Учебник reknow · 8 класс

Физика: теория

10 тем — объяснения простым языком, формулы, рисунки и разобранные примеры. К каждой теме — тренажёр.

Классы:7 8 9 10 11 Физика по всем классам →

Тепловые явления и внутренняя энергия
Количество теплоты. Удельная теплоёмкость
Агрегатные состояния вещества
Электризация тел. Строение атома
Электрический ток. Закон Ома
Соединение проводников
Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца
Магнитные явления
Световые явления. Отражение света
Преломление света. Линзы

Тема 1 · Физика

Тепловые явления и внутренняя энергия

Потренироваться: задания по теме →

Остывание чая: закон Ньютона Три способа передачи тепла Излучение нагретого тела

Простыми словами

Потрите ладони — они станут тёплыми. Подержите их над чашкой горячего чая — тоже согреются. Результат один, а способы разные: в первом случае совершили работу, во втором тепло передалось само.

Внутренняя энергия тела — энергия хаотического (теплового) движения и взаимодействия его частиц. Чем выше температура, тем быстрее движутся частицы и тем больше внутренняя энергия.

Внутренняя энергия не зависит от механического движения тела как целого и от его положения: мяч на шкафу и на полу при одной температуре имеет одну и ту же внутреннюю энергию.

Как изменить внутреннюю энергию

Совершение работытрение (ладони, спичка о коробок), удар (молотком по гвоздю), сжатие (насос нагревается). Если тело само совершает работу (газ расширяется), его внутренняя энергия уменьшается.

Теплопередачапередача энергии без совершения работы — всегда от горячего тела к холодному, пока температуры не сравняются.

Три вида теплопередачи

Теплопроводность, конвекция, излучение

Вид	Как идёт	Где	Пример
Теплопроводность	от частицы к частице при контакте, само вещество не перемещается	лучше всего в металлах, плохо в газах	ложка в горячем чае нагревается
Конвекция	перенос энергии потоками самого вещества: тёплые слои поднимаются, холодные опускаются	только жидкости и газы	вода в чайнике прогревается по всему объёму; батарея греет комнату; ветер
Излучение	электромагнитными (тепловыми) лучами, без вещества	везде, даже в вакууме	тепло от Солнца, от костра

В твёрдых телах конвекции нет, а в вакууме нет ни теплопроводности, ни конвекции — только излучение. Так энергия Солнца доходит до Земли.

Тёмные поверхности лучше поглощают и излучают энергию, светлые и зеркальные — отражают. Летом носят светлую одежду.

В природе и технике

Колба с двойными стенками, между ними откачан воздух — нет теплопроводности и конвекции. Стенки посеребрены (зеркальные) — отражают излучение. Пробка мешает конвекции через горлышко. Поэтому чай долго остаётся горячим.

Батареи ставят внизу, а форточки и кондиционеры — вверху: так работает конвекция.
Мех, пух, двойные рамы, пенопласт хорошо сохраняют тепло: в них много воздуха, а воздух — плохой проводник тепла.
Кастрюли делают из металла (хорошо проводит тепло), а ручки — из пластмассы или дерева (плохо проводят).
Днём ветер дует с моря на сушу (бриз): суша нагревается быстрее, тёплый воздух над ней поднимается.

От чего зависит внутренняя энергия

Тепловое движение — беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела. Частицы движутся всегда, даже если тело покоится; средняя скорость частиц зависит от температуры.
Внутренняя энергия растёт с температурой и с массой: при одинаковой температуре у куска железа массой 2 кг она больше, чем у куска массой 1 кг.
Она зависит и от агрегатного состояния: при замерзании вода отдаёт энергию, поэтому внутренняя энергия льда при 0 °C меньше, чем у той же массы воды при 0 °C.
Не зависит от движения тела как целого и от высоты: мяч подняли на стол, температура прежняя — внутренняя энергия не изменилась.
Количество теплоты и работу измеряют в джоулях (Дж).

Гвоздь нагрелся от ударов молотка — совершением работы. Холодный стакан нагрелся от горячей воды — теплопередачей. Ладони согрелись от трения — работой против силы трения.

Тема 2 · Физика

Количество теплоты. Удельная теплоёмкость

Потренироваться: задания по теме →

Нагревание, плавление, кипение Остывание чая: закон Ньютона Сгорание топлива и тепловой баланс Теплообмен двух тел Физические формулы

Простыми словами

На пляже песок к полудню раскаляется, а вода в море остаётся прохладной, хотя солнце греет их одинаково. Воде нужно гораздо больше тепла, чтобы нагреться на тот же градус: у неё большая удельная теплоёмкость.

Количество теплоты $Q$ — энергия, которую тело получает или отдаёт при теплопередаче. Единица — джоуль (Дж); $1 кДж = 1000 Дж$ .

Главная формула

Q = c m Δ t = c m (t_{2} - t_{1})

теплота при нагревании и охлаждении

где $c$ — удельная теплоёмкость вещества, Дж/(кг·°C); $m$ — масса, кг; $t_{1}$ — начальная, $t_{2}$ — конечная температура, °C; $Δ t$ — изменение температуры, °C.

