Завдання за темою з фізики

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електроємність.

Завдання скеровано на перевірку розуміння поняття електроємності провідника.

Електроємність характеризує здатність провідників або системи з кількох провідників накопичувати електричний заряд.

Електроємність провідника – це властивість провідного тіла, яка залежить від його розмірів, форми, навколишнього середовища, розташування інших провідників і характеризує пряму пропорційну залежність між зарядом тіла та потенціалом його поверхні.

Отже, правильна відповідь ‒ А.

Відповідь: A.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Зв’язок між напругою і напруженістю однорідного електричного поля.

Завдання скеровано на перевірку розуміння зв’язку між напругою і напруженістю однорідного електричного поля, уміння визначати напругу між точками поля.

Картину силових ліній електричного поля, створеного системою двох пластин, заряди яких рівні за модулем і протилежні за знаком, зображено на рисунку. Синіми стрілками позначено напрямки векторів напруженості. Між пластинами поле однорідне, тому що вектори напруженості між ними однакові.

Повернімо на \(90^\circ\) проти годинникової стрілки систему пластин. Скористаймося формулою, що пов’язує напругу \(U,\) напруженість \(E\) і проєкцією \(d\) вектора, який з’єднує точки поля 1 і 2, на напрямок силових ліній поля (див. рисунок): $$ U=Ed. $$

За умовою напруга між пластинами дорівнює \(40\ \text{В}.\) В умові завдання на рисунку чотири клітинки між пластинами, отже, сторону однієї клітинки вважатимемо одиничним відрізком, який відповідає \(10\ \text{В}.\)

Якщо з’єднати букву Б з буквою А вектором й визначити в уяві його проєкцію на вертикально напрямлену вниз силову лінію, то проєкція дорівнюватиме стороні однієї клітинки, отже, напруга між точками Б і А становитиме \(10\ \text{В:}\) $$ U_\text{БА}=10\ \text{В}. $$

Точки А і Г лежать на одній горизонтальній прямій, тому вектор, яким можна з’єднати їх, проєктується в точку, тобто його проєкція дорівнює нулю. Тому, з огляду на формулу, напруга між точками А і Г теж дорівнюватиме нулю: $$ U_\text{АГ}=0. $$

Проєкція вектора, яким можна з’єднати точки Б і В, відповідає трьом одиничним відрізкам, тож напруга між цими точками дорівнює \(30\ \text{В:}\) $$ U_\text{БВ}=30\ \text{В}. $$

Проєкція вектора, яким можна з’єднати точки Г і В, відповідає двом одиничним відрізкам, тож напруга між цими точками дорівнює \(20\ \text{В:}\) $$ U_\text{ГВ}=20\ \text{В}. $$

Відповідь: 1Б, 2А, 3Г, 4В.

Коментар

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

Завдання скеровано на перевірку розуміння закону збереження електричного заряду й силової характеристики електричного поля ‒ напруженості.

Модуль напруженості \(\overrightarrow{E}\) електричного поля, створеного точковим зарядом \(Q\) на відстані \(r\) від цього заряду, обчислюють за формулою $$ E=k\frac{|Q|}{r^2}, $$ де \(k\) ‒ коефіцієнт пропорційності.

Запишімо формулу для визначення модуля напруженості електричного поля дощової краплі із зарядом \(q_1=+1,5\ \text{нКл}\) на відстані \(10\ \text{см}\) від неї: $$ E_1=k\frac{|q_1|}{r^2}=\frac{1,5k}{r_2}. $$

Визначмо заряд \(Q_2\) краплі, якого вона набуде після злиття з краплею, заряд \(q_2\) якої становив \(-0,5\ \text{нКл.}\)

За законом збереження електричного заряду повний заряд електрично замкненої системи тіл залишається незмінним під час усіх узаємодій, які відбуваються в цій системі: $$ q_1+q_2+\cdots +q_n=const, $$ де \(q_1, q_2, ..., q_n\) ‒ заряди тіл, що створюють електрично замкнену систему (\(n\) ‒ кількість таких тіл).

Тобто

Запишімо формулу для визначення модуля напруженості електричного поля на тій самій відстані \(10\ \text{см}\) після того, як краплі злилися: $$ E_2=k\frac{|Q_2|}{r^2}=\frac{k}{r^2}. $$

Визначмо відношення модулів напруженості: $$ \frac{E_2}{E_1}=\frac{kr^2}{1,5kr^2}=\frac{1}{1,5}. $$

Отже, напруженість \(E_2\) зменшиться в \(1,5\) раза.

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електроємність плоского конденсатора.

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

Електроємність \(C\) плоского конденсатора з двох паралельних металевих пластин (обкладок), розділених шаром діелектрика, обчислюють за формулою $$ C=\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_0S}{d}, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_0\) ‒ електрична стала, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}\) ‒ діелектрична проникність діелектрика, \(S\) ‒ площа пластини конденсатора, \(d\) ‒ відстань між пластинами.

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

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

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

Проаналізуймо зображені графіки. Якщо розглядати конденсатор без діелектрика, то його електроємність відмінна від нуля (як це зображено у варіанті відповіді Б) і має якесь початкове значення $$ C=\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_0S}{d}. $$

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

Тому вміщення діелектрика між пластинами приведе до збільшення електроємності в \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}\) разів: $$ C=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}\cdot \frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_0S}{d}. $$

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

Правильною відповіддю є варіант A (див. рисунок).

Відповідь: A.

Коментар

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

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

Силові лінії поля напрямлені завжди в бік зменшення потенціалу, а порошинка рухається в напрямку, протилежному до напрямку силових ліній електричного поля, отже, потенціал \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_2\) точки, у якій порошинка зупиниться, буде більший за потенціал \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_1\) точки, з якої вона вилітає:

Скористаймося законом збереження енергії порошинки в електричному полі: $$ q\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_1+\frac{mv^2_1}{2}=q\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_2+\frac{mv^2_2}{2}, $$ де вирази \(q\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_1\) і \(q\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_2\) ‒ це потенціальні енергії порошинки в точках поля з певним потенціалом, а вирази \(\frac{mv^2_1}{2}\) і \(\frac{mv^2_2}{2}\) ‒ це кінетичні енергії порошинки в цих точках.

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

Відповідно

Відповідь: 200.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Напруженість електричного поля.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння принципу суперпозиції електричних полів.

Модуль напруженості \(\overrightarrow{E}\) електричного поля, створеного точковим зарядом \(Q\) на відстані \(r\) від цього заряду, обчислюють за формулою $$ E=k\frac{|Q|}{r^2}, $$ де \(k\) ‒ коефіцієнт пропорційності.

Оскільки за умовою є два електричні заряди, то діятиме принцип суперпозиції (накладання) електричних полів: напруженість електричного поля системи зарядів у даній точці простору дорівнює векторній сумі напруженостей полів, які створюються цими зарядами в точці (див. рисунок).

