Физика 11 класса

1. Определение

Механическое движение — изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Без указания тела отсчёта говорить о движении бессмысленно.

Система отсчёта = тело отсчёта + система координат, жёстко с ним связанная + часы. Выбор произволен, но удобен. В инерциальной системе отсчёта (ИСО) тело без внешних сил движется равномерно прямолинейно.

Материальная точка — идеализированная модель тела, размерами которого можно пренебречь (когда размер тела << расстояния, о которых идёт речь).

2. Кто и когда

Основы кинематики заложены Галилео Галилеем (XVI–XVII вв.), систематизированы Исааком Ньютоном (1687, «Начала»).

3. Виды движения

• Равномерное прямолинейное — скорость постоянна, a = 0; x = x₀ + vt.
• Равноускоренное прямолинейное — ускорение постоянно; v = v₀ + at; s = v₀t + at²/2; v² = v₀² + 2as.
• Криволинейное — траектория кривая; скорость направлена по касательной; даже при v = const есть нормальное ускорение: aₙ = v²/R.

4. Опыты

• Опыты Галилея с наклонной плоскостью — установление закономерностей равноускоренного движения.
• Наблюдение за движением небесных тел — открытие относительности движения.

5. Приборы

Секундомер, измерительная лента, стробоскоп, датчик движения с компьютером.

6. Методы определения

• Скорость: v = Δs/Δt (средняя) или v = lim(Δs/Δt) при Δt→0 (мгновенная).
• Ускорение: a = Δv/Δt. Графически — из наклона v(t).

7. Основные характеристики

Относительность движения: v⃗_абс = v⃗_отн + v⃗_пер (классический закон сложения скоростей).

1. Определение

Взаимодействие — взаимное влияние тел, изменяющее их скорость или форму. Описывается силой — векторной величиной [Н].

Масса — скалярная мера инертности тела [кг].

2. Кто и когда

Исаак Ньютон, 1687 год — «Математические начала натуральной философии».

3. Три закона Ньютона

• I закон (инерции): тело сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение при отсутствии внешних сил (существуют ИСО).
• II закон: F⃗ = m·a⃗ — ускорение прямо пропорционально равнодействующей сил и обратно пропорционально массе.
• III закон: F⃗₁₂ = −F⃗₂₁ — силы равны по модулю, противоположны по направлению, приложены к разным телам.

4. Опыты

• Опыты Ньютона с маятниками — установление III закона.
• Измерение ускорения тел разных масс при одинаковой силе — II закон.
• Опыты с хоккейной шайбой на льду — I закон.

5. Приборы

Динамометр, гиря (эталон массы), воздушная дорожка с датчиком, секундомер.

6. Методы определения

Масса — по деформации пружины (F = kx, m = F/g) или сравнением на весах. Сила — динамометром.

7. Основные характеристики

F = ma [Н]; принцип суперпозиции: F⃗_рез = ΣF⃗ᵢ.

Вес тела в лифте: W = m(g ± a).

8. Плюсы и минусы / применение

Ремни безопасности (I закон), реактивный двигатель (III закон), тормозной путь (II закон).

1. Определение

Импульс тела — p⃗ = m·v⃗ [кг·м/с] — векторная величина, характеризующая меру механического движения.

2. Кто и когда

Понятие введено Декартом и Ньютоном (XVII в.). Закон сохранения импульса следует из III закона Ньютона.

3. Виды ударов

• Абсолютно упругий: сохраняются и импульс, и кинетическая энергия (бильярдные шары, молекулы газа).
• Абсолютно неупругий: тела слипаются: (m₁ + m₂)·v_общ = m₁v₁ + m₂v₂.

4. Опыты

• Столкновение тележек на воздушной дорожке.
• Опыт с баллистическим маятником — измерение скорости пули.
• Реактивное движение: шарик с водой, ракета на нити.

5. Приборы

Воздушная дорожка, фотодатчики, баллистический маятник.

6. Методы определения

Из II закона Ньютона в импульсной форме: F⃗·Δt = Δp⃗. Экспериментально — по скорости до и после столкновения.

7. Основные характеристики

В замкнутой системе: p⃗₁ + p⃗₂ + ... = const.

Реактивное движение: формула Циолковского v = u·ln(m₀/m).

1. Определение

Сила — векторная величина, мера взаимодействия тел, вызывающая ускорение или деформацию [Н]. Закон всемирного тяготения: любые два тела притягиваются с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

2. Кто и когда

Исаак Ньютон, 1687 г. По легенде, идея пришла при наблюдении падения яблока.

3. Виды сил в механике

4. Опыты

• Кавендиш (1798) — измерение G крутильными весами.
• Наблюдение движения планет (Кеплер, 1609–1619) — проверка закона.

5. Приборы

Динамометр; крутильные весы Кавендиша; гравиметр (для измерения g).

6. Методы определения G и g

g = GM_З/R_З² ≈ 9,8 м/с². G = 6,67·10⁻¹¹ Н·м²/кг² (Кавендиш). На высоте h: g(h) = GM/(R+h)².

7. Основные характеристики

F = G·m₁m₂/r²; G = 6,67·10⁻¹¹ Н·м²/кг².

Первая космическая скорость: v₁ = √(gR) ≈ 7,9 км/с.

Вес тела: W = m(g − a). Невесомость — состояние, при котором реакция опоры N = 0 (свободное падение, орбитальный полёт); не отсутствие тяготения!

