Якісні завдання з фізики без обчислень

Якісне завдання з фізики — це завдання, у якому від тебе не вимагають обчислювати числове значення величини. Натомість треба пояснити причину явища, передбачити, як зміниться перебіг процесу, або вибрати правильне твердження про фізичну ситуацію. У НМТ такі завдання трапляються передусім серед перших 14 завдань (вибір однієї відповіді з чотирьох), а також у завданнях на відповідність. Щоб упоратися з ними, варто засвоїти просту трикрокову схему.

Три кроки: явище — закон — наслідок

Перший крок — назвати фізичне явище або модель, про яку йдеться в умові. Це може бути інерція, вільне падіння, теплообмін, електромагнітна індукція, плавання тіл тощо. Другий крок — згадати закон, що описує це явище. Третій крок — зробити висновок для конкретної ситуації, описаної в завданні.

Розгляньмо простий приклад. Автобус різко гальмує, і пасажир, який стояв, нахиляється вперед. Явище — інерція. Закон — перший закон Ньютона: тіло зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху, поки на нього не діють сили, що змінюють цей стан. Наслідок — коли автобус гальмує, ноги пасажира «прилипають» до підлоги через тертя, а верхня частина тіла за інерцією продовжує рухатися з попередньою швидкістю, тому пасажир нахиляється вперед.

Корисні якісні закони для НМТ

Ось перелік законів, які найчастіше знадобляться в якісних завданнях:

• Перший закон Ньютона (інерція) — тіло зберігає швидкість, поки зовнішні сили не змусять її змінити.

• Третій закон Ньютона — сили дії та протидії рівні за модулем, протилежні за напрямом і прикладені до різних тіл.

• Закон Архімеда й умова плавання — на тіло в рідині діє виштовхувальна сила, що дорівнює вазі витісненої рідини; тіло плаває, якщо його середня густина менша за густину рідини.

• Закон збереження енергії — енергія в замкненій системі не виникає з нічого й не зникає, вона лише перетворюється з однієї форми на іншу.

• Властивості теплообміну — теплота передається від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою; теплопровідність, конвекція, випромінювання.

• Правило Ленца — індукційний струм має такий напрям, що його магнітне поле протидіє зміні магнітного потоку, яка його викликала.

Чому «здоровий глузд» може підвести

Якісне завдання шукає причину, а не число. Варіанти відповідей відрізняються не цифрами, а поясненнями. Саме тому відповідь має спиратися на фізичний закон, а не на життєву інтуїцію. Наприклад, інтуїція підказує: «важке тіло тоне швидше», але фізика каже: вільне падіння не залежить від маси (якщо знехтувати опором повітря). Завжди перевіряй свій вибір законом.

Окремий тип якісних завдань на НМТ — запитання «як зміниться величина», «у скільки разів зміниться» або «яка величина не зміниться». Тут не треба обчислювати абсолютне значення, але треба простежити, як зміна одного чи кількох параметрів впливає на шукану величину. Універсальний алгоритм: запиши формулу шуканої величини, виділи, які параметри змінюються, і підстав кратності.

Алгоритм розв'язування

Крок 1. Запиши формулу, що пов'язує шукану величину з параметрами, які змінюються в умові. Крок 2. Познач, у скільки разів змінюється кожен параметр (наприклад, r збільшили вдвічі → множник 2). Крок 3. Підстав множники у формулу й визнач, у скільки разів зміниться результат.

Наприклад, сила кулонівської взаємодії: $F=k\frac{q_1{q}_2}{r^2}$ . Якщо відстань r збільшити вдвічі, то в знаменнику з'явиться $(2{)}^2=4$ , тому сила зменшиться в 4 рази.

Типи залежностей

Одночасна зміна кількох параметрів

Коли в умові змінюються два параметри або більше, множники перемножують. Приклад: довжину нитяного маятника збільшили вдвічі, а прискорення вільного падіння g збільшили вчетверо. За формулою $T=2\pi \sqrt{l/g}$ , відношення l/g зміниться в $2/4=1/2$ разу, а період T — у $\sqrt{1/2}\approx 0,7$ раза, тобто зменшиться.

Ще один важливий приклад — період нитяного маятника на Місяці. Прискорення вільного падіння на Місяці приблизно в 6 разів менше, ніж на Землі. Тому період коливань маятника збільшиться в $\sqrt{6}\approx 2,4$ раза.

Запитання «яка з величин не зміниться»

Іноді в завданні питають не «як зміниться», а «яка величина залишиться незмінною». Тут треба перебрати формули, у яких фігурує кожна з запропонованих величин, і перевірити, чи входить до них параметр, що змінюється. Наприклад, якщо змінюється маса тіла, то сила тяжіння (F = mg) зміниться, а прискорення вільного падіння (g) — ні, бо воно не залежить від маси тіла.

