Skip to content · ⁨Перейти к содержанию⁩
Subjects · ⁨Предметы⁩

AP Physics 2 · ⁨AP Физика 2⁩

Tips · ⁨Советы⁩

AP Physics 2 продолжает изучение физики на основе алгебры в области термодинамики, электрической силы, поля и потенциала, цепей, магнетизма, геометрической оптики, волн и физической оптики и современной физики. Курс предполагает знание механики из Physics 1, а не повторяет её.

Поля невидимы, и экзамен это учитывает. Вопросы требуют определить, что происходит с величиной при изменении другого параметра — удвоить расстояние, ввести диэлектрик, изменить направление тока — и обосновать это без вычисления конкретного числа.

Запоминайте каждое соотношение как пропорциональность, а не просто как формулу. Именно это делает такие вопросы решаемыми.

Примечания по разделам охватывают жидкости, термодинамику, электростатику, цепи, магнетизм, оптику и современную физику, с диаграммами для сложных для восприятия частей. Библиотека содержит выпущенные прошлые экзаменационные задания; AP Physics 2 сильно опирается на объяснение словами причины явлений, поэтому практикуйтесь писать рассуждения, а не только цифры.

  • 9

    Thermodynamics · ⁨Термодинамика⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    9.1

    Kinetic Theory of Temperature and Pressure · ⁨Кинетическая теория температуры и давления⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.1.A: Describe the pressure a gas exerts on its container in terms of atomic motion within that gas.

    • 9.1.A.1 Atoms in a gas collide with and exert forces on other atoms in the gas and with the container in which the gas is contained.
      • 9.1.A.1.i Collisions involving pairs of atoms or an atom and a fixed object can be described and analyzed using conservation of momentum principles.
      • 9.1.A.1.ii The pressure exerted by a gas on a surface is the ratio of the sum of the magnitudes of the perpendicular components of the forces exerted by the gas's atoms on the surface to the area of the surface.
        • Equation: $P = \dfrac{F_{\perp}}{A}$
      • 9.1.A.1.iii Pressure exists throughout the gas itself, not just at the boundary between the gas and the container.

    Learning Objective 9.1.B: Describe the temperature of a system in terms of the atomic motion within that system.

    • 9.1.B.1 The temperature of a system is characterized by the average kinetic energy of the atoms within that system.
      • 9.1.B.1.i The Maxwell–Boltzmann distribution provides a graphical representation of the energies and speeds of atoms at a given temperature.
      • 9.1.B.1.ii The root-mean-square speed corresponding to the average kinetic energy for an ideal gas is related to the temperature of the gas by
        • Equation: $K_{\text{avg}} = \dfrac{3}{2} k_B T = \dfrac{1}{2} m v_{\text{rms}}^2$

    Boundary statement: AP Physics 2 only expects students to perform qualitative and quantitative analysis of collisions in one and two dimensions. Students are not expected to know the functional form of the Maxwell-Boltzmann distribution but are expected to be familiar with how features of the distribution are related to the temperature of the gas.

    Русский

    Цель обучения 9.1.A: Описать давление, которое газ оказывает на свой контейнер, через движение атомов внутри этого газа.

    • 9.1.A.1 Атомы в газе сталкиваются друг с другом, оказывают силы на другие атомы в газе, а также взаимодействуют со стенками контейнера, в котором находится газ.
      • 9.1.A.1.i Столкновения пар атомов или атома и неподвижного объекта можно описывать и анализировать с использованием принципов сохранения импульса.
      • 9.1.A.1.ii Давление, оказываемое газом на поверхность, равно отношению суммы модулей перпендикулярных составляющих сил, действующих со стороны атомов газа на поверхность, к площади этой поверхности.
        • Уравнение: $P = \dfrac{F_{\perp}}{A}$
      • 9.1.A.1.iii Давление существует во всем объеме самого газа, а не только на границе между газом и контейнером.

    Цель обучения 9.1.B: Описать температуру системы через движение атомов внутри этой системы.