Удельная теплоёмкость — количество теплоты, необходимое, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 °C. Столько же теплоты выделяется при остывании 1 кг на 1 °C.

Медь, $m = 9 кг$ , нагрели на $22 °C$ , $c = 380 Дж /(кг \cdot^{\circ} C)$ .

$Q = 380 \cdot 9 \cdot 22 = 75240 Дж$ .

Удельная теплоёмкость веществ

Удельная теплоёмкость, Дж/(кг·°C)

У воды одна из самых больших теплоёмкостей. Поэтому моря смягчают климат, а водой охлаждают двигатели и обогревают дома.

Лёд и вода — одно вещество, но $c$ у них разная (2100 и 4200). Теплоёмкость зависит от агрегатного состояния.

Обратные задачи

m = \frac{Q}{c Δ t} Δ t = \frac{Q}{c m} t_{2} = t_{1} + \frac{Q}{c m}

масса и конечная температура

Вода, нагрев на $78 °C$ , затрачено $Q = 655200 Дж$ .

$m = \frac{655 200}{4200 \cdot 78} = \frac{655 200}{327 600} = 2 кг$ .

Медь $m = 18 кг$ при $t_{1} = 38 °C$ получила $Q = 533520 Дж$ .

На сколько нагрелась: $Δ t = \frac{533 520}{380 \cdot 18} = \frac{533 520}{6840} = 78 °C$ .
Конечная температура: $t_{2} = 38 + 78 = 116 °C$ .

Частая ошибка — дать в ответ $Δ t$ вместо $t_{2}$ . Спрашивают конечную температуру — прибавьте изменение к начальной.

Проверка здравым смыслом: чем больше $c$ , тем меньше нагреется тело от той же теплоты. Свинец от того же количества теплоты нагреется в 30 раз сильнее воды.

Тема 3 · Физика

Агрегатные состояния вещества

Потренироваться: задания по теме →

Испарение и кипение: молекулярная картина Нагревание, плавление, кипение Насыщенный пар и влажность воздуха

Простыми словами

Кастрюля со льдом стоит на плите: лёд тает, а термометр в нём упорно показывает 0 °C, пока не растает последний кусочек. Тепло идёт не на нагрев, а на разрушение кристалла. Так же кипящая вода остаётся при 100 °C — энергия уходит на превращение воды в пар.

Переход	Название	Теплота
твёрдое → жидкое	плавление	поглощается
жидкое → твёрдое	кристаллизация (отвердевание)	выделяется
жидкое → газ	парообразование (испарение, кипение)	поглощается
газ → жидкое	конденсация	выделяется

График нагревания льда

Во время плавления и кипения температура не меняется

Температура плавления равна температуре кристаллизации (для льда 0 °C). Пока идёт плавление или кипение, температура постоянна.

Плавление и кристаллизация

Q = λm

теплота плавления

где $λ$ («лямбда») — удельная теплота плавления, Дж/кг: сколько теплоты нужно, чтобы расплавить 1 кг вещества, взятого при температуре плавления; $m$ — масса, кг. Для льда $λ = 3, 4 \cdot 1 0^{5} Дж / кг = 340000 Дж / кг$ .

Лёд $m = 8, 3 кг$ при 0 °C: $Q = 340000 \cdot 8, 3 = 2822000 Дж \approx 2, 8 МДж$ .

При кристаллизации той же массы выделяется столько же теплоты.

Парообразование и конденсация

Испарение идёт с поверхности жидкости при любой температуре; быстрее — при большей температуре, площади поверхности и при ветре. Испаряющаяся жидкость охлаждается. Кипение — бурное парообразование по всему объёму при определённой температуре (вода при нормальном давлении — 100 °C).

Q = L m

теплота парообразования

где $L$ — удельная теплота парообразования, Дж/кг: сколько теплоты нужно, чтобы превратить в пар 1 кг жидкости при температуре кипения. Для воды $L = 2, 3 \cdot 1 0^{6} Дж / кг = 2300000 Дж / кг$ .

Вода $m = 3, 3 кг$ при 100 °C: $Q = 2300000 \cdot 3, 3 = 7590000 Дж$ .
Масса: $Q = 1150000 Дж$ → $m = \frac{Q}{L} = \frac{1 150 000}{2 300 000} = 0, 5 кг$ .

При конденсации пара выделяется столько же теплоты, сколько ушло на парообразование. Поэтому ожог паром опаснее ожога кипятком.

Ловушки

$Q = λm$ и $Q = L m$ — только когда вещество уже при температуре плавления (кипения). Если лёд при −10 °C, сначала нагрев: $Q_{1} = c_{л} m Δ t$ , потом плавление: $Q_{2} = λm$ , и $Q = Q_{1} + Q_{2}$ .

