Електродинаміка – Магнітне поле, електромагнітна індукція

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Сила Лоренца.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння визначення напрямку дії сили Лоренца.

Силу, з якою магнітне поле діє на рухому заряджену частинку, називають силою Лоренца.

Напрямок сили Лоренца визначають за правилом лівої руки: лінії магнітної індукції \(\overrightarrow{B}\) входять у долоню, чотири витягнуті пальці спрямовують за напрямком руху \(\overrightarrow{v}\) позитивно зарядженої частинки (або протилежно до руху негативно зарядженої), і тоді відігнутий на \(90^\circ\) великий палець укаже напрямок сили Лоренца \(\overrightarrow{F}_\text{л}\) (див. рисунок).

Отже, якщо людина розмістить долоню лівої руки відповідно до правила, великий палець буде напрямлений до неї перпендикулярно до площини рисунка. Це варіант відповіді B.

Відповідь: B.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Магнітний потік.

Завдання скеровано на перевірку розуміння суті магнітного потоку й параметрів, від яких він залежить.

Кількість ліній магнітної індукції, що пронизують певну поверхню (у цьому завданні – поверхню, обмежену плоским дротяним кільцем), називають потоком магнітної індукції або магнітним потоком.

Розгляньмо плоский замкнений контур у магнітному полі. Нормаль \(n,\) проведена до поверхні, обмеженої контуром, утворює кут \(\mathbf{\alpha}\) з вектором магнітної індукції \(\overrightarrow{B}\) (рис. a).

Потік магнітної індукції (магнітний потік) \(\mathrm{Φ}\) ‒ це фізична величина, яка дорівнює добуткові магнітної індукції \(B\) на площу \(S\) поверхні та на косинус кута \(\mathbf{\alpha}\) між вектором магнітної індукції і нормаллю до поверхні: $$ \mathrm{Φ}=BS\cos\mathbf{\alpha}. $$

Магнітний потік буде максимальним, якщо поверхня перпендикулярна до ліній магнітної індукції (рис. б), і дорівнюватиме нулю, якщо поверхня паралельна цим лініям (рис. в).

Залізо ‒ феромагнетик, намагнічується під дією зовнішнього магнітного поля, створює власне сильне магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магнітного поля. Залізне осердя, розташоване в кільці, що проводить струм, значно посилить магнітну дію дротяного кільця. Отже, осердя впливатиме на зміну магнітного потоку.

Зминання кільця приводить до зміни площі поверхні, через яку проходить магнітний потік, прямо пропорційний цій площі.

Якщо повернемо кільце навколо осі, перпендикулярної до площини кільця (ця вісь збігається з нормаллю або паралельна їй, як показано на рис. a), то на зовнішнє магнітне поле це не вплине, площа поверхні, обмеженої кільцем, кут між нормаллю і вектором магнітної індукції не зміняться. Отже, такою дією магнітний потік змінити не можна.

Якщо ж повернути кільце навколо осі, що проходить у його площині, зміниться кут між нормаллю і вектором магнітної індукції, і, відповідно, магнітний потік.

Відповідь: B.

ТЕМА: Перетворення енергії в коливальному контурі. Закон Джоуля – Ленца. Рівняння теплового балансу.

Завдання скеровано на оцінювання знання формул для визначення енергії коливального контуру, кількості теплоти, що виділяється під час згоряння палива, і закону Джоуля – Ленца.

\(\frac{LI^2}{2}\), де \(L\) – індуктивність, \(I\) – сила струму – енергія магнітного поля струму.

\(I^2Rt\) де \(I\) – сила струму, \(R\) – опір, \(t\) – час – кількість теплоти, що виділяється в провіднику під час проходження електричного струму.

\(qm\) де \(q\) – питома теплота згоряння палива, \(m\) – маса – кількість теплоти, що виділяється внаслідок горіння палива.

\(\frac{CU^2}{2}\) де \(U\) – напруга, а \(C\) – електроємність – енергія зарядженого конденсатора.

Відповідь: 1В, 2А, 3Г, 4Д.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле та явище магнітної індукції.

Завдання скеровано на перевірку вміння визначати напрямок ліній магнітної індукції за допомогою правила правої руки.

За правилом правої руки можна визначити напрямок ліній магнітної індукції навколо провідника зі струмом.

Якщо спрямувати великий палець уздовж напрямку протікання струму, то загнуті пальці правої руки вкажуть напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля провідника зі струмом.

Рис. 1. Правило правої руки

Для провідника, про який ідеться в задачі, можна визначити напрямок ліній індукції магнітного поля (рис. 2).

Рис. 2. Лінії індукції магнітного поля

Тож у точці \(A\) напрямок індукції магнітного поля – напрямок на спостерігача (перпендикулярно до сторінки).

Напрямок ліній магнітної індукції – це і є напрямок, в якому зорієнтований північний полюс магнітної стрілки в даній точці.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле та явище магнітної індукції.

Завдання скеровано на перевірку розуміння впливу магнітного поля на провідники зі струмом, уміння використовувати правило правої руки й знань про магнітне поле Землі.

Гальванічний елемент із провідником, що з’єднує його краї, утворюють виток зі струмом. Уважаємо, що струм у провіднику рухається від плюса до мінуса, тобто в цьому разі – проти годинникової стрілки. На цей виток діє сила Ампера. Напрямок сили Ампера залежить від кута між напрямком ліній магнітної індукції та напрямком протікання струму.

У витку в різних його частинах напрямок протікання струму різний. У крайній лівій його частині струм напрямлений вертикально вниз, а в крайній правій точці – вертикально вгору (рис. 1).

Рис. 1. Напрямок протікання струму в крайніх лівій і правій точках витка зі струмом

Тоді в цих точках сила Ампера матиме протилежний напрямок. Це створює обертальний момент, який можна обчислити за формулою $$ M=BIS\sin \mathbf{\alpha}, $$ де \(B\) – магнітна індукція, \(I\) – сила струму, \(S\) – площа рамки, \(\mathbf{\alpha}\) – кут між напрямком протікання струму й напрямком ліній магнітної індукції.

Рамка зупинилася, коли обертальний момент сил Ампера, що на неї діють, зменшився до нуля. Це можливо, якщо \(\sin\mathbf{\alpha}=0\), а отже напрямок протікання струму став перпендикулярним до ліній магнітної індукції в усіх точках контуру. Це можливо лише за умови, що лінії магнітної індукції пронизують контур уздовж напрямку Г – Б на рисунку 1.

Рис. 2. Правило правої руки

Якщо чотири пальці правої руки обгорнути за напрямком струму в контурі, то великий палець укаже на напрямок Б, тобто північний полюс витка попереду (рис. 3).

Рис. 3. Застосування правила правої руки

Географічний напрямок північ – це напрямок, на який указує північний полюс магнітної стрілки компаса, тобто з погляду фізики він є південним магнітним полюсом. Тому напрямок Б вказує на географічний напрямок північ.

Відповідь: Б.

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

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

Дано:
\(v_{\mathrm{Be}}=v_p=v\)

Знайти:
\(\frac{r_{\mathrm{Be}}}{r_p}\ -\ ?\)

У рівняннях ядерних реакцій поруч із символом елемента лівим верхнім індексом позначають кількість нуклонів у ядрі (сумарна кількість протонів і нейтронів), а лівим підрядковим – кількість протонів. Тож у цього нукліда Берилію 9 нуклонів, 4 з яких – протони. Маса нейтрона приблизно дорівнює масі протона, тому маса нукліда Берилію у 9 разів більша, ніж маса протона: $$ m_{\mathrm{Be}}=9m_p. $$

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

Доцентрове прискорення можна знайти з виразу $$ a_{\text{доц}}=\frac{v^2}{R}, $$ де \(v\) – швидкість частинка, а \(R\) – радіус кола, уздовж якого відбувається рух.

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 \(\sin\mathbf{\alpha}=1\) (рис. 1).

Рис. 1. Схема руху позитивно зарядженої частинки по колу

Тоді можна записати, що $$ \overrightarrow{F_{\text{Лоренца}}}=m\overrightarrow{a_{\text{доц}}}. $$

Оскільки в нукліда Берилію є чотири позитивно заряджені протони й п’ять нейтральних нейтронів, його заряд у чотири рази більший, ніж заряд протона: $$ q_{\mathrm{Be}}=4q_p. $$

Записи другого закону Ньютона для обох частинок такі: \begin{gather*} \left\{ \begin{array}{l} Bv_pq_p=m_p=\frac{v^2_p}{r_p};\\ Bv_{\mathrm{Be}}q_{\mathrm{Be}}=m_{\mathrm{Be}}\frac{v_{\mathrm{Be}}^2}{r_{\mathrm{Be}}}. \end{array} \right. \end{gather*}

Після цього потрібно виразити радіуси кола, уздовж якого здійснюється рух, для обох частинок: $$ \left\{ \begin{array}{l} r_p=m_p\frac{v^2_p}{Bv_pq_p};\\ r_{\mathrm{Be}}=m_{\mathrm{Be}}\frac{v_{\mathrm{Be}}^2}{Bv_{\mathrm{Be}}q_{\mathrm{Be}}}. \end{array} \right. $$

Далі треба підставити всі відомі співвідношення між фізичними величинами, що відповідають протону й α-частинці:

Тобто $$ \frac{r_{\mathrm{Be}}}{r_p}=2,25. $$

Відповідь: 2,25.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле і явище магнітної індукції.

Завдання скеровано на оцінку вміння визначати напрямок ліній магнітної індукції за допомогою правила правої руки.

За правилом правої руки можна визначити напрямок ліній магнітної індукції.

Якщо спрямувати великий палець уздовж напрямку протікання струму, то загнуті пальці правої руки вкажуть напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля провідника зі струмом.

Рис. 1. Правило правої руки

Тож, як зображено на рисунку, якщо сила струму напрямлена вгору, то лінії магнітної індукції утворюють коло навколо провідника, і вектор магнітної індукції спрямований праворуч у точці кола, найближчій до спостерігача.

Відповідь: B.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція, Закон електромагнітної індукції.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі на застосування закону електромагнітної індукції.

Дано:
\(\triangle\mathbf{\Phi}=20\ \text{мВб}\)
\(R=0,04\ \text{Ом}\)

Знайти:
\(q\ (\text{Кл})-?\)

Заряд проходить через виток під час зміни магнітного потоку, бо за законами електромагнітної індукції в такому разі утвориться струм. Цей струм сприятиме виникненню власного магнітного поля витка, що протидіятиме зміні потоку крізь нього. Такий струм називають індукційним. Силу індукційного струму визначають за формулою $$ I=\frac{\mathbf{\varepsilon}_l}{R}, $$ де \(\mathbf{\varepsilon}_l\) – електрорушійна сила (ЕРС) індукції.

