Энергия протона который движется в ускорителе уменьшилась на некоторую величину
Перейти к содержимому

Энергия протона который движется в ускорителе уменьшилась на некоторую величину

  • автор:

Экзаменационный (типовой) материал ЕГЭ / Физика / 19 задание / 24

Энергия протона, который движется в ускорителе уменьшилась на некоторую величину. Как в результате этого изменятся следующие две величины: кинетическая энергия протона, энергия покоя протона?
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.

Кинетическая энергия протона Энергия покоя протона

Подобные задания можно добавить в готовый типовой вариант и получить свой уникальный КИМ с ответами и критериями.

ESUO | Единая система универсального образования

Сайт является информационным ресурсом и создан в ознакомительных целях. Все задания формируются из открытых источников сети интернет и из образовательных ресурсов Министерства образования РФ и ФИПИ. Мы не храним у себя варианты и не предоставляем официальные КИМы на Государственную итоговую аттестацию. Оплата производится только за функцию конструктора готовых уникальных вариантов.

27 февраля 2023 Пробник ЕГЭ 2023 по физике 11 класс вариант 111 и ответы

егэ 2023 физика вариант задания ответы

Пробник ЕГЭ 2023 по физике 11 класс тренировочный вариант №111 в новом формате реального экзамена ЕГЭ 2023 года ФИПИ от easy-physi, задания, ответы и решения для подготовки. А также видео разбор варианта.

Пробник ЕГЭ 2023 по физике вариант 111

Задание 1. Тело, движущееся равноускоренно с начальной скоростью 7 м/с, пройдя некоторое расстояние, приобретает скорость 17 м/с. Какова была скорость тела в тот момент времени, когда оно прошло половину расстояния?

Задание 2. Однородная цепочка длиной 2 м лежит на столе. Когда часть цепочки длиной 0,2 м опускают со стола, она начинает скользить вниз. Масса цепочки 5 кг, а сила трения между столом и цепочкой составляет 0,1 веса цепочки. Какая работа против силы трения совершается при соскальзывании цепочки?

Задание 3. Имеются три математических маятника с периодами 2, 6 и 9 с. Нити этих маятников соединили, получив из трех один маятник. Каков период его колебаний?

Задание 4. Груз, подвешенный на лёгкой пружине жёсткостью 100 Н/м, совершает вертикальные колебания. На рисунке изображены графики зависимости смещения груза x и проекции скорости груза Vx от времени t. На основании анализа приведённых графиков, выберите все верные утверждения и укажите в ответе их номера.

  • 1) Круговая частота ω колебаний груза равна 10 рад/с.
  • 2) Период колебаний груза равен (0,2π) с.
  • 3) Максимальное ускорение груза равно по модулю 800 см/с2 .
  • 4) Масса груза равна 1 кг.
  • 5) Максимальная потенциальная энергия упругой деформации пружины равна 4 кДж.

Задание 5. Пробковый шар объемом �� привязан ко дну конического сосуда с водой так, что нить вертикальна, а шар касается гладкой стенки сосуда. Угол между горизонтальным дном и стенкой сосуда ��. Плотности воды и пробки �� и ��1. Как изменится сила Архимеда, действующая на шар, и сила натяжения нити, если неподвижный сосуд начать двигать с постоянным горизонтальным ускорением ��? Для каждой величины определите соответствующий характер её изменения:

  • 1) увеличивается
  • 2) уменьшается
  • 3) не изменяется

Задание 7. Резервуар объема ��1 = 50 л соединили с резервуаром объема ��2 = 15 л с помощью короткой трубки, в которой имеется специальный клапан давления, позволяющий газу просачиваться из большого резервуара в малый, если давление в большом резервуаре превышает давление в малом на ∆�� = 88 мм рт. ст. Сначала при ��0 = 290 К большой резервуар содержит газ при нормальном атмосферном давлении, а меньший – откачан до состояния вакуума. Каким будет давление ��2 в малом резервуаре, если всю систему нагреть до ��1 = 162℃? Ответ округлить до целых кПа.

Задание 8. На рисунке представлены два термометра, используемые для определения относительной влажности воздуха с помощью психрометрической таблицы (на рисунке слева), в которой влажность воздуха указана в процентах. Каковы показания влажного термометра, если разность показаний сухого и влажного термометров составила 4℃, и достоверно известно, что влажность в помещении 61%?

Задание 9. График циклического процесса, происходящего с идеальным одноатомным газом, изображен на рисунке. Определите работу ��, совершенную газом в этом процессе, если количество газа �� = 3 моль, ��1 = 400 К, ��2 = 800 К, ��4 = 1200 К. Ответ дать в кДж, округлив до целых.

