Перейти до основного вмісту
Каталог

Типові завдання НМТ: коливання, хвилі й оптика

~30 хв · 9 розділів · 13 тестових запитань

Коливання і хвилі. Оптика
Фізика НМТ

Частина кар’єрної траєкторії Підготовка до НМТ 2027: Фізика — повний курс.

Розв'язуй типові завдання НМТ з коливань, хвиль і оптики: періоди маятників і контура, змінний струм, заломлення, лінзи, дифракційна ґратка. Три формати завдань — вибір однієї відповіді, логічні пари, коротка відповідь.

Коливання й змінний струм

Гармонічні коливання — це періодичний рух, за якого координата тіла змінюється за законом синуса або косинуса. Рівняння гармонічних коливань має вигляд , де — амплітуда (максимальне відхилення від положення рівноваги), — циклічна частота, — час. Період — це час одного повного коливання; частота — кількість коливань за одиницю часу. Циклічна частота пов'язана зі звичайною: .

За графіком залежності можна визначити амплітуду як максимальне значення координати, а період — як відстань по осі часу між двома однаковими фазами (наприклад, між двома сусідніми максимумами). Важливо: за один повний період тіло проходить шлях, що дорівнює (чотири амплітуди), а його переміщення дорівнює нулю, оскільки тіло повертається у вихідне положення.

Формули періоду для різних систем

Період коливань залежить від параметрів системи:

  • Пружинний маятник: , де — маса вантажу, — жорсткість пружини.

  • Нитяний маятник: , де — довжина нитки, — прискорення вільного падіння.

  • Коливальний контур (формула Томсона): , де — індуктивність котушки, — ємність конденсатора.

Приклад: коливальний контур містить котушку індуктивністю Гн і конденсатор ємністю мкФ Ф. Добуток с². Тоді с мс.

Змінний струм

Змінний струм — це електричний струм, що періодично змінює напрямок і величину. Його миттєве значення описується синусоїдальним законом. Діюче (ефективне) значення напруги й струму пов'язане з амплітудним: , . У побутовій мережі України стандартна частота змінного струму — Гц, що відповідає періоду с.

Трансформатор — пристрій для зміни напруги змінного струму. Співвідношення для ідеального трансформатора: , де , — напруги на первинній і вторинній обмотках, , — відповідні кількості витків. Якщо , трансформатор знижує напругу; якщо — підвищує.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Хвилі й електромагнітні хвилі

Хвиля — це поширення коливань у просторі. Довжина хвилі — це відстань, на яку поширюється хвиля за один період: , де — швидкість поширення хвилі, — період, — частота.

Хвилі поділяють на поперечні (частинки середовища коливаються перпендикулярно до напрямку поширення) і поздовжні (коливання відбуваються вздовж напрямку поширення). Звук — це поздовжня хвиля. Гучність звуку залежить від амплітуди коливань (інтенсивності хвилі), а висота тону — від частоти: чим вища частота, тим вищий тон.

Електромагнітні хвилі

Електромагнітні хвилі поширюються у вакуумі зі швидкістю світла м/с. Для них виконується співвідношення . У середовищі швидкість електромагнітної хвилі менша: , де — показник заломлення середовища.

Ключовий факт: під час заломлення світла частота хвилі не змінюється. Змінюються швидкість і довжина хвилі. Якщо світло переходить у середовище з більшим показником заломлення, швидкість і довжина хвилі зменшуються.

Приклад: радіохвиля частотою МГц ( Гц) у вакуумі має довжину хвилі м.

Резонанс

Резонанс — явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань, коли частота зовнішньої сили збігається з власною частотою коливальної системи. У механіці це може призвести до руйнування конструкцій (наприклад, міст руйнується, коли солдати йдуть у ногу). В електричних колах резонанс використовують для налаштування радіоприймачів на потрібну частоту.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Геометрична оптика: заломлення й лінзи

Заломлення світла — це зміна напрямку поширення світлового променя під час переходу з одного прозорого середовища в інше. Закон заломлення (закон Снеліуса) має вигляд:

де — кут падіння, — кут заломлення, , — показники заломлення першого й другого середовища, , — швидкості світла в цих середовищах. Якщо , промінь відхиляється до нормалі (); якщо — від нормалі ().

