Komentarze do matury z fizyki 2024
Matura z fizyki w 2024 roku była łatwiejsza niż w latach poprzednich. Zawierała wiele typowych zadań sprawdzających znajomość podstawowych praw i zasad fizyki. Zadania rachunkowe nie wymagały wykonywania złożonych obliczeń matematycznych. Wszystkie wzory niezbędne do rozwiązania zadań znajdowały się na karcie wzorów lub były podane w treści zadań. Zadania wymagały m.in. znajomości podstawowych wzorów, wyciągania wniosków na podstawie schematów, wykresów i wzorów, odczytywania danych z wykresu, rysowania wektorów i wykonywania podstawowych przekształceń matematycznych.
Tegoroczna matura zawierała zadania z dynamiki, drgań harmonicznych, fal mechanicznych, grawitacji, dynamiki bryły sztywnej, elektrostatyki, prądu elektrycznego, termodynamiki, optyki, relatywistyki i fizyki jądrowej. Nie pojawiły się natomiast zadania z hydrostatyki, fizyki atomowej, kinematyki i magnetyzmu.
Na kursie rozwiązaliśmy bardzo dużo zadań ze wszystkich wymaganych działów fizyki. Wiele podobnych zadań omówiłam i rozwiązałam na kursie. Poza tym kursanci przez cały rok rozwiązywali zadania z repetytorium i arkusze z poprzednich lat.
Poniżej przedstawiam odpowiedzi, komentarze i uwagi do wszystkich tegorocznych zadań maturalnych.
Zadanie 1.1 Odpowiedź B2. W zadaniu należało zapisać równanie wynikające z drugiej zasady dynamiki Newtona i zauważyć, że wraz ze wzrostem prędkości kropli przyspieszenie kropli zmniejsza się.
ma↓=mg-kρSv^2↑
Zadanie 1.2 Na diagramie 1 należało narysować wektor siły oporu skierowany do góry o długości 8 kratek, ponieważ w danej chwili kropla porusza się ze stałą prędkością, więc zgodnie z I zasadą dynamiki Newtona siły działające na spadającą kroplę równoważą się (F_g=F_O).
Na diagramie 2 należało narysować wektor siły oporu o długości 2 kratek. Z wykresu odczytujemy, że prędkość kropli w zadanym momencie (t_B) jest dwukrotnie mniejsza niż gdy porusza się ruchem jednostajnym (t_(D,E,F)). Siła oporu ruchu jest proporcjonalna do kwadratu prędkości kropli. Zatem, jeśli prędkość maleje dwukrotnie, to siła oporu zmniejsza się 4-krotnie. Siła oporu= 8 kratek : 4= 2 kratki.
Zadanie 1.3 Odpowiedź: v_E=√((4ρ_w Rg)/(3kρ_p )) . W zadaniu należało skorzystać z I zasady dynamiki Newtona; wyrazić masę kropli za pomocą gęstości wody i objętości kuli oraz pamiętać, że pole przekroju poprzecznego przez środek kuli jest polem koła o promieniu R.
Zadanie 2.1 Odpowiedź: E_(kin post)/〖E 〗_(kin całk) =2/3 Jeżeli walec toczy się, to całkowita energia kinetyczna jego ruchu jest sumą energii kinetycznej ruchu postępowego ((mv^2)/2) oraz obrotowego ((Iω^2)/2). Należy pamiętać o związku między prędkością liniową a kątową walca.
Zadanie 2.2 Odpowiedź: a=2 m/s^2 W zadaniu należało zapisać dynamiczne równania ruchu walca odpowiednio dla ruchu postępowego (F_wyp=F-T) oraz obrotowego (M_wyp=Iε). Poza tym należy pamiętać o związku między przyspieszeniem stycznym a przyspieszeniem kątowym w przypadku toczenia bez poślizgu.
