ТЕМА: Механіка. Закони збереження в механіці.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати комплексні задачі на використання законів збереження у випадку руху тіла по колу.

Дано:
\(l=50\ \text{см}\)

Знайти:
\(v_{min}\ -\ ?\)

У такій системі діятиме закон збереження механічної енергії. Механічна енергія – це сума кінетичної і потенціальної енергії тіла: $$ E_{\text{мех}}=E_{\text{пот}}+E_{\text{кін}}. $$

Кінетична енергія – це фізична величина, яка характеризує механічний стан рухомого тіла й дорівнює половині добутку маси \(m\) тіла на квадрат швидкості \(v\) його руху: $$ E_{\text{кін}}=\frac{mv^2}{2}. $$

Потенціальна енергія – 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 $$ E_{\text{пот}}=mgh. $$

Якщо вважати, що в початковому положенні кулька перебуває на висоті 0 м від поверхні, то вся її механічна енергія складається лише з кінетичної енергії. Її швидкість у цей момент можна вважати саме тою мінімальною швидкістю, яку необхідно обчислити за умовою задачі:

Оскільки повна механічна енергія під час руху кульки не повинна змінюватися, то цієї кінетичної енергії має вистачити на те, щоби в найвищому положенні вона мала потенціальну енергію тіла, що перебуває на висоті \(2l\), і певну не нульову кінетичну енергію. Якщо кінетична енергія кульки в найвищій точці дорівнюватиме нулю, то вона зробить лише півоберта й упаде:

Тож за законом збереження енергії \begin{gather*} E_{\text{мех}}=E_{\text{мех}\ 0},\\[1pt] 2mgl+\frac{mv^2}{2}=\frac{mv^2_{min}}{2}. \end{gather*}

Кулька, що рухається по колу, має доцентрове прискорення. Зважаючи на те, що радіус кола дорівнює довжині нитки, у найвищій точці його можна обчислити за формулою: $$ a=\frac{v^2}{R}=\frac{v^2}{l}. $$

Тож за другим законом Ньютона \begin{gather*} ma=F_{\text{тяж}}+T_1,\\[1pt] m\frac{v^2}{l}=mg+T_1. \end{gather*}

Рис. 1. Схематичне зображення дії сил на кульку під час руху

Щоби початкова швидкість була мінімальною, сила натягу нитки у верхній точці кола має дорівнювати нулю: \begin{gather*} m\frac{v^2}{l}=mg,\\[1pt] v^2=gl,\\[7pt] v=\sqrt{gl}. \end{gather*}

Тож можна підставити цей вираз для швидкості у верхній точці у вираз для закону збереження механічної енергії:

Відповідь: 5.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Рівняння теплового балансу.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі на рівняння теплового балансу.

Дано:
\(t_{\text{льоду}}=0\ ^\circ\text{С}\)
\(\mathbf{\rho}_{\text{льоду}}=900\ \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}\)
\(\mathbf{\rho}_{\text{монети}}=9,0\ \frac{\text{г}}{\text{см}^3}\)
\(c_{\text{монети}}=220\ \frac{\text{Дж}}{\text{кг}\ \cdot\ \text{К}}\)
\(\mathbf{\lambda} =330\ \text{кДж/кг}\)

Знайти:
\(t_{\text{монети}}\ -\ ?\)

Вважатимемо, що коли монета повністю занурена в лід, установлюється теплова рівновага. Тобто монета охолоджується від своєї початкової температури до 0 °C. Усю енергію від охолодження монети буде витрачено на танення льоду. Якщо монета занурилась у лід повністю, то об’єм льоду, що розтанув, дорівнює об’єму монети.

Маса тіла пов’язана з його об’ємом формулою $$ m=\mathbf{\rho}V, $$ де \(V\) – об’єм тіла, \(\mathbf{\rho}\) – густина тіла.

Теплоту, яку тіло втрачає під час охолодження, можна обчислити за формулою \begin{gather*} Q=cm\triangle t, \end{gather*} де \(c\) – питома теплоємність речовини, що віддає тепло, \(m\) – маса, \(\triangle t\) – зміна температури під час охолодження.