Задание 10. С одним молем идеального одноатомного газа совершают циклический процесс 1—2—3—4— 1 (см. рис.). Выберите все верные утверждения относительно этого процесса:

  • 1) КПД данного цикла меньше, чем КПД идеальной тепловой машины, работающей при тех же максимальной и минимальной температурах, в 8 раз.
  • 2) КПД данного цикла меньше, чем КПД идеальной тепловой машины, работающей при тех же максимальной и минимальной температурах, в 10 раз.
  • 3) КПД идеальной тепловой машины, работающей при тех же максимальной и минимальной температурах, равен 23 24 .
  • 4) КПД идеальной тепловой машины, работающей при тех же максимальной и минимальной температурах, равен 24 25 .
  • 5) Работа газа в процессе 12 больше, чем в процессе 23.

Задание 12. Значения сопротивлений резисторов, из которых собран участок цепи, приведены в омах, сопротивление перемычки АВ пренебрежимо мало. Найти ток во внешней цепи, если через перемычку АВ протекает ток 3 А.

Задание 13. Определить индуктивность соленоида, в котором при равномерном увеличении тока на ∆�� = 2 А энергия магнитного поля увеличивается на ∆�� = 10−2 Дж. Средняя сила тока в цепи 5 А. Ответ дать в мГн.

Задание 14. Луч света падает на горизонтально расположенное плоское зеркало. Угол между падающим и отражённым лучами равен 60°. Каким станет угол между этими лучами, если, не меняя положения источника света, повернуть зеркало на 10°, как показано на рисунке? Ответ дайте в градусах.

Задание 15. В вершинах правильного шестиугольника со стороной �� помещаются точечные заряды одинаковой величины ��. Выберите все верные утверждения.

  • 1) Потенциал в центре шестиугольника при условии, что знак всех зарядов одинаков, отличен от нуля.
  • 2) Потенциал в центре шестиугольника при условии, что знаки соседних зарядов противоположны, отличен от нуля.
  • 3) Напряженность поля в центре шестиугольника при условии, что знак всех зарядов одинаков, отлична от нуля.
  • 4) Напряженность поля в центре шестиугольника при условии, что знаки соседних зарядов противоположны, отлична от нуля
  • 5) Напряженность поля в центре шестиугольника и при условии, что знаки соседних зарядов одноименны, и при условии, что знаки соседних зарядов противоположны, равна нулю.

Задание 16. Металлическое кольцо находится в однородном магнитном поле, линии индукции которого перпендикулярны плоскости кольца. Проводя первый опыт, модуль индукции магнитного поля равномерно уменьшают от начального значения B0 до нуля за некоторое время. Во втором опыте модуль индукции магнитного поля снова равномерно уменьшают от B0 до нуля, но в два раза быстрее. Как изменятся во втором опыте по сравнению с первым возникающая в кольце ЭДС индукции и протёкший по кольцу электрический заряд? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

  • 1) увеличится
  • 2) уменьшится
  • 3) не изменится

Задание 17. На рис. 1 изображена электрическая схема идеального колебательного контура, состоящего из конденсатора ёмкостью C, катушки индуктивностью L и ключа. Конденсатор заряжают до некоторого начального напряжения U0, а затем в момент времени t0 = 0 замыкают ключ. На рис. 2 показан график зависимости заряда q левой обкладки этого конденсатора от времени t.

Задание 18. Образец радиоактивного полония 84���� 218 находится в закрытом сосуде, из которого откачан воздух. Ядра полония испытывают ��-распад с периодом полураспада 3 мин. Определите число моль полония-218 в сосуде через 9 мин., если образец в момент его помещения в сосуд имел в своём составе 2,4 ∙ 1023 атомов полония-218. Ответ дайте в молях.

Задание 19. Энергия протона, который движется в ускорителе уменьшилась на некоторую величину. Как в результате этого изменятся следующие две величины: скорость протона, кинетическая энергия протона? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

  • 1) увеличится
  • 2) уменьшится
  • 3) не изменится

Задание 20. Выберите все верные утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях. Запишите цифры, под которыми они указаны.

  • 1) Работа силы тяжести по перемещению тела между двумя заданными точками зависит от соединяющей их траектории.
  • 2) В ходе процесса кипения жидкости её температура не меняется, а внутренняя энергия системы «жидкость и её пар» уменьшается.
  • 3) Модуль сил взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел в вакууме прямо пропорционален модулю каждого из зарядов.
  • 4) Энергия магнитного поля катушки индуктивностью L увеличивается прямо пропорционально увеличению силы тока в катушке.
  • 5) Атом излучает свет при переходе из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией.

Задание 21. Даны следующие зависимости физических величин: А) зависимость модуля скорости тела от его кинетической энергии; Б) зависимость давления идеального газа от времени при медленном изобарическом нагревании газа; В) зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектрона от частоты падающего на металл света.

Задание 22. В мерный стакан налита вода. Укажите объём воды (в мл) с учётом погрешности измерения, учитывая, что погрешность составляет половину цены деления мерного стакана. В ответе запишите значение и погрешность слитно без пробела.

