Wszystkie podpunkty mają opracowanie w lekkiej wersji internetowej z podpowiedziami i rozwiązaniami. Część materiałów do czytania jest autorskim streszczeniem. Strona pozostaje poza indeksem do czasu końcowej recenzji merytorycznej.
Te zadania przeszły pierwszy przegląd treści i rozwiązania, ale cały arkusz pozostaje poza indeksem do czasu pełnej recenzji merytorycznej.
Warunki do zadań 1.1–1.3
Autorskie streszczenie danych z arkusza CKE, s. 4. Oryginalny wykres pokazano poniżej. Otwórz oryginalny arkusz CKE.
Rzut pionowy w próżni
W chwili t₀ = 0 s z wysokości h₀ wyrzucono pionowo w górę ciało C z prędkością v₀. Ciało osiągnęło wysokość hₘₐₓ, a następnie spadło na podłoże. Ruch odbywa się bez oporów w jednorodnym polu grawitacyjnym, dla g = 9,81 m/s².
Zadanie 1.11 punktWariant ARzut pionowy i przyśpieszenie
Oceń zdania: (1) przyśpieszenie ciała zależy od jego masy; (2) czas trwania ruchu zależy od v₀.
Rysunek z arkusza CKE, strona 4 · kliknij, aby powiększyć
Pokaż odpowiedź
F, P.
Pierwsze zdanie jest fałszywe, drugie prawdziwe.
Źródło odpowiedzi: zasady oceniania CKE, strona PDF 3.
Rozwiązanie krok po kroku
1
Oceń przyśpieszenie
W próżni na ciało działa tylko grawitacja. W jednorodnym polu przyśpieszenie ma stałą wartość g i nie zależy od masy, więc pierwsze zdanie jest fałszywe.
2
Oceń czas wznoszenia
W najwyższym punkcie prędkość maleje do zera zgodnie z v=v₀−gt. Czas wznoszenia wynosi v₀/g, więc czas całego ruchu zależy od v₀. Drugie zdanie jest prawdziwe.
Typowy błąd: Uznanie, że cięższe ciało spada z większym przyśpieszeniem mimo jawnego pominięcia oporów powietrza.
Punktowanie: 1 pkt za oba poprawne rozstrzygnięcia; 0 pkt za odpowiedź niepełną lub niepoprawną.
Ciało B o masie m jest zamocowane na nierozciągliwej nici długości l i porusza się po okręgu w płaszczyźnie pionowej. Działają na nie siła grawitacji i siła reakcji nici; pomija się opory oraz masę nici.
Zadanie 2.12 punktyWariant ARuch po okręgu i wektory prędkości
Wyznacz konstrukcyjnie środek S okręgu na podstawie dwóch wektorów prędkości i podaj promień l w długościach boku kratki.
Rysunek z arkusza CKE, strona 6 · kliknij, aby powiększyć
Pokaż odpowiedź
Środek S leży na przecięciu prostych prostopadłych do obu wektorów prędkości; l = 10 długości boku kratki.
Położenie środka musi być zaznaczone konstrukcyjnie na rysunku.
Źródło odpowiedzi: zasady oceniania CKE, strona PDF 10.
Rozwiązanie krok po kroku
1
Wykorzystaj kierunek prędkości
W ruchu po okręgu wektor prędkości jest styczny do toru, dlatego promień poprowadzony do punktu ciała jest do niego prostopadły.
2
Skonstruuj środek
Przez początki obu wektorów prędkości prowadzimy proste prostopadłe. Ich punkt przecięcia jest środkiem S okręgu.
3
Odczytaj promień
Odległość od otrzymanego środka S do położenia ciała obejmuje 10 boków kratki, więc l=10 jednostek kratki.
Typowy błąd: Prowadzenie promieni równolegle do wektorów prędkości zamiast prostopadle do stycznych.
Punktowanie: 2 pkt za poprawną konstrukcję i wartość 10; 1 pkt za poprawną zasadę konstrukcji albo poprawne położenie środka i promień.
