Физика: 11 класс

Электрический ток и магнетизм – явления, обуславливаемые электромагнитными взаимодействиями. Электрический ток – направленное движение заряженных частиц. Каждая заряженная частица создаёт вокруг себя электрическое поле. Движение такой частицы приводит к изменению этого поля. Переменное электрическое поле порождает магнитное поле.

Магнитное поле

Магнитное поле является силовым полем, которое способно оказывать воздействие на движущиеся тела, обладающие электрическим зарядом. Основной силовой характеристикой этого поля является вектор магнитной индукции. Сила, которая действует на заряженную частицу, попавшую в магнитное поле, пропорциональна модулю вектора магнитной индукции, модулю проекции вектора скорости частицы на перпендикуляр к вектору магнитной индукции и заряду частицы.

Электроны, вращаясь на своих орбитах вокруг ядер атомов, создают магнитное поле атома мерой, которого является магнитный момент атома. В некоторых веществах атомы объединяются в макроскопические домены, имеющие одинаковую направленность линий магнитной индукции. К таким веществам относятся, в частности, ферромагнетики. Объединения атомов в домены лежит в основе существования постоянных магнитов.

Электромагнитная индукция

Это явление заключается в том, что переменное магнитное поле порождает (индуцирует) электрическое поле. Простой эксперимент, доказывающий этот постулат, впервые был проведён Фарадеем. Опыт учёного повторяют в школах при изучении электромагнитных явлений. Для этого берут катушку индуктивности, каждый из выводов которой соединён с лампочкой, таким образом, что система лампа-катушка представляет собой замкнутый контур. Опуская внутрь катушки постоянный магнит и вынимая его, экспериментатор видит, что через катушку проходит ток, индикацией чего является светящаяся лампочка.

Электрическое поле, создаваемое переменным магнитным полем движущегося магнита, порождает ЭДС (напряжение) в витках катушки. Эта ЭДС индукции заставляет свободные электроны, присутствующие в материале катушки совершать направленное движение. Таким образом, часть механической энергии, которую получает магнит от руки экспериментатора, превращается в электрическую энергию, заставляя светиться лампочку.

Принцип электромагнитной индукции лежит в основе работы таких устройств, как трансформатор, электрогенератор и электродвигатель.

Электромагнитное излучение

Переменное электрическое поле неразрывно связано с магнитным полем, которое оно порождает. Совокупность магнитного и электрического полей называют электромагнитным полем. Распространение возмущений, которое порождает это поле, называется электромагнитным излучением. Изменение напряжённости и магнитной индукции в точке пространства, отдалённой от источника поля происходит не мгновенно, а через некоторое время после изменения этих параметров вблизи источника. Скорость распространения электромагнитного излучения равна скорости света в вакууме. Собственно, свет представляет собой одну из форм электромагнитного излучения. Кроме видимого света существуют также и другие формы излучения:

• радиоволны;
• инфракрасное излучение;
• ультрафиолетовое излучение;
• рентгеновское излучение;
• гамма-излучение.

Эти виды излучений различаются друг от друга своей частотой (величиной, обратной периоду, за который напряжённость поля совершает полный цикл изменения своей амплитуды).

Оптика

Этот раздел физики, который изучает распространение видимого и близкого к нему по частоте электромагнитного излучения в различных средах. Геометрическая оптика – подраздел оптики, который представляет процесс распространения света в наиболее простой и наиболее грубой математической модели: свет распространяется прямолинейно, угол падения луча равен углу отражения, при переходе из одной прозрачной среды в другую свет преломляется. Несмотря на грубую приближённость, выводы геометрической оптики оказываются точными и полезными во многих приложения.

При этом геометрическая оптика не учитывает природы света. Свет распространяется в виде волн. С этим связаны многие особенности его распространения, которых не касается геометрическая оптика. Они учитываются в волновой оптике.

Квантовая физика

Взаимодействие электромагнитного излучения с микроскопическими объектами более точно описывается, когда излучение представляется не в виде волны, а в виде потока частиц – квантов. Это взаимодействие изучается квантовой физикой. Способность света и другого электромагнитного излучения, а также способность отдельных частиц (электронов, протонов) из которых состоят макротела, обладать одновременно свойствами и волны, и частицы (корпускулы) называется корпускулярно волновой дуализм.

Давление света

Одним из явлений, удачно описываемых при помощи квантовой физики, является давление света. Фотон (так называется квант света) всегда движется со скоростью света. Он имеет нулевую массу покоя, поэтому не может существовать, двигаясь с меньшей скоростью. При этом фотон имеет энергию, пропорциональную его частоте (частоте электромагнитного излучения, частью которого он является). Попадая на поверхность, он передаёт ей свою энергию и импульс. Таким образом, на поверхность оказывается механическое давление. Устройство, приведённое на рисунке, визуализирует существование давления света. Масса устройства очень мала, трение между подвижными (поверхности) и неподвижными (ось вращения) деталями тоже очень маленькое.

Попадая на отражающую поверхность, фотон отскакивает от неё, попадая на поглощающую поверхность – нет. Импульс, передаваемый одним фотоном в первом случае, будет больше, чем во втором. При одинаковой интенсивности света попадающего на обе поверхности, на первую будет оказываться большее давление. Следовательно, помещённое на свет устройство начнёт вращение в указном стрелкой направлении.

Атомная физика

Этот раздел физики изучает строение и процессы, проходящие внутри атома. Она оперирует с квантовыми представлениями о природе излучения.

Ядерная физика

Этот раздел физики исследует строение ядра атома и взаимные превращения ядер – ядерные реакции. Помимо электромагнитного взаимодействие, этот раздел имеет дело с двумя другими фундаментальными взаимодействиями – сильным и слабым – которые проявляют себя лишь в субатомных масштабах. Знания о явлениях, описываемых ядерной физикой, лежат в основе функционирования атомных электростанций и ядерного оружия.

Разные разделы физики (начиная с ньютоновской механики, заканчивая основами релятивистской механики и квантовой физики) преподаются в школе разных классах. В рамках к подготовки к ЕГЭ в выпускных классах обычно даётся ускоренное изложение материала по физике, полученного учениками в предыдущих классах.