Теплота, необхідна для танення льоду, може бути розрахована за формулою: $$ Q=\mathbf{\lambda}m, $$ де \(m\) – маса, \(\mathbf{\lambda}\) – питома теплота плавлення речовини.

Тоді можна записати рівняння теплового балансу: $$ c_{\text{монети}}m_{\text{монети}}\triangle t=\mathbf{\lambda}m_{\text{льоду}}. $$

Підставивши вираз для маси тіла й зважаючи на те, що різницю температур для монети можна обчислити за формулою:

Відповідь: 150.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Паралельне і послідовне з’єднання провідників.

Завдання скеровано на оцінювання знання закону Ома й розуміння особливостей паралельного і послідовного з’єднання провідників.

Знайти:
\(\frac{U}{U_5}\ -\ ?\)

Спочатку потрібно позначити напругу джерела як \(U\) й розглянути підключення елементів в електричному колі. У коло послідовно підключено резистор 1 і групу резисторів 2–5. Група резисторів – це дві паралельно підключені пари послідовно з’єднаних резисторів.

Правила послідовного і паралельного підключення такі:

Рис. 1. Послідовне з’єднання провідників 1 і 2

\begin{gather*} U=U_1+U_2,\\[7pt] R=R_1+R_2,\\[7pt] I=I_1+I_2. \end{gather*}

Тому сила струму, яку вимірює амперметр – це сила струму на реостаті й на системі паралельно підключених провідників. За показниками на фотографії вона дорівнює 1,5 A.

Для паралельно підключених провідників правила такі:

Рис. 2. Паралельне з’єднання провідників 1 і 2

\begin{gather*} U=U_1=U_2,\\[1pt] \frac 1R=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2},\\[1pt] I=I_1+I_2. \end{gather*}

Нехай \(I\) – сила струму, що проходить у колі, \(U\) – напруга в ньому, а \(R\) – опір кожного з однакових резисторів.

Оскільки резистор 1 і групу резисторів 2–5 підключено послідовно, можна записати: \begin{gather*} I_1=I_{2-5}=I,\\[7pt] U=U_1+U_{2-5},\\[7pt] R_{\text{заг}}=R+R_{2-5}. \end{gather*}

Напруга на групі резисторів 2–5 дорівнює напрузі на кожній парі резисторів, а сила струму на групі резисторів – це сума сил струму на кожній із пар: \begin{gather*} U_{2-5}=U_{2-3}=U_{4-5},\\[7pt] I_{2-5}=I_{2-3}+I_{4-5},\\[1pt] \frac{1}{R_{2-5}}=\frac{1}{R_{2-3}}+\frac{1}{R_{4-5}},\\[1pt] R_{2-5}=\frac{R_{2-3}R_{4-5}}{R_{2-3}+R_{4-5}}. \end{gather*}

Усередині кожної пари з’єднання послідовне, тому для цих резисторів також можна записати відношення для напруги й сили струму: \begin{gather*} I_{2-3}=I_{2}=I_3,\\[7pt] I_{4-5}=I_{4}=I_5,\\[7pt] U_{2-3}=U_2+U_{3},\\[7pt] U_{4-5}=U_4+U_{5},\\[7pt] R_{2-3}=R_{4-5}=R+R=2R. \end{gather*}

Напруга, сила струму й опору пов’язані між собою законом Ома: $$ I=\frac UR. $$

Можна обчислити загальний опір усіх резисторів:

Тоді можна записати співвідношення між силою струму в колі, напругою на обкладинках джерела й загальним опором резисторів у колі: $$ U=IR_{\text{заг}}=2IR. $$

Можна також записати аналогічне співвідношення для п’ятого резистора: $$ U_5=I_5R=I_{4-5}R. $$

Опір в обох парах резисторів дорівнює \(2R\) і напруга на них рівна, тому \begin{gather*} I_{2-3}=\frac{U_{2-3}}{2R}=\frac{U_{2-5}}{2R},\\[6pt] I_{4-5}=\frac{U_{4-5}}{2R}=\frac{U_{2-5}}{2R},\\[6pt] I_{2-3}=I_{4-5},\\[7pt] I_{2-5}=I_{2-3}+I_{4-5}=2I_{4-5}. \end{gather*}

Тож вираз для напруги п’ятого резистора теж спроститься: $$ U_5=I_5R=I_{4-5}R=\frac{I_{2-5}}{2}R=\frac I2 R. $$

Тоді $$ \frac{U}{U_5}=\frac{2IR}{\frac I2 R}=4. $$

Відповідь: 4.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Рівномірний рух по колу. Електродинаміка. Сила Лоренца.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати комплексні розрахункові задачі на використання принципів рівномірного руху по колу.

