Учебный модуль

Физика в информационных технологиях

Эта версия модуля перестроена под более точную экзаменационную подготовку. Внутри разделов перечислены именно те понятия и законы, которые названы в программе, чтобы по ним было легче строить устный ответ.

Источник: программа вступительных испытаний по физике в информационных технологиях.

1. Молекулярная физика и термодинамика

Ключевые формулы

N = νN_A
pV = νRT
Q = cmΔT
A = pΔV
ΔU = Q - A
η = A_пол / Q_нагрев

1.1 Основы молекулярно-кинетической теории

Теория: МКТ объясняет свойства вещества движением и взаимодействием молекул. По программе сюда входят опытное обоснование МКТ, броуновское движение, диффузия, масса и размер молекул, измерение скорости молекул, количество вещества, моль, постоянная Авогадро, взаимодействие молекул и модели газа, жидкости и твердого тела.

Пример: распространение запаха в комнате связано с диффузией молекул. Количество частиц в 2 молях вещества определяют по формуле N = νN_A.

1.2 Основы термодинамики

Теория: этот блок содержит тепловое равновесие, температуру и ее измерение, абсолютную температурную шкалу, внутреннюю энергию, количество теплоты, теплоемкость вещества, работу в термодинамике, первый закон термодинамики, изотермический, изохорный, изобарный и адиабатный процессы, необратимость тепловых процессов, второй закон термодинамики и КПД теплового двигателя.

Пример: если газ получил тепло и одновременно расширился, одна часть энергии идет на рост внутренней энергии, а другая — на работу. КПД двигателя показывает, какая часть полученной теплоты превращается в полезную работу.

1.3 Идеальный газ

Теория: для ответа нужно знать связь давления со средней кинетической энергией молекул, связь температуры со средней кинетической энергией частиц, уравнение Клапейрона-Менделеева, универсальную газовую постоянную и изопроцессы.

Пример: если при постоянном объеме температура газа растет, давление тоже растет. Состояние идеального газа описывают формулой pV = νRT.

1.4 Жидкости и твердые тела

Теория: в программе перечислены испарение и конденсация, насыщенные и ненасыщенные пары, влажность воздуха, кипение жидкости, поверхностное натяжение, кристаллические и аморфные тела, а также преобразование энергии при изменениях агрегатного состояния вещества.

Пример: испарение ускоряется при повышении температуры. При плавлении или кипении энергия расходуется на изменение состояния вещества, а не на рост температуры.

2. Электродинамика

Ключевые формулы

F = kq₁q₂/r²
C = q/U
W = CU²/2
I = U/R
P = UI
Q = I²Rt

2.1 Электростатика

Теория: сюда входят электризация тел, электрический заряд, взаимодействие зарядов, элементарный заряд, закон сохранения заряда, закон Кулона, электрическое поле, напряженность поля, поле точечного заряда, потенциальность электростатического поля, разность потенциалов, принцип суперпозиции, проводники и диэлектрики в электрическом поле, электрическая емкость, конденсатор, емкость плоского конденсатора и энергия электрического поля.

Пример: заряженный конденсатор накапливает энергию электрического поля. Если q = 4 Кл и U = 2 В, то C = q/U = 2 Ф.

2.2 Постоянный электрический ток

Теория: по программе нужно знать электрический ток, силу тока, напряжение, свободные носители зарядов в металлах, жидкостях и газах, сопротивление проводников, закон Ома для участка цепи, последовательное и параллельное соединение, ЭДС, закон Ома для полной цепи, работу и мощность тока, закон Джоуля-Ленца, а также собственную и примесную проводимость полупроводников и p-n-переход.

Пример: если U = 10 В и R = 5 Ом, то сила тока равна I = 2 А. Полупроводниковый диод пропускает ток в основном в одном направлении благодаря p-n-переходу.

2.3 Магнитное поле и электромагнитная индукция

Теория: этот блок содержит взаимодействие магнитов, взаимодействие проводников с током, магнитное поле, действие магнитного поля на заряды, индукцию магнитного поля, силу Ампера, силу Лоренца, магнитный поток, электродвигатель, электромагнитную индукцию, закон Фарадея, правило Ленца, вихревое электрическое поле, самоиндукцию, индуктивность и энергию магнитного поля.

Пример: изменение магнитного потока через контур вызывает ЭДС индукции. Работа электродвигателя основана на действии магнитного поля на проводник с током.

