ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Принцип дії теплових двигунів. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна та його максимальне значення.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати задачі щодо принципу роботи і коефіцієнта корисної дії теплового двигуна.

Принцип роботи теплових двигунів такий: робоче тіло, одержуючи певну кількість теплоти \(Q_1\) від нагрівача, виконує механічну роботу \(A\) і передає деяку кількість теплоти \(Q_2\) холодильнику.

З одного боку, коефіцієнт корисної дії \(\mathbf{\eta}\) двигуна дорівнює відношенню роботи \(A,\) виконуваної двигуном за цикл, до кількості теплоти \(Q_1,\) одержуваної від нагрівача: $$ \mathbf{\eta}=\frac{A}{Q_1}. $$

З іншого боку, коефіцієнт корисної дії \(\mathbf{\eta}\) ідеальної теплової машини дорівнює: $$ \mathbf{\eta}=\frac{T_\text{Н}-T_\text{Х}}{T_\text{Н}}, $$ де \(T_\text{Н}\) ‒ температура нагрівача; \(T_\text{Х}\) ‒ температура холодильника.

Прирівняємо праві частини обох формул: $$ \frac{A}{Q_1}=\frac{T_\text{Н}-T_\text{Х}}{T_\text{Н}}, $$ звідки $$ Q_1=\frac{A\cdot T_\text{Н}}{T_\text{Н}-T_\text{Х}}. $$

Перед тим, як обчислити шукану кількість теплоти, визначмо температуру в кельвінах (K):

Відповідь: A.

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

Завдання скеровано на перевірку вміння застосовувати перший закон термодинаміки до ізопроцесів.

Кількість теплоти \(Q,\) передана системі, забезпечує зміну внутрішньої енергії системи \(\Delta U\) та виконання системою роботи \(A\) проти зовнішніх сил: $$ Q=\Delta U+A. $$

Під час ізохорного нагрівання об’єм газу не змінюється \(\Delta V=0,\) газ роботу не виконує \((A=0),\) тому рівняння першого закону термодинаміки таке: $$ Q=\Delta U. $$

В ізохорному процесі вся передана газу кількість теплоти витрачається на збільшення внутрішньої енергії газу. Тож внутрішня енергія газу збільшилася на \(12\ \text{кДж.}\)

Під час ізотермічного розширення температура, а отже, і внутрішня енергія газу не змінюються \((\Delta U=0),\) тому рівняння першого закону термодинаміки таке: $$ Q=A. $$

В ізотермічному процесі вся передана газу кількість теплоти витрачається на виконання механічної роботи. Тому внутрішня енергія не змінилася на цьому етапі перетворень із газом.

Отже, за результатами двох процесів, що відбулися з газом, його внутрішня енергія змінилася лише на \(12\ \text{кДж.}\)

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика та термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Плавлення і тверднення тіл.

Завдання скеровано на перевірку розуміння процесів переходу речовини з твердого в рідкий стан.

Кристалічні речовини починають плавитися після досягнення ними певної (власної для кожної речовини) температури. Для цього речовину треба нагрівати, що відображено на ділянці графіка 1‒2: із часом температура підвищується.

Під час плавлення температура речовини не змінюється. Уся енергія (кількість теплоти), що надходить до речовини, витрачається на руйнування кристалічної ґратки. Цьому етапу процесу відповідає ділянка графіка 2‒3, де температура залишається сталою.

Отже, точка 2 відповідає початку плавлення речовини.

Відповідь: A.

ТЕМА: Молекулярна фізика та термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії.

Завдання скеровано на перевірку розуміння макроскопічних параметрів, якими описують стан ідеального газу, і вміння інтерпретувати їх графічно.

