Учебник reknow · 11 класс
Физика: теория
10 тем — объяснения простым языком, формулы, рисунки и разобранные примеры. К каждой теме — тренажёр.
Оглавление
- Электростатика: закон Кулона и электрическое поле
- Потенциал и работа поля. Конденсаторы
- Постоянный электрический ток
- Магнитное поле. Сила Ампера и сила Лоренца
- Электромагнитная индукция
- Электромагнитные колебания. Переменный ток
- Электромагнитные волны. Шкала излучений. Радиосвязь
- Геометрическая оптика
- Волновая оптика
- Квантовая физика. Атом и атомное ядро
Тема 1 · Физика
Электростатика: закон Кулона и электрическое поле
Потренироваться: задания по теме →Простыми словами
Потрём расчёску о волосы — и она притягивает клочки бумаги. Расчёска получила электрический заряд. Заряды бывают двух знаков: одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются.
Элементарный заряд — заряд электрона (по модулю). Любой заряд кратен ему: , где — число лишних (или недостающих) электронов.
Закон сохранения заряда: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов не меняется. Два одинаковых шарика после касания делят заряд поровну: .
- Шарик : не хватает электронов.
- , : после касания по .
Закон Кулона
Сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряды. Она прямо пропорциональна каждому заряду и обратно пропорциональна квадрату расстояния.
- , , : .
- Обратная: , , : , .
- Один заряд уменьшили в раза: . Расстояние увеличили в раза: сила меньше в раз.
Переводите приставки: , , . Знак «минус» у заряда в формулу не ставят — он говорит лишь о притяжении.
Напряжённость поля
На положительный заряд сила действует по направлению , на отрицательный — против.
| Источник | Напряжённость |
|---|---|
| точечный заряд | |
| заряженная плоскость | — не зависит от расстояния ( — заряд на единицу площади) |
| внутри проводника |
- на : .
- Однородное поле , сила : .
Суперпозиция и линии поля
Принцип суперпозиции: — поля складываются как векторы.
Линии напряжённости начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных, нигде не пересекаются; касательная к линии совпадает с . Где линии гуще — поле сильнее. У однородного поля (между пластинами конденсатора) линии параллельны и равноудалены.
Знак заряда по рисунку: стрелки «от заряда» — плюс, «к заряду» — минус.
Читаем картину поля
- Единица напряжённости — вольт на метр (В/м), то же, что Н/Кл.
- Вблизи заряда поле сильнее (линии гуще), вдали — слабее: .
- Между двумя одноимёнными зарядами есть точка, где поля компенсируют друг друга и ; у разноимённых между ними поля складываются.
- Линии напряжённости электростатического поля не пересекаются ни в одной точке; внутри заряженного проводника в равновесии .
Тема 2 · Физика
Потенциал и работа поля. Конденсаторы
Потренироваться: задания по теме →Простыми словами
Электрическое поле похоже на поле тяжести: перемещая заряд «под горку», поле совершает работу, как сила тяжести при спуске камня. И так же, как работа силы тяжести, она не зависит от формы пути — только от начальной и конечной точек.
, : .
Потенциал поля точечного заряда: . Пример: , : .
При перемещении по эквипотенциальной поверхности (все точки с одним потенциалом) работа равна нулю. Энергия, полученная зарядом от поля, переходит в кинетическую: .
Однородное поле
, : .
Проводники и диэлектрики
Конденсаторы
Ёмкость зависит только от размеров и диэлектрика, но не от заряда и напряжения. , , .
| Соединение | Ёмкость | Одинаково у всех |
|---|---|---|
| параллельное | напряжение | |
| последовательное | заряд |
- , : .
- , : .
- и параллельно: .
- Площадь пластин уменьшили в раза: .
Конденсатор отключён от источника — сохраняется заряд; подключён — сохраняется напряжение.
Отключённый конденсатор, ; расстояние увеличили в раза. уменьшилась в раза, та же, значит выросло в раза: .
Диэлектрик во внешнем поле
- Молекулы диэлектрика во внешнем поле поляризуются: на гранях появляются связанные заряды, их поле ослабляет внешнее.
