Школьный курс физики РК: с 7 по 11 класс

Введение в физику: от атома до галактики

Добро пожаловать в увлекательный мир физики! Это первая статья нашего курса, основанного на школьной программе Республики Казахстан. В 7 классе закладывается фундамент понимания того, как устроен наш мир. Мы не просто будем учить формулы, мы научимся видеть законы природы в повседневных вещах: от падения яблока до полета ракеты.

Что изучает физика?

Слово «физика» происходит от греческого слова physis, что означает «природа». Физика — это наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира.

Все изменения, происходящие в природе, называются физическими явлениями. Их можно разделить на несколько групп:

* Механические (движение автомобиля, полет птицы); * Тепловые (таят льда, кипение воды); * Электрические (молния, работа компьютера); * Магнитные (притяжение магнита, движение стрелки компаса); * Световые (радуга, отражение в зеркале); * Звуковые (музыка, гром).

В физике мы часто используем специальные термины. Например, любой предмет (камень, капля воды, планета) называется физическим телом. А то, из чего состоит тело, называется веществом (железо, вода, воздух).

Измерения и точность

Физика — наука точная. Нельзя просто сказать «на улице тепло» или «машина едет быстро». Нам нужны числа. Для этого существуют физические величины (длина, время, масса, температура).

Чтобы измерить величину, нужно сравнить ее с эталоном, принятым за единицу. В большинстве стран мира, включая Казахстан, используется Международная система единиц (СИ).

| Величина | Единица измерения (СИ) | Обозначение | | :--- | :--- | :--- | | Длина | Метр | м | | Время | Секунда | с | | Масса | Килограмм | кг |

> Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры. > — Дмитрий Иванович Менделеев

Движение и его характеристики

Оглянитесь вокруг: все движется. Механическое движение — это изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени.

Чтобы описать движение, нам нужны три понятия:

Траектория — линия, по которой движется тело (след от самолета в небе, след лыж на снегу).

Путь () — длина траектории.

Время () — продолжительность движения.

!Различие между траекторией движения и перемещением тела.

Главная характеристика быстроты движения — это скорость. При равномерном движении (когда тело за равные промежутки времени проходит равные отрезки пути) скорость вычисляется по формуле:

Где: * — скорость (м/с); * — пройденный путь (м); * — время (с).

Если скорость тела меняется, мы говорим о неравномерном движении и вычисляем среднюю скорость.

Взаимодействие тел: Масса и Сила

Почему мяч, катящийся по траве, останавливается? Почему, чтобы сдвинуть шкаф, нужно приложить усилия? Все дело во взаимодействии тел.

Инерция и Масса

Если на тело не действуют другие тела, оно сохраняет свою скорость постоянной или покоится. Это явление называется инерцией. Свойство тела сохранять свою скорость называется инертностью.

Мерой инертности является масса (). Чем больше масса тела, тем труднее изменить его скорость. Измеряется масса в килограммах (кг).

С массой тесно связано понятие плотности. Вы замечали, что килограмм ваты занимает гораздо больше места, чем килограмм железа? Это потому, что у них разная плотность.

Где: * (греческая буква «ро») — плотность вещества (кг/м³); * — масса тела (кг); * — объем тела (м³).

Сила

Сила () — это мера взаимодействия тел. Она является причиной изменения скорости тела или его деформации. Единица измерения силы — Ньютон (Н).

В 7 классе мы изучаем несколько ключевых сил:

Сила тяжести. Земля притягивает к себе все тела. Эта сила всегда направлена вертикально вниз.

Где: * — сила тяжести (Н); * — масса тела (кг); * — ускорение свободного падения (примерно Н/кг, в задачах часто округляют до Н/кг).

Сила упругости. Возникает при деформации тела (растяжении пружины, изгибе линейки) и стремится вернуть тело в исходное состояние. Описывается законом Гука:

Где: * — сила упругости (Н); * — жесткость тела (Н/м); * — удлинение или сжатие тела (м).

Сила трения. Возникает при соприкосновении поверхностей и препятствует движению. Без трения мы не смогли бы ходить, а машины — ездить.

!Схема сил, действующих на тело при движении по горизонтальной поверхности.

Важно различать: * Сила тяжести действует на тело со стороны Земли. * Вес тела () — это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес. Вес может меняться (например, в лифте), а масса остается неизменной.

Давление: твердые тела, жидкости и газы

Почему острой иголкой уколоться легко, а тупым гвоздем — сложно, даже если давить с одинаковой силой? Здесь вступает в игру понятие давления.

Давление () показывает, какая сила действует на единицу площади поверхности.