Зміну станів газу описують рівнянням Клапейрона: $$ \frac{pV}{T}=\mathrm{const}, $$ із якого випливає, що абсолютна температура \(T\) прямо пропорційна добутку тиску \(p\) й об’єму \(V.\)

Розгляньмо кожен зі станів 1‒4 ідеального газу. Одну клітинку вважатимемо одиничним відрізком для обох величин: \begin{gather*} \boldsymbol с\boldsymbol т\boldsymbol а\boldsymbol н\boldsymbol\;\mathbf1\\[7pt] T_1\sim 5p\cdot 1V\sim 5pV;\\[7pt] \boldsymbol с\boldsymbol т\boldsymbol а\boldsymbol н\boldsymbol\;\mathbf2\\[7pt] T_2\sim 4p\cdot 2V\sim 8pV;\\[7pt] \boldsymbol с\boldsymbol т\boldsymbol а\boldsymbol н\boldsymbol\;\mathbf3\\[7pt] T_3\sim 3p\cdot 3V\sim 9pV;\\[7pt] \boldsymbol с\boldsymbol т\boldsymbol а\boldsymbol н\boldsymbol\;\mathbf4\\[7pt] T_4\sim 1p\cdot 6V\sim 6pV. \end{gather*}

Отже, найменшим є числовий коефіцієнт у стані \(1,\) температура газу буде найменшою у стані \(1.\)

Відповідь: A.

ТЕМА: Механіка. Елементи механіки рідин та газів. Тиск. Закон Паскаля для рідин та газів.

Завдання скеровано на перевірку розуміння принципу роботи гідравлічного преса.

Гідравлічний прес ‒ це найпростіша гідравлічна машина, яку використовують для створення великих сил тиску (див. рисунок).

Якщо до поршня меншого циліндра прикласти силу \(\overrightarrow{F}_1,\) то ця сила чинитиме на поверхню рідини певний додатковий тиск \(p:\) $$ p=\frac{F_1}{S_1}, $$ де \(S_1\) ‒ площа меншого поршня.

За законом Паскаля цей тиск передаватиметься в усі точки рідини, якою заповнені сполучені циліндри. Тож рідина почне тиснути з певною силою \(\overrightarrow{F}_2\) на поршень більшого циліндра: $$ F_2=p\cdot S_2, $$ де \(S_2\) ‒ площа більшого поршня; \(p\) ‒ додатковий тиск.

Отже, сила, що діє з боку рідини на великий поршень, більша від сили, що діє на малий поршень, у стільки разів, у скільки разів площа великого поршня більша за площу малого: $$ \frac{F_2}{F_1}=\frac{S_2}{S_1}, $$ де \(\frac{F_2}{F_1}\) ‒ це виграш у силі.

Використанням гідравлічного преса забезпечено виграш у силі й, водночас, програш у відстані та, відповідно, швидкості. Час опускання меншого поршня такий самий, як і час піднімання більшого поршня. А відстань \(h_1,\) яку проходить менший поршень, більша за відстань \(h_2,\) яку долає більший поршень (див. рисунок). Тоді менший поршень мусить рухатися з більшою швидкістю \(v_1,\) щоб за той самий час подолати більшу відстань:

Відповідь: Г.

ТЕМА: Механіка. Закони збереження в механіці. Кінетична і потенціальна енергія.

Завдання скеровано на перевірку розуміння графіків функціональної залежності фізичних величин, що ними описано прямолінійний рівноприскорений рух.

Кінетична енергія \(E_\text{к}\) ‒ це фізична величина, яка є характеристикою механічного стану рухомого тіла й дорівнює половині добутку маси \(m\) тіла на квадрат швидкості \(v\) його руху: $$ E_\text{к}=\frac{mv^2}{2}. $$

Отже, кінетична енергія пропорційна квадрату швидкості \(E_\text{к}\sim v^2.\) Рух тіла, кинутого вертикально вгору, є рівноприскореним, тому швидкість руху визначмо за відповідним кінематичним рівнянням (у проєкціях на вертикальну, напрямлену вгору вісь \(Oy\)): $$ v=v_0->. $$

З рівняння випливає, що швидкість руху тіла прямо пропорційна часу: $$ v\sim t, $$ відповідно квадрат швидкості пропорційний квадрату часу: $$ v^2\sim t^2. $$

Тож і кінетична енергія пропорційна квадрату часу: $$ E_\text{к}\sim t^2. $$

Графіком залежності кінетичної енергії від часу (квадратичної функції) є парабола. З огляду на це варіанти відповіді А і Г неправильні.