- У последовательно соединённых конденсаторов одинаков заряд на обкладках, у параллельных — напряжение.
Тема 3 · Физика
Постоянный электрический ток
Потренироваться: задания по теме →Простыми словами
Ток — это поток зарядов по проводу, как вода по трубе. Напряжение «толкает» заряды, сопротивление им мешает. Чем сильнее толкают и чем меньше мешают, тем больше ток.
- , : .
- Нихром: , , : .
График (вольт-амперная характеристика) проводника — прямая через начало координат; её наклон равен сопротивлению. Например, при → .
Соединения проводников
| Последовательное | Параллельное | |
|---|---|---|
| ток | ||
| напряжение | ||
| сопротивление |
Для двух параллельных: ; для одинаковых: .
- и параллельно: .
- последовательно с блоком : блок , всего .
- Последовательно , , , : вольтметр на первом покажет .
Параллельное сопротивление всегда меньше наименьшего из резисторов. Если получилось больше — ошибка.
Закон Ома для полной цепи
- , , : ; .
- Короткое замыкание (): .
Идеальный амперметр () включают последовательно с участком, ток через который измеряют; идеальный вольтметр (очень большое ) — параллельно. При разомкнутой цепи вольтметр на клеммах показывает .
Работа и мощность тока
, : .
Полная мощность источника , полезная — , КПД источника .
Выбирайте формулу мощности по известным величинам: даны и — ; даны и — . При последовательном соединении удобнее (ток общий), при параллельном — (напряжение общее).
Качественные вопросы
- Сопротивление металлического проводника зависит от материала (), длины и площади поперечного сечения: длина вдвое больше — сопротивление вдвое больше.
- На графике круче идёт прямая проводника с бо́льшим сопротивлением (на графике — наоборот, круче у меньшего).
- При коротком замыкании ток максимален и равен .
Тема 4 · Физика
Магнитное поле. Сила Ампера и сила Лоренца
Потренироваться: задания по теме →Простыми словами
Рядом с проводом, по которому идёт ток, стрелка компаса поворачивается. Значит, вокруг тока есть магнитное поле. Оно создаётся движущимися зарядами и действует тоже только на движущиеся заряды.
Линии магнитной индукции замкнуты (поле вихревое). Вокруг прямого тока они — концентрические окружности; направление задаёт правило буравчика: буравчик ввинчивается по току — ручка вращается по линиям поля.
Сила Ампера
Проводник вдоль поля () — сила равна нулю; максимум при .
- , , , : .
- , , , : .
- , , : .
Линии индукции входят в ладонь, четыре пальца — по току, отогнутый на большой палец показывает силу Ампера.
Сила Лоренца
, , , : .
Направление — по правилу левой руки (четыре пальца — по скорости положительного заряда). Для отрицательного заряда сила направлена в противоположную сторону.
Сила Лоренца перпендикулярна скорости: она не совершает работы и не меняет модуль скорости, а только поворачивает её.
Движение частицы по окружности
При : , откуда
- , , : .
- Обратно: , : .
- , : .
Период обращения не зависит от скорости — на этом основан циклотрон.
Магнитный поток
Угол — с нормалью, а не с плоскостью. Поле перпендикулярно рамке: ; поле лежит в плоскости рамки: .
Магниты и катушки
- Единица магнитной индукции — тесла (Тл).
- Вне полосового магнита линии индукции идут от северного полюса N к южному S, внутри магнита — от S к N (линии замкнуты). Разрезав магнит, отдельный полюс не получить: каждая половина — магнит с двумя полюсами.
- Поле внутри длинного соленоида с током однородно и направлено вдоль его оси. Усилить поле катушки при том же токе можно, увеличив число витков и введя железный сердечник.
- При движении по окружности сила Лоренца играет роль центростремительной силы. Направление силы на рисунке находят по правилу левой руки, направление линий поля прямого тока — по правилу буравчика (правого винта).
Тема 5 · Физика
Электромагнитная индукция
Потренироваться: задания по теме →Простыми словами
Вдвинем магнит в катушку, подключённую к амперметру, — стрелка дёрнется. Остановим магнит — ток пропадёт. Ток возникает, только пока магнитное поле через катушку меняется. Это явление открыл Майкл Фарадей в 1831 году.
