ПИТАННЯ НА КОЛОКВІУМ №1 Фізика з основами біофізики рослин – 2015/16 н.р.
Змістовий модуль 1. Механіка, молекулярна фізика і термодинаміка.
Тема 1. Кінематика матеріальної точки.
1. Відносність руху, системи відліку. Які з цих рухів вивчає кінематика: рівномірний, рівноприскорений, рух по колу, коливний. Навести приклади, коли одне і те ж тіло можна і коли не можна розглядати як матеріальну точку. З якою швидкістю рухається перон відносно поїзда, якщо швидкість поїзда відносно землі – 50 км/год? З якою швидкістю рухається Земля відносно Місяця, якщо швидкість руху Місяця по орбіті становить 3680 км/год (Землю вважати матеріальною точкою)? Скількома координатами характеризується положення точки на прямій, на площині та у просторі? Обчислити довжину радіус-вектора точки з координатами x=4, y=0, z= –3. Зобразити радіус-вектор на площині xОz. 2. Траєкторія, переміщення, шлях. Визначити переміщення Землі у системі, пов’язаній з Сонцем, за рік (радіус орбіти – 150 млн. км). У якому випадку переміщення рівне шляху або більше за нього? У якому випадку переміщення менше за шлях? Людина пройшла 20 м вперед і 5 м назад – визначити шлях і переміщення. Визначити переміщення точки на площині, якщо її початковий радіус-вектор має координати (2; 0), а кінцевий – (–1; 4). Визначити шлях, якщо рух був прямолінійним. Зобразити траєкторію руху цієї точки на площині. Обчислити координати точки через 3 с після початку руху, якщо закон руху: x=3+2t, y=3–2t. Зобразити траєкторію руху цієї точки на площині. Визначити траєкторію, переміщення і шлях точки на краю диску радіусом 1 м, який обертається навколо нерухомої осі з частотою 10 об/с, за 1 с.
3. Швидкість. Обчислити середню швидкість руху звіра, якщо за 2 години він пробіг 72 км. Перетворити цю швидкість у м/с. Обчислити середню швидкість руху звіра, якщо першу половину часу він біг з швидкістю 6 м/с, а другу половину – з швидкістю 4 м/с. Обчислити середню швидкість руху звіра, якщо першу половину шляху він біг з швидкістю 6 м/с, а другу половину – з швидкістю 4 м/с. З якою швидкістю відносно берега лосось іде на нерест, якщо його швидкість відносно течії – 4 м/с, а швидкість течії – 3 м/с? Визначити швидкість лосося відносно берега у випадку, якщо він пливе впоперек течії. Визначити швидкість зайця, якщо вовк біжить за ним зі швидкістю 20 м/с, а відстань між ними щосекунди скорочується на 2 м. Визначити швидкість, якщо закон руху: x=3+2t (x – в м, t – в сек).
4. Прискорення. Поїзд за 100с збільшив свою швидкість з 24 до 60 км/год – визначити середнє прискорення. Камінь полетів вертикально зі швидкістю 40 м/с і за 4 с долетів до верхньої точки – визначити величину і напрям прискорення. Ліфт, рухаючись вниз зі швидкістю 5 м/с, зупинився через 10 с – визначити величину і напрям прискорення. Який шлях пройшло тіло за 2 с, якщо воно рухалося з прискоренням 5 м/с2 при початковій швидкості 10 м/с? Яка його кінцева швидкість? Визначити переміщення тіла, кинутого вертикально вгору зі швидкістю 50 м/с, за 10 с. Який шлях при цьому пройшло тіло? Визначити початкову швидкість та прискорення, якщо закон руху: x=3+2t+4t2 (x – в м, t – в с). З якою швидкістю лосось повинен вистрибнути з води, щоб пройти водоспад висотою 1,8 м?
Тема 2. Динаміка матеріальної точки.