$λ$ — «лёд» (плавление), $L$ — «летучий пар» (парообразование). Для воды $L$ почти в 7 раз больше $λ$ : выкипятить воду труднее, чем растопить столько же льда.

Тема 4 · Физика

Электризация тел. Строение атома

Потренироваться: задания по теме →

Электризация и электроскоп

Простыми словами

Потрите воздушный шарик о волосы — он начнёт притягивать волосы и прилипнет к стене. Шарик наэлектризовался: при трении часть электронов перешла с волос на шарик.

Электризация — процесс, при котором тело приобретает электрический заряд (трением, соприкосновением, через влияние). Зарядов два вида: положительный (+) и отрицательный (−).
Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые — притягиваются.

Заряд обозначают $q$ , единица — кулон (Кл); малые заряды — в нанокулонах: $1 нКл = 1 0^{- 9} Кл$ . При электризации трением заряжаются оба тела: одинаковыми по величине, противоположными по знаку зарядами.

Строение атома

Планетарная модель атома (по Резерфорду)

Атом состоит из положительно заряженного ядра (протоны и нейтроны) и электронов вокруг него. Заряд электрона $e \approx - 1, 6 \cdot 1 0^{- 19} Кл$ — наименьший заряд в природе; заряд протона такой же по модулю, но положительный.

В нейтральном атоме число электронов = числу протонов = порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.

Ионы

Протоны «сидят» в ядре прочно, а внешние электроны можно оторвать или добавить. Атом, потерявший или присоединивший электроны, называют ионом.

Потерял электроныположительный ион: электронов = протоны − потерянные.

Присоединил электроныотрицательный ион: электронов = протоны + присоединённые.

Кальций: 20 протонов, потерял 2 электрона. Электронов у иона: $20 - 2 = 18$ , заряд иона $+ 2 e$ ( $C a^{2 +}$ ).

При электризации переходят только электроны. Тело заряжается положительно не потому, что «получило протоны», а потому что потеряло электроны.

Закон сохранения заряда

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов остаётся постоянной: $q_{1} + q_{2} + \dots = const$ . Заряды не возникают и не исчезают, а перераспределяются.

Если привести в соприкосновение одинаковые металлические шарики, общий заряд делится между ними поровну:

q^{'} = \frac{q _{1} + q _{2}}{2}

заряд каждого шарика после соприкосновения

$q_{1} = - 2 нКл$ , $q_{2} = - 28 нКл$ : $q^{'} = \frac{- 2 + ( - 28 )}{2} = - 15 нКл$ .
$q_{1} = + 6 нКл$ , $q_{2} = + 16 нКл$ : $q^{'} = \frac{6 + 16}{2} = 11 нКл$ .
$q_{1} = + 10 нКл$ , $q_{2} = - 4 нКл$ : $q^{'} = \frac{10 - 4}{2} = 3 нКл$ .

Складывайте заряды со знаками. Сумма модулей даёт неверный ответ, если знаки разные.

Проводники (металлы) легко передают заряд — по ним свободно движутся электроны. Диэлектрики (стекло, резина, пластмасса) — нет, поэтому их и электризуют трением.

Опыты, приборы и поле

Стекло о шёлкстеклянная палочка заряжается положительно (отдаёт электроны), шёлк — отрицательно.

Эбонит о шерстьэбонитовая палочка заряжается отрицательно (забирает электроны), шерсть — положительно.

Электроскоп (с измерительной шкалой — электрометр) обнаруживает заряд: листочки получают заряд одного знака и расходятся, чем больше заряд — тем сильнее.

Вокруг заряженного тела существует электрическое поле — вид материи, через который действует электрическая сила. Чем дальше от заряженного тела, тем слабее поле и меньше сила.

Электризация через влияние: заряженная палочка притягивает незаряженные клочки бумаги, потому что заряды в бумаге перераспределяются — ближний край получает заряд противоположного знака. Лёгкая металлическая гильза сначала притягивается, а коснувшись палочки, получает заряд того же знака и отталкивается.

Электрон открыл Дж. Томсон в 1897 году. Существование наименьшего (элементарного) заряда доказали опыты Р. Милликена и А. Ф. Иоффе — делить заряд бесконечно нельзя. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.

Заземление и молния

Земля — огромный проводник. Если соединить заряженный металлический шар с землёй, заряд уйдёт в неё — это заземление.

Металлический стержень в руке не зарядить трением: тело человека и металл — проводники, заряд уходит через руку. Эбонит — диэлектрик, на нём заряд остаётся.
Цепь, свисающая с бензовоза, отводит в землю заряды, возникающие при трении бензина о стенки цистерны, — иначе искра может вызвать пожар.
Корпуса и ручки инструментов делают из пластмассы — диэлектрика, который защищает от удара током. Раствор поваренной соли в воде, наоборот, проводник.
Молния — искровой электрический разряд между облаками или между облаком и землёй. Молниеотвод отводит разряд в землю, минуя здание.