Где: * — давление (Па — Паскаль); * — сила давления (Н); * — площадь опоры (м²).

Чем меньше площадь, тем больше давление при той же силе. Именно поэтому ножи точат (уменьшают площадь лезвия), а у тракторов делают широкие гусеницы (увеличивают площадь, чтобы не проваливаться в грунт).

Давление в жидкостях и газах

В отличие от твердых тел, жидкости и газы давят во все стороны одинаково. Это утверждение известно как закон Паскаля.

Давление внутри жидкости (гидростатическое давление) зависит от глубины и плотности жидкости:

Где: * — плотность жидкости (кг/м³); * — ускорение свободного падения (Н/кг); * — высота столба жидкости (м).

Именно из-за этого закона глубоководные аппараты делают очень прочными — давление воды на глубине огромно.

Архимедова сила

Почему тяжелые корабли не тонут? На тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила.

Где: * — сила Архимеда (Н); * — плотность жидкости (кг/м³); * — объем погруженной части тела (м³).

Если сила Архимеда больше силы тяжести, тело всплывает. Если равна — плавает внутри жидкости. Если меньше — тонет.

Работа, Мощность и Энергия

В физике слово «работа» имеет особый смысл. Мы совершаем механическую работу, только когда прикладываем силу и тело перемещается под действием этой силы.

Где: * — работа (Дж — Джоуль); * — сила (Н); * — пройденный путь (м).

Если вы толкаете стену изо всех сил, но она не двигается — с точки зрения физики работа равна нулю ().

Быстроту совершения работы характеризует мощность:

Где: * — мощность (Вт — Ватт); * — работа (Дж); * — время (с).

Энергия

Энергия — это способность тела совершать работу. В механике выделяют два основных вида энергии:

Кинетическая энергия () — энергия движения. Зависит от массы и скорости.

Где: * — масса (кг); * — скорость (м/с).

Потенциальная энергия () — энергия взаимодействия. Для тела, поднятого над землей:

Где: * — высота над нулевым уровнем (м).

Закон сохранения энергии гласит: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, она лишь переходит из одного вида в другой или от одного тела к другому. Например, когда мяч падает, его потенциальная энергия превращается в кинетическую.

Простые механизмы

Человек не всегда достаточно силен, чтобы поднять тяжелый груз голыми руками. Для этого используются простые механизмы: рычаг, блок, наклонная плоскость.

«Золотое правило механики» гласит: во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Мы не можем обмануть закон сохранения энергии, но можем сделать работу более удобной для нас.

---

В 7 классе мы лишь приоткрыли дверь в мир физики. Мы узнали, как описывать движение, почему тела имеют вес, как работает давление и что такое энергия. Эти знания — база, на которой будет строиться все дальнейшее изучение науки о природе.

8 класс: Тепловые явления, электричество, магнетизм и геометрическая оптика

Поздравляю с успешным освоением программы 7 класса! В прошлом году мы заложили фундамент, изучая механическое движение, силы и энергию макроскопических тел. В 8 классе курс физики становится глубже: мы заглянем внутрь вещества, узнаем природу молнии, поймем, почему магнит притягивает железо, и разберемся, как мы видим этот мир.

Программа 8 класса в школах Казахстана насыщена и разнообразна. Она разделена на четыре больших блока: тепловые явления, электричество, электромагнитные явления и световые явления.

Часть 1. Тепловые явления

Вы уже знаете, что все тела состоят из молекул и атомов, которые находятся в непрерывном хаотическом движении. Это движение называют тепловым. Чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура тела.

Внутренняя энергия

В 7 классе мы говорили о механической энергии (кинетической и потенциальной) всего тела. Но молекулы внутри тела тоже обладают энергией:

Кинетическая энергия — так как они движутся.

Потенциальная энергия — так как они взаимодействуют друг с другом (притягиваются и отталкиваются).

Сумма кинетической энергии теплового движения всех частиц тела и потенциальной энергии их взаимодействия называется внутренней энергией.

Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами:

Совершением работы (если потереть ладони друг о друга, они нагреются).

Теплопередачей (без совершения работы, например, нагревание ложки в горячем чае).

Виды теплопередачи

Существует три способа передачи тепла:

* Теплопроводность — передача энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым при непосредственном контакте. Характерна для твердых тел (особенно металлов). * Конвекция — перенос энергии струями жидкости или газа. Именно так обогревается комната от батареи: теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз. * Излучение — передача энергии посредством электромагнитных волн. Это единственный способ передачи тепла через вакуум (например, от Солнца к Земле).

!Иллюстрация трех видов теплопередачи: теплопроводности, конвекции и излучения.