Zadanie 3.1 Odpowiedź: F,P,P. 1. W chwili t=0,2s prędkość ciężarka wynosi zero, więc ciężarek zatrzymał się i jest w skrajnym położeniu. Siły nie równoważą się. 2. W zadanych chwilach ciężarek ma prędkość o maksymalnej wartości, więc energie kinetyczne ciężarka w tych momentach są jednakowe. 3. W chwili t=0,5s ciężarek przechodzi przez położenie równowagi, więc jego przyspieszenie wynosi zero. W chwili t=0,4s ciężarek osiąga skrajne położenie a wtedy wypadkowa działających sił jest największa i nadaje mu największe przyspieszenie.
Zadanie 3.2 Odpowiedź F_s>F_g. W punkcie P siła sprężystości sprężyny jest większa niż ciężar ciężarka i skierowana do góry a ciężar w dół.
Zadanie 3.3 Odpowiedź: F_(s max)=m((2πv_max)/T+g) W zadaniu należało wykorzystać dane z wykresu czyli odczytać okres drgań T=0,4s oraz prędkość maksymalną ciężarka. Jednym ze sposobów wyznaczenia siły sprężystości w tym położeniu jest zauważenie, że F_(s max)=k(A+x_0), gdzie x_0 jest długością o jaką rozciągnie się sprężyna, gdy zawiesimy na niej ciężarek. Amplitudę wyznaczymy znając maksymalną prędkość a k wyznaczymy z okresu drgań. Inny sposób, to wykorzystanie siły wypadkowej działającej na ciężarek w tym położeniu, która osiąga maksymalną wartość i nadaje maksymalne przyspieszenie czyli F_(wyp max)=F_(s max)-F_g.
Zadanie 4.1 Odpowiedź: P,P,P 1. Jeżeli źródło dźwięku oddala się od nieruchomego obserwatora, to obserwator rejestruje dźwięk o częstotliwości mniejszej niż f_0 . 2. Częstotliwość dźwięku jaką rejestruje nieruchomy obserwator przy oddalaniu się źródła dźwięku wyznaczamy z zależności: f_ob=f_0 v_dź/(v_dź+v). Jeżeli ambulans zaczyna hamować, to v maleje, mianownik ułamka też maleje, więc wartość ułamka rośnie. Zatem częstotliwość rejestrowana przez obserwatora zaczyna rosnąć. 3. Jeżeli ambulans przyspiesza, to v rośnie, mianownik ułamka rośnie a cały ułamek maleje. Częstotliwość rejestrowana przez obserwatora zaczyna maleć.
Zadanie 4.2 Odpowiedź: 30,9 m/s W zadaniu należy wykorzystać związek między prędkością fali, częstotliwością i długością fali oraz odpowiednie wyrażenia na częstotliwość fali dźwiękowej rejestrowanej przez nieruchomego obserwatora przy zbliżaniu się i oddalaniu się źródła dźwięku.
Zadanie 5.1 Odpowiedź: P,P,F 1. Zdanie opisuje prawo powszechnego ciążenia. 2. Należy skorzystać z definicji środka masy i dla układu mas wyznaczyć współrzędną położenia punktu S w jednowymiarowym układzie współrzędnych a następnie dokonać przekształceń otrzymanego wyrażenia do szukanej postaci. 3. Odległość r między Ziemią a Księżycem zmienia się w czasie, więc F_g=(GM_K M_Z)/r^2 też zmienia się w czasie.
Zadanie 5.2 Odpowiedź: 3,46∙10^5 km W punkcie P należy umieścić masę próbną m i narysować siły na nią działające. Jeżeli wypadkowa tych sił grawitacji wynosi zero, to siły te równoważą się.
Zadanie 6 Odpowiedź: E_S=2kq/a^2 . W punkcie S należy umieścić ładunek próbny 〖+q〗_0, wyznaczyć trzy wektory natężenia pól elektrycznych a następnie wektorowo je dodać.
Zadanie 7.1 Odpowiedź: F,P,P 1. Prąd płynący przez amperomierz zgodnie z I prawem Kirchhoffa rozdziela się na dwa prądy. 2. Przez te oporniki płynie taki sam prąd a oporniki mają ten sam opór, więc zgodnie z prawem Ohma napięcia na nich są jednakowe. 3. Przez górną gałąź (2R) popłynie prąd o mniejszym natężeniu niż przez dolną (R), ponieważ opór całkowity górnej gałęzi jest większy.
