Физика: программа, темы, тесты и задачи

Методы научного познания: наблюдение и эксперимент. Международная система единиц (СИ). Цена деления шкалы прибора и погрешность измерений.

Относительность движения. Материальная точка. Равномерное и неравномерное прямолинейное движение. Формула скорости и единицы скорости в СИ.

Беспорядочное движение молекул. Внутренняя энергия как сумма кинетической и потенциальной энергии микрочастиц. Три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении. Физический смысл удельной теплоемкости. Уравнение теплового баланса замкнутой системы тел.

Система отсчета. Векторы скорости и перемещения. Ускорение. Кинематические уравнения скорости и координаты при равноускоренном движении. Графики v(t) и s(t).

Ускорение свободного падения g = 9.8 м/с². Падение без начальной скорости и движение тела, брошенного вертикально вверх. Период (T), частота (ν), линейная и угловая (ω) скорости. Центростремительное ускорение: a_цс = v² / R.

Три постулата молекулярно-кинетической теории. Опытные подтверждения МКТ: диффузия и броуновское движение. Масса молекулы. Количество вещества (ν), постоянная Авогадро (N_A), молярная масса (M).

Модель идеального газа. Давление газа с точки зрения МКТ. Основное уравнение МКТ идеального газа: p = 1/3 n m₀ v_кв² = 2/3 n E_k. Абсолютная температура Кельвина. Постоянная Больцмана k. Связь температуры и средней кинетической энергии: E_k = 3/2 k T. Средняя квадратичная скорость.

Уравнение Менделеева — Клапейрона: p · V = (m / M) · R · T. Универсальная газовая постоянная R. Изопроцессы: изотермический (закон Бойля — Мариотта, T=const), изобарный (закон Гей-Люссака, p=const), изохорный (закон Шарля, V=const). Графики изопроцессов в осях p-V, p-T, V-T.

Вектор магнитной индукции B (Тесла, Тл). Сила Ампера: F_A = I B L sin α. Правило левой руки для проводника с током. Сила Лоренца: F_Л = |q| v B sin α. Траектория движения заряженной частицы в магнитном поле: радиус окружности R = (m v) / (q B) и период T = (2π m) / (q B). Масс-спектрометр.

Магнитный поток (Ф = B S cos α, Вебер, Вб). Открытие Фарадея (1831 г.). Закон электромагнитной индукции: E_i = - ΔФ / Δt. Правило Ленца. ЭДС индукции в движущемся проводнике: E_i = v B L sin α. Самоиндукция. Индуктивность катушки L (Генри, Гн). Энергия магнитного поля: W = (L I²) / 2.

Инертность тел. Масса как мера инертности. Плотность вещества и расчет массы тела по его объему. Способы измерения плотности.

Понятие силы. Прибор динамометр. Сила тяжести и ускорение g. Закон Гука и сила упругости. Сила трения скольжения, качения и покоя.

Строение твердых, жидких и газообразных тел. Процессы плавления и отвердевания (кристаллизации). График зависимости температуры от времени. Удельная теплота плавления.

Парообразование: испарение с поверхности и кипение по всему объему. Насыщенный и ненасыщенный пар. Удельная теплота парообразования. Абсолютная и относительная влажность воздуха. Психрометр.

Удельная теплота сгорания топлива. Принцип действия теплового двигателя: нагреватель, рабочее тело, холодильник. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), паровая и газовая турбины. КПД теплового двигателя.

Первый закон Ньютона и инерциальные системы отсчета. Второй закон Ньютона: F = m · a. Третий закон Ньютона: действие равно противодействию. Сила тяжести, сила нормальной реакции опоры, закон Гука и сила трения скольжения.

Гравитационное взаимодействие. Закон всемирного тяготения Ньютона. Гравитационная постоянная G. Ускорение свободного падения на высоте h. Первая и вторая космические скорости.

Импульс материальной точки (количество движения): p = m · v. Импульс силы: F · Δt = Δp. Закон сохранения импульса в замкнутой системе тел. Упругий и абсолютно неупругий удары. Реактивное движение и формула Циолковского.