Количество теплоты

Чтобы рассчитать, сколько энергии нужно для нагревания тела, мы используем понятие количества теплоты (). Оно зависит от массы тела, разницы температур и материала, из которого сделано тело.

Где: * — количество теплоты (Дж — Джоуль); * — удельная теплоемкость вещества (Дж/(кг·°C)), табличная величина; * — масса тела (кг); * — конечная температура (°C); * — начальная температура (°C).

Если вещество плавится (переходит из твердого состояния в жидкое), температура не меняется, пока все тело не расплавится. Энергия тратится на разрушение кристаллической решетки.

Где: * — количество теплоты (Дж); * — удельная теплота плавления (Дж/кг); * — масса (кг).

Часть 2. Электрические явления

Мир электричества начинается с электрического заряда. Существует два рода зарядов: положительные () и отрицательные ().

> Одноименные заряды отталкиваются, разноименные — притягиваются.

Носителями отрицательного заряда являются электроны, вращающиеся вокруг ядра атома. Если тело теряет электроны, оно заряжается положительно, если приобретает — отрицательно.

Электрический ток

Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы ток существовал длительное время, необходимы:

Наличие свободных заряженных частиц.

Электрическое поле, создаваемое источником тока.

Замкнутая электрическая цепь.

!Схема простейшей электрической цепи с источником, ключом и лампочкой.

Закон Ома для участка цепи

Это самый главный закон электричества в 8 классе. Он связывает три величины:

Сила тока () — показывает, какой заряд проходит через сечение проводника за единицу времени. Измеряется в Амперах (А).

Напряжение () — показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении заряда. Измеряется в Вольтах (В).

Сопротивление () — свойство проводника препятствовать прохождению тока. Измеряется в Омах (Ом).

Закон Ома гласит: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Где: * — сила тока (А); * — напряжение (В); * — сопротивление (Ом).

Работа и мощность тока

Когда ток течет по проводнику, он совершает работу (нагревает утюг, вращает мотор вентилятора). Мощность тока показывает, как быстро совершается эта работа.

Где: * — мощность (Вт — Ватт); * — напряжение (В); * — сила тока (А).

Часть 3. Электромагнитные явления

Электричество и магнетизм неразрывно связаны. В 1820 году датский ученый Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается рядом с проводником, по которому течет ток. Это доказало: вокруг любого проводника с током существует магнитное поле.

Постоянные магниты

Магниты имеют два полюса: северный (N) и южный (S). Разрезать магнит так, чтобы получить только один полюс, невозможно.

* Разноименные полюса (N и S) притягиваются. * Одноименные полюса (N и N, S и S) отталкиваются.

Земля — это огромный магнит. Именно поэтому стрелка компаса всегда указывает на север (на самом деле, вблизи Северного географического полюса находится Южный магнитный полюс Земли, который и притягивает северный конец стрелки).

Часть 4. Световые явления (Геометрическая оптика)

Оптика изучает свет. В 8 классе мы рассматриваем свет как луч — линию, вдоль которой распространяется энергия.

Закон прямолинейного распространения света

В прозрачной однородной среде свет распространяется по прямым линиям. Доказательством этого служат тени и солнечные (или лунные) затмения.

Отражение света

Когда свет падает на зеркальную поверхность, он отражается. Закон отражения прост:

Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точку падения, лежат в одной плоскости.

Угол падения равен углу отражения ().

Преломление света

Если свет переходит из одной прозрачной среды в другую (например, из воздуха в воду), он меняет свое направление. Это явление называется преломлением.

!Схема преломления луча света на границе воздух-вода.

Линзы

Линзы — это прозрачные тела, ограниченные криволинейными поверхностями. Они бывают: * Собирающие (выпуклые) — собирают лучи в одну точку (фокус). * Рассеивающие (вогнутые) — рассеивают лучи.

Основная характеристика линзы — оптическая сила ().

Где: * — оптическая сила (дптр — диоптрия); * — фокусное расстояние линзы (м).

Если выражено в сантиметрах, его обязательно нужно перевести в метры перед подстановкой в формулу.

---

Курс 8 класса объясняет явления, с которыми мы сталкиваемся ежеминутно: почему греет солнце, как работает смартфон, почему мы видим свое отражение. Эти знания станут базой для изучения более сложных законов физики в старших классах.

9 класс: Законы механики, колебания и волны, основы ядерной физики

Добро пожаловать в 9 класс! Это особенный год. Мы завершаем курс основной школы, и физика предстает перед нами не просто как набор интересных явлений, а как строгая система законов, описывающих Вселенную. Если в 7 и 8 классах мы часто отвечали на вопрос «Как?», то теперь мы будем искать ответ на вопрос «Почему?», используя более мощный математический аппарат.