, , поле перпендикулярно: .
Закон Фарадея
ЭДС возникает при любом изменении потока: меняется , меняется площадь или поворачивается рамка. Если поток постоянен (даже большой) — ЭДС нет.
- за : .
- Катушка, , за : .
- По графику: поток равномерно вырос от до за — наклон графика : .
Правило Ленца
Индукционный ток направлен так, чтобы противодействовать причине, которая его вызвала. Поток растёт — поле индукционного тока внутри контура направлено против внешнего; поток убывает — вдоль него.
К катушке приближают магнит северным полюсом. Катушка «сопротивляется» — отталкивает магнит, поэтому обращена к нему тоже северным полюсом. При удалении магнита она его притягивает (обращена южным).
Знак «минус» в законе Фарадея — запись правила Ленца. Само правило — следствие закона сохранения энергии: чтобы получить ток, приходится совершать работу.
ЭДС в движущемся проводнике
- , , : .
- , , , : , .
На проводник с током действует тормозящая сила Ампера — работа внешней силы переходит в электрическую энергию.
Самоиндукция и энергия поля
- , за : .
- , : .
Из-за самоиндукции ток в катушке не меняется мгновенно: при замыкании нарастает постепенно, при размыкании ещё некоторое время поддерживается.
Единицы и качественные вопросы
- Единица магнитного потока — вебер (Вб), индуктивности — генри (Гн).
- ЭДС индукции возникает, только если поток меняется со временем; если плоскость контура параллельна линиям индукции, поток через него равен нулю.
- ЭДС пропорциональна скорости изменения потока: изменение в 3 раза быстрее — ЭДС в 3 раза больше. Поэтому чем быстрее двигать магнит, тем сильнее отклоняется стрелка гальванометра.
Тема 6 · Физика
Электромагнитные колебания. Переменный ток
Потренироваться: задания по теме →Простыми словами
Зарядим конденсатор и подключим к катушке. Конденсатор разряжается, ток в катушке растёт; потом катушка «по инерции» перезаряжает конденсатор в обратную сторону — и так снова и снова. Заряд и ток качаются, как маятник. Это колебательный контур.
- , : , .
- Обратно: . При , : .
- увеличили в раз → вырос в раз: .
Период пропорционален корню из и . И не забывайте приставки: , .
Энергия в контуре
Энергия переходит из электрического поля конденсатора в магнитное поле катушки и обратно. Конденсатор заряжен полностью — ток равен нулю (энергия магнитного поля нулевая); конденсатор разряжен — ток максимален.
Заряд и ток сдвинуты по фазе на ; , где — циклическая частота.
, , : .
Переменный ток
Мощность на активной нагрузке считают через действующие значения: . Промышленная частота в России , .
- , : .
- По графику период : ; : .
По графику: период — расстояние между соседними одинаковыми точками (например, двумя вершинами), амплитуда — высота вершины от оси, а не от «дна».
Трансформатор
- , , : (повышающий).
- , : (понижающий). , — повышающий.
- , , : напряжение выросло в раз, ток уменьшился в раз: .
Трансформатор работает только на переменном токе: постоянный ток не создаёт меняющегося магнитного потока. При передаче энергии напряжение повышают, чтобы уменьшить ток и потери на нагрев проводов .
Энергия идеального контура
- В идеальном контуре (без сопротивления) полная энергия не меняется: — она лишь переходит из электрического поля в магнитное и обратно. В реальном контуре колебания затухают из-за нагрева проводов.
Тема 7 · Физика
Электромагнитные волны. Шкала излучений. Радиосвязь
Потренироваться: задания по теме →Простыми словами
Меняющееся электрическое поле порождает магнитное, а меняющееся магнитное — электрическое. Так они «подхватывают» друг друга и бегут в пространстве со скоростью света. Радио, свет, рентген — всё это электромагнитные волны, только разной длины.
Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Её излучают заряды, движущиеся с ускорением. Векторы и перпендикулярны друг другу и направлению распространения — волна поперечная, поэтому её можно поляризовать.
Длина волны и частота
- : .
- : .