Розглянувши на рисунку в умові завдання взаємне розташування кульок і точок і взявши до уваги, що в кульок \(A\) і \(B\) однакові електричні заряди, можна дійти висновку, що напруженість буде мінімальною, а саме дорівнюватиме нулю в точці \(2.\) Кульки \(A\) і \(B\) по різні боки від точки \(2\) й на однакових відстанях від неї. Отже, вектори напруженості будуть напрямлені протилежно один до одного і в сумі дадуть нуль, оскільки за модулем напруженості (див. формулу вище) однакові.

В усіх інших ситуаціях вектор суми напруженостей відмінний від нуля, тож правильною відповіддю є точка симетрії – точка \(2.\)

Відповідь: Б.

Коментар

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

Завдання скеровано на перевірку вміння обчислювати потужність струму за послідовного з’єднання провідників.

Визначмо спочатку загальну потужність \(P_1\) струму в однакових резисторах опором \(R=10\ \text{Ом}\) кожен. Оскільки за умовою напруга \(U\) на полюсах батареї незмінна, то для визначення потужності \(P_1\) скористаємося такою формулою $$ P_1=\frac{U^2}{R_\text{заг1}}=\frac{U^2}{3R}=\frac{U^2}{30\ \text{Ом}}, $$ де \(R_\text{заг1}\) ‒ загальний опір ділянки електричного кола з трьох послідовно з’єднаних резисторів у першому випадку.

Якщо ж замінити один резистор опором \(R=10\ \text{Ом}\) на резистор опором \(r=4\ \text{Ом},\) то загальну потужність \(P_2\) струму в другому випадку визначатимемо за формулою $$ P_2=\frac{U^2}{R_\text{заг2}}=\frac{U^2}{2R+r}=\frac{U^2}{24\ \text{Ом}}. $$

Для визначення загального опору ділянки кола за послідовного з’єднання провідників (резисторів) їхні опори додають.

Обчислімо, у скільки разів змінилася потужність струму в резисторах: $$ \frac{P_2}{P_1}=\frac{U^2\cdot 30\ \text{Ом}}{24\ \text{Ом}\cdot U^2}=\frac{30}{24}=1,25\ \text{раза}. $$

Отже, потужність струму \(P_2\) збільшилася в \(1,25\) раза.

Відповідь: A.

Коментар

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.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електроємність плоского конденсатора. Енергія електричного поля.

Завдання скеровано на перевірку знання і застосування формул для обчислення електроємності плоского конденсатора й енергії електричного поля конденсатора.

1. Конденсатор, складений із двох паралельних металевих пластин (обкладок), розділених шаром діелектрика, називають плоским. Електроємність \(C\) плоского конденсатора обчислюють за формулою $$ C=\frac{\varepsilon_0\varepsilon S}{d}, $$ де \(\varepsilon_0\) ‒ електрична стала; \(\varepsilon\) ‒ діелектрична проникність діелектрика; \(S\) ‒ площа пластини конденсатора; \(d\) ‒ відстань між пластинами.

Підставмо у формулу значення величин, виражених у системі СІ, й обчислімо електроємність конденсатора:

Відповідь: 45.

2. Заряджений конденсатор має енергію. Цю енергію точніше було б назвати енергією електростатичного поля, яке існує між обкладками зарядженого конденсатора, оскільки енергія будь-яких заряджених тіл зосереджена в електричному полі, створюваному цими тілами.

Отже, обчислімо енергію \(W,\) що виділиться під час розряджання конденсатора. Вона дорівнює половині добутку електроємності \(C\) і квадрата напруги \(U\) на конденсаторі:

Відповідь: 36.

Відповідь: 1. 45. 2. 36.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Закон Кулона. Механіка. Основи динаміки. Рух тіл під дією кількох сил.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати комбіновані задачі з різних розділів фізики.

Запишімо рівняння другого закону Ньютона у векторному вигляді та в проєкціях на осі координат для початкового стану: \begin{gather*} m\overrightarrow{a}=m\overrightarrow{g}+\overrightarrow{T}+\overrightarrow{F}_\text{K},\\[6pt] Ox:\ \ \ 0=-T\sin\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}+F_\text{K},\\[6pt] Oy:\ \ \ 0=-mg+T\cos\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}, \end{gather*} де \(m\) ‒ маса кульки, \(\overrightarrow{a}\) ‒ прискорення руху кульки, \(\overrightarrow{g}\) ‒ прискорення вільного падіння, \(\overrightarrow{T}\) ‒ сила натягу нитки, \(\overrightarrow{F}_\text{K}\) ‒ сила Кулона.

Дістаємо систему рівнянь: $$ \left\{ \begin{array}{l} T=\frac{F_\text{K}}{\sin\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}}\\ mg=T\cos\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2} \end{array} \right. $$

Звідси \begin{gather*} mg=\frac{F_\text{K}\cos\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}}{\sin\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}}=F_\text{K}\mathrm{ctg}\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}. \end{gather*}

Запишімо рівняння другого закону Ньютона у векторному вигляді та в проєкціях на осі координат, коли кульки занурили в гас: \begin{gather*} m\overrightarrow{a}=m\overrightarrow{g}+\overrightarrow{F}_\text{А}+\overrightarrow{T}_\text{г}+\overrightarrow{F}_\text{гК},\\[6pt] Ox:\ \ \ 0=-\overrightarrow{T}_\text{г}\sin\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}+\frac{F_\text{K}}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}},\\[6pt] Oy:\ \ \ 0=-mg+F_\text{А}+T_\text{г}\cos\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}, \end{gather*} де \(\overrightarrow{T}_\text{г}\) ‒ сила натягу нитки в гасі, \(\overrightarrow{F}_\text{гК}\) ‒ сила Кулона, що діє між кульками в гасі, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}\) ‒ діелектрична проникність гасу, \(\overrightarrow{F}_\text{А}\) ‒ сила Архімеда.

Сила Кулона в гасі зміниться від того, що в іншого середовища інша діелектрична проникність. За умовою кут між нитками не змінився після занурення в гас. Тож відстань між кульками не змінилася. Але на кульки в гасі діє сила Архімеда. Узявши до уваги всі ці умови, дістаємо систему рівнянь: $$ \left\{ \begin{array}{l} T_\text{г}=\frac{F_\text{K}}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}\cdot \sin\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}}\\ mg=F_\text{А}+T_\text{г}\cos\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2} \end{array} \right. $$

Звідси

$$ mg=F_\text{А}+\frac{F_\text{K}\cos\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}\sin\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}}=F_\text{А}+\frac{F_\text{К}\mathrm{ctg}\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}}. $$

Складімо систему з отриманих для обох ситуацій рівнянь і розв’яжімо її:

\begin{gather*} \left\{ \begin{array}{l} mg=F_\text{K}\mathrm{ctg}\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}\\ mg=F_\text{А}+\frac{F_\text{K}\mathrm{ctg}\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}} \end{array} \right. \\[6pt] mg=F_\text{А}+\frac{F_\text{K}\mathrm{ctg}\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}}{2}}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}}=F_\text{А}+\frac{mg}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}},\\[6pt] \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}_\text{к}V_\text{к}g=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}_\text{г}gV_\text{к}+\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}_\text{к}V_\text{к}g}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}}, \end{gather*}

де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}_\text{к}\) ‒ густина матеріалу кульок, \(V_\text{к}\) ‒ об’єм кульки, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}_\text{г}\) ‒ густина гасу.