Тема 5 · Физика

Электрический ток. Закон Ома

Потренироваться: задания по теме →

Сопротивление проводника и реостат Ток в металле: хаос и дрейф электронов Закон Ома Физические формулы

Простыми словами

Представим водопровод: напор воды — это напряжение, количество воды, протекающей за секунду, — сила тока, узкая или засорённая труба — большое сопротивление. Сильнее напор — больше поток; уже труба — меньше поток. Это и есть закон Ома.

Электрический ток — упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. В металлах это свободные электроны. За направление тока условно принято направление от «+» к «−» источника.

Три величины

Величина	Что показывает	Единица	Прибор
Сила тока $I$	заряд, проходящий через сечение проводника за 1 с: $I = \frac{q}{t}$	ампер (А)	амперметр — последовательно
Напряжение $U$	работа тока по переносу заряда 1 Кл: $U = \frac{A}{q}$	вольт (В)	вольтметр — параллельно
Сопротивление $R$	насколько проводник препятствует току	ом (Ом)	—

Сопротивление проводника зависит от материала, длины и площади сечения: $R = ρ \frac{l}{S}$ , где $ρ$ — удельное сопротивление, $l$ — длина, $S$ — площадь сечения. Длиннее и тоньше провод — больше сопротивление.

Закон Ома для участка цепи

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна его сопротивлению.

I = \frac{U}{R} U = I R R = \frac{U}{I}

закон Ома и следствия

где $I$ — сила тока, А; $U$ — напряжение, В; $R$ — сопротивление, Ом. $1 Ом = \frac{1 В}{1 А}$ .

Сила тока: $U = 390 В$ , $R = 39 Ом$ → $I = \frac{390}{39} = 10 А$ .
Напряжение: $I = 10 А$ , $R = 27 Ом$ → $U = 10 \cdot 27 = 270 В$ .
Сопротивление: $U = 140 В$ , $I = 10 А$ → $R = \frac{140}{10} = 14 Ом$ .

Треугольник: сверху $U$ , внизу $I$ и $R$ . Закройте искомую величину: $U$ → $I \cdot R$ ; $I$ → $\frac{U}{R}$ ; $R$ → $\frac{U}{I}$ .

Переводите в основные единицы: $1 мА = 0, 001 А$ , $1 кОм = 1000 Ом$ , $1 кВ = 1000 В$ .

График зависимости I от U

Чем больше сопротивление, тем положе прямая: при

U = 8 В

токи 4 А и 2 А

Для металлического проводника график $I (U)$ — прямая из начала координат. По любой точке графика: $R = \frac{U}{I}$ .

Сопротивление проводника (при неизменной температуре) от напряжения не зависит: если увеличить $U$ вдвое, вдвое вырастет $I$ , а $R = \frac{U}{I}$ останется прежним.

Тема 6 · Физика

Соединение проводников

Потренироваться: задания по теме →

Электрическая цепь

Простыми словами

Старая ёлочная гирлянда гаснет целиком, если перегорела одна лампочка, — лампы стоят последовательно, «в одну цепочку». А лампы в квартире горят независимо: они подключены параллельно, каждая — своим «отводом» от сети.

Слева ток идёт через оба резистора по очереди, справа — разветвляется

Последовательное соединение

Величина	Правило
Сила тока	одинакова: $I = I_{1} = I_{2}$
Напряжение	складывается: $U = U_{1} + U_{2}$
Сопротивление	складывается: $R = R_{1} + R_{2} + \dots$

где $R$ — общее сопротивление, Ом; $R_{1}$ , $R_{2}$ — сопротивления участков, Ом. Общее сопротивление больше самого большого из них.

$R_{1} = 36 Ом$ , $R_{2} = 5 Ом$ : $R = 36 + 5 = 41 Ом$ .
$R = 152 Ом$ , $R_{1} = 97 Ом$ : $R_{2} = R - R_{1} = 152 - 97 = 55 Ом$ .

$n$ одинаковых резисторов по $R_{0}$ : $R = n R_{0}$ .

Параллельное соединение

Величина	Правило
Напряжение	одинаково: $U = U_{1} = U_{2}$
Сила тока	складывается: $I = I_{1} + I_{2}$
Сопротивление	$\frac{1}{R} = \frac{1}{R _{1}} + \frac{1}{R _{2}}$

R = \frac{R _{1} R _{2}}{R _{1} + R _{2}}

два резистора параллельно: «произведение на сумму»

Общее сопротивление меньше наименьшего из сопротивлений: путей для тока стало больше.

$R_{1} = 30 Ом$ , $R_{2} = 15 Ом$ : $R = \frac{30 \cdot 15}{30 + 15} = \frac{450}{45} = 10 Ом$ .
$R_{1} = R_{2} = 20 Ом$ : $R = \frac{20 \cdot 20}{40} = 10 Ом$ — ровно половина.

$n$ одинаковых резисторов по $R_{0}$ параллельно: $R = \frac{R _{0}}{n}$ . Проверка ответа: при параллельном соединении результат всегда меньше меньшего.

