Решу егэ физика 2607

Задания

Версия для печати и копирования в MS Word

Тренировочный вариант №2 КИМ №210927 ЕГЭ 2022 по физике 11 класс для подготовки на 100 баллов от 27 сентября 2021 года.

Вариант с ответами: скачать

Данный вариант составлен по новой демоверсии ФИПИ экзамена ЕГЭ 2022 года, к тренировочным заданиям прилагаются решения и правильные ответы.

Для выполнения экзаменационной работы по физике отводится 3 часа 55 минут (235 минут). Работа состоит из двух частей, включающих в себя 30 заданий.

Решу ЕГЭ 2022 по физике 11 класс вариант 100 баллов №210927:

Сложные задания и ответы с варианта

1)Выберите все верные утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях. Запишите цифры, под которыми они указаны.

• 1) При неупругом столкновении двух тел механическая энергия не сохраняется.
• 2) Равномерное движение – это такое движение, при котором тело за равные промежутки времени проходит равные расстояния.
• 3) Электрический ток – направленное движение электронов.
• 4) При преломлении электромагнитных волн на границе воздух-вода скорость волны уменьшается.
• 5) Удельная теплота плавления показывает какое количество теплоты надо подвести к телу массой 1 кг, чтобы расплавить его.

Ответ: 14

2)Даны следующие зависимости величин: А) зависимость температуры идеального газа от объема при изотермическом процессе; Б) зависимость количества нераспавшихся частиц при радиоактивном распаде; В) зависимость координаты х при движении тела, брошенного под углом к горизонту. Установите соответствие между этими зависимостями и видами графиков, обозначенных цифрами 1–5. Для каждой зависимости А–В подберите соответствующий вид графика и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 345

3)На рисунке приведены графики зависимости проекции скорости от времени для легкового автомобиля (I) и микроавтобуса (II), движущихся по прямой дороге, вдоль которой и направлена ось Ох. Определите отношение модулей.

Ответ: 2

4)Пластилиновый шар массой 0,1 кг имеет скорость 1 м/с. Он налетает на неподвижную тележку массой 0,1 кг, прикрепленную к пружине, и прилипает к тележке (см. рисунок). Чему равна полная механическая энергия системы при ее дальнейших колебаниях? Трением пренебречь.

Ответ: 0,025

5)Два груза массами 2m и m закреплены на невесомом стержне длиной 60 см. Чтобы стержень оставался в равновесии, его следует подвесить в точке О, находящейся на расстоянии Х от левого груза. Определите, чему равно Х.

Ответ: 20

6)При подвешивании груза массой m к стальному тросу длина троса возрастает на ∆L. Из приведенного ниже списка выберите все верные утверждения, соответствующих данным графикам. 1) Величина ∆L не изменится, если L будет вдвое больше, а m – вдвое меньше. 2) Величина ∆L не изменится, если L и m будут вдвое меньше. 3) Величина ∆L увеличится в четыре раза, если L и m будут вдвое больше. 4) Величина ∆L уменьшится в четыре раза, если L и m – вдвое больше. 5) Величина ∆L уменьшится в два раза, если L будет вчетверо меньше, а m – вдвое меньше.

Ответ: 13

7)На поверхности воды плавает сплошной деревянный брусок. Как изменятся глубина погружения бруска и сила Архимеда, действующая на брусок, если его заменить сплошным бруском той же плотности и высоты, но большей массы? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения: 1) увеличивается 2) уменьшается 3) не изменится

Ответ: 31

8)Тело массой 100 г движется вдоль оси Ох, при этом его координата изменяется во времени в соответствии с формулой х(t) = 10 + 5t – 3t2 (все величины выражены в СИ). Установите соответствие между физическими величинами и формулами, выражающими их зависимости от времени в условиях данной задачи. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 12

9)В одном из опытов стали закачивать воздух в стеклянный сосуд, одновременно охлаждая его. При этом температура воздуха в сосуде понизилась в 2 раза, а его давление возросло в 3 раза. Во сколько раз увеличилась масса воздуха в сосуде?

Ответ: 6

10)В кубическом метре воздуха в помещении при температуре 20 °С находится 1,1245⋅10-2 г водяных паров. Пользуясь таблицей плотности насыщенных паров воды, определите относительную влажность воздуха.

Ответ: 65

11)На графике показана зависимость давления одноатомного идеального газа от объема. Газ совершает работу, равную 3 кДж. Определите количество теплоты, полученное газом при переходе из состояния 1 в состояние 2.

Ответ: 3000

12)При переводе идеального газа из состояния 1 в состояние 2 концентрация молекул n пропорциональна давлению р (см. рисунок). Масса газа в процессе остаётся постоянной. Выберите из предложенного перечня все верные утверждения, которые сделать анализируя данный график:

• 1) Плотность газа возрастает.
• 2) Происходит изотермическое расширение газа.
• 3) Газ совершает работу без изменения внутренней энергии.
• 4) Плотность газа уменьшается.
• 5) Внутренняя энергия газа уменьшается.

Ответ: 234

13)В ходе адиабатного процесса внутренняя энергия одного моля разреженного гелия увеличивается. Как изменяются при этом температура гелия и его объём? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения: 1) увеличивается 2) уменьшается 3) не изменится

Ответ: 12

14)По участку цепи, состоящему из резистора R = 4 кОм, течёт постоянный ток I = 100мА. За какое время на этом участке выделится количество теплоты Q = 2,4 кДж?

Ответ: 60

16)Если ключ находится в положении 1, то период собственных электромагнитных колебаний в контуре (см. рисунок) равен 6 мс. Насколько увеличится период собственных электромагнитных колебаний в контуре, если ключ перевести из положения 1 в положение 2?

Ответ: 6

17)Ученик, изучая законы геометрической оптики, провел опыт по преломлению света (см. рисунок). Для этого он направил узкий пучок света на стеклянную пластину. Пользуясь приведенной таблицей, выберите из приведенного ниже списка два правильных утверждения, описывающих наблюдаемое явление.

Ответ: 14

18)Электрический колебательный контур радиоприемника настроен на длину волны λ. Как изменятся частота колебаний в контуре и соответствующая им длина волны, если площадь пластин конденсатора уменьшить? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения: 1) увеличится 2) уменьшится 3) не изменится

Ответ: 12

19)Конденсатор колебательного контура длительное время подключён к источнику постоянного напряжения (см. рисунок). В момент времени t = 0 переключатель К переводят из положения 1 в положение 2. Графики А и Б представляют изменения физических величин, характеризующих колебания в контуре после этого. Установите соответствие между графиками и физическими величинами, зависимости которых от времени эти графики могут представлять. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 21

20)Какая доля радиоактивных атомов распадется через интервал времени, равный двум периодам полураспада? Ответ выразите в процентах.

Ответ: 75

21)В опытах по фотоэффекту взяли пластину из металла с работой выхода 3,5 эВ и стали освещать ее светом частоты 3⋅1015Гц. Затем частоту падающей на пластину световой волны уменьшили в 4 раза, увеличив в 2 раза интенсивность светового пучка. Как изменится в результате этого число фотоэлектронов, покидающих пластину за 1 с и их скорость. Для каждой величины определите соответствующий характер изменения: 1) увеличивается 2) уменьшается 3) не изменится

Ответ: 33

22)С помощью линейки с миллиметровыми делениями измерили толщину стопки из 25 шайб. Толщина стопки оказалась равной примерно 45 мм. Определите толщину одной шайбы, если погрешность измерений равна половине цены деления линейки. Запишите ответ с учетом погрешности.