Задание 23. Нужно провести лабораторную работу с целью обнаружения зависимости сопротивления цилиндрического проводника от площади его поперечного сечения. Какие два проводника из перечисленных в таблице необходимо выбрать, чтобы провести такое исследование?

Задание 24. Четверо ребят на двух санях перевезли по одному и тому же пути металлолом. Веревки они натягивали с одинаковой силой, но ребята одной пары шли рядом, а другой пары – поодаль друг от друга. Которая из пар совершила большую работу? Ответ обоснуйте.

Задание 25. Газ находится в вертикальном цилиндре с площадью основания 0,1 м2 при температуре 0℃. На расстоянии 0,8 м от дна цилиндра находится поршень массой 15 кг. Атмосферное давление нормальное. Какую работу совершит газ при его нагревании на 25℃?

Задание 27. В длинной гладкой теплоизолированной трубе находятся теплоизолированные поршни массами ��1и ��2, между которыми в объеме ��0 находится одноатомный газ при давлении ��0. Поршни отпускают. Определите их максимальные скорости, если масса газа много меньше массы каждого поршня

Задание 28. Замкнутый контур из тонкой проволоки помещён в магнитное поле. Плоскость контура перпендикулярна вектору магнитной индукции поля. Площадь контура �� = 2 ∙ 10−3 м 2 . В контуре возникают колебания тока с амплитудой ���� = 35 мА, если магнитная индукция поля меняется с течением времени в соответствии с формулой �� = �� ������(����), где �� = 6 ∙ 10−3 Тл, �� = 3500 c -1 . Чему равно электрическое сопротивление контура ��?

Задание 29. Две плоско-выпуклые тонкие стеклянные линзы соприкасаются своими сферическими поверхностями. Найти оптическую силу такой системы, если в отраженном свете с �� = 0,6 мкм диаметр пятого светлого кольца �� = 1,5 мм.

Задание 30. На рисунке изображена система из трёх брусков, имеющих форму прямоугольных параллелепипедов, соединённых с помощью двух блоков и нерастяжимой натянутой нити. Массы брусков ��1 = 5��, ��2 = �� и ��3 = 3��. Блоки сначала удерживают неподвижно на горизонтальной поверхности, затем аккуратно отпускают. Все поверхности гладкие. С каким по величине ускорением начнёт движение брусок 1? Ответ выразите в м/с2 , округлив до сотых. Ускорение свободного падения считайте равным �� = 9,8 м/с2 .

Пробник ЕГЭ 2023 по физике 11 класс вариант 117 задания и ответы

егэ 2023 физика вариант задания ответы

1. Конец однородной балки массой �� = 4,5 кг шарнирно закреплён в жёсткой опоре, относительно которой эта балка может свободно вращаться в вертикальной плоскости. Балка покоится в горизонтальном положении, опираясь на две жёсткие вертикальные пружины, одна из которых (первая) находится под серединой балки, а вторая — под её свободным концом. Известно, что коэффициент жёсткости первой пружины в два раза больше, чем второй. Найдите величину силы реакции шарнира. Для расчётов принять ускорение свободного падения равным �� ≈ 10 м/с2 . Ответ выразите в ньютонах, округлив до целого числа.

2. Какую работу надо совершить, чтобы медленно втащить сани с грузом (общей массой 30 кг) на гору высотой �� = 10 м? Угол наклона горы �� = 30°. Коэффициент трения между санями и горой линейно убывает вдоль пути от ��1 = 0,5 у подножия горы до ��2 = 0,1 у ее вершины. Скорость саней в конце подъема равна нулю. Ответ дать в кДж и округлить до десятых.

3. Гидравлический пресс с двумя поршнями разного диаметра закреплен на бетонном полу в цехе. К штоку поршня большего диаметра прижат ящик. Минимальная сила, которую нужно приложить к штоку поршня меньшего диаметра, для того чтобы сдвинуть ящик, равна ��1 = 40 Н. Если ящик установить возле штока поршня меньшего диаметра, то для того, чтобы сдвинуть его с места, к противоположному штоку придется приложить силу ��2 = 90 Н. Какую минимальную силу F необходимо приложить к отдельно стоящему ящику, чтобы сдвинуть его с места? Учитывайте трение только между ящиком и полом.

4. Недеформируемый однородный стержень массой 3 кг подвешен к горизонтальному недеформируемому потолку на трёх одинаковых жёстких пружинах (деформации пружин малы, стержень практически горизонтален, а пружины вертикальны). Первая пружина прикреплена к одному из концов стержня, вторая — к середине стержня, а третья точно посередине между ними. На основании анализа условия, выберите все верные утверждения и укажите в ответе их номера.