Тобто \begin{gather*} \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}_\text{к}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}_\text{г}+\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}_\text{к}}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}},\\[6pt] \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}_\text{к}=\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}_\text{г}}{1-\frac{1}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}}}\\[6pt] \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}_\text{к}=\frac{800\ \text{кг/м}^3}{1-\frac 12}=1600\ \text{кг/м}^3. \end{gather*}

Відповідь: 1600.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електричне поле. Напруженість електричного поля.

Завдання скеровано на оцінку вміння обчислювати напруженість електричного поля точкового заряду.

Напруженість поля точкового заряду можна визначити за формулою $$ E=k\frac{|Q|}{r^2}, $$ де \(Q\) – заряд, \(k\) – коефіцієнт пропорційності, \(r\) – відстань від заряду до точки вимірювання.

Якщо \(r_1=10\ \text{см}=0,1\ \text{м},\ r_2=5\ \text{см}=0,05\ \text{м}\), то

\begin{gather*} E=k\frac{|Q|}{r^2_1}=k\frac{|Q|}{(0,1)^2}=100k|Q|;\\[6pt] E_2=k\frac{|Q|}{r^2_2}=k\frac{|Q|}{(0,05)^2}=400k|Q|. \end{gather*}

Відповідно $$ E_2=4E. $$

Відповідь: Б.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Конденсатори.

Завдання скеровано на перевірку розуміння принципів паралельного і послідовного з’єднання конденсаторів.

Дано:
\(C_1=4\ \text{мкФ}\)
\(C_2=C_3=6\ \text{мкФ}\)
\(U=120\ \text{В}\)

Знайти:
\(E\ (\text{мДж})\ -\ ?\)

Енергію конденсатора можна визначити за формулою \begin{gather*} E=\frac{CU^2}{2}, \end{gather*} де \(U\) – напруга на обкладинках конденсатора, а \(C\) – його ємність.

Для визначення енергії системи конденсаторів необхідно визначити її сумарну ємність. Конденсатори 2 та 3 з’єднані паралельно, а до них послідовно підключений конденсатор 1.

Ємність батареї конденсаторів, з’єднаних паралельно, визначають за формулою \begin{gather*} C_{2-3}=C_2+C_3;\\[7pt] C_{2-3}=6\ \text{мкФ}+6\ \text{мкФ};\\[7pt] C_{2-3}=12\ \text{мкФ}. \end{gather*}

Ємність батареї конденсаторів, з’єднаних послідовно, визначають за формулою

\begin{gather*} \frac 1C=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_{2-3}};\\[6pt] \frac 1C=\frac{C_{2-3}+C_1}{C_1C_{2-3}};\\[6pt] C=\frac{C_1C_{2-3}}{C_{2-3}+C_1};\\[6pt] C=\frac{4\ \text{мкФ}\cdot 12\ \text{мкФ}}{12\ \text{мкФ}+4\ \text{мкФ}};\\[6pt] C=\frac{48\ (\text{мкФ})^2}{16\ \text{мкФ}};\\[6pt] C=3\ \text{мкФ}. \end{gather*}

Тоді енергію батареї конденсаторів обчислюємо за формулою

\begin{gather*} E=\frac{CU^2}{2};\\[6pt] E=\frac{3\ \text{мкФ}\cdot (120\ \text{В})^2}{2};\\[6pt] E=\frac{3\cdot 10^{-6}\cdot 14\ 400}{2};\\[6pt] E=0,0216\ \text{Дж};\\[7pt] E=21,6\ \text{мДж}. \end{gather*}

Відповідь: 21,6.

Коментар

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

Завдання скеровано на розуміння закону збереження електричного заряду.

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

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

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Принцип суперпозиції полів.

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

Електричне поле можна зобразити графічно лініями напруженості.

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

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

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

 

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

 

Відповідь: Б.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електричне поле. Напруженість електричного поля.

Завдання скеровано на перевірку розуміння понять потенціалу й еквіпотенціальних поверхонь.

Потенціал на поверхні провідника в усіх точках однаковий, тобто поверхня провідника є еквіпотенціальною.

Потенціал на поверхні металевої кулі визначають за формулою $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}=k\frac qR, $$ де \(k=9\cdot 10^9\ \frac{\text{Нм}^2}{\text{Кл}^2}\), \(q\) – заряд кулі, \(R\) – радіус кулі.

Тож за однакових зарядів потенціал кулі з більшим радіусом є меншим за потенціал кулі з меншим радіусом.

З’єднані кулі утворюють один провідник, поверхня якого також має бути еквіпотенціальною, тож заряди перерозподіляться. Заряд від кулі з більшим потенціалом (малої кулі) перейде до кулі з меншим потенціалом (великої).

Відповідь: Б.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електричне поле. Напруженість електричного поля.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння напруженості електричного поля і вміння порівнювати її в різних точках електричного поля.

Напруженість електричного поля в певній точці \(\overrightarrow{E}\) – векторна фізична величина, яка характеризує електричне поле й дорівнює відношенню сили \(\overrightarrow{F},\) із якою електричне поле діє на пробний заряд \(q\), поміщений у цю точку поля, до значення цього заряду $$ \overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{F}}{q}. $$

На пробний заряд \(q\) з боку поля діє сила Кулона, яка за модулем дорівнює $$ F=k\frac{|Q||q|}{r^2}, $$ де \(r\) – відстань між зарядами, а \(k=9\cdot 10^9\ \text{Нм}^2/\text{Кл}^2\).

Тоді модуль напруженості електричного поля дорівнюватиме $$ E=k\frac{|Q|}{r^2}. $$

Оскільки масштаб рисунку невідомий, то можна вважати, що клітинка дорівнює умовній одиниці довжини (у. о. д.). Відстань до точки 1 становить 1 у. о. д. і 2 у. о. д. від кожного із зарядів відповідно. Відстань до точки 2 становить 6 у. о. д. і 3 у. о. д. від кожного із зарядів відповідно.

Напруженості електричного поля різних зарядів додають векторно, тому для точки 1 поле створене обома зарядами буде спрямоване у протилежні боки. Вважатимемо, що напрямок зліва направо – додатний, тоді загальна напруженість електричного поля в точці 1 становитиме:

А для точки 2 поля, створені обома зарядами, спрямовані в один бік, тому загальна напруженість становить

Тоді можемо знайти відношення напруженості електрично в кожній із точок:

Відповідь: A.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Конденсатори.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння залежності ємності конденсатора від його геометричних параметрів.