Посчитав $\frac{1}{R} = \frac{1}{30} + \frac{1}{15} = \frac{1}{10}$ , не пишите в ответ $\frac{1}{10}$ — нужно перевернуть: $R = 10 Ом$ .

$R = 10 Ом$ , $R_{2} = 20 Ом$ . Найдите $R_{1}$ .

$\frac{1}{R _{1}} = \frac{1}{R} - \frac{1}{R _{2}} = \frac{1}{10} - \frac{1}{20} = \frac{1}{20}$ .
$R_{1} = 20 Ом$ . Или сразу: $R_{1} = \frac{R \cdot R _{2}}{R _{2} - R} = \frac{10 \cdot 20}{20 - 10} = 20 Ом$ .

Тема 7 · Физика

Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца

Потренироваться: задания по теме →

Работа и мощность тока, закон Джоуля — Ленца

Простыми словами

Чайник за пару минут вскипятил воду, а светодиодная лампа за то же время почти ничего не «потратила». Ток в любом приборе совершает работу — нагревает, светит, крутит мотор. Насколько быстро — показывает мощность, она написана на каждом приборе: «2000 Вт», «9 Вт».

Амперметр (A) включают последовательно, вольтметр (V) — параллельно участку

Мощность и работа тока

P = U I

мощность тока

A = Pt = U I t

работа тока

где $U$ — напряжение, В; $I$ — сила тока, А; $P$ — мощность, Вт; $t$ — время, с; $A$ — работа, Дж. $1 Вт = 1 В \cdot 1 А$ .

$U = 49 В$ , $I = 8 А$ : $P = 49 \cdot 8 = 392 Вт$ .
$P = 1691 Вт$ , $t = 30 мин = 1800 с$ : $A = 1691 \cdot 1800 = 3043800 Дж$ .

Время — в секундах: $1 мин = 60 с$ , $1 ч = 3600 с$ . Если подставить минуты, ответ в 60 раз меньше.

Счётчик электроэнергии считает работу тока в киловатт-часах: $1 кВт \cdot ч = 1000 Вт \cdot 3600 с = 3, 6 \cdot 1 0^{6} Дж$ .

С законом Ома ( $U = I R$ ) мощность можно записать ещё двумя способами: $P = I^{2} R = \frac{U ^{2}}{R}$ .

Закон Джоуля — Ленца

Проводник с током нагревается: движущиеся электроны сталкиваются с ионами металла и передают им энергию. Английский физик Джеймс Джоуль и российский физик Эмилий Ленц независимо установили закон:

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Q = I^{2} Rt

закон Джоуля — Ленца

где $Q$ — количество теплоты, Дж; $I$ — сила тока, А; $R$ — сопротивление, Ом; $t$ — время, с.

$I = 4 А$ , $R = 38 Ом$ , $t = 10 мин$ . Найдите $Q$ .

$t = 10 \cdot 60 = 600 с$ .
$I^{2} = 4^{2} = 16$ .
$Q = 16 \cdot 38 \cdot 600 = 364800 Дж$ .

Силу тока возводят в квадрат. При увеличении тока в 2 раза тепла выделяется в 4 раза больше — поэтому опасны перегрузка проводки и короткое замыкание; от них защищают предохранители.

На законе основаны нагревательные приборы: чайник, утюг, обогреватель, лампа накаливания. Их спираль делают из материала с большим сопротивлением (нихром).

Тема 8 · Физика

Магнитные явления

Потренироваться: задания по теме →

Электродвигатель постоянного тока Магнитное поле тока

Простыми словами

Стрелка компаса всегда поворачивается одним концом на север — её разворачивает невидимое магнитное поле Земли. Такое же поле есть у магнита на холодильнике и у любого провода, по которому течёт ток.

У магнита два полюса — северный (N) и южный (S). Одноимённые полюсы отталкиваются, разноимённые притягиваются. Разделить магнит на «только северный» и «только южный» нельзя: каждая половинка снова будет магнитом с двумя полюсами.

Магнитное поле и магнитные линии

Вокруг магнита существует магнитное поле. Его изображают магнитными линиями — вдоль них выстраиваются железные опилки и маленькие магнитные стрелки.

Вне магнита линии идут от северного полюса к южному; гуще всего — у полюсов

Там, где линии гуще, поле сильнее. Магнитные линии замкнуты.

Магнитное поле Земли: Земля — большой магнит. Его южный магнитный полюс находится вблизи северного географического, поэтому северный конец стрелки компаса указывает на север. Магнитные и географические полюсы не совпадают.

Стрелка компаса — тоже магнит: её N притягивается к S-полюсу земного «магнита», который сидит на севере.

Магнитное поле тока. Электромагнит

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед заметил, что магнитная стрелка возле провода поворачивается, когда по нему идёт ток. Вывод: вокруг проводника с током существует магнитное поле. Магнитное поле создают движущиеся заряды.

Поле тока сильнее у катушки (много витков). Если вставить внутрь железный сердечник, получится электромагнит — катушка с током, магнитное действие которой усилено сердечником.