1. Перший закон Ньютона. Якими можуть бути результати дії сили на тверде тіло? Якими можуть бути результати дії сили на абсолютно тверде тіло? Чому два тіла між собою можуть взаємодіяти на відстані? У чому полягає абсолютність обертального руху? Чи може тіло, на яке не діють сили, обертатись навколо осі? У яких випадках система є інерційною: а) на тіло не діють сили з боку інших тіл і його рух відносно неї рівномірний і прямолінійний; б) на тіло діють сили з боку інших тіл, рівнодійна сил = 0 і його рух відносно неї рівномірний і прямолінійний; в) на тіло діють нескомпенсовані сили з боку інших тіл і його рух відносно неї рівномірний і прямолінійний; г) на тіло не діють сили з боку інших тіл і його швидкість руху відносно неї змінюється. У яких випадках система є інерційною: а) система рівномірно і прямолінійно рухається відносно інерційної системи; б) система рівномірно обертається; в) система перебуває в спокої відносно неінерційної системи; г) система пов’язана з супутником Землі, що знаходиться на орбіті. Якщо на тіло не діють сили з боку інших тіл, чи змінюється його швидкість відносно системи: а) яка є інерційною; б) яка рухається прямолінійно з прискоренням; в) яка рівномірно обертається; г) яка обертається з кутовим прискоренням. 2. Другий закон Ньютона. З яким прискоренням рухається тіло масою 5 кг під дією сили 20 Н? На скільки зміниться його швидкість через 5 с? Який шлях пройшло тіло, якщо початкова швидкість =0? Як повинна змінитись сила тяги, щоб ракета, маса якої зменшилась на 20%, рухалася з тим же прискоренням? З яким прискоренням пікірує на жертву шуліка масою 3 кг, якщо сила опору повітря – 10 Н? Визначити рівнодійну сил, яка діє на камінь масою 4 кг, що летить горизонтально, якщо сила опору повітря – 30 Н. Показати на малюнку напрям рівнодійної.
3. Закон збереження імпульсу. Обчислити імпульс вантажу масою 5 кг, що лежить у човні, який рухається по течії зі швидкістю 3 м/с. Обчислити імпульс цього вантажу, якщо човен пливе впоперек цієї течії з власною швидкістю 4 м/с. Обчислити імпульс цього вантажу відносно човна. З якою силою треба подіяти на м’яч протягом 0,1 с, щоб його імпульс змінився на 10 кг∙м/с? Протягом якого часу на тіло діяла сила 20 Н, якщо його імпульс при цьому змінився на 100 Н∙с? Якої швидкості набуває кальмар масою 200 кг внаслідок виштовхування 20 л води зі швидкістю 10 м/с? Який імпульс передає кулька масою 2 кг стіні, якщо вона вдаряється в неї зі швидкістю 5 м/с і прилипає? Який імпульс передає кулька масою 2 кг стіні, якщо вона вдаряється в неї зі швидкістю 5 м/с і пружно відбивається?
4. Третій закон Ньютона. Формулювання закону. На тіло діє сила притягання Землі 20 Н – з якою силою і в який бік тіло діє на Землю? Тіло масою 50 кг при взаємодії з тілом масою 20 кг рухається з прискоренням 4 м/с2 – обчислити прискорення другого тіла. Дуже віддалені тіла з великими відносними швидкостями рухаються одне відносно одного – чи виконується ІІІ закон Ньютона і чому?
5. Вивчення законів поступального руху. Схема машини Атвуда. Які сили діють на тягарці, їх напрями (маси тягарців – M i M+m)? Порівняти за величиною сили натягу, діючі на тягарці. Вираз для рівнодійної сил, діючих на лівий тягарець, її напрям. Вираз для рівнодійної сил, діючих на правий тягарець, її напрям. Звідси записати вирази для сил натягу, діючих на тягарці, і прирівняти їх між собою. З останнього рівняння вивести вираз для прискорення системи тягарців. За який час тягарці пройдуть відстань 45 см, якщо їхнє прискорення – 0,1 м/с2? Якої швидкості вони досягнуть за цей час? Як зміниться час рівноприскореного руху тягарців, якщо відстань до підставки збільшити в 4 рази?
