Интенсивный курс физики: подготовка к ОГЭ (6-9 классы)

Основные понятия механики: движение, силы, работа

Механика — это фундамент физики и самый объемный раздел в ОГЭ. Понимание того, как тела движутся, почему они это делают и какая энергия при этом затрачивается, гарантирует успешное решение до 40% задач экзамена. В этой статье мы разберем кинематику (описание движения), динамику (причины движения) и законы сохранения (работа и энергия).

1. Механическое движение: Кинематика

Механическое движение — это изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Ключевое слово здесь — относительно. Вы можете сидеть неподвижно в кресле поезда, но при этом мчаться со скоростью 100 км/ч относительно земли.

Траектория, путь и перемещение

Для решения задач важно различать три понятия:

Траектория — линия, вдоль которой движется тело (след от лыж на снегу).

Путь ( или ) — длина траектории. Это скалярная величина (просто число), она не может быть отрицательной.

Перемещение () — вектор, соединяющий начальную и конечную точки движения.

> Если вы вышли из дома, прошли 5 км и вернулись обратно, ваш путь равен 10 км, а перемещение — 0, так как начальная и конечная точки совпали.

Скорость и виды движения

Самый простой вид движения — равномерное прямолинейное. Тело за любые равные промежутки времени проходит одинаковые расстояния.

Формула скорости при равномерном движении:

где — скорость (м/с), — путь (м), — время (с).

Однако в задачах ОГЭ чаще встречается неравномерное движение. Здесь вводится понятие средней скорости.

ВАЖНО: Средняя скорость — это НЕ среднее арифметическое скоростей. Это весь путь, деленный на все время.

где — средняя скорость, — полный путь, — полное время движения.

Пример: Автомобиль ехал 2 часа со скоростью 50 км/ч и 1 час со скоростью 100 км/ч.

Путь 1: км.

Путь 2: км.

Общий путь: 200 км. Общее время: 3 часа.

Средняя скорость: км/ч (а не 75, как при среднем арифметическом).

Ускорение

Если скорость тела меняется, движение называется равноускоренным. Характеристикой быстроты изменения скорости является ускорение.

где — ускорение (м/с²), — конечная скорость, — начальная скорость, — время изменения скорости.

!Слева: прямая линия параллельна оси времени (v=const). Справа: прямая линия, идущая вверх под углом (v растет с постоянным ускорением).

Для равноускоренного движения путь рассчитывается по формуле:

где — перемещение, — начальная скорость, — время, — ускорение.

2. Силы в природе: Динамика

Динамика отвечает на вопрос «почему тело движется именно так?». Ответ всегда один: на тело действуют силы.

Сила () — векторная физическая величина, являющаяся мерой воздействия на данное тело других тел. Измеряется в Ньютонах (Н).

Законы Ньютона

Это «три кита» классической механики.

Первый закон (Закон инерции): Если на тело не действуют силы (или их действие скомпенсировано), тело покоится или движется равномерно и прямолинейно.

Второй закон: Ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей всех сил и обратно пропорционально массе.

где — равнодействующая сила (сумма всех сил), — масса тела (кг), — ускорение (м/с²).

Третий закон: Силы возникают парами. Тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению ().

Основные силы в задачах ОГЭ

Для успешной сдачи экзамена нужно знать формулы конкретных сил.

1. Сила тяжести Притяжение тела к Земле.

где — масса тела, — ускорение свободного падения (на Земле м/с²).

2. Сила упругости (Закон Гука) Возникает при деформации пружины или опоры.

где — жесткость пружины (Н/м), — удлинение или сжатие (м).

3. Сила трения скольжения Мешает движению, направлена против скорости.

где — коэффициент трения (безразмерная величина), — сила реакции опоры (Н).

!Вниз - сила тяжести (mg), вверх - реакция опоры (N), вправо - сила тяги (F), влево - сила трения (Fтр).

4. Сила Архимеда Выталкивающая сила, действующая на тело в жидкости или газе.

где — плотность жидкости (кг/м³), — ускорение свободного падения, — объем погруженной части тела (м³).

3. Работа, Мощность и Энергия

В физике понятие «работа» отличается от бытового. Если вы держите тяжелый шкаф, но не двигаетесь, вы устаете, но с точки зрения физики работа равна нулю.

Механическая работа

Работа совершается только тогда, когда на тело действует сила и тело перемещается.

где — работа (Джоули, Дж), — модуль силы (Н), — модуль перемещения (м), — угол между вектором силы и вектором перемещения.

Частные случаи: * Если сила толкает тело вперед (), то (работа положительная). * Если сила мешает движению (трение, ), то (работа отрицательная). * Если сила перпендикулярна движению (сила тяжести при движении по горизонтали, ), то .

!Тело перемещается горизонтально на расстояние s. Сила F тянет его под углом альфа к горизонту. Проекция силы на ось движения показана пунктиром.

Мощность

Мощность показывает, как быстро совершается работа.

где — мощность (Ватт, Вт), — работа (Дж), — время (с).

Для движущегося транспорта удобно использовать другую формулу мощности:

где — сила тяги, — скорость движения.

Механическая энергия

Энергия — это способность тела совершать работу. Существует два основных вида механической энергии:

Кинетическая энергия (энергия движения):

где — масса (кг), — скорость (м/с).

Потенциальная энергия (энергия взаимодействия, для тела поднятого над землей):

где — масса (кг), — ускорение свободного падения, — высота над нулевым уровнем (м).