За законом електромагнітної індукції ЕРС індукції дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, який пронизує поверхню, обмежену контуром. Тобто $$ \mathbf{\varepsilon}_l=-\frac{\triangle\mathbf{\Phi}}{\triangle t}, $$ де \(\triangle t\) – час, за який відбуваються зміни магнітного потоку. Знак «мінус» у цьому виразі показує, що ЕРС самоіндукції утворюється, щоби протистояти (правило Ленца) зміні магнітного потоку. Тоді $$ I= \frac{\triangle\mathbf{\Phi}}{\triangle t\cdot R}. $$

За визначенням сила струму – це фізична величина, яка характеризує електричний струм. Її описують формулою $$ I=\frac{q}{\triangle t}, $$ де \(q\) – це заряд, що проходить через поперечний переріз провідника, а \(\triangle t\) – проміжок часу, за який це відбувається.

Тоді $$ \frac{q}{\triangle t}=\frac{\triangle\mathbf{\Phi}}{\triangle t\cdot R}, $$ a

Відповідь: 0,5.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле і явище магнітної індукції. Сила Ампера.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розраховувати модуль сили Ампера для провідників зі струмом під дією магнітного поля.

Сила Ампера – це сила, що діє на провідник зі струмом в магнітному полі. Її напрямок визначають за правилом лівої руки, а модуль – за формулою $$ F_A=BIl$1\mathbf{\alpha}, $$ де \(B\) – магнітна індукція, \(I\) – сила струму в провіднику, \(l\) – довжина провідника,
\(\mathbf{\alpha}\) – кут між напрямком струму й вектором магнітної індукції.

Оскільки сила струмі \(I\) й магнітна індукція \(B\) не дорівнюють нулю в жодному випадку з-поміж зображених на рисунку, необхідно визначити, коли \($1\mathbf{\alpha}=0.\)
У цьому разі напрямок сили струму й напрямок ліній магнітної індукції є або паралельними \((\mathbf{\alpha} = 0^\circ)\), або антипаралельними \((\mathbf{\alpha} = 180^\circ).\)

Лінії магнітної індукції проводять від північного полюса до південного, тож у випадках A, B і Г \(\mathbf{\alpha} = 90^\circ,\) а у випадку Б \(\mathbf{\alpha} = 180^\circ.\)

Відповідь: Б.

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

Завдання скеровано на оцінювання вміння обчислювати енергію магнітного поля провідника зі струмом.

Дано:
\(I=20\ \text{А}\)
\(B=0,5\ \text{Вб}\)

Знайти:
\(W_{\text{котушки}}-?\)

Для визначення енергії магнітного поля котушки потрібно скористатися формулою \(W_{\text{котушки}}=\frac{LI^2}{2}\) (1), де \(L\) – індуктивність котушки, а \(I\) – сила струму, що тече в цій котушці. При цьому магнітний потік \(\mathbf{\Phi}\) крізь котушку пропорційний силі струму, що через неї протікає: $$ \mathbf{\Phi}=LI\ \boldsymbol (2). $$ Виразивши з (2) індуктивність і підставивши її в (1), можна дістати:

Відповідь: 5.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле і явище магнітної індукції.

Завдання скеровано на оцінювання вміння визначати напрямок ліній магнітної індукції за допомогою правила правої руки.

За правилом правої руки можна визначити напрямок ліній магнітної індукції: якщо спрямувати великий палець уздовж напрямку протікання струму, то загнуті пальці правої руки вкажуть напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля провідника зі струмом (рис. 1).

Рис. 1. Правило правої руки

Магнітна стрілка в магнітному полі повернеться вздовж ліній магнітної індукції так, що лінії входитимуть у її південний полюс і виходитимуть із її північного полюса.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Явище й закони електромагнітної індукції.

Завдання скеровано на оцінювання знання поняття «електромагнітна індукція» і вміння застосовувати закони електромагнітної індукції.

Гальванометр у досліді, описаному в завданні, фіксує індукційний струм у котушці.

Для правильного розв’язання завдання потрібно пригадати закони електромагнітної індукції.

1. Електричний струм у замкненому провідному контурі виникає лише тоді, коли змінюється магнітний потік через поверхню, обмежену контуром.

2. Чим швидше змінюється магнітний потік, тим більшою є сила індукційного струму в контурі.

3. Напрямок індукційного струму в контурі залежить від того, збільшується чи зменшується магнітний потік через поверхню, обмежену контуром.

За першим законом електромагнітної індукції в котушці виникає струм, бо за наближення або введення магніту змінюється магнітний потік, що через неї протікає.

Чим швидше змінюватиметься магнітний потік, тим більшою, відповідно до другого закону електромагнітної індукції, буде сила струму. Щоби швидше змінювати магнітний потік від магніту, його треба рухати швидше.

Якщо тримати магніт нерухомо, то струм індукції в котушці не виникне, бо магнітний потік, який протікає через контур котушки, не змінюватиметься. А якщо змінити напрямок руху магніту, то, за правилом Ленца, зміниться лише напрямок індукованого струму.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Одиниці фізичних величин.

Завдання скеровано на оцінювання вміння виражати одиниці фізичних величин через основні одиниці SI.

Для запису одиниць фізичних величин через основні одиниці СІ використовують метод розмірностей.

А Тесла (магнітна індукція). Потрібно вибрати формулу, із якої можна виразити магнітну індукцію через величини, одиниці яких входять у СІ або можуть бути виражені через них. Для магнітної індукції можна використати вираз для сили Ампера: $$ F_{\mathrm{A}}=BIl, $$ де \(I\) – сила струму в провіднику А, \(l\) – довжина (м) цього провідника. Із цього рівняння випливає: \begin{gather*} B=\frac{F_{\mathrm{A}}}{Il}\\[6pt] 1\ \text{Тл}=\frac{\text{Н}}{\text{А}\cdot\text{м}}=\frac{\text{кг}\cdot\text{м}}{\text{с}^2}\cdot\frac{1}{\text{А}\cdot\text{м}}. \end{gather*}

Аналогічні дії потрібно виконати й для варіантів Б – Г.

Б Генрі (індуктивність). $$ W=\frac 12 LI^2, $$ де \(W\) – енергія магнітного поля котушки (Дж), \(I\) – сила струму (А); \begin{gather*} L=\frac{2W}{I^2};\\[6pt] 1\ \text{Гн}=\frac{\text{Дж}}{\text{А}^2}=\frac{\text{кг}\cdot\text{м}^2}{\text{с}^2}\cdot\frac{1}{\text{А}^2}. \end{gather*}

B Ньютон (сила). $$ F=mg, $$ де \(m\) – маса (кг), \(g\) – прискорення вільного падіння \((\frac{\text{м}}{\text{с}^2}).\) \begin{gather*} 1\ \text{Н}=\text{кг}\cdot\frac{\text{м}}{\text{с}^2}. \end{gather*}

Г Джоуль (робота). $$ A=Fs$1\mathbf{\alpha}, $$ де \(F\) – сила (Н), \(s\) – переміщення (м), \(\mathbf{\alpha}\) – кут між напрямком переміщення і напрямком сили; \begin{gather*} 1\ \text{Дж}=\text{Н}\cdot\text{м}=\text{м}\cdot\frac{\text{кг}\cdot\text{м}}{\text{с}^2}. \end{gather*}

Відповідь: 1В, 2А, 3Д, 4Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле і явище магнітної індукції. Сила Ампера.

Завдання скеровано на оцінювання вміння визначати за правилом лівої руки напрямок сили Ампера.

Якщо ліву руку розташувати так, щоби лінії магнітної індукції входили в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрямок струму в провіднику, то відігнутий на 90° великий палець укаже напрямок сили Ампера (рис. 1).

Рис. 1. Правило лівої руки

За рисунком 2 можна визначити напрямок струму I в провіднику й напрямок ліній магнітної індукції \(B\). Напрямок струму зазначено поруч із кріпленнями провідника, а напрямок ліній магнітної індукції можна визначити за таким правилом: лінії магнітної індукції беруть свій початок на північному полюсі й входять у південний. Тоді за правилом лівої руки легко визначити напрямок сили Ампера \(F_{\mathrm{A}}.\)

Рис. 2. Напрямок струму, ліній магнітної індукції та сили Ампера

Відповідь: A.

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.

Дано:
\(v_{\mathbf{\alpha}}=v_p=v\)
\(m_{\mathbf{\alpha}}=4m_p\)

1. Знайти:
\(\frac{r_{\mathbf{\alpha}}}{r_p}\ -\ ?\)

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 частинки, а \(R\) – радіус кола, уздовж якого відбувається рух.

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.

З огляду на те, що частинки рухаються в полі по колу, \(\mathbf{\alpha}=90^{\circ}\), а \(\sin\mathbf{\alpha}=1\) (рис. 1).

Рис. 1. Схема руху позитивно зарядженої частинки по колу

Тоді можна записати: $$ \overrightarrow{F_{\text{Лоренца}}}=m\overrightarrow{a_{\text{доц}}}. $$

Оскільки складники \(\mathbf{\alpha}\)-частинки – 2 протони й 2 нейтрони, то її заряд удвічі більший за заряд протона: $$ q_{\mathbf{\alpha}}=2q_p. $$

Запис другого закону Ньютона для обох частинок такий: \begin{gather*} \left\{ \begin{array}{l} Bv_pq_p=m_p\frac{v_p^2}{r_p};\\ Bv_{\mathbf{\alpha}}q_{\mathbf{\alpha}}=m_{\mathbf{\alpha}}\frac{v_{\mathbf{\alpha}}^2}{r_{\mathbf{\alpha}}}. \end{array} \right. \end{gather*}

Після цього потрібно записати вирази для радіусів кола, уздовж якого здійснюється рух, для обох частинок: \begin{gather*} \left\{ \begin{array}{l} r_p=m_p\frac{v_p^2}{Bv_pq_p};\\ r_{\mathbf{\alpha}}=m_{\mathbf{\alpha}}\frac{v_{\mathbf{\alpha}}^2}{Bv_{\mathbf{\alpha}}q_{\mathbf{\alpha}}}. \end{array} \right. \end{gather*}

Далі потрібно підставити всі відомі співвідношення між фізичними величинами, що відповідають протону й \(\mathbf{\alpha}\)-частинці: \begin{gather*} \left\{ \begin{array}{l} r_p=m_p\frac{v^2}{Bvq_p};\\ r_{\mathbf{\alpha}}=4m_p\frac{v^2}{2Bvq_p}=2m_p\frac{v^2}{Bvq_p}=2r_p. \end{array} \right. \end{gather*}

Тому $$ \frac{r_{\mathbf{\alpha}}}{r_p}=2. $$

Відповідь: 2.

