ТЕМА: Електродинаміка. Електричний струм у різних середовищах.

Завдання скеровано на перевірку знань про електричний струм у різних середовищах, а також розуміння і вміння застосовувати поняття, якими характеризують електричний струм у різних середовищах.

Електричний струм у газах ‒ газовий розряд ‒ це напрямлений рух вільних електронів, позитивних і негативних йонів.

Газовий розряд, який відбувається без дії зовнішнього йонізатора, називають самостійним газовим розрядом.

Розрізняють чотири види самостійних газових розрядів: іскровий, тліючий, дуговий, коронний.

Тліючий розряд виникає за невеликої напруги між електродами і низького тиску. Електрони розганяються до такої швидкості, що набувають енергії, достатньої для ударної йонізації. Тліючий розряд використовують у лампах денного світла (люмінесцентних трубках), кольорових газорозрядних трубках. Найважливіша галузь застосування ‒ квантові генератори світла (газові лазери).

Провідність напівпровідників зумовлена рухом вільних і зв’язаних електронів. Якщо до чистого напівпровідника додати невелику кількість певної домішки, то механізм його провідності зміниться. Оскільки за наявності домішок кількість носіїв струму збільшується (кожний атом домішки дає вільний електрон або дірку), провідність напівпровідників із домішками є набагато кращою, ніж провідність чистих напівпровідників.

Електричний струм у розчинах і розплавах електролітів – це напрямлений рух вільних йонів. Під час проходження електричного струму через електроліт відбувається перенесення хімічних складників електроліту. які виділяються на електродах ‒ осідають твердим шаром або виділяються в газуватому стані. Цей процес, пов’язаний з окисно-відновними реакціями на електродах, називають електролізом.

Електричний струм у металах – це напрямлений рух вільних електронів. З підвищенням температури питомий опір металу збільшується. Але в разі зниження температури майже до абсолютного нуля питомий опір деяких металів стрибком падає до нуля. Це явище називають надпровідністю. Наприклад, створення надпровідних ліній електропередачі дає змогу зекономити \(10–15\ \text{%}\) електроенергії. Водночас охолодження матеріалів до низьких температур досить затратне.

Діелектричною проникністю середовища називають фізичну величину, яка показує, у скільки разів напруженість електричного поля в речовині слабкіша від напруженості електричного поля у вакуумі.

Відповідь: 1В, 2А, 3Б, 4Г.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Властивості газів, рідин і твердих тіл.

Завдання скеровано на знання і розуміння явищ молекулярної фізики і термодинаміки.

Молекули рідини безперервно рухаються (коливаються біля положень рівноваги, час від часу перестрибують із місця на місце), але сили притягання не дають їм розлетітися.

Проте в рідині завжди є молекули, кінетична енергія яких у кілька разів перевищує її середнє значення. Коли ці швидкі молекули опиняються на поверхні рідини, їхньої енергії вистачає для того, щоб, подолавши притягання сусідніх молекул, залишити рідину.

З погляду молекулярно-кінетичної теорії (МКТ) під час пароутворення з поверхні рідини вилітають найшвидші молекули. І саме пароутворення з поверхні рідини називають випаровуванням.

Отже, явищу 1 відповідає опис Д.

Середня кінетична енергія \(\overline{E}_k\) поступального руху молекул ідеального газу із середнім квадратом швидкості \(\overline{v^2}\) (кінетична енергія поступального руху, що в середньому припадає на одну молекулу масою \(m_0\)) дорівнює: $$ \overline{E}_k=\frac{m_0\overline{v^2}}{2}. $$

Також середня кінетична енергія поступального руху молекул ідеального газу прямо пропорційна абсолютній температурі \(T:\) $$ \overline{E}_k=\frac 32 kT, $$ де \(k\) ‒ стала Больцмана.

Отже, середня швидкість хаотичного руху молекул (середня квадратична швидкість руху молекул \(\overline{v}_\text{кв}=\sqrt{\overline{v^2}}\)) прямо пропорційна абсолютній температурі: $$ \overline{v}_\text{кв}\sim T. $$

Отже, під час охолодження (зниження температури) газу (2) середня швидкість хаотичного руху молекул також зменшується (Г).

