Квант
Экзаменационные материалы

Новосибирский государственный университет им. Ленинского комсомола

Меледин Г. В., Фокин М. В.

48

Новосибирский государственный университет
им. Ленинского комсомола

Математика

Писменный экзамен
На выполнение работы было предоставлено 5 часов.
Вариант 1
(механико-математический, физический и экономический факультет)

  1. Решить уравнение
    cos⁡(4+52sin⁡x+2cos⁡x)=sin⁡((52−2)sin⁡x).\cos \left( \frac{4+\sqrt{5}}{2} \sin x + 2 \cos x \right) = \sin \left( \left( \frac{\sqrt{5}}{2} - 2 \right) \sin x \right).
  2. Треугольник ABCABC вписан в окружность радиуса RR. Точка DD лежит на дуге BCBC, а хорды ADAD и BCBC пересекаются в точке MM. Найти длину стороны BCBC, если BMD=120∘BMD=120^\circ, ∣AB∣=R|AB|=R, ∣BM∣:∣MC∣=2:3|BM|:|MC|=2:3.
  3. При каких значениях параметра aa найдется значения xx также, что числа 51+x+51x5^{1+x}+5^1x, a2\frac{a}{2}, 25x+25−x25^x+25^{-x} составляют арифметическое прогрессию?
  4. SABCSABC — правильный единственный тетрадр. Сфера кадается ребер ASAS, ACAC, ABAB и продит через середину ребра BCBC. Найти радиус сферы, если известно, что ее центр лежит внутри тетрадра.
  5. При каких значениях aa для любого bb найдется хотя бы одно cc такое, что система уравнения
    {bx+y=ac2,x+by=ac+1\begin{cases} bx+y=ac^2, \\ x+by=ac+1 \end{cases}
    имеет хотя бы одно решение?

Вариант 2
(геолого-геофизический факультет и факультет естественных наук)

  1. Решить уравнение
    cos⁡2x(1−sin⁡x)=1+sin⁡3x.\cos^2 x(1-\sin x)=1+\sin^3 x.
  2. Дан выпуклый четырехугольник ABCDABCD, диагональ ACAC которого равна 2\sqrt{2}. Найти площадь круга, описанного около треугольника ABDABD, если известно, что ABC=105∘ABC=105^\circ, ACD=42∘ACD=42^\circ, DAC=63∘DAC=63^\circ.
  3. Найти неотрицательные значения xx, удовлетворяющие уравнению
    log⁡62(1+2−x)−x1−log⁡123=log⁡6a.\log_6 2(1+2^{-x})-\frac{x}{1-\log_{\frac{1}{2}}3}=\log_6 a.
  4. Сфера кадается бокового ребра AA′AA' и непараллельных ребер оснований ABAB и A′D′A'D' единного куба ABCDA′B′C′D′ABCDA'B'C'D' и проходит через точку MM, лежащую на боковом ребре CC′CC', ∣CM∣=13|CM|=\frac{1}{3}. Найти радиус сферы.
  5. Пусть xx пробегает множество решений неравенства
    x4−4x2+3≤0.x^4-4x^2+3\leq 0.
    Каково при этом максимальное значение выражения
    1+ax−x2?1+ax-x^2?
    Нарисовать график зависимости этого максимального значения от параметра aa.

Физика

Писменный экзамен
Физический факультет
Каждай варит состояние из пяты задач трех типов. На решение задач давалось пять часов.
Первые три задач — расчетные, различной трудности: от почты стандартных до сравнительных, требующих смекалки, глубоких знаний, умения разобраться в непrivibuous или условенной физической ситуации.
Четвертая задача — это задача-оценка. Для ее решения надо понять рассматриваемое физическое явление, придумать простую (так как нужно только оценка) физической модель этого явления, выбрать разумные значения физических величины и наконец, получить численный результат, более или менее соответствующей реальности. В тексте задачи подвергivenалось что абитриент может сам выбрать необходимые для решения задачи физической величины и их численные значения. Опыт встретильных экзаменов в НГУ показывает, что с задачи-оценками справляется значительная часть абитриентов, зачисляемых на физической факультет.
Пятая задача — это задача-демонстрация, в которой надо обязывать физическое явление, демонстрируемое в аудитории. Здесь важно понять существенные явления и среды различных физических факторов выделить главный.

Вариант 1

  1. Ввод при температуре t0=90∘Ct_0=90^\circ C срока годное вode по массе количественного раскаленных платиновых опилок. Найти начальный температур опилок, если известно, что после прекращения кипения уровень воды остался первоначальным. Плотность платины Qпл=21,4⋅103Q_{пл}=21,4 \cdot 10^3 кг/м³, удельная теплемкость платины cпл=128c_{пл}=128 Дж/(кг·К),

49

удельная тепломкость воды cB=4190c_B = 4190 Дж/(кг·К), удельная теплота парообразования воды λ=2,26⋅106\lambda = 2,26 \cdot 10^6 Дж/кг. Изменением плотности при нагревании претензей.