    • 9.1.B.1 Температура системы характеризуется средней кинетической энергией атомов, находящихся в этой системе.
      • 9.1.B.1.i Распределение Максвелла–Больцмана представляет собой графическое представление энергий и скоростей атомов при заданной температуре.
      • 9.1.B.1.ii Среднеквадратичная скорость, соответствующая средней кинетической энергии для идеального газа, связана с температурой газа соотношением
        • Уравнение: $K_{\text{avg}} = \dfrac{3}{2} k_B T = \dfrac{1}{2} m v_{\text{rms}}^2$

    Граница программы: AP Physics 2 требует от студентов лишь качественного и количественного анализа столкновений в одном и двух измерениях. Студентам не требуется знать функциональную форму распределения Максвелла–Больцмана, но они должны быть знакомы с тем, как особенности распределения связаны с температурой газа.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Kinetic theory: gas pressure

    Thermodynamics 热力学 studies heat and energy in large collections of particles. The kinetic theory 分子运动论 explains gas behavior from the random motion of its molecules:

    • Temperature 温度 is a measure of the average kinetic energy of the molecules: $K_{\text{avg}}=\tfrac{3}{2}k_B T$ (with $T$ in kelvin). Hotter means faster-moving molecules.
    • Pressure 压强 comes from molecules colliding with the container walls – more frequent or harder collisions give more pressure.

    Worked example. Find the average kinetic energy of a gas molecule at $300\ \text{K}$, using $k_B=1.38\times10^{-23}\ \text{J/K}$:

    $$K_{\text{avg}}=\tfrac32 k_B T=1.5\times1.38\times10^{-23}\times300=6.2\times10^{-21}\ \text{J}.$$
    It depends only on temperature, not on the type of gas – at the same $T$, light and heavy molecules share the same average kinetic energy (so the light ones move faster).

    Русский
    Кинетическая теория: давление газа

    Термодинамика изучает тепло и энергию в больших скоплениях частиц. Кинетическая теория объясняет поведение газов случайным движением их молекул:

    Ключевые допущения кинетической теории идеального газа
    Ключевые допущения кинетической теории идеального газа
    • Температура — мера средней кинетической энергии молекул: $K_{\text{avg}}=\tfrac{3}{2}k_B T$ (где $T$ в кельвинах). Выше температура — быстрее движутся молекулы.
    • Давление возникает из-за столкновений молекул со стенками сосуда — более частые или сильные столкновения дают большее давление.
    Распределение Максвелла-Больцмана по скоростям смещается вправо и уплощается при повышении температуры
    Распределение Максвелла-Больцмана смещается вправо и уплощается при более высокой температуре

    Разбор примера. Найдите среднюю кинетическую энергию молекулы газа при $300\ \text{K}$, используя $k_B=1.38\times10^{-23}\ \text{J/K}$:

    $$K_{\text{avg}}=\tfrac32 k_B T=1.5\times1.38\times10^{-23}\times300=6.2\times10^{-21}\ \text{J}.$$
    Она зависит только от температуры, а не от типа газа — при одной и той же $T$ легкие и тяжелые молекулы имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию (поэтому легкие движутся быстрее).

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Explore the spread of molecular speeds · ⁨Исследуйте распределение скоростей молекул⁩

    Raise the temperature and watch the whole speed distribution shift right and flatten — the particles move faster on average, which is exactly what $\bar K = \tfrac{3}{2} k_B T$ means. · ⁨Поднимите температуру, и всё распределение скоростей сдвинется вправо и растянется — частицы движутся быстрее в среднем, что и означает $\bar K = \tfrac{3}{2} k_B T$.⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    9.2

    The Ideal Gas Law · ⁨Закон идеального газа⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.2.A: Describe the properties of an ideal gas.

    • 9.2.A.1 The classical model of an ideal gas assumes that the instantaneous velocities of atoms are random, the volumes of the atoms are negligible compared to the total volume occupied by the gas, the atoms collide elastically, and the only appreciable forces on the atoms are those that occur during collisions.
    • 9.2.A.2 An ideal gas is one in which the relationships between pressure, volume, the number of moles or number of atoms, and temperature of a gas can be modeled using the equation
      • Equation: $PV = nRT = N k_B T$
    • 9.2.A.3 Graphs modeling the pressure, temperature, and volume of gases can be used to describe or determine properties of that gas.
    • 9.2.A.4 A temperature at which an ideal gas has zero pressure can be extrapolated from a graph of pressure as a function of temperature.
    Русский

    Цель обучения 9.2.A: Описать свойства идеального газа.