Повне внутрішнє відбивання

Коли світло переходить з оптично щільнішого середовища в менш щільне (), за певного кута падіння заломлений промінь ковзає вздовж межі поділу (). Цей кут називають граничним кутом повного відбивання . Для переходу з середовища з показником у повітря ():

Якщо кут падіння перевищує граничний, світло повністю відбивається назад у перше середовище — це явище називають повним внутрішнім відбиванням. Воно можливе лише під час переходу зі щільнішого середовища в менш щільне.

Формула тонкої лінзи

Тонка лінза — це прозоре тіло, обмежене двома сферичними поверхнями, товщина якого значно менша за радіуси кривини поверхонь. Формула тонкої лінзи:

де — фокусна відстань, — відстань від предмета до лінзи, — відстань від лінзи до зображення. Оптична сила лінзи (одиниця — діоптрія, дптр). Збільшення лінзи .

Правило знаків: для збиральної лінзи , для розсіювальної ; дійсне зображення , уявне . Предмет завжди вважають дійсним, тому .

Приклад: предмет розташований на відстані см від збиральної лінзи з фокусною відстанню см. Знайдемо відстань до зображення:

; отже см. Оптична сила лінзи дптр.

Побудова зображень у тонкій лінзі

Для побудови зображення точки в тонкій лінзі використовують два характерні промені:

  • Промінь, що проходить через оптичний центр лінзи, не заломлюється.

  • Промінь, паралельний головній оптичній осі, після заломлення проходить через фокус (у збиральній лінзі) або його продовження проходить через фокус (у розсіювальній).

Для збиральної лінзи: якщо , зображення дійсне, зменшене, обернене; якщо , зображення дійсне, збільшене, обернене; якщо , зображення уявне, збільшене, пряме.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Хвильова оптика: ґратка й інтерференція

Дифракційна ґратка — це оптичний пристрій, що складається з великої кількості паралельних щілин однакової ширини, розташованих на однаковій відстані одна від одної. Період (стала) ґратки — це відстань між сусідніми щілинами.

Формула дифракційної ґратки

Умова спостереження головних максимумів під час дифракції на ґратці:

де — період ґратки, — кут, під яким спостерігається максимум, — порядок максимуму (ціле число: ), — довжина хвилі світла.

Приклад: дифракційна ґратка має період мкм м. На неї падає монохроматичне світло з довжиною хвилі нм м. Знайдемо синус кута для максимуму першого порядку (): . Отже .

Інтерференція світла

Інтерференція — це явище накладання когерентних світлових хвиль, у результаті якого утворюється стала картина чергування максимумів і мінімумів освітленості. Умови спостереження:

  • Максимум (посилення): різниця ходу , де

  • Мінімум (послаблення): різниця ходу , де

Інтерференцію можна спостерігати, наприклад, у тонких плівках (мильні бульбашки, плями бензину на воді), де світло відбивається від двох поверхонь плівки.

Дисперсія, спектри й поляризація

Дисперсія — це залежність показника заломлення середовища від довжини хвилі світла. Унаслідок дисперсії біле світло розкладається на спектр (наприклад, у призмі або в краплях води — веселка).

Спектри випромінювання бувають суцільними (нагріті тверді тіла й рідини) і лінійчастими (розріджені гази). Поляризація світла — це явище впорядкування напрямку коливань електричного вектора в електромагнітній хвилі. Ці теоретичні відомості можуть знадобитися для якісних завдань НМТ.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Розбираємо завдання

У цьому розділі розберемо п'ять типових завдань НМТ з коливань, хвиль і оптики в різних форматах.

Приклад 1. Вибір однієї відповіді: заломлення й довжина хвилі

Завдання: Світловий промінь переходить із повітря у воду. Показник заломлення води відносно повітря дорівнює 4/3. Як зміниться довжина хвилі світла під час цього переходу?

Розв'язання: Під час заломлення частота світла не змінюється. Швидкість світла у воді зменшується: . Оскільки , а стала, то довжина хвилі зменшується в стільки ж разів, у скільки зменшилася швидкість, тобто в раза.

Відповідь: зменшиться в 4/3 раза.

Чому інші варіанти неправильні:

  • «Збільшиться в 4/3 раза» — помилка: якщо частота стала, а швидкість зменшилася, довжина хвилі не може збільшитися.

  • «Не зміниться» — помилка: довжина хвилі змінюється пропорційно швидкості, а швидкість у воді менша.

  • «Зменшиться в 16/9 раза» — помилка: це , але залежність лінійна, не квадратична.