  1. Посередние плоского конденсатора, расстояние между пластнами которого 2l2l, находится заряженная сетка (рис. 1). Разность потенциальов между положительно заряженной частица и достигает точки, расположенной на расстоянии l/2l/2 от пластины BB. Определенте, на каком расстоянии от точки выleta частица попадает на пластину AA. Силу тяжесте не учитываются.

  2. Цилиндрическая камера (рис. 2) длиной 2l2l с поршнем сечением плащади SS (общая масса MM) может двигатся по горизонтальной плоскости с коэффициентом трения μ\mu. Слева от поршня, расположенного в центре камеры, находится газ при температуре T0T_0 и давлении p0p_0. Между неподвижной стеккой и поршнем помещенаружина жесткости kk. Во сколько раз нужно увеличить температуру газа слева от поршня, чтобы его объем удивился, если между камерой и поршнем трения нет? Наружное давление p0p_0.

  3. Оцените максимальный радиус полости, образующийся при подводном взрыве на глубине h=1h = 1 км заряда взрывного вещества массой m=1m = 1 т. Энергия взрыва 1 грамм взрывного вещества равна примерно λ=4\lambda = 4 кДж.

  4. Характер отскоков подвешенного на нити управления кшарику после удаления от него превращения амплитуда отскока резко уменьшается. Объясните явление.

Вариант 2

  1. Какое расстояние ∣AB∣|AB| (рис. 3) пролеит мячик, брошенный под углом α\alpha к горизонтальной плоскости со скоростью v⃗\vec{v}, если он ударился о потолок? Высота потолка HH, удаля упругий, треня нет.

  2. Однородныйстержень массой mm одним концом опирается на горизонтальную други — на наклонную плоскости (рис. 4). Угол между плоскостями равен α\alpha. Какую силу F⃗\vec{F}, направленную вдоль наклонной плоскости, надо приложить к стержню, чтобы он находился в равновесии? Треня нет.

  3. Вертикальные рельсы KDKD и LNLN, скользыващий по нимстержень ACAC и батарея с ЭДС ε\varepsilon составляют электрическую цепь (рис. 5). Перpendикулярно плоскости KDNLKDNL приходим постоянное магнитное поле индукции BB. Длинастержня ACAC равна ll, его сопротивление RR и масса mm. Найдите установившуюся скорость, с которой поднимаетсястержень. Сопротивлением рельсов, батареи, а также треня претензей.

  4. Гимнаст делает на перекладине оборот «солнышко». Оцените, с какой силой он действует на перекладину в момент, когда проходит через нижнее полжение.

  5. Объясните, почему легко выткавляется гвоздь, если его согнут и тащить, одновременно поворачивая вокруг оси.

Вариант 3

  1. В схеме, изображенной на рисунке 6, включены два элемента с ЭДС ε\varepsilon и ε2\varepsilon_2 (ε2>ε1\varepsilon_2 > \varepsilon_1) и внутренними сопротивлениями r1r_1 и r2r_2. Сопротивление нагрузки RR. Какое направление показет волтметр?

  2. При колебанях двух одинаково заряженных шариков (заряд каждой q) расстояние между ними меняется от ll до 4l4l. Шарики соединены пружиной, длина которой в свободном состоянии 2l2l. Определенте жесткость пружины.

  3. В вертикальном стоящем цилиндрическом соедение сечением SS под поршнем массой mm находится газ. Сосуд разделен перегородкой на две одинаковые части высотой ll каждой (рис. 7). Давление в нижней части pp, внешнее давление p0p_0, температура газа в обихах частях сосуда TT. На сколько сместится поршень, если убрать

50

Рис. 7.

перегородку? Внутренняя энергия одного моля газа U=CTU=CT. Стенки сосуда и поршень не проводят теплла, треня нет.

  1. Оцените время вытекания воды из заполненной ванны.

  2. Междуземенлённым и заряженным металлическими шарами на изолированной нитки висит металлический шарик. Объясните его поведение при перемещении заряженного шарика.

Решение задач варната 1

  1. Из закона сохранения энергии (уравнение теплового баланса), с учетом равенства объемов платиновых опилок и испарившейся воды, имеем

tH=tK+cBcпл(tK−t0)+QBQплλcпл≈1250∘Ct_H = t_K + \frac{c_B}{c_{пл}} (t_K - t_0) + \frac{Q_B}{Q_{пл}} \frac{\lambda}{c_{пл}} \approx 1250^\circ C

(здесь tK=100∘Ct_K = 100^\circ C — температура кипения воды).

Некоторые абитуренты не смогли решить эту задачу, так как не поняли, что условия сохранения уровня воды ознакомят равенство объемов платиновых опилок и испарившейся воды.