Перегрузка: W > mg при a > 0 (старт ракеты, петля).

8. Биологическое действие / плюсы и минусы

• Невесомость (минусы): атрофия мышц и костей, перераспределение жидкостей, нарушение вестибулярного аппарата у космонавтов.
• Перегрузка (минусы): при больших перегрузках — потеря сознания (пилоты истребителей), разрыв сосудов.
• Плюсы: невесомость используется в медицине — исследование кристаллизации белков, выращивание биотканей в космосе.

1. Определение

Колебание — периодически повторяющееся движение около положения равновесия (Мякишев, §13).

2. Кто и когда

Галилей (XVI в.) — маятник (изохронность). Гюйгенс (1657) — маятниковые часы. Гук (1678) — пружинный маятник.

3. Виды

• Свободные — без внешних воздействий (нитяной, пружинный маятник).
• Затухающие — амплитуда убывает из-за трения.
• Вынужденные — поддерживаются внешней периодической силой.
• Автоколебания — система сама поддерживает незатухающие колебания (часы с пружиной).

4. Опыты

• Нитяной маятник: T не зависит от массы и амплитуды (при малых амплитудах) — опыт Галилея.
• Опыт Барнса (резонанс нитяных маятников на одной нити).
• Резонанс бокала от звука нужной частоты.

5. Приборы

Нитяной и пружинный маятники, секундомер, датчик движения, осциллограф (для вынужденных).

6. Методы определения

T = t/N (засечь N полных колебаний). g = 4π²l/T² (из нитяного маятника).

7. Основные характеристики

• Нитяной маятник: T = 2π√(l/g) — не зависит от массы.
• Пружинный маятник: T = 2π√(m/k) — не зависит от g.
• Полная энергия при отсутствии трения: E = E_к + E_п = kA²/2 = const.
• В точке максимального отклонения: E_п = max, E_к = 0; в равновесии: E_к = max, E_п = 0.
• Резонанс — резкое возрастание амплитуды при ν_внеш = ν₀.

8. Плюсы и минусы резонанса

• Минусы: мост Такома (1940 г., разрушен ветром), резонанс зданий при землетрясении, вибрация двигателей.
• Плюсы: настройка радиоприёмника, МРТ, музыкальные инструменты.

1. Определение

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) — учение о строении и свойствах вещества, основанное на трёх положениях: вещество состоит из частиц; частицы непрерывно и хаотично движутся; частицы взаимодействуют между собой.

2. Кто и когда

Демокрит (~V в. до н. э.) — идея атома. Д. Бернулли (1738) — кинетическое давление газа. Р. Броун (1827) — броуновское движение. Д. И. Менделеев, Дж. К. Максвелл, Л. Больцман (XIX в.) — математическая МКТ. Авогадро (1811) — закон о числе молекул.

3. Виды частиц

Атомы, молекулы, ионы.

4. Опыты

• Броуновское движение — хаотичное движение пылинок под ударами молекул.
• Диффузия — распространение запаха, смешивание жидкостей.
• Опыт с масляной плёнкой (Рэлей) — оценка размера молекулы: d = V_капли / S_плёнки ≈ 10⁻¹⁰ м.

5. Приборы

Микроскоп (броуновское движение), спектрометр (диффузия), масс-спектрограф (масса молекул).

6. Методы определения

• Масса молекулы: m₀ = M/Nₐ (M — молярная масса).
• Число молекул: N = ν·Nₐ = (m/M)·Nₐ.

7. Основные характеристики

• Постоянная Авогадро: Nₐ = 6,02·10²³ моль⁻¹.
• Количество вещества: ν = N/Nₐ = m/M [моль].
• Масса молекулы: m₀ = M/Nₐ.
• Размер молекулы: d ≈ 10⁻¹⁰ м.

1. Определение

Идеальный газ — модель, в которой молекулы — материальные точки без сил взаимодействия (кроме мгновенных абсолютно упругих столкновений), и среднее расстояние между ними >> размера молекулы.

2. Кто и когда

Д. Бернулли (1738) — вывел давление газа из ударов молекул. Дж. К. Максвелл (1860) и Л. Больцман (1870–80-е) — статистическая механика.

4. Опыты

• Опыт с манометром и нагреванием газа при V = const → p ∝ T.
• Клетка Крукса — демонстрация теплового движения.

5. Приборы

Манометр, термометр, шприц с заглушкой.

6. Методы определения температуры

Абсолютная температура через среднюю кинетическую энергию; газовый термометр (объём газа при p = const пропорционален T).

7. Основные характеристики

• Основное уравнение МКТ: p = (1/3)·ρ·⟨v²⟩ = (2/3)·n·⟨E_к⟩
• Связь T и E_к: ⟨E_к⟩ = (3/2)·kT, k = 1,38·10⁻²³ Дж/К
• Шкала Кельвина: T(К) = t(°C) + 273; абсолютный нуль — тепловое движение прекращается.
• Среднеквадратичная скорость: v_кв = √(3kT/m₀) = √(3RT/M)

1. Определение

Уравнение состояния связывает параметры состояния газа (p, V, T) в любом равновесном состоянии.

2. Кто и когда

Бойль–Мариотт (1662/1676), Гей-Люссак (1802), Шарль (1787), Менделеев–Клапейрон (1874) — объединили все законы в одно уравнение.