Кинетическая энергия движущегося тела: E_k = (m · v²) / 2. Потенциальная энергия тела в поле тяжести: E_p = m · g · h и упруго деформированной пружины: E_p = (k · x²) / 2. Закон сохранения полной механической энергии. Теорема о кинетической энергии.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа: U = 3/2 (m/M) R T. Работа газа при изобарном расширении: A = p · ΔV. Геометрический смысл работы. Первый закон термодинамики: Q = ΔU + A. Применение первого закона к изотермическому, изобарному, изохорному и адиабатному процессам.

Второе начало термодинамики (Клаузиус, Кельвин). Необратимость реальных процессов в природе. Идеальная тепловая машина Сади Карно. Максимальный КПД цикла Карно: η_max = (T₁ - T₂) / T₁. Поверхностное натяжение жидкости: σ = F / l. Капиллярные явления и формула Жюрена: h = (2σ) / (ρ g r). Механические свойства твердых тел: закон Гука для механического напряжения: σ = E · ε.

Свободные электромагнитные колебания. Идеальный LC-контур. Период свободных колебаний — формула Томсона: T = 2π√(L C). Циклическая частота: ω₀ = 1 / √(L C). Превращение энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки: q_m² / (2C) = (L I_m²) / 2. Затухающие колебания.

Генерация синусоидального тока. Действующие (эффективные) значения: I_действ = I_m / √2, U_действ = U_m / √2. Активное сопротивление R, емкостное сопротивление X_C = 1 / (ω C), индуктивное сопротивление X_L = ω L. Закон Ома для цепи переменного тока. Устройство и принцип работы трансформатора. Коэффициент трансформации: k = U₁ / U₂ = N₁ / N₂.

Теория Максвелла: переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, и наоборот. Свойства электромагнитных волн. Скорость волн в вакууме: c ≈ 3 · 10⁸ м/с. Шкала: радиоволны, терагерцы, ИК, видимый свет, УФ, рентген, гамма-излучение. Принцип радиотелефонной связи: модуляция и детектирование.

Давление твердых тел, жидкостей и газов. Молекулярное объяснение давления газа. Закон Паскаля. Расчет гидростатического давления и закон сообщающихся сосудов. Гидравлические машины.

Опыт Торричелли и нормальное атмосферное давление. Барометр. Выталкивающая сила Архимеда. Условия плавания тел и воздухоплавание.

Положительный и отрицательный заряды. Дискретность заряда. Элементарный заряд электрона. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона для точечных зарядов в вакууме.

Условия существования электрического тока. Сила тока (I) и амперметр. Электрическое напряжение (U) и вольтметр. Сопротивление проводника (R) и удельное сопротивление. Закон Ома: I = U / R.

Законы последовательного и параллельного соединений. Эквивалентное сопротивление. Работа тока: A = U · I · t. Мощность тока: P = U · I. Закон Джоуля — Ленца: Q = I² · R · t.

Периодические процессы. Свободные и вынужденные колебания. Амплитуда (x_m), период (T), частота (ν) и циклическая частота (ω). Формула периода пружинного маятника: T = 2π√(m/k). Формула периода математического маятника (Гюйгенса): T = 2π√(l/g). Резонанс.

Распространение колебаний в упругой среде. Поперечные и продольные волны. Длина волны (λ), скорость волны (v), частота (ν): v = λ · ν. Звуковые волны (16 Гц — 20 000 Гц). Громкость звука, высота тона, тембр. Эхо и эхолокация.

Электрическое поле как материальный посредник взаимодействия зарядов. Напряженность электрического поля (E = F / q). Напряженность поля точечного заряда: E = k q / (ε r²). Линии напряженности. Принцип суперпозиции электрических полей: E = Σ E_i. Однородное электростатическое поле.

Работа электростатического поля при перемещении заряда: A = q (φ₁ - φ₂). Потенциальный характер поля. Потенциал (φ) и разность потенциалов (напряжение U). Связь напряженности и напряжения в однородном поле: E = U / d. Эквипотенциальные поверхности. Электростатическая защита проводников. Поляризация диэлектриков.