Приклад 2. Коротка відповідь: формула тонкої лінзи

Завдання: Предмет розташований на відстані 30 см від тонкої збиральної лінзи з фокусною відстанню 10 см. Визначте відстань (у см) від лінзи до зображення.

Розв'язання: За формулою тонкої лінзи . Маємо см, см. Тоді . Отже см.

Відповідь: 15.

Приклад 3. Відповідність (логічні пари)

Завдання: Установіть відповідність між формулою (1–3) і фізичним явищем, яке вона описує (А–Д).

Формула

Явище

1.

А. Коливальний контур

2.

Б. Пружинний маятник

3.

В. Нитяний маятник

Г. Хвиля

Д. Трансформатор

Розв'язання: Формула — це період пружинного маятника (Б). Формула — це формула Томсона для коливального контура (А). Формула — це довжина хвилі (Г).

Відповідь: 1 — Б, 2 — А, 3 — Г.

Приклад 4. Коротка відповідь: трансформатор

Завдання: Первинна обмотка трансформатора містить 1100 витків і під'єднана до джерела змінної напруги 220 В. На вторинній обмотці напруга становить 22 В. Визначте кількість витків у вторинній обмотці.

Розв'язання: Для ідеального трансформатора . Звідси .

Відповідь: 110.

Приклад 5. Вибір однієї відповіді: повне внутрішнє відбивання

Завдання: Світловий промінь падає зі скла на межу поділу скло — повітря під кутом, більшим за граничний кут повного відбивання. Що відбувається з променем?

Розв'язання: Коли кут падіння перевищує граничний кут , заломлення не відбувається — світло повністю відбивається назад у скло. Це явище називають повним внутрішнім відбиванням.

Відповідь: повне внутрішнє відбивання.

Чому інші варіанти неправильні:

  • «Заломлення» — помилка: заломлення можливе лише за кутів падіння, менших за граничний.

  • «Розсіювання» — помилка: розсіювання — це відбивання в різні боки від шорсткої поверхні, а не на гладкій межі.

  • «Дифракція» — помилка: дифракція — це огинання хвилями перешкод, а не явище на межі поділу середовищ.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Типові помилки й пастки

Нижче наведено найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час розв'язування завдань НМТ з коливань, хвиль і оптики. Запам'ятай їх, щоб не втратити бали на тестуванні.

  • Знаки у формулі тонкої лінзи. Найчастіша помилка — забувати, що для розсіювальної лінзи , а для уявного зображення . Якщо підставити додатне для уявного зображення, відповідь буде неправильною. Завжди перевіряй: збиральна , розсіювальна ; дійсне зображення , уявне .

  • Частота світла під час заломлення. Багато хто вважає, що під час заломлення змінюється частота світла. Насправді частота залишається незмінною — змінюються лише швидкість і довжина хвилі. Це ключове правило для задач на заломлення.

  • Плутанина між періодом і частотою, циклічною частотою й звичайною частотою. Період і частота — обернені величини. Циклічна частота відрізняється від звичайної на множник . У формулі використовують саме , а не .

  • Максимум і мінімум інтерференції. Плутають умови: максимум — різниця ходу , мінімум — . Запам'ятай: ціле число довжин хвиль дає максимум, непарне число півхвиль — мінімум.

  • Переведення одиниць. Довжини хвиль часто подають у нанометрах (нм) або мікрометрах (мкм), відстані — у сантиметрах. Не забувай переводити все в метри: 1 нм м, 1 мкм м, 1 см м. Помилка в переведенні одиниць зводить нанівець правильний хід розв'язання.

  • Діюче й амплітудне значення змінної напруги. Діюче значення , а не . У побутовій мережі В — це діюче значення, амплітудне — близько В. Не плутай їх у задачах на змінний струм.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Як це перевіряють на НМТ

У демонстраційному варіанті НМТ-2026 з фізики завдання з коливань, хвиль і оптики представлені чотирма номерами:

  • № 10 — шлях і переміщення за графіком гармонічних коливань (вибір однієї відповіді).

  • № 11 — період і частота змінного струму (вибір однієї відповіді).

  • № 12 — характеристики світлової хвилі під час заломлення (вибір однієї відповіді).

  • № 21 — формула тонкої лінзи й оптична сила (коротка відповідь).

Разом це чотири завдання, які можуть принести до п'яти балів (три завдання по 1 балу й одне — до 2 балів).