Оскільки тіло піднімається, то кінетична енергія зменшуватиметься, тіло сповільнюватиметься, а потенціальна енергія зростатиме. Такому рухові відповідатиме парабола, вітки якої напрямлені вгору: із плином часу кінетична енергія зменшуватиметься до нуля у максимальній точці підняття, а коли тіло почне падати, кінетична енергія почне зростати до початкового значення, оскільки за умовою опором повітря нехтуємо, утрат механічної енергії немає.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Графіки залежності кінематичних величин від часу рівномірного й рівноприскореного рухів.

Завдання скеровано на перевірку вміння читати графіки й описувати їх кінематичними рівняннями.

Оскільки графіками залежності координати \(x\) від часу \(t\) є ділянки прямих, то за характером руху та за формою траєкторії це рівномірний прямолінійний рух. Для рівномірного прямолінійного руху рівняння координати таке: $$ x=x_0+v_\mathrm{x}t, $$ де \(x_0\) ‒ початкова координата, \(v_\mathrm{x}\) ‒ проєкція швидкості на горизонтальну вісь, уздовж якої рухається тіло.

Розгляньмо кожен момент часу, коли змінюються графіки.

Запишімо рівняння координати для ділянок від \(0\) до \(1,5\ \text{с}\) кожного графіка, скорочено позначивши дані щодо кольору графіків: чорний ‒ «ч» і сірий ‒ «с» відповідно:

Отже, у момент часу \(1\) с швидкості руху тіл різні.

Розгляньмо ділянки від \(1,5\) до \(2,5\ \text{с}\) обох графіків і запишімо рівняння координати для цих ділянок:

Отже, у момент часу \(2\ \text{с}\) швидкості руху обох тіл однакові \(v_{2\text{ч}}=v_{2\text{с}}.\) Знак «мінус» указує на те, що тіла рухались у напрямку, протилежному до напрямку вибраної горизонтальної осі.

Розгляньмо ділянки від \(2,5\ \text{с}\) обох графіків і запишімо рівняння координати для цих ділянок:

Отже, у моменти часу \(3\ \text{с}\) і \(4\ \text{с}\) швидкості руху тіл різні.

Можна, не обчислюючи значення швидкості для кожного моменту часу, визначити, які ділянки графіків відповідатимуть однаковим швидкостям.

Рівняння координати \(x=x_0+v_\mathrm{x}t\) відповідає лінійній математичній функції \(y=b+kx\) (рис. 1). Коефіцієнт \(k\) називають кутовим коефіцієнтом цієї функції.

Рис. 1. Графік лінійної функції, яка зростає

Від коефіцієнта \(k\) залежить кут, який побудована пряма утворює з додатним напрямком осі \(Ox.\) На рисунку 2 показано паралельні прямі з однаковим кутовим коефіцієнтом \(k.\)

Рис. 2. Прямі з однаковим кутовим коефіцієнтом \(k\)

Отже, використавши геометричний зміст графіків, наведених в умові, можна без обчислень дійти висновку, що швидкості руху будуть однакові, якщо ділянки графіків нахилені під однаковим кутом до осі \(Ox,\) тобто паралельні між собою. Це відповідає моменту часу \(2\ \text{с}.\)

Відповідь: B.

ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Другий закон Ньютона.

Завдання скеровано на перевірку вміння застосовувати другий закон Ньютона.