    • 9.2.A.1 Классическая модель идеального газа предполагает, что мгновенные скорости атомов случайны, объемы атомов пренебрежимо малы по сравнению с общим объемом, занимаемым газом, атомы сталкиваются упруго, а единственными существенными силами, действующими на атомы, являются силы, возникающие во время столкновений.
    • 9.2.A.2 Идеальный газ — это газ, для которого зависимости между давлением, объемом, количеством молей или числом атомов и температурой могут быть смоделированы с помощью уравнения
      • Уравнение: $PV = nRT = N k_B T$
    • 9.2.A.3 Графики, моделирующие давление, температуру и объем газов, могут использоваться для описания или определения свойств этого газа.
    • 9.2.A.4 Температуру, при которой идеальный газ имеет нулевое давление, можно экстраполировать из графика зависимости давления от температуры.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    An ideal gas 理想气体 obeys

    $$PV=nRT \qquad(\text{or } PV=Nk_B T),$$
    linking pressure $P$, volume $V$, amount ($n$ moles or $N$ molecules), and absolute temperature $T$. Use it to predict how a gas responds when you change one quantity and hold others fixed (e.g. heating at constant volume raises pressure).

    Worked example. A sealed rigid container of gas is at $1.0\times10^{5}\ \text{Pa}$ and $300\ \text{K}$. It is heated to $450\ \text{K}$. Because the volume and amount are fixed, $P/T$ is constant:

    $$P_2=P_1\frac{T_2}{T_1}=1.0\times10^{5}\times\frac{450}{300}=1.5\times10^{5}\ \text{Pa}.$$
    Always convert temperatures to kelvin before using a gas law – using Celsius here would give nonsense.

    Русский
    Айсберг: тепло, плотность и фазовые переходы связывают термодинамику с жидкостями и выталкивающей силой
    Айсберг: тепло, плотность и фазовые переходы связывают термодинамику с жидкостями и плавучестью

    Идеальный газ подчиняется

    $$PV=nRT \qquad(\text{or } PV=Nk_B T),$$
    связывающее давление $P$, объем $V$, количество вещества ($n$ моль или $N$ молекул) и абсолютную температуру $T$. Используйте его, чтобы предсказать, как газ реагирует при изменении одной величины при фиксированных остальных (например, нагрев при постоянном объеме повышает давление).

    Закон Бойля-Мариотта: при постоянной температуре произведение давления на объем постоянно
    Закон Бойля-Мариотти: при постоянной температуре произведение давления на объем постоянно

    Разобранный пример. Газ в герметичном жестком контейнере имеет температуру $1.0\times10^{5}\ \text{Pa}$ и давление $300\ \text{K}$. Его нагревают до $450\ \text{K}$. Поскольку объем и количество вещества фиксированы, $P/T$ остается постоянным:

    $$P_2=P_1\frac{T_2}{T_1}=1.0\times10^{5}\times\frac{450}{300}=1.5\times10^{5}\ \text{Pa}.$$
    Всегда переводите температуры в кельвины перед использованием законов газов — использование Цельсия здесь дало бы бессмысленные результаты.

    Горячий воздушный шар поднимается в небо
    Нагрев газа внутри шара снижает его плотность, поэтому шар поднимается — действие закона идеального газа
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Explore squeezing a gas · ⁨Исследуйте сжатие газа⁩

    Slide the piston in to shrink the volume. The same particles are crammed into less space, so they hit the walls more often and the pressure climbs — while $PV$ stays constant at fixed temperature. · ⁨Двигайте поршень внутрь, чтобы уменьшить объем. Те же частицы оказываются сжатыми в меньшем пространстве, поэтому они чаще ударяются о стенки, и давление растет — пока $PV$ остается постоянным при фиксированной температуре.⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    9.3

    Thermal Energy Transfer and Equilibrium · ⁨Тепловая энергия и тепловое равновесие⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.3.A: Describe the transfer of energy between two systems in thermal contact due to temperature differences of those two systems.