Тема 3. Сили в природі.
1. Сила тяжіння. Обчислити силу тяжіння, яка діє біля поверхні Землі на тіло масою 50 кг. Обчислити прискорення вільного падіння на висоті 6400 км (значення G не використовувати!). Яким було б прискорення вільного падіння біля поверхні Землі, якби її радіус зменшився у 2 рази при тій ж масі? У скільки разів вага людини на Місяці менша, ніж на Землі, якщо маса Місяця менша в 96 разів, а радіус – в 4 рази? 2. Вага і невагомість. Обчислити вагу тіла масою 60 кг у ліфті, який рухається вверх з прискоренням 4 м/с2. Обчислити вагу тіла масою 60 кг у ліфті, який при русі вверх уповільнюється з прискоренням –4 м/с2. Чи можна в ліфті досягти стану невагомості або від’ємної ваги? Визначити вагу супутника масою 500 кг на висоті 6400 км. Визначити вагу каменя масою 5 кг, що летить біля поверхні Землі. Обчислити силу Архімеда, яка діє на плаваючий на поверхні рідини брусок масою 5 кг, якщо він наполовину занурений у рідину. Визначити вагу риби у воді, якщо на неї діє виштовхувальна сила 80 Н. Обчислити вагу каменя масою 60 кг та об’ємом 20 дм3 у воді. З яким прискоренням рухається тіло масою 5 кг, якщо на нього діє виштовхувальна сила 80 Н?
3. Фундаментальні сили. Як зміниться сила притягання між тілами, якщо відстань між ними збільшиться в 2 рази? Чому атомне ядро не розлітається під дією кулонівської сили відштовхування? Як називаються сили, які діють між всіма елементарними частинками?
4. Сила тертя. Причини виникнення сил тертя. Обчислити силу тертя, якщо сила реакції опори – 100 Н, коефіцієнт тертя – 0,4. Визначити силу тертя спокою між нерухомим бруском і горизонтальною площиною, якщо вага бруска – 100 Н, а на нього діє горизонтальна сила 30 Н. Розставити у порядку зростання силу тертя ковзання, спокою, кочення. У що перетворюється робота сили тертя? Сила тертя між бруском і поверхнею становить 30 Н – як вона зміниться, якщо брусок поставити на поверхню іншим боком, так, що площа контакту зменшиться в 3 рази?
Тема 4. Біомеханіка.
1. Особливості будови рослини. Типи тканин. Розташування та функції запасливих тканин. Функції покривних тканин. Функції провідних тканин. Органи рослин. Функції кореня. Типи коренів. Функції коренеплодів, приклади. Пагін, його функції. Брунька, будова і функції. Стебло, функції. Листки, функції. 2. Тропізм. Визначення. Геотропізм. Які органи мають позитивний, а які – негативний геотропізм? Фототропізм. Які органи мають позитивний, а які – негативний фототропізм? Приклад поперечного геліотропізму. Хемотропізм. Термотропізм. Гідротропізм. Тригмотропізм.
3. Типи і види деформацій, закон Гука. Пружна і пластична деформація. Формулювання закону Гука. Деформація розтягу – стиску. Закон Гука в інтегральній та диференціальній формі. Механічна напруга, одиниці вимірювання. Модуль Юнга. Обчислити механічну напругу, якщо площа поперечного перерізу стержня – 20 мм2, а на нього діє розтягуючи сила 80 Н. Обчислити модуль Юнга, якщо початкова довжина стержня – 0,2 м. Як зміниться коефіцієнт жорсткості пружини, якщо її довжину зменшити вдвічі? Закон Гука для деформації зсуву. Закон Гука для деформації кручення.
4. Пружні властивості біологічної матерії. Момент сили, одиниця вимірювання. Закон Гука для деформації згину. Який вид деформації мають окремі волокна стержня, якщо він в цілому підданий деформації згину? Одиниця вимірювання геометричного моменту інерції.Як зміниться прогин кістки під дією даної сили, якщо її діаметр збільшити в 2 рази? Як зміниться прогин кістки під дією даної сили, якщо відстань між точками опори збільшити в 2 рази?