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

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі, пов’язані з енергією магнітного поля і її перетворенням на інші види енергії.

Дано:
\(L=2\ \text{Гн}\)
\(Q=70\ \text{Дж}\)
\(\triangle I=5\ \text{А}\)

Знайти:
\(A_{\text{стор}}\ -\ ?\)

Робота сторонніх сил акумулятора витрачається на збільшення енергії котушки. Максимальна енергія котушки може бути визначена за формулою $$ E=\frac{LI^2}{2}, $$ де \(I\) – це максимальна сила струму в котушці. За умовою задачі \(I=5\ \text{А}\).

Проте коло за умовою не ідеальне – частина роботи акумулятора втрачається у вигляді виділеної теплоти. Тоді разом робота сторонніх сил акумулятора має дорівнювати сумі енергії котушки й кількості виділеної теплоти: $$ A_{\text{стор}}=E+Q=\frac{LI^2}{2}+Q=\frac{2\ \text{Гн}\cdot (5\ \text{А})^2}{2}+70\ \text{Дж}=25\ \text{Дж}+70\ \text{Дж}=95\ \text{Дж}. $$

Відповідь: 95.

ТЕМА: Електродинаміка. Явище й закони електромагнітної індукції. Сила Ампера. Сила Лоренца.

Завдання скеровано на оцінювання знання розрахункових формул сили Ампера, сили Лоренца, індуктивності й потоку магнітної індукції.

Щодо варіантів відповіді:

A \(BS\cos\mathbf{\alpha}\), де \(B\) – магнітна індукція поля, \(S\) – площа поверхні, \(\mathbf{\alpha}\) – кут між вектором магнітної індукції і нормаллю до поверхні. Величина, що дорівнює добутку цих величин, – це потік магнітної індукції

Б \(I\triangle t\), де \(I\) – сила струму, \(\triangle t\) – проміжок часу, на якому проводили вимірювання. Добуток сили струму на проміжок часу дає змогу визначити заряд, що проходить крізь переріз провідника

B \(BIL\sin\mathbf{\alpha}\), де \(B\) – магнітна індукція поля, \(I\) – сила струму в провіднику, \(l\) – довжина провідника, \(\mathbf{\alpha}\) – кут між вектором магнітної індукції і напрямком струму. Сила, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі, – сила Ампера, тож це вираз для модуля сили Ампера

Г \(\frac{-L\triangle I}{\triangle t}\), де \(L\) – індуктивність провідника, \(\triangle I\) – зміна сили струму, \(\triangle t\) – проміжок часу, за який відбулась зміна струму. Величина, визначена цим виразом – це ЕРС (електрорушійна сила) самоіндукції

Д \(Bvq\sin\mathbf{\alpha}\), де \(B\) – магнітна індукція поля, \(q\) – заряд частинки, \(v\) – швидкість частинки, \(\mathbf{\alpha}\) – кут між вектором магнітної індукції і напрямком руху частинки. Сила, що діє на заряджену частинку в магнітному полі – сила Ампера, тож це вираз для модуля сили Лоренца

Відповідь: 1Г, 2А, 3В, 4Д.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння природи магнітної індукції і вміння аналізувати результати експерименту за його схематичним рисунком.

Лінії індукції магнітного поля, утвореного провідником зі струмом, мають вигляд кола. Чим далі від провідника точка, тим менше в ній значення індукції магнітного поля.

Рис. 1. Лінії магнітної індукції навколо провідника зі струмом

Коли провідник скручують у петлі, утворюється котушка. Лінії магнітної індукції всередині котушки набагато густіші (рис. 2), тож і значення індукції більше. Чим більше витків у котушці, тим більшим може бути значення індукції всередині неї.

Рис. 2. Напрямок магнітної індукції в котушці

Тож, оскільки провідник поруч з усіма точками відрізняється лише тим, якої форми він набуває (петля, дві петлі чи пряма). То найбільшим буде значення індукції в центрі котушки з найбільшою кількістю петель. Тобто в точці 3.

Відповідь: B.

ТЕМА: Магнітне поле, електромагнітна індукція. Сила Лоренца.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі з використанням законів для рухомих провідників у магнітному полі.

Дано:
\(l=12\ \text{м}\)
\(v=900\ \text{км/год}\)
\(B=50\ \text{мкТл}\)

Знайти:
\(\triangle \mathbf{\varphi}\ -\ ?\)

Два крила літака – це один суцільний провідник, що рухається в магнітному полі. Оскільки рух літака відбувається вздовж магнітного меридіана Землі, то напрямок його швидкості збігається із горизонтальним складником напруженості магнітного поля і перпендикулярний до її вертикального складника.

Під час руху провідника перпендикулярно до ліній напруженості магнітного поля в тому самому напрямку рухаються і всі його вільні електрони. На кожен із цих вільних електронів діє сила Лоренца. За правилом лівої руки, якщо долоню повернути так, щоби чотири пальці показували напрямок, протилежний до напрямку швидкості негативно заряджених частинок, а лінії магнітної індукції входили в долоню, то великий палець лівої руки вкаже напрямок дії сили Лоренца.

У результаті цього вільні електрони змістяться в одне крило, тому крила поляризуються. Тоді для рухомого провідника в магнітному полі можна обчислити електрорушійну силу (ЕРС), що дорівнює різниці потенціалів між двома кінцями провідника: $$ \triangle \mathbf{\varphi}=\mathrm{EPC}=Bvl$1\mathbf{\alpha}, $$ де \(\mathbf{\alpha}\) – кут між швидкістю руху провідника й напрямком ліній магнітної індукції.

Тоді

Відповідь: 0,15.

ТЕМА: Магнітне поле, електромагнітна індукція. Трансформатор.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння принципів роботи трансформатора й уміння розв’язувати розрахункові задачі відповідного змісту.

Дано:
\(U_1 = 220\ \text{В}\)
\(U_2 = 11000\ \text{В}\)
\(N_{\text{перв}}=40\)

1. Знайти:
\(k\ -\ ?\)

Описаний в умові трансформатор – підвищувальний, отже коефіцієнт трансформації \(k\lt 1\). Його можна обчислити як відношення початкової напруги до кінцевої: $$ k=\frac{U_1}{U_2}=\frac{220\ \text{В}}{11000\ \text{В}}=0,02. $$

Якщо розімкнути іншу обмотку трансформатора, то первинною вважатимуть обмотку з напругою \(11000\ \text{В}\), а вторинною – із напругою \(220\ \text{В}\). У такому разі коефіцієнт трансформації можна обчислити як відношення напруги на первинній обмотці до напруги на вторинній обмотці: $$ k=\frac{U_2}{U_1}=\frac{11000\ \text{В}}{220\ \text{В}}=50 $$

Такий трансформатор знижуватиме напругу, а за умовою напруга має підвищуватися, тому для подальшого розв’язку потрібно використати коефіцієнт трансформації \(k=0,02\).

2. Знайти:
\(N_{\text{втор}}\ -\ ?\)

Також коефіцієнт трансформації можна обчислити як відношення кількості мотків у первинній обмотці до кількості мотків у вторинній: $$ k=\frac{N_{\text{перв}}}{N_{\text{втор}}}. $$

Тоді $$ N_{\text{втор}}=\frac{N_{\text{перв}}}{k}=\frac{40}{0,05}=2000. $$

Відповідь: 1. 0,02 або 50. 2. 2000.

ТЕМА: Електричне коло.

Завдання скеровано на оцінювання знання умовних позначень для створення схем електричних кіл:

A – котушка індуктивності, соленоїд

Б – конденсатор

B – напівпровідниковий діод

Г – батарея гальванічних елементів

або

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле. Закон Ампера.

Завдання скеровано на перевірку знання закону Ампера й уміння розв'язувати задачі на визначення напрямку сили Ампера.

За правилом «лівої руки» долоня вказує на північний полюс, а чотири пальці лівої руки направлені до нас із площини рисунка. Тоді відведений на 90° великий палець лівої руки вкаже напрямок дії сили Ампера вниз.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Одиниці фізичних величин.

Завдання скеровано на перевірку вміння записувати одиниці фізичних величин через основні одиниці СІ.

1 Тесла (магнітна індукція)

Варто вибрати формулу, з якої можна виразити магнітну індукцію через величини, одиниці яких входять в СІ, або можуть бути легко вираженi через них. Для магнітної індукції можна використати вираз для сили Ампера: $$ F_A=BIl\rightarrow B=\frac{F_A}{Il}, $$ де \(I\) – сила струму в провіднику (А), \(l\) – довжина провідника (м).

Тоді можна записати рівність (1), використовуючи одиниці фізичних величин:

2 Генрі (індуктивність): $$ W=\frac12 LI^2\rightarrow L=\frac{2W}{I^2}, $$ де \(W\) – енергія магнітного поля котушки (Дж), \(I\) – сила струму (А). $$ L=\frac{2W}{I^2}\rightarrow 1\ \text{Гн}=\frac{\text{Дж}}{\text{А}^2}= \frac{\text{кг}\cdot\text{м}^2}{\text{с}^2}\cdot\frac{1}{\text{А}^2}. $$

3 Ньютон (сила): $$ F=mg, $$ де \(m\) – маса (кг), \(g\) – прискорення вільного падіння \(\left(\frac{\text{м}}{\text{с}^2}\right)\): $$ F=mg\rightarrow 1\ \text{Н}=\text{кг}\cdot\frac{\text{м}}{\text{с}^2}. $$

4 Джоуль (робота): $$ A=Fs\cos\mathbf{\alpha}, $$ де \(F\) – сила (Н), \(s\) – переміщення (м), \(\mathbf{\alpha}\) – кут між напрямком переміщення і сили: $$ A=Fs\cos\mathbf{\alpha}\rightarrow 1\ \text{Дж}=\text{Н}\cdot\text{м}=\text{м}\cdot \frac{\text{кг}\cdot\text{м}}{\text{с}^2}. $$

Відповідь: 1В, 2А, 3Д, 4Б.

ТЕМА: Магнітне поле, електромагнітна індукція. Сила Лоренца.

Завдання скеровано на перевірку розуміння природи сили Лоренца.

У магнітному полі на заряджену частинку діє сила Лоренца, яку можна розрахувати за формулою $$ \overrightarrow{F_{\text{Лоренца}}}=Bvq\sin\mathbf{\alpha}, $$ де \(B\) – магнітна індукція поля, \(q\) – заряд частинки, \(v\) – швидкість частинки, \(\mathbf{\alpha}\) – кут між вектором магнітної індукції та напрямком руху частинки.

Частинка продовжуватиме свій рух по прямій без змін, якщо \(\sin\mathbf{\alpha}=0\), тобто магнітна індукція та напрямок руху частинки мають лежати на паралельних прямих.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція.