У камері Вільсона частинки рухаються по дугах – елементах кола, отже камера перебуває в магнітному полі \(рис. 1\).

Рис. 1. Треки заряджених частинок у камері Вільсона

Під час руху по колу швидкість руху частинки буде спрямована по дотичній до кола, а прискорення – до центра.

Доцентрове прискорення можна обчислити з виразу: $$ a_{\text{доц}}=\frac{v^2}{R}, $$ де \(v\) – швидкість частинка, а \(R\) – радіус треку.

За другим законом Ньютона рівнодійна дорівнює добутку маси тіла на прискорення, набуте під час взаємодії, тобто $$ \overrightarrow{F}=m\overrightarrow{a}. $$

Єдиною силою, що діє на частинки в площині напрямку руху, є сила Лоренца: $$ \overrightarrow{F_{\text{Лоренца}}}=Bvq\sin\mathbf{\alpha}, $$ де \(B\) – магнітна індукція поля, \(q\) – заряд частинки, \(v\) – швидкість частинки, \(\mathbf{\alpha}\) – кут між вектором магнітної індукції і напрямком руху частинки.

Зважаючи на те, що частинки рухаються в полі по колу, то \(\mathbf{\alpha}=90^\circ\), а \(\sin\mathbf{\alpha}=1\), як це зображено на рисунку 2.

Рис. 2. Схема руху позитивно зарядженої частинки по колу

Тоді для випадку, описаного в задачі, можна записати: \begin{gather*} \overrightarrow{F_{\text{Лоренца}}}=m\overrightarrow{a_{\text{доц}}},\\[6pt] Bvq=m\frac{v^2}{R}. \end{gather*}

Вираз для кінетичної енергії тіла: $$ E_k=\frac{mv^2}{2}, $$ де \(m\) – маса тіла, а \(v\) – швидкість його руху.

Тож можна виразити швидкість руху частинки з другого закону Ньютона для випадків до і після проходження крізь фольгу й обчислити кінетичні енергії для обох випадків: \begin{gather*} v_{\text{до}}=\frac{BR_{\text{до}}q}{m},\\[6pt] v_{\text{після}}=\frac{BR_{\text{після}}q}{m}. \end{gather*}

Співвідношення радіусів треків до і після проходження крізь фольгу таке: \begin{gather*} R_{\text{до}}=2R_{\text{після}},\\[6pt] v_{\text{після}}=\frac{BR_{\text{після}}q}{m},\\[6pt] v_{\text{до}}=\frac{2BR_{\text{після}}q}{m}. \end{gather*}

А кінетичні енергії матимуть вигляд:

Можна обчислити різницю кінетичних енергій до i після проходження крізь фольгу:

Тоді, знайшовши відношення цієї різниці до початкової кінетичної енергії, можна визначити, на скільки зменшилася кінетична енергія: $$ \frac{\triangle E_k}{E_{k\ \text{до}}}=\frac{3E_{k\ \text{після}}}{4E_{k\ \text{після}}}=0,75. $$

Ця різниця становитиме 75 %.

Відповідь: 75.

ТЕМА: Оптика. Лінза. Оптична сила лінзи.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати графічні задачі на зображення ходу світлових променів у системах із лінзами.