  • 1) Величина силы упругости первой пружины 5 Н;
  • 2) Величина силы упругости второй пружины 20 Н;
  • 3) Величина силы упругости третьей пружины 10 Н;
  • 4) Величина силы упругости первой пружины 10 Н;
  • 5) Величина силы упругости второй пружины 25 Н;
  • 6) Величина силы упругости третьей пружины 15 Н

5. Точечное тело равномерно тянут по шероховатой поверхности, изображённой на рисунке, прикладывая к телу внешнюю силу, которая всё время параллельна поверхности. Коэффициент трения между бруском и поверхностью одинаков на всём пути. Определите, как изменятся модуль действующей на тело силы трения и модуль действующей на него силы тяжести после перехода тела с горизонтальной поверхности на наклонную. Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

6. На рисунке изображена тележка, которая может двигаться прямолинейно по горизонтальной поверхности стола без трения. К тележке прикреплена горизонтальная ось O, перпендикулярная плоскости рисунка. Вокруг оси O (в плоскости, перпендикулярной ей) может вращаться небольшой шарик массой ��. Шарик укреплен на конце стержня длиной ��. Масса тележки, оси O и ее крепления равна 4��. Массами стержня и колес тележки пренебречь. Вначале тележка покоилась, а стержень удерживался под углом �� = 30° к вертикали. Затем стержень отпустили. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца.

7. При увеличении давления над поверхностью воды ее температура кипения повышается. На газовой плите в кастрюле-скороварке медленно кипела вода при 105°С. Неожиданно произошла разгерметизация кастрюли, и хозяйка сразу же выключила газ. Какая часть воды испарилась к моменту прекращения кипения? Ответ округлить до первой значащей цифры.

8. В герметично закрытом сосуде объемом �� = 1,1 л находятся �� = 100 г кипящей воды и ее пар при температуре 100 °С. Воздуха в сосуде нет. Определите массу пара ��. Зависимостью плотности воды от температуры можно пренебречь. Ответ округлить до сотых.

9. В нижней части цилиндрического сосуда с площадью основания �� = 1 м 2 заключен при нормальных условиях ��0 = 1 м 3 воздуха, который закрыт невесомым поршнем. Воздух под поршнем нагревается на ���� = 1 °С, при этом поршень поднимается. Определить величину работы, которую совершает расширяющийся воздух, перемещая поршень. Ответ округлить до целых.

10. В закрытом сосуде объёмом 8,3 литра находится одноатомный идеальный газ при температуре 127 °C. Начиная с момента времени t = 0 давление p газа изменяется так, как показано на приведённом графике. На основании анализа графика выберите все верные утверждения.

  • 1) Количество теплоты, переданное газу за первые 10 минут, равно 74,7 Дж.
  • 2) Работа газа за первые 10 минут больше, чем работа газа за следующие 10 минут.
  • 3) Изменение внутренней энергии газа за первые 20 минут равно 149,4 Дж.
  • 4) В момент времени t = 25 мин температура газа станет равной 407,5 °С.
  • 5) По заданным в задаче параметрам определить число молей газа в сосуде не представляется возможным.

11. На электроплитке стоит кастрюля, в которую налит некоторый объём воды. Плитку включают, и вода нагревается от 20 °C до 80 °C. Затем в кастрюлю вместо воды наливают тот же объём машинного масла, удельная теплоёмкость которого равна 1700 Дж/(кг·°C), а плотность составляет 900 кг/м3 . Далее масло нагревают от той же начальной температуры до той же конечной температуры, уменьшив мощность плитки в 3 раза. Как во втором опыте по сравнению с первым изменяются количество теплоты, получаемое жидкостью при нагревании, и время нагревания жидкости до конечной температуры? Считайте, что всё количество теплоты, выделяемое плиткой, расходуется на нагревание жидкости. Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

12. Присоединение к амперметру некоторого шунтирующего сопротивления увеличивает предел измерения в три раза. Другое шунтирующее сопротивление увеличивает предел измерения в 7 раз. Во сколько раз увеличится предел измерения амперметра, если в качестве шунта использовать оба этих сопротивления, соединенные параллельно?

13. Положительно заряженная диэлектрическая пластина, создающая однородное электрическое поле напряженностью Е = 104В/м, укреплена на горизонтальной плоскости. На нее с высоты ℎ = 10 см падает с нулевой начальной скоростью шарик массой �� = 20 г, имеющий положительный заряд �� = 10−5 Кл. Какой импульс передаст шарик пластине при абсолютно неупругом ударе?

14. Два шара, один диаметром ��1 = 10 см и зарядом ��1 = 6 · 10−10 Кл, другой — ��2 = 30 см и ��2 = −2 · 10−9 Кл, соединяются длинной тонкой проволокой. Какой заряд переместится по ней?

15. На рисунке изображён график зависимости напряжения U между обкладками конденсатора в колебательном контуре от времени t. Ёмкость конденсатора равна 10 мкФ. Выберите все верные утверждения об этом колебательном контуре.