На рисунку зображено плоский конденсатор. Вираз для його електроємності такий: $$ C=\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_0\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}S}{d}. $$

Зміщення пластин одна відносно одної і їхній поворот не впливають на ємність конденсатора.

Зменшення відстані між пластинами її збільшить, а збільшення – зменшить.

Відповідь: Б.

Коментар

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.

Коментар

ТЕМА: Основи електростатики. Закон Кулона.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння взаємодії між електричними зарядами.

У металевому тілі багато вільних електронів, що рухаються під дією зовнішнього електричного поля. Негативно заряджені електрони в металевому тілі рухатимуться до позитивного заряду, тож ділянка 1 матиме надлишок електронів, а ділянка 2 – їхню нестачу.

Тобто ділянка 2 буде заряджена позитивно, а 1 – негативно.

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Рівняння теплового балансу. Робота. Потужність. Коефіцієнт корисної дії (ККД).

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати комбіновані задачі, пов’язані з електричною потужністю і рівнянням теплового балансу.

Дано:
\(R=20\ \text{Ом}\)
\(U=200\ \text{В}\)
\(m=1\ \text{кг}\)
\(t_1=20\ ^\circ\text{С}\)
\(t_2=100\ ^\circ\text{С}\)
\(t=200\ \text{с}\)
\(c=4200\ \frac{\text{Дж}}{\text{кг}\ \cdot\ \text{К}}\)

1. Знайти:
\(A\ (\text{кДж})\ -\ ?\)

Потужність пов’язана з роботою формулою $$ P=\frac At, $$ де \(A\) – виконувана робота, а \(t\) – час виконання роботи.

Потужність електричного нагрівача можна визначити за формулою $$ P=UI=\frac{U^2}{R}, $$ де \(U\) – напруга, \(I\) – сила струму.

Тож

2. Знайти:
\(\text{ККД}\ (\text{%})\ -\ ?\)

ККД нагрівача визначають як відношення корисної роботи, виконаної ним, до повної роботи: \begin{gather*} \text{ККД}=\frac{Q}{A_\text{пов}}\cdot 100\ \text{%}, \end{gather*} де \(Q\) – це енергія, що необхідна для нагрівання води.

Необхідну для нагрівання води кількість енергії можна визначити за формулою $$ Q=cm(t_2-t_1), $$ де \(c\) – питома теплоємність тіла, \(m\) – маса тіла, \(t_1\) – початкова температура тіла, \(t_2\) – кінцева температура тіла.

Повна робота – це робота струму в електричному нагрівачі, тож

Відповідь: 1. 400. 2. 84.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Конденсатори.

Завдання скеровано на перевірку розуміння впливу зовнішніх чинників на електроємність конденсатора.

Знайти:
\(\frac{S_2}{S_1}\ -\ ?\)

Електроємність конденсатора залежить від його геометричних характеристик: $$ C=\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_0S}{d}, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}\) – діелектрична проникність діелектрика між обкладинками, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_0\) – електрична стала, \(S\) – площа обкладинок, \(d\) – відстань між обкладинками.

Під час повороту обкладинок конденсатора змінюється площа їхнього перекриття. Нехай довжина пластини становить \(5\) клітинок, а ширина – \(3\) клітинки. Тоді можна обчислити початкову площу перекриття в умовних одиницях: $$ S_1=3\cdot 5=15\ (\text{у. о.}). $$

Після повороту область перекриття перетворилася на квадрат зі стороною 3 клітинки, площа якої дорівнює:

\begin{gather*} S_2=3\cdot 2=9\ (\text{у. о.});\\[6pt] \frac{S_2}{S_1}=\frac{9\ \text{у. о.}}{15\ \text{у. о.}}=0,6. \end{gather*}

Відповідь: 0,6.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики.

Завдання скеровано на перевірку знання явища електризації, уміння розпізнавати прояви електромагнітних явищ.

Електризація відбувається тоді, коли перерозподіляються електрони.

Електрони є носіями від'ємного заряду. Тому шерсть матиме позитивний заряд, якщо негативні електрони перейдуть із шерсті на паличку.

Відповідь: В.

Коментар

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

Завдання скеровано на перевірку вміння застосовувати поняття електричний заряд, елементарний заряд та закон збереження електричного заряду.

Металева кулька, що має заряд \(-q\), має надлишок негативно заряджених електронів, \(a+q\) – їхню нестачу в тій самій кількості.

Якщо дві металеві кульки доторкнули, то електрони переросподілились і нескомпенсованим залишився заряд \(+2q\).

За умовою розмір кульок однаковий, тому після роз'єднання заряд ділиться навпіл: \(+q\) і \(+q\).

Відповідь: A.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Напруженість однорідного електричного поля.

Завдання скеровано на перевірку знання понять «напруженість» i «діелектрична проникність речовини».

Напружність двох різнойменних нескінчених пластин з однаковою поверхневою густиною \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\sigma}\) зарядів на них визначають за формулою $$ E=\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\sigma}}{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_0\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}}, $$ тому в першому випадку \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}=6\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_{\text{пов}}\) i \(E\) зменшиться, а у другому \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varepsilon}_{\text{пов}}\) і \(E\) не змінюється.

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Коденсатори.

Завдання скеровано на перевірку вміння аналізувати дію електричного поля на заряд і розв'язувати задачі із застосуванням функціональних залежностей між основними фізичними величинами.

Напруженість однорідного електричного поля плоского конденсатора $$ E=\frac Ud $$

Сила iз якою це поле діє на електрон: $$ F=E\cdot q=E\cdot e. $$

З другого закону Нютона прискорення електрона $$ a=\frac Fm. $$

Звідти $$ a=\frac{U\cdot e}{d\cdot m_e} $$

Електрон у вертикальному напрямку рухається без початкової швидкості, тому $$ h=\frac{at^2}{2}. $$

Час руху обчислюють за формулою $$ t=\frac SV. $$

Дано:
\(U=9\ \text{В}\)
\(d=10\ \text{см}=10^{-2}\ \text{м}\)
\(V=10^{7}\ \text{м/с}\)
\(S=10\ \text{см}=0,1\ \text{м}\)
\(e=1,6\cdot 10^{-19}\ \text{Кл}\)
\(m_e=9,1\cdot 10^{-31}\ \text{кг}\)

Знайти:
\(h\ -\ ?\)

Відповідь: 8.

Коментар

ТЕМА: Квантова фізика. Світлові кванти. Фотоефект і його закони. Рівняння Ейнштейна для фотоефекту.

Завдання скеровано на перевірку вміння застосовувати основні поняття теорії фотоефекту й уміння розв'язувати розрахункові задічі на застосування рівняння Ейнштейна для фотоефекту.