Що є в довідкових матеріалах

Довідка, яку надають на НМТ, містить такі формули з цього розділу:

  • Формули періоду коливань: пружинного й нитяного маятників, формула Томсона.

  • Діючі значення змінної напруги й струму: , .

  • Співвідношення для трансформатора: .

  • Закон заломлення: .

  • Формула тонкої лінзи: .

  • Умови інтерференції: (максимум), (мінімум).

  • Формула дифракційної ґратки: .

Чого немає в довідці — запам'ятай окремо

У довідкових матеріалах відсутні:

  • Правила побудови зображень у лінзах (як хід променів).

  • Правило знаків у формулі тонкої лінзи для розсіювальної лінзи й уявного зображення.

  • Шкала електромагнітних хвиль із частотами.

Стратегія підготовки

Тренуй побудову зображень у тонкій лінзі на рисунку без обчислень — це допоможе швидко визначити тип зображення (дійсне чи уявне, збільшене чи зменшене). Завжди перевіряй знаки у формулі лінзи: якщо лінза розсіювальна, від'ємне; якщо зображення уявне, від'ємне. Для завдань на заломлення пам'ятай, що частота світла не змінюється — це ключ до правильної відповіді.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Питання й відповіді

Що зберігається під час заломлення світла?

Під час заломлення світла частота хвилі залишається незмінною. Змінюються швидкість поширення і довжина хвилі. Якщо світло переходить у середовище з більшим показником заломлення, швидкість і довжина хвилі зменшуються, а частота залишається тією самою. Це випливає зі співвідношення : оскільки стала, змінюється пропорційно .

Як не помилитися зі знаками у формулі тонкої лінзи?

Запам'ятай просте правило: збиральна лінза має додатну фокусну відстань (), розсіювальна — від'ємну (). Дійсне зображення — додатне (), уявне — від'ємне (). Відстань від предмета до лінзи завжди додатна. Підставляй знаки у формулу уважно: якщо або від'ємні, їхні обернені величини теж від'ємні. Наприклад, для розсіювальної лінзи см, тоді .

Чим діюче значення змінного струму відрізняється від амплітудного?

Амплітудне значення (, ) — це максимальна миттєва величина напруги або струму за період. Діюче (ефективне) значення — це така величина постійного струму, яка виділяє в резисторі ту саму теплову потужність, що й даний змінний струм. Для синусоїдального струму та . Наприклад, у побутовій мережі діюча напруга В, а амплітудна — В.

Як за графіком коливань знайти шлях і переміщення?

За графіком визнач амплітуду як максимальне відхилення від положення рівноваги. За один повний період тіло проходить шлях, що дорівнює : воно рухається від крайнього положення через рівновагу до протилежного крайнього () і назад (ще ). Переміщення за повний період дорівнює нулю, оскільки тіло повертається у вихідне положення. Якщо питають за неповну кількість періодів, помнож на кількість періодів і додай шлях за неповний період за графіком.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Коротко: головне

  • — період пружинного маятника; — період нитяного маятника; — формула Томсона для коливального контура.

  • — довжина хвилі; — для електромагнітних хвиль у вакуумі. Частота світла під час заломлення незмінна.

  • — закон заломлення; — граничний кут повного відбивання.

  • — формула тонкої лінзи; — оптична сила. Збиральна , розсіювальна ; дійсне зображення , уявне .

  • — формула дифракційної ґратки.

  • , — діючі значення змінного струму; — трансформатор.

  • За один період гармонічних коливань шлях дорівнює , переміщення — нулю.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Самоперевірка

Перевірте себе на цьому юніті

Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.

1. Під час інтерференції двох когерентних хвиль спостерігається максимум освітленості. Якою має бути різниця ходу $\Delta$ цих хвиль?

2. Радіохвиля поширюється у вакуумі з частотою 75 МГц. Яка довжина цієї хвилі? (Швидкість світла $c = {}3 \cdot {}10^8$ м/с)

3. За графіком гармонічних коливань тіла визначили, що амплітуда A = 5 см. Який шлях пройде тіло за два повних періоди?

4. Світловий промінь переходить із повітря у скло. Яка фізична величина залишається незмінною під час цього переходу?

5. Предмет розташований перед збиральною лінзою на відстані, більшій за подвійну фокусну відстань ($d > 2F$). Яким буде зображення предмета?

Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 13 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.

Приєднатися, щоб пройти тест