Физика и астрономия

Справочна статия за основните понятия, закони и формули от училищния курс

Физиката е наука за природата, която търси количествени закони за движението, веществото, енергията и полетата. Астрономията прилага тези закони към небесните тела и към Вселената като цяло. Тук материалът е подреден по раздели; във всеки има кратка карта (инфокутия), формули, таблици и схеми, а накрая въпроси за самопроверка.

Величини и мерни единици

Международната система единици (SI) има седем основни единици. Всички останали се изразяват чрез тях. Приставките променят единицата с кратни на 10: k = 10³ M = 10⁶ G = 10⁹ m = 10⁻³ μ = 10⁻⁶ n = 10⁻⁹.

Основни и често използвани производни единици
ВеличинаСимволЕдиницаОзначение
дължинаl, s, hметърm
масаmкилограмkg
времеtсекундаs
електричен токIамперA
температураTкелвинK
количество веществоnмолmol
силаFнютонN = kg·m/s²
енергия, работаE, AджаулJ = N·m
мощностPватW = J/s
наляганеpпаскалPa = N/m²
честотаfхерцHz = 1/s
зарядqкулонC = A·s
напрежениеUволтV = J/C
съпротивлениеRомΩ = V/A
магнитна индукцияBтеслаT

Механика

Механиката описва как телата се движат (кинематика) и защо (динамика). Законите на Исак Нютон са валидни за скорости, много по-малки от скоростта на светлината, и за тела, много по-големи от атомите.

Кинематика

При движение с постоянно ускорение a се използват формулите:

v = s / ta = Δv / Δtv = v₀ + a·ts = v₀·t + a·t²/2v² = v₀² + 2·a·s

Свободното падане е движение с ускорение g ≈ 9,8 m/s². При кръгово движение с радиус R и период T скоростта е v = 2πR/T, а центростремителното ускорение е a = v²/R = ω²R.

vt v₀vt s = лицето под графиката наклон = a
Скорост спрямо време при равноускорено движение. Наклонът на графиката е ускорението, а пътят е лицето под нея.

Законите на Нютон

ЗаконСъдържание
I (инерция)Тяло, върху което не действа сила или равнодействащата е нула, е в покой или се движи равномерно и праволинейно.
IIУскорението е право пропорционално на равнодействащата сила и обратно пропорционално на масата: a = F/m.
IIIДве тела действат едно на друго със сили, равни по големина и противоположни по посока. Силите са приложени към различни тела.
mg N Fтр α
Фиг. 1. Сили върху тяло на наклонена равнина: тежест mg, опорна сила N и триене Fтр. Успоредната на равнината съставка на тежестта е mg·sinα.
m₁m₂ v₁v₂ Преди удара: p = m₁v₁ − m₂v₂ Сумата от импулсите е същата и след удара. Еластичен удар: запазва се и кинетичната енергия. Нееластичен: телата се слепват, E се губи като топлина.
Фиг. 2. Запазване на импулса в затворена система.

Основни сили

СилаФормулаЗабележка
ТежестF = m·gнасочена към центъра на Земята
ТриенеF = μ·Nсрещу относителното движение; μ няма единица
Еластична (Хук)F = k·xk е коравина, N/m
ГравитацияF = G·m₁·m₂/r²G = 6,67·10⁻¹¹ N·m²/kg²
АрхимедоваF = ρ·g·Vρ е плътността на течността, V – потопеният обем

Работа, мощност и енергия

A = F·s·cosαP = A / t = F·vEк = m·v²/2Eп = m·g·hη = Aпол / Aвл

Закон за запазване на механичната енергия: при липса на триене Eк + Eп = const. Импулсът е p = m·v, а F·Δt = Δp. Моментът на сила е M = F·d; лостът е в равновесие при F₁d₁ = F₂d₂. Налягането е p = F/S, хидростатичното – p = ρ·g·h.

mg FА течност (ρ) FА = ρ·g·V потопен
Плаващо тяло: архимедовата сила уравновесява тежестта. Потопена е само част от обема, която зависи от съотношението на плътностите.
Проверете знанията си
  1. Кола с маса 1000 kg ускорява от 0 до 20 m/s за 10 s. Каква е силата?a = 2 m/s², F = 2000 N.
  2. Каква е кинетичната енергия на тяло от 2 kg със скорост 3 m/s?2·9/2 = 9 J.
  3. Защо пасажерът се накланя напред при рязко спиране?Инерция: тялото запазва скоростта си.
  4. Кога тяло плава в течност?Когато плътността му е по-малка от плътността на течността.