Оптична сила лінзи \(D\) пов’язана з фокусною відстанню лінзи \(F\) так: $$ D=\frac 1F. $$

Тобто $$ F=\frac 1D. $$

За формулою тонкої лінзи відстань \(d\) від об’єкта до лінзи, відстань \(f\) від лінзи до зображення і фокусна відстань пов’язані таким співвідношенням: $$ \frac 1F=\frac 1d+\frac 1f. $$

Уважатимемо, що світло рухається зліва направо. Оскільки зображення уявне, то і зображення, і предмет будуть розташовані зліва від лінзи. У такому разі відстань від предмета до лінзи у формулі буде додатною, бо напрямок переміщення від предмета до лінзи збігається із напрямком ходу променів. Відстань від лінзи до зображення у формулі тонкої лінзи буде від’ємною, адже переміщення від лінзи до зображення в цьому разі протилежно направлене до напрямку ходу променю.

Тоді можемо обчислити відстань від лінзи до зображення:

Відповідь: 20.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Матеріальна точка.

Завдання скеровано на перевірку розуміння поняття матеріальної точки.

Матеріальна точка – це фізична модель тіла, розмірами якого в умовах задачі можна знехтувати.

Диспетчер не може знехтувати розмірами Землі, адже літаки набагато менші за планету та рухаються близько до її поверхні. Відстані, що проходять літаки, є лише невеликими відрізками на поверхні Землі.

З тієї самої причини космонавт не може знехтувати розміром Землі під час посадки корабля.

Геолог не може знехтувати розміром планети, адже корисні копалини закладені в її корі.

Під час обчислення сили тяжіння розмірами тіла можна знехтувати.

Відповідь: B.

ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Закони Ньютона. Закон всесвітнього тяжіння.

Завдання скеровано на перевірку розуміння закону всесвітнього тяжіння і його застосування для описування реальних ситуацій.

Закон всесвітнього тяжіння – будь-які два тіла притягуються одне до одного із силою, яка прямо пропорційна добутку мас цих тіл й обернено пропорційна квадрату відстані між ними: $$ F=G\frac{m_1m_2}{r^2}, $$ де \(G\) – гравітаційна стала, \(m_1\) – маса першого тіла, \(m_2\) – маса другого тіла, \(r\) – відстань між ними.

Відстань між двома сусідніми цеглинами дорівнює \(0\), тож для них не можна використовувати закон всесвітнього тяжіння.

Відповідь: B.

ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Додавання сил.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати розрахункові задачі з визначення рівнодійної кількох сил.

За другим законом Ньютона рівнодійна всіх сил, що діють на тіло, пов’язана з його прискоренням формулою $$ \overrightarrow{F}=m\overrightarrow{a}. $$

Тож напрямок прискорення збігається з напрямком рівнодійної всіх сил.

Рівнодійну всіх зображених на рисунку сил можна визначити за методом паралелограма (методом графічного додавання векторів). Додавання трьох сил можна виконати покроково: спочатку додати сили \(\overrightarrow{F_2}\) та \(\overrightarrow{F_3}\) \(рис. 1, а\), а потім результат цієї дії додати до сили \(\overrightarrow{F_1}\) \(рис. 1, б\)

Рис. 1. Графічний спосіб визначення рівнодійної

Рівнодійна \(позначена зеленим кольором на рис. 1, б\), а отже й прискорення тіла спрямовані вниз.

Відповідь: B.

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

Завдання скеровано на перевірку вміння використовувати закон збереження імпульсу.

Абсолютно непружне зіткнення – це зіткнення, після якого тіла рухаються як одне ціле.

Тож зчеплення тепловоза з вагоном можна вважати абсолютно пружним.

Для визначення швидкості поїзда після зчеплення необхідно скористатися законом збереження імпульсу: $$ \overrightarrow{p_{M\text{до}}}+\overrightarrow{p_{m\text{до}}}=\overrightarrow{p_{\text{після}}}. $$

Рис. 1. Положення вагонів до зіткнення (а) та після зіткнення (б)

Оскільки вагон і тепловоз рухаються в одному напрямку , то закон збереження імпульсу можна спроєктувати на напрямок їхнього руху: $$ p_{M\text{до}}+p_{m\text{до}}=p_{\text{після}}. $$

Імпульси вагонів можна обчислити за формулою $$ \overrightarrow{p}=m\overrightarrow{v}, $$ де \(m\) – це маса тіла, а \(\overrightarrow{v}\) – його швидкість.

Тоді

Підставивши проєкції відповідних імпульсів у закон збереження, отримаємо:

Відповідь: Г.