  • 1) Сила тока в колебательном контуре изменяется с частотой 250 Гц.
  • 2) Период изменения энергии электрического поля конденсатора равен 4 мс.
  • 3) Максимальный заряд конденсатора равен 20 мкКл.
  • 4) Индуктивность катушки колебательного контура примерно равна 0,16 Гн.
  • 5) В момент времени 4 мс сила тока в контуре равна нулю.

16. Как изменится емкость плоского конденсатора, если между его обкладками будет вдвинута: а) пластинка из диэлектрика (�� > 1); б) пластинка из проводника? Толщина каждой пластинки равна половине расстояния между обкладками. Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

17. Заряженная частица, имеющая положительный заряд ��, движется перпендикулярно линиям индукции однородного магнитного поля по окружности радиусом R с периодом обращения Т. Модуль импульса частицы равен р. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, выражающими их в рассматриваемой задаче. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

18. Неподвижное ядро изотопа радона 86���� 220 распадается с испусканием �� −частицы. При этом ядро, образовавшееся в результате распада, и �� −частица движутся в противоположных направлениях. Определите скорость образовавшегося ядра, если скорость �� −частицы ���� = 1,6 ∙ 107 м с.

19. Энергия протона, который движется в ускорителе уменьшилась на некоторую величину. Как в результате этого изменятся следующие две величины: кинетическая энергия протона, энергия покоя протона? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

20. Выберите все верные утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях. Запишите в ответ их номера.

  • 1) В инерциальной системе отсчёта импульс системы тел сохраняется, если сумма внешних сил равна нулю.
  • 2) Процесс конденсации жидкостей происходит с поглощением большого количества теплоты.
  • 3) В процессе электризации трением два первоначально незаряженных тела приобретают разноимённые и равные по модулю заряды.
  • 4) В цепи постоянного тока во всех параллельно соединённых резисторах протекает одинаковый электрический ток.
  • 5) В процессе альфа-распада происходит испускание радиоактивным веществом ядер атомов гелия.

21. Даны следующие зависимости величин: А) зависимость потенциальной энергии гравитационного взаимодействия от высоты, на которую поднято тело (считать нулевым уровнем потенциальной энергии поверхность Земли); Б) зависимость электроёмкости плоского конденсатора от расстояния между пластинами; В) зависимость давления идеального газа от температуры при изотермическом процессе. 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.

22. Толя взял стрелочный вольтметр, рассчитанный на измерение напряжения не более 4 В, и решил увеличить его предел измерений до 12 В. Для этого Толя припаял к одному из выходов вольтметра дополнительный резистор и переградуировал шкалу прибора, получив тем самым вольтметр с увеличенным внутренним сопротивлением и расширенным диапазоном измерений. То есть, когда вольтметр по старой шкале показывал значение напряжения 4 В, на новой шкале стрелка указывала на деление в 12 В.

  • 1) Если напряжение на последовательно соединённых вольтметре и дополнительном резисторе составляет 12 В, а напряжение на вольтметре составляет 4 В, то чему равно напряжение на резисторе?
  • 2) Если считать, что внутреннее сопротивление вольтметра составляет 1 кОм, то чему равно сопротивление дополнительного резистора, который Толя припаял к вольтметру?
  • 3) Точность изготовления резисторов на заводе составляет ± 5%. В каком диапазоне может лежать суммарная величина напряжения на резисторе и вольтметре, если вольтметр по старой шкале показывает 1 В? Считайте показания вольтметра по старой шкале точными. В ответ запишите то, что получилось при решении пункта 3, в формате (��1; ��2)

23. Вам необходимо исследовать силу, необходимую для отрыва от поверхности жидкости смачиваемого этой жидкостью диска в зависимости от площади этого диска. Имеется следующее оборудование: — набор из трех деревянных дисков разного радиуса с креплением в центре; — неограниченный набор из грузов, масса каждого 1 г; — штатив с нитью, блоками и подвесом для дисков и легкой чашей для грузов. Какие еще инструменты и приборы вам понадобятся? В ответе укажите их номера:

24. Металлический стержень А подвешен на непроводящей нити; металлический стержень В закреплен на непроводящей подставке. Расстояние между соседними концами стержней очень мало. Что произойдет со стержнем А, если к противоположному концу стержня В поднести положительно заряженное тело С?

25. В сплошной однородной тонкой пластине, имеющей форму круга радиусом �� и первоначальную массу ��, вырезали отверстие в 2 раза меньшего радиуса, касающееся края пластины. Пластину подвесили на двух невесомых нитях, как показано на рисунке. Найдите силы натяжения нитей.

26. Небольшой шарик с зарядом −�� закреплён неподвижно в вакууме. Ион с зарядом +�� и массой �� запускают так, что он движется по окружности радиуса ��1 вокруг центра шарика равномерно, совершая полный оборот за время ��1 = 5 мс. В другом опыте ион запускают так, что он вращается равномерно по окружности радиуса ��2 = 2��1. Найдите период обращения иона во втором опыте. Силу тяжести не учитывайте. Ответ округлите до целых.