Ответ: 1,800,04

23)Пучок белого света, пройдя через призму, разлагается в спектр. Была выдвинута гипотеза, что ширина спектра, получаемого на стоящем за призмой экране, зависит от угла при вершине призмы. Необходимо экспериментально проверить эту гипотезу. Какие два опыта нужно провести для такого исследования?

Ответ: 13

24)Намагниченный стальной стержень начинает свободное падение с нулевой начальной скоростью из положения, изображённого на рис. 1. Пролетая сквозь закреплённое проволочное кольцо, стержень создаёт в нём электрический ток, сила которого изменяется со временем так, как показано на рис. 2. Почему в моменты времени t1 и t2 ток в кольце имеет различные направления? Ответ поясните, указав, какие физические явления и закономерности Вы использовали для объяснения. Влиянием тока в кольце на движение магнита пренебречь.

25)Небольшой камень, брошенный с ровной горизонтальной поверхности земли под углом к горизонту, упал обратно на землю в 20 метрах от места броска. Сколько времени прошло от броска до того момента, когда его скорость была направлена горизонтально и равна 10 м/с?

26)Напряжение на концах первичной обмотки трансформатора 220 В, сила тока в ней 1 А. Напряжение на концах вторичной обмотки 22 В. Какой была бы сила тока во вторичной обмотке при коэффициенте полезного действия трансформатора 95 %?

27)В водонепроницаемый мешок, лежащий на дне моря на глубине 73,1 м закачивается сверху воздух. Вода вытесняется из мешка через нижнее отверстие, и когда объём воздуха в мешке достигает 28,0 м3 , мешок всплывает вместе с прикреплённым к нему грузом. Масса оболочки 2710 кг. Опреде-лите массу груза. Температура воды равна 7°С. Атмосферное давление на уровне моря равно 105 Па. Объёмом груза и стенок мешка пренебречь.

28)К конденсатору С1 через диод и катушку индуктивности L подключён конденсатор ёмкостью С2 = 2 мкФ. До замыкания ключа К конденсатор С1 был заряжен до напряжения U = 50 В, а конденсатор С2 не заряжен. После замыкания ключа система перешла в новое состояние равновесия, в котором напряжение на конденсаторе С2 оказалось равным U2 = 20 В. Какова ёмкость конденсатора С1? (Активное сопротивление цепи пренебрежимо мало.)

29)На поверхности воды плавает надувной плот шириной 4 м и длиной б м. Небо затянуто сплошным облачным покровом, полностью рассеивающим солнечный свет. На какой максимальной глубине под плотом должна находиться маленькая рыбка, чтобы ее не увидели плавающие вокруг плота хищники? Глубиной погружения плота, рассеиванием света водой и его отражением от дна водоема пренебречь. Показатель преломления воды относительно воздуха принять равным 4/3.

30)В изображенной на рисунке системе нижний брусок может двигаться по наклонной плоскости, составляющей с горизонтом угол α = 30°, а верхний брусок — вдоль наклонной плоскости, составляющей с горизонтом некоторый угол β. Коэффициент трения между нижним бруском и плоскостью равен μ = 0,2, трение между верхним бруском и наклонной плоскостью отсутствует. Считая соединяющую бруски нить очень легкой и нерастяжимой, и пренебрегая массой блока и трением в его оси найдите, при каких значениях угла β нить будет натянута.

Другие тренировочные варианты ЕГЭ 2022 по физике:

Физика 11 класс итоговая контрольная работа 2 варианта с ответами

12.07.2021 Тест по физике для 11 класса повторение 1 четверть 4 варианта с ответами

ПОДЕЛИТЬСЯ МАТЕРИАЛОМ

Лебедева Алевтина Сергеевна, учитель физики, стаж работы 27 лет. Почетная грамота Министерства образования Московской области (2013 год), Благодарность Главы Воскресенского муниципального района (2015 год), Грамота Президента Ассоциации учителей математики и физики Московской области (2015 год).

---

В работе представлены задания разных уровней сложности: базового, повышенного и высокого. Задания базового уровня, это простые задания, проверяющие усвоение наиболее важных физических понятий, моделей, явлений и законов. Задания  повышенного уровня  направлены на проверку умения  использовать понятия и законы физики для анализа различных процессов и явлений, а также умения решать задачи на применение одного-двух законов (формул) по какой-либо из тем школьного курса физики. В работе 4 задания части 2 являются заданиями высокого уровня сложности и проверяют умение использовать законы и теории физики в измененной или новой ситуации. Выполнение таких заданий требует применения знаний сразу из двух трех разделов физики, т.е. высокого уровня подготовки. Данный вариант полностью соответствует демонстрационному варианту ЕГЭ 2017 года, задания взяты из открытого банка заданий ЕГЭ.

Задание 1. На рисунке представлен график зависимости модуля скорости от времени t. Определите по графику путь, пройденный автомобилем в интервале времени от 0 до 30 с.

Решение. Путь, пройденный автомобилем в интервале времени от 0 до 30 с проще всего определить как площадь трапеции, основаниями которой являются интервалы времени (30 – 0) = 30 c и (30 – 10) = 20 с, а высотой является скорость v = 10 м/с, т.е.

S =	(30 + 20) с	10 м/с = 250 м.
2

Ответ. 250 м.

Задание 2. Груз массой 100 кг поднимают вертикально вверх с помощью троса. На рисунке приведена зависимость проекции скорости V груза на ось, направленную вверх, от времени t. Определите модуль силы натяжения троса в течение подъема.

Рис. 1

Рис. 2

Решение. По графику зависимости проекции скорости v груза на ось, направленную вертикально вверх, от времени t, можно определить проекцию ускорения груза

a =	∆v	=	(8 – 2) м/с	= 2 м/с2.
∆t	3 с

На груз действуют: сила тяжести , направленная вертикально вниз и сила натяжения троса , направленная вдоль троса вертикально вверх смотри рис. 2. Запишем основное уравнение динамики. Воспользуемся вторым законом Ньютона. Геометрическая сумма сил действующих на тело равна произведению массы тела на сообщаемое ему ускорение.

 +  =  (1)

Запишем уравнение для проекции векторов в системе отсчета, связанной с землей, ось OY направим вверх. Проекция силы натяжения положительная, так как направление силы совпадает с направлением оси OY, проекция силы тяжести отрицательная, так как вектор силы противоположно направлен оси OY, проекция вектора ускорения тоже положительная, так тело движется с ускорением вверх. Имеем

T – mg = ma (2);

из формулы (2) модуль силы натяжения

Т = m(g + a) = 100 кг (10 + 2) м/с² = 1200 Н.

Ответ. 1200 Н.

Задание 3. Тело тащат по шероховатой горизонтальной поверхности с постоянной скоростью  модуль которой равен 1, 5 м/с, прикладывая к нему силу  так, как показано на рисунке (1). При этом модуль действующей на тело силы трения скольжения равен 16 Н. Чему равна мощность, развиваемая силой F?

Рис. 1

Рис. 2

Решение. Представим себе физический процесс, заданный в условии задачи и сделаем схематический чертеж с указанием всех сил, действующих на тело (рис.2). Запишем основное уравнение динамики.