- Приёмник настроен на : .
- Среда с : .
При переходе в среду частота не меняется, а скорость и длина волны уменьшаются в раз.
Шкала электромагнитных излучений
| Диапазон | Длина волны | Источник |
|---|---|---|
| радиоволны | от километров до мм | колебательный контур, антенна |
| инфракрасное | 1 мм – 780 нм | нагретые тела |
| видимый свет | 780 – 380 нм | Солнце, лампы |
| ультрафиолет | 380 – 10 нм | Солнце, кварцевые лампы |
| рентгеновское | 10 – 0,01 нм | рентгеновская трубка |
| гамма | < 0,01 нм | ядерные превращения |
Пример: — это радиоволны.
Радиосвязь и радиолокация
: .
Делят пополам, потому что импульс проходит путь до цели и обратно.
Свойства волн и связь
- Электромагнитная волна переносит энергию электромагнитного поля; векторы , и скорость взаимно перпендикулярны.
- Частота волны задаётся источником и при переходе в другую среду не меняется.
- В мобильной связи и радиолокации используют микроволновое (СВЧ) излучение — самые короткие радиоволны.
- Радиосигнал модулируют, потому что низкочастотный звуковой сигнал сам почти не излучается антенной: его «сажают» на высокочастотную несущую волну.
Тема 8 · Физика
Геометрическая оптика
Потренироваться: задания по теме →Простыми словами
Ложка в стакане с водой кажется сломанной, а в зеркале мы видим себя «за стеклом». Свет идёт прямо, но на границе двух сред отражается и преломляется — это и изучает геометрическая оптика.
Угол отражения равен углу падения: . Оба угла отсчитывают от нормали (перпендикуляра к поверхности). Падающий луч, отражённый луч и нормаль лежат в одной плоскости.
- Угол падения : угол между лучами .
- Угол между лучами : угол падения .
Плоское зеркало даёт мнимое, прямое, равное изображение, симметричное предмету: предмет в от зеркала — изображение тоже в за ним.
Угол падения — от нормали, а не от поверхности. Луч под к зеркалу имеет угол падения .
Преломление света
В оптически более плотную среду (больше ) луч идёт ближе к нормали, в менее плотную — дальше от неё. Показатели: вакуум , воздух , вода , стекло , алмаз .
- Из воздуха: , → .
- : .
При переходе из более плотной среды в менее плотную, если угол падения , преломлённого луча нет — весь свет отражается:
Пример: , → . На этом работают световоды и оптическое волокно.
Тонкая линза
У собирающей линзы , ; у рассеивающей , . Мнимому изображению соответствует .
- , : , .
- , : , , .
- : .
Для оптической силы фокусное расстояние — в метрах: → .
Построение изображений
Достаточно двух лучей: луч, параллельный главной оптической оси, после линзы проходит через фокус; луч через оптический центр не преломляется.
| Положение предмета | Изображение |
|---|---|
| действительное, перевёрнутое, уменьшенное | |
| действительное, перевёрнутое, равное | |
| действительное, перевёрнутое, увеличенное | |
| мнимое, прямое, увеличенное (лупа) | |
| рассеивающая линза | всегда мнимое, прямое, уменьшенное |
Чем ближе предмет к фокусу, тем дальше и крупнее изображение. Действительное изображение всегда перевёрнуто, мнимое — прямое.
Коротко о лучах
- Луч через оптический центр тонкой линзы идёт, не меняя направления.
- Если предмет поместить точно в фокус собирающей линзы, лучи после неё идут параллельно — изображения нет.
- Плоское зеркало даёт мнимое, прямое, равное по размеру изображение; рассеивающая линза — всегда мнимое, прямое, уменьшенное.
- При переходе в оптически более плотную среду луч приближается к нормали; при угле падения больше предельного свет полностью отражается обратно в первую среду.
Тема 9 · Физика
Волновая оптика
Потренироваться: задания по теме →Простыми словами
Плёнка бензина на луже переливается радугой, хотя бензин бесцветный. Свет отражается от верхней и нижней поверхностей плёнки, две волны встречаются и где-то усиливают, а где-то гасят друг друга. Это интерференция — доказательство того, что свет — волна.