Jednorodny walec o masie m_w i promieniu R pełni funkcję bloczka. Na jednym końcu nierozciągliwej liny wisi ciężarek o masie m_c, a do drugiego przyłożono siłę F. Lina nie ślizga się, jej masa jest pomijana, a moment bezwładności walca wynosi I₀ = ½m_wR².
Zadanie 3.11 punktWariant AStatyka bloczka
Gdy bloczek i ciężarek pozostają nieruchome, wybierz wzór na wartość siły F.
A. F = m_c g
B. F = (m_c + m_w)g
C. F = m_c g cos α
D. F = m_c g sin α
Pokaż odpowiedź
A. F = m_c g.
Taką odpowiedź wskazuje klucz CKE.
Źródło odpowiedzi: zasady oceniania CKE, strona PDF 15.
Rozwiązanie krok po kroku
1
Rozpatrz równowagę ciężarka
Ciężarek pozostaje nieruchomy, więc napięcie liny równoważy jego ciężar: T=m_cg.
2
Rozpatrz równowagę momentów bloczka
Brak przyśpieszenia kątowego oznacza równe momenty napięć po obu stronach bloczka. Zatem F=T=m_cg, czyli odpowiedź A.
Typowy błąd: Dodawanie ciężaru bloczka do siły F mimo że ciężar walca jest równoważony przez jego oś i nie tworzy momentu względem osi obrotu.
W ośrodku O₁ rozchodzi się fala płaska o stałej amplitudzie, bez uwzględniania pochłaniania. Między powierzchniami falowymi a i b mieści się dziewięć długości fali, a czas przejścia fali między nimi wynosi 0,07 ms.
Zadanie 4.12 punktyWariant ACzęstotliwość fali
Oblicz częstotliwość f opisanej fali ultradźwiękowej.
Pokaż odpowiedź
f ≈ 1,3 · 10⁵ Hz, czyli około 129 kHz.
CKE przyjmuje wynik wynikający z dziewięciu okresów w czasie 0,07 ms.
Źródło odpowiedzi: zasady oceniania CKE, strona PDF 20.
Rozwiązanie krok po kroku
1
Powiąż odległość z liczbą okresów
Przejście od powierzchni a do b obejmuje dziewięć długości fali, więc trwa dziewięć okresów.
Δtab=9T
2
Wyznacz okres
Zamieniamy 0,07 ms na 7·10⁻⁵ s i dzielimy przez 9.
T=97⋅10−5s
3
Oblicz częstotliwość
Częstotliwość jest odwrotnością okresu.
f=T1=7⋅10−59≈1,29⋅105Hz≈129kHz
Typowy błąd: Potraktowanie czasu 0,07 ms jako jednego okresu albo brak zamiany milisekund na sekundy.
Punktowanie: 2 pkt za poprawną metodę i wynik z jednostką; 1 pkt za poprawne powiązanie Δt_ab z dziewięcioma okresami.
Wskaż rysunek prawidłowo przedstawiający powierzchnie falowe po przejściu fali płaskiej przez wąską szczelinę.
Rysunek z arkusza CKE, strona 13 · kliknij, aby powiększyć
Pokaż odpowiedź
A.
Za wąską szczeliną fala ulega dyfrakcji, a kolejne powierzchnie falowe zachowują jednakowe odstępy w tym samym ośrodku.
Źródło odpowiedzi: zasady oceniania CKE, strona PDF 22.
Rozwiązanie krok po kroku
1
Rozpoznaj dyfrakcję
Wąska szczelina ma rozmiar porównywalny z długością fali, więc za szczeliną fala rozchodzi się w wielu kierunkach.
2
Sprawdź odstępy powierzchni falowych
Ośrodek i częstotliwość się nie zmieniają, dlatego długość fali pozostaje stała. Poprawny rysunek pokazuje współśrodkowe łuki o równych odstępach — wariant A.
Typowy błąd: Narysowanie prostych powierzchni falowych za wąską szczeliną albo zmiana ich odstępów bez zmiany ośrodka.