Тема 5. Робота, потужність, енергія.
1. Робота і потужність. Обчислити роботу, яку виконала людина проти сили тертя, потягнувши санки на відстань 100 м, прикладаючи до них силу 50 Н в горизонтальному напрямку. Яку силу потрібно прикласти до санок під кутом 60° до горизонту, щоб виконати таку ж роботу? Обчислити роботу, яку виконує кугуар масою 100 кг проти сили тяжіння у стрибку на висоту 2,5 м. Яку роботу виконує сила тяжіння над бруском масою 5 кг, який падає з висоти 10 м? Яку роботу виконує сила тяжіння над цим бруском, який зісковзує без тертя з похилої площини, кут нахилу якої 30°, з висоти 10 м. У якому випадку людина виконує більшу роботу проти сили тяжіння: підстрибує на висоту 2 м, піднімається по сходах, піднімається по канату на таку ж висоту? Які види корисної роботи виконуються в організмі? Яку потужність розвиває людина при ходьбі зі швидкістю 1,5 м/с, якщо вона при цьому відштовхується від землі з середньою силою 40 Н? Чи зможе «Запорожець» досягти швидкості 70 км/год, якщо потужність двигуна – 20 кВт, а сила опору при цій швидкості – 1 кН. Визначити потужність втрат енергії автомобіля на швидкості 36 км/год, якщо сила опору при цій швидкості – 400 Н. 2. Кінетична і потенціальна енергія. Обчислити кінетичну енергію гепарда масою 60 кг, який біжить зі швидкістю 30 м/с. Обчислити його кінетичну енергію відносно тікаючої від нього зі швидкістю 20 м/с газелі. Яку роботу повинен виконати гепард, щоб збільшити свою швидкість з 30 м/с до 31 м/с? На скільки зміниться потенціальна енергія коали масою 15 кг, коли він переміститься з висоти 5 м на висоту 3 м? На скільки зміниться потенціальна енергія коали масою 15 кг, коли він переміститься по горизонталі на відстань 10 м? Обчислити потенціальну енергію гравітаційної взаємодії між Землею (маса 6∙1024 кг) та Місяцем (маса 7,4∙1022 кг), якщо відстань між ними – 3,7∙108 м, G=6,67∙10–11 Н∙м2/кг2. Як вона зміниться, якщо відстань зросте в 2 рази? Як зміниться потенціальна енергія пружини, якщо її розтяг збільшити в 2 рази? Як змінюється потенціальна енергія гравітаційної взаємодії між усіма зірками Всесвіту, якщо відомо, що відстань між ними постійно зростає?
3. Закон збереження і перетворення енергії в механіці. Якої швидкості набуде тіло при падінні з висоти 5 м? На яку висоту підстрибне кугуар, якщо його початкова швидкість – 7 м/с? Обчислити кількість теплоти, яка виділяється при відбивання кульки масою 2 кг від поверхні, якщо вона впала з висоти 10 м, а підстрибнула на висоту 8 м. Обчислити кількість теплоти, яка виділяється при відбивання кульки масою 2 кг від поверхні, якщо вона впала зі швидкістю 10 м/с, а відбилась зі швидкістю 8 м/с. Схема машини Атвуда. Які сили діють на тягарці, їх напрями (маси тягарців – M i M+m)? Вираз для роботи сил по переміщенню лівого тягарця. Вираз для роботи сил по переміщенню правого тягарця. Вираз для зміни потенціальної енергії лівого тягарця. Вираз для зміни потенціальної енергії правого тягарця. Вираз для кінетичної енергії системи тягарців. Використавши закон збереження енергії, вивести вираз для прискорення системи. Обчислити швидкість тягарців, якщо вони пройшли шлях 85 см, M=400 г, m=50 г.