Молекулна физика и топлина

Всички вещества се състоят от частици, които са в непрекъснато хаотично движение и си взаимодействат. Температурата е мярка за средната кинетична енергия на частиците. Преходът от градуси Целзий към келвини е T = t + 273.

Идеален газ

Уравнението на състоянието е p·V = n·R·T или p·V = N·k·T. Средната кинетична енергия на молекула е Eк = (3/2)·k·T. Изопроцесите са показани в таблицата и на фигурата.

Изопроцеси при постоянна маса газ
ПроцесПостоянноЗакон
изотерменTp·V = const (Бойл–Мариот)
изобаренpV/T = const (Гей-Люсак)
изохоренVp/T = const (Шарл)
pV изотерма изобара изохора
Фиг. 3. Изопроцеси в координати p–V. Изотермата е хипербола.

Топлина и фазови преходи

Q = c·m·ΔtQ = λ·m (топене)Q = L·m (изпарение)
Специфична топлина и фазови преходи
Веществоc, J/(kg·K)
вода4200
лед2100
въздух1000
алуминий900
желязо450
мед385

За лед: λ ≈ 334 kJ/kg. За вода: L ≈ 2,26 MJ/kg. По време на фазов преход температурата не се променя, докато цялата маса не премине.

t, °Cтоплина Q 0100 лед топене вода кипене пара
Нагряване на вода при постоянна мощност. На хоризонталните участъци топлината се изразходва за промяна на агрегатното състояние, а не за температурата.

Термодинамика

  • Нулево начало: телата в топлинно равновесие имат еднаква температура.
  • I начало: Q = ΔU + A. Топлината се изразходва за промяна на вътрешната енергия и за извършване на работа.
  • II начало: топлината сама преминава само от по-топло към по-студено тяло. Вечен двигател от втори род е невъзможен.

КПД на топлинен двигател: η = (Q₁ − Q₂)/Q₁. Горната граница е КПД на цикъла на Карно: η = 1 − T₂/T₁.

Проверете знанията си
  1. Колко топлина е нужна, за да се загреят 2 kg вода с 10 °C?4200·2·10 = 84 000 J.
  2. Как се променя налягането на газ, ако обемът му се удвои при постоянна температура?Намалява 2 пъти.
  3. Колко е 300 K в градуси Целзий?Около 27 °C.

Електричество

Телата могат да имат положителен или отрицателен електричен заряд. Едноименните заряди се отблъскват, разноименните се привличат. Зарядът се запазва: общата му сума в изолирана система не се променя. Електричното поле на заряд се описва със силата върху единичен заряд, E = F/q, а работата за преместване на заряд – с напрежението, U = A/q.

Кондензаторът съхранява заряд: C = q/U, единица фарад (F). Енергията му е W = C·U²/2.
+ −
Силови линии на електричното поле на два разноименни заряда. Започват от положителния и завършват в отрицателния; колкото са по-гъсти, толкова полето е по-силно.

Постоянен ток

I = q / tI = U / RR = ρ·l / SP = U·I = I²·RQ = I²·R·tI = ℰ / (R + r)
ℰ, r R A V I
Фиг. 4. Проста верига: източник, консуматор R, амперметър (последователно) и волтметър (успоредно).
Свързване на консуматори
ПоследователноУспоредно
Токеднакъвсума
Напрежениесумаеднакво
СъпротивлениеR = R₁ + R₂1/R = 1/R₁ + 1/R₂

Правила на Кирхоф: сумата от токовете, влизащи във възел, е равна на сумата от излизащите; в затворен контур сумата от напреженията е нула. Електричната енергия в бита се мери в киловатчасове: 1 kWh = 3,6 MJ.

Проверете знанията си
  1. Два резистора по 6 Ω са свързани успоредно. Общо съпротивление?3 Ω.
  2. Печка от 2 kW е включена в мрежа от 230 V. Какъв е токът?I = P/U ≈ 8,7 A.
  3. Как се включва амперметър?Последователно във веригата.