 + _тр +  +  =  (1)

Выбрав систему отсчета, связанную с неподвижной поверхностью, запишем уравнения для проекции векторов на выбранные координатные оси. По условию задачи тело движется равномерно, так как его скорость постоянна и равна 1,5 м/с. Это значит, ускорение тела равно нулю. По горизонтали на тело действуют две силы: сила трения скольжения _тр. и сила , с которой тело тащат. Проекция силы трения отрицательная, так как вектор силы не совпадает с направлением оси Х. Проекция силы F положительная. Напоминаем, для нахождения проекции опускаем перпендикуляр из начала и конца вектора на выбранную ось. С учетом этого имеем: F cosα – F_тр = 0; (1) выразим проекцию силы F, это Fcosα = F_тр = 16 Н; (2) тогда мощность, развиваемая силой , будет равна N = Fcosα V (3) Сделаем замену, учитывая уравнение (2), и подставим соответствующие данные в уравнение (3):

N = 16 Н · 1,5 м/с = 24 Вт.

Ответ. 24 Вт.

Задание 4. Груз, закрепленный на легкой пружине жесткостью 200 Н/м, совершает вертикальные колебания. На рисунке представлен график зависимости смещения x груза от времени t. Определите, чему равна масса груза. Ответ округлите до целого числа.

Решение. Груз на пружине совершает вертикальные колебания. По графику зависимости смещения груза х от времени t, определим период колебаний груза. Период колебаний равен Т = 4 с; из формулы Т = 2π выразим массу m груза.

=	T	;	m	=	T2	; m = k	T2	; m = 200 H/м	(4 с)2	= 81,14 кг ≈ 81 кг.
2π	k	4π2	4π2	39,438

Ответ: 81 кг.

Задание 5. На рисунке показана система из двух легких блоков и невесомого троса, с помощью которого можно удерживать в равновесии или поднимать груз массой 10 кг. Трение пренебрежимо мало. На основании анализа приведенного рисунка выберите два верных утверждения и укажите в ответе их номера.

1. Для того чтобы удерживать груз в равновесии, нужно действовать на конец веревки с силой 100 Н.
2. Изображенная на рисунке система блоков не дает выигрыша в силе.
3. Для того чтобы медленно поднять груз на высоту h, нужно вытянуть участок веревки длиной 3h.
4. Для того чтобы медленно поднять груз на высоту h, нужно вытянуть участок веревки длиной 2h.
5. Для того чтобы удерживать груз в равновесии, нужно действовать на конец веревки с силой 50 Н.

Решение. В данной задаче необходимо вспомнить простые механизмы, а именно блоки: подвижный и неподвижный блок. Подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза, при этом участок веревки нужно вытянуть в два раза длиннее, а неподвижный блок используют для перенаправления силы. В работе простые механизмы выигрыша не дают. После анализа задачи сразу выбираем нужные утверждения:

1. Для того чтобы медленно поднять груз на высоту h, нужно вытянуть участок веревки длиной 2h.
2. Для того чтобы удерживать груз в равновесии, нужно действовать на конец веревки с силой 50 Н. 

Ответ. 45.

Задание 6. В сосуд с водой полностью погружен алюминиевый груз, закрепленный на невесомой и нерастяжимой нити. Груз не касается стенок и дна сосуда. Затем в такой же сосуд с водой погружают железный груз, масса которого равна массе алюминиевого груза. Как в результате этого изменятся модуль силы натяжения нити и модуль действующей на груз силы тяжести?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1. Увеличивается;
2. Уменьшается;
3. Не изменяется.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Модуль силы натяжения нити	Модуль действующей на груз силы тяжести

---

Рис. 1

Решение. Анализируем условие задачи и выделяем те параметры, которые не меняются в ходе исследования: это масса тела и жидкость, в которую погружают тело на нити. После этого лучше выполнить схематический рисунок и указать действующие на груз силы: сила натяжения нити F_упр, направленная вдоль нити вверх; сила тяжести , направленная вертикально вниз; архимедова сила _a, действующая со стороны жидкости на погруженное тело и направленная вверх. По условию задачи масса грузов одинакова, следовательно, модуль действующей на груз силы тяжести не меняется. Так как плотность грузов разная, то объем тоже будет разный

Плотность железа 7800 кг/м³, а алюминиевого груза 2700 кг/м³. Следовательно, V_ж < V_a. Тело в равновесии, равнодействующая всех сил, действующих на тело равна нулю. Направим координатную ось OY вверх. Основное уравнение динамики с учетом проекции сил запишем в виде F_упр + F_a – mg = 0; (1) Выразим силу натяжения F_упр = mg – F_a (2); архимедова сила зависит от плотности жидкости и объема погруженной части тела F_a = ρgV п.ч.т. (3); Плотность жидкости не меняется, а объем тела из железа меньше V_ж < V_a, поэтому архимедова сила, действующая на железный груз будет меньше. Делаем вывод о модуле силы натяжения нити, работая с уравнение (2), он возрастет.

Ответ. 13.

Задание 7. Брусок массой m соскальзывает с закрепленной шероховатой наклонной плоскости с углом α при основании. Модуль ускорения бруска равен a, модуль скорости бруска возрастает. Сопротивлением воздуха можно пренебречь.

Установите соответствие между физическими величинами и формулами, при помощи которых их можно вычислить. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА	ФОРМУЛА
А) Модуль силы реакции, действующей на брусок со стороны наклонной плоскости	1) mg
Б) Коэффициент трения бруска о наклонную плоскость	3) mg cosα

Решение. Данная задача требует применение законов Ньютона. Рекомендуем сделать схематический чертеж; указать все кинематические характеристики движения. Если возможно, изобразить вектор ускорения и векторы всех сил, приложенных к движущемуся телу; помнить, что силы, действующие на тело, – результат взаимодействия с другими телами. Затем записать основное уравнение динамики. Выбрать систему отсчета и записать полученное уравнение для проекции векторов сил и ускорений;

Следуя предложенному алгоритму, сделаем схематический чертеж (рис. 1). На рисунке изображены силы, приложенные к центру тяжести бруска, и координатные оси системы отсчета, связанной с поверхностью наклонной плоскости. Так как все силы постоянны, то движение бруска будет равнопеременным с увеличивающейся скоростью, т.е. вектор ускорения направлен в сторону движения. Выберем направление осей как указано на рисунке. Запишем проекции сил, на выбранные оси.

Рис. 1

Запишем основное уравнение динамики:

 + _тр +  =  (1)

Запишем данное уравнение (1) для проекции сил и ускорения.

На ось OY: проекция силы реакции опоры положительная, так как вектор совпадает с направлением оси OY N_y = N; проекция силы трения равна нулю так как вектор перпендикулярен оси; проекция силы тяжести будет отрицательная и равная mg_y = –mgcosα; проекция вектора ускорения a_y = 0, так как вектор ускорения перпендикулярен оси. Имеем N – mgcosα = 0 (2) из уравнения выразим силу реакции действующей на брусок, со стороны наклонной плоскости. N = mgcosα (3). Запишем проекции на ось OX.

На ось OX: проекция силы N равна нулю, так как вектор перпендикулярен оси ОХ; Проекция силы трения отрицательная (вектор направлен в противоположную сторону относительно выбранной оси); проекция силы тяжести положительная и равна mg_x = mgsinα (4) из прямоугольного треугольника. Проекция ускорения положительная a_x = a; Тогда уравнение (1) запишем с учетом проекции mgsinα – F_тр = ma (5); F_тр = m(gsinα – a) (6); Помним, что сила трения пропорциональна силе нормального давления N.