4. Енергія в біології. Внутрішня енергія. У які види перетворюється внутрішня енергія, яка виділяється в ході біохімічної реакції? Для утворення 1 молекули кисню у фотосинтезі необхідна енергія 4,8 еВ – скільки квантів світла на це витрачається, якщо кожний квант передає для фотосинтетичного процесу енергію 0,6 еВ? Яка частина енергії кванта витрачається на фотосинтез, якщо загальна енергія кванта жовтого світла – 2,4 еВ?
Тема 6. Молекулярно-кінетична теорія газів.
1. Будова речовини. Термодинамічні параметри. Що є найменшою часткою речовини? Як рухаються молекули у кристалічному стані? Чому молекули рідини знаходяться на певних середніх відстанях одна від одної? Між молекулами газу переважають сили притягання чи відштовхування? Що таке моль? Термодинамічна система. Основні макроскопічні параметри газу. Причина існування тиску газу. Яку найменшу температуру може мати речовина? Внутрішня енергія. 2. Закони ідеального газу. Які взаємодії існують між молекулами ідеального газу? Як зміниться тиск газу, якщо збільшити його об’єм у 2 рази при сталій температурі? Графік p(V) при сталій температурі. Як зміниться об’єм газу, якщо збільшити його температуру у 2 рази при сталому тиску? Графік V(T) при сталому тиску. Як зміниться тиск газу, якщо збільшити його температуру у 2 рази при сталому об’ємі? Графік p(T) при сталому об’ємі. Рівняння Менделєєва – Клапейрона. Зв’язок між універсальною газовою сталою і сталою Больцмана. Закон Авогадро. Парціальний тиск. Закон Дальтона.
3. Рівняння стану реального газу Ван-дер-Ваальса. Між молекулами реального газу переважають сили притягання чи відштовхування? Зобразити ізотерми реального газу для різних температур (T=Tкр, T
4. Явища перенесення. Величина і напрям градієнту концентрації. Рівняння Фіка. Коефіцієнт дифузії, від чого і як він залежить? Способи передачі тепла. Вираз для потоку тепла. Природа явища в’язкості. Розподіл швидкостей газу в капілярі (малюнок). Градієнт швидкості, його величина і напрям. Як залежить величина і напрям градієнту швидкості від точки поперечного перерізу? Імпульс тіла та імпульс сили. Яким чином передається імпульс між шарами газу? У якому напрямку відбувається передача імпульсу від заданого шару і до заданого шару? Вираз для переносу імпульсу за одиницю часу через одиничну площу. ІІ закон Ньютона, сформульований через поняття імпульсу. Закон Ньютона для в’язкої течії рідини або газу, напрям сили в’язкості. Від чого і як залежить швидкість проходження газу через капіляр?
Тема 7. Молекулярна фізика рідин.
1. Поверхневий натяг. У який бік діє рівнодійна сил взаємодії на приповерхневі молекули рідини? Коефіцієнт поверхневого натягу, одиниці вимірювання. Яку форму приймає краплина рідини при вільному падінні і чому? З якою силою треба потягнути кільце з контурною довжиною 10 см, щоб відірвати його від поверхні води (σ=0,07 Н/м)? Як залежить поверхневий натяг від температури? Як змінюють поверхневий натяг поверхнево-активні речовини? 2. Тиск під викривленою поверхнею рідини. Обчислити додатковий тиск повітря всередині мильної бульбашки діаметром 14 см (σ=0,07 Н/м). У який бік спрямований додатковий тиск з боку плівки? Як залежить додатковий тиск від діаметру бульбашки? Формула Лапласа.
3. Змочування. Зобразити краплину рідини на ТТ у випадку часткового змочування, показати крайовий кут, в яких межах знаходиться його значення? Зобразити меніск рідини у пробірці у випадку часткового змочування. Зобразити меніск рідини у пробірці у випадку повного змочування. Чому рівний крайовий кут у випадку повного змочування? Зобразити краплину рідини на ТТ у випадку часткового незмочування, показати крайовий кут, в яких межах знаходиться його значення? Зобразити меніск рідини у пробірці у випадку часткового незмочування. Зобразити меніск рідини у пробірці у випадку повного незмочування. Чому рівний крайовий кут у випадку повного незмочування? Зобразити краплину рідини на ТТ у випадку повного незмочування.