В этом году мы углубим знания о движении, узнаем, почему планеты не улетают от Солнца, разберемся в природе звука и заглянем в самое сердце материи — атомное ядро.

Глава 1. Основы кинематики и динамики

В 7 классе мы изучали движение вдоль прямой линии. Но в реальном мире тела часто движутся по кривым: автомобиль поворачивает, планета вращается по орбите, мяч летит по дуге. Чтобы описать такое движение, нам понадобятся векторы — величины, имеющие не только числовое значение, но и направление.

Криволинейное движение

При движении по окружности (даже если скорость по модулю не меняется) тело всегда испытывает ускорение. Почему? Потому что меняется направление скорости. Это ускорение направлено к центру окружности и называется центростремительным ускорением.

Где: * — центростремительное ускорение (м/с²); * — скорость тела (м/с); * — радиус окружности (м).

Именно это ускорение заставляет вас «вжиматься» в бортик карусели или чувствовать, как вас сносит в сторону на резком повороте автомобиля.

Закон всемирного тяготения

Почему яблоко падает на Землю, а Луна — нет? Исаак Ньютон понял, что это проявления одной и той же силы — силы гравитации. Все тела во Вселенной притягиваются друг к другу.

Где: * — сила гравитационного притяжения (Н); * — гравитационная постоянная (примерно Н·м²/кг²); * и — массы взаимодействующих тел (кг); * — расстояние между центрами тел (м).

Обратите внимание: если увеличить расстояние между телами в 2 раза, сила притяжения уменьшится в 4 раза (). Это закон обратных квадратов.

!Гравитационное взаимодействие двух небесных тел.

Вес и невесомость

Мы привыкли, что наш вес постоянен. Но вес () — это сила, с которой мы давим на опору. Если опора исчезает (например, в падающем лифте или на орбитальной станции), наступает состояние невесомости. В этом состоянии сила тяжести никуда не исчезает (она все так же действует), но вес тела становится равным нулю.

Глава 2. Законы сохранения

В физике есть величины, которые не меняются, что бы ни происходило в замкнутой системе. Это «валюта» Вселенной, которую нельзя подделать или уничтожить.

Импульс тела и закон сохранения импульса

Импульс () — это количество движения, векторная величина, равная произведению массы тела на его скорость.

Где: * — импульс тела (кг·м/с); * — масса тела (кг); * — скорость тела (м/с).

Закон сохранения импульса: в замкнутой системе (где нет внешних сил) векторная сумма импульсов всех тел остается постоянной при любых взаимодействиях.

Где: * — массы тел; * — скорости тел до взаимодействия; * — скорости тел после взаимодействия.

На этом законе основано реактивное движение. Ракета выбрасывает газы назад с огромной скоростью, получая импульс, направленный вперед. Это похоже на отдачу при стрельбе из ружья или прыжок с лодки на берег (лодка отплывает назад).

Закон сохранения механической энергии

Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения или упругости, остается неизменной.

Где: * — кинетическая энергия (энергия движения); * — потенциальная энергия (энергия взаимодействия).

Когда камень падает вниз, его потенциальная энергия уменьшается, но кинетическая растет. Сумма остается прежней (если пренебречь сопротивлением воздуха).

Глава 3. Колебания и волны

Мир полон ритмов: биение сердца, качание маятника часов, вибрация струны гитары. Все это — механические колебания.

Характеристики колебаний

Чтобы описать колебания, нам нужны две главные величины:

Период () — время одного полного колебания.

Частота () — число колебаний в единицу времени.

Они связаны обратной зависимостью:

Где: * — период (с); * — частота (Гц — Герц).

Маятники

В 9 классе мы изучаем математический маятник (груз на длинной невесомой нити). Период его колебаний зависит только от длины нити и ускорения свободного падения, но не от массы груза!

Где: * — период колебаний (с); * — число пи (примерно 3.14); * — длина нити (м); * — ускорение свободного падения (м/с²).

> Если вы хотите, чтобы качели качались быстрее, нужно уменьшить длину подвеса (сесть, а не встать, или подтянуть веревки).

Резонанс

Если толкать качели точно в такт их собственным колебаниям, они раскачаются очень сильно. Это явление называется резонанс — резкое возрастание амплитуды колебаний при совпадении частоты внешней силы с собственной частотой системы.

Механические волны и звук

Колебания могут распространяться в пространстве. Этот процесс называется волной. Важно помнить: волна переносит энергию, но не переносит вещество.