Завдання скеровано на перевірку розуміння залежності магнітного потоку від зовнішніх чинників.

Магнітний потік \(\mathbf{\Phi}\) – це фізична величина, яка дорівнює добуткові магнітної індукції \(B\) на площу \(S\) поверхні та на косинус кута \(\mathbf{\alpha}\) між вектором магнітної індукції і нормаллю до поверхні: $$ \mathbf{\Phi}=BS\cos\mathbf{\alpha}, $$ де \(B\) магнітна індукція, \(S\) – площа поверхні, \(\mathbf{\alpha}\) – кут між вектором магнітної індукції та нормаллю до поверхні.

Тож магнітний потік, що пронизує плоске дротяне кільце, зміниться, якщо змінити його площу (зім’яти його), змінити напруженість магнітного поля, що проходить крізь кільце (помістити всередину кільця залізне осердя) чи якщо змінити кут між вектором магнітної індукції та нормаллю до поверхні (повернути кільце навколо осі, що проходить у його площині).

Відповідь: B.

ТЕМА: Магнітне поле, електромагнітна індукція. Сила Лоренца.

Завдання скеровано на перевірку розуміння поняття роботи сили.

Роботу сили можна обчислити за формулою: $$ A=Fs\cos\mathbf{\alpha}, $$ де \(F\) – сила (H), \(s\) – переміщення (м), \(\mathbf{\alpha}\) – кут між напрямком переміщення і сили.

Поле не виконує роботу над зарядженою частинкою, якщо \(\cos\mathbf{\alpha}=0\), тобто якщо сила, яка діє на частинку в полі, завжди перпендикулярна до її переміщення.

Відповідно на електрично заряджену частинку діє лише сила Лоренца в сталому магнітному полі.

Відповідь: Г.

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: Магнітне поле, електромагнітна індукція. Трансформатор.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі, що ґрунтується на розумінні принципів роботи трансформатора.

Трансформатор – електромагнітний пристрій, що перетворює змінний струм однієї напруги на змінний струм іншої напруги за незмінної частоти.

Тож збільшується саме значення напруги змінного струму.

Відношення кількості витків у первинній обмотці до кількості витків у вторинній обмотці – це коефіцієнт трансформації. За умовою кількість витків у вторинній обмотці в \(n\) разів більша, ніж у первинній, тому можна розрахувати коефіцієнт трансформації: $$ k=\frac{N_{\text{перв}}}{N_{\text{втор}}}=\frac 1n. $$

Так само коефіцієнт трансформації можна визначити як відношення початкової напруги змінного струму до кінцевої: $$ k=\frac{U_1}{U_2}=\frac 1n. $$

Тоді $$ U_2=nU_1. $$

Відповідь: A.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння понять магнітної індукції, індуктивності, магнітного потоку й магнітної проникності середовища.

Магнітна індукція \(B\) – векторна фізична величина, що характеризує силову дію магнітного поля $$ B=\frac{F_A}{Il}, $$ де \(I\) – сила струму в провіднику, \(l\) – довжина провідника, \(F_A\) – сила Ампера.

Індуктивність \(L\) – фізична величина, яка характеризує провідник і чисельно дорівнює електрорушійній силі (ЕРС) самоіндукції, що виникає в провіднику в разі зміни сили струму на 1 ампер за 1 секунду: $$ L=\frac{|\mathbf{\varepsilon}_{is}|\triangle t}{|\triangle I|}, $$ де \(\mathbf{\varepsilon}_{is}\) – ЕРС самоіндукції, \(\triangle I\) – зміна сили струму, \(\triangle t\) – проміжок часу, за який відбулася зміна струму.

Магнітний потік \(\boldsymbol Ф\) – це фізична величина, яка дорівнює добутку магнітної індукції \(B\) на площу \(S\) поверхні й на косинус кута \(\mathbf{\alpha}\) між вектором магнітної індукції і нормаллю до поверхні: $$ \boldsymbol Ф=BS\cos\mathbf{\alpha}, $$ де \(B\) – магнітна індукція, \(S\) – площа поверхні, \(\mathbf{\alpha}\) – кут між вектором магнітної індукції і нормаллю до поверхні.

Магнітна проникність середовища \(\mathbf{\mu}\) – це фізична величина, яка характеризує магнітні властивості: $$ \mathbf{\mu}=\frac{B}{B_0}, $$ де \(B\) – магнітне поле в середовищі, \(B_0\) – магнітне поле у вакуумі.

Відповідь: A.

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: $$ F=Bvq\sin\mathbf{\alpha}, $$ де \(B\) – магнітна індукція поля, \(q\) – заряд частинки, \(v\) – швидкість частинки, \(\mathbf{\alpha}\) – 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 \(\sin\mathbf{\alpha} = 0\). Тобто коли \(\mathbf{\alpha}=\mathbf{\pi}n\). 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. Магнітне поле та явище магнітної індукції.

Завдання скеровано на перевірку знання одиниць виміру для фізичних величин, пов’язаних із магнітним полем.

А Магнітну індукцію \(B\) вимірюють у теслах (Тл).

Б Індуктивність \(L\) вимірюють у генрі (Гн).

В Магнітний потік \(\text{Ф}\) вимірюють у веберах (Вб).

Г Електроємність \(C\) вимірюють у фарадах (Ф).

Відповідь: A.

ТЕМА: Магнітне поле, електромагнітна індукція.

Завдання скеровано на оцінку вміння визначати напрямок ліній магнітної індукції за допомогою правила правої руки.

Після замикання ключа \(K\) в котушці почне протікати струм і генеруватиметься магнітне поле.

Права частина котушки підключена до негативного полюса джерела, а ліва – до позитивного. Струм у колі тече від + до –, тож він буде спрямований униз у ближній до спостерігача частині рисунка й угору в дальній частині.

Напрямок магнітного поля в котушці можна визначити за правилом правої руки (рис. 1):
якщо чотири зігнуті пальці правої руки спрямувати за напрямком струму в контурі, то відігнутий на \(90^\circ\) великий палець укаже напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля всередині контуру.

Рис. 1. Правило правої руки

Тобто для котушки в завданні також можна визначити напрямок ліній магнітної індукції, а отже і її магнітні полюси (рис. 2).

Рис. 2. Результат застосування правила правої руки

Магнітна стрілка на рисунку поруч із північним магнітним полюсом, тож вона повернеться до нього своїм південним полюсом.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Сила Ампера.

Завдання скеровано на перевірку розуміння дії магнітного поля на провідник з електричним струмом.

Силу, із якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, називають силою Ампера \(F_А.\)

Напрямок дії сили Ампера визначають за правилом лівої руки: якщо ліву руку розташувати так, щоб лінії магнітної індукції \(B\) входили в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрямок струму в провіднику, то відігнутий на \(90^\circ\) великий палець укаже напрямок сили Ампера.

Розгляньмо кожний зображений варіант. Ліву руку орієнтуватимемо відносно сторінки з рисунком.

На рисунку 1 вектор магнітної індукції напрямлений перпендикулярно до площини рисунка від вас (позначено хрестиком). Отже, орієнтуємо ліву руку долонею до себе (лінії магнітної індукції входять в долоню), чотири пальці напрямлені вертикально вгору за напрямком струму, тоді великий палець, відігнутий на \(90^\circ ,\) буде напрямлений ліворуч у площині рисунка.

На рисунку 2 вектор магнітної індукції напрямлений вертикально вниз, отже долоню орієнтуємо торцем (перпендикулярно) до площини рисунка, а чотири пальці руки спрямовуємо праворуч за напрямком сили струму. Тоді великий палець, відігнутий на \(90^\circ ,\) буде напрямлений перпендикулярно до площини рисунка від вас.

На рисунку 3 сила Ампера не діятиме, оскільки напрямок сили струму збігається з напрямком вектора магнітної індукції і неможливо зорієнтувати ліву руку відповідно до правила визначення сили Ампера. За формулою сила Ампера також дорівнює нулю. Оскільки кут \(\alpha\) між напрямком струму в провіднику й вектором магнітної індукції дорівнює \(0^\circ ,\) синус кута \(0^\circ\) дорівнює нулю, відповідно й сила Ампера дорівнює нулю: $$ F_A=BIl\sin\alpha, $$ де \(l\) – довжина провідника; $$ F_A=BIl\sin 0^\circ=BIl\cdot 0=0. $$

На рисунку 4 вектор магнітної індукції напрямлений перпендикулярно до площини рисунка до вас (позначено точками). Отже, орієнтуємо ліву руку долонею від себе (лінії магнітної індукції входять в долоню), чотири пальці напрямлені вертикально вгору за напрямком струму, тоді великий палець, відігнутий на \(90^\circ,\) буде напрямлений праворуч у площині рисунка.

Відповідь: 1А, 2В, 3Д, 4Б.

ТЕМА: Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка. Електродинаміка.

Завдання скеровано на перевірку знань і розуміння принципів дії пристроїв і механізмів із різних розділів фізики.

Гальмівні механізми (дискові або барабанні) не дають обертатися колесам, унаслідок чого автомобіль зменшує швидкість. Принцип дії гальмівного механізму заснований на використанні сили тертя. Під час гальмування кінетична енергія переходить у внутрішню.

Тепловий двигун – це машина, яка працює циклічно й перетворює енергію палива на механічну роботу. Робоче тіло (газ, який виконує роботу під час свого розширення) отримує певну кількість теплоти від нагрівника. Ця теплота частково перетворюється на механічну енергію (робоче тіло виконує роботу), а частково передається холодильнику.

Індукційні генератори струму перетворюють механічну енергію на електричний струм. Складені з металевого осердя, у пази якого поміщено обмотку. Кінці обмотки з’єднані з кільцями, до кожного з яких притиснуто щітку для відведення напруги до споживача. Осердя з обмоткою (ротор) обертається в магнітному полі нерухомого постійного магніту або електромагніту.

Електричний двигун є пристроєм для перетворення електричної енергії на механічну та приведення до руху машин і механізмів. Робота електродвигуна основана на втягуванні або виштовхуванні провідника з електричним струмом у магнітному полі й дії на провідник зі струмом сили Ампера. Під час роботи двигуна рух ротора (рухомої частини двигуна) передається валу, а з нього – безпосередньо до споживача.

Відповідь: 1А, 2Б, 3В, 4Г.

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 $$ \alpha=\mathbf{\omega} t, $$ де \(\mathbf{\omega}\) – кутова швидкість, \(t\) – час обертання.

Тому й магнітний потік \(\text{Ф}\) через площину рамки змінюватиметься: $$ \text{Ф}=BS\cos\mathbf{\omega} t, $$ 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 $$ e(t)=\varepsilon_{\mathrm{max}}\sin\mathbf{\omega} t, $$ 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\mathbf{\omega} t}{R+r}=\\[6pt] =\frac{\varepsilon_{\mathrm{max}}}{R+r}\sin\mathbf{\omega} t=I_{\mathrm{max}}\sin\mathbf{\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. Магнітне поле і явище магнітної індукції.