Planetoida R obiega Słońce po orbicie eliptycznej. Jej peryhelium wynosi r_P = 0,81 au, długość osi wielkiej |PA| = 5,62 au, a prędkość w P wynosi 43,29 km/s. Dla Ziemi przyjęto promień orbity 1,0 au i okres 1 rok.
Zadanie 5.11 punktWariant ASiła grawitacji na orbicie
Narysuj wektor siły, z jaką Słońce działa na planetoidę w zaznaczonym położeniu R.
Rysunek z arkusza CKE, strona 15 · kliknij, aby powiększyć
Pokaż odpowiedź
Wektor zaczepiony w R i skierowany wzdłuż odcinka RS ku Słońcu S.
Długość wektora może być dowolna.
Źródło odpowiedzi: zasady oceniania CKE, strona PDF 24.
Rozwiązanie krok po kroku
1
Wskaż źródło oddziaływania
Siła grawitacji działająca na planetoidę pochodzi od Słońca i jest siłą centralną.
2
Narysuj wektor
Punkt zaczepienia umieszczamy w R, kierunek wzdłuż RS, a zwrot ku Słońcu S. Długość strzałki nie jest oceniana.
Typowy błąd: Rysowanie wektora stycznie do orbity, czyli w kierunku prędkości, zamiast ku ognisku elipsy zajmowanemu przez Słońce.
Punktowanie: 1 pkt za poprawny punkt zaczepienia, kierunek i zwrot.
Ustalona masa gazu doskonałego przechodzi po odcinku prostym od A: V = 10·10⁻³ m³, p = 2·10⁴ Pa do B: V = 25·10⁻³ m³, p = 5·10⁴ Pa. Ciepło molowe przy stałej objętości wynosi C_V = 3R/2.
Zadanie 6.11 punktWariant AGaz doskonały i wykres p(V)
Oceń zdania: (1) temperatura bezwzględna zmienia się wprost proporcjonalnie do V²; (2) średnia prędkość cząsteczek gazu wzrasta.
Rysunek z arkusza CKE, strona 18 · kliknij, aby powiększyć
Pokaż odpowiedź
P, P.
Oba zdania są prawdziwe.
Źródło odpowiedzi: zasady oceniania CKE, strona PDF 32.
Rozwiązanie krok po kroku
1
Odczytaj zależność p(V)
Dla punktów A i B iloraz p/V jest taki sam, więc odcinek przemiany leży na prostej p=kV.
2
Połącz wykres z temperaturą
Z równania gazu doskonałego T=pV/(nR). Ponieważ p∝V, otrzymujemy T∝V², więc pierwsze zdanie jest prawdziwe.
T=nRpV∝V2
3
Oceń ruch cząsteczek
Średnia prędkość cieplna rośnie jak √T. Objętość i temperatura rosną od A do B, więc drugie zdanie także jest prawdziwe.
Typowy błąd: Uznanie, że temperatura jest proporcjonalna tylko do V, z pominięciem jednoczesnego liniowego wzrostu ciśnienia.
Punktowanie: 1 pkt za oba poprawne rozstrzygnięcia.
Zadanie 6.34 punktyWariant APierwsza zasada termodynamiki
Oblicz ciepło Q_AB pobrane przez gaz w przemianie A → B.
Pokaż odpowiedź
Q_AB = 2100 J.
To wynik końcowy podany w zasadach oceniania CKE.
Źródło odpowiedzi: zasady oceniania CKE, strona PDF 33.
Rozwiązanie krok po kroku
1
Oblicz zmianę energii wewnętrznej
Dla C_V=3R/2 mamy ΔU=nC_VΔT=3/2·nRΔT. Z równania gazu nRΔT=p_BV_B−p_AV_A.
ΔU=23(5⋅104⋅25⋅10−3−2⋅104⋅10⋅10−3)=1575J
2
Oblicz pracę gazu
Praca jest polem pod prostoliniowym wykresem p(V), czyli polem trapezu.