    • 9.3.A.1 Two systems are in thermal contact if the systems may transfer energy by thermal processes.
      • 9.3.A.1.i Heating is the transfer of energy into a system by thermal processes.
      • 9.3.A.1.ii Cooling is the transfer of energy out of a system by thermal processes.
    • 9.3.A.2 The thermal processes by which energy may be transferred between systems at different temperatures are conduction, convection, and radiation.
    • 9.3.A.3 Energy is transferred through thermal processes spontaneously from a higher-temperature system to a lower-temperature system.
      • 9.3.A.3.i In collisions between atoms from different systems, energy is most likely to be transferred from higher-energy atoms to lower-energy atoms.
      • 9.3.A.3.ii After many collisions of atoms from different systems, the most probable state is one in which both systems have the same temperature.
    • 9.3.A.4 Thermal equilibrium results when no net energy is transferred by thermal processes between two systems in thermal contact with each other.
    Русский

    Цель обучения 9.3.A: Описать передачу энергии между двумя системами, находящимися в тепловом контакте, в результате разницы их температур.

    • 9.3.A.1 Две системы находятся в тепловом контакте, если между ними возможна передача энергии посредством тепловых процессов.
      • 9.3.A.1.i Нагрев — это передача энергии в систему посредством тепловых процессов.
      • 9.3.A.1.ii Охлаждение — это передача энергии из системы посредством тепловых процессов.
    • 9.3.A.2 Тепловые процессы, посредством которых энергия может передаваться между системами с разными температурами, включают теплопроводность, конвекцию и излучение.
    • 9.3.A.3 Энергия через тепловые процессы спонтанно передается от системы с более высокой температурой к системе с более низкой температурой.
      • 9.3.A.3.i При столкновениях атомов из разных систем наиболее вероятно, что энергия будет передаваться от атомов с большей энергией к атомам с меньшей энергией.
      • 9.3.A.3.ii После множества столкновений атомов из разных систем наиболее вероятным состоянием является такое, при котором обе системы имеют одинаковую температуру.
    • 9.3.A.4 Тепловое равновесие возникает, когда нет суммарной передачи энергии посредством тепловых процессов между двумя системами, находящимися в тепловом контакте друг с другом.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Heat 热量 $Q$ is energy transferred because of a temperature difference; it flows from hot to cold. Two objects in contact reach thermal equilibrium 热平衡 when they share the same temperature, and net heat flow stops. The three transfer methods are conduction 传导, convection 对流, and radiation 辐射.

    Русский

    Теплота $Q$ — это энергия, передаваемая из-за разницы температур; она течет от горячего к холодному. Два объекта в контакте достигают теплового равновесия, когда у них одинаковая температура, и чистый поток тепла прекращается. Три метода передачи — это теплопроводность, конвекция и излучение.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Add heat and watch the temperature · ⁨Добавляйте тепло и наблюдайте за температурой⁩

    Adding heat usually raises temperature, but during a phase change the temperature holds flat while the energy breaks bonds. Two bodies in contact settle at one temperature — thermal equilibrium. · ⁨Добавление тепла обычно повышает температуру, но во время фазового перехода температура остается неизменной, пока энергия разрывает связи. Два тела в контакте приходят к одной температуре — тепловое равновесие.⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    9.4

    The First Law of Thermodynamics · ⁨Первый закон термодинамики⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.4.A: Describe the internal energy of a system.

    • 9.4.A.1 The internal energy of a system is the sum of the kinetic energy of the objects that make up the system and the potential energy of the configuration of those objects.
      • 9.4.A.1.i The atoms in an ideal gas do not interact with each other via conservative forces, and the internal structure is not considered. Therefore, an ideal gas does not have internal potential energy.
      • 9.4.A.1.ii The internal energy of an ideal monatomic gas is the sum of the kinetic energies of the constituent atoms in the gas.
        • Equation: $U = \dfrac{3}{2} nRT = \dfrac{3}{2} N k_B T$
    • 9.4.A.2 Changes to a system's internal energy can result in changes to the internal structure and internal behavior of that system without changing the motion of the system's center of mass.

    Learning Objective 9.4.B: Describe the behavior of a system using thermodynamic processes.