Другий закон Ньютона: прискорення \(\overrightarrow{a},\) якого набуває тіло внаслідок дії сили \(\overrightarrow{F},\) прямо пропорційне цій силі та обернено пропорційне масі \(m\) тіла: $$ \overrightarrow{a}=\frac{\overrightarrow{F}}{m}. $$

Виразімо з формули шукану величину масу й запишімо її у проєкціях на горизонтальну вісь \(Ox,\) уздовж якої рухається тіло: $$ m=\frac Fa. $$

Визначмо прискорення як відношення зміни швидкості руху тіла до інтервалу часу, за який ця зміна відбулася (теж у проєкціях на вісь \(Ox\)): $$ a=\frac{v-v_0}{t}, $$ де \(v_0\) ‒ початкова швидкість руху тіла в момент початку відліку часу, \(v\) ‒ швидкість руху тіла через деякий інтервал часу \(t.\)

Відповідь: A.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Система відліку.

Завдання скеровано на перевірку знання поняття «система відліку» і розуміння відносності механічного руху.

Механічний рух ‒ зміна із часом положення тіла (або частин тіла) у просторі відносно інших тіл. Доки не вибрано систему відліку, неможливо стверджувати, рухається тіло чи перебуває в стані спокою.

Якщо людина підніматиметься по ескалатору зі швидкістю \(2,5\ \text{м/с,}\) то, за законом додавання швидкостей, вона рухатиметься відносно Землі з подвійною швидкістю \(5\ \text{м/с.}\)

Якщо людина стоятиме на ескалаторі, то відносно Землі вона рухатиметься з тією самою швидкістю, що й ескалатор, тобто \(2,5\ \text{м/с.}\)

Якщо ж людина спускатиметься по ескалатору з такою самою швидкістю, із якою він піднімається, то відносно ескалатора людина рухатиметься зі швидкістю \(2,5\ \text{м/с,}\) а відносно системи відліку, пов’язаної із Землею, людина не змінюватиме своє положення із часом, тобто перебуватиме в стані спокою.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Атом та атомне ядро. Поділ ядер Урану.

Завдання скеровано на перевірку розуміння поділу ядер урану.

Спочатку обчислімо кількість \(N\) ядер Урану, які мають розпастися з вивільненням енергії \(96\ \text{МДж}.\) Розділимо цю загальну енергію на енергію поділу одного ядра:

Кількість структурних частинок речовини можна визначити, знаючи \(m\) ‒ масу речовини, \(M\) ‒ молярну масу речовини, \(N_\mathrm{A}\) ‒ сталу Авогадро: $$ N=\frac mM\cdot N_\mathrm{A}. $$

Звідси виразімо масу ядер Урану й обчислімо її:

Відповідь: 1,175.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Дифракційні ґратки й використання їх для визначення довжини світлової хвилі.

Завдання скеровано на перевірку знання принципу дії дифракційної ґратки й розуміння формули, що описує її.

Запишімо формулу дифракційної ґратки: $$ d\cdot \sin\mathbf{\varphi}=k\mathbf{\lambda}, $$ де \(d\) ‒ період або стала ґратки ‒ загальна ширина непрозорої і прозорої ділянок, кут \(\mathbf{\varphi}\) ‒ шуканий кут, під яким спостерігають дифракційний максимум другого порядку, \(k\) ‒ ціле число, відповідає максимуму певного порядку (тут \(k=2\)), \(\mathbf{\lambda}\) ‒ довжина світлової хвилі.

Обчислімо спочатку синус кута \(\mathbf{\varphi}\), а потім градусну міру кута: \begin{gather*} $1\mathbf{\varphi}=\frac{k\mathbf{\lambda}}{2},\\[6pt] $1\mathbf{\varphi}=\frac{2\cdot 500\cdot 10^{-9}\ \text{м}}{2\cdot 10^{-6}\ \text{м}}=0,5,\\[6pt] \mathbf{\varphi}=30^\circ. \end{gather*}

Відповідь: 30.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Закон Ома для повного кола.

Завдання скеровано на перевірку застосування закону Ома для повного кола.

Запишімо закон Ома для повного кола для обох ситуацій: \begin{gather*} I_1=\frac{\mathbf{\varepsilon}}{R_1+r},\\[6pt] I_2=\frac{\mathbf{\varepsilon}}{R_2+r}, \end{gather*} де \(I_1\) ‒ сила струму, коли підключили зовнішній опір \(R_1,\)
\(I_2\) ‒ сила струму, коли підключили зовнішній опір \(R_2,\)
\(\mathbf{\varepsilon}\) ‒ електрорушійна сила джерела струму,
\(r\) ‒ внутрішній опір джерела струму.