Закон сохранения энергии: В замкнутой системе, где действуют только силы тяжести и упругости, полная механическая энергия сохраняется.

Это уравнение позволяет решать сложнейшие задачи (например, падение камня) без вычисления времени и ускорения, просто приравнивая энергию в начале и в конце пути.

Итоги

* Кинематика: Средняя скорость — это весь путь, деленный на все время. Перемещение — вектор, путь — скаляр. * Динамика: Главный закон для решения задач — второй закон Ньютона (). Всегда рисуйте силы перед решением. * Работа: Работа силы равна нулю, если перемещения нет или сила перпендикулярна перемещению. * Энергия: Если нет трения, энергия переходит из потенциальной в кинетическую и обратно, но их сумма неизменна.

Тепловые явления: температура и теплопередача

В предыдущем разделе мы изучали механическую энергию — энергию движения тел и их взаимодействия. Но куда исчезает механическая энергия, когда автомобиль тормозит? Она не пропадает бесследно, а переходит во внутреннюю энергию. Этот раздел физики (термодинамика) критически важен для ОГЭ, так как задачи на тепловые явления встречаются и в первой, и во второй части экзамена.

1. Внутренняя энергия и температура

Все тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном хаотическом движении. Это движение называется тепловым.

Внутренняя энергия тела () — это сумма кинетической энергии теплового движения всех молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия.

Температура

Температура — это физическая величина, которая является мерой средней кинетической энергии молекул. Чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура тела.

!Зависимость скорости молекул от температуры

Способы изменения внутренней энергии

Изменить внутреннюю энергию тела можно двумя способами:

Совершение механической работы.

Над телом:* Если потереть ладони друг о друга или ударить молотком по гвоздю, они нагреются. Работа переходит в тепло ( увеличивается). Самим телом:* Если газ в цилиндре расширяется и толкает поршень, он остывает. Тело тратит энергию на работу ( уменьшается).

Теплопередача.

Это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы. Энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому.

2. Виды теплопередачи

В задачах ОГЭ (особенно в заданиях на соответствие) важно различать три вида теплопередачи. Рассмотрим их подробно.

А. Теплопроводность

Это перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц.

* Механизм: Быстрые молекулы горячей части соударяются с медленными соседями и передают им энергию. * Где происходит: В твердых телах, жидкостях и газах. Лучше всего — в металлах (из-за свободных электронов). Хуже всего — в газах (большие расстояния между молекулами). * Важно: Вещество при этом не переносится. * Пример: Металлическая ложка нагревается в горячем чае.

> Шерсть, пух и пенопласт содержат много воздуха между волокнами. Так как воздух — плохой проводник тепла, эти материалы отлично сохраняют тепло (или холод).

Б. Конвекция

Это перенос энергии струями жидкости или газа.

* Механизм: Нагретые слои жидкости или газа становятся легче (их плотность уменьшается) и под действием силы Архимеда поднимаются вверх, а холодные опускаются вниз. * Где происходит: Только в жидкостях и газах. В твердых телах конвекция невозможна. * Пример: Батареи отопления ставят внизу (теплый воздух идет вверх), а форточки делают вверху (холодный воздух опускается).

В. Излучение

Это перенос энергии посредством электромагнитных волн.

* Механизм: Тело испускает невидимые (инфракрасные) лучи, которые поглощаются другими телами, нагревая их. * Где происходит: Везде, даже в вакууме. * Особенность: Темные и шероховатые поверхности лучше поглощают и испускают излучение, чем светлые и зеркальные. * Пример: Земля получает тепло от Солнца через космический вакуум.

!Три вида теплопередачи на одном примере

3. Количество теплоты: Расчеты

Для нагревания тела ему нужно передать определенное количество энергии. Эта энергия называется количеством теплоты ().

Основная формула для нагревания (или охлаждения) тела:

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

Если , то (тело получает тепло). Если , то (тело отдает тепло).

Удельная теплоемкость ()

Это табличная величина, показывающая, сколько энергии нужно затратить, чтобы нагреть 1 кг данного вещества на 1 °C.

* Вода: Дж/(кг·°C). Это очень много. Поэтому вода медленно нагревается и медленно остывает, работая отличным теплоносителем в батареях и климатическим буфером для планеты. * Железо: Дж/(кг·°C). Нагревается почти в 10 раз быстрее воды.

Пример расчета: Какое количество теплоты нужно, чтобы нагреть 2 литра воды от 20 °C до кипения (100 °C)?

Масса воды: .

Разность температур: .

Расчет:

4. Уравнение теплового баланса

Если смешать горячую воду с холодной в термосе (изолированной системе), то горячая вода остынет, а холодная нагреется. Энергия никуда не исчезает.

Закон сохранения энергии для тепловых процессов:

или, что удобнее для задач:

где: * — модуль количества теплоты, отданного горячим телом (); * — количество теплоты, полученное холодным телом ().

Этот принцип позволяет находить установившуюся температуру смеси.

Итоги

Внутренняя энергия зависит от температуры (скорости молекул) и агрегатного состояния. Ее можно изменить работой или теплопередачей.

Три вида теплопередачи:

Теплопроводность* (контакт, в твердых телах). Конвекция* (потоки вещества, в жидкостях и газах). Излучение* (волны, работает в вакууме).

Удельная теплоемкость () показывает инертность вещества при нагреве. Вода имеет очень высокую теплоемкость.

Формула нагрева: . Главное — не перепутать массу и правильно посчитать разницу температур.