Zadanie 7.2 Odpowiedź C1 Opornik R_3 znajduje się między węzłami X i Y. Między tymi węzłami znajduje się również źródło napięcia (U). Zatem napięcie na tym oporniku w obydwu sytuacjach wynosi U. Moc cieplna zależy od napięcia i oporu według zależności: P=U^2/R . Jeżeli napięcie i opór nie ulegają zmianie, to moc pozostanie taka sama.
Zadanie 7.3 Odpowiedź: I_A2/I_A1 =2/3 W zadaniu należy obliczyć opór zastępczy układu 1 oraz zapisać prawo Ohma dla obydwu przypadków.
Zadanie 8.1 Odpowiedź: |Q_pob |=11,5p_1 V_1 Dla silnika cieplnego zapisujemy zależność: Q_pob=W_uż+Q_odd a pracę użyteczną obliczamy jako pole powierzchni prostokąta ograniczonego wykresami 1-2-3-4.
Zadanie 8.2 Odpowiedź: |〖∆U〗_41 |=3p_1 V_1 Zmianę energii wewnętrznej wyznaczamy z I zasady termodynamiki: 〖∆U〗_41=-Q_41+W_(sił zewn.). Temperatura gazu przy przejściu z punktu 4 do 1 maleje, więc gaz oddaje ciepło w tej przemianie. Gaz jest sprężany, więc siła zewnętrzna wykonuje dodatnią pracę. Ciepło w przemianie izobarycznej wyznaczamy z definicji Q=nC_p ∆T a pracę sił jako pole pod wykresem 4-1. Temperaturę w punktach 1 i 4 wyznaczamy z równania Clapeyrona.
Zadanie 9.1 Odpowiedź:〖 d〗_2=6mm. Na rysunku zaznaczamy odcinki o długości ogniskowych soczewek. Zauważamy podobieństwo (kkk) dwóch trójkątów równoramiennych o podstawach d i wysokościach f. Zapisujemy odpowiednią proporcję.
Zadanie 9.2 Zaznaczamy ogniska soczewki rozpraszającej F_R. Następnie rysujemy dalszy bieg promieni po przejściu przez soczewkę R. Promienie te padną na soczewkę skupiającą. Aby po przejściu przez soczewkę skupiającą biegły równolegle do osi optycznej, to muszą wyjść z ogniska tej soczewki. To oznacza, że lewe ognisko soczewki rozpraszającej jest także lewym ogniskiem soczewki skupiającej.
Zadanie 10.1 Odpowiedź E_B/E_0 =1,34 . Należy zauważyć, że prędkość elektronu jest bardzo duża i do problemu energii elektronu należy zastosować podejście relatywistyczne (E_B=γE_0).
Zadanie 10.2 Odpowiedź: U_AB=1,74∙10^5 V Korzystamy z faktu, że pole elektryczne wykonuje nad ładunkiem pracę, której efektem jest przyspieszenie ładunku, więc 〖W 〗_pola=eU_AB=E_(kin.el). Energię kinetyczną relatywistycznego elektronu wyznaczamy z zależności E_(kin.el.)=E_B-E_0.
Zadanie 11.1 Odpowiedź: T_(1/2)=110 minut. Z wykresu odczytujemy po jakim czasie połowa początkowej liczny jąder izotopu fluoru uległa rozpadowi, czyli N_r=0,5N_0.
Zadanie 11.2 Odpowiedź: (_9^18)F→(_8^18)X+(_1^0)β^+ Szukany izotop to tlen (_8^18)O.
Zadanie 11.3 Odpowiedź: E_(kin.prod.)≈0,63MeV W zadaniu należało zapisać równanie wynikające z zasady zachowania energii, pamiętając, że energia całkowita jądra/cząstki jest sumą energii spoczynkowej i kinetycznej.
dr Barbara Boruc
wykładowca fizyki Collegium Novum