По определению F_тр = μN (7), выразим коэффициент трения бруска о наклонную плоскость.

μ =	Fтр	=	m(gsinα – a)	= tgα –	a	(8).
N	mgcosα	gcosα

Выбираем соответствующие позиции для каждой буквы.

Ответ. A – 3; Б – 2.

Задание 8. Газообразный кислород находится в сосуде объемом 33,2 литра. Давление газа 150 кПа, его температура 127° С. Определите массу газа в этом сосуде. Ответ выразите в граммах и округлите до целого числа.

Решение. Важно обратить внимание на перевод единиц в систему СИ. Температуру переводим в Кельвины T = t°С + 273, объем V = 33,2 л = 33,2 · 10^–3 м³; Давление переводим P = 150 кПа = 150 000 Па. Используя уравнение состояния идеального газа

PV =	m	RT, (уравнение Менделеева –Клапейрона)
μ

выразим массу газа.

и подставим числовые значения в полученное уравнение.

m =	1,5 · 105 ·33,2 · 10–3 · 32 · 10–3	= 0,0479 кг = 47,9 г ≈ 48 г
8,31 · 400

Обязательно обращаем внимание, в каких единица просят записать ответ. Это очень важно.

Ответ. 48 г.

Задание 9. Идеальный одноатомный газ в количестве 0,025 моль адиабатически расширился. При этом его температура понизилась с +103°С до +23°С. Какую работу совершил газ? Ответ выразите в Джоулях и округлите до целого числа.

Решение. Во-первых, газ одноатомный число степеней свободы i = 3, во-вторых, газ расширяется адиабатически – это значит без теплообмена Q = 0. Газ совершает работу за счет уменьшения внутренней энергии. С учетом этого, первый закон термодинамики запишем в виде 0 = ∆U + A_г; (1) выразим работу газа A_г = –∆U (2); Изменение внутренней энергии для одноатомного газа запишем как

Проведем вычисления подставив (3) в (2). Не забываем перевести температуру из градусов Цельсия в Кельвины.

Aг = –	3	0,025 · 8,31 · (–80) = 24,93 (Дж) ≈ 25Дж
2

Ответ. 25 Дж.

Задание 10. Относительная влажность порции воздуха при некоторой температуре равна 10 %. Во сколько раз следует изменить давление этой порции воздуха для того, чтобы при неизменной температуре его относительная влажность увеличилась на 25 %?

Решение. Вопросы, связанные с насыщенным паром и влажностью воздуха, чаще всего вызывают затруднения у школьников. Воспользуемся формулой для расчета относительной влажности воздуха

φ =	Pв.п.	· 100 % (1);
Pн.п.

По условию задачи температура не изменяется, значит, давление насыщенного пара остается тем же. Запишем формулу (1) для двух состояний воздуха.

φ1 =	P1в.п.	· 100 % (2);
Pн.п.

и

φ2 =	P2в.п.	· 100 % (3);
Pн.п.

φ₁ = 10 % ; φ₂ = 35 %

Выразим давления воздуха из формул (2), (3) и найдем отношение давлений.

P2	=	φ2	=	35	= 3,5
P1	φ1	10

Ответ. Давление следует увеличить в 3,5 раза.

Задание 11. Горячее вещество в жидком состоянии медленно охлаждалось в плавильной печи с постоянной мощностью. В таблице приведены результаты измерений температуры вещества с течением времени.

Время, мин	0	5	10	15	20	25	30	35
Температура, °С	250	242	234	232	232	232	230	216

Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведенных измерений и укажите их номера.

1. Температура плавления вещества в данных условиях равна 232°С.
2.  Через 20 мин. после начала измерений вещество находилось только в твердом состоянии.
3. Теплоемкость вещества в жидком и твердом состоянии одинакова.
4. Через 30 мин. после начала измерений вещество находилось только в твердом состоянии.
5. Процесс кристаллизации вещества занял более 25 минут.

Решение. Так как вещество охлаждалось, то его внутренняя энергия уменьшалась. Результаты измерения температуры, позволяют определить температуру, при которой вещество начинает кристаллизоваться. Пока вещество переходит из жидкого состояния в твердое, температура не меняется. Зная, что температура плавления и температура кристаллизации одинаковы, выбираем утверждение:

1. Tемпература плавления вещества в данных условиях равна 232°С.

Второе верное утверждение это:

4. Через 30 мин. после начала измерений вещество находилось только в твердом состоянии. Так как температура в этот момент времени, уже ниже температуры кристаллизации.

Ответ. 14.

Задание 12. В изолированной системе тело А имеет температуру +40°С, а тело Б температуру +65°С. Эти тела привели в тепловой контакт друг с другом. Через некоторое время наступило тепловое равновесие. Как в результате изменилась температура тела Б и суммарная внутренняя энергия тела А и Б?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1. Увеличилась;
2. Уменьшилась;
3. Не изменилась.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Температура тела Б	Суммарная внутренняя энергия тел А и Б

Решение. Если в изолированной системе тел не происходит никаких превращений энергии кроме теплообмена, то количество теплоты, отданное телами, внутренняя энергия которых уменьшается, равно количеству теплоты, полученному телами, внутренняя энергия которых увеличивается. (По закону сохранения энергии.) При этом суммарная внутренняя энергия системы не меняется. Задачи такого типа решаются на основании уравнения теплового баланса.

∆U = ∑	n	∆Ui = 0 (1);
i = 1

где ∆U – изменение внутренней энергии.

В нашем случае в результате теплообмена внутренняя энергия тела Б уменьшается, а значит уменьшается температура этого тела. Внутренняя энергия тела А увеличивается, так как тело получило количество теплоты от тела Б, то температура его увеличится. Суммарная внутренняя энергия тел А и Б не изменяется.

Ответ. 23.

Задание 13. Протон p, влетевший в зазор между полюсами электромагнита, имеет скорость , перпендикулярную вектору индукции  магнитного поля, как показано на рисунке. Куда направлена действующая на протон сила Лоренца относительно рисунка (вверх, к наблюдателю, от наблюдателя, вниз, влево, вправо)

Решение. На заряженную частицу магнитное поле действует с силой Лоренца. Для того чтобы определить направление этой силы, важно помнить мнемоническое правило левой руки, не забывать учитывать заряд частицы. Четыре пальца левой руки направляем по вектору скорости, для положительно заряженной частицы, вектор  должен перпендикулярно входить в ладонь, большой палец отставленный на 90° показывает направление действующей на частицу силы Лоренца. В результате имеем, что вектор силы Лоренца направлен от наблюдателя относительно рисунка.

Ответ. от наблюдателя.

Задание 14. Модуль напряженности электрического поля в плоском воздушном конденсаторе емкостью 50 мкФ равен 200 В/м. Расстояние между пластинами конденсатора 2 мм. Чему равен заряд конденсатора? Ответ запишите в мкКл.

Решение. Переведем все единицы измерения в систему СИ. Емкость С = 50 мкФ = 50 · 10^–6 Ф, расстояние между пластинами d = 2 · 10^–3 м. В задаче говорится о плоском воздушном конденсаторе – устройстве для накопления электрического заряда и энергии электрического поля. Из формулы электрической емкости

выразим электрический заряд q = C · U (2). Используя связь напряженности электрического поля E и напряжения U, запишем формулу

где d – расстояние между пластинами.