Сильнеебольше сила тока, больше витков, есть железный сердечник.

Удобновключается и выключается, сила регулируется током. Применяют в подъёмных кранах, электрических звонках, реле.

Электродвигатель

На проводник с током в магнитном поле действует сила, и рамка с током поворачивается. На этом основан электродвигатель: он превращает электрическую энергию в механическую.

P_{з} = U I P_{п} = η U I η = \frac{A _{п}}{A _{з}} = \frac{m g h}{U I t}

мощность и КПД двигателя

где $U$ — напряжение, В; $I$ — сила тока, А; $P_{з}$ — потребляемая мощность, Вт; $P_{п}$ — полезная механическая мощность, Вт; $η$ — КПД (в формулу — долей: 60% = 0,6); $t$ — время, с; $m$ — масса груза, кг; $h$ — высота подъёма, м.

$U = 380 В$ , $I = 40 А$ , $η = 60%$ : $P_{п} = 0, 6 \cdot 380 \cdot 40 = 9120 Вт$ .
Подъёмник: $U = 220 В$ , $I = 20 А$ , $t = 60 с$ , $m = 660 кг$ , $h = 30 м$ , $g = 10 Н / кг$ .
Затрачено: $A_{з} = 220 \cdot 20 \cdot 60 = 264000 Дж$ . Полезно: $A_{п} = 660 \cdot 10 \cdot 30 = 198000 Дж$ .
$η = \frac{198 000}{264 000} \cdot 100% = 75%$ .

Полезная работа — подъём груза ( $m g h$ ), затраченная — работа тока ( $U I t$ ). Не перепутайте: КПД не бывает больше 100%.

Постоянные магниты и вещества

Постоянные магниты — тела, долго сохраняющие намагниченность. Природный магнит — магнитный железняк (магнетит). Бывают полосовые и дугообразные (подковообразные).
Сильно намагничиваются ферромагнетики: железо, никель, кобальт, сталь. Алюминий, медь, дерево практически не притягиваются. Магнит держится на дверце холодильника, потому что она стальная.
Стальная скрепка рядом с магнитом сама намагничивается и притягивает другие скрепки. Стальной стержень намагничивается и в поле катушки с током.
При сильных ударах магнит ослабевает, а при нагревании выше точки Кюри ферромагнетик теряет магнитные свойства.
Магнитное поле проходит сквозь стекло, бумагу, дерево. Защитить прибор от внешнего поля можно железным корпусом, а корпус компаса делают из латуни или пластмассы, чтобы он не искажал поле.
Если к стрелке поднести северный полюс магнита, она повернётся к нему южным концом. Направление магнитной линии в точке показывает северный полюс стрелки.

Магнитное поле Земли

Первым к выводу, что Земля — большой магнит, пришёл английский учёный У. Гильберт (1600 г.).

Магнитная аномалия — область, где поле Земли сильно отличается от обычного. Крупнейшая в России — Курская магнитная аномалия: под землёй огромные залежи железной руды, и компас там врёт.
Поле Земли защищает планету от потока заряженных частиц Солнца (солнечного ветра). Оно направляет частицы к полюсам, поэтому полярные сияния видны в основном в высоких широтах.
Магнитные бури вызываются солнечной активностью — усилением потоков заряженных частиц от Солнца.

Поле тока и устройства

Магнитные линии прямого проводника с током — замкнутые окружности вокруг него. Если изменить направление тока, линии меняют направление, и стрелка рядом поворачивается на $18 0^{\circ}$ .
Вокруг неподвижного заряда магнитного поля нет — его создают только движущиеся заряды.
Катушка с током похожа на полосовой магнит; её полюсы меняются местами при смене направления тока. Чем больше витков и сила тока, тем сильнее поле. После выключения тока поле электромагнита исчезает.
Два параллельных проводника с токами одного направления притягиваются, противоположных — отталкиваются.

Устройство	Как работает
Электрический звонок	электромагнит притягивает якорёк с молоточком, якорёк размыкает цепь, ток пропадает, и якорёк возвращается — удары повторяются
Электромагнитное реле	слабый ток через электромагнит включает цепь с сильным током
Магнитный сепаратор	отделяет железо от других материалов
Амперметр (гальванометр)	рамка с током поворачивается в поле постоянного магнита
Громкоговоритель	катушка с током колеблется в поле постоянного магнита и раскачивает диффузор

В электродвигателе вращающаяся часть — якорь (ротор), а коллектор (полукольца со щётками) каждые пол-оборота меняет направление тока в рамке. Направление вращения меняют, изменив направление тока или поменяв полюсы магнита. Первый практический электродвигатель создал Б. С. Якоби (1834 г.). Электродвигатели не дают выхлопа и имеют высокий КПД.

Тема 9 · Физика

Световые явления. Отражение света

Потренироваться: задания по теме →

Отражение и преломление света Плоское зеркало Тень, полутень и затмения

Простыми словами

Мяч, брошенный в стену под углом, отскакивает под тем же углом с другой стороны. Луч света ведёт себя так же при встрече с зеркалом. А в зеркале мы видим себя «за стеклом» на таком же расстоянии, на каком стоим перед ним.

