Основы физики: конспект ключевых понятий, законов и формул

1. Введение в физику

- Физика — наука о природе
Физика — наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие её закономерности.

- Физика и техника
Физика даёт основу для технических изобретений, а техника, в свою очередь, позволяет развиваться физике.

- Физическая картина мира
Физическая картина мира — обобщённый образ действительности, идеальная картина природы, формируемая в физической науке. Включает наиболее общие понятия, принципы, гипотезы физики, стиль научного мышления.

2. Небесная сфера и астрономия

- Небесная сфера и её элементы
Воображаемая сфера произвольного радиуса, в центре которой находится наблюдатель.

- Небесные координаты
Используются в астрономии для описания положения светил на небе или точек на воображаемой небесной сфере.
Основные линии: математический горизонт, небесный экватор, эклиптика, небесный меридиан.
Отвесная линия: зенит (Z) и надир (Z').

- Условия наблюдения небесных светил
Безоблачность, хорошая погода, мало постороннего света.

- Законы движения планет (Кеплера)

1. Каждая планета перемещается в плоскости, проходящей через центр Солнца.
2. За равные промежутки времени радиус-вектор описывает равные площади.
3. Тела движутся вокруг Солнца неравномерно: максимальная скорость в перигелии, минимальная — в афелии.

3. Молекулярно-кинетическая теория (МКТ)

- Основные положения МКТ

1. Все тела состоят из мельчайших частиц (молекул или атомов).
2. Частицы непрерывно хаотически движутся.
3. Частицы взаимодействуют друг с другом.

- Опыт Штерна
Опыт Штерна — Герлаха продемонстрировал, что пространственная ориентация углового момента квантована.

- Распределение молекул по скоростям
Определяет, сколько молекул или какая доля из общего числа N обладают скоростями в определённом интервале.

- Масса и размер молекул
Размеры и масса молекулы возрастают с увеличением числа атомов в её составе.

- Постоянная Авогадро
Количество частиц в 1 моле вещества.

- Идеальный газ
Модель реального газа, в которой частицы принимаются за материальные точки, а их взаимодействием пренебрегают.

- Давление газа
Результат ударов молекул о стенки сосуда.

- Длина свободного пробега молекул
Для обычных молекулярных газов в нормальных условиях ≈ 10^-5 см.

- Вакуум
Состояние, при котором давление воздуха ниже нормального атмосферного.

- Межзвёздный газ
Состоит из нейтральных и ионизованных атомов и молекул.

- Основные уравнения МКТ идеального газа
P = (2/3) n₀ <E> = (1/3) ρ <v²> = n₀ kT

- Температура
Мера средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул.

4. Термодинамика

- Уравнение Менделеева-Клапейрона
pV = nRT (или pV = (m/M)RT)

- Изопроцессы
Термодинамические процессы, при которых один из параметров (давление, объём или температура) остаётся постоянным.

- Термодинамическая шкала температур (шкала Кельвина)
Абсолютная температура, отсчёт ведётся от абсолютного нуля.

- Абсолютный нуль
Минимальный предел температуры, который может иметь физическое тело.

- Внутренняя энергия газа

• Если над телом совершается работа — внутренняя энергия увеличивается.
• Если тело совершает работу — внутренняя энергия уменьшается.
• Если вещество отдаёт тепло — внутренняя энергия уменьшается.

- Первое начало термодинамики
ΔU = Q + A (знаки зависят от соглашения)

- Работа газа при изобарном процессе
A = p ΔV

- Физический смысл молярной газовой постоянной R
Работа расширения 1 моля идеального газа при постоянном давлении при нагревании на 1 К.

- Адиабатический процесс
Q = 0. При расширении газ охлаждается, при сжатии — нагревается.

- Необратимость тепловых процессов
Процессы, которые протекают только в одном направлении (диффузия, теплопередача и др.).

- Второе начало термодинамики
В изолированной системе энтропия возрастает. Тепло передаётся от горячего тела к холодному.

- Принцип действия тепловой машины
Нагреватель → рабочее тело → холодильник.

- Цикл Карно
Обратимый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Максимальный КПД.

- Тепловые двигатели
Важны в транспорте, энергетике, промышленности и космосе.

5. Фазовые состояния вещества

- Фаза вещества
Термодинамически равновесное состояние вещества, отличающееся физическими свойствами от других фаз.

- Насыщенный пар
Пар в динамическом равновесии со своей жидкостью. Давление зависит только от температуры.

- Влажность воздуха
Содержание водяных паров в атмосфере.

- Точка росы
Температура, при которой воздух становится насыщенным и начинается конденсация.

- Приборы для измерения влажности
Гигрометр, психрометр.

- Кипение
Интенсивное парообразование по всему объёму жидкости.

- Зависимость температуры кипения от давления
С ростом давления температура кипения повышается.

- Критическое состояние
Состояние, в котором исчезает различие между жидкостью и паром.

- Жидкое состояние
Сохраняет объём, но не сохраняет форму.

- Ближний порядок
Упорядоченность на расстояниях, сравнимых с межатомными.

- Поверхностное натяжение
Сила, действующая на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости.

- Смачивание
Способность жидкости растекаться по поверхности.

- Капиллярность
Подъём или опускание жидкости в узких трубках.

- Внутреннее трение (вязкость)
Сопротивление относительному движению слоёв.

- Кристаллическое состояние
Частицы расположены в строгом порядке (дальний порядок).

- Типы кристаллических решёток
Молекулярная, атомная, ионная, металлическая.

- Типы связей в кристаллах
Металлическая, ионная, ковалентная, ван-дер-ваальсова, водородная.

6. Электричество и электромагнетизм

- Электромагнитное поле
Фундаментальное поле, проявляющееся как электрическое и магнитное.

- Электрический заряд
Положительный или отрицательный.

- Закон Кулона
F ~ q₁ q₂ / r²

- Электрическое поле
Поле, окружающее заряды.

- Напряжённость E
Силовая характеристика поля.

- Принцип суперпозиции
E = сумма E_i

- Потенциал
Потенциальная энергия единичного заряда.

- Разность потенциалов (напряжение U)
Работа по перемещению единичного заряда.

- Проводники
Металлы, электролиты, плазма.

- Диэлектрики
Поляризуются в поле.

- Электрическая ёмкость
C = ε₀ ε S / d (для плоского конденсатора)

- Постоянный ток
Не меняется по величине и направлению.

- Закон Ома для участка цепи
I = U / R

- Сопротивление
R = ρ L / S

- Сверхпроводимость
R = 0 ниже критической температуры.

- Закон Ома для полной цепи
I = ℰ / (R + r)

- Работа и мощность тока
A = I U t     P = I U = I² R = U² / R

- Закон Джоуля-Ленца
Используется в нагревательных приборах.

7. Ток в различных средах

• Металлы: свободные электроны
• Электролиз и законы Фарадея
• Газовый разряд (самостоятельный и несамостоятельный)
• Полупроводники (p-n переход, диод, транзистор)
• Вакуум: термоэлектронная эмиссия, электронные пучки