У якісних завданнях НМТ ти часто стикаєшся з чотирма варіантами, з яких лише один правильний. Щоб не плутатися, варто опанувати техніку відсіювання — свідомо відкидати варіанти, які суперечать фундаментальним законам фізики, одиницям вимірювання або здоровому фізичному змісту.

Закони збереження — перший фільтр

Закони збереження (енергії, імпульсу, електричного заряду) діють у замкнених та ізольованих системах. Варіант, де енергія або імпульс замкненої системи виникають «з нічого» або зникають безслідно, майже завжди хибний. Наприклад, твердження «під час абсолютно пружного удару кінетична енергія тіл зменшується» суперечить закону збереження механічної енергії (при пружному ударі механічна енергія зберігається). Варіант, де сума електричних зарядів в ізольованій системі змінюється, теж хибний — заряд не може зникнути чи виникнути з нічого, він лише перерозподіляється між тілами.

Перевірка одиниць вимірювання

Якщо серед варіантів є формула (наприклад, «сила струму дорівнює I = U·R»), одразу перевір, чи має вона одиницю шуканої величини. Сила струму вимірюється в амперах (А). Добуток U·R дає вольт·ом = (В)·(Ом), що не дорівнює амперу. Правильна формула — I = U/R. Така перевірка миттєво відсікає хибний варіант.

Граничні випадки

Підстав у формулу або твердження дуже малі чи дуже великі значення параметрів і подивися, чи результат зберігає фізичний зміст. Наприклад, якщо хтось стверджує, що «сила тертя ковзання зростає зі збільшенням площі дотику», перевір граничний випадок: уяви дуже малу площу дотику — за логікою цього твердження сила тертя мала б стати майже нульовою, але насправді сила тертя ковзання не залежить від площі (F = μN). Або граничний випадок для кола: якщо зовнішній опір R → 0 (коротке замикання), то за законом Ома для повного кола I = ℰ/(R + r) струм прямує до скінченного значення ℰ/r, а не до нескінченності. Отже, варіант «струм стає нескінченним» хибний. Підстановка екстремальних значень часто виявляє приховану суперечність.

Різкі слова у варіантах

Варіанти, що містять слова «завжди», «ніколи», «залежить лише від», не варто відкидати автоматично — серед них можуть бути правильні твердження (наприклад, «прискорення вільного падіння не залежить від маси тіла» — правильне). Але такі варіанти потребують особливо ретельної перевірки, бо в фізиці майже кожне правило має винятки або межі застосування. Завжди став під сумнів категоричне твердження й перевір його законом.

Приклад застосування всіх фільтрів

Розглянь твердження: «Електричний заряд в ізольованій системі може зменшуватися, якщо частинки рухаються з великою швидкістю». Перевірка: закон збереження заряду каже, що сумарний заряд ізольованої системи незмінний — варіант хибний. Інший приклад: «Тиск ідеального газу за сталого об'єму прямо пропорційний квадрату абсолютної температури». З формули $pV=\nu RT$ при V = const маємо $p\sim T$ , а не T², — варіант хибний. Таке відсіювання не потребує складних обчислень, тільки знання законів і формул.

У цьому розділі розглянемо кілька фізичних явищ, які часто трапляються в якісних завданнях НМТ. Для кожного явища важливо розуміти його фізичну суть, а не покладатися на побутові уявлення.

Плавання тіл

Тіло плаває в рідині, якщо його середня густина менша за густину рідини. Сила Архімеда, що виштовхує тіло, дорівнює вазі витісненої рідини: $F_A={\rho }_{\text{р}}\cdot g\cdot V_{\text{з}}$ , де ${\rho }_{\text{р}}$ — густина рідини, $V_{\text{з}}$ — об'єм зануреної частини тіла. Якщо густина тіла більша за густину рідини, сила тяжіння перевищує силу Архімеда, і тіло тоне. Важливо: сила Архімеда залежить від об'єму зануреної частини, а не від маси тіла. Тому сталева голка може плавати на поверхні води завдяки силам поверхневого натягу, але якщо її повністю занурити — потоне.

Охолодження під час випаровування

Коли рідина випаровується, її температура знижується. Чому? Найшвидші молекули (з найбільшою кінетичною енергією) долають сили міжмолекулярного притягання й залишають рідину. Середня кінетична енергія молекул, що залишилися, зменшується, а температура пропорційна саме середній кінетичній енергії. Саме тому після виходу з води на вітрі тобі стає холодніше — вода з поверхні шкіри випаровується, забираючи енергію.