Дано:
\(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}=450\ \text{нМ}=450\cdot 10^{-9}\ \text{м}\)
\(h=4,14\cdot 10^{-15}\ \text{еВ}\cdot \text{с}\)
\(c=3\cdot 10^{8}\ \text{м/с}\)
\(A_{\text{вих}}=2,4\cdot \text{еВ}\)

1. Знайти:
\(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}\ -\ ?\)

Кулька заряджається позитивно завдяки фотоефекту.

Рівняння Ейнштейна $$ hv=A_{\text{вих}}+U_{\text{з}}\cdot e $$

Після того як кулька зарядиться максимально завдяки різниці потенціалу, електрони почнуть повертатися назад на кульку, тому максимальний потенціал дорівнює запірній напрузі \(U_{\text{з}}\).

Відповідь: 0,36.

Коментар

ТЕМА: Основи електростатики. Електричний заряд.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння перерозподілення заряду під час контактування двох провідників.

Негативно заряджена кулька має надлишок електронів, а позитивно заряджена – дефіцит їх. Якщо з’єднати кульки провідником, то електрони рівномірно розподіляться по обох кульках, тому заряд двох з’єднаних кульок становитиме: $$ q_{\text{з'єднання}}=q_1+q_2=-5\ \text{нКл}+3\ \text{нКл}=-2\ \text{нКл}. $$

Після того як провідник приберуть, електрони нікуди не перемістяться і залишаться розподіленими рівномірно по всій системі. Оскільки кульки однакові, то заряд кожної кульки окремо дорівнюватиме половині всього заряду з’єднаних кульок: $$ q_{1\ \text{після}}=\frac{q_{\text{з'єднання}}}{2}=-1\ \text{нКл}. $$

Відповідь: Б.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електростатичний потенціал.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння понять електростатичного потенціалу, різниці потенціалів і роботи електричного поля з перенесення заряду.

Поле не виконує роботу під час переміщення заряду, якщо воно відбувається по еквіпотенціальній поверхні.

Еквіпотенціальна поверхня – це поверхня, у всіх точках якої потенціал електростатичного поля має однакове значення (рис. 1).

Тому необхідно знайти точку на тій самій еквіпотенціальній поверхні, що й початкова точка. Еквіпотенціальні поверхні перпендикулярні до силових ліній поля. Тому, якщо провести перпендикулярну до силових ліній пряму через точку 1, то будь-яке переміщення вздовж неї не вимагатиме від поля виконання роботи.

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електричне поле. Напруженість електричного поля.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння напруженості електричного поля і вміння порівнювати її різних точках електричного поля.

На рисунку зображено позитивний заряд \(q\), який створює навколо себе електричне поле. Щоби порівняти напруженість електричного поля в точках A і C потрібно в нього помістити пробний заряд \(Q\).

Напруженість електричного поля в точці \((\overrightarrow{E})\) – векторна фізична величина, яка характеризує електричне поле й дорівнює відношенню сили\(\overrightarrow{F}\), із якою електричне поле діє на пробний заряд, поміщений у цю точку поля, до величини цього заряду: $$ \overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{F}}{q}. $$

На пробний заряд із боку поля діє сила Кулона, яка за модулем дорівнює $$ F=k\frac{|Q||q|}{r^2}, $$ де \(r\) – відстань між зарядами, а \(k=9 \cdot 10^9\ \text{Нм}^2/\text{Кл}^2\).

Тоді модуль напруженості електричного поля дорівнюватиме $$ E=k\frac{|Q|}{r^2}. $$

Оскільки \(OA = AC\), то \(OC = OA + AC = 2OA\), а тому \begin{gather*} r_A=OA;\\[7pt] r_C=2OA=2r_A. \end{gather*}

Тоді \begin{gather*} E_A=k\frac{|Q|}{r^2_A}\\[6pt] E_C=k\frac{|Q|}{r^2C}=k\frac{|Q|}{(2r_A)^2}=k\frac{|Q|}{4r^2_A}=\frac 14 E_A. \end{gather*}

Отже $$ E_C=\frac 14 E_A $$

або $$ 4E_C=E_A $$

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Конденсатори.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі на знаходження енергії зарядженого конденсатора.

Під час зарядження конденсатори набувають потенціальної енергії. Коли вони розряджаються, енергія, що накопичилась у них, розсіюється на резисторі. Розсіювання відбувається завдяки тому, що резистор нагрівається і віддає енергію в середовище. Тож резистор нагріється найбільше тоді, коли отримає найбільше енергії від конденсатора. Енергію зарядженого конденсатора обчислюють за формулою: $$ E=\frac{CU^2}{2}, $$ де \(C\) – електроємність конденсатора, а \(U\) – його робоча напруга.

Далі потрібно обчислити величини енергій чотирьох конденсаторів: \begin{gather*} E_1=\frac{C_1U_1^2}{2}=\frac{1000\ \text{мкФ}\cdot (10\ \text{В})^2}{2} =\frac{1000\cdot 10^{-6}\ \text{Ф}\cdot (10\ \text{В})^2}{2}=0,05\ \text{Дж};\\[6pt] E_2=\frac{C_2U_2^2}{2}=\frac{200\ \text{мкФ}\cdot (50\ \text{В})^2}{2} =\frac{200\cdot 10^{-6}\ \text{Ф}\cdot (50\ \text{В})^2}{2}=0,25\ \text{Дж};\\[6pt] E_3=\frac{C_3U_3^2}{2}=\frac{100\ \text{мкФ}\cdot (100\ \text{В})^2}{2} =\frac{100\cdot 10^{-6}\ \text{Ф}\cdot (100\ \text{В})^2}{2}=0,5\ \text{Дж};\\[6pt] E_4=\frac{C_4U_4^2}{2}=\frac{50\ \text{мкФ}\cdot (100\ \text{В})^2}{2} =\frac{50\cdot 10^{-6}\ \text{Ф}\cdot (100\ \text{В})^2}{2}=0,25\ \text{Дж}. \end{gather*}

Тож після підключення до третього конденсатора резистор нагріється найбільше.

Відповідь: B.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Конденсатори.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі на енергію зарядженого конденсатора і її перетворення на інші види енергії.

Дано:
\(U=300\ \text{В}\)
\(C=1\ 000\ \text{мкФ}\)
\(t=1,5\ \text{мс}\)

1. Знайти:
\(E\ (\text{Дж})\ -\ ?\)

Енергію електричного поля зарядженого конденсатора можна визначити за формулою $$ E=\frac{CU^2}{2}=\frac{1\ 000\ \text{мкФ}\cdot (300\ \text{В})^2}{2}=\frac{1\ 000\cdot 10^{-6}\ \text{Ф}\cdot (300\ \text{В})^2}{2}=45\ \text{Дж}. $$

2. Знайти:
\(P\ (\text{кВт})\ -\ ?\)

Потужність спалаху \(P\) можна визначити як відношення енергії спалаху до його тривалості. Енергія спалаху – це та енергія, до якої заряджається конденсатор. \begin{gather*} P=\frac Et=\frac{45\ \text{Дж}}{1,5\ \text{мс}}=\frac{45\ \text{Дж}}{0,0015\ \text{с}}=30\ 000\ \text{Вт}=30\ \text{кВт}. \end{gather*}

Відповідь: 1. 45. 2. 30.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електричний заряд.