3. Виды изопроцессов

4. Опыты

• Шприц с пальцем — изотермическое сжатие (pV = const).
• Нагревание запаянной трубки — изохорный процесс.
• Нагревание воздушного шара — изобарный процесс.

5. Приборы

Манометр, термометр, шприц, U-образный манометр.

6. Методы определения

Измерить два из трёх параметров (p, V, T) и вычислить третий из уравнения состояния.

7. Основные характеристики

• pV = νRT (уравнение Менделеева–Клапейрона), R = 8,31 Дж/(моль·К).
• Общий закон: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂.

1. Определение

Испарение — переход молекул с поверхности жидкости в пар при любой температуре. Конденсация — обратный процесс. Насыщенный пар — состояние динамического равновесия (скорость испарения = скорость конденсации); его давление максимально при данной T и не подчиняется закону Бойля–Мариотта.

2. Кто и когда

Изучались с XVIII в. Клаузиус, Кельвин (XIX в.). Психрометр изобрёл Август (1825).

3. Виды пара

• Насыщенный (p = p₀(T)).
• Ненасыщенный (p < p₀(T)) — ведёт себя как идеальный газ.

4. Опыты

• Нагревание воды в закрытом сосуде — давление насыщенного пара растёт с T.
• Охлаждение стакана с водой — точка росы, конденсация.

5. Приборы

• Волосяной гигрометр — длина волоса зависит от относительной влажности.
• Психрометр (Августа) — по разнице T_сухого и T_влажного термометра.

6. Методы определения влажности

• Относительная влажность: φ = (p/p₀)·100%.
• По психрометрическим таблицам: ΔT = T_с − T_в → φ.
• Абсолютная влажность: ρ = φ·ρ_нас(T)/100.

7. Основные характеристики

• Точка росы — T, при которой воздух насыщается.
• Норма комфорта: φ = 40–60%.

8. Биологическое действие

• Высокая влажность: способствует развитию плесени, бактерий; ощущение духоты; обострение ревматизма.
• Низкая влажность: пересыхание слизистых, повышение риска инфекций, статическое электричество.

1. Определение

Кристаллические тела — тела со строгим периодическим расположением атомов в кристаллической решётке. Аморфные тела — с ближним порядком, но без дальнего. Деформация — изменение формы или размеров тела под действием сил.

2. Кто и когда

Роберт Гук, 1678 — закон упругости («Ut tensio sic vis» — «Каково растяжение, такова и сила»).

3. Виды тел / деформаций

• Кристаллические: анизотропия, чёткая T плавления (металлы, NaCl, лёд, алмаз).
• Аморфные: изотропия, нет чёткой T плавления (стекло, смола, пластик).
• Деформации: упругая (обратимая) и пластическая (необратимая).

4. Опыты

• Растяжение резинки и пружины — упругая деформация, проверка закона Гука.
• Сравнение кристаллического и аморфного стекла — анизотропия при расколе.

5. Приборы

Динамометр, линейка, набор грузов, пружина.

6. Методы определения

Жёсткость пружины: k = F/x. Модуль Юнга: E = (F·l)/(S·Δl).

7. Основные характеристики

• Закон Гука: F_упр = −kx (для пружины); k [Н/м] — жёсткость.
• В общем виде: σ = E·ε, σ = F/S [Па] — напряжение; ε = Δl/l — относительное удлинение; E — модуль Юнга [Па].
• Предел упругости, предел прочности.

1. Определение

Внутренняя энергия U — сумма кинетической и потенциальной энергии всех молекул тела. I закон термодинамики — закон сохранения энергии в тепловых процессах. II закон — устанавливает направление протекания тепловых процессов.

2. Кто и когда

Майер, Джоуль, Гельмгольц (1842–1847) — I закон. Карно (1824), Клаузиус (1850), Кельвин (1851) — II закон. Адиабатный процесс — Пуассон (XIX в.).

4. Опыты

• Опыт Джоуля — нагревание воды лопастями (механическая работа → теплота).
• Насос с ватой — адиабатное сжатие → вспышка ваты.
• Дизельный двигатель — воспламенение без искры.

5. Приборы

Калориметр, термометр, поршень, манометр.

7. Основные характеристики

• Q = ΔU + A (I закон); A = p·ΔV — работа газа.
• Изохорный: A = 0 → Q = ΔU. Изотермический: ΔU = 0 → Q = A. Адиабатный: Q = 0 → ΔU = −A.
• КПД: η = A/Q₁ = 1 − Q₂/Q₁ ≤ η_Карно = 1 − T₂/T₁.
• Для идеального газа: U = (i/2)·νRT (i = 3 одноатомный, 5 двухатомный).

1. Определение

Электрический заряд — фундаментальное свойство материи, определяющее электромагнитное взаимодействие. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые — притягиваются. Закон сохранения заряда: алгебраическая сумма зарядов замкнутой системы постоянна. Электрическое поле — особый вид материи, существующий вокруг заряженных тел.

2. Кто и когда

Закон Кулона — Шарль Огюстен де Кулон, 1785. Концепция электрического поля — Майкл Фарадей, 1830-е; математическая теория — Максвелл, 1860-е.

4. Опыты

• Кулон — крутильные весы: измерение силы взаимодействия зарядов.
• Опыты с электроскопом — наблюдение электрического поля.
• Опыт Милликена — измерение заряда электрона.