В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Доказательство — тень: за непрозрачным предметом образуется область, куда свет не попадает. Линию, вдоль которой идёт свет, называют лучом.

Закон отражения

α

— угол падения,

β

— угол отражения; оба отсчитывают от перпендикуляра

1. Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр к поверхности в точке падения лежат в одной плоскости.
2. Угол падения равен углу отражения: $α = β$ .

Угол падения $5 7^{\circ}$ → угол отражения $5 7^{\circ}$ .

Углы отсчитывают от перпендикуляра, а не от поверхности зеркала. Если сказано «луч падает под углом $3 0^{\circ}$ к зеркалу», то угол падения $9 0^{\circ} - 3 0^{\circ} = 6 0^{\circ}$ , и угол между падающим и отражённым лучами $12 0^{\circ}$ .

Зеркальное отражениеот гладкой поверхности: параллельный пучок остаётся параллельным.

Рассеянное (диффузное)от шероховатой поверхности: лучи отражаются во все стороны — поэтому мы видим предметы с любого места.

Плоское зеркало

Изображение симметрично предмету относительно зеркала

Изображение в плоском зеркале — мнимое (лучи за зеркало не попадают, сходятся их продолжения), прямое, равное по размеру предмету и находится за зеркалом на таком же расстоянии, на каком предмет перед ним. Левое и правое меняются местами.

Человек в $d = 6 м$ от зеркала: до изображения $2 d = 12 м$ .
Стоял в 5 м и подошёл на 1 м: теперь $d = 4 м$ , до изображения $2 \cdot 4 = 8 м$ .

Расстояние «человек — изображение» всегда вдвое больше, чем «человек — зеркало». Подходим к зеркалу на 1 м — к изображению приближаемся на 2 м.

Источники света, тени и затмения

Источники светасами излучают свет: Солнце, звёзды, пламя, лампа. Естественные — Солнце, молния, светлячок; искусственные — лампы, фонари.

Освещённые теласами не светятся, их видно благодаря отражённому свету: Луна (светит отражённым солнечным светом), страница книги, стены.

Скорость света в вакууме примерно $300000 км / с$ . Световой луч — линия, вдоль которой распространяется энергия от источника.

От точечного источника за непрозрачным телом получается тень — область, куда свет не попадает совсем. От протяжённого источника вокруг тени появляется полутень, куда попадает свет лишь от части источника.

Затмение	Расположение
Солнечное	Луна между Солнцем и Землёй, тень Луны падает на Землю
Лунное	Земля между Солнцем и Луной, Луна попадает в тень Земли

Задачи на углы

Дан угол между падающим и отражённым лучами — угол падения равен его половине: $8 8^{\circ} : 2 = 4 4^{\circ}$ .
Дан угол к поверхности зеркала — угол падения $9 0^{\circ}$ минус он: при $5 5^{\circ}$ к поверхности угол отражения $3 5^{\circ}$ .
Луч падает перпендикулярно зеркалу — угол падения $0^{\circ}$ , луч отражается назад, угол отражения $0^{\circ}$ .
Угол падения увеличили на $1 0^{\circ}$ — угол отражения тоже увеличится на $1 0^{\circ}$ .

Плоское зеркало не собирает параллельный пучок в точку — он остаётся параллельным. Плоские зеркала используют в перископе, чтобы видеть предметы, скрытые от прямого взгляда.

Тема 10 · Физика

Преломление света. Линзы

Потренироваться: задания по теме →

Глаз, очки и оптическая сила Линза: построение изображения Отражение и преломление света Полное внутреннее отражение и световод

Простыми словами

Ложка в стакане с водой кажется «сломанной» на границе воды и воздуха. Свет, переходя из одной прозрачной среды в другую, меняет направление — преломляется. На этом работают линзы: в очках, фотоаппарате, лупе и в нашем глазу.

Из воздуха в воду: угол преломления

γ

меньше угла падения

α

При переходе в оптически более плотную среду (из воздуха в воду или стекло) луч отклоняется к перпендикуляру: $γ < α$ . При обратном переходе — от перпендикуляра. Луч, падающий перпендикулярно границе, не преломляется.

Линзы

Собирающая (выпуклая)середина толще краёв. Параллельные лучи после неё собираются в фокусе

F

. Оптическая сила

D > 0

Рассеивающая (вогнутая)середина тоньше краёв. Лучи расходятся, в фокусе сходятся их продолжения (фокус мнимый).

D < 0

Собирающая линза: фокусы на одинаковом расстоянии по обе стороны

Главный фокус — точка, где собираются лучи, параллельные главной оптической оси. Фокусное расстояние $F$ — расстояние от линзы до фокуса.

Оптическая сила

D = \frac{1}{F}

оптическая сила линзы

где $F$ — фокусное расстояние в метрах; $D$ — оптическая сила в диоптриях (дптр): $1 дптр = 1 м^{- 1}$ . Для рассеивающей линзы $F$ и $D$ записывают со знаком «минус».