Відповідно під час нагрівання (підвищення температури) газу (4) середня швидкість хаотичного руху молекул збільшуватиметься (А).

Плавлення ‒ це процес переходу речовини з твердого стану в рідкий.

Після досягнення температури плавлення тверде кристалічне тіло починає плавитися, а його температура не змінюється незважаючи на те, що нагрівник продовжує працювати й передавати тілу певну кількість теплоти. Уся енергія, що надходить від нагрівника, іде на руйнування кристалічної ґратки тіла. У цей інтервал часу внутрішня енергія твердого тіла продовжує збільшуватися. Отже, процесу 3 відповідає опис B.

Відповідь: 1Д, 2Г, 3В, 4А.

ТЕМА: Механіка. Основи динаміки.

Завдання скеровано на перевірку розуміння різних динамічних процесів і вміння описати їх аналітично.

Ситуацію 1, коли відро з водою утримується за допомогою колодязного журавля (важеля), можна описати за допомогою правила моментів A: важіль перебуває в рівновазі, якщо сума моментів сил, які обертають важіль проти ходу годинникової стрілки, дорівнює сумі моментів сил, що обертають важіль за ходом годинникової стрілки.

Отже, умову рівноваги важеля під дією двох обертальних сил (сили тяжіння \(\overrightarrow{F}_1,\) що діє на відро з водою, і сили \(\overrightarrow{F}_2,\) прикладеної до іншого кінця колодязного журавля) можна записати як рівність моментів \(M_1\) і \(M_2\) відповідних сил: $$ M_1=M_2\ \text{або}\ F_1l_1=F_2l_2, $$ де \(l_1\) і \(l_2\) – плечі сил.

У разі деформації тіла, як то стискання пружини (2), із боку тіла починає діяти сила, яка прагне відновити той стан тіла, у якому воно перебувало до деформації. Цю силу називають силою пружності. У разі малих пружних деформацій розтягнення або стиснення сила пружності прямо пропорційна видовженню тіла (Б): $$ \overrightarrow{F}_\text{пружності}=-k\overrightarrow{x}. $$

Потужність, яку розвиває транспортний засіб, зручно визначати через силу тяги та швидкість руху. Формула справджується, і якщо в певний інтервал часу тіло рухається рівномірно, а напрямок сили тяги збігається з напрямком переміщення, і за нерівномірного руху: потужність \(P,\) яку розвиває двигун у певний момент часу, дорівнює добутку модуля сили тяги \(F\) двигуна на модуль його миттєвої швидкості \(v:\) $$ P=Fv. $$

Отже, ситуації 3 відповідає формула B.

Силу тертя ковзання можна зменшити, змастивши дотичні поверхні, як у ситуації 4, коли деталі механізмів змащують мастилом.

Рідке мастило віддаляє дотичні поверхні одну від одної − сухе тертя замінюється значно слабшим рідким тертям.

Сила тертя ковзання \(F_\text{тертя ковзання}\) не залежить від площі дотику тіл і прямо пропорційна до сили \(N\) нормальної реакції опори – формула Г: $$ F_\text{тертя ковзання}=\mathbf{\mu}N, $$ де \(\mathbf{\mu}\) – коефіцієнт тертя.

Відповідь: 1А, 2Б, 3В, 4Г.

ТЕМА: Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Атом та атомне ядро. Альфа-, бета- і гамма-випромінювання.

Завдання скеровано на перевірку знання і застосування правил альфа- і бета-розпадів.