Магнетизъм и електромагнитна индукция

Движещите се заряди създават магнитно поле. Полето действа със сила върху проводник с ток (сила на Ампер, F = B·I·l·sinα) и върху движещ се заряд (сила на Лоренц). Силата на Лоренц е перпендикулярна на скоростта, затова не променя големината ѝ, а само посоката: заряд в хомогенно поле описва окръжност с радиус R = m·v/(q·B). Посоката се определя с правилото на лявата ръка.

SN
Магнитно поле на прътов магнит. Линиите излизат от северния полюс, влизат в южния и са затворени през магнита.
+q v F B: към листа (×)
Фиг. 5. Положителен заряд в магнитно поле, насочено в равнината на листа, се движи по окръжност.

Електромагнитна индукция

Магнитният поток е Φ = B·S·cosα. При промяна на потока във верига се индуцира ЕДН: ℰ = −ΔΦ/Δt (закон на Фарадей). Знакът „минус“ е правилото на Ленц: индукционният ток има такава посока, че се противопоставя на причината, която го е породила.

Φ U₁, N₁първична U₂, N₂вторична
Трансформатор: променливият ток в първичната намотка създава променлив магнитен поток в желязната сърцевина, който индуцира напрежение във вторичната.
  • Генератор: въртяща се рамка в магнитно поле дава променливо напрежение.
  • Трансформатор: U₁/U₂ = N₁/N₂. Работи само с променлив ток; пренасянето на енергия на големи разстояния става при високо напрежение, за да са малки загубите I²R.
  • Ефективна стойност на променливо напрежение: U = Umax/√2.
Проверете знанията си
  1. Трансформатор има 1000 навивки в първичната и 100 във вторичната намотка. Вход 230 V. Изход?23 V.
  2. Защо магнит пада бавно през алуминиева тръба?Индуцират се токове, които по правилото на Ленц го забавят.
  3. Върши ли работа силата на Лоренц?Не, тя е перпендикулярна на скоростта.

Трептения и вълни

Трептене е движение, което се повтаря през равни интервали. Най-важно е хармоничното трептене: x = A·sin(ωt + φ), където A е амплитудата, ω = 2π/T = 2πf е кръговата честота. Периодът на пружинно махало е T = 2π·√(m/k), а на математично махало – T = 2π·√(l/g) и не зависи от масата. При резонанс амплитудата силно нараства, когато външната честота съвпада със собствената.

Вълната пренася енергия, без да пренася вещество. Напречните вълни (светлина, вълни по струна) трептят перпендикулярно на посоката на разпространение; надлъжните (звук) – по нея.

A λ (дължина на вълната) v = λ·f A – амплитуда
Фиг. 6. Напречна вълна: амплитуда A и дължина на вълната λ.

Звук

  • Височината на тона се определя от честотата, силата – от амплитудата.
  • Инфразвук: под 20 Hz. Ултразвук: над 20 kHz (ехолот, ехография).
  • Не се разпространява във вакуум; по-бърз е в течности и твърди тела.
  • Ефект на Доплер: честотата, която се приема, нараства при приближаване на източника и намалява при отдалечаване.
сгъстяванеразрежданесгъстяване p налягане спрямо позицията
Звукът е надлъжна вълна: частиците на въздуха трептят по посоката на разпространение и образуват области на сгъстяване и разреждане.

Общи вълнови явления: отражение (ехо), пречупване, интерференция (събиране на вълни), дифракция (огъване около препятствие).

Проверете знанията си
  1. Честота 500 Hz, скорост 340 m/s. Дължина на вълната?0,68 m.
  2. Как се променя периодът на махало, ако дължината му се увеличи 4 пъти?Удвоява се.

Оптика

Светлината е електромагнитна вълна, която в еднородна среда се разпространява праволинейно. При отражение ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение (α = α′). При преминаване в друга среда лъчът се пречупва; показателят на пречупване е n = c/v. При преминаване от по-плътна към по-рядка среда над граничния ъгъл настъпва пълно вътрешно отражение (оптични влакна).