4. Капілярні явища. Капіляр. Зобразити меніск рідини в капілярі у випадку часткового змочування. Величина і напрям додаткового тиску під викривленою поверхнею рідини. Гідростатичний тиск стовпчика рідини. Зв’язок радіуса кривизни меніска з радіусом капіляра. Прирівняти додатковий і гідростатичний тиски. Вираз для висоти підняття стовпчика рідини в капілярі. Як залежить висота підняття стовпчика рідини від крайового кута? Як залежить висота підняття стовпчика рідини від коефіцієнта поверхневого натягу? Як залежить висота підняття стовпчика рідини від радіуса капіляра? У яких випадках рідина в капілярі не піднімається, а, навпаки, опускається? Зобразити меніск рідини в капілярі у випадку часткового незмочування.
5. Дифузія в рідинах. Роль дифузії в біології. Рівняння Фіка. Порівняти коефіцієнт дифузії в рідинах і газах. У якому напрямку відбувається дифузія молекул води через мембрану клітини, якщо вона знаходиться в гіпотонічному розчині? Як в результаті зміниться тиск всередині клітини? У якому напрямку відбувається дифузія молекул води через мембрану клітини, якщо вона знаходиться в гіпертонічному розчині? Як в результаті зміниться тиск всередині клітини? Як впливають на напрям і величину дифузійного потоку гідростатичні тиски?
Тема 8. Термодинаміка.
1. Внутрішня енергія. Внутрішня енергія. Чи є вона функцією стану? Що таке функції стану? Кінетична енергія поступального руху 1 моля молекул одноатомного газу. Від яких макроскопічних параметрів залежить внутрішня енергія ідеального газу? На що може витрачатись теплота, яка надається газу? 2. Теплота і робота. Робота ізобаричного розширення газу. Як при цьому міняється температура газу? Графік P(V). Обчислити роботу, якщо P=1000 Па, V1=3 м3, V2=5 м3. Робота ізотермічного розширення газу. Як при цьому міняється тиск газу? Графік P(V). Як можна графічно визначити роботу розширення газу? Яку роботу виконує газ в ізохорному процесі (V=1 м3), якщо P1=105 Па, T1=300 K, T2=600 K?
3. Перший принцип термодинаміки. Формулювання, формула. Те ж саме стосовно біологічних об'єктів. На які види поділяють роботу в біофізиці? Ентальпія: формула, визначення. Виведення з першого закону термодинаміки. Чи залежить зміна ентальпії системи від шляху проходження процесу? Закон Гесса.
4. Ентропія та інформація. Що таке приведена теплота, чи її зміна є функцією стану? Ентропія, одиниці вимірювання. Чи є функцією стану ентропія? Як пов’язана зміна ентропії тіла із кількістю теплоти, яка йому надається чи від нього відбирається при оборотних процесах? Формула Больцмана для ентропії. Інформація, одиниця вимірювання інформації, її визначення. Закон збереження інформації. Що таке термодинамічна ймовірність? Як змінюється з часом ентропія та інформація мертвого організму? Як змінюється ентропія та інформація організму у процесі росту? За рахунок чого ентропія рослини може зменшитись? Молекули розміщені в посудині, розділеній посередині перегородкою ─ у якому випадку ентропія та інформація системи буде мінімальною чи максимальною? Формулювання другого закону термодинаміки через поняття ентропії. Інші формулювання.
5. Хімічний і електрохімічний потенціали. Хімічний потенціал: визначення, формула, одиниці вимірювання. Електрохімічний потенціал: визначення, формула. Що таке стандартний хімічний потенціал, стандартні умови? Що таке число Фарадея і як його обчислити? Як зміниться електрохімічний потенціал іонів хлору, якщо електричний потенціал розчину зросте?