Интерференция — сложение волн, при котором в одних точках они усиливают друг друга, а в других ослабляют. Интерферировать могут только когерентные волны — одинаковой частоты с постоянной разностью фаз.
Максимум и минимум
Алгоритм: найти . Целое число — максимум (светлая полоса) порядка ; полуцелое (; ; …) — минимум (тёмная).
- , : — минимум.
- , : — максимум второго порядка.
Переведите и в одни единицы: .
Опыт Юнга
Свет проходит через две узкие щели — два когерентных источника. На экране видны чередующиеся светлые и тёмные полосы.
- , , : .
- Обратно: , , : .
Дифракционная решётка
Дифракция — огибание волной препятствий; заметна, когда размер препятствия сравним с длиной волны. Дифракционная решётка — множество параллельных щелей.
- , , : .
- штрихов на : .
- , : , значит (округляем вниз — не больше 1).
В спектре решётки красный свет отклоняется сильнее фиолетового — наоборот, чем в призме.
Дисперсия и поляризация
«Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан» — порядок цветов. В призме фиолетовый «ломается» сильнее, в решётке — красный.
Поляризаторы, призма, опыты
- Первый поляроид — поляризатор, второй, которым проверяют поляризацию, — анализатор. Естественный свет после поляризатора становится плоскополяризованным, интенсивность падает вдвое. При параллельных осях свет проходит анализатор без дополнительного ослабления; при повороте анализатора от до интенсивность плавно убывает до нуля, при перпендикулярных осях свет полностью гасится.
- При разложении призмой частота каждого цвета не меняется; если спектр снова собрать линзой, получится белый свет.
- Дифракция — огибание светом препятствий и отклонение от прямолинейного распространения. Максимум интерференции — разность хода равна чётному числу полуволн, минимум — нечётному.
- В опыте Юнга свет сначала пропускают через одну щель, чтобы две следующие щели стали когерентными источниками. При увеличении расстояния до экрана полосы становятся шире ().
- Разность хода лучей, отражённых от тонкой плёнки, зависит от её толщины, показателя преломления и угла падения.
Тема 10 · Физика
Квантовая физика. Атом и атомное ядро
Потренироваться: задания по теме →Простыми словами
Свет излучается и поглощается не непрерывно, а порциями — квантами (фотонами). Энергия одной порции тем больше, чем выше частота: фиолетовый фотон «сильнее» красного. Поэтому ультрафиолет выбивает электроны из металла, а яркий красный свет — может и не выбить.
- : .
- : .
Фотоэффект
- , : .
- : .
- : .
- На графике прямая пересекает ось частот в — это красная граница: .
Фотоэффект идёт только при . Красная граница и энергия электронов не зависят от интенсивности света; от интенсивности зависит лишь число электронов (ток насыщения).
Постулаты Бора
1. Атом находится только в стационарных состояниях с определёнными энергиями; в них он не излучает.
2. При переходе между уровнями излучается или поглощается фотон: . Переход вниз — излучение, вверх — поглощение.
Спектры испускания и поглощения атомов линейчатые и индивидуальны для каждого элемента.
Атомное ядро
Медь : нуклонов , протонов , нейтронов . Изотопы — одинаковый , разный . Удельная энергия связи максимальна у ядер середины таблицы (около железа), поэтому энергия выделяется и при делении тяжёлых ядер, и при синтезе лёгких.
Распады и ядерные реакции
| Распад | Что вылетает | Что с ядром | Пример |
|---|---|---|---|
| ядро гелия | , | ||
| электрон | не меняется, | ||
| фотон | и не меняются | — |
В любой ядерной реакции сохраняются суммарное массовое число (верхние индексы) и суммарный заряд (нижние). Неизвестную частицу находят вычитанием: : , — углерод.
- , , : , осталось .
- Распалось ядер.
Читайте вопрос: «сколько осталось» и «сколько распалось» — разные ответы. За два периода распадается не всё, а ядер.
Почему спектры линейчатые
- Энергия атома принимает лишь дискретные значения (уровни), поэтому при переходах излучаются фотоны только определённых частот — спектр состоит из отдельных линий.