  1. Пусть модель ускорения и время движения частиц между пластиной AA и сеткой CC равны a1a_1 и t1t_1, между сеткой и пластиной BB — соответственно a2a_2 и t2t_2, а потенциальы таковы: φA=0\varphi_A = 0, φC=φ\varphi_C = \varphi и φB=3φ\varphi_B = 3\varphi. При этом

a2=2a1=em2φl.a_2 = 2a_1 = \frac{e}{m} \frac{2\varphi}{l}.

Спускаясь из высокей точки траектории до сетки, частица перемещается по вертикали на

l2=a2t222.\frac{l}{2} = a_2 \frac{t_2^2}{2}.

Согласно закону сохранения энергии,

mv022=mv02cos⁡2α2+2eφ,\frac{mv_0^2}{2} = \frac{mv_0^2 \cos^2 \alpha}{2} + 2e\varphi,

где v0v_0 — начальная скорость частицы. Кроме того, условия равенства нулю вертикальной проекции скорости в высокей точке дает

v0sin⁡α−a1t1−a2t2=0.v_0 \sin \alpha - a_1 t_1 - a_2 t_2 = 0.

Из полученных уравнений найдем искомое расстояние:

L=v0cos⁡α⋅2(t1+t2)=2(4−2)l ctg α.L = v_0 \cos \alpha \cdot 2(t_1 + t_2) = 2(4 - \sqrt{2}) l \text{ ctg } \alpha.

Большинство решавших эту задачу расматривали движения частицы не от верхней точки траектории, а от пластины AA. Это, с одной стороны, приводило к громоздким выкладкам, а с другой стороны, уведомило вероятие допустить ошибку. Так, многое забывали, что движение частицы от сетки к пластине BB происходит с некоторой начальной скоростью.

  1. Здесь надо рассмотреть два случая: а) μMg⩾kl\mu Mg \geqslant kl и б) μMg<kl\mu Mg < kl.

В случае а) камера покопится. Из условия равновесия поршня (p−p0)S=kl(p - p_0)S = kl и из уравнения Клапейрона для газа pS2lTa=p0SlT0\frac{pS2l}{T_a} = \frac{p_0Sl}{T_0} найдем искомое отношение:

TaT0=2(1+klp0S) при μMg⩾kl.\frac{T_a}{T_0} = 2 \left( 1 + \frac{kl}{p_0S} \right) \text{ при } \mu Mg \geqslant kl.

В случае б) камера покопится только до достижения максимального значения силы треня покоя. К этому моменту приходится на x=μMg/kx = \mu Mg/k, а температура газа становится равной

T1=T0(1+μMgp0S)(1+μMgkl).T_1 = T_0 \left( 1 + \frac{\mu Mg}{p_0S} \right) \left( 1 + \frac{\mu Mg}{kl} \right).

После начала просkalьвения камеры увеличение объема газа будет проискодить при постоянном давлении; следовательно,

T6T1=VV1=2lS(l+x)S=21+μMg/(kl).\frac{T_6}{T_1} = \frac{V}{V_1} = \frac{2lS}{(l+x)S} = \frac{2}{1 + \mu Mg/(kl)}.

Подставляя сюда значение T1T_1, получим

T6T0=2(1+μMgp0S) при μMg<kl.\frac{T_6}{T_0} = 2 \left( 1 + \frac{\mu Mg}{p_0S} \right) \text{ при } \mu Mg < kl.

Ниболее грубоей и частой ошибкой при решении этой задачи было отсутствие расстояния является частью, когда камера сначала покопится. Удивительно также, что очень много не учитывали внешнее давление p0p_0.

  1. Выделившаяся при взрыве тепловая энергия идет в основном на работу против сил гидростатического давления:

Q=p(Vкон−Vнач)≈pVкон,Q = p(V_{\text{кон}} - V_{\text{нач}}) \approx pV_{\text{кон}},

или

mλ≈QBgh43πr3.m\lambda \approx Q_B gh \frac{4}{3} \pi r^3.

Отсюда

r∼3mλ4πφgh3∼5 m.r \sim \sqrt[3]{\frac{3m\lambda}{4\pi\varphi gh}} \sim 5 \text{ m}.

В оценке объема полости некоторых абитурентов пропускили главный фактор — работа против внешнего давления при расширении пузы, ошибочно полагая, что почти все энергия идет на образование пара в пузы.

  1. Максимальный откок получается в случае, если проекция переданного шарику имплуса на направление вдоль нити минимальна. (Если в момент удрала линей центр перпендикулярна к нити, проекция на направление вдоль нити равна нулю и откок максимальной из всех возможных.) При перемещении круглого преястия проекция имплуса вдоль нити увеличается, а, значит, доля энергии, идущей на движение шарика, уменьшается.

Некоторые абитуренты безусловно пытались все к различию в книематике центрального и нецентрального ударов.

Г. Меледин,
М. Фокин