3. Колебания и волны

Ключевые формулы

ν = 1/T
λ = vT
T = 2π√(l/g)
T = 2π√(m/k)
T = 2π√(LC)

3.1 Механические колебания и волны

Теория: по программе здесь требуются гармонические колебания, амплитуда, период и частота, свободные колебания, математический маятник, период маятника, превращение энергии при гармонических колебаниях, вынужденные колебания, резонанс, автоколебания, механические волны, скорость волны, длина волны, поперечные и продольные волны, уравнение гармонической волны и звук.

Пример: у маятника с периодом 0,5 с частота равна ν = 1/T = 2 Гц. При резонансе амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает.

3.2 Электромагнитные колебания и волны

Теория: сюда входят колебательный контур, свободные электромагнитные колебания, превращение энергии в контуре, собственная частота, вынужденные электрические колебания, переменный ток, генератор переменного тока, действующие значения силы тока и напряжения, активное, емкостное и индуктивное сопротивления, резонанс в цепи, трансформатор, производство и передача электроэнергии, идеи Максвелла, электромагнитные волны, их свойства, радиосвязь и шкала электромагнитных волн.

Пример: период колебательного контура вычисляют по формуле T = 2π√(LC). Трансформатор изменяет напряжение переменного тока на основе электромагнитной индукции.

4. Оптика и квантовая физика

Ключевые формулы

n = c/v
sin α / sin β = n₂/n₁
1/F = 1/d + 1/f
E = hν
hν = A_вых + E_k

4.1 Оптика

Теория: по программе сюда входят свет как электромагнитная волна, прямолинейное распространение, отражение и преломление света, луч, законы отражения и преломления, показатель преломления, полное отражение и предельный угол, ход лучей в призме, построение изображений в плоском зеркале, собирающая и рассеивающая линзы, формула тонкой линзы, фотоаппарат, глаз, очки, интерференция, когерентность, дифракция, дифракционная решетка, поляризация и дисперсия света.

Пример: в оптоволокне передача сигнала основана на полном внутреннем отражении. Если предмет расположен дальше фокуса собирающей линзы, можно получить действительное изображение.

4.2 Квантовая физика

Теория: этот раздел охватывает тепловое излучение, постоянную Планка, фотоэффект, опыты Столетова, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта, гипотезу де Бройля, дифракцию электронов, корпускулярно-волновой дуализм, радиоактивность, методы регистрации частиц, опыты Резерфорда, модели атома, спектры, люминесценцию, лазеры, закон радиоактивного распада, ядерные реакции, энергию связи, деление и синтез ядер, дозиметрию, элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия.

Пример: солнечные батареи работают на явлениях, связанных с фотоэффектом. Энергия фотона определяется формулой E = hν, а для фотоэффекта используют уравнение hν = A_вых + E_k.

5. Что нужно уметь

  • Понимать смысл физических величин и процессов, важных для техники, связи и электроники.
  • Применять формулы к расчетам по току, теплоте, колебаниям и оптике.
  • Связывать физические явления с работой реальных устройств.

Пример задачи 1. В цепи U = 10 В, R = 5 Ом. Найти силу тока.

Решение: I = U/R = 10/5 = 2 А.

Ответ: 2 А.

Пример задачи 2. Найти количество теплоты при m = 2 кг, c = 400 Дж/(кг·°C), ΔT = 5°C.

Решение: Q = cmΔT = 400·2·5 = 4000 Дж.

Ответ: 4000 Дж.

Пример задачи 3. Период колебаний равен 0,25 с. Найти частоту.

Решение: ν = 1/T = 4 Гц.

Ответ: 4 Гц.

Мини-тест

1. Что лежит в основе работы полупроводникового диода?

  1. Теплопроводность
  2. p-n-переход
  3. Только инерция
  4. Только отражение света

2. Какая формула выражает количество теплоты при нагревании?

  1. Q = cmΔT
  2. F = ma
  3. I = U/R
  4. n = c/v

3. Что вызывает индукционный ток?

  1. Изменение магнитного потока
  2. Только нагревание проводника
  3. Только трение
  4. Только давление

4. Какая физическая идея лежит в основе оптоволокна?

  1. Дифракция электронов
  2. Полное внутреннее отражение
  3. Радиоактивный распад
  4. Тепловое расширение

5. Что описывает формула T = 2π√(LC)?

  1. Период колебаний маятника
  2. Период колебаний колебательного контура
  3. Скорость света
  4. Закон Кулона

Ответы

1. B. Диод работает благодаря свойствам p-n-перехода.

2. A. При нагревании количество теплоты вычисляют по формуле Q = cmΔT.

3. A. Индукционный ток вызывается изменением магнитного потока.

4. B. Передача сигнала в оптоволокне основана на полном внутреннем отражении.

5. B. Это формула периода колебаний колебательного контура.