ТЕМА: Механіка. Потенціальна енергія. Сила пружності.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати розрахункові задачі з використанням формул для обчислення потенціальної енергії тіл.

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

Саме цю енергію пружина передає кульці під час розтискання. Отримана від пружини енергія перейде в її кінетичну та потенціальну енергію. У найвищій точці свого польоту кулька має найбільшу потенціальну енергію.

Для тіл, що перебувають у полі сили тяжіння (як тіла із завдання), потенціальну енергію визначають за формулою $$ U_{\text{п}}=mgh, $$ де \(m\) – маса тіла, \(g\) – прискорення вільного падіння, \(h\) – висота підняття тіла над поверхнею.

Тоді для першого досліду можна записати рівність $$ \frac{kx^2_1}{2}=mgh_1. $$

Відповідно $$ k=\frac{2mgh_1}{x^2_1}. $$

Для другого досліду також виконувана рівність $$ \frac{kx^2_2}{2}=mgh_2. $$

У цю рівність можна підставити вираз для \(k\) й визначити висоту \(h_2\):

Усі відстані в умові необхідно виразити в метрах. Тоді

Відповідь: B.

ТЕМА: Сполучені посудини.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати задачі зі сполученими посудинами.

У сполучених посудинах у кожній трубці рівень рідин установлюється так, що гідростатичний тиск стовпчика однакової рідини у них рівний.

Гідростатичний тиск \(p\) визначають за формулою $$ p=\mathbf{\rho}gh, $$ де \(\mathbf{\rho}\) – густина рідини, \(g\) – прискорення вільного падіння, \(h\) – висота стовпчика рідини.

Якщо рідини в трубках однорідні, то тиск на однаковій висоті в усіх трубках буде однаковим. Але в лівій трубці посудини рівень олії вищий, ніж рівень води в правій трубці, адже олія має меншу густину. Щоби створити такий самий гідростатичний тиск, як і в правій трубці, висота стовпчика рідини має бути більшою.

Порівняймо точки, позначені на рисунку.

У точці В тиск дорівнює атмосферному \((p_a)\), а в точці А до атмосферного тиску додається тиск стовпчика гасу над рівнем цієї точки. Отже \(p_A\gt p_B\).

Точка С в правій трубці на тому ж рівні, що межа розділу двох рідин у лівій трубці, тому тиск у ній дорівнює тиску всього стовпчика олії. Висота всього стовпчика олії більша за висоту стовпчика над точкою А, тому \(p_C\gt p_A\).

Точка D перебуває найглибше з усіх точок у воді, тому тиск на неї найбільший.

Відповідь: A.

ТЕМА: Кількість речовини.

Завдання скеровано на перевірку розуміння поняття кількості речовини.

Кількість речовини можна визначити за формулою $$ v=\frac{N}{N_A}, $$ де \(N\) – кількість молекул, \(N_A\) – число Авогадро.

Нехай кількість речовини озону становить \(v\). Кожна молекула озону утворена трьома атомами Оксигену. Тоді для утворення нових молекул доступно \(3v\) атомів. Кожна молекула кисню утворена двома атомами Оксигену, тож всього їх можна буде утворити \(3v:2=1,5v\).

Відповідь: B.

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 підвищення температури та звужуються за її зниження).

Динамометр – це прилад для вимірювання сили. Зазвичай складники динамометра – пружина та шкала. Коли на кінець пружини діє сила, то, за законом Гука, пружина розтягується.

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 прикріплена стрілка. Тому, коли кришка камери піднімається чи опускається, пружина деформується і стрілка починає рухатися по шкалі.

Електрометр – це прилад для виявлення та вимірювання заряду. Його складники – металева куля, стержень і стрілки. Під дією електричного поля в стержні, стрілці й кулі відбувається перерозподіл зарядів. Оскільки вони з’єднані, то заряджаються однаково. Однойменно заряджені стрілка та стержень відштовхуються, тому рухома стрілка відхиляється.

Відповідь: A.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки.

Завдання скеровано на розуміння суті адіабатного процесу.

Оскільки зміна внутрішньої енергії відбувається без передавання теплоти ззовні, то описаний процес – адіабатний.

Відповідь: Г.