Завдання скеровано на перевірку розуміння явища магнітної індукції.

Рух магніту крізь кільце викликає в ньому появу індукційного струму. Індукційний струм у кільці виникає такий, щоб утворене навколо нього магнітне поле протидіяло рухові магніту. Тобто якщо магніт наближається до кільця, то навколо кільця утвориться поле, що примушуватиме його віддалятись і навпаки.

Напрямок магнітного поля можна визначити за правилом правої руки (рис. 1):
якщо чотири зігнуті пальці правої руки спрямувати за напрямком струму в контурі, то відігнутий на \(90^\circ\) великий палець укаже напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля всередині контуру.

Рис. 1. Правило правої руки

Тоді для варіантів відповіді А – В північний полюс кільця буде розташований над ним, а південний – під ним. У варіанті Г навпаки – північний полюс котушки відштовхуватиме північний полюс магніту або притягувати його південний полюс. Ці дії спрямовані на те, щоби не дати північному полюсу магніту наблизитися або південному – віддалитися. Цю умову задовольняє лише варіант А.

Відповідь: A.

ТЕМА: Магнітне поле, електромагнітна індукція. Сила Лоренца.

Завдання скеровано на перевірку вміння визначати напрямок дії сили Лоренца на заряджену частинку в магнітному полі.

Силу Лоренца визначають за правилом лівої руки: якщо ліву руку розташувати так, щоби лінії магнітної індукції входили в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрямок швидкості руху позитивно зарядженої частинки, то відігнутий на \(90^\circ\) великий палець укаже напрямок сили Лоренца.

Рис. 1. Правило лівої руки

Якщо перевірити напрямок сили Лоренца на рисунку за правилом лівої руки, то великий палець вказуватиме праворуч, хоча на рисунку напрямок сили Лоренца вказаний ліворуч. Це свідчить про те, що частинка заряджена негативно.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Закон електромагнітної індукції.

Завдання скеровано на перевірку розуміння закону електромагнітної індукції.

Силу індукційного струму \(I_\text{i}\) в контурі опором R визначають за законом Ома: $$ I_\text{i}=\frac{\mathbf{\varepsilon}_\text{i}}{R}. $$

Закон залежності електрорушійної сили \(\mathbf{\varepsilon}_\text{i}\) (ЕРС) індукції від швидкості зміни магнітного потоку експериментально вивів М. Фарадей: електрорушійна сила індукції дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, який пронизує поверхню, обмежену контуром: $$ \mathbf{\varepsilon}_\text{i}=-\frac{\Delta\mathrm{\text{Ф}}}{\Delta t}, $$ де \(\Delta\mathrm{\text{Ф}}\) ‒ зміна магнітного потоку, \(\Delta t\) ‒ проміжок часу (знак «мінус» відображає правило Ленца).

Оскільки за умовою змінюється площа, обмежена контуром, маємо: $$ \mathbf{\varepsilon}_\text{i}=B\frac{\Delta S}{\Delta t}\cos\mathbf{\alpha}, $$ де \(B\) ‒ індукція магнітного поля, \(\Delta S\) ‒ зміна площі, обмеженої контуром.

За умовою завдання провідник постійно перебуває в горизонтальній площині перпендикулярно до ліній індукції магнітного поля. Це означає, що лінії індукції магнітного поля паралельні з нормаллю до площини поверхні контуру, тобто кут \(\mathbf{\alpha}\) між ними дорівнює нулю, \(\cos\ 0^\circ=1,\) тоді $$ \mathbf{\varepsilon}_\text{i}=B\frac{\Delta S}{\Delta t}. $$

Розпишімо, чому дорівнює сила струму й опір, і підставимо всі вирази в першу формулу:

де \(q\) ‒ електричний заряд, що пройде через поперечний переріз провідника за час \(\Delta t,\ \ \mathbf{\rho}\) ‒ питомий опір провідника, \(l\) ‒ довжина провідника, \(S_\text{пп}\) ‒ площа поперечного перерізу провідника.

Визначмо зміну площі \(\Delta S\) обмеженої контуром, що дорівнює різниці площі круга \(S_\text{к}\) і площі квадрата \(S_\text{кв},\) обмежених тим самим провідником довжиною \(l:\) $$ \Delta S=S_\text{к}-S_\text{кв}. $$

Довжина кола \(l=2\mathbf{\pi}r,\) де \(r\) ‒ радіус кола. Отже, площа круга, обмежена цим колом, дорівнюватиме $$ S_\text{к}=\mathbf{\pi}r^2=\frac{\mathbf{\pi}l^2}{4\mathbf{\pi}^2}=\frac{l^2}{4\mathbf{\pi}}. $$

Якщо з провідника довжиною \(l\) утворити квадрат, то сторона квадрата дорівнює \(\frac l4,\) а площа \begin{gather*} S_\text{кв}=\left(\frac{l}{4}\right)^2=\frac{l^2}{16}.\\[6pt] \Delta S=S_\text{к}-S_\text{кв}=\frac{l^2}{4\mathbf{\pi}}-\frac{l^2}{16}=l^2\left(\frac{4-\mathbf{\pi}}{16\mathbf{\pi}}\right). \end{gather*}

Обчислімо шукану величину:

Відповідь: 62,5.

ТЕМА: Електродинаміка. Електричний струм у різних середовищах. Магнітне поле, електромагнітна індукція.

Завдання скеровано на перевірку вміння застосовувати теоретичні знання з електродинаміки для пояснення принципу дії відповідних технічних пристроїв.

На взаємодії магнітного поля постійних магнітів компаса з горизонтальним складником магнітного поля Землі заснований принцип дії цього приладу. Вільно обертова магнітна стрілка повертається навколо осі, розташовуючись уздовж силових ліній магнітного поля. Тож стрілка завжди вказує одним кінцем у напрямку ліній магнітної індукції, що йдуть до Південного магнітного (Північного географічного) полюса.

Посудину з високою стійкістю до впливів кислот, лугів і розчинників, у якій відбувається електроліз, називають електролітичною ванною (електролізером). Проходження електричного струму крізь розчин або розплав електроліту зумовлює хімічні реакції на поверхні поділу електрод ‒ розчин (розплав електроліту). Отже, хімічну дію електричного струму спостерігають під час проходження його крізь розчин електроліту в електролітичній ванні.

Електромагнітна індукція ‒ явище створення в просторі вихрового електричного поля змінним магнітним потоком. Один із наслідків електромагнітної індукції, практично важливий для генерації електричного струму, ‒ виникнення електрорушійної сили в провідному контурі, магнітний потік через який змінюється. Саме генератори змінного струму (ГЗС) ‒ це джерела електричної енергії, які створюють електрорушійну силу (ЕРС), що періодично змінюється.

Робота всіх електричних нагрівачів ґрунтується на тепловій дії струму: у таких пристроях енергія електричного струму перетворюється на внутрішню енергію нагрівача. Під час проходження електричного струму спіраль лампи розжарювання сильно нагрівається завдяки тепловій дії струму.

Будь-який напівпровідниковий діод складений із двох контактних напівпровідникових ділянок із різними типами провідності ‒ електронною і дірковою; до кожної ділянки приєднано виводи. Основна властивість напівпровідникового діода ‒ пропускати електричний струм переважно в одному напрямку.

Відповідь: 1Б, 2Г, 3А, 4В.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Явище електромагнітної індукції.

Завдання скеровано на перевірку розуміння виникнення індукційного струму.

Розглянутий у завданні дослід є одним із сучасних варіантів дослідів Майкла Фарадея, завдяки яким він дійшов висновку: у замкненому провідному контурі (котушці) виникає електричний струм, якщо кількість ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену контуром, змінюється. Це явище було названо електромагнітною індукцією, а електричний струм, який під час цього виникає, ‒ індукційним (наведеним) струмом.

У цьому досліді, як зображено на схематичному рисунку, ліву котушку через вимикач приєднано до джерела струму, а праву котушку замкнено на гальванометр. Якщо розмикати чи замикати коло лівої котушки, то в правій котушці виникне індукційний струм.

Кількість ліній магнітної індукції, що пронизують певну поверхню, характеризують фізичною величиною – потоком магнітної індукції або магнітним потоком. Магнітний потік максимальний, якщо поверхня, яку пронизують лінії магнітної індукції, перпендикулярна до цих ліній.

Лінії магнітної індукції магнітного поля найщільніше розташовані біля полюсів котушки і проходять перпендикулярно до площини перерізу котушки (див. рисунок). Тобто найбільша кількість ліній магнітної індукції пройде крізь котушку з гальванометром, коли осі котушок збігатимуться, як це зображено на рисунку у варіанті відповіді Г.

Відповідь: Г.

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.

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

Завдання скеровано на перевірку вміння розрахувати енергію магнітного поля.

Енергію \(W_\text{маг}\) магнітного поля можна обчислити за формулою $$ W_\text{маг}=\frac{LI^2}{2}, $$ де \(L\) – індуктивність котушки, \(I\) ‒ сила струму.

$$ W_\text{маг}=\frac{3\ \text{Гн}\cdot 0,5^2\ \text{А}^2}{2}=0,375\ \text{Дж}. $$

Відповідь: 0,375.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Магнітний потік. Закон електромагнітної індукції.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати розрахункові задачі з визначення магнітного потоку й електрорушійної сили індукції.

1. Зміна потоку магнітної індукції (магнітного потоку) \(\text{Φ}\) дорівнює добутку зміни магнітної індукції \(B,\) площі \(S\) поверхні й косинуса кута \(\mathbf{\alpha}\) між вектором магнітної індукції і нормаллю \(n\) до поверхні, обмеженої контуром, тобто до площини, яку обмежує квадратна рамка: $$ \Delta\text{Φ}=\Delta BS\cos\mathbf{\alpha}. $$

За умовою вектор магнітної індукції перпендикулярний до площини рамки \(\overrightarrow{B}\perp S,\) тож кут \(\mathbf{\alpha}\) між вектором магнітної індукції та нормаллю (перпендикуляром) до площини рамки дорівнює \(0^\circ\ (\overrightarrow{B}\ ||\ n),\ \cos\mathbf{\alpha}=\cos 0^\circ=1.\)

Обчислімо зміну магнітного потоку:

Відповідь: 0,1.

2. За законом електромагнітної індукції електрорушійна сила індукції \(\mathbf{\varepsilon}_i\) дорівнює швидкості зміни магнітного потоку \(\Delta\text{Φ},\) який пронизує поверхню, обмежену контуром \((\Delta t\ ‒\ \text{проміжок часу}):\) $$ \mathbf{\varepsilon}_i=\left |-\frac{\Delta\text{Φ}}{\Delta t}\right |. $$

(Знак «мінус» відображає правило Ленца для визначення напрямку індукційного струму.)