Три види теплообміну

Теплообмін відбувається трьома способами: теплопровідність (передача енергії через безпосередній контакт частинок без перенесення речовини), конвекція (перенесення енергії потоками рідини або газу) та випромінювання (передача енергії електромагнітними хвилями). У чайнику вода нагрівається переважно конвекцією: нагріті шари води біля дна стають легшими й підіймаються вгору, а холодні опускаються вниз, створюючи циркуляцію. Теплопровідність води дуже мала, тому без конвекції вода нагрівалася б дуже повільно.

Резонанс

Резонанс — це явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань, коли частота зовнішньої періодичної дії збігається з власною частотою коливальної системи. Наприклад, гойдалку найлегше розгойдати, якщо штовхати її в такт із власними коливаннями. Якщо частота поштовхів не збігається з власною, амплітуда буде невеликою. У техніці резонанс може бути корисним (резонансні контури в радіо) або шкідливим (руйнування мостів від вітру).

Для кожного з цих явищ запам'ятай не лише назву, а й закон, який його описує. Саме це поєднання — явище + закон — дає змогу правильно відповісти на якісне запитання.

У цьому розділі розберемо чотири типові якісні завдання, які можуть зустрітися на НМТ. Для кожного наведемо повний розв'язок за схемою «явище — закон — наслідок» або за алгоритмом пропорційних залежностей.

Приклад 1. Період маятника на Місяці

Завдання: Як зміниться період коливань нитяного маятника, якщо його перенести з Землі на Місяць, де прискорення вільного падіння приблизно в 6 разів менше?

Розв'язок:

Явище: механічні коливання нитяного маятника. Закон: період коливань нитяного маятника визначається формулою $T=2\pi \sqrt{l/g}$ . Наслідок: оскільки g на Місяці в 6 разів менше, то підкореневе відношення l/g збільшується в 6 разів, а період T збільшується в $\sqrt{6}\approx 2,4$ раза.

Відповідь: період збільшиться.

Чому інші варіанти хибні:

• «Зменшиться» — хибний, бо зменшення g веде до збільшення T.

• «Не зміниться» — хибний, бо T залежить від g.

• «Стане нульовим» — хибний, бо маятник на Місяці коливатиметься, хоч і повільніше.

Приклад 2. Сила взаємодії зарядів

Завдання: Як зміниться сила кулонівської взаємодії двох точкових зарядів, якщо відстань між ними збільшити втричі?

Розв'язок:

Явище: електростатична взаємодія точкових зарядів. Закон: закон Кулона $F=k\frac{q_1{q}_2}{r^2}$ . Наслідок: відстань r збільшується в 3 рази, тому в знаменнику з'являється $3^2=9$ . Сила зменшується в 9 разів.

Відповідь: сила зменшиться в 9 разів.

Чому інші варіанти хибні:

• «Зменшиться в 3 рази» — хибний, забули про квадрат відстані у формулі.

• «Зменшиться в 6 разів» — хибний, помилкове множення (3·2 замість 3²).

• «Збільшиться в 9 разів» — хибний, переплутали пряму й обернену залежність.

Приклад 3. Чому тіло тоне

Завдання: Чому тіло з високою середньою густиною тоне у воді?

Розв'язок:

Явище: плавання тіл. Закон: умова плавання — тіло тоне, якщо його середня густина більша за густину рідини. Сила Архімеда $F_A={\rho }_{\text{р}}gV$ менша за силу тяжіння $F_T=mg$ , тому рівнодійна напрямлена вниз. Наслідок: вага витісненої рідини менша за вагу тіла, тому тіло занурюється.

Відповідь: вага витісненої рідини менша за силу тяжіння, що діє на тіло.

Чому інші варіанти хибні:

• «Рідина не діє на тіло» — хибний, сила Архімеда діє завжди.

• «Тіло тяжче за воду за будь-якої форми» — хибний як відповідь: він лише констатує, що тіло тоне, але не називає причини (сила Архімеда менша за силу тяжіння).

• «Сила Архімеда залежить від маси тіла» — хибний, вона залежить від об'єму зануреної частини, а не від маси.

Приклад 4. Тиск ідеального газу

Завдання: Як зміниться тиск ідеального газу сталого об'єму й маси, якщо абсолютну температуру збільшити вдвічі?

Розв'язок:

Явище: стан ідеального газу. Закон: рівняння Клапейрона — Менделєєва $pV=\nu RT$ . За сталих V, ν і R маємо $p\sim T$ . Наслідок: якщо T збільшити вдвічі, то p теж збільшиться вдвічі.

Відповідь: тиск збільшиться вдвічі.

Чому інші варіанти хибні:

• «Зменшиться вдвічі» — хибний, переплутали пряму й обернену залежність.

• «Збільшиться вчетверо» — хибний, забули, що залежність лінійна, а не квадратична.

• «Не зміниться» — хибний, тиск залежить від температури.

Навіть добре знаючи фізику, можна помилитися в якісному завданні через поспіх або звичку міркувати «по-життєвому». Ось найпоширеніші пастки, які варто знати.