Выразим напряжение U = E · d (4); Подставим (4) в (2) и рассчитаем заряд конденсатора.

q = C · Ed = 50 · 10^–6 · 200 · 0,002 = 20 мкКл

Обращаем внимание, в каких единицах нужно записать ответ. Получили в кулонах, а представляем в мкКл.

Ответ. 20 мкКл.

Задание 15.

Рис. 1

Ученик провел опыт по преломлению света, представленный на фотографии. Как изменяется при увеличении угла падения угол преломления света, распространяющегося в стекле, и показатель преломления стекла?

1. Увеличивается
2. Уменьшается
3. Не изменяется
4. Запишите в таблицу выбранные цифры для каждого ответа. Цифры в ответе могут повторяться.

Угол преломления	Показатель преломления стекла

Решение. В задачах такого плана вспоминаем, что такое преломление. Это изменение направления распространения волны при прохождении из одной среды в другую. Вызвано оно тем, что скорости распространения волн в этих средах различны. Разобравшись из какой среды в какую свет распространяется, запишем закона преломления в виде

где n₂ – абсолютный показатель преломления стекла, среда куда идет свет; n₁ – абсолютный показатель преломления первой среды, откуда свет идет. Для воздуха n₁ = 1. α – угол падения луча на поверхность стеклянного полуцилиндра, β – угол преломления луча в стекле. Причем, угол преломления будет меньше угла падения, так как стекло оптически более плотная среда – среда с большим показателем преломления. Скорость распространения света в стекле меньше. Обращаем внимание, что углы измеряем от перпендикуляра, восстановленного в точке падения луча. Если увеличивать угол падения, то и угол преломления будет расти. Показатель преломления стекла от этого меняться не будет.

Ответ.

Задание 16. Медная перемычка в момент времени t₀ = 0 начинает двигаться со скоростью 2 м/с по параллельным горизонтальным проводящим рельсам, к концам которых подсоединен резистор сопротивлением 10 Ом. Вся система находится в вертикальном однородном магнитном поле. Сопротивление перемычки и рельсов пренебрежимо мало, перемычка все время расположена перпендикулярно рельсам. Поток Ф вектора магнитной индукции через контур, образованный перемычкой, рельсами и резистором, изменяется с течением времени t так, как показано на графике.

Используя график, выберите два верных утверждения и укажите в ответе их номера.

1. К моменту времени t = 0,1 с изменение магнитного потока через контур равно 1 мВб.
2. Индукционный ток в перемычке в интервале от t = 0,1 с t = 0,3 с максимален.
3. Модуль ЭДС индукции, возникающей в контуре, равен 10 мВ.
4. Сила индукционного тока, текущего в перемычке, равна 64 мА.
5. Для поддержания движения перемычки к ней прикладывают силу, проекция которой на направление рельсов равна 0,2 Н.

Решение. По графику зависимости потока вектора магнитной индукции через контур от времени определим участки, где поток Ф меняется, и где изменение потока равно нулю. Это позволит нам определить интервалы времени, в которые в контуре будет возникать индукционный ток. Верное утверждение:

1) К моменту времени t = 0,1 с изменение магнитного потока через контур равно 1 мВб ∆Ф = (1 – 0) · 10^–3 Вб; Модуль ЭДС индукции, возникающей в контуре определим используя закон ЭМИ

Ɛ =	–	∆Ф	=	–	1 ·10–3	= 0,01 В = 10 мВ
∆t	0,1

Ответ. 13.

Задание 17.

По графику зависимости силы тока от времени в электрической цепи, индуктивность которой равна 1 мГн, определите модуль ЭДС самоиндукции в интервале времени от 5 до 10 с. Ответ запишите в мкВ.

Решение. Переведем все величины в систему СИ, т.е. индуктивность 1 мГн переведем в Гн, получим 10^–3 Гн. Силу тока, показанной на рисунке в мА также будем переводить в А путем умножения на величину 10^–3.

Формула ЭДС самоиндукции имеет вид

где L – индуктивность цепи; ∆I – изменение тока; ∆t – интервал времени (при котором происходит изменение тока).

Модуль ЭДС самоиндукции будет иметь вид

при этом интервал времени дан по условию задачи

∆t = 10 c – 5 c = 5 c

секунд и по графику определяем интервал изменения тока за это время:

∆I = 30 · 10^–3 – 20 · 10^–3 = 10 · 10^–3 = 10^–2 A.

Подставляем числовые значения в формулу (2), получаем

|Ɛ| = 2 ·10^–6 В, или 2 мкВ.

Ответ. 2.

Задание 18. Две прозрачные плоскопараллельные пластинки плотно прижаты друг к другу. Из воздуха на поверхность первой пластинки падает луч света (см. рисунок). Известно, что показатель преломления верхней пластинки равен n₂ = 1,77. Установите соответствие между физическими величинами и их значениями. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА	ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ
А) Синус угла падения луча на границу 2-3 между пластинами	1) ≈ 0,698
	2) ≈ 0,433
Б) Угол преломления луча при переходе границы 3-1 ( в радианах)	3) ≈ 0,363
	4) ≈ 0,873

Решение. Для решения задач о преломлении света на границе раздела двух сред, в частности задач на прохождение света через плоскопараллельные пластинки можно рекомендовать следующий порядок решения: сделать чертеж с указанием хода лучей, идущих из одной среды в другую; в точке падения луча на границе раздела двух сред провести нормаль к поверхности, отметить углы падения и преломления. Особо обратить внимание на оптическую плотность рассматриваемых сред и помнить, что при переходе луча света из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду угол преломления будет меньше угла падения. На рисунке дан угол между падающим лучом и поверхностью, а нам нужен угол падения. Помним, что углы определяются от перпендикуляра, восстановленного в точке падения. Определяем, что угол падения луча на поверхность 90° – 40° = 50°, показатель преломления n₂ = 1,77; n₁ = 1 (воздух).

Запишем закон преломления

для границы 1-2:

sinβ =	sin50	= 0,4327 ≈ 0,433
1,77

Построим примерный ход луча через пластинки. Используем формулу (1) для границы 2–3 и 3–1. В ответе получаем

А) Синус угла падения луча на границу 2–3 между пластинками – это 2) ≈ 0,433;

Б) Угол преломления луча при переходе границы 3–1 (в радианах) – это 4) ≈ 0,873.

Ответ. 24.

Задание 19. Определите, сколько α – частиц и сколько протонов получается в результате реакции термоядерного синтеза

 +  → x + y;

Количество α-частиц	Количество протонов

Решение. При всех ядерных реакциях соблюдаются законы сохранения электрического заряда и числа нуклонов. Обозначим через x – количество альфа частиц, y– количество протонов. Составим уравнения

 +  → x + y;

 решая систему имеем, что x = 1; y = 2

Ответ. 1 – α-частица; 2 – протона.

Задание 20. Модуль импульса первого фотона равен 1,32 · 10^–28 кг·м/с, что на 9,48 · 10^–28 кг·м/с меньше, чем модуль импульса второго фотона. Найдите отношение энергии E₂/E₁ второго и первого фотонов. Ответ округлите до десятых долей.