Обчислімо ЕРС індукції: $$ \mathbf{\varepsilon}_i=\frac{0,1\cdot 10^{-3}\ \text{Вб}}{2\cdot 10^{-3}\ \text{с}}=0,05\ \text{В}. $$

Відповідь: \(0,05.\)

Відповідь: 1. 0,1. 2. 0,05.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика.

Завдання скеровано на перевірку розуміння і застосування механічних й електромагнітних явищ.

Виникнення вихрового електричного поля або електричної поляризації провідника під час зміни магнітного поля або під час руху провідника в магнітному полі називають електромагнітною індукцією. Важливим наслідком електромагнітної індукції для генерування електричного струму є виникнення електрорушійної сили в провідному контурі, магнітний потік через який змінюється.

Період \(T\) коливань математичного маятника не залежить від маси маятника, а лише від довжини \(l\) нитки та прискорення \(g\) вільного падіння в тому місці, де розташований цей маятник: $$ T=2\mathbf{\pi}=\sqrt{\frac lg}. $$

Тому, вимірявши довжину нитки й період коливань маятника, можна визначити прискорення вільного падіння в певній місцевості.

У радіолокації використовують ультракороткі електромагнітні хвилі частотою від \(100\) до \(1000\ \text{МГц}.\) У радіолокаційному пристрої радарі є передавальна та приймальна частини. Імпульс гостронапрямленої радіохвилі від потужного радіопередавача пересилають за допомогою параболічної антени. Досягнувши цілі, радіохвиля відбивається від неї та повертається назад. Відбиту хвилю, уловлену тією самою антеною, реєструє приймач.

Просвітлення оптики ‒ збільшення прозорості деталей оптичних систем (лінз, оптичних призм) нанесенням на їхні поверхні тонкого шару діелектрика (або кількох шарів) із показником заломлення, меншим, ніж у матеріалу оптичної деталі. Просвітлення оптики ‒ результат інтерференції світла, яке відбивається від передньої та задньої границь цього шару (просвітлювальної плівки). За належного добору речовини й товщини плівки для певного кута падіння відбиті світлові хвилі певної довжини можуть повністю погасити одна одну.

Відповідь: 1В, 2Б, 3Д, 4Г.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція.

Завдання скеровано на перевірку знання формул, за якими визначають фізичні величини.

Електрорушійну силу індукції, що виникає в провіднику внаслідок зміни його власного магнітного поля, називають ектрорушійною силою (ЕРС) самоіндукції \(\mathbf{\varepsilon}_{is}.\)

ЕРС самоіндукції \(\mathbf{\varepsilon}_{is}\) прямо пропорційна швидкості зміни сили струму \(I\) в провіднику за час \(t:\) $$ \mathbf{\varepsilon}_{is}=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}. $$

Коефіцієнт пропорційності \(L\) називають індуктивністю провідника.

Потік магнітної індукції (магнітний потік) \(\boldsymbol{\mathrm{Ф}}\) ‒ це фізична величина, яка дорівнює добуткові магнітної індукції \(B,\) площі \(S\) поверхні й косинуса кута \(\mathbf{\alpha}\) між вектором магнітної індукції та нормаллю до поверхні: $$ \boldsymbol{\mathrm{Ф}}=BS\cos\mathbf{\alpha}. $$

Силу, із якою магнітне поле діє на рухому заряджену частинку, називають силою Лоренца: $$ F_\text{Л}=Bv|q|\sin\mathbf{\alpha}, $$ де \(F_\text{Л}\) ‒ модуль сили Лоренца, \(q\) ‒ заряд частинки, \(B\) ‒ магнітна індукція поля, \(v\) ‒ швидкість руху частинки, \(\mathbf{\alpha}\) ‒ кут між напрямками руху частинки й магнітної індукції магнітного поля.

Сила Ампера \(F_\text{А}\) ‒ це сила, із якою магнітне поле діє на провідник зі струмом. Якщо провідник прямолінійний, а магнітне поле, у якому він перебуває, однорідне, то модуль сили Ампера визначають за формулою $$ F_\text{А}=BIl\sin\mathbf{\alpha}, $$ де \(B\) ‒ магнітна індукція поля, у якому перебуває провідник; \(I\) ‒ сила струму в провіднику; \(l\) ‒ довжина активної частини провідника; \(\mathbf{\alpha}\) ‒ кут між вектором магнітної індукції та напрямком струму.

Відповідь: 1Г, 2А, 3Д, 4В.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Сила Лоренца.

Завдання скеровано на перевірку розуміння руху зарядженої частинки під дією магнітного поля.

Силу, з якою магнітне поле діє на рухому заряджену частинку, називають силою Лоренца \(\overrightarrow{F}_\text{Л}.\) Сила Лоренца завжди перпендикулярна до швидкості руху частинки, тому вона не виконує роботу і не змінює кінетичну енергію частинки. Тобто під дією сили Лоренца заряджена частинка рухається рівномірно. Траєкторія руху частинки залежить від величини кута, під яким частинка влетіла в магнітне поле. Також на траєкторію руху частинки впливає однорідність магнітного поля.

За умовою магнітне поле є однорідним. Частинка влітає в магнітне поле під деяким кутом \(\mathbf{\alpha}\) до ліній магнітної індукції \(\overrightarrow{B},\) а саме під кутом \(30^\circ .\)

У цьому разі швидкість \(\overrightarrow{v}\) руху частинки можна розкласти на два складники. Перший – швидкість \(\overrightarrow{v}_{||}\) паралельна лініям магнітної індукції поля, вона забезпечує рух частинки вздовж цих ліній. Другий складник – перпендикулярна до ліній магнітної індукції поля швидкість \(\overrightarrow{v}_\perp,\) поле змушує частинку рухатися по колу. Тому траєкторія руху частинки – гвинтова лінія.

Відповідь: B.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Магнітний потік. Закон електромагнітної індукції.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття індукційного струму, електрорушійної сили (ЕРС) індукції, магнітного потоку й уміння застосувати аналітичні зв'язки між цими поняттями.

Силу індукційного струму \(I_\text{i}\) в контурі опором \(R\) визначають за законом Ома: $$ I_\text{i}=\frac{\mathbf{\varepsilon}_\text{i}}{R}. $$

За законом електромагнітної індукції визначімо електрорушійну силу (ЕРС) індукції \(\mathbf{\varepsilon}_\text{i}.\) ЕРС індукції дорівнює швидкості зміни магнітного потоку \(\text{Ф},\) який пронизує поверхню, обмежену контуром: $$ \mathbf{\varepsilon}_\text{i}=-\frac{\Delta \text{Ф}}{\Delta t}. $$

Знак мінус відображає правило Ленца: індукційний струм, який виникає в замкненому провідному контурі, має такий напрямок, що створений цим струмом магнітний потік перешкоджає зміні магнітного потоку, який спричинив появу індукційного струму.

Потік магнітної індукції (магнітний потік) \(\text{Ф}\) ‒ це фізична величина, яка дорівнює добуткові магнітної індукції \(B\) на площу \(S\) поверхні та на косинус кута \(\mathbf{\alpha}\) між вектором магнітної індукції і нормаллю \(n\) до поверхні: $$ \text{Ф}=BS\cos\mathbf{\alpha}. $$

В умові кут між вектором магнітної індукції й горизонтом \(\mathbf{\varphi}=30^\circ .\) Тоді кут $$ \mathbf{\alpha}=90^\circ-\mathbf{\varphi}=90^\circ-30^\circ=60^\circ, $$ оскільки нормаль \(n\) ‒ це перпендикуляр до поверхні.

За умовою завдання магнітне поле, у якому перебуває контур (горизонтальне кільце), змінюється, тому маємо: $$ \mathbf{\varepsilon}_\text{i}=\frac{\Delta BS\cos\mathbf{\alpha}}{\Delta t}. $$

Тоді силу індукційного струму \(I_\text{i}\) в контурі можна визначити за формулою

Відповідь: 0,6.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Магнітний потік.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння фізичного змісту фізичних величин, які визначають магнітний потік.

Потік магнітної індукції (магнітний потік) \(\text{Ф}\) ‒ це фізична величина, яка дорівнює добуткові магнітної індукції \(B\) на площу \(S\) поверхні та на косинус кута \(\mathbf{\alpha}\) між вектором магнітної індукції і нормаллю до поверхні: $$ \text{Ф}=BS\cos\mathbf{\alpha}. $$

Одиниця магнітного потоку в SІ ‒ вебер (названо на честь В. Вебера (1804‒1891), німецького фізика): $$ [\text{Ф}]=1\ \text{Вб (Wb)}. $$

\(1\) вебер ‒ це максимальний магнітний потік, який створюється магнітним полем індукцією \(1\) тесла через поверхню площею \(1\) метр квадратний: $$ 1\ \text{Вб}=1\ \text{Тл}\cdot \ \text{м}^2. $$

Одиниця магнітної індукції в SІ ‒ тесла (названо на честь Ніколи Тесли (1856–1943), сербського фізика).

\(1\) тесла ‒ це магнітна індукція \((B)\) такого однорідного магнітного поля, яке діє з максимальною силою \((F_\text{Amax})\ 1\) ньютон на провідник завдовжки \((l)\ 1\) метр, сила струму \((I)\) в якому \(1\) ампер: \begin{gather*} B=\frac{F_\text{Amax}}{Il},\\[6pt] [B]=1\ \text{Тл}=1\frac{\text{Н}}{\text{А}\cdot\text{м}}. \end{gather*}

Отже,

Метр і ампер ‒ це основні одиниці SI. Виразімо ще ньютон через основні одиниці SI.

Ньютон ‒ одиниця сили в SІ: \(1\) ньютон \((\text{Н})\) дорівнює силі, яка, діючи на тіло масою \(1\ \text{кг,}\) надає йому прискорення \(1\ \text{м/с}^2:\) $$ 1\ \text{Н}=1\ \text{кг}\cdot 1\ \text{м/с}^2. $$

Кілограм і секунда ‒ теж основні одиниці SI. Тож тепер остаточно запишімо одиницю магнітного потоку через основні одиниці SI:

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція.

Завдання скеровано на перевірку знання одиниць фізичних величин із розділу «Магнітне поле, електромагнітна індукція».

Одиниця магнітної індукції \((B)\) у Міжнародній системі одиниць SI − тесла (Тл), названа на честь сербського фізика Ніколи Тесли (1856–1943): $$ B=\frac{F_\text{Ампера}}{Il}\Rightarrow [B]=1\frac{\text{Н}}{\text{А}\cdot \text{м}}=1\ \text{Тл}. $$

1 тесла − це магнітна індукція такого однорідного магнітного поля, яке діє з максимальною силою \((F_\text{Ампера})\) \(1\) ньютон на провідник завдовжки \((l)\) \(1\) метр, сила струму \((I)\) в якому \(1\) ампер.