Електрорушійна сила і внутрішній опір джерела струму є його сталими характеристиками, який би зовнішній опір не підключали. Тому виразімо електрорушійну силу з обох формул і прирівняємо ці вирази: \begin{gather*} \mathbf{\varepsilon}=I_1R_1+I_1r=U_1+\frac{U_1}{R_1}\cdot r,\\[6pt] \mathbf{\varepsilon}=I_2R_2+I_2r=U_2+\frac{U_2}{R_2}\cdot r,\\[6pt] U_1+\frac{U_1}{R_1}\cdot r=U_2+\frac{U_2}{R_2}\cdot r. \end{gather*}

Виведімо формулу для обчислення внутрішнього опору джерела струму:

Відповідь: 4.

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Потенціал, різниця потенціалів.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння руху зарядженої частинки в електричному полі.

Силові лінії поля напрямлені завжди в бік зменшення потенціалу, а порошинка рухається в напрямку, протилежному до напрямку силових ліній електричного поля, отже, потенціал \(\mathbf{\varphi}_2\) точки, у якій порошинка зупиниться, буде більший за потенціал \(\mathbf{\varphi}_1\) точки, з якої вона вилітає:

Скористаймося законом збереження енергії порошинки в електричному полі: $$ q\mathbf{\varphi}_1+\frac{mv^2_1}{2}=q\mathbf{\varphi}_2+\frac{mv^2_2}{2}, $$ де вирази \(q\mathbf{\varphi}_1\) і \(q\mathbf{\varphi}_2\) ‒ це потенціальні енергії порошинки в точках поля з певним потенціалом, а вирази \(\frac{mv^2_1}{2}\) і \(\frac{mv^2_2}{2}\) ‒ це кінетичні енергії порошинки в цих точках.

Візьмемо до уваги, що $$ v_2=0, $$ бо за умовою порошинка має зупинитися, а заряд порошинки позитивний.

Відповідно

Відповідь: 200.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Робота і потужність електричного струму.

Завдання скеровано на перевірку розуміння, що є корисною, а що – повною кількістю теплоти під час роботи електронагрівача.

Запишімо формулу для визначення коефіцієнта корисної дії \(\mathbf{\eta}\) нагрівача електрочайника: \begin{gather*} \mathbf{\eta}=\frac{Q_\text{к}}{Q_\text{п}}\cdot 100\ \text{%}, \end{gather*} де \(Q_\text{к}\) ‒ корисна кількість теплоти, яка потрібна, щоб довести воду за температури \(34\ ^\circ \text{C}\) до кипіння \((100\ ^\circ \text{C}),\) \(Q_\text{п}\) ‒ повна кількість теплоти, що може виділитися під час проходження електричного струму через нагрівач електрочайника.

У формулі $$ Q_\text{к}=cm(t_\text{к}-t_\text{в})=c\mathbf{\rho}V(t_\text{к}-t_\text{в}) $$ \(c\) ‒ питома теплоємність, \(m\) ‒ маса, \(t_\text{к}\) ‒ температура кипіння, \(t_\text{в}\) ‒ температура, \(\mathbf{\rho}\) ‒ густина, \(V\) ‒ об᾽єм води.

Повну кількість теплоти можна визначити за законом Джоуля ‒ Ленца:

Або ж за формулою для визначення роботи \(A\) електричного струму: \begin{gather*} Q_\text{п}=A=UI\mathbf{\tau} \end{gather*} де \(U\) ‒ напруга в мережі, \(I\) ‒ сила струму, \(\mathbf{\tau}\) ‒ час, протягом якого нагрівали воду.

Підставмо вирази для корисної і повної кількості теплоти у формулу для коефіцієнта корисної дії і визначимо силу струму:

Відповідь: 6,25.