Решение. Импульс второго фотона больше импульса первого фотона по условию значит можно представить p₂ = p₁ + Δp (1). Энергию фотона можно выразить через импульс фотона, используя следующие уравнения. Это E = mc² (1) и p = mc (2), тогда

E = pc (3),

где E – энергия фотона, p – импульс фотона, m – масса фотона, c = 3 · 10⁸ м/с – скорость света. С учетом формулы (3) имеем:

Ответ округляем до десятых и получаем 8,2.

Ответ. 8,2.

Задание 21. Ядро атома претерпело радиоактивный позитронный β – распад. Как в результате этого изменялись электрический заряд ядра и количество нейтронов в нем?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1. Увеличилась;
2. Уменьшилась;
3. Не изменилась.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Электрический заряд ядра	Количество нейтронов в ядре

Решение. Позитронный β – распад в атомном ядре происходит при превращений протона в нейтрон с испусканием позитрона. В результате этого число нейтронов в ядре увеличивается на единицу, электрический заряд уменьшается на единицу, а массовое число ядра остается неизменным. Таким образом, реакция превращения элемента следующая:

 →  + 

Ответ. 21.

Задание 22. В лаборатории было проведено пять экспериментов по наблюдению дифракции с помощью различных дифракционных решеток. Каждая из решеток освещалась параллельными пучками монохроматического света с определенной длиной волны. Свет во всех случаях падал перпендикулярно решетке. В двух из этих экспериментов наблюдалось одинаковое количество главных дифракционных максимумов. Укажите сначала номер эксперимента, в котором использовалась дифракционная решетка с меньшим периодом, а затем – номер эксперимента, в котором использовалась дифракционная решетка с большим периодом.

Номер эксперимента	Период дифракционной решетки	Длина волны падающего света
1	2d	λ/2
2	d	λ
3	2d	λ
4	d/2	λ/2
5	d/2	2λ

Решение. Дифракцией света называется явление светового пучка в область геометрической тени. Дифракцию можно наблюдать в том случае, когда на пути световой волны встречаются непрозрачные участки или отверстия в больших по размерам и непрозрачных для света преградах, причем размеры этих участков или отверстий соизмеримы с длиной волны. Одним из важнейших дифракционных устройств является дифракционная решетка. Угловые направления на максимумы дифракционной картины определяются уравнением

dsinφ = k λ (1),

где d – период дифракционной решетки, φ – угол между нормалью к решетке и направлением на один из максимумов дифракционной картины, λ – длина световой волны, k – целое число, называемое порядком дифракционного максимума. Выразим из уравнения (1)

Подбирая пары согласно условию эксперимента, выбираем сначала 4 где использовалась дифракционная решетка с меньшим периодом, а затем – номер эксперимента, в котором использовалась дифракционная решетка с большим периодом – это 2.

Ответ. 42.

Задание 23. По проволочному резистору течет ток. Резистор заменили на другой, с проволокой из того же металла и той же длины, но имеющей вдвое меньшую площадь поперечного сечения, и пропустили через него вдвое меньший ток. Как изменятся при этом напряжение на резисторе и его сопротивление?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1. Увеличится;
2. Уменьшится;
3. Не изменится.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Напряжение на резисторе	Сопротивление резистора

Решение. Важно помнить от каких величин зависит сопротивление проводника. Формула для расчета сопротивления имеет вид

где ρ – удельное сопротивление проводника; l – длина проводника; S – площадь поперечного сечения. Для полного ответа на вопрос задачи необходимо записан формулу

закона Ома для участка цепи, из формулы (2), выразим напряжение

U = IR (3).

По условию задачи второй резистор изготовлен из проволоки того же материала, той же длины, но разной площади поперечного сечения. Площадь в два раза меньшая. Подставляя в (1) получим, что сопротивление увеличивается в 2 раза, а сила тока уменьшается в 2 раза, следовательно, напряжение не изменяется.

Ответ. 13.

Задание 24. Период колебаний математического маятника на поверхности Земли в 1, 2 раза больше периода его колебаний на некоторой планете. Чему равен модуль ускорения свободного падения на этой планете? Влияние атмосферы в обоих случаях пренебрежимо мало.

Решение. Математический маятник – это система, состоящая из нити, размеры которой много больше размеров шарика и самого шарика. Трудность может возникнуть если забыта формула Томсона для периода колебаний математического маятника.

T = 2π (1);

l – длина математического маятника; g – ускорение свободного падения.

По условию

Используя формулу Томсона для периода колебаний математического маятника T = 2π (3), запишем формулу (1) в виде

Tз	=  (4).
Tп

Выразим из (3) g_п = 14,4 м/с². Надо отметить, что ускорение свободного падения зависит от массы планеты и радиуса

Ответ. 14,4 м/с².

Задание 25. Прямолинейный проводник длиной 1 м, по которому течет ток 3 А, расположен в однородном магнитном поле с индукцией В = 0,4 Тл под углом 30° к вектору . Каков модуль силы, действующей на проводник со стороны магнитного поля?

Решение. Если в магнитное поле, поместить проводник с током, то поле на проводник с током будет действовать с силой Ампера. Запишем формулу модуля силы Ампера

F_А = ILBsinα;

F_А = 0,6 Н

Ответ. F_А = 0,6 Н.

Задание 26. Энергия магнитного поля, запасенная в катушке при пропускании через нее постоянного тока, равна 120 Дж. Во сколько раз нужно увеличить силу тока, протекающего через обмотку катушки, для того, чтобы запасенная в ней энергия магнитного поля увеличилась на 5760 Дж.

Решение. Энергия магнитного поля катушки рассчитывается по формуле

По условию W₁ = 120 Дж, тогда W₂ = 120 + 5760 = 5880 Дж.

I12 =	2W1	; I22 =	2W2	;
L	L

Тогда отношение токов

Ответ. Силу тока нужно увеличить в 7 раз. В бланк ответов Вы вносите только цифру 7.

Задание 27. Электрическая цепь состоит из двух лампочек, двух диодов и витка провода, соединенных, как показано на рисунке. (Диод пропускает ток только в одном направлении, как показано на верхней части рисунка). Какая из лампочек загорится, если к витку приближать северный полюс магнита? Ответ объясните, указав, какие явления и закономерности вы использовали при объяснении.

Решение. Линии магнитной индукции выходят из северного полюса магнита и расходятся. При приближении магнита магнитный поток через виток провода увеличивается. В соответствии с правило Ленца магнитное поле, создаваемое индукционным током витка, должно быть направлено вправо. По правилу буравчика ток должен идти по часовой стрелке (если смотреть слева). В этом направлении пропускает диод, стоящий в цепи второй лампы. Значит, загорится вторая лампа.

Ответ. Загорится вторая лампа.

Задание 28. Алюминиевая спица длиной L = 25 см и площадью поперечного сечения S = 0,1 см² подвешена на нити за верхний конец. Нижний конец опирается на горизонтальное дно сосуда, в который налита вода. Длина погруженной в воду части спицы l = 10 см. Найти силу F, с которой спица давит на дно сосуда, если известно, что нить расположена вертикально. Плотность алюминия ρ_а = 2,7 г/см³, плотность воды ρ_в = 1,0 г/см³. Ускорение свободного падения g = 10 м/с²

Решение. Выполним поясняющий рисунок.

 – Сила натяжения нити;

 – Сила реакции дна сосуда;

_a – архимедова сила, действующая только на погруженную часть тела, и приложенная к центру погруженной части спицы;

 – сила тяжести, действующая на спицу со стороны Земли и приложена к центу всей спицы.