Звук — это механическая волна, которая распространяется в упругой среде (воздухе, воде, металле). В вакууме звука нет.

Связь между скоростью волны, ее длиной и частотой:

Где: * — скорость распространения волны (м/с); * — длина волны (м); * — частота колебаний (Гц).

Человеческое ухо слышит звуки в диапазоне от 16 Гц до 20 000 Гц. Звук ниже этого диапазона называется инфразвуком, а выше — ультразвуком.

!Диапазон звуковых частот.

Глава 4. Основы ядерной физики

В конце 9 класса мы прикасаемся к самой современной и загадочной части физики. Мы заглядываем внутрь атома.

Строение атома

В начале XX века Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома: в центре находится крошечное, но тяжелое положительно заряженное ядро, а вокруг него, как планеты вокруг Солнца, вращаются отрицательные электроны.

Позже выяснилось, что ядро тоже состоит из частиц — нуклонов: * Протоны () — имеют положительный заряд. * Нейтроны () — не имеют заряда.

Число протонов в ядре определяет, какой это химический элемент (оно совпадает с порядковым номером в таблице Менделеева).

Изотопы

Атомы одного и того же элемента могут иметь разное количество нейтронов. Такие разновидности называются изотопами. Например, у водорода есть изотопы: протий (1 протон, 0 нейтронов), дейтерий (1 протон, 1 нейтрон) и тритий (1 протон, 2 нейтрона).

Радиоактивность

Некоторые атомные ядра нестабильны. Они могут самопроизвольно распадаться, превращаясь в ядра других элементов и испуская частицы. Это явление называется радиоактивностью.

Основные виды излучения: * Альфа-излучение () — поток ядер гелия. Задерживается листом бумаги. * Бета-излучение () — поток быстрых электронов. Задерживается тонким слоем металла. * Гамма-излучение () — жесткое электромагнитное излучение. Обладает огромной проникающей способностью, для защиты нужен толстый слой свинца или бетона.

Энергия связи атомных ядер

Ядерные силы, удерживающие протоны и нейтроны вместе, в миллионы раз мощнее химических связей. При делении тяжелых ядер (например, урана) или слиянии легких ядер (например, водорода) выделяется колоссальная энергия.

Альберт Эйнштейн показал, что масса и энергия связаны знаменитой формулой:

Где: * — энергия покоя тела (Дж); * — масса тела (кг); * — скорость света в вакууме ( м/с).

Эта формула объясняет, откуда берется энергия Солнца (термоядерный синтез) и как работают атомные электростанции (деление ядер).

---

Курс 9 класса завершает базовое физическое образование. Теперь вы знаете, что мир — это не хаос, а упорядоченная система, управляемая законами сохранения и движения. Эти знания — фундамент для тех, кто решит продолжить изучение физики в старшей школе, где нас ждут еще более глубокие тайны квантовой механики и электродинамики.

10 класс: Молекулярная физика, термодинамика и основы электродинамики

Добро пожаловать в 10 класс! Это рубежный этап в изучении физики. Если в основной школе (7–9 классы) мы знакомились с явлениями и описывали их относительно простыми законами, то в старшей школе мы переходим к глубокому анализу природы вещей. Мы начинаем использовать более сложный математический аппарат и искать ответы на вопросы, скрытые в микромире.

Курс 10 класса в школах Казахстана традиционно делится на два больших раздела: Молекулярная физика (изучение строения и свойств вещества) и Электродинамика (изучение электромагнитного поля). Эти знания необходимы не только будущим инженерам, но и всем, кто хочет понимать, как работают тепловые двигатели, холодильники, электронные гаджеты и энергосистемы.

Часть 1. Молекулярно-кинетическая теория (МКТ)

В 7 и 8 классах мы уже говорили, что все тела состоят из атомов и молекул. Теперь мы переведем это знание на язык строгих формул. Молекулярно-кинетическая теория — это теория, объясняющая тепловые свойства тел на основе представления об их молекулярном строении.

В основе МКТ лежат три главных положения:

Все вещества состоят из частиц (атомов, молекул). Между ними есть промежутки.

Частицы находятся в непрерывном хаотическом (тепловом) движении.

Частицы взаимодействуют друг с другом (притягиваются и отталкиваются).

Идеальный газ

Чтобы описать поведение газов, физики придумали упрощенную модель — идеальный газ. В этой модели мы считаем, что: * Размеры молекул пренебрежимо малы (материальные точки). * Взаимодействием между молекулами на расстоянии можно пренебречь. * Столкновения молекул абсолютно упругие.