27. С идеальным одноатомным газом проводят циклический процесс. Расширение газа можно описать графиком в виде дуги окружности 1-2 с центром в начале координат на ���� −диаграмме. ��0 и ��0 – некоторые фиксированные давление и объем. Найдите отношение температур в точках 1 и 2.

28. Два одинаковых проводящих диска радиусами �� вращаются с угловыми скоростями ��1 и ��2 (��1 > ��2) в однородном магнитном поле с индукцией ��, перпендикулярной их плоскостям (рис.). Центры дисков с помощью проводников присоединены к конденсатору емкостью ��1 , а ободы – через скользящие контакты к конденсатору емкостью ��2 . Найдите напряжения, которые установятся на конденсаторах.

29. Для разгона космических аппаратов и коррекции их орбит предложено использовать солнечный парус — скрепленный с аппаратом легкий экран большой площади из тонкой пленки, которая зеркально отражает солнечный свет. Мощность W солнечного излучения, падающего на 1 м 2 поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, составляет вблизи Земли 1370 Вт/м2 . Во сколько раз ближе к Солнцу, чем Земля, находится аппарат массой 500 кг (включая массу паруса), снабженный парусом размерами 100 м × 100 м, если давление солнечных лучей сообщает ему дополнительное ускорение 10−4 ��?

30. Сосуд в форме куба, наполненный жидкостью, движется в горизонтальном направлении с ускорением ��. Объем жидкости в сосуде равен половине объема куба, ее масса ��. Определите силы давления жидкости ��1 и ��2 соответственно на переднюю и заднюю стенки сосуда.

Кварковый конструктор. О протоне, его аддонах и спиноффах

В одной из моих публикаций я затрагивал тему распада протона. Суть проблемы: до сих пор не зафиксировано ни одного самопроизвольного распада свободного протона, хотя искусственно «расколоть» протон не составляет труда. Более того, свободные нейтроны вне атома распадаются очень быстро (период полураспада – около 15 минут). Чрезвычайная стабильность протона – залог существования Вселенной и, в частности, залог горения звезд, состоящих в основном из водородной плазмы, то есть, из свободных протонов и свободных электронов (ни те, ни другие частицы в свободном виде не распадаются). При этом не менее интересно, что протон не является подлинно элементарной частицей, а состоит из кварков и глюонов. И здесь у физиков возникают большие вопросы о природе массы протона. С одной стороны, масса протона гораздо больше, чем суммарная масса входящих в него кварков и глюонов. С другой стороны, в 2022 году был поставлен эксперимент, указывающий, что некоторые свойства протона можно объяснить только присутствием в его составе очарованного кварка – а очарованный кварк сам по себе тяжелее протона. Наконец, я кратко остановлюсь на вкладе вещества и антивещества в массу протона, и расскажу о некоторых экзотических частицах, возникающих при этих взаимодействиях. Представление об атомах как о подлинно неделимых частицах продержалось в течение почти всего XIX века. Античная атомистическая идея (сформулированная Левкиппом и развитая Демокритом) оставалась чисто философским конструктом, пока в 1803 году английский ученый Джон Дальтон не экстраполировал её на химическую почву. Он предположил, что сохранение массы при химических реакциях объясняется существованием атомов – элементарных частиц, которыми обмениваются химические элементы. Более того, он выдвинул гипотезу, что именно различия в атомном составе объясняют существование разных соединений между одними и теми же элементами. Атомный вес лежит в основе периодического закона, сформулированного Менделеевым в 1869 году. Правда, уже в 1890-е годы неделимость атома была фактически опровергнута: в 1892 году Хендрик Лоренц, изучая катодные лучи, предположил, что они могут состоять из частиц более мелких, чем атомы – «электронов». В 1894 году Анри Беккерель открыл радиоактивность, свидетельствующую о делимости атомов, а в 1897 году Уильям Томпсон доказал существование электронов. Электрон стал первой из известных элементарных частиц, история открытия которых выходит за рамки этой публикации. Однако, к началу 1940-х и к моменту получения первой управляемой ядерной реакции были сформулированы две фундаментальные модели атома – модель Резерфорда (не учитывавшая квантовую механику) и модель Бора (учитывавшая). Оказалось, что отрицательно заряженные частицы, электроны, находятся на периферии ядра атома, а в центре атома находится ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Ядерные реакции суть расщепление атома. Уже в 1940-е годы появилась возможность изучать продукты ядерных реакций, а значит – изучить, каков состав элементарных частиц, и каковы пределы делимости материи. Классическим аппаратом для описания такой делимости стали диаграммы Фейнмана. Ричард Фейнман (1918 — 1988) широко известен как один из основателей квантовой электродинамики, популяризатор науки и балагур, заявлявший, что «никто не понимает квантовую механику». Но, на мой взгляд, Фейнман замечателен как один из самых молодых участников Манхэттенского проекта. Он на практике понимал, насколько «весомым, грубым зримым» является деление ядра, а также успел осмыслить и формализовать вероятностную природу и сложнейшую предсказуемость деления мельчайших частиц материи. Диаграммы Фейнмана – не столько физика, сколько математика, позволившая описать внутреннюю структуру элементарных частиц. Итак, в 1940-е годы удалось не без труда разработать математический аппарат, описывающий, что происходит при соударениях элементарных частиц в ускорителях. По нынешним временам эти опыты были бы сочтены «низкоэнергетическими», но в середине прошлого века они буквально выплеснулись за передний край науки. Оказалось, что результат распада протона (например, при соударении с другим протоном) является вероятностным и зависит, например, от силы соударения. При этом и масса, и размер всех протонов совершенно одинаковы. Математических уравнений для описания этого парадокса не хватало, поэтому в качестве подспорья и появились «импровизированные» диаграммы Фейнмана, а также возник вопрос: из чего же состоят протоны и нейтроны? В 1960-е годы поиск ответов на эти вопросы привел к открытию кварков и сильного взаимодействия – частиц и явлений, аналога которых в макромире просто не существует. Кварки являются фермионами (как и электрон), но неразделимо связаны в протонах, нейтронах и других частицах сильным взаимодействием. Важнейшее отличие кварков от электрона заключается в дробности их электрического заряда. Поскольку электрический заряд протона выражается целым числом (+1), уточним, в чем суть этой дробности. Заряды кварков складываются так: верхний кварк имеет заряд +2/3, нижний кварк имеет заряд -1/3. Соответственно, суммарный электрический заряд протона равен 2/3 + 2/3 — 1/3 = 3/3 = 1. При этом электрический заряд электрона равен -1. По умолчанию количество протонов и электронов в атоме является равным, поэтому цельный атом электрически нейтрален.