5. Приборы

Электроскоп, крутильные весы (Кулон), электрометр.

6. Методы определения

E = F/q (пробный заряд); φ = W/q; U = A/q (из работы поля).

7. Основные характеристики

• Закон Кулона: F = k·|q₁q₂|/r², k = 9·10⁹ Н·м²/Кл².
• Дискретность: e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл.
• Напряжённость: E⃗ = F⃗/q [В/м]; поле точечного заряда: E = kQ/r².
• Потенциал: φ = kQ/r [В].
• Напряжение: U = φ₁ − φ₂; в однородном поле: E = U/d.

1. Определение

Конденсатор — система двух проводников (обкладок), разделённых диэлектриком, способная накапливать электрический заряд. Электроёмкость C — отношение заряда к напряжению: C = q/U [Ф]. Характеризует способность конденсатора накапливать заряд при данном напряжении.

2. Кто и когда

Первый конденсатор — Лейденская банка (1745, Мушенбрук, Клейст). Теория — Фарадей, XIX в.

3. Виды конденсаторов

Плоский, цилиндрический, сферический, переменный (воздушный).

4. Опыты

• Зарядка конденсатора и разряд через лампочку.
• Опыт с переменным конденсатором и звуковым генератором (резонанс).

5. Приборы

Источник тока, вольтметр, амперметр, баллистический гальванометр.

6. Методы определения

C = q/U; плоский конденсатор: C = ε·ε₀·S/d.

7. Основные характеристики

• Плоский: C = ε·ε₀·S/d, ε₀ = 8,85·10⁻¹² Ф/м.
• Энергия: W = CU²/2 = q²/(2C) = qU/2.
• Параллельное: C_общ = C₁ + C₂ + ... Последовательное: 1/C_общ = 1/C₁ + 1/C₂ + ...

8. Применение (плюсы / минусы)

• Плюсы: накопление энергии (дефибриллятор, фотовспышка), фильтрация (блоки питания), колебательный контур (радиоприёмник), сенсорные экраны.
• Минусы: быстрый саморазряд, опасность накопленного заряда при высоком напряжении.

1. Определение

Работа тока — энергия, выделяемая при прохождении заряда через участок цепи. ЭДС — работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по всей цепи. Закон Ома для полной цепи — связывает ток с ЭДС и сопротивлениями цепи.

2. Кто и когда

Георг Ом, 1827. ЭДС — концепция Фарадея, 1830-е.

4. Опыты

• Опыт с реостатом и амперметром — проверка закона Ома.
• Измерение КПД источника при разных R.

5. Приборы

Вольтметр, амперметр, реостат, источник тока с известным ε и r.

6. Методы определения

ε и r: строить U(I) = ε − Ir (прямая); ε — пересечение с осью U, r — наклон.

7. Основные характеристики

• Работа: A = UIt = I²Rt = U²t/R [Дж].
• Мощность: P = UI = I²R = U²/R [Вт].
• Закон Ома для полной цепи: I = ε/(R + r); U на клеммах: U = ε − Ir.
• КПД источника: η = R/(R + r).

1. Определение

Магнитное поле — особый вид материи, возникающий вокруг движущихся электрических зарядов и токов, осуществляющий магнитное взаимодействие. Магнитная индукция B⃗ — силовая характеристика магнитного поля [Тл].

2. Кто и когда

Ханс Эрстед, 1820 — ток отклоняет компас (открытие связи электричества и магнетизма). Ампер (1820–1825) — сила на проводник с током. Лоренц (1895) — сила на движущийся заряд.

3. Виды

Магнитное поле прямого тока, соленоида, постоянного магнита.

4. Опыты

• Опыт Эрстеда (1820): проводник с током отклоняет стрелку компаса.
• Взаимодействие двух параллельных проводников с током (Ампер).
• Отклонение пучка электронов в магнитном поле.

5. Приборы

Компас, гальванометр, катушка, магнит, осциллограф.

6. Методы определения

B = F_А/(Il·sin α) (из силы Ампера); B = μ₀I/(2πr) — поле прямого тока.

7. Основные характеристики

• Поле прямого тока: B = μ₀I/(2πr); соленоида: B = μ₀nI.
• Сила Ампера: F_А = BIl·sin α (правило левой руки).
• Сила Лоренца: F_Л = qvB·sin α (работы не совершает!).
• Радиус кругового движения: r = mv/(qB).

8. Применение

Масс-спектрограф (разделение изотопов), циклотрон (ускорение частиц), электродвигатель, МРТ.

1. Определение

Проводники — тела, в которых есть свободные носители заряда. Диэлектрики — тела без свободных носителей. Полупроводники — тела с промежуточными свойствами, проводимость которых резко зависит от температуры и примесей.

2. Кто и когда

Стивен Грей (1729) — разделение тел на проводники и изоляторы. Браун (1874), Флеминг (1904) — полупроводники. Шокли, Бардин, Браттейн (1947–1948) — транзистор (Нобелевская премия 1956 г.).

3. Виды полупроводниковой проводимости

• Собственная: при T > 0 К электрон → зона проводимости + дырка.
• Примесная n-тип (донорная): атомы P, As → лишний электрон.
• Примесная p-тип (акцепторная): атомы B, Al → дырка.

4. Опыты

• Нагревание германия — ρ уменьшается (в отличие от металлов!).
• p–n переход: ток только в одном направлении (диодный эффект).