По определению масса спицы m и модуль архимедовой силы выражаются следующим образом : m = SLρ_a (1);

F_a = Slρ_вg (2)

Рассмотрим моменты сил относительно точки подвеса спицы.

М(Т) = 0 – момент силы натяжения; (3)

М(N) = NLcosα – момент силы реакции опоры; (4)

М(Fa) = Slρв g (L –	1	) cosα – момент архимедовой силы ; (5)
2

М(mg) = SLρa g	L	cosα – момент силы тяжести; (6)
2

С учетом знаков моментов запишем уравнение

NLcosα + Slρв g (L –	l	) cosα = SLρa g	L	cosα (7)
2	2

учитывая, что по третьему закону Ньютона сила реакции дна сосуда равна силе F_д с которой спица давит на дно сосуда запишем N = F_д и из уравнения (7) выразим эту силу:

Fд = [	1	Lρa – (1 –	l	)lρв]Sg (8).
2	2L

Подставим числовые данные и получим, что

F_д = 0,025 Н.

Ответ. Fд = 0,025 Н.

Задание 29. Баллон, содержащий m₁ = 1 кг азота, при испытании на прочность взорвался при температуре t₁ = 327°С. Какую массу водорода m₂ можно было бы хранить в таком баллоне при температуре t₂ = 27°С, имея пятикратный запас прочности? Молярная масса азота M₁ = 28 г/моль, водорода M₂ = 2 г/моль.

Решение. Запишем уравнение состояния идеального газа Менделеева – Клапейрона для азота

Из уравнения состояния азота следует, что давление, при котором взорвался баллон,

p1 =	m1	·	RT1	, (2)
M1	V

где V – объем баллона, T₁ = t₁ + 273°C. По условию водород можно хранить при давлении p₂ = p₁/5; (3) Учитывая, что

p2 =	m2	·	RT2	(4)
M2	V

можем выразить массу водорода работая сразу с уравнениями (2), (3), (4). Конечная формула имеет вид:

m2 =	m1		M2		T1	(5).
5	M1	T2

После подстановки числовых данных m₂ = 28 г.

Ответ. m₂ = 28 г.

Задание 30. В идеальном колебательном контуре амплитуда колебаний силы тока в катушке индуктивности I_m = 5 мА, а амплитуда напряжения на конденсаторе U_m = 2,0 В. В момент времени t напряжение на конденсаторе равно 1,2 В. Найдите силу тока в катушке в этот момент.

Решение. В идеальном колебательном контуре сохраняется энергия колебаний. Для момента времени t закон сохранения энергий имеет вид

C	U2	+ L	I2	= L	Im2	(1)
2	2	2

Для амплитудных (максимальных) значений запишем

C	Um2	= L	Im2	(2)
2	2

Из равенства (1) следует :

а из уравнения (2) выразим

Подставим (4) в (3). В результате получим:

I = I_m  (5)

Таким образом, сила тока в катушке в момент времени t равна

I = 4,0 мА.

Ответ. I = 4,0 мА.

Задание 31. На дне водоема глубиной 2 м лежит зеркало. Луч света, пройдя через воду, отражается от зеркала и выходит из воды. Показатель преломления воды равен 1,33. Найдите расстояние между точкой входа луча в воду и точкой выхода луча из воды, если угол падения луча равен 30°

Решение. Сделаем поясняющий рисунок

α – угол падения луча;

β – угол преломления луча в воде;

АС – расстояние между точкой входа луча в воду и точкой выхода луча из воды.

По закону преломления света

где n₂ – показатель преломления воды; n₁ – показатель преломления воздуха. n₁ = 1. Тогда формулу (1) можно записать

Выразим

Рассмотрим прямоугольный ΔАDВ. В нем АD = h, тогда DВ = АD

tgβ = htgβ = h	sinα	= h	sinβ	= h	sinα	(4)
cosβ

Получаем следующее выражение:

АС = 2 DВ = 2h	sinα	(5)

Подставим числовые значения в полученную формулу (5)

АС = 1,63 м

Ответ. 1,63 м.

Энергия связи ядра.

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев.

Темы кодификатора ЕГЭ: энергия связи нуклонов в ядре, ядерные силы.

Атомное ядро, согласно нуклонной модели, состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. Но какие силы удерживают нуклоны внутри ядра?

За счёт чего, например, держатся вместе два протона и два нейтрона внутри ядра атома гелия? Ведь протоны, отталкиваясь друг от друга электрическими силами, должны были бы разлететься в разные стороны! Может быть, это гравитационное притяжение нуклонов друг к другу не даёт ядру распасться?

Давайте проверим. Пусть два протона находятся на некотором расстоянии друг от друга. Найдём отношение силы их электрического отталкивания к силе их гравитационного притяжения:

Заряд протона Кл, масса протона кг, поэтому имеем:

Какое чудовищное превосходство электрической силы! Гравитационное притяжение протонов не то что не обеспечивает устойчивость ядра — оно вообще не заметно на фоне их взаимного электрического отталкивания.

Следовательно, существуют иные силы притяжения, которые скрепляют нуклоны внутри ядра и превосходят по величине силу электрического отталкивания протонов. Это — так называемые ядерные силы.

к оглавлению ▴

Ядерные силы.

До сих пор мы знали два типа взаимодействий в природе — гравитационные и электромагнитные. Ядерные силы служат проявлением нового, третьего по счёту типа взаимодействий — сильного взаимодействия. Мы не будем вдаваться в механизм возникновения ядерных сил, а лишь перечислим их наиболее важные свойства.

1. Ядерные силы действуют между любыми двумя нуклонами: протоном и протоном, протоном и нейтроном, нейтроном и нейтроном.
2. Ядерные силы притяжения протонов внутри ядра примерно в 100 раз превосходят силу электрического отталкивания протонов. Более мощных сил, чем ядерные, в природе не наблюдается.
3. Ядерные силы притяжения являются короткодействующими: радиус их действия составляет около м. Это и есть размер ядра — именно на таком расстоянии друг от друга нуклоны удерживаются ядерными силами. При увеличении расстояния ядерные силы очень быстро убывают; если расстояние между нуклонами станет равным м, ядерные силы почти полностью исчезнут.

На расстояниях, меньших м, ядерные силы становятся силами отталкивания.

Сильное взаимодействие относится к числу фундаментальных — его нельзя объяснить на основе каких-то других типов взаимодействий. Способность к сильным взаимодействиям оказалась свойственной не только протонам и нейтронам, но и некоторым другим элементарным частицам; все такие частицы получили название адронов. Электроны и фотоны к адронам не относятся — они в сильных взаимодействиях не участвуют.

к оглавлению ▴

Атомная единица массы.

Массы атомов и элементарных частиц чрезвычайно малы, и измерять их в килограммах неудобно. Поэтому в атомной и ядерной физике часто применяется куда более мелкая единица — так
называемая атомная единица массы (сокращённо а. е. м.).

По определению, атомная единица массы есть 1/12 массы атома углерода . Вот её значение с точностью до пяти знаков после запятой в стандартной записи:

а. е. м.кг г.

(Такая точность нам впоследствии понадобится для вычисления одной очень важной величины, постоянно применяющейся в расчётах энергии ядер и ядерных реакций.)