α β въздух (n₁ = 1)стъкло (n₂ ≈ 1,5) отразенпадащпречупен sinα / sinβ = n₂ / n₁
Лъч, падащ от въздуха върху стъкло, частично се отразява (α′ = α) и частично се пречупва. В по-плътната среда лъчът се доближава до нормалата (β < α).
F F′ предмет образ (обратен, увеличен) a = 140, f = 80 → b ≈ 187 (условни единици)
Фиг. 7. Събирателна леща: предмет между F и 2F дава реален, обърнат и увеличен образ. Два характерни лъча: успореден на оста (минава през F′) и през центъра на лещата (не се пречупва).
1/f = 1/a + 1/bΓ = b / aD = 1/f

Изпъкнала леща е събирателна и коригира далекогледство. Вдлъбната е разсейвателна и коригира късогледство. Дисперсията (зависимост на n от дължината на вълната) разлага бялата светлина на спектър. Интерференцията и дифракцията доказват вълновата природа; поляризацията – че светлината е напречна.

Електромагнитен спектър

← по-голяма дължина на вълната, по-ниска честотапо-висока енергия →

Видимата светлина е в диапазона от около 380 nm (виолетова) до 750 nm (червена). Всички видове излъчване в спектъра се разпространяват във вакуум с еднаква скорост c.

Проверете знанията си
  1. Леща с фокусно разстояние 20 cm. Колко е оптичната ѝ сила?5 D.
  2. Защо небето е синьо?Късите вълни се разсейват най-силно в атмосферата.

Атомна и ядрена физика

Атомът има положително заредено ядро, съставено от протони и неутрони (нуклони), и електрони около него. Броят на протоните Z определя елемента; масовото число A е сумата от протоните и неутроните. Изотопите на един елемент имат различен брой неутрони.

+ n=1n=2n=3 фотон hf = E₃ − E₂
Фиг. 8. Модел на Бор: електроните заемат дискретни енергийни нива; при преход към по-ниско ниво се излъчва фотон.
Nt 0 T2T3T N₀N₀/2N₀/4
Фиг. 9. Радиоактивно разпадане: на всеки полуживот T броят на неразпадналите се ядра намалява наполовина.

Квантови идеи

  • Фотон: светлината се излъчва и поглъща на кванти с енергия E = h·f.
  • Фотоефект: h·f = Aизх + Eк,max (Айнщайн, Нобелова награда 1921). Електрони се избиват само ако честотата е над прага, независимо от интензитета.
  • Вълна на материята (де Бройл): λ = h/p.
  • Спектърът на всеки елемент е уникален и позволява да се определи състав на далечни звезди.

Радиоактивност и ядрена енергия

Законът за разпадането е N = N₀·2−t/T, където T е периодът на полуразпадане.

Видове радиоактивно лъчение
ЛъчениеКакво еПроникване
αядро на хелий (2p + 2n)спира се от лист хартия
βелектрон (или позитрон)спира се от алуминиева плака
γелектромагнитно лъчениенужен е дебел слой олово или бетон

Свързаната енергия на ядрото се дава от формулата на Айнщайн E = Δm·c². При делене тежко ядро (U-235) се разпада на по-леки при бомбардиране с неутрон; така работи атомната електроцентрала. При синтез леки ядра се сливат, например водород в хелий; това е източникът на енергия на Слънцето и изисква милиони градуси.

n U-235 Ba Kr + енергия нови неутрони продължават веригата
Делене на ядро на уран-235 при попадане на неутрон: две по-леки ядра, няколко свободни неутрона и голямо количество енергия.
Проверете знанията си
  1. След колко полуживота остава 1/8 от ядрата?След 3.
  2. Защо за синтез трябват толкова високи температури?За да се преодолее електричното отблъскване на ядрата.
  3. Какво е изотоп?Атоми с еднакво Z, но различно A.

Астрономия

Астрономията изучава небесните тела, тяхното движение, състав и еволюция. През 1543 г. Николай Коперник поставя Слънцето в центъра на планетната система. Галилей през 1610 г. с телескоп открива спътниците на Юпитер и фазите на Венера. Йоханес Кеплер извежда законите за движението на планетите, а Нютон ги обяснява със закона за всемирното привличане.

Слънчева система

Слънце Орбити от центъра навън: Меркурий, Венера, Земя, Марс,Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Мащаб: радиусът е пропорционален на корен квадратен от разстоянието.
Фиг. 10. Планетите в Слънчевата система, орбитите са начертани приблизително. Разстоянията в действителност растат много по-бързо.
Планетите
ПланетаТипДиаметър, kmРазстояние от Слънцето, AUОрбитален период
Меркурийземна4 8790,3988 дни
Венераземна12 1040,72225 дни
Земяземна12 7421,00365 дни
Марсземна6 7791,52687 дни
Юпитергазов гигант139 8205,2011,9 г.
Сатурнгазов гигант116 4609,5829,5 г.
Уранледен гигант50 72419,284 г.
Нептунледен гигант49 24430,1165 г.