Одиниця магнітного потоку \((\text{Ф})\) у SI − вебер (Вб), названа на честь німецького фізика В. Вебера (1864−1920):

1 вебер − це максимальний магнітний потік, який створюється магнітним полем індукцією \((B)\) \(1\) тесла через поверхню площею \((S)\) \(1\) метр квадратний.

Одиниця індуктивності \((L)\) в SI – генрі (Гн), названа на честь американського фізика Джозефа Генрі (1797–1878):

Індуктивність провідника дорівнює 1 генрі, якщо в ньому виникає ЕРС самоіндукції \(\mathbf{\varepsilon}_{\text{is}}\) \(1\) В у разі зміни сили струму \((\Delta I)\) на \(1\) А за час \((\Delta t)\) \(1\) с.

Одиниця електрорушійної сили (ЕРС) індукції \((\mathbf{\varepsilon}_i)\) в SI – вольт (В), названа на честь італійського фізика Алессандро Вольта (1745–1827): $$ \mathbf{\varepsilon}_i=\frac{\mathrm{A}_\text{ст}}{q}\Rightarrow [\mathbf{\varepsilon}_i]=1\ \frac{\text{Дж}}{Кл}=1\ \text{В}. $$

Електрорушійна сила індукції (ЕРС індукції) дорівнює \(1\) вольт, якщо сторонніми силами виконана робота \((\mathrm{A}_\text{ст})\) \(1\) Дж із переміщення одиничного позитивного заряду \((q)\) \(1\) Кл.

Відповідь: 1Б, 2В, 3Д, 4Г.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Сила Лоренца.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння дії магнітного поля на рух зарядженої частинки в магнітному полі.

Сила Лоренца завжди перпендикулярна до швидкості руху частинки, тому вона не виконує роботу і не змінює кінетичну енергію частинки, бо під дією сили Лоренца заряджена частинка рухається рівномірно. Проте траєкторія руху частинки буде різною ‒ залежно від того, під яким кутом частинка влетіла в магнітне поле і чи є магнітне поле однорідним.

За умовою електрон влітає в однорідне магнітне поле зі швидкістю, паралельною до вектора магнітної індукції (див. рисунок).

У цьому разі кут \(\mathbf{\alpha}\) між вектором швидкості \(\overrightarrow{v}\) і вектором магнітної індукції \(\overrightarrow{B}\) дорівнює нулю \((\text{або}\ 180^\circ).\) Оскільки \(\sin\mathbf{\alpha}=0,\) то дорівнює нулю і сила Лоренца: $$ F_\text{Л}=|q|Bv\sin\mathbf{\alpha}=0. $$

Отже, магнітне поле не діє на електрон, тому, якщо немає інших сил, електрон рухатиметься рівномірно прямолінійно вздовж ліній магнітної індукції і траєкторією руху електрона буде пряма лінія.

Відповідь: A.

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Напруженість електричного поля. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Сила Лоренца.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння руху зарядженої частинки в електромагнітному полі і вміння застосувати відповідні формули.

На частинку, яка має заряд \(q\) і рухається в електромагнітному полі зі швидкістю \(\overrightarrow{v},\) діє зведена сила Лоренца \(\overrightarrow{F},\) яку можна визначити за формулою: \begin{gather*} \overrightarrow{F}=\overrightarrow{F}_\text{ел}+\overrightarrow{F}_\text{Л}, \end{gather*} де \(\overrightarrow{F}_\text{ел}=q\overrightarrow{E}\) ‒ електричний складник зведеної сили Лоренца; \(F_\text{Л}=|q|Bv\sin\mathbf{\alpha}\) ‒ магнітний складник зведеної сили Лоренца.

За умовою електрон рухається прямолінійно рівномірно. Це відбудеться у разі, коли сили, що діють на частинку, будуть скомпенсовані (\(F=0,\) відповідно прискорення \(a=0\)): $$ \overrightarrow{F}_\text{ел}=-\overrightarrow{F}_\text{Л}. $$

Зобразімо електрон і позначмо сили, що діють на нього.

Тепер впевнімося, що електричне і магнітне поля дійсно взаємно перпендикулярні. Поля характеризує вектор напруженості \(\overrightarrow{E}\) і вектор магнітної індукції \(\overrightarrow{B}\) відповідно. З’ясуймо, як вони напрямлені.

Якщо ми зобразили вектор сили Лоренца \(\overrightarrow{F}_\text{Л}\) вертикально вниз, то за правилом лівої руки великий палець, відігнутий на \(90^\circ,\) напрямлений вертикально вниз, чотири пальці ‒ ліворуч (протилежно до напрямку руху негативно зарядженої частинки), отже, долоня буде розміщена у площині рисунка до вас. Тоді лінії магнітної індукції входитимуть у долоню, тобто перпендикулярно до площини рисунка від вас (на рисунку позначено хрестиком ×).

Сила \(\overrightarrow{F}_\text{ел},\) з якою діє електричне поле на електрон, напрямлена вгору, протилежно до сили \(\overrightarrow{F}_\text{Л}\) магнітного поля. За напрямок вектора напруженості \(\overrightarrow{E}\) в точці електричного поля беруть напрямок сили, яка діяла б на пробний позитивний заряд, якби він був поміщений у цю точку поля. В умові йдеться про негативно заряджену частинку ‒ електрон, тому вектор напруженості буде напрямлений протилежно до напрямку сили:

Отже, вектори полів дійсно взаємно перпендикулярні: $$ \overrightarrow{B}\perp \overrightarrow{E}. $$

Повернімося до рівності сил: \begin{gather*} F_\text{ел}=F_\text{Л},\\[7pt] qE=|q|Bv\sin\mathbf{\alpha}, \end{gather*} де \(q\) ‒ заряд електрона, \(\sin\mathbf{\alpha}=\sin 90^\circ=1\) ‒ синус кута між вектором швидкості руху електрона і вектором магнітної індукції.

Виразімо й обчислімо шукану величину ‒ швидкість руху електрона:

Відповідь: 1000.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Індуктивність.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння фізичного змісту індуктивності.

Індуктивність \(L\) ‒ фізична величина, яка характеризує провідник і чисельно дорівнює ЕРС самоіндукції \(\mathbf{\varepsilon}_{is},\) що виникає в провіднику в разі зміни сили струму \(\Delta I\) на \(1\) ампер за \(1\) секунду: $$ L=\frac{|\mathbf{\varepsilon}_{is}|}{|\Delta I|/\Delta t}. $$

Одиниця індуктивності в SІ ‒ генрі: $$ [L]=1\ \text{Гн (Н)}; $$ названа на честь американського фізика Джозефа Генрі (1797–1878), який 1831 р. відкрив явище самоіндукції. Індуктивність провідника дорівнює \(1\) генрі, якщо в ньому виникає ЕРС самоіндукції \(1\ \text{В}\) у разі зміни сили струму на \(1\ \text{А}\) за \(1\ \text{с:}\) $$ 1\ \text{Гн}=\frac{1\ \text{В}}{1\ \text{А/с}}. $$

Одиниця сили струму ампер (А) і одиниця часу секунда (с) є одиницями SI.

Розпишімо одиницю електрорушійної сили самоіндукції ‒ вольт (В) ‒ через одиниці SI:

Виразимо одиницю індуктивності через основні одиниці SI:

Відповідь: A.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння фізичних величин, що характеризують магнітне поле.

1. За визначенням кількість ліній магнітної індукції, що пронизують виділену в магнітному полі рамку, характеризує фізична величина, яку називають потік магнітної індукції або магнітний потік − В.

2. Фізичну величину, яка характеризує магнітні властивості середовища і дорівнює відношенню магнітної індукції магнітного поля в середовищі до магнітної індукції магнітного поля у вакуумі, називають відносною магнітною проникністю середовища – Г.

3. Фізична величина, яка характеризує провідник і чисельно дорівнює ЕРС (електрорушійній силі) самоіндукції, що виникає в провіднику в разі зміни сили струму на \(1\ \text{А}\) за \(1\ \text{с},\) називається індуктивністю − А.

4. Моментом сили, яка діє на рамку площею \(1\ \text{м}^2\) під час проходження в ній струму \(1\ \text{А}\) визначена магнітна індукція – Б.

Відповідь: 1В, 2Г, 3А, 4Б.

ТЕМА: Електромагнетизм. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Магнітний потік.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння фізичного змісту магнітного потоку і фізичних величин, від яких він залежить.

Потік магнітної індукції (магнітний потік) \(\textbf{Ф}\) ‒ це фізична величина, яка дорівнює добуткові магнітної індукції \(B\) на площу \(S\) поверхні та на косинус кута \(\mathbf{\alpha}\) між вектором магнітної індукції і нормаллю до поверхні: $$ \textbf{Ф}=BS\cos \mathbf{\alpha}. $$

За умовою магнітне поле є однорідним і незмінним, тому його силова характеристика магнітна індукція також залишається незмінною під час повороту контуру навколо його сторони. І площа поверхні, обмежена контуром, також не змінюється під час повороту.

Магнітний потік буде максимальним, якщо поверхня перпендикулярна до ліній магнітної індукції:

Нормаль \(n,\) проведена до поверхні, що обмежує контур, утворює кут \(\mathbf{\alpha}\) з вектором магнітної індукції \(\overrightarrow{B}:\)

Отже, для того, щоб магнітний потік зменшився вдвоє, треба контур повернути навколо його сторони на кут \(60^\circ.\)

Відповідь: B.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Правило Ленца.

Завдання скеровано на перевірку розуміння індукційного струму, взаємодії створеного ним магнітного поля з магнітним полем, що викликало цей струм.

Модель із кільцями, використана в завданні, дуже схожа на пристрій, сконструйований Емілем Ленцем для демонстрації однойменного правила. Але в пристрої «Кільця Ленца» одне кільце розрізане.

Якщо наближати магніт до суцільного кільця, то в кільці виникне індукційний струм \(I_i.\) Цей струм створить біля кільця магнітне поле \(\overrightarrow{B}_i,\) напрямлене проти зовнішнього поля \(\overrightarrow{B},\) тому кільце відштовхнеться від магніту.

Якщо магніт віддаляти від суцільного кільця, то кільце притягуватиметься до магніту.

У розрізаному кільці індукційний струм не міг виникнути, бо кільце не замкнене. А в моделі, про яку йдеться в умові завдання, друге кільце суцільне. Але в ньому також не може виникнути індукційний струм. Адже до другого кільця магніт не наближають, із першим кільцем воно з’єднане дерев’яним стержнем, а дерево – це діелектрик.