W=2pA+pB(VB−VA)=22⋅104+5⋅104⋅15⋅10−3=525J
3
Zastosuj pierwszą zasadę termodynamiki
Ciepło pobrane przez gaz pokrywa wzrost energii wewnętrznej i pracę wykonaną przez gaz.
QAB=ΔU+W=1575+525=2100J
Typowy błąd: Obliczenie pracy jako p_AΔV albo p_BΔV zamiast pola trapezu pod liniowym wykresem.
Punktowanie: 4 pkt za poprawną metodę i wynik; punkty częściowe za poprawne użycie I zasady termodynamiki, zmianę energii wewnętrznej lub pracę pod wykresem.
W trzech wierzchołkach kwadratu o boku a umieszczono ładunki: Q₁ = +Q w lewym dolnym, Q₂ = −Q w lewym górnym i Q₃ = +Q w prawym górnym. Prawy dolny wierzchołek P pozostaje pusty.
Zadanie 7.11 punktWariant ASiła elektrostatyczna
Wskaż prawidłowy kierunek i zwrot wypadkowej siły elektrycznej działającej na ładunek Q₃.
Rysunek z arkusza CKE, strona 20 · kliknij, aby powiększyć
Pokaż odpowiedź
A.
Taką odpowiedź wskazuje klucz CKE.
Źródło odpowiedzi: zasady oceniania CKE, strona PDF 38.
Rozwiązanie krok po kroku
1
Rozpatrz siłę od Q₂
Q₂ ma znak przeciwny do Q₃, więc przyciąga Q₃ poziomo w lewo. Odległość wynosi a.
2
Rozpatrz siłę od Q₁
Q₁ i Q₃ są dodatnie, więc odpychają się. Siła od Q₁ jest skierowana po przekątnej w prawo i w górę, a jej wartość jest dwa razy mniejsza z powodu odległości a√2.
3
Złóż wektory
Składowa w lewo od Q₂ przeważa nad prawą składową siły od Q₁, a składowa pionowa pozostaje skierowana w górę. Taki zwrot przedstawia wariant A.
Typowy błąd: Dodawanie wartości sił bez uwzględnienia ich kierunków lub pominięcie większej odległości ładunków leżących na przekątnej.
Szklana kula o współczynniku załamania 1,50 znajduje się w powietrzu o współczynniku 1,00. Dioda D leży tuż pod powierzchnią i emituje światło do wnętrza. Światło wychodzi tylko przez fragment powierzchni wyznaczony łukiem AB; φ jest kątem ADB.
Zadanie 8.13 punktyWariant AKąt graniczny
Oblicz kąt φ.
Rysunek z arkusza CKE, strona 22 · kliknij, aby powiększyć
Pokaż odpowiedź
φ ≈ 83,6° (w zaokrągleniu 84°).
CKE akceptuje także prawidłowy wynik podany w radianach.
Źródło odpowiedzi: zasady oceniania CKE, strona PDF 41.
Rozwiązanie krok po kroku
1
Wyznacz kąt graniczny
Dla przejścia ze szkła do powietrza sinus kąta granicznego jest ilorazem współczynników załamania ośrodka zewnętrznego i szkła.
sinαg=nszknpow=1,501,00=32
2
Oblicz kąt graniczny
Z funkcji odwrotnej otrzymujemy około 41,8°.
αg=arcsin32≈41,8∘
3
Połącz kąt graniczny z geometrią kuli
Promienie DA i DB są skrajnymi promieniami wychodzącymi z kuli, a konfiguracja jest symetryczna. Kąt φ jest dwa razy większy od α_g.
φ=2αg≈83,6∘
Typowy błąd: Odwrócenie ilorazu współczynników załamania albo podanie samego kąta granicznego 41,8° zamiast kąta φ.
Punktowanie: 3 pkt za poprawną metodę i wynik; punkty częściowe za identyfikację kąta granicznego i zależność φ = 2α_g.
Zadanie 8.21 punktWariant AZmiana ośrodka i kąt graniczny
Po zanurzeniu kuli w wodzie wybierz zmianę kąta granicznego oraz pola powierzchni, przez którą wychodzi światło.
