Физика: 10 класс

Физика – первейшая из естественных наук. Именно на законах физики основывается всё естествознание. Главная задача физики поиск и объяснение закономерностей, по которым функционирует материальный мир.

Несколько сотен лет назад не было различия между науками. Была широкая область познания, которая называлась «философия». И лишь, начиная с 16-го века, от философии начали отпочковываться различные дисциплины. Физика наряду с математикой была одной из первых из них.

Механика

В школе преподавание курса физики начинают с основ классической (ньютоновской) механики. Самым первым разделом механики, о котором узнают школьники, является кинематика.

Кинематика

Этот раздел механики изучает движение механических тел, не затрагивая вопросы возникновения этого движения. Главная задача кинематики – определить, в каких координатах будет движущееся тело в определённый момент времени. В качестве механического объекта школьный курс физики рассматривает материальную точку – идеальное тело с нулевым размером и определённой массой.

Основные физические величины, с которыми работает кинематика: время, пространство, скорость, ускорение. При этом кинематика не касается энергии, импульса, силы и массы.

Динамика

Этот раздел механики изучает возникновение механического движения. Динамика оперирует с такими понятиями, как сила, масса, импульс, энергия. Основывается динамика на трёх законах Ньютона.

Первый закон постулирует существование инерционных систем отсчёта – таких систем, в которых тело, на которое не действуют внешние силы (либо сумма этих сил равна нулю) продолжает равномерное прямолинейное движение (либо не движется).

Второй закон говорит о том, что причиной изменения скорости тела, является сила. При этом ускорение, которое получает тело, пока на него действует сила, прямо пропорционально модулю этой силы и обратно пропорционально массе тела.

Третий закон говорит, что если одно тело действует на другое с какой-либо силой, то второе реагирует на это воздействие силой, приложенной к первому телу, равной модулю силе действия, но обратной по направлению.

Одним из следствий третьего закона Ньютона является закон сохранения импульса в замкнутой системе. Одной из классических задач динамики является определение скоростей, которые получат после абсолютно упругого столкновения два шара с разными известными массами, движущиеся на встречу друг другу с разными известными скоростями. Решение этой задачи предполагает использование закона сохранения импульса и закона сохранения энергии в системе. Оно сводится к решению системы из двух квадратных уравнений.

МКТ

На основе законов динамики построена молекулярно-кинетическая теория (МКТ). Базируется МКТ на трёх основных постулатах:

1. все тела состоят из большого числа частиц (молекул, атомов, ионов);
2. частицы находятся в броуновском (хаотичном) движении;
3. частицы постоянно абсолютно упруго сталкиваются друг с другом (т.е. после столкновения двух частиц их суммарная кинетическая энергия и суммарный импульс не меняются).

В соответствии с МКТ абсолютная температура тела прямо пропорциональна средней кинетической энергии частиц, из которых тело состоит. В современной науке МКТ уступила своё место более точной теории – статистической физике, однако в школьной программе МКТ сохранилась

Основы термодинамики

Положения, заложенные МКТ, используются термодинамикой – разделом физики, изучающим процессы передачи тепловой энергии между телами и превращение тепла в другие формы энергии. Первый закон термодинамики (закон сохранение энергии) гласит, что теплота, переданная газу, расходуется на повышение его внутренней энергии и выполнение газом механической работы.

Рассматривая макротела, как системы большого количества мелких частиц, термодинамика оперирует такими понятиями, как объём, температура, давление, которыми не обладают отдельные молекулы.

Основное уравнение термодинамики – уравнение Менделеева-Клапейрона, или уравнение состояния идеального газа, связывает между собой такие понятия, как давление, объём, температура, масса и молярная масса газа. Частным случаем этого уравнения при условии постоянства количества газа является так называемое объединённое газовое уравнение, связывающее три основных макропараметра газа.

Электродинамика

Этот раздел физики изучает взаимодействие электрического поля с заряженными частицами. Основными явлениями, которые рассматривает электродинамика, являются электрический ток, магнетизм и  электромагнитное излучение.

При  описании постоянного электрического тока пользуются такими физическими величинами, как сила тока, сопротивление, напряжение (или разность электрических потенциалов), а также заряд.

Сила тока – это количество заряда, проходящего через сечение проводника за единицу времени.

Основным законом при рассмотрении постоянного электрического тока является закон Ома для участка цепи. Он гласит, что напряжение, падающее на участке цепи, равняется произведению силы тока, проходящего через этот участок, и сопротивления этого участка.

Математически из этого закона можно определить величину сопротивления участка, поделив напряжение на этом участке на ток, протекающий через него. В то же время стоит понимать, что физически утверждение о том, что сопротивление увеличивается с ростом напряжения и уменьшается с ростом тока, неверно.

Электрический ток в газах

Электрический ток может протекать в различных средах. Ток в газах (называемый разрядом) может принимать различные формы. Необходимое условие прохождение тока через газ – его сильная ионизация. Такое состояние газа называется плазмой.

1. Искровой разряд может возникнуть, если между электродами создано высокое напряжение (напряжённость электрического поля должна составить 10 – 30 кВ/см). При этом часть ионов (которые всегда присутствуют в газе) начнут направленное движение между электродами. Сталкиваясь с электрически нейтральными атомами или молекулами газа, ионы будут приводить к ударной ионизации незаряженных частиц. Таким образом, наступает лавинная ионизация. Когда число ионов становится большим, происходит пробой – переход заряда между электродами, сопровождающийся появлением искры и треском. Это и есть искровой разряд (самый яркий его пример — молния).
2. Дуговой разряд. Если источник напряжения, породивший искровой разряд, имеет достаточную мощность, искровой разряд переходит в дуговой. При этом электрическая дуга представляет собой незатухающую «искру».
3. Тлеющий разряд, используемый в неоновых и люминесцентных лампах, возникает при низком давлении газа. При подаче большого напряжения на электроды, между которыми находится сильно разряжённый воздух, положительно заряженные ионы газа начинают движение. Не встречаясь на своём пути с другими частицами (из-за низкой плотности разряжённого газа), положительно заряженные ионы, достигая катода, имеют большую кинетическую энергию. Поэтому, соударяясь с катодом, они выбивают из него свободные электроны. Это явление называется ионно-электронной эмиссией. Свободные электроны, начиная движение к аноду, иногда сталкиваются с атомами газа, образуя дополнительные ионы, которые, достигая катода, также становятся причиной эмиссии (вторичная эмиссия). За счёт этих заряженных частиц и поддерживается тлеющий разряд.
4. Коронный разряд возникает в сильно неоднородном электрическом поле. Такая неоднородность встречается вокруг электродов с сильной кривизной (главным образом это тонкие провода и острия). При высокой напряжённости (от 30 кВ/см) пространство вокруг такого электрода сильно ионизуется и начинается электрический разряд, имеющий форму оболочки (или короны, отсюда и пошло название).