Запишімо реакцію розпаду ядра атома Урану: $$ \mathrm{^{238}_{\ \ 92}U\rightarrow\ ^{206}_{\ \ 82}Pb+}N_{\mathbf{\alpha}}\cdot\mathrm{^{4}_{2}He}+N_{\mathbf{\beta}}\cdot ^{\ \ \ 0}_{-1}e. $$

За нуклонним (масовим) числом визначімо кількість альфа-розпадів \(N_{\mathbf{\alpha}}:\) $$ N_{\mathbf{\alpha}}=\frac{238-206}{4}=8. $$

Перепишімо рівняння розпаду ядра атома Урану, зваживши на те, що альфа-розпадів було \(8:\) $$ \mathrm{^{238}_{\ \ 92}U\rightarrow\ ^{206}_{\ \ 82}Pb+8}\cdot\mathrm{^{4}_{2}He}+N_{\mathbf{\beta}}\cdot ^{\ \ \ 0}_{-1}e. $$

Тепер за протонним (зарядовим) числом визначімо, скільки було бета-розпадів. $$ N_{\mathbf{\beta}}=|92-82-8\cdot 2|=6. $$

Відповідь: Г.

ТЕМА: Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Світлові кванти. Рівняння Ейнштейна для фотоефекту.

Завдання скеровано на перевірку розуміння явища фотоефекту.

Робота виходу \(A_\text{вих}\) ‒ це фізична величина, що характеризує метал і дорівнює енергії, яку треба передати електрону для того, щоб він зміг подолати сили, які утримують його на поверхні цього металу.

Рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту: унаслідок поглинання фотона металом енергія фотона \((E_\text{ф}=hν)\) може бути повністю передана електрону й витрачена на здійснення роботи виходу \(A_\text{вих}\) та надання електрону кінетичної енергії \(E_{kmax}:\) \begin{gather*} E_\text{ф}=A_\text{вих}+E_{kmax},\\[7pt] hν=\frac{hc}{\mathbf{\lambda}_{max}}+E_{kmax}. \end{gather*}

Для кожної речовини існує максимальна довжина світлової хвилі \(\mathbf{\lambda}_{max}=\mathbf{\lambda}_{черв}\) (червона межа фотоефекту), за якої починається фотоефект.

Опромінення речовини світловими хвилями більшої довжини фотоефекту не викликає.

Максимальна довжина світлової хвилі (мінімальна частота) відповідає мінімальній енергії фотона: якщо \(hν\lt A_\text{вих},\) то електрони не вилітатимуть із речовини.

Умова $$ hν_{min}=\frac{hc}{\mathbf{\lambda}_{max}}=A_\text{вих} $$ визначає червону межу фотоефекту.

Обчислімо значення енергії, які відповідають тим довжинам хвиль, даним в умові:

Варіант відповіді Г неправильний, оскільки вже за довжини хвилі \(750\ \text{нм}\) не виникає струм у фотоелементі, а енергія \(1,5\cdot 10^{-19}\ \text{Дж}\) ще менша, ніж та, яку дає випромінювання з довжиною хвилі \(750\ \text{нм}.\)

За умовою випромінювання з довжиною хвилі \(600\ \text{нм}\) викликає фотострум, тобто енергії, яку дає це випромінювання, вистачає на роботу виходу і на кінетичну енергію, щоб утворювався фотострум.

Єдине менше значення енергії, ніж дає випромінювання з довжиною хвилі \(600\ \text{нм},\) це \(3\cdot 10^{-19}\ \text{Дж}\) ‒ варіант відповіді A ‒ це може бути робота виходу електронів з катода фотоелемента.

У варіантах відповіді Б і В значення енергії ще більші, отже, збільшується швидкість руху фотоелектронів.

Відповідь: A.

ТЕМА: Квантова фізика. Елементи теорії відносності. Принципи (постулати) теорії відносності Ейнштейна.

Завдання скеровано на перевірку знання постулатів теорії відносності Ейнштейна й розуміння відмінностей між класичною механікою і релятивістською.

Відповідно до другого постулату спеціальної теорії відносності швидкість поширення світла у вакуумі однакова в усіх інерціальних системах відліку. Це означає, що швидкість поширення світла у вакуумі інваріантна ‒ вона не залежить від швидкості руху джерела або приймача світла.

Час у класичній механіці І. Ньютона однаковий у будь-якій інерціальній системі відліку (СВ), тобто такі поняття, як зараз, раніше, пізніше, одночасно, не залежать від вибору СВ.