Отже, унаслідок унесення в кільце штабового магніту (тобто наближення магніту) кільце рухатиметься за напрямком стрілки – відштовхуватиметься від магніту.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Електродинаміка. Робота поля з переміщення заряду.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння загального поняття роботи у фізиці, а також вміння визначати, від яких параметрів залежить робота різних полів.

Робота у фізиці – характеристика дії сили на тіло, що залежить від величини й напрямку цієї сили та переміщення точки її прикладання.

Запишімо загальну формулу роботи сили. Робота сили дорівнює добутку модуля сили \(F,\) модуля переміщення \(s\) і косинуса кута \(\mathbf{\alpha}\) між вектором сили й вектором переміщення: $$ A=Fs\cos\mathbf{\alpha}. $$

1. Вихрове електричне поле. Змінне магнітне поле завжди супроводжується появою вихрового електричного поля. Саме вихрове електричне поле діє на вільні заряджені частинки в провіднику й надає їм напрямленого руху, створюючи індукційний струм.

Робота вихрового електричного поля на замкненій траєкторії зазвичай не дорівнює нулю.

Робота вихрового електричного поля з переміщення одиничного позитивного заряду по замкнутому нерухомому провіднику чисельно дорівнює ЕРС індукції в цьому провіднику.

2. Електричне поле – форма матерії, яка існує навколо заряджених тіл і виявляється в дії з деякою силою на заряджене тіло, що перебуває в цьому полі.

Електричне поле є складником єдиного електромагнітного поля. Джерелами електричного поля можуть бути рухомі й нерухомі електричні заряди та змінні магнітні поля.

Електричне поле, створене лише нерухомими зарядами, є незмінним у часі (статичним). Таке поле називають електростатичним.

Нехай в однорідному електричному полі напруженістю \(\overrightarrow{E}\) позитивний точковий заряд \(q\) переміщується з точки \(1\) з координатою \(x_1\) у точку \(2\) з координатою \(x_2\) (див. рисунок). Обчислімо роботу \(A,\) яку виконує сила \(\overrightarrow{F},\) що діє на заряд з боку електростатичного поля.

За означенням роботи: $$ A=Fs\cos\mathbf{\alpha}. $$

Поле однорідне, тому сила \(\overrightarrow{F}\) є незмінною, її модуль дорівнює: $$ F=qE, $$ а \(s\cos\mathbf{\alpha}=x_2-x_1\) є проєкцією вектора переміщення на напрямок силових ліній поля.

Отже, робота сил однорідного електростатичного поля в ході переміщення електричного заряду \(q\) із точки \(1\) у точку \(2\ (A_{1\rightarrow 2})\) дорівнює:

Формула \(A_{1\rightarrow 2}=qEd\) справджуватиметься у випадках руху заряду будь-якою траєкторією. Тобто однорідне електростатичне поле є потенціальним. Потенціальним є будь-яке електростатичне поле: робота електростатичних (кулонівських) сил (як і робота гравітаційних сил) не залежить від форми траєкторії, якою переміщується заряд, а визначається початковим і кінцевим положеннями заряду (Б). У випадку замкненої траєкторії руху заряду робота сил поля дорівнює нулю.

3. Гравітаційне поле існує навколо будь-якого тіла і виявляється у взаємному притяганні тіл одне до одного. Визначити силу \(F\) гравітаційної взаємодії можна за законом всесвітнього тяжіння: $$ F=G\frac{m_1m_2}{r^2}, $$ де \(m_1\) – маса одного тіла, \(m_2\) – маса другого тіла, \(r\) – відстань між тілами, \(G\) – гравітаційна стала.

Отже, сила, а значить, і робота гравітаційного поля залежатиме від маси частинки, не залежатиме від форми траєкторії, але від відстані (переміщення) залежатиме, тобто від положення початкової та кінцевої точок руху частинки (Г).

4. Магнітне поле – складник електромагнітного поля, основною властивістю якої є дія на рухомі заряджені частинки. Силова характеристика магнітного поля – вектор магнітної індукції \(\overrightarrow{B}.\) Сила, з якою магнітне поле діє на частинку (сила Лоренца \(F_\text{Л}\)), прямо пропорційна заряду \(q\) і швидкості \(v\) руху частинки: $$ F_\text{Л}=qBv\sin\mathbf{\alpha}, $$ де \(\mathbf{\alpha}\) – кут між напрямком руху частинки й напрямком магнітної індукції магнітного поля. Напрямок сили Лоренца визначають за правилом лівої руки: лінії магнітної індукції «ловимо» в долоню, чотири витягнуті пальці спрямовуємо за напрямком руху позитивно зарядженої частинки (або протилежно до руху негативно зарядженої), і тоді відігнутий на \(90^\circ\) великий палець укаже напрямок сили Лоренца (див. рисунок).

Тобто, ця сила напрямлена перпендикулярно до швидкості руху заряду й напрямку магнітного поля. А напрямок швидкості руху тіла збігається з напрямком його переміщення. Через це робота, що її виконує магнітне поле над частинкою, дорівнює нулю: $$ \cos90^\circ=0\Rightarrow A=Fs\cos\mathbf{\alpha}=0. $$

Відповідь: 1Д, 2Б, 3Г, 4А.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Магнітний потік. Закон електромагнітної індукції.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння виникнення індукційного струму в рамці під дією магнітного поля, уміння чисельно його описати.

Під час обертання замкнутої рамки в магнітному полі у ній збуджується індукційне електричне поле, електрорушійна сила \(\mathbf{\varepsilon}\) якого згідно із законом електромагнітної індукції дорівнює: $$ \mathbf{\varepsilon}_i=-\frac{\Delta \text{Ф}}{\Delta t}. $$

Зміна магнітного потоку \(\Delta \text{Ф}\) за час \(\Delta t\) обертання рамки на кут \(180^\circ\) дорівнюватиме:

де \(B=\mathrm{const}\) ‒ магнітна індукція, магнітне поле однорідне; \(S=\mathrm{const}\) ‒ площа поверхні, обмежена рамкою, яка під час обертання не деформується; \(\mathbf{\alpha}\) ‒ кут між вектором нормалі \(\ \overrightarrow{n}\) до площини рамки й вектором магнітної індукції \(\overrightarrow{B}.\)

За умовою \(\mathbf{\alpha}_1=0\) (рамка лежить горизонтально, а магнітне поле вертикальне). Тоді

З іншого боку, сила індукційного струму \(I\) в рамці дорівнює: $$ I=\frac{\Delta q}{\Delta t}, $$ де \(\Delta q\) ‒ електричний заряд, що пройшов у рамці за проміжок часу \(\Delta t.\)

Звідси $$ \Delta q=I\Delta t. $$

Отже, зваживши ще й на закон Ома (\(I=\frac{\mathbf{\varepsilon}_i}{R},\ R\) ‒ опір рамки), отримаємо формулу для обчислення заряду в рамці, яку повернули на \(180^\circ\) навколо однієї сторони:

Відповідь: Г.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Сила Лоренца.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння дії магнітного поля на рух зарядженої частинки в магнітному полі.

Сила Лоренца завжди перпендикулярна до швидкості руху частинки, тому вона не виконує роботу і не змінює кінетичну енергію частинки, бо під дією сили Лоренца заряджена частинка рухається рівномірно. Проте траєкторія руху частинки буде різною ‒ залежно від того, під яким кутом частинка влетіла в магнітне поле і чи є магнітне поле однорідним.

За умовою електрон влітає в однорідне магнітне поле зі швидкістю, паралельною до вектора магнітної індукції (див. рисунок).

У цьому разі кут \(\mathbf{\alpha}\) між вектором швидкості \(\overrightarrow{v}\) і вектором магнітної індукції \(\overrightarrow{B}\) дорівнює нулю (або \(180^\circ\)). Оскільки \(\sin \mathbf{\alpha}=0,\) то дорівнює нулю і сила Лоренца: $$ F_\text{Л}=|q|Bv\sin\mathbf{\alpha}=0. $$

Отже, магнітне поле не діє на електрон, тому, якщо немає інших сил, електрон рухатиметься рівномірно прямолінійно вздовж ліній магнітної індукції і траєкторією руху електрона буде пряма лінія.

Відповідь: A.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Електромагнітні коливання і хвилі. Перетворення енергії в коливальному контурі.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння принципу будови коливального контуру, і вміння проаналізувати перетворення енергії в цьому контурі.

Після замикання ключа конденсатор заряджатиметься. У той момент, коли його заряд стане максимальним, струм на цій ділянці припиниться. Отже, коли ключ замкнуто, то електричний струм тече через котушку й резистор, а на конденсаторі буде тільки спад напруги (струм крізь нього не тече). На котушці не буде спаду напруги, а струм, що тече через котушку, дорівнюватиме струму, що тече через резистор. Обчислімо силу струму \(I\) в колі з резистором і котушкою до розмикання ключа: $$ I=\frac{\mathbf{\varepsilon}}{R+r}, $$ де \(\mathbf{\varepsilon}\) ‒ електрорушійна сила джерела струму, \(R\) ‒ опір резистора, \(r\) ‒ внутрішній опір джерела струму. $$ I=\frac{10\mathord{,}01\ \text{В}}{1000\ \text{Ом}+1\ \text{Ом}}=0\mathord{,}01\ \text{А}. $$

Обчислімо спад напруги на конденсаторі до розмикання ключа: $$ U_C=U_R+U_L\approx U_R, $$ тому що в котушці протікає постійний струм. А тому індуктивний опір \(X_L\) її дорівнює: $$ X_L=\mathbf{\omega}L=0\cdot L=0, $$ де \(\mathbf{\omega}\) ‒ циклічна частота змінного струму, \(L\) ‒ індуктивність котушки.

Отже,

Після розмикання ключа конденсатор розряджатиметься на котушці й резисторі. Тобто виникнуть згасні (бо є резистор) електромагнітні коливання.

У початковий момент, після розмикання ключа, енергія коливань ‒ це накопичена енергія конденсатором і котушкою. Із закону збереження енергії очевидно, що вся енергія, яку має коливальний контур до розмикання ключа, перетвориться на тепло.

Визначмо кількість теплоти, яка виділяється на резисторі за час існування змінного струму в колі \(C-L-R\) (доки не згаснуть електромагнітні коливання в цьому коливальному контурі). У кінцевому випадку конденсатор після кількох заряджань і розряджань буде розрядженим, а в котушці струм зникне: \begin{gather*} W_\text{ел}+W_\text{маг}=Q,\\[6pt] Q=\frac{CU_C^2}{2}+\frac{LI^2}{2}. \end{gather*}

Обчислімо шукану кількість теплоти:

Відповідь: Б.