5. Приборы

Омметр, термометр, диод, транзистор, мультиметр.

6. Методы определения

R = ρl/S; ρ полупроводника определяют четырёхзондовым методом.

7. Основные характеристики

• Металлы: ρ растёт с T; R = ρl/S.
• Полупроводники: ρ убывает с T.
• p–n переход: прямое смещение — открыт; обратное — закрыт.

8. Применение / плюсы и минусы

• Плюсы: диод (выпрямитель), LED, солнечная батарея, транзистор, микросхемы, фотоэлемент.
• Минусы: чувствительность к температуре, радиации, статическому электричеству.

1. Определение

Магнитный поток — физическая величина, равная произведению модуля магнитной индукции на площадь контура и косинус угла между B и нормалью к контуру. Явление ЭМИ — возникновение ЭДС в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него.

2. Кто и когда

Майкл Фарадей, 1831 — открытие ЭМИ (опыты с катушкой и магнитом, катушка внутри катушки). Эмилий Христианович Ленц, 1833 — правило Ленца.

4. Опыты

• Вдвигать/выдвигать магнит в катушку → гальванометр (опыт Фарадея).
• Движение проводника в магнитном поле → ЭДС.
• Кольцо Ленца — вихревые токи тормозят движение.

5. Приборы

Гальванометр, катушка, постоянный магнит, источник переменного тока.

6. Методы определения

ε_и = ΔΦ/Δt. Для движущегося проводника: ε = Blv·sin α.

7. Основные характеристики

• Магнитный поток: Φ = B·S·cos α [Вб].
• Закон Фарадея: ε_и = −ΔΦ/Δt (знак — правило Ленца). Для N витков: ε = −N·ΔΦ/Δt.
• Правило Ленца: индукционный ток противодействует изменению потока.

8. Применение

Электрогенераторы, трансформаторы, индукционные плиты, металлодетекторы, тормоза Фуко.

1. Определение

Самоиндукция — явление возникновения ЭДС в проводнике вследствие изменения тока в нём самом (частный случай ЭМИ). Индуктивность L — характеристика контура, определяющая ЭДС самоиндукции при данной скорости изменения тока. Электромагнитное поле — единое поле, включающее электрическое и магнитное, — особая форма материи (Максвелл, 1860-е).

2. Кто и когда

Джозеф Генри (1832) и Фарадей (1831) — самоиндукция. Максвелл — теория электромагнитного поля (1864–1873).

4. Опыты

• Разрыв цепи с катушкой → вспышка лампочки (ЭДС самоиндукции).
• Подключение двух лампочек: с катушкой (медленно загорается) и без.
• Радиопередатчик Герца (1888) — экспериментальное обнаружение ЭМ волн.

5. Приборы

Катушка индуктивности, лампа, источник тока, осциллограф.

6. Методы определения

L из формулы соленоида: L = μ₀μ·n²·V; из ε_с = L·|ΔI/Δt|.

7. Основные характеристики

• ЭДС самоиндукции: ε_с = −L·ΔI/Δt [В].
• Индуктивность: L [Гн]; соленоид: L = μ₀μn²V.
• Энергия магнитного поля: W_маг = LI²/2 (аналог E_к = mv²/2).
• ЭМ поле: изменение E порождает B; изменение B порождает E; скорость распространения c = 1/√(ε₀μ₀) = 3·10⁸ м/с.

1. Определение

Колебательный контур — система из катушки индуктивности L и конденсатора C, в которой возможны периодические колебания заряда, тока и напряжения. Свободные ЭМ колебания — колебания без внешнего источника энергии.

2. Кто и когда

Уильям Томсон (лорд Кельвин), 1853 — теоретически предсказал и вывел формулу периода. Герц (1888) — экспериментальное получение ЭМ колебаний.

3. Виды колебаний

• Свободные незатухающие (идеальный контур, R = 0).
• Затухающие (реальный контур с R — амплитуда убывает экспоненциально).
• Вынужденные (от внешнего генератора переменного тока).

4. Опыты

• Заряженный конденсатор подключают к катушке → в цепи возникают колебания (фиксируются осциллографом).
• Резонанс двух контуров — антенна приёмника.

5. Приборы

Осциллограф, катушка индуктивности, конденсатор, генератор переменного тока.

6. Методы определения

T = 2π√(LC); T измеряют осциллографом или частотомером.

7. Основные характеристики

• Формула Томсона: T = 2π√(LC); ν₀ = 1/(2π√(LC)).
• Аналогия: L ↔ m (инерция); C ↔ 1/k (упругость).
• Электрический резонанс: при ν_внеш = ν₀ → амплитуда тока максимальна.

8. Применение

Настройка радиоприёмника (переменный конденсатор → ν₀ = ν_станции).

1. Определение

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле, в котором взаимно перпендикулярные векторы E⃗ и B⃗ перпендикулярны скорости распространения (Мякишев, §35). ЭМ волна — поперечная.

2. Кто и когда

Джеймс Клерк Максвелл — теоретически предсказал ЭМ волны (1864–1865). Генрих Герц — экспериментально обнаружил (1888). Александр Степанович Попов — радиосвязь (1895, Россия); Гульельмо Маркони (1895–1896, Италия).

3. Виды (шкала ЭМ волн, от длинных к коротким)

4. Опыты

• Опыты Герца (1888): вибратор Герца — генерация, резонатор — приём.
• Опыт Попова (1895): грозоотметчик — приём ЭМ волн от молнии.
• Опыт с микроволновкой и металлической сеткой — отражение ЭМ волн.

5. Приборы

Антенна, генератор переменного тока, осциллограф, приёмник.

6. Методы определения

c = λν; λ = c/ν. Скорость измерена Рёмером (1676) по затмениям Ио; уточнена Физо (1849) — зубчатое колесо; Майкельсоном (1926) — c = 3·10⁸ м/с.

7. Основные характеристики

• Скорость в вакууме: c = 3·10⁸ м/с (не зависит от источника).
• Скорость в среде: v = c/n.
• λ = c/ν — длина волны.
• Свойства: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация.
• Несут энергию и импульс: p_фотона = E/c = h/λ.

Принципы радиосвязи (Попов, 1895):

1. Модуляция (АМ — по амплитуде; ЧМ — по частоте).
2. Излучение антенной.
3. Приём: антенна → резонансный контур (LC настроен на частоту станции).
4. Детектирование — выделение сигнала (диодный детектор).
5. Усиление и воспроизведение.

8. Биологическое действие / плюсы и минусы

• Видимый свет: необходим для фотосинтеза, зрения. Избыток — ожоги сетчатки.
• УФ (плюсы): синтез витамина D, бактерицидное действие. (Минусы): ожоги кожи, катаракта, рак кожи при чрезмерном облучении.
• ИК (плюсы): тепловое действие, физиотерапия, ночное видение. (Минусы): тепловые ожоги.
• Микроволны (плюсы): радиосвязь, СВЧ-печи. (Минусы): нагрев тканей при большой интенсивности.
• Рентген (плюсы): медицинская диагностика. (Минусы): ионизирующее излучение → мутации, рак при систематическом воздействии.
• Гамма-излучение: см. Билет №25.

1. Определение

Свет — электромагнитные волны видимого диапазона λ ≈ 380–780 нм. Скорость в вакууме c = 3·10⁸ м/с. Интерференция — сложение когерентных волн с образованием устойчивой картины максимумов и минимумов. Дифракция — огибание волнами краёв препятствий или щелей.

2. Кто и когда

Томас Юнг — интерференция света (1801). Огюстен Жан Френель — дифракция (1815–1819). Джеймс Клерк Максвелл — ЭМ природа света (1864). Этьен Малюс — поляризация (1808).

3. Виды явлений

• Отражение, преломление, полное внутреннее отражение.
• Интерференция (Юнг, 1801).
• Дифракция (Юнг, Френель, 1801–1819).
• Поляризация (Малюс, 1808).
• Дисперсия (Ньютон, 1666).

4. Опыты

• Опыт Юнга (двойная щель, 1801) — наблюдение интерференционных полос.
• Дифракция на щели и решётке — разложение белого света в спектр.
• Поляроиды (два скрещенных → темнота).
• Призма Ньютона — дисперсия белого света.

5. Приборы

Дифракционная решётка, поляроиды, спектроскоп, интерферометр.

6. Методы определения

• Длина волны: λ = d·sin φ / m (решётка); λ = Δx·d/L (Юнг).
• n = sin α / sin β (показатель преломления).

7. Основные характеристики

• Отражение: угол падения = угол отражения.
• Преломление: n₁ sin α = n₂ sin β (Снеллиус).
• Полное внутреннее отражение: sin α_кр = n₂/n₁.
• Интерференция — усиление: Δd = mλ; гашение: Δd = (2m+1)λ/2.
• Опыт Юнга: Δx = λL/d.
• Дифракционная решётка: d·sin φ = mλ.
• Дисперсия: n = n(λ) → разложение в спектр.

8. Применение

Просветление оптики (интерференция), оптоволокно (полное внутреннее отражение), LCD-дисплеи (поляризация), спектральный анализ (дифракция).

1. Определение

Ядерная (планетарная) модель атома — модель, в которой в центре атома находится маленькое тяжёлое положительно заряженное ядро, а электроны вращаются вокруг него. Постулаты Бора — квантовые условия, объясняющие устойчивость атома и линейчатые спектры.

2. Кто и когда

Томсон — модель атома «пудинг» (1904). Эрнест Резерфорд — ядерная модель (1911, опыт по рассеянию α-частиц). Нильс Бор — постулаты (1913).

4. Опыты

• Опыт Резерфорда (1911): α-частицы рассеивались на тонкой золотой фольге (толщиной ~0,4 мкм). Большинство проходило насквозь; ~1 из 8000 отскакивало назад (угол > 90°). Вывод: ядро атома — маленькое (r ~ 10⁻¹⁵ м), тяжёлое, положительно заряженное; атом почти пустой (r_атома ~ 10⁻¹⁰ м).
• Наблюдение линейчатых спектров водорода — подтверждение постулатов Бора.

5. Приборы

Источник α-частиц (Ra), золотая фольга, сцинтилляционный экран (ZnS), микроскоп (спектроскоп).

6. Методы определения

Энергетические уровни: E_n = −13,6/n² эВ. Частота фотона: hν = E_n − E_m.

7. Основные характеристики

• Постулат стационарных состояний: электрон движется по разрешённым орбитам без излучения; m_e·v_n·r_n = nℏ.
• Постулат излучения: при переходе n → m (n > m): hν = E_n − E_m.
• E_n = −13,6/n² эВ (водород). Основное состояние (n=1): −13,6 эВ.
• Серии спектра: Лаймана (→n=1, УФ); Бальмера (→n=2, видимый); Пашена (→n=3, ИК).
• Спектральный анализ — определение химического состава по спектру. Открытие He на Солнце до обнаружения на Земле.

1. Определение

Фотоэффект — испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения (света). Объясняется квантовой природой света: каждый фотон передаёт энергию одному электрону.

2. Кто и когда

Генрих Герц — обнаружил фотоэффект (1887, случайно при опытах с вибратором). Александр Столетов — систематическое исследование (1888–1890). Альберт Эйнштейн — квантовое объяснение (1905, Нобелевская премия 1921 г.).

3. Виды

• Внешний фотоэффект — испускание электронов с поверхности.
• Внутренний — переход электронов в зону проводимости (полупроводники, фотодиоды).
• Вентильный — возникновение ЭДС на p–n переходе (солнечная батарея).

4. Опыты

• Опыт Столетова (1888): конденсатор с цинковой пластиной — ток под светом.
• Опыт с задерживающим напряжением: eU_зад = mv²_max/2 → E_к_max = hν − A_вых.
• Независимость E_к от интенсивности, зависимость только от частоты.

5. Приборы

Фотоэлемент (вакуумный), источник света, фильтры, вольтметр, амперметр.

6. Методы определения постоянной Планка

h = eU_зад / ν (из задерживающего напряжения).

7. Основные характеристики

• Три закона фотоэффекта:

1. Число фотоэлектронов ∝ интенсивности (не зависит от ν).

2. E_к_max зависит только от ν, не от интенсивности.

3. Красная граница: при ν < ν_кр фотоэффекта нет.

• Уравнение Эйнштейна: hν = A_вых + mv²_max/2
• h = 6,63·10⁻³⁴ Дж·с — постоянная Планка.
• Красная граница: ν_кр = A_вых/h; λ_кр = hc/A_вых.
• Фотон: E = hν = hc/λ; p = h/λ; масса покоя = 0.

8. Применение

Фотоэлементы, солнечные батареи, ПЗС-матрицы (фотоаппараты), фотоумножители (детекторы частиц).

1. Определение

Атомное ядро — центральная, положительно заряженная, массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (нуклонов). Энергия связи — энергия, необходимая для полного расщепления ядра на составляющие нуклоны.

2. Кто и когда

Резерфорд — открыл протон (1919, ядерная реакция). Джеймс Чедвик — открыл нейтрон (1932, Нобелевская премия 1935 г.). Дефект масс и E_св — Эйнштейн (E = mc²). Ядерное деление — Ган, Штрасман (1938). Управляемая цепная реакция — Энрико Ферми (1942, первый реактор, Чикаго). Термоядерная бомба — 1952 (США). Управляемый синтез — ITER (Франция, проект).

3. Виды частиц ядра / ядерных реакций

• Протон: m_p = 1,6726·10⁻²⁷ кг, заряд +e.
• Нейтрон: m_n = 1,6749·10⁻²⁷ кг, заряд 0.
• Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым Z, но разным N (¹H, ²H, ³H; ²³⁵U и ²³⁸U).
• Деление тяжёлых ядер и синтез лёгких — при обоих выделяется энергия.

4. Опыты

• Резерфорд: α + ¹⁴N → ¹⁷O + p (первая ядерная реакция, 1919).
• Чедвик: α + ⁹Be → ¹²C + n (открытие нейтрона, 1932).
• Ган и Штрасман: n + ²³⁵U → осколки (деление, 1938).
• Первый ядерный реактор Ферми (1942).

5. Приборы

Циклотрон и линейный ускоритель (для ядерных реакций); ядерный реактор; камера Вильсона и счётчик Гейгера (для регистрации).

6. Методы определения

Масса ядра — масс-спектрометр. Дефект масс: Δm = Zm_p + Nm_n − M_яд > 0.

7. Основные характеристики

• A = Z + N; Z — число протонов; N — число нейтронов.
• Дефект масс: Δm = Zm_p + Nm_n − M_яд.
• Энергия связи: E_св = Δm·c². Максимальна у ядер с A ≈ 56–62 (Fe, Ni).
• Цепная реакция деления: n + ²³⁵U → осколки + 2–3 нейтрона + ~200 МэВ. Критическая масса ²³⁵U ~ 50 кг.
• Термоядерный синтез: ²H + ³H → ⁴He + n + 17,6 МэВ; требует T > 10⁸ К.

8. Биологическое действие / плюсы и минусы

• Ядерная энергетика (плюсы): огромное количество энергии из малой массы, нет выбросов CO₂.
• Минусы: радиоактивные отходы, опасность аварий (Чернобыль, Фукусима), ядерное оружие.

1. Определение

Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад нестабильных ядер с испусканием излучения (Мякишев, §82). Это ядерное явление: ни химические, ни физические воздействия (нагрев, давление, облучение) не влияют на интенсивность излучения.

2. Кто и когда

Антуан Анри Беккерель — открыл радиоактивность (1896, уран засвечивает фотопластинку в темноте; Нобелевская премия 1903 г.). Пьер и Мария Кюри — открыли полоний и радий, исследовали свойства (1898, Нобелевские премии 1903 и 1911 гг.). Эрнест Резерфорд — классический опыт, разделение α, β, γ (1899–1903). Фредерик и Ирен Жолио-Кюри — открыли β⁺-распад (1934).