Основное уравнение МКТ связывает давление газа (макроскопический параметр) со скоростью и массой его молекул (микроскопические параметры):

Где: * — давление газа (Па — Паскаль); * — масса одной молекулы (кг); * — концентрация молекул (число частиц в единице объема, ); * — средняя квадратичная скорость движения молекул (м/с).

Это уравнение — мост между миром, который мы видим (давление), и невидимым миром молекул.

Температура и энергия

Что такое температура с точки зрения физики? Это мера средней кинетической энергии молекул. Чем быстрее движутся молекулы, тем горячее тело.

Где: * — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул (Дж); * — постоянная Больцмана ( Дж/К); * — абсолютная температура (К — Кельвин).

Обратите внимание: в формулах мы используем абсолютную шкалу температур (шкалу Кельвина). Чтобы перевести градусы Цельсия в Кельвины, нужно прибавить 273:

Где: * — температура в Кельвинах; * — температура в градусах Цельсия.

Часть 2. Газовые законы

Состояние идеального газа описывается тремя параметрами: давлением (), объемом () и температурой (). Связь между ними устанавливает уравнение Менделеева-Клапейрона (уравнение состояния идеального газа):

Где: * — давление (Па); * — объем (м³); * — масса газа (кг); * — молярная масса газа (кг/моль, берется из таблицы Менделеева); * — универсальная газовая постоянная ( Дж/(моль·К)); * — температура (К).

Изопроцессы

Процессы, при которых один из параметров состояния газа остается неизменным, называются изопроцессами.

Изотермический процесс (). Закон Бойля-Мариотта:

Где — начальные давление и объем, — конечные.

Изобарный процесс (). Закон Гей-Люссака:

Где — объем, — температура.

Изохорный процесс (). Закон Шарля:

Где — давление, — температура.

!Графическое представление изопроцессов в координатах pV.

Часть 3. Основы термодинамики

Термодинамика изучает превращения энергии, не вдаваясь в детали молекулярного строения. Главная величина здесь — внутренняя энергия (). Для одноатомного идеального газа она равна:

Где: * — внутренняя энергия (Дж); * — масса газа (кг); * — молярная масса (кг/моль); * — универсальная газовая постоянная; * — температура (К).

Первый закон термодинамики

Это закон сохранения энергии для тепловых процессов. Изменить внутреннюю энергию системы можно двумя способами: передать ей теплоту () или совершить над ней работу ().

Где: * — количество теплоты, переданное системе (Дж); * — изменение внутренней энергии (Дж); — работа, совершенная самим газом* против внешних сил (Дж).

Если газ расширяется, он совершает положительную работу (). Если газ сжимают внешние силы, то работа газа отрицательна, а работа внешних сил положительна.

Тепловые двигатели

Принцип работы любого двигателя внутреннего сгорания или паровой турбины основан на циклических процессах. Газ расширяется, совершая работу, а затем сжимается.

Эффективность двигателя характеризует Коэффициент Полезного Действия (КПД):

Где: * — КПД (проценты); * — количество теплоты, полученное от нагревателя (Дж); * — количество теплоты, отданное холодильнику (Дж).

Французский физик Сади Карно доказал, что максимальный КПД идеального теплового двигателя зависит только от температур нагревателя и холодильника:

Где: * — температура нагревателя (К); * — температура холодильника (К).

Часть 4. Электростатика

Во второй половине 10 класса мы переходим к электродинамике. Начинаем с электростатики — изучения неподвижных электрических зарядов.

Закон Кулона

В 8 классе мы узнали, что заряды взаимодействуют. Закон Кулона позволяет вычислить силу этого взаимодействия:

Где: * — сила взаимодействия (Н); * — коэффициент пропорциональности ( Н·м²/Кл²); * — величины зарядов (Кл — Кулон); * — расстояние между зарядами (м); * — диэлектрическая проницаемость среды (показывает, во сколько раз среда ослабляет взаимодействие по сравнению с вакуумом).

Электрическое поле

Заряды чувствуют друг друга на расстоянии благодаря электрическому полю. Главная характеристика поля — напряженность (). Это силовая характеристика:

Где: * — напряженность электрического поля (Н/Кл или В/м); * — сила, действующая на заряд (Н); * — величина пробного заряда (Кл).

Поле также обладает энергией. Энергетическая характеристика поля — потенциал (). Разность потенциалов мы привыкли называть напряжением ().

Где: * — напряжение (В — Вольт); * — работа поля по перемещению заряда (Дж); * — заряд (Кл).

Электроемкость и конденсаторы

Чтобы накапливать электрический заряд и энергию поля, используют приборы — конденсаторы. Их основная характеристика — электроемкость ().