Что происходит внутри протона

Когда в 1960-е годы были открыты кварки, представления о микромире изменились раз и навсегда. Кварки оказались подобны электронам (фермионам) но в свободном виде они не существуют. При распаде крупной элементарной частицы (адрона) образуются не отдельные кварки, а новые элементарные частицы, каждая из которых состоит из целого количества кварков. Оказалось, что такая экзотическая межкварковая связь регулируется отсутствующей в макромире физической силой, которая получила название «сильное взаимодействие». Математически выразить суть сильного взаимодействия и связи кварков удалось только в 1973 году, но как теория кварковых взаимодействий (квантовая хромодинамика), так и деление частиц, с эмпирической точки зрения парадоксальны. Сильное взаимодействие принципиально отличается от электромагнитного в двух отношениях. Во-первых, в электромагнитном взаимодействии участвует всего один вид заряда (электрический), в сильном взаимодействии их три. Они условно обозначены цветами – «красный», «зеленый» и «синий». Во-вторых, носителем сильного взаимодействия является глюон, обозначенный здесь желтой проволочкой – и также не встречающийся в свободном состоянии за пределами атома. Косвенные доказательства существования глюонов появились ещё в конце XX века. Взаимодействия кварков и глюонов описывает квантовая хромодинамика — теория, с вычислительной точки зрения чрезвычайно сложная даже для современных компьютеров. Дело в том, что явления, описываемые этой теорией, имеют вероятностный характер, а внутри элементарных частиц взаимодействуют как реально существующие, так и виртуальные кварки. Именно по причине этой виртуальной составляющей масса протона гораздо больше, чем общая масса входящих в него кварков. По умолчанию в состав протона входят три кварка: два верхних (up) и один нижний (down). Кварки участвуют как в электромагнитном взаимодействии (поскольку имеют электрический заряд), так и в сильном взаимодействии. Обратите внимание на их цветовые заряды. Но с учётом вероятностной природы состава протона оказывается, что наряду с этими видами кварков и с глюонами в протоне может содержаться и очарованный (charm) кварк. Более того, наряду с кварками в протонах существуют и антикварки, состоящие из антивещества; они образуют короткоживущие пары с соответствующими кварками. При изменении соотношения между кварками и антикварками возникают похожие на протон экзотические частицы, о которых будет рассказано в конце статьи. Примерно так протон мог бы выглядеть «под лупой». Но все эти составляющие имеют вероятностный характер: если вслепую вытянуть из протона одну из его составляющих, то с большей вероятностью это окажется кварк (а не глюон), причём в 2/3 случаев будет вытянут верхний кварк, а в 1/3 случаев – нижний кварк.