$F = 0, 4 м$ : $D = \frac{1}{0 , 4} = 2, 5 дптр$ .
$D = + 1 дптр$ : $F = \frac{1}{1} = 1 м = 100 см$ .
$D = - 4 дптр$ : $F = - 0, 25 м = - 25 см$ (рассеивающая).

В формулу $D = \frac{1}{F}$ подставляйте метры. $F = 20 см$ — это $0, 2 м$ , и $D = 5 дптр$ , а не $0, 05$ .

Чем короче фокусное расстояние, тем сильнее линза преломляет. «+3» в рецепте очков — собирающие линзы (дальнозоркость), «−3» — рассеивающие (близорукость).

Формула тонкой линзы

\frac{1}{F} = \frac{1}{d} + \frac{1}{f}

для собирающей линзы и действительного изображения

где $d$ — расстояние от предмета до линзы, $f$ — от линзы до изображения, $F$ — фокусное расстояние (все в одних единицах).

$d = 30 см$ , $f = 15 см$ . Найдите $F$ .

$\frac{1}{F} = \frac{1}{30} + \frac{1}{15} = \frac{1}{30} + \frac{2}{30} = \frac{3}{30} = \frac{1}{10}$ .
$F = 10 см$ .

Короче: $F = \frac{d \cdot f}{d + f} = \frac{30 \cdot 15}{45} = 10 см$ . При $d = f = 20 см$ получаем $F = 10 см$ — предмет стоит в двойном фокусе, изображение тоже в двойном фокусе и равно предмету.

Найдя $\frac{1}{F}$ , не забудьте «перевернуть» дробь: ответ $F = 10$ , а не $\frac{1}{10}$ .

Изображения в собирающей линзе

Главная оптическая ось проходит через центры сферических поверхностей линзы; у линзы два главных фокуса — по обе стороны. Для построения берут два луча: луч через оптический центр не меняет направления, а луч, параллельный главной оси, после собирающей линзы проходит через фокус.

Где предмет	Изображение	Пример
$d > 2 F$	действительное, перевёрнутое, уменьшенное	фотоаппарат, глаз
$d = 2 F$	действительное, перевёрнутое, равное предмету ( $f = 2 F$ )
$F < d < 2 F$	действительное, перевёрнутое, увеличенное	проектор
$d = F$	изображения нет: лучи идут параллельно	прожектор
$d < F$	мнимое, прямое, увеличенное	лупа

Рассеивающая линза при любом положении предмета даёт только мнимое, прямое, уменьшенное изображение; её фокус мнимый.

$d = 20 см$ , $F = 10 см$ : $\frac{1}{f} = \frac{1}{F} - \frac{1}{d} = \frac{1}{10} - \frac{1}{20} = \frac{1}{20}$ , $f = 20 см$ . Так же $d$ находят по $f$ и $F$ : $\frac{1}{d} = \frac{1}{F} - \frac{1}{f}$ .

Глаз и очки

Хрусталик глаза — собирающая линза; на сетчатке получается действительное, уменьшенное, перевёрнутое изображение.

Близорукостьизображение далёких предметов получается перед сетчаткой; нужны очки с рассеивающими линзами (

D < 0

Дальнозоркостьизображение близких предметов — за сетчаткой; нужны очки с собирающими линзами (

D > 0

Лупа — собирающая линза: предмет ставят ближе фокуса и видят увеличенное мнимое изображение.

Физика: теория

Оглавление

Тепловые явления и внутренняя энергия

Простыми словами

Как изменить внутреннюю энергию

Три вида теплопередачи

В природе и технике

От чего зависит внутренняя энергия

Количество теплоты. Удельная теплоёмкость

Простыми словами

Главная формула

Удельная теплоёмкость веществ

Обратные задачи

Агрегатные состояния вещества

Простыми словами

График нагревания льда

Плавление и кристаллизация

Парообразование и конденсация

Ловушки

Электризация тел. Строение атома

Простыми словами

Строение атома

Ионы

Закон сохранения заряда

Опыты, приборы и поле

Заземление и молния

Электрический ток. Закон Ома

Простыми словами

Три величины

Закон Ома для участка цепи

График зависимости I от U

Соединение проводников

Простыми словами

Последовательное соединение

Параллельное соединение

Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца

Простыми словами

Мощность и работа тока

Закон Джоуля — Ленца

Магнитные явления

Простыми словами

Магнитное поле и магнитные линии

Магнитное поле тока. Электромагнит

Электродвигатель

Постоянные магниты и вещества

Магнитное поле Земли

Поле тока и устройства

Световые явления. Отражение света

Простыми словами

Закон отражения

Плоское зеркало

Источники света, тени и затмения

Задачи на углы

Преломление света. Линзы

Простыми словами

Линзы

Оптическая сила

Формула тонкой линзы

Изображения в собирающей линзе

Глаз и очки