Где: * — электроемкость (Ф — Фарад); * — заряд одной из обкладок конденсатора (Кл); * — напряжение между обкладками (В).

!Устройство плоского конденсатора и электрическое поле внутри него.

Часть 5. Законы постоянного тока

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В 8 классе мы изучили закон Ома для участка цепи. В 10 классе мы рассматриваем полную цепь, включающую источник тока.

Электродвижущая сила (ЭДС)

Чтобы ток тек постоянно, сторонние силы внутри источника (батарейки, генератора) должны переносить заряды против сил электрического поля. Работу этих сил характеризует ЭДС ().

Закон Ома для полной цепи

Сила тока в полной цепи зависит не только от внешнего сопротивления (лампочки, резисторы), но и от внутреннего сопротивления самого источника тока.

Где: * — сила тока (А); * — электродвижущая сила источника (В); * — внешнее сопротивление цепи (Ом); * — внутреннее сопротивление источника тока (Ом).

Этот закон объясняет, почему напряжение на клеммах батарейки падает, когда мы подключаем к ней мощную нагрузку. Часть напряжения «теряется» внутри самой батарейки.

---

В 10 классе физика становится серьезной наукой, описывающей мир с высокой точностью. Мы научились рассчитывать поведение газов, поняли, как тепло превращается в работу, и углубили знания об электричестве. Эти фундаметальные законы подготовят нас к 11 классу, где мы столкнемся с переменным током, оптикой и загадочной квантовой физикой.

11 класс: Электромагнетизм, волновая оптика, квантовая физика и элементы астрофизики

Добро пожаловать в 11 класс — завершающий этап вашего школьного физического образования! Мы прошли долгий путь от изучения простых движений тележки в 7 классе до законов постоянного тока в 10 классе. Теперь перед нами открываются самые сложные и захватывающие разделы физики. Мы узнаем, как электричество порождает магнетизм, выясним, является ли свет волной или потоком частиц, и заглянем в глубины космоса, чтобы понять, как родилась наша Вселенная.

Программа 11 класса объединяет классическую физику XIX века и революционные открытия XX века, которые полностью изменили наше представление о реальности.

Часть 1. Электромагнетизм

В 10 классе мы изучали неподвижные заряды (электростатику). Но что происходит, когда заряды начинают двигаться? Вокруг них возникает магнитное поле.

Магнитное поле и его действие

Магнитное поле — это особая форма материи, которая существует вокруг движущихся заряженных частиц или проводников с током. Главная характеристика магнитного поля — вектор магнитной индукции (), измеряемый в Теслах (Тл).

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера. Именно она заставляет вращаться электродвигатели в бытовых приборах и электромобилях.

Где: * — сила Ампера (Н — Ньютон); * — сила тока в проводнике (А — Ампер); * — модуль вектора магнитной индукции (Тл — Тесла); * — длина активной части проводника (м); * — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.

Если же в магнитное поле влетает одиночная заряженная частица, на нее действует сила Лоренца. Эта сила искривляет траекторию частицы, но не меняет ее кинетическую энергию (так как всегда перпендикулярна скорости).

Где: * — сила Лоренца (Н); * — электрический заряд частицы (Кл — Кулон); * — скорость движения частицы (м/с); * — магнитная индукция (Тл); * — угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции.

Электромагнитная индукция

Если электрический ток создает магнитное поле, то может ли магнитное поле создать ток? Этот вопрос задал себе Майкл Фарадей и в 1831 году открыл явление электромагнитной индукции.

Суть явления: при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в этом контуре возникает электрический ток (индукционный ток).

Закон электромагнитной индукции Фарадея записывается так:

Где: * — ЭДС индукции (В — Вольт); * — изменение магнитного потока (Вб — Вебер); * — промежуток времени, за который произошло изменение (с — секунда).

Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, что созданное им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток. Природа «не любит» резких изменений и сопротивляется им.

Электромагнитные волны

Джеймс Клерк Максвелл теоретически предсказал, что переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, и наоборот. Эти поля, поддерживая друг друга, могут распространяться в пространстве в виде электромагнитной волны.

!Структура электромагнитной волны: взаимно перпендикулярные колебания электрического и магнитного полей.

Свет, радиоволны, рентгеновское излучение и Wi-Fi — все это электромагнитные волны, отличающиеся только частотой () и длиной волны ().

Где: * — скорость света в вакууме ( м/с); * — длина волны (м); * — частота колебаний (Гц — Герц).