Завдання скеровано на оцінювання знання поняття електричного заряду й розуміння принципу роботи електрометра.

Електрометр – це прилад для виявлення і вимірювання заряду. Складники електрометра – металева куля, стержні й стрілки.

У металах вільними носіями є електрони. Під дією електричного поля завжди відбувається перерозподіл зарядів. Зокрема, паличка, яку дівчинка піднесла до електрометра, утворила електричне поле, яке й стало причиною подальшого руху зарядів.

Спершу дівчинка торкнулася металевої кулі пальцем. Так вона створила шлях відходу для електронів, адже людське тіло також є хорошим провідником електричного струму.

Оскільки дівчинка до іншої частини кулі піднесла негативно заряджену паличку, то електрони, які також заряджені негативно, «відштовхнулися» від палички, перемістилися на інший бік кулі й «стекли» по руці дівчинки.

Оскільки дівчинка спершу прибрала руку, а потім паличку, то електрони не встигли повернутися назад у металеву кулю. Тому в усій конструкції електрометра виник дефіцит електронів. Унаслідок цього металевий стержень і стрілка набули позитивного заряду. Оскільки стрілка й стержень стали однойменно зарядженими, то стрілка відхилилася.

Коли дівчинка піднесла позитивно заряджену паличку до кулі, то під дією електричного поля палички знову відбувся перерозподіл зарядів. Частина електронів, зокрема зі стержня і стрілки, перемістилися ближче до палички, тому й стрілка відхилилася ще більше.

Відповідь: A.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Конденсатори.

Завдання скеровано на оцінювання вміння графічно зображувати залежності між фізичними величинами.

Залежність заряду \(q\) конденсатора від напруги \(U\) описують формулою \(q=CU,\) де \(C\) – електроємність конденсатора. Ця залежність є прямо пропорційною.

Її графік – це пряма, що проходить через початок координат.

Відповідь: B.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Напруженість електричного поля.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі на дію електричного поля на заряд.

Дано:
\(q=5\ \text{нКл}\)
\(E=10\ \frac{\text{кВ}}{\text{м}}\)

Знайти:
\(F\ (\text{мкН})\ -\ ?\)

Напруженість електричного поля \(E\) – векторна фізична величина, яка характеризує електричне поле й дорівнює відношенню сили \(F,\) із якою електричне поле діє на пробний заряд, поміщений у цю точку поля, до значення \(q\) цього заряду.

Тобто $$ \overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{F}}{q}. $$

Тоді, перевівши значення заряду з нанокулонів у кулони й значення напруженості електричного поля з \(\frac{\text{кВ}}{\text{м}}\) у \(\frac{\text{В}}{\text{м}},\) можна обчислити силу:

Відповідь: 50.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електричне поле. Напруженість електричного поля.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння понять потенціалу й напруженості й уміння порівнювати ці величини в різних точках електричного поля.

На рисунку схематично зображено позитивний заряд, який створює навколо себе електричне поле. Для правильного розв’язання завдання потрібно позначити його величину як \(Q\), а пробний заряд \(q\) помістити в точки 1 і 2 для порівняння напруженості електричного поля і потенціалу.

Напруженість \(\overrightarrow{E}\) електричного поля в точці – векторна фізична величина, яка характеризує електричне поле й дорівнює відношенню сили \(\overrightarrow{F}\), із якою електричне поле діє на пробний заряд, поміщений у цю точку поля, до величини цього заряду. Тобто \(\overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{F}}{q}\).

На пробний заряд з боку поля діє сила Кулона, модуль якої \(F=k\frac{|Q||q|}{r^2}\) , де \(r\) – відстань між зарядами, а \(k=9\cdot 10^9\ \text{Нм}^2/\text{Кл}^2\).

Тоді \(E= k\frac{|Q|}{r^2}\) – модуль напруженості електричного поля. За умовою завдання \(r_1\lt r_2\), тому \(E_1 \gt E_2\).

Потенціал \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}\) електростатичного поля в точці – це скалярна фізична величина, якою характеризують енергетичні властивості поля. Вона дорівнює відношенню потенціальної енергії \(W_{p}\) електричного заряду, поміщеного в цю точку поля, до величини \(q\) цього заряду: $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}= \frac{W_p}{q}. $$ Потенціальну енергію взаємодії точкового заряду \(q\), поміщеного в поле, і заряду \(Q\), який є джерелом цього поля, обчислюють за формулою \(W_p=k\frac{Qq}{r},\) де \(r\) – відстань між зарядами, а \(k= 9\cdot 10^9\ \text{Нм}^2/\text{Кл}^2\). За умовою завдання \(r_1\lt r_2\), тож \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_1 \gt \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_2\).

Відповідь: A.

Коментар

ТЕМА: Вимірювальні пристрої.

Завдання скеровано на оцінювання вміння добирати вимірювальні прилади для проведення експериментів.

A. Оскільки період – це час, за який тіло робить одне повне коливання, то для його вимірювання використовують секундомір.

Б. Для визначення електрорушійної сили (ЕРС) і внутрішнього опору джерела потрібно скористатися законом Ома для повного кола. ЕРС в цьому разі є еквівалентом напруги в законі Ома для ділянки кола, тому її також вимірюють вольтметром.

В. Для визначення фокусної відстані й оптичної сили лінзи потрібно виміряти відстань від предмета до лінзи й від лінзи до зображення. Для цього використовують лінійку.

Г. Для визначення коефіцієнта корисної дії (ККД) похилої площини необхідно обчислити корисну роботу, яку розраховують як зміну потенціальної енергії початкового й кінцевого стану й витрачену роботу, що робчислюють за формулою \(A = Fl\), де \(F\) – сила, прикладена до вантажу, а \(l\) – довжина похилої площини. Силу \(F\) у цьому досліді вимірюють динамометром.

Д. Для вивчення теплового балансу під час змішування води різної температури потрібно зафіксувати початкові й кінцеву температури. Для цього використовують термометр.

Відповідь: 1Г, 2Б, 3А, 4Д.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Напруженість електричного поля.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння поняття напруженості електричного поля і вміння порівнювати її значення в різних точках електричного поля.

На рисунку зображено позитивний заряд, який створює навколо себе електричне поле. Для порівняння напруженості електричного поля і потенціалу в точки А і В потрібно помістити пробний заряд \(Q\).

