено два негативні заряди. Під час взаємодії з умовним позитивним зарядом в точці \(C\) вектори напруженості будуть напрямлені вздовж прямих, що з’єднуватимуть точку \(C\) з кожним негативним зарядом, і будуть напрямлені до цих негативних зарядів, бо різнойменні заряди притягуються, як зображено на рисунку.

Якщо добудувати на цих векторах напруженості паралелограм, то за правилом додавання векторів можна визначити їхню векторну суму – більшу діагональ побудованого паралелограма. Вона збігатиметься з напрямком 2.

Відповідь: Б.

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

Завдання скеровано на розуміння закону збереження електричного заряду.

За законом збереження електричного заряду в замкненій системі тіл повний заряд залишається незмінним, заряд не може звідкись виникнути або кудись зникнути, заряди лише перерозподіляються між тілами системи, що контактують між собою.

Оскільки заряд накопичується на поверхні провідників, то не має значення, що одна з куль порожниста, як зазначено в умові. Головне, що зовнішні параметри в них однакові. У куль однакового радіуса площа зовнішньої поверхні та сама. Кулі виготовленого з одного матеріалу. Тому після дотику заряд перерозподілиться порівну між кулями, і заряд кульки 1 дорівнюватиме заряду кульки 2.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Робота в термодинаміці.

Завдання скеровано на перевірку розуміння умов виконання роботи в термодинаміці, залежності її від деяких фізичних величин, а також вміння тлумачити графіки й брати з них числові дані для розв’язування задачі.

З формули для визначення роботи \(A\) газу в термодинаміці $$ A=p\Delta V=p(V_2-V_1), $$ де \(p\) – тиск, \(\Delta V\) – зміна об’єму газу,
зрозуміло: якщо об’єм газу не зазнає змін, то робота не буде виконана, тобто дорівнюватиме нулю.

На графіку ділянка 12 відповідає ізохорному охолодженню (знижуються температура й тиск, відповідно третій макроскопічний параметр газу – об᾽єм – залишатиметься сталим), ділянка 23 – ізобарному нагріванню (тиск залишається сталим, температура підвищується, відповідно об’єм збільшуватиметься).

Цих висновків можна дійти з огляду на рівняння Клапейрона: $$ \frac{p_1V_1}{T_1}=\frac{p_2V_2}{T_2},\ \text{тобто}\ \frac{pV}{T}=const. $$

Якщо під час процесу 12 об’єм не змінюється, то газ не виконує роботу, робота газу на цій ділянці дорівнює нулю. Тоді робота газу під час переходу зі стану 1 у стан 3 складатиметься лише з роботи на ділянці 23.

Об᾽єм унаслідок ізобарного нагрівання зміниться так: \begin{gather*} \frac{V_2}{T_2}=\frac{V_3}{T_3},\\[6pt] p=const,\\[6pt] V_1=V_2=0,1\ \text{м}^3. \end{gather*}

Звідси $$ V_3=\frac{V_2T_3}{T_2}=\frac{0,1\ \text{м}^3\cdot 800\ \text{К}}{200\ \text{К}}=0,4\ \text{м}^3. $$

Відповідно робота \begin{gather*} A=A_{23}=p(V_3-V_2)=\\[7pt] =1000\ \text{Па}\cdot(0,4\ \text{м}^3-0,1\ \text{м}^3)=300\ \text{Дж}. \end{gather*}

Відповідь: Г.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Змочування.

Завдання скеровано на розуміння того, як поводить себе змочувальна або не змочувальна рідина в капілярах.

В умові завдання зазначено, що капіляр (тонка трубочка з дуже вузьким внутрішнім каналом) чистий ізсередини і ззовні. Це означає, що жодна стороння речовина не заважатиме взаємодії рідини зі склом (змочуватиме скло чи ні).

Що тонший капіляр, то вище підніматиметься в ньому рідина. Рівень рідини в капілярі не може бути нижчим від загального рівня рідини в посудині, у яку капіляр уставлено.

Якщо рідина змочує стінки капіляра, то біля його стінок вона набуватиме ввігнутої форми і ззовні і зсередини, оскільки зазначено, що капіляр чистий з обох боків.

Якщо ж рідина не змочує скло, то її поверхня біля стінок капіляра буде опуклою і ззовні, і зсередини.

Отже, єдиний правильний рисунок із-поміж наведених – рисунок B: рідина в капілярі піднялася вище від загального рівня, а вода і ззовні, і зсередини змочує скло.

Відповідь: B.

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

Завдання скеровано на перевірку розуміння процесів, що відбуваються з газом сталої маси, тобто ізопроцесів.

За першим законом термодинаміки передана системі кількість теплоти \(Q\) витрачається на зміну внутрішньої енергії \(\Delta U\) та на виконання системою роботи \(A\) проти зовнішніх сил: $$ Q=\Delta U + A. $$

Під час ізотермічного \((T = const)\) процесу температура, а отже, і внутрішня енергія газу, не змінюються, тобто вся передана теплота витрачається на виконання роботи: $$ Q=A. $$

Під час ізобарного \((p = const)\) процесу і внутрішня енергія газу змінюється, і робота виконується: $$ Q=\Delta U + A. $$

Під час адіабатного (без обміну теплом із навколишнім середовищем) процесу теплота системі не передається, тобто газ може виконати роботу за рахунок зменшення внутрішньої енергії, при цьому температура газу зменшиться: $$ A=-\Delta U. $$

За ізохорного \((V = const)\) процесу об᾽єм газу не змінюється, тобто газ роботу не виконує \((A = 0)\), а рівняння першого закону термодинаміки таке: $$ Q=\Delta U. $$

Тож саме під час ізохорного процесу всю передану газу кількість теплоти буде витрачено на зміну його внутрішньої енергії.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Механіка. Закони збереження в механіці. Прості механізми.

Завдання скеровано на перевірку розуміння принципу дії простих механізмів – важеля і рухомого блока.

Прості механізми − це пристрої, які дають змогу виконувати роботу, докладаючи меншу силу порівняно з виконанням цієї ж роботи без них (виграємо в силі – програємо у відстані), або ж змінювати напрямок дії сили на зручніший для людини.

Важіль перебуває в рівновазі, якщо моменти сил, що обертають його за годинниковою стрілкою і проти неї, за модулем дорівнюють один одному.

Проти годинникової стрілки важіль обертатиме сила тяжіння, що діє на вантаж 1. Плече цієї сили становитиме \(5l\) (якщо \(l\) – це одиничний відрізок, на які поділено важіль).

За годинниковою стрілкою важіль обертатиме сила, що натягує підвіс, на якому підвішено рухомий блок. Використання рухомого блока забезпечує подвійний виграш у силі. Тож для тримання вантажу 2 треба прикласти вдвічі меншу силу порівняно з його вагою. Плече цієї сили дорівнює \(l\) (див. рисунок).

Запис правила моментів сил як умови рівноваги для тіла, що лише обертається, тобто має нерухому вісь обертання, такий: \begin{gather*} F_1l_1=F_2l_2,\\[6pt] m_1gl_1=\frac 12 m_2gl_2, \end{gather*} де \(F\) – сила, а \(l\) – її плече, \(g\) – прискорення вільного падіння, \(m\) – маса тіла.

Відповідно \begin{gather*} m_15l=\frac 12 m_2l,\\[6pt] m_2=10m_1=10\cdot 30\ \text{кг}=300\ \text{кг}. \end{gather*}

Відповідь: Г.