Оказывается, что 1 а. е. м., выраженная в граммах, численно равна величине, обратной к постоянной Авогадро моль:

моль.

Почему так получается? Вспомним, что число Авогадро есть число атомов в 12г углерода. Кроме того, масса атома углерода равна 12 а. е. м. Отсюда имеем:

г а. е. м.,

поэтому а. е. м.=г, что и требовалось.

Как вы помните, любое тело массы m обладает энергией покоя E, которая выражается формулой Эйнштейна:

. (1)

Выясним, какая энергия заключена в одной атомной единице массы. Нам надо будет провести вычисления с достаточно высокой точностью, поэтому берём скорость света с пятью знаками после запятой:

м/с.

Итак, для массы а. е. м. имеем соответствующую энергию покоя :

Дж. (2)

В случае малых частиц пользоваться джоулями неудобно — по той же причине, что и килограммами. Существует гораздо более мелкая единица измерения энергии — электронвольт (сокращённо эВ).

По определению, 1 эВ есть энергия, приобретаемая электроном при прохождении ускоряющей разности потенциалов 1 вольт:

эВ КлВ Дж. (3)

(вы помните, что в задачах достаточно использовать величину элементарного заряда в виде Кл, но здесь нам нужны более точные вычисления).

И вот теперь, наконец, мы готовы вычислить обещанную выше очень важную величину — энергетический эквивалент атомной единицы массы, выраженный в МэВ. Из (2) и (3) получаем:

эВ . (4)

Итак, запоминаем: энергия покоя одной а. е. м. равна 931,5 МэВ. Этот факт вам неоднократно встретится при решении задач.

В дальнейшем нам понадобятся массы и энергии покоя протона, нейтрона и электрона. Приведём их с точностью, достаточной для решения задач.

а. е. м., МэВ;
а. е. м., МэВ;
а. е. м., МэВ.

к оглавлению ▴

Дефект массы и энергия связи.

Мы привыкли, что масса тела равна сумме масс частей, из которых оно состоит. В ядерной физике от этой простой мысли приходится отвыкать.

Давайте начнём с примера и возьмём хорошо знакомую нам -частицу ядро . В таблице (например, в задачнике Рымкевича) имеется значение массы нейтрального атома гелия: она равна 4,00260 а. е. м. Для нахождения массы M ядра гелия нужно из массы нейтрального атома вычесть массу двух электронов, находящихся в атоме:

а. е. м.

В то же время, суммарная масса двух протонов и двух нейтронов, из которых состоит ядро гелия, равна:

а. е. м.

Мы видим, что сумма масс нуклонов, составляющих ядро, превышает массу ядра на

а. е. м.

Величина называется дефектом массы. В силу формулы Эйнштейна (1) дефекту массы отвечает изменение энергии:

МэВ:

Величина обозначается также и называется энергией связи ядра . Таким образом, энергия связи -частицы составляет приблизительно 28 МэВ.

Каков же физический смысл энергии связи (и, стало быть, дефекта масс)?

Чтобы расщепить ядро на составляющие его протоны и нейтроны, нужно совершить работу против действия ядерных сил. Эта работа не меньше определённой величины ; минимальная работа по разрушению ядра совершается в случае, когда высвободившиеся протоны и нейтроны покоятся.

Ну а если над системой совершается работа, то энергия системы возрастает на величину совершённой работы. Поэтому суммарная энергия покоя нуклонов, составляющих ядро и взятых по отдельности, оказывается больше энергии покоя ядра на величину .

Следовательно, и суммарная масса нуклонов, из которых состоит ядро, будет больше массы самого ядра. Вот почему возникает дефект массы.

В нашем примере с -частицей суммарная энергия покоя двух протонов и двух нейтронов больше энергии покоя ядра гелия на 28 МэВ. Это значит, что для расщепления ядра на составляющие его нуклоны нужно совершить работу, равную как минимум 28 МэВ. Эту величину мы и назвали энергией связи ядра.

Итак, энергия связи ядра — это минимальная работа, которую необходимо совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны.

Энергия связи ядра есть разность энергий покоя нуклонов ядра, взятых по отдельности, и энергии покоя самого ядра. Если ядро массы состоит из протонов и нейтронов, то для энергии связи имеем:

.

Величина , как мы уже знаем, называется дефектом массы.

к оглавлению ▴

Удельная энергия связи.

Важной характеристикой прочности ядра является его удельная энергия связи, равная отношению энергии связи к числу нуклонов:

.

Удельная энергия связи есть энергия связи, приходящаяся на один нуклон, и имеет смысл средней работы, которую необходимо совершить для удаления нуклона из ядра.

На рис. 1 представлена зависимость удельной энергии связи естественных (то есть встречающихся в природе 1) изотопов химических элементов от массового числа A.

Рис. 1. Удельная энергия связи естественных изотопов

Элементы с массовыми числами 210–231, 233, 236, 237 в естественных условиях не встречаются. Этим объясняются пробелы в конце графика.

У лёгких элементов удельная энергия связи возрастает с ростом , достигая максимального значения 8,8 МэВ/нуклон в окрестности железа (то есть в диапазоне изменения примерно от 50 до 65). Затем она плавно убывает до величины 7,6 МэВ/нуклон у урана .

Такой характер зависимости удельной энергии связи от числа нуклонов объясняется совместным действием двух разнонаправленных факторов.

Первый фактор — поверхностные эффекты. Если нуклонов в ядре мало, то значительная их часть находится на поверхности ядра. Эти поверхностные нуклоны окружены меньшим числом соседей, чем внутренние нуклоны, и, соответственно, взаимодействуют с меньшим числом соседних нуклонов. При увеличении доля внутренних нуклонов растёт, а доля поверхностных нуклонов — падает; поэтому работа, которую нужно совершить для удаления одного нуклона из ядра, в среднем должна увеличиваться с ростом .

Однако с возрастанием числа нуклонов начинает проявляться второй фактор — кулоновское отталкивание протонов. Ведь чем больше протонов в ядре, тем большие электрические силы отталкивания стремятся разорвать ядро; иными словами, тем сильнее каждый протон отталкивается от остальных протонов. Поэтому работа, необходимая для удаления нуклона из ядра, в среднем должна уменьшаться с ростом .

Пока нуклонов мало, первый фактор доминирует над вторым, и потому удельная энергия связи возрастает.

В окрестности железа действия обоих факторов сравниваются друг с другом, в результате чего удельная энергия связи выходит на максимум. Это область наиболее устойчивых, прочных ядер.

Затем второй фактор начинает перевешивать, и под действием всё возрастающих сил кулоновского отталкивания, распирающих ядро, удельная энергия связи убывает.

к оглавлению ▴

Насыщение ядерных сил.

Тот факт, что второй фактор доминирует у тяжёлых ядер, говорит об одной интересной особенности ядерных сил: они обладают свойством насыщения. Это означает, что каждый нуклон в большом ядре связан ядерными силами не со всеми остальными нуклонами, а лишь с небольшим числом своих соседей, и число это не зависит от размеров ядра.

Действительно, если бы такого насыщения не было, удельная энергия связи продолжала бы возрастать с увеличением — ведь тогда каждый нуклон скреплялся бы ядерными силами со всё большим числом нуклонов ядра, так что первый фактор неизменно доминировал бы над вторым. У кулоновских сил отталкивания не было бы никаких шансов переломить ситуацию в свою пользу!