Напруженість електричного поля \((\overrightarrow{E})\) у певній точці – векторна фізична величина, яка характеризує електричне поле й дорівнює відношенню сили \(\overrightarrow{F}\), із якою електричне поле діє на пробний заряд, поміщений у цю точку поля, до величини цього заряду: $$ \overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{F}}{q}. $$

На пробний заряд з боку поля діє сила Кулона, модуль якої \(F=k\frac{|Q||q|}{r^2},\) де \(r\) – відстань між зарядами, а \(k=9\cdot 10^9\ \text{Нм}^2/\text{Кл}^2\).

Відстань між лініями сітки в цій задачі не зазначено, тому можна вважати, що її вимірюють в умовних одиницях довжини (у. о. д.).

Тоді \(r_A=2\ \text{у. о. д},\) а \(r_В=4\ \text{у. о. д},\) тобто \(r_В=2r_А.\) Напруженість поля в точках А і В відповідно становить: \begin{gather*} E_A=\frac Fq=\frac{k|Q||q|}{r^2_A q}=\frac{k|Q|}{r^2_A};\\[7pt] E_B=\frac Fq=\frac{k|Q||q|}{r^2_B q}=\frac{k|Q|}{r^2_B}=\frac{k|Q|}{4r^2_A}. \end{gather*} Відповідно \(E_A=4E_В.\)

Відповідь: A.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електричний заряд.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння поняття електричного заряду, вільних носіїв заряду і їхнього передавання під час електричної взаємодії.

Позитивно заряджені частинки всередині ядра атома – це протони, а негативно заряджені частинки, що рухаються навколо ядра, – електрони. Відокремити протон від ядра дуже складно, тому під час таких електричних явищ, як, наприклад, зарядження шерсті внаслідок тертя, зміни кількості протонів у ядрах не відбувається.

Атоми зберігають свою нейтральність за рахунок однакової кількості протонів й електронів. Відповідно, щоби зарядитися позитивно, атоми речовини повинні віддати частину своїх електронів, а щоби зарядитись негативно – захопити додаткові електрони.

Оскільки за умовою завдання шерсть набуває позитивного заряду, то саме вона віддає паличці свої електрони.

Відповідь: B.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Електростатичний потенціал.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння понять електростатичного потенціалу, різниці потенціалів і роботи електричного поля з перенесення заряду й уміння розв’язувати розрахункові задачі, пов’язані із цими поняттями.

Потенціал \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}\) електростатичного поля в даній точці – це скалярна фізична величина, яка характеризує енергетичні властивості поля.

Для точкового заряду потенціал можна розрахувати за формулою \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}=k\frac Qr,\)
де \(r\) – відстань між зарядом і пробним зарядом, поміщеним у його поле, \(k = 9\cdot 10^9\ \text{Н}\cdot\text{м}^2/\text{Кл}^2,\) а \(Q\) – величина заряду, що створює поле.

Різниця потенціалів – скалярна фізична величина, яка дорівнює відношенню роботи сил електростатичного поля з переміщення заряду з початкової точки в кінцеву до значення цього заряду: \(\triangle\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_2-\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_1=\frac Aq.\)

Тож робота, виконувана полем під час перенесення заряду залежить від різниці потенціалів між початковою і кінцевою точкою: чим менша ця різниця, тим менша (за модулем) виконувана робота.

З огляду на те, що точки О і Г лежать на одній еквіпотенціальній поверхні, то \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_{\text{O}}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_{\text{Г}},\) а \(\triangle\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_{\text{Г}}-\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}_{\text{O}}=0.\)

Інші точки лежать на інших еквіпотенціальних поверхнях, тому найменшу (за модулем) роботу \(A\) буде виконано під час переміщення в Г \((A = 0).\)

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Опір провідників.

Завдання скеровано на оцінювання вміння визначати опір провідників за їхніми геометричними характеристиками.

Опір провідника залежить від його геометричних характеристик: $$ R=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\frac lS, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\) – питомий опір речовини, iз якої виготовлений провідник, \(l\) – довжина провідника, \(S\) – площа поперечного перерізу провідника.

Опір провідника не зміниться, якщо не змінюється його довжина чи площа поперечного перерізу.

У варіанті відповіді А довжина провідника зменшиться вдвічі, а поперечний переріз збільшиться вдвічі, якщо розрізати його навпіл і з’єднати половинки паралельно. Тож опір провідника зменшиться: $$ R_A=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\frac {l/2}{2S}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\frac{l}{4S}=\frac 14 R. $$

У варіанті відповіді Б довжина провідника збільшиться. Під час видовження площа поперечного перерізу зменшиться. А тому опір провідника збільшиться.

У варіанті відповіді В під час нарізання різьби на провіднику зменшиться площа його поперечного перерізу, а опір, відповідно, збільшиться.

Лише у варіанті відповіді Г не змінюються геометричні характеристики провідника. Доданий зовні ізолювальний шар не впливає на його опір.

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Основи динаміки. Другий закон Ньютона. Основи електростатики. Закон Кулона.

Завдання скеровано на оцінку вміння розв’язувати розрахункові задачі, пов’язані із силою Кулона.

1. Дано:
\(T_1=1\ \text{мН}\)
\(T_2=1,5\ \text{мН}\)

1. Знайти:
\(F\ (\text{мН})\ -\ ?\)

Спочатку на кульку діяли лише сили натягу підвісу й сила тяжіння (рис. 1, а). Кулька перебуває у стані спокою, тому рівнодійна цих сил дорівнює 0: $$ \overrightarrow{F}=\overrightarrow{T_1}+m\overrightarrow{g}=0. $$

Цей векторний вираз можна спроєктувати на вертикальну вісь: \begin{gather*} T_1-mg=0;\\[7pt] T_1=mg. \end{gather*}

Після того, як до першої кульки наблизили другу, окрім сили натягу підвісу й сили тяжіння на кульку діє сила Кулона (рис. 1, б). Але навіть у такому разі тіло перебуває у стані спокою, тобто рівнодійна цих сил дорівнює нулю: $$ \overrightarrow{F}=\overrightarrow{T_2}+m\overrightarrow{g}+\overrightarrow{F_{\text{Кл}}}=0. $$

Цей векторний вираз можна спроєктувати на вертикальну вісь: $$ T_2-mg-F_{\text{Кл}}=0. $$

Зважаючи на те, що \(T_1=mg\), можна розрахувати силу Кулона: $$ F_{\text{Кл}}=T_2-T_1=1\ \text{мН}-1\ \text{мН}=0,5\ \text{мН}. $$

2. Дано:
\(r_1=\frac{r_1}{2}\)

2. Знайти:
\(T_3\ (\text{мН})\ -\ ?\)

Силу Кулона визначають за формулою $$ F=k\frac{|q_1||q_2|}{r^2}. $$

Тоді можна записати силу взаємодії до того, як кульки наблизили одну до одної: $$ F_{\text{Кл1}}=k\frac{|q_1||q_2|}{r^2_1}. $$

Ця сила взаємодії дорівнює \(0,5\ \text{мН}\), як було розраховано раніше.