Освен планетите към системата принадлежат планетите джуджета (Плутон, Церера), астероидният пояс между Марс и Юпитер, кометите и поясът на Кайпер.

Закони на Кеплер

  • I: орбитите на планетите са елипси, в единия фокус на които е Слънцето.
  • II: радиус-векторът към Слънцето описва равни площи за равни времена, затова планетата е по-бърза в близост до Слънцето.
  • III: T₁² / T₂² = a₁³ / a₂³. При a в AU и T в години: T² = a³.
Слънце перихелий афелий S₂S₁ S₁ = S₂ (равни площи)
Планетата обикаля по елипса със Слънцето в единия фокус. В близост до Слънцето се движи по-бързо, така че за равни времена радиус-векторът описва равни площи.

Първата космическа скорост (кръгова орбита около Земята) е около 7,9 km/s, втората (напускане на земното притегляне) – около 11,2 km/s.

Земя и Луна

новолуние младина 1-ва четвърт растяща пълнолуние 3-та четвърт
Фази на Луната. Осветена е винаги половината, обърната към Слънцето; ние виждаме различна част от нея според положението ѝ спрямо Земята и Слънцето. Показаната последователност е от новолуние до последна четвърт.
  • Денонощието е резултат от въртенето на Земята около оста ѝ; годишните времена – от наклона на оста (23,5°) при обиколката около Слънцето.
  • Луната обикаля Земята за около 27,3 дни, а цикълът на фазите е около 29,5 дни.
  • Слънчево затъмнение: Луната застава между Слънцето и Земята. Лунно: Земята е между Слънцето и Луната.
  • Приливите и отливите се дължат главно на гравитацията на Луната.

Звезди

Звездите са газови кълба, в чиито недра се извършва термоядрен синтез. Цветът зависи от повърхностната температура: червените са около 3000 K, жълтите като Слънцето – около 5800 K, синьо-белите – над 10 000 K. Диаграмата на Херцшпрунг–Ръсел свързва светимост и температура.

светимост температура (горещите са вляво) главна последователност червени гиганти бели джуджета Слънце
Фиг. 11. Диаграма на Херцшпрунг–Ръсел. Повечето звезди, включително Слънцето, са на главната последователност.

Съдбата на звездата зависи от масата ѝ. Звезди като Слънцето завършват като червен гигант, а после като бяло джудже. Масивните избухват като свръхнова и оставят неутронна звезда или черна дупка.

Галактики и Вселена

  • Млечният път е спирална галактика със стотици милиарди звезди; Слънцето е в един от нейните ръкави.
  • Най-близката голяма галактика е Андромеда, на около 2,5 млн. светлинни години.
  • Законът на Хъбъл: галактиките се отдалечават с по-голяма скорост, колкото са по-далеч (v = H·d). Вселената се разширява.
  • Голям взрив: началото на разширяването преди около 13,8 млрд. години. Свидетелство е реликтовото излъчване с температура около 2,7 K.
Единици за разстояние в астрономията
ЕдиницаОзначениеСтойност
астрономическа единицаAU150 млн. km (Земя–Слънце)
светлинна годинасв. г.9,46·10¹² km
парсекpc3,26 св. г.
Проверете знанията си
  1. Планета е на 4 AU от Слънцето. Колко е орбиталният ѝ период?T² = 4³ = 64, значи T = 8 години.
  2. Какво показва червеното отместване в спектъра на галактика?Че тя се отдалечава от нас.
  3. След колко време светлината от Слънцето стига до Земята?След около 8,3 минути.

Константи

Често използвани физични константи
КонстантаСимволСтойност
ускорение на свободно паданеg9,8 m/s²
скорост на светлинатаc3·10⁸ m/s
гравитационна константаG6,67·10⁻¹¹ N·m²/kg²
константа на Планкh6,63·10⁻³⁴ J·s
константа на Болцманk1,38·10⁻²³ J/K
универсална газова константаR8,31 J/(mol·K)
число на АвогадроNA6,02·10²³ mol⁻¹
елементарен зарядe1,6·10⁻¹⁹ C
константа на Кулонk9·10⁹ N·m²/C²