Понятие электроемкости: C = q / U. Единица Фарад (Ф). Плоский конденсатор: C = (ε ε₀ S) / d. Электрическая постоянная ε₀. Соединения конденсаторов (параллельное: C = ΣC_i, последовательное: 1/C = Σ 1/C_i). Энергия заряженного конденсатора: W = (C U²) / 2. Плотность энергии поля.

Волновая природа света. Дисперсия света: зависимость показателя преломления n от частоты волны. Опыт Ньютона со стеклянной призмой. Когерентность источников. Интерференция света: разность хода лучей, условия максимумов (Δ = k λ) и минимумов (Δ = (2k + 1) λ/2). Дифракция света. Дифракционная решетка: d sin φ = k λ. Поляризация.

Кризис классической физики и опыт Майкельсона — Морли. Постулаты Эйнштейна (1905 г.). Относительность одновременности. Релятивистское замедление времени: Δt = Δt₀ / √(1 - v²/c²). Лоренцево сокращение длины: l = l₀ √(1 - v²/c²). Релятивистский закон сложения скоростей. Закон взаимосвязи массы и энергии: E = m c² = (m₀ c²) / √(1 - v²/c²).

Понятие механической работы. Единица работы Джоуль (Дж). Мощность как скорость совершения работы. Единица мощности Ватт (Вт).

Рычаг, неподвижный и подвижный блоки, наклонная плоскость. Условие равновесия рычага (правило моментов). Золотое правило механики. КПД механизмов.

Магнитные стрелки и постоянные магниты. Опыт Эрстеда: возникновение магнитного поля вокруг проводника с током. Линии магнитной индукции. Правило буравчика (правой руки). Электромагниты и электродвигатель.

Прямолинейное распространение света, тень и полутень. Закон отражения света: угол падения равен углу отражения. Закон преломления света (Снеллиуса). Собирающие и рассеивающие тонкие линзы. Формула тонкой линзы: 1/F = 1/d + 1/f. Оптическая сила линзы в диоптриях.

Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Планетарная модель атома. Протонно-нейтронная модель ядра (Z, N, A). Изотопы. Естественная радиоактивность: альфа-, бета-, гамма-лучи. Правила смещения Содди. Дефект массы и энергия связи ядра.

Гелиоцентрическая система Коперника. Планеты земной группы и планеты-гиганты. Три закона Кеплера. Астрономическая единица (а.е.), световой год, парсек. Звезды, спектральная классификация. Галактики и расширение Вселенной (закон Хаббла).

Сторонние силы. Источники постоянного тока. Электродвижущая сила (ЭДС, E). Внутреннее сопротивление источника (r). Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: I = E / (R + r). Напряжение на зажимах источника. Ток короткого замыкания: I_кз = E / r. КПД источника тока.

Носители заряда в металлах, электролитах, газах, вакууме и полупроводниках. Законы электролиза Фарадея: m = k · I · t. Собственная и примесная проводимость полупроводников (электроны и дырки, p-n переход, полупроводниковый диод). Самостоятельный и несамостоятельный разряды в газах.

Гипотеза Планка о квантах энергии (1900 г.): E = h · ν. Постоянная Планка h. Фотон: энергия E = h ν, масса m = h ν / c², импульс p = h / λ. Внешний фотоэффект (опыты Столетова). Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: h ν = A_вых + (m v_max²) / 2. Красная граница фотоэффекта: ν₀ = A_вых / h.

Трудности классической физики при объяснении устойчивости атома. Постулаты Нильса Бора (1913 г.). Стационарные состояния атома и квантование орбит: m v r = n ℏ. Правило частот Бора: h ν = E_n - E_m. Линейчатые спектры водорода. Спонтанное и вынужденное (индуцированное) излучение. Принцип действия лазера (оптического квантового генератора).

Деление тяжелых ядер нейтронами (Ган, Штрассман, Фриш, Мейтнер). Цепная ядерная ядерная реакция деления урана-235. Коэффициент размножения нейтронов k (критическая масса). Устройство ядерного реактора: ядерное горючее, замедлитель, поглощающие стержни, теплоноситель. Термоядерный синтез на Солнце (реакция синтеза гелия из водорода). Элементарные частицы: кварки, лептоны, бозоны.