Сила взаємодії після зближення дорівнюватиме

Як і до зближення, підвішена кулька перебуватиме у стані спокою, а рівнодійна всіх сил, що діють на неї, дорівнюватиме нулю: $$ \overrightarrow{F}=\overrightarrow{T_3}+m\overrightarrow{g}+\overrightarrow{F_{\text{Кл2}}}=0. $$

Цей векторний вираз можна спроєктувати на вертикальну вісь: $$ T_3-mg-F_{\text{Кл2}}=0. $$

Тож можна розрахувати силу натягу підвісу. Оскільки \(T_1=mg,\ F_{\text{Кл2}}=4F_{\text{Кл1}}\), то

Відповідь: 1. 0,5. 2. 3.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Конденсатори.

Завдання скеровано на перевірку розуміння принципів паралельного і послідовного з’єднання конденсаторів.

Дано:
\(C_1=5\ \text{мкФ}\)
\(C_2=10\ \text{мкФ}\)
\(C_3=20\ \text{мкФ}\)

Знайти:
\(C\ (\text{мкФ})\ -\ ?\)

Ємність батареї конденсаторів, з’єднаних паралельно, визначають за формулою:

Відповідь: 35.

Коментар

ТЕМА: Основи електростатики. Закон Кулона.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння взаємодії між електричними зарядами.

Тіла з однойменними електричними зарядами відштовхуються, а з різнойменними – притягаються. За таким законом змінили своє положення лише кульки на рисунку Б.

Відповідь: Б.

Коментар

ТЕМА: Атом й атомне ядро. Основи електростатики. Електричний заряд.

Завдання скеровано на перевірку розуміння будови атома й уміння обчислювати електричний заряд тіл.

Атом – це нейтральна частинка, складниками якої є позитивно заряджене ядро й негативно заряджені електрони. Тому заряд увсіх електронів в атомі дорівнює заряду його ядра.

Ядро містить позитивно заряджені протони й електронейтральні нейтрони. Заряд усіх електронів в атомі дорівнює заряду всіх його протонів. Заряд електрона й заряд протона рівні за модулем, але протилежні за знаком, тому кількість електронів в атомі дорівнює кількості його протонів.

У ядерній фізиці використовують опис ядер, у якому поруч із символом хімічного елемента лівим надрядковим індексом позначають кількість нуклонів у ядрі \(n\) (сумарна кількість протонів і нейтронів), а в лівим підрядковим – кількість протонів \(p\).

В атомі \(^1_1\mathrm{H}\) міститься один протон і, відповідно, один електрон, а в атомі \(^{16}_8\mathrm{O}\) – вісім протонів і вісім електронів.

У молекулі води два атоми Гідрогену, у кожного з яких по одному електрону, й один атом Оксигену, у якому вісім електронів. Разом у молекулі води десять електронів, їхній сумарний заряд

Відповідь: B.

Коментар

ТЕМА: Сила тяжіння. Сила пружності. Сила кулона. Ядерні сили.

Завдання скеровано на перевірку розуміння впливу сил різної природи на природні явища.

1 електронейтральні нейтрони й позитивно заряджені протони утримуються в ядрах (й альфа-частинках, що є ядрами атомів Гелію, зокрема) завдяки дії ядерних сил

2 куля деформує броню в момент зіткнення. Залежно від величини цієї деформації броня повертається в попередній стан (зазнає пружної деформації), зберігає деформацію після зіткнення (зазнає пластичної деформації) або руйнується. Подальший рух кулі також від цього залежить, адже завдяки силі пружності, що виникає в броні, куля може зрикошетити й змінити напрямок руху чи його швидкість

3 причиною руху Місяця навколо Землі є її сила тяжіння

4 часто рух негативно зарядженого електрона в атомі зумовлений його кулонівською взаємодією з позитивно зарядженим ядром.

Відповідь: 1Г, 2Д, 3А, 4Б.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Конденсатори.

Завдання скеровано на перевірку знання законів послідовного й паралельного з’єднання конденсаторів.

Енергію конденсатора можна обчислити за формулою $$ W_{\text{конденсатора}}=\frac{q^2}{2C}, $$ де \(q\) – це максимальний заряд на обкладинці конденсатора, а \(C\) – його ємність.

Електроємність конденсатора визначають за формулою $$ C=\frac qU, $$ де \(U\) – напруга між обкладинками, \(q\) – максимальний заряд на обкладинці.

У схемі, наведеній у завданні, конденсатор 1 послідовно підключений до конденсаторів 2 й 3, що підключені один до одного паралельно.

Напруга на паралельно підключених елементах однакова: $$ U_{2+3}=U_2=U_3. $$

За умовою ємність усіх конденсаторів рівна, тож \begin{gather*} q_2=C_2U_2=CU_{2+3};\\[7pt] q_3=C_3U_3=CU_{2+3};\\[7pt] q_2=q_3. \end{gather*}

Якщо конденсатори підключені паралельно, то максимальний заряд на їхніх котушках $$ q_{2+3}=q_2+q_3=2q_2. $$

Ємність таких конденсаторів можна обчислити за формулою $$ C_{2+3}=C_2+C_3=2C. $$

Якщо конденсатори підключено послідовно, то максимальні заряди на їхніх обкладинках рівні: $$ q_{1+2+3}=q_1=q_{2+3} $$

Тож $$ q_1=2q_2. $$

Тоді можна обчислити енергії конденсаторів: \begin{gather*} W_2=\frac{q^2_2}{2C_2}=\frac{q^2_2}{2C};\\[6pt] W_1=\frac{q^2_1}{2C_1}=\frac{(2q_2)^2}{2C}=\frac{4q^2_2}{2C}=4W_2. \end{gather*}

Відповідь: 4.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Опір провідників.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати розрахункові задачі, у яких ідеться про залежність опору провідника від його геометричних параметрів.

Дано:
\(R_1=1\ \text{Ом}\)
\(d_1=2d_2\)

Знайти:
\(R_2\ -\ ?\)

Опір провідника залежить від його геометричних характеристик: $$ R=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\frac lS, $$ де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\rho}\) – питомий опір речовини, із якої виготовлений провідник; \(l\) – довжина провідника; \(S\) – площа його поперечного перерізу.

Якщо вважати форму перерізу провідника колом, його площу можна обчислити за формулою $$ S=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}r^2=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}\left(\frac d2\right)^2=\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}d}{4}. $$

Під час шліфування ні довжина, ні питомий опір провідника не змінювались, тобто

Відповідь: 4.

Коментар

ТЕМА: Електродинаміка. Основи електростатики. Конденсатори.

Завдання скеровано на перевірку розуміння поняття електроємності.

Електроємність – це фізична величина, яка характеризує здатність провідника накопичувати заряд.

Відповідь: Г.

Коментар

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.