У релятивістській механіці час залежить від вибору СВ. Події, що відбулися в одній СВ одночасно, в іншій СВ можуть бути розділені часовим проміжком, тобто одночасність двох подій відносна.

Отже, згідно зі спеціальною теорією відносності в рухомій і нерухомій системах час плине по-різному, а швидкість світла у вакуумі однакова.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Абсолютний і відносний показники заломлення.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння понять абсолютний і відносний показники заломлення світла.

Фізичну величину, яка характеризує оптичну густину середовища й показує, у скільки разів швидкість \(v\) поширення світла в середовищі менша, ніж у вакуумі, називають абсолютним показником \(n\) заломлення середовища: $$ n=\frac cv. $$

Звідси виразімо швидкість \(v\) поширення світла в середовищі: $$ v=\frac cn. $$

Також показник заломлення можна визначити як відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення: $$ n=\frac{\sin\ 45^\circ}{\sin\ 30^\circ}=\frac{\frac{\sqrt{2}}{2}}{\frac 12}=\frac{\sqrt{2}\cdot 2}{2\cdot 1}=\sqrt{2}. $$

Підставімо значення показника заломлення у формулу для швидкості: $$ v=\frac cn=\frac{c}{\sqrt{2}}. $$

Відповідь: Б.

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

Завдання скеровано на перевірку знання, розуміння і застосування законів відбивання і заломлення світла.

Як зображено на рисунках А і Б, частина пучка зазнає дзеркального відбивання на верхній або нижній поверхні пластинки. У точках, де світло відбивається, уявно будуємо перпендикуляр до межі середовищ, і тоді за законами відбивання кут падіння дорівнює куту відбивання.

Також на рисунках Б і В заломлення показано правильно. Оскільки оптична густина скла більша за оптичну густину повітря, кут заломлення світла у склі має бути меншим від кута падіння світла з повітря.

На рисунку В на поверхнях плоскопаралельної пластинки світло двічі зазнає заломлення (після цього пучок поширюється в тому самому напрямку, але зміщується). Це правильно.

На рисунку Г не показано заломлення внаслідок перетинання світлом нижньої грані пластинки. Це неправильно.

Відповідь: Г.

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

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння принципу роботи коливального контуру й особливостей перетворення енергії в ньому.

Під час розрядження конденсатора його заряд зменшуватиметься, а сила струму \(I\) в контурі ростиме. Відповідно енергія магнітного поля і модуль магнітної індукції поля котушки також збільшуватимуться: $$ W_\text{маг}=\frac{LI^2}{2}; $$ \(B\sim I\) (магнітна індукція прямо пропорційна до сили струму).

Енергію електричного поля \(W_\text{ел}\) зарядженого до напруги \(U\) конденсатора з електроємністю \(C\) і зарядом \(q,\) обчислюють за формулою $$ W_\text{ел}=\frac{qU}{2}, $$ тобто енергія електричного поля прямо пропорційна до заряду конденсатора \(W_\text{ел}\sim q,\) який під час розряджання зменшується. Унаслідок зменшення заряду зменшується енергія електричного поля конденсатора.

Відповідь: Б.

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

Завдання скеровано на перевірку розуміння, від яких чинників залежить період коливань нитяного маятника.

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

Згідно з формулою для визначення періоду, він не залежить від маси тягарця. Довжина нитки у формулі – під квадратним коренем, тож її треба збільшити в \(4\) рази, щоб період коливань маятника збільшився вдвічі.

Відповідь: B.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Енергія магнітного поля.

Завдання скеровано на перевірку розуміння чинників, від яких залежить енергія магнітного поля.

Енергія магнітного поля \(W_\text{маг}\) провідника зі струмом дорівнює половині добутку індуктивності \(L\) провідника на квадрат сили струму \(I\) в провіднику: $$ W_\text{маг}=\frac{LI^2}{2}. $$

Енергія магнітного поля прямо пропорційна до квадрату сили струму: $$ W_\text{маг}\sim I^2. $$

Отже, якщо сила струму зросте втричі, то енергія магнітного поля збільшиться в \(9\) разів.