• Відповідати за життєвою інтуїцією, а не за фізичним законом. Наприклад, на запитання «Чому важкий предмет падає швидше за легкий?» інтуїція підказує «бо він важчий», але фізика (за відсутності опору повітря) каже, що прискорення вільного падіння однакове для всіх тіл. Завжди згадуй закон, перш ніж обрати відповідь.

• Плутати пряму й обернену пропорційність або забувати про квадрат чи корінь. Типова помилка: якщо відстань між зарядами збільшити вдвічі, сила зменшиться вдвічі (а правильно — в 4 рази, бо F ∼ 1/r²). Щоб не помилитися, завжди записуй формулу й підставляй множники.

• Не враховувати, що сталим має бути решта параметрів. Наприклад, у законі Ома I = U/R сила струму обернено пропорційна опору лише за сталої напруги. Якщо напруга теж змінюється, треба враховувати обидві зміни. Уважно читай умову: чи сказано «за сталої напруги»?

• Плутати тепловий рух молекул з рухом тіла в цілому. Температура тіла — це міра середньої кінетичної енергії хаотичного руху молекул, а не кінетичної енергії тіла як цілого. Нагрітий предмет, що лежить на столі, має високу температуру, але нульову швидкість.

• Вибирати варіант за знайомим словом, не перевіривши його зв'язку з питанням. Якщо в умові згадується «інерція», а серед варіантів є «закон інерції», це не означає, що варіант правильний — треба перевірити, чи саме це пояснення відповідає ситуації. Читай варіант повністю, а не за першим словом.

Якісні завдання без обчислень — невід'ємна частина тесту НМТ з фізики. У цьому розділі розглянемо, у якому форматі вони трапляються і яка стратегія допоможе не втратити бали.

Формат завдань

У тесті НМТ з фізики завдання 1–14 — це завдання з вибором однієї відповіді з чотирьох (А–Г). Лише один варіант правильний. За кожне таке завдання нараховують 0 або 1 бал. Якісні завдання («чому», «як зміниться», «у скільки разів») трапляються передусім серед цих 14 завдань, а також у завданнях на відповідність 15–16: у демоваріанті 2026 року вони перевіряли якісне розуміння термодинаміки й напівпровідникових приладів.

Завдання «як зміниться / у скільки разів»

У демоваріанті НМТ 2026 року завдання на пропорційні залежності (без обчислення абсолютних значень) були під номерами 3, 7 і 8. У таких завданнях достатньо записати формулу шуканої величини, виділити, які параметри змінюються, і перемножити кратності. Абсолютних чисел в умові може не бути взагалі — оперуєш лише відношеннями.

Що треба знати, а чого немає в довідці

Під час НМТ ти отримуєш довідкові матеріали з формулами. Однак у довідці немає правил напрямів (правило Ленца, правило свердлика), словесних формулювань законів (перший закон Ньютона, закон Архімеда) і меж застосування формул. Усе це треба знати заздалегідь. Якщо якісне завдання запитує «чому тіло плаває?», формули з довідки не дадуть відповіді — потрібне розуміння закону.

Стратегія виконання

Ось рекомендована стратегія для якісних завдань на НМТ:

• Для завдань «як зміниться»: запиши формулу величини, виділи змінні параметри, визнач кратність зміни кожного з них і підстав у формулу. Перемнож отримані множники.

• Для завдань «чому» (причина явища): застосуй схему «явище — закон — наслідок». Назви явище, згадай закон — і зроби висновок. Потім відсій варіанти, які суперечать закону.

• Для завдань «яка величина не зміниться»: для кожної запропонованої величини запиши формулу, що виражає її через незалежні параметри ситуації (наприклад, g = GM/R², а не g = F/m), і перевір, чи входить до неї параметр, який змінюють. Якщо не входить — величина не зміниться; якщо входить — зміниться.

• Схема якісного завдання: явище — закон — наслідок. Спочатку назви фізичне явище, потім згадай закон, що його описує, і зроби висновок для конкретної ситуації з умови.

• Завдання «як зміниться»: запиши формулу шуканої величини, визнач кратність зміни кожного параметра, підстав у формулу й перемнож множники. Визначай тип залежності: пряма, обернена, квадратична, коренева.

• Відсіювання варіантів: перевіряй варіанти на відповідність законам збереження (енергія, імпульс, заряд), одиницям вимірювання та граничним випадкам. Категоричні слова («завжди», «ніколи») потребують особливої уваги, але не відкидай їх автоматично.

• Інтуїцію перевіряй законом: життєвий досвід часто суперечить фізичним законам через дію додаткових чинників (тертя, опір повітря). Завжди зіставляй обраний варіант із фізичним законом, а не з тим, що «здається правильним».