A. kąt graniczny będzie mniejszy
B. kąt graniczny będzie większy
1. pole powierzchni się zmniejszy
2. pole powierzchni się zwiększy
Pokaż odpowiedź
B2 — kąt graniczny będzie większy, a pole powierzchni wyjścia światła się zwiększy.
Pełna odpowiedź wymaga obu wskazań.
Źródło odpowiedzi: zasady oceniania CKE, strona PDF 43.
Rozwiązanie krok po kroku
1
Porównaj kąty graniczne
Po zanurzeniu ośrodkiem zewnętrznym jest woda o większym współczynniku załamania niż powietrze. Rośnie więc iloraz n_zewn/n_szkło, a wraz z nim kąt graniczny.
2
Oceń powierzchnię wyjścia światła
Większy kąt graniczny tworzy szerszy stożek promieni, które mogą opuścić kulę. Obejmuje on większy fragment powierzchni, dlatego wybieramy B2.
Typowy błąd: Wnioskowanie, że gęstszy optycznie ośrodek zewnętrzny zmniejsza kąt graniczny, bez sprawdzenia wzoru sin α_g=n_zewn/n_szkło.
Zadanie 11.21 punktWariant ABilans energii w rozpadzie
Oceń zdania: (1) masa jądra ²³Ne jest większa od sumy mas produktów rozpadu; (2) produkty rozpadu uzyskują energię kinetyczną.
Pokaż odpowiedź
P, P.
Oba zdania są prawdziwe.
Źródło odpowiedzi: zasady oceniania CKE, strona PDF 48.
Rozwiązanie krok po kroku
1
Porównaj masy przed i po rozpadzie
Rozpad zachodzi samorzutnie i uwalnia energię, więc masa spoczynkowa jądra początkowego jest większa od sumy mas spoczynkowych produktów. Pierwsze zdanie jest prawdziwe.
2
Zastosuj równoważność masy i energii
Ubytek masy Δm odpowiada energii Q=Δmc², która pojawia się głównie jako energia kinetyczna produktów. Drugie zdanie także jest prawdziwe.
Typowy błąd: Założenie, że zasada zachowania energii wymaga równości samych mas spoczynkowych, bez uwzględnienia energii kinetycznej produktów.
Punktowanie: 1 pkt za oba poprawne rozstrzygnięcia.
Zadanie 11.34 punktyWariant ACzas połowicznego rozpadu z wykresu
Na podstawie wykresu log₁₀m od czasu oblicz czas połowicznego rozpadu jąder ²³Ne.
Rysunek z arkusza CKE, strona 27 · kliknij, aby powiększyć
Pokaż odpowiedź
T mieści się w przedziale 0,60–0,65 min (około 0,62 min).
Przedział wyniku jest zgodny z oficjalnymi zasadami oceniania CKE.
Źródło odpowiedzi: zasady oceniania CKE, strona PDF 48.
Rozwiązanie krok po kroku
1
Przetłumacz połowiczny spadek na skalę logarytmiczną
Po czasie połowicznego rozpadu masa maleje z m₀ do m₀/2. Na osi log₁₀ oznacza to spadek o log₁₀2≈0,301.
log102m0=log10m0−log102≈log10m0−0,301
2
Odczytaj poziomy na wykresie
Wybieramy dowolny punkt prostej odpowiadający log₁₀m₀, a następnie znajdujemy niższy poziom o 0,301.
3
Odczytaj różnicę czasów
Poziome przejście do prostej i rzut na oś czasu daje różnicę około 0,62 min, mieszczącą się w akceptowanym przedziale 0,60–0,65 min.
Typowy błąd: Dzielenie wartości log₁₀m przez dwa; połowiczny spadek masy oznacza odjęcie log₁₀2, a nie podzielenie logarytmu.
Punktowanie: 4 pkt za poprawną metodę i wynik w przedziale; punkty częściowe za poprawne odczytanie log₁₀m₀ i wyznaczenie wartości odpowiadającej połowie masy.