Вероятностная составляющая протона и очарованный кварк

  1. Кроме реальных частиц внутри протона присутствуют виртуальные частицы и античастицы, которые попарно рождаются и аннигилируют (правда, есть мнение, что виртуальных частиц не существует)
  2. Когда протоны движутся в ускорителях, возрастает их энергия, а значит и масса, поэтому и набор кварков в протоне с некоторой вероятностью может отличаться от обычной тройки «верхний, верхний, нижний»
  3. Кварки не «запечатаны» внутри протона (хотя и не выходят за его пределы), поэтому в ускорителе они могут взаимодействовать как с кварками из других протонов, так и со свободными фотонами и электронами, свободно перемещающимися в ускорителе.

В квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие возникает, когда электрически заряженные частицы обмениваются фотонами (фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия). В свою очередь, сильное взаимодействие возникает на минимальных расстояниях, в основе этого взаимодействия лежит цветной заряд кварков, а переносчиком такого взаимодействия является глюон. Если электромагнитное взаимодействие между частицами сильнее всего при плотном контакте, а при удалении частиц друг от друга ослабевает, то сильное взаимодействие, напротив, усиливается даже при минимальном удалении кварков друг от друга – и поэтому прочно связывает их в протоне (нейтроне, других частицах). Поэтому размер протона составляет лишь около 0,85 фемтометров. При этом только 1-2% массы протона приходится на массу входящих в него верхних и нижних кварков и глюонов, а вся остальная масса протона возникает из энергии сильного взаимодействия. Именно поэтому в составе протона вполне могут возникать и более экзотические кварки и антикварки, при наличии высокой энергии столкновений, достижимой в ускорителях.

О протонах и некоторых экзотических атомах

Выше я изложил, каким образом, согласно современным представлениям, в протоне сочетается конкретная и вероятностная составляющая. При привычных нам низких энергиях в состав протона входит три кварка. Но в ускорителях, где энергия протона многократно возрастает, в нём могут на минимальное время возникать пары других кварков и антикварков. В том числе — очарованный кварк, более тяжелый, чем протон. Но сами кварки, существующие только внутри более крупных элементарных частиц, являются фермионами, поэтому сближаются по свойствам с электроном и позитроном (античастицей, противоположной электрону и имеющей заряд +1). Электрон и позитрон, в отличие от кварков, не входят в состав атомного ядра, а встречаются в свободном виде.

Но опыты с кварковым составом протона позволили не только уточнить природу и точную величину его массы, но и искусственно получить несколько экзотических атомов, напоминающих водород. Обычный атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Таким образом, в атом водорода-протия входят четыре фермиона: верхний, верхний и нижний кварк с суммарным зарядом +1 образуют ядро этого атома, а электрон с зарядом -1 находится в электронной оболочке. Но известно ещё несколько экзотических атомов, похожих на водород-протий, но отличающихся от него по кварковому составу.

Все эти совокупности частиц можно считать атомами, поскольку они электрически нейтральны, могут вступать в электромагнитные взаимодействия и химические реакции. Слева показан обычный водород, состоящий из протона (заряд +1) и электрона (заряд -1).

Сверху показан протоний. Это экзотический атом, впервые зафиксированный в опытах ЦЕРН в 1988 году. Представляет собой пару из протона (заряд +1) и антипротона (заряд -1), вращающихся вокруг друг друга. Кварковый состав антипротона – два верхних антикварка и нижний антикварк. Время жизни протония в зависимости от уровня энергии – от 10 -11 до 10 -6 с.

Справа показан антиводород. Это атом, состоящий из антипротона (заряд -1) и позитрона (заряд +1). Впервые получен в ЦЕРН в 1995 году группой Вальтера Олерта. Время жизни такого атома в лабораторных условиях доведено до 17 минут.

Снизу показан позитроний. Это миниатюрный экзотический атом, состоящий из электрона и позитрона. Электрон и позитрон обладают спином (моментом вращения), и их спины могут быть сонаправленными или разнонаправленными. В первом случае образуется ортопозитроний, во втором – парапозитроний. Впервые позитроний был обнаружен в 1951 году Мартином Дойчем.

Ортопозитроний живет гораздо дольше, чем парапозитроний: 138,6 нс против 0,12 нс.

Масса водорода, антиводорода и протония отличается незначительно, а позитроний гораздо легче их всех. Но именно эти небольшие отличия в массе экзотических ядер позволяют с высокой точностью вычислять массы отдельных кварков, а также тот вклад в массу, который даёт сильное взаимодействие. Кроме того, эти опыты и частицы позволяют точнее понять природу сильного взаимодействия и готовят базу для попыток сымитировать или воспроизвести сильное взаимодействие в макромире (постепенно увеличивая искусственно получаемые совокупности разнообразных кварков). Возможно, такие опыты откроют путь к стабильному получению антивещества (эта тема заслуживает отдельной статьи), а также к контролируемому превращению вещества в антивещество и обратно – без аннигиляции. По-видимому, предел делимости материи, наконец, достигнут, но возможности её низкоуровневой пересборки перед нами только начинают открываться.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *