Физика 11 класс: ток, магнетизм, оптика, кванты

Как увидеть физику в обычных вещах

Ток, магнетизм, оптика и кванты кажутся разными темами, поэтому легко запутаться в формулах и обозначениях. Разберём их с нуля: поймём смысл явлений, научимся выбирать формулу и решать типовые задачи по понятному алгоритму.

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В металлическом проводнике движутся электроны, а направление тока условно считают направлением движения положительных зарядов. Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени: I = q / t. Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению заряда: U = A / q.

Главная связь между током, напряжением и сопротивлением — закон Ома для участка цепи: I = U / R. Чем больше напряжение, тем сильнее ток. Чем больше сопротивление, тем ток меньше. Мощность тока находится по формулам P = UI, P = I²R или P = U² / R.

Дано: U = 12 В, R = 6 Ом
Решение: I = UR = 126 = 2 А
Мощность: P = UI = 12 · 2 = 24 Вт
Ответ: сила тока 2 А, мощность 24 Вт.

Как решать задачи на цепи без угадывания

Сначала определите, как соединены резисторы. При последовательном соединении сила тока одинакова на всех участках, а общее сопротивление равно сумме: Rобщ = R₁ + R₂. Напряжение распределяется между резисторами. При параллельном соединении напряжение одинаково на каждой ветви, а сила тока делится. Для двух резисторов удобно использовать 1 / Rобщ = 1 / R₁ + 1 / R₂.

В задачах с источником тока учитывайте электродвижущую силу и внутреннее сопротивление: I = ε / (R + r). Здесь R — внешнее сопротивление, r — внутреннее сопротивление источника. Если нужно найти энергию, используйте A = UIt. Время обязательно переводите в секунды, а миллиамперы — в амперы.

Для бесплатной практики можно открыть личный кабинет «Просто Урок» по ссылке ../auth.html и проверить себя на коротких заданиях.

Почему ток создаёт магнитное поле

Вокруг любого проводника с током возникает магнитное поле. Его направление определяют правилом правой руки: если большой палец направить по току, согнутые пальцы покажут направление линий магнитного поля. Магнитное поле действует на движущиеся заряды и проводники с током, но неподвижный заряд в магнитном поле силы не испытывает.

На проводник с током действует сила Ампера: F = BIl sin α. Величина B — магнитная индукция, l — длина проводника, α — угол между проводником и линиями поля. Если проводник расположен перпендикулярно полю, sin α = 1, и сила максимальна. На движущийся заряд действует сила Лоренца: F = qvB sin α.

Электромагнитная индукция объясняет работу генераторов. При изменении магнитного потока в контуре возникает индукционный ток. Его направление подчиняется правилу Ленца: возникший ток противодействует причине, которая его вызвала. Так механическое вращение превращается в электрическую энергию.

Если проводник длиной 0,2 м находится перпендикулярно полю B = 0,5 Тл и по нему идёт ток I = 3 А:
\( F = BIl = 0,5 \cdot 3 \cdot 0,2 = 0,3 \text{Н} \)
Ответ: сила Ампера равна 0,3 Н.

Как разобраться со светом и оптическими приборами

Свет в однородной среде распространяется прямолинейно. При отражении угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую свет преломляется: меняются его скорость и направление. Закон преломления записывают так: n₁ sin α = n₂ sin β. Показатель преломления среды также связан со скоростью света: n = c / v.

Для тонкой линзы используют формулу 1 / F = 1 / d + 1 / f, где F — фокусное расстояние, d — расстояние от предмета до линзы, f — расстояние от линзы до изображения. Оптическая сила измеряется в диоптриях: D = 1 / F, если F выражено в метрах. Собирающая линза может дать действительное или мнимое изображение, а рассеивающая обычно даёт мнимое, прямое и уменьшенное.

Явление	Что происходит	Пример
Отражение	Свет возвращается в прежнюю среду	Зеркало
Преломление	Свет меняет направление на границе сред	Ложка в стакане кажется согнутой
Дифракция	Свет огибает препятствия и проходит через узкие щели	Цветные полосы на диске

Что нужно понимать о квантовой физике

Квантовая физика показывает, что энергия излучения передаётся отдельными порциями — квантами. Энергия фотона равна E = hν, где h — постоянная Планка, а ν — частота. Так как c = λν, можно записать E = hc / λ: чем короче длина волны, тем больше энергия фотона.

Фотоэффект — это выбивание электронов светом с поверхности металла. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: hν = Aвых + Eк. Часть энергии тратится на работу выхода, остальная превращается в кинетическую энергию электрона. Фотоэффект возможен только при частоте выше пороговой.

В атоме электроны могут находиться лишь на определённых энергетических уровнях. При переходе с одного уровня на другой атом поглощает или испускает фотон. В ядерной физике важно различать альфа-, бета- и гамма-излучение. Период полураспада — время, за которое распадается половина исходных ядер.

В личном кабинете «Просто Урок» по ссылке ../auth.html удобно закрепить формулы небольшими порциями, не пытаясь выучить всё за один вечер.

Что запомнить и что сделать дальше

Ток описывают силой тока, напряжением и сопротивлением; их связывает закон Ома. Ток создаёт магнитное поле, а изменение магнитного потока вызывает индукционный ток. Свет отражается, преломляется и проявляет волновые свойства. Линза строит изображение по формуле тонкой линзы. В квантовой физике энергия излучения зависит от частоты: E = hν.

Для решения любой задачи действуйте одинаково: прочитайте условие, выпишите данные, переведите единицы, выберите закон, подставьте числа и оцените ответ. Важно не только получить число, но и понимать, реалистично ли оно. К концу темы вы должны уметь объяснять явления, рисовать простые схемы, применять законы Ома, Ампера, Лоренца, индукции, отражения и преломления, а также работать с энергией фотона.

Следующий шаг — зарегистрируйся в бесплатном личном кабинете и реши 5 заданий по теме: ../auth.html. После практики станет заметно, какие формулы уже понятны, а какие требуют повторения.