Відповідь: B.

ТЕМА: Електродинаміка. Електричний струм у різних середовищах.

Завдання скеровано на перевірку знання особливостей електричного струму в різних середовищах.

Електричний струм у газах ‒ газовий розряд ‒ це напрямлений рух вільних електронів, позитивних і негативних йонів.

Електричний струм у розчинах і розплавах електролітів – це напрямлений рух вільних йонів.

Електричний струм у металах – напрямлений рух вільних електронів.

Провідність напівпровідників зумовлена рухом вільних і зв’язаних електронів (електронна і діркова провідності).

Отже, лише в розчині електроліту електричний струм відбувається без участі вільних електронів.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Послідовне і паралельне з᾽єднання провідників.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння особливостей з᾽єднання провідників і їхніх характеристик.

Під час послідовного з᾽єднання електричної лампи і резистора сила струму в них буде однаковою. Зваживши на характеристики лампи, обчислімо силу струму, який можна пропускати крізь неї: $$ P=UI, $$ де \(P\) ‒ потужність струму, \(U\) ‒ напруга, \(I\) ‒ сила струму; $$ I=\frac PU=\frac{75\ \text{Вт}}{36\ \text{В}}\approx 2\ \text{А}. $$

Щоб лампа працювала в нормальному режимі, треба крізь неї пропускати струм силою близько \(2\ \text{А}.\) Тоді із запропонованих резисторів підійде лише той, на якому є напис \(5\ \text{А},\ 50\ \text{Ом}.\) Інші резистори, про які йдеться в умові, можуть згоріти, тому що зазначена на них допустима сила струму менша за \(2\ \text{А}.\)

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електроємність плоского конденсатора.

Завдання скеровано на перевірку знання чинників, від яких залежить електроємність конденсатора, і вміння читати графіки.

Електроємність \(C\) плоского конденсатора з двох паралельних металевих пластин (обкладок), розділених шаром діелектрика, обчислюють за формулою $$ C=\frac{\mathbf{\varepsilon}\mathbf{\varepsilon}_0S}{d}, $$ де \(\mathbf{\varepsilon}_0\) ‒ електрична стала, \(\mathbf{\varepsilon}\) ‒ діелектрична проникність діелектрика, \(S\) ‒ площа пластини конденсатора, \(d\) ‒ відстань між пластинами.

З наведеної формули зрозуміло, що електроємність обернено пропорційна відстані між пластинами конденсатора: $$ C\sim \frac 1d. $$

Зі збільшенням відстані між пластинами електроємність конденсатора зменшуватиметься. Треба зауважити, що ця формула для визначення електроємності конденсатора справедлива лише за малих значень \(d.\)

Розгляньмо, як вплине діелектрик між пластинами конденсатора на його електроємність. Візьмемо до уваги, що в ізоляції конденсаторів використовують тонкі шари діелектрика.

Проаналізуймо зображені графіки. Якщо розглядати конденсатор без діелектрика, то його електроємність відмінна від нуля (як це зображено у варіанті відповіді Б) і має якесь початкове значення $$ C=\frac{\mathbf{\varepsilon}_0S}{d}. $$

Якщо ж заповнити простір між пластинами (обкладками) конденсатора діелектриком, то на електроємність конденсатора шар діелектрика впливає так: що більша його діелектрична проникність, то більшу електроємність має конденсатор порівняно з електроємністю такого самого конденсатора, діелектриком у якому є повітря.

Тому вміщення діелектрика між пластинами приведе до збільшення електроємності в \(\mathbf{\varepsilon}\) разів: $$ C=\mathbf{\varepsilon}\cdot \frac{\mathbf{\varepsilon}_0S}{d}. $$

Отже, варіанти відповіді В і Г не задовольняють умову завдання, оскільки зі збільшенням відстані між обкладками конденсатора для заповнення діелектриком електроємність за цими графіками зменшується.

Правильною відповіддю є варіант A (див. рисунок).

Відповідь: A.