Часть 2. Волновая оптика

В 8 классе мы изучали геометрическую оптику, где свет представлялся лучом. В 11 классе мы рассматриваем свет как волну. Это позволяет объяснить явления, которые невозможно понять с точки зрения лучевой модели.

Интерференция света

Интерференция — это сложение двух или нескольких когерентных волн, при котором происходит перераспределение энергии в пространстве (появляются светлые и темные полосы). Когерентные волны — это волны с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз.

Условие максимума (светлая полоса) — разность хода волн должна быть равна целому числу длин волн:

Где: * — геометрическая разность хода волн (м); * — целое число (0, 1, 2... — порядок максимума); * — длина волны (м).

Именно благодаря интерференции мы видим радужные переливы на мыльных пузырях или пятнах бензина на воде.

Дифракция света

Дифракция — это явление огибания волнами препятствий. Свет может заходить в область геометрической тени, если размер препятствия соизмерим с длиной волны.

Для наблюдения дифракции используют дифракционную решетку — пластинку с огромным количеством узких щелей. Формула дифракционной решетки:

Где: * — период решетки (расстояние между центрами соседних щелей, м); * — угол отклонения лучей (градусы или радианы); * — порядок спектра (целое число); * — длина волны света (м).

Часть 3. Квантовая физика

В начале XX века физики столкнулись с проблемами, которые волновая теория объяснить не могла. Например, почему нагретые тела светятся именно так, а не иначе? Макс Планк выдвинул гипотезу: свет испускается и поглощается не непрерывно, а порциями — квантами (фотонами).

Энергия одного фотона зависит от частоты света:

Где: * — энергия фотона (Дж); * — постоянная Планка ( Дж·с); * — частота света (Гц).

Фотоэффект

Фотоэффект — это выбивание электронов из вещества под действием света. Альберт Эйнштейн объяснил это явление, применив квантовую теорию. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта выражает закон сохранения энергии:

Где: * — энергия падающего фотона (Дж); * — работа выхода электрона из металла (минимальная энергия, нужная, чтобы покинуть металл, Дж); * — максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона (Дж).

!Иллюстрация внешнего фотоэффекта: фотоны выбивают электроны с поверхности металла.

Это открытие подтвердило корпускулярно-волновой дуализм: свет ведет себя и как волна (интерференция, дифракция), и как поток частиц (фотоэффект).

Атомная физика

Нильс Бор, используя квантовые идеи, предложил модель атома, основанную на постулатах:

Атомы могут находиться только в особых стационарных состояниях, в которых они не излучают энергию.

Излучение или поглощение света происходит при переходе электрона с одной орбиты на другую.

Энергия излученного или поглощенного фотона равна разности энергий стационарных состояний:

Где: * — энергия фотона (Дж); * — энергия атома в состоянии (Дж); * — энергия атома в состоянии (Дж).

Часть 4. Элементы астрофизики

Физика не ограничивается Землей. Законы, открытые в лабораториях, действуют во всей Вселенной. Астрофизика изучает строение и эволюцию небесных тел.

Строение Вселенной

Мы живем в Солнечной системе, которая является частью галактики Млечный Путь. Галактики собираются в скопления и сверхскопления. Расстояния в космосе огромны, поэтому их измеряют в световых годах (расстояние, которое свет проходит за один земной год).

Эволюция звезд

Звезды — это гигантские газовые шары, внутри которых идут термоядерные реакции. Жизнь звезды зависит от ее массы. Солнце — звезда средней массы. В будущем оно превратится в красного гиганта, а затем сбросит оболочку и станет белым карликом.

Массивные звезды заканчивают жизнь взрывом сверхновой, после чего их ядро превращается в нейтронную звезду или черную дыру — область пространства с настолько сильной гравитацией, что ее не может покинуть даже свет.

Закон Хаббла и расширение Вселенной

В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что далекие галактики удаляются от нас. Причем, чем дальше галактика, тем быстрее она летит. Это говорит о том, что Вселенная расширяется.

Где: * — скорость удаления галактики (км/с); * — постоянная Хаббла (примерно 70 (км/с)/Мпк); * — расстояние до галактики (Мпк — Мегапарсек).

Это открытие привело к теории Большого взрыва: около 13.8 миллиардов лет назад Вселенная возникла из точки с бесконечной плотностью и температурой и с тех пор продолжает расширяться.

---

Поздравляю! Вы завершили обзор школьного курса физики. От механики Ньютона до квантов и черных дыр — теперь у вас есть целостная картина того, как устроен наш мир. Физика учит нас не просто запоминать формулы, а мыслить критически и искать причины происходящего. Эти навыки останутся с вами навсегда, какую бы профессию вы ни выбрали.