3. Виды излучений

4. Опыты

• Классический опыт Резерфорда (рассказан в §82): препарат радия помещали на дно узкого канала в свинце. Пучок, выходящий из канала, направляли в магнитное поле. В его отсутствие — одно пятно на фотопластинке; в магнитном поле — три пучка: положительный (α), отрицательный (β), нейтральный (γ).
• Определение природы α-частицы (Резерфорд): по отклонению в поле q/m ≈ 2e/4m_p → ⁴₂He. Затем накопление α-частиц и спектральный анализ → гелий.
• Открытие β⁺-распада: Жолио-Кюри (1934), изотоп фосфора.

5. Приборы / методы регистрации

• Счётчик Гейгера–Мюллера: стеклянная трубка с металлическим катодом и нитью-анодом, заполненная газом (Ar). Ионизирующая частица создаёт лавину ионов → импульс тока. Применяется для β и γ.
• Камера Вильсона (1912): пересыщенный пар конденсируется на ионах → видимые треки (фотографирование). По длине трека — энергия; по числу капелек/длину — скорость.
• Пузырьковая камера: перегретая жидкость вскипает вдоль трека ионизирующей частицы.
• Ядерные фотоэмульсии: ионизирующая частица засвечивает кристаллы AgBr — след виден после проявления.
• Сцинтилляционный счётчик: кристалл NaI(Tl) + фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — вспышка при поглощении частицы.

6. Методы определения характеристик

• Период полураспада T½: по убыванию активности A = λN; T½ = ln2/λ.
• Вид излучения: по отклонению в магнитном поле, по проникающей способности.

7. Основные характеристики

• Закон радиоактивного распада: N = N₀·(1/2)^(t/T½) = N₀·e^(−λt), λ = ln2/T½.
• Активность: A = λN [Бк = 1 распад/с].
• Правила смещения:
• α-распад: Z → Z−2, A → A−4; пример: ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He.
• β⁻-распад: Z → Z+1, A не меняется (нейтрон → протон + e⁻ + антинейтрино).
• β⁺-распад: Z → Z−1, A не меняется (протон → нейтрон + e⁺ + нейтрино).
• γ-излучение: A и Z не меняются; испускается при переходе возбуждённого ядра в основное состояние.

8. Биологическое действие. Плюсы и минусы

Механизм: ионизирующее излучение выбивает электроны из молекул → ионизация → разрушение химических связей в ДНК, белках, клеточных мембранах → гибель или мутация клеток.

Минусы (опасность):

• Лучевая болезнь (при дозе > 1 Гр): слабость, выпадение волос, поражение кроветворной системы.
• Генетические мутации (передаются потомству).
• Рак (лейкемия, рак щитовидной железы после облучения).
• Тяжёлые случаи: Мария Кюри умерла от апластической анемии (1934), вызванной многолетней работой с радиоактивными веществами.

Единицы дозы:

• Поглощённая доза: Гр (Грей) = 1 Дж/кг.
• Эффективная доза: Зв (Зиверт) = Гр × коэффициент качества (для α — 20, β — 1, γ — 1).

Защита:

• Расстояние (интенсивность ∝ 1/r²).
• Время: сократить время контакта.
• Экранирование: бумага — от α; алюминий (3–5 мм) — от β; свинец, бетон — от γ.

Плюсы (применение):

• Медицина: лучевая терапия опухолей (γ и β прицельно убивают раковые клетки); ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография); радиоизотопная диагностика (⁹⁹ᵐTc); стерилизация медицинских инструментов.
• Наука: метод радиоуглеродного датирования (¹⁴C, T½ = 5730 лет) → возраст органических остатков.
• Промышленность: контроль толщины материалов, обнаружение дефектов (γ-дефектоскопия), трассеры в химии и биологии.
• Сельское хозяйство: облучение семян γ-лучами → повышение урожайности; стерилизация насекомых-вредителей; исследование усвоения удобрений (радиоактивный ³²P).
• Геология и археология: радиоуглеродный и калий-аргоновый методы датирования пород.

1. Определение

Физика — экспериментальная наука о законах природы. Научный метод — способ получения знания, основанный на наблюдении, гипотезе, эксперименте и теории.

2. Кто и когда

Галилей (XVII в.) — утвердил принцип опытного познания природы. Ньютон — создал механическую картину мира (1687). Максвелл — электромагнитная (1864). Планк, Эйнштейн, Бор (XX в.) — квантово-релятивистская.

3. Этапы научного метода

1. Наблюдение — сбор и систематизация фактов.
2. Гипотеза — предположение для объяснения фактов.
3. Эксперимент — проверка гипотезы (воспроизводимость!).
4. Теория — систематизированное, экспериментально подтверждённое знание.
5. Предсказание — теория позволяет предсказывать новые явления.

4. Примеры предсказаний теориями

• Максвелл предсказал ЭМ волны (1864) → Герц обнаружил (1888).
• Менделеев предсказал новые элементы (1869) → открыты Ga, Sc, Ge.
• Дирак предсказал позитрон (1928) → Андерсон обнаружил (1932).

7. Физические картины мира

Методы физики: идеализация (материальная точка, идеальный газ); моделирование; математическое описание.

Принцип соответствия Бора: при больших квантовых числах квантовая механика даёт результаты классической.