    • 9.4.B.1 The first law of thermodynamics is a restatement of conservation of energy that accounts for energy transferred into or out of a system by work, heating, or cooling.
      • 9.4.B.1.i For an isolated system, the total energy is constant.
      • 9.4.B.1.ii For a closed system, the change in internal energy is the sum of energy transferred to or from the system by heating, or work done on the system.
        • Equation: $\Delta U = Q + W$
      • 9.4.B.1.iii The work done on a system by a constant or average external pressure that changes the volume of that system (for example, a piston compressing a gas in a container) is defined as
        • Equation: $W = -P \Delta V$
    • 9.4.B.2 Pressure-volume graphs (also known as PV diagrams) are representations used to represent thermodynamic processes.
      • 9.4.B.2.i Lines of constant temperature on a PV diagram are called isotherms.
      • 9.4.B.2.ii The absolute value of the work done on a gas when the gas expands or compresses is equal to the area underneath the curve of a plot of pressure vs. volume for the gas.
    • 9.4.B.3 Special cases of thermal processes depend on the relationship between the configuration of the system, the nature of the work done on the system, and the system's surroundings. These include constant volume (isovolumetric), constant temperature (isothermal), and constant pressure (isobaric), as well as processes where no energy is transferred to or from the system through thermal processes (adiabatic).
    Русский

    Цель обучения 9.4.A: Описать внутреннюю энергию системы.

    • 9.4.A.1 Внутренняя энергия системы представляет собой сумму кинетических энергий объектов, составляющих систему, и потенциальной энергии конфигурации этих объектов.
      • 9.4.A.1.i Атомы в идеальном газе не взаимодействуют друг с другом посредством консервативных сил, а внутренняя структура не учитывается. Следовательно, идеальный газ не обладает внутренней потенциальной энергией.
      • 9.4.A.1.ii Внутренняя энергия идеального одноатомного газа представляет собой сумму кинетических энергий входящих в его состав атомов.
        • Уравнение: $U = \dfrac{3}{2} nRT = \dfrac{3}{2} N k_B T$
    • 9.4.A.2 Изменения внутренней энергии системы могут приводить к изменениям её внутренней структуры и внутреннего поведения без изменения движения центра масс системы.

    Цель обучения 9.4.B: Описывать поведение системы с использованием термодинамических процессов.

    • 9.4.B.1 Первый закон термодинамики является переформулировкой закона сохранения энергии, учитывающей энергию, передаваемую в систему или из неё посредством работы, нагревания или охлаждения.
      • 9.4.B.1.i Для изолированной системы полная энергия постоянна.
      • 9.4.B.1.ii Для замкнутой системы изменение внутренней энергии равно сумме энергии, переданной системе или отведённой от неё посредством нагревания, или работы, совершённой над системой.
        • Уравнение: $\Delta U = Q + W$
      • 9.4.B.1.iii Работа, совершённая над системой постоянной или средней внешней давлением, которое изменяет объём этой системы (например, поршень, сжимающий газ в контейнере), определяется как
        • Уравнение: $W = -P \Delta V$
    • 9.4.B.2 Графики давления-объёма (также известные как PV-диаграммы) — это представления, используемые для изображения термодинамических процессов.
      • 9.4.B.2.i Линии постоянной температуры на PV-диаграмме называются изотермами.
      • 9.4.B.2.ii Модуль работы, совершенной над газом при его расширении или сжатии, равен площади под кривой графика зависимости давления от объёма для данного газа.
    • 9.4.B.3 Частные случаи тепловых процессов зависят от соотношения между конфигурацией системы, характером совершаемой над ней работы и окружающей средой. К ним относятся процессы постоянного объёма (изохорный), постоянной температуры (изотермический) и постоянного давления (изобарный), а также процессы, при которых нет передачи энергии в систему или из неё посредством тепловых процессов (адиабатный).

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The first law 热力学第一定律 is conservation of energy for a gas:

    $$\Delta U = Q + W,$$
    where $\Delta U$ is the change in internal energy 内能 (tied to temperature), $Q$ is heat added to the gas, and $W$ is work done on the gas. On a pressure–volume diagram, the work done by the gas is the area under the process curve. Watch signs: compressing a gas does positive work on it.

    Worked example. A gas absorbs $500\ \text{J}$ of heat and, as it expands, does $200\ \text{J}$ of work on its surroundings. Find the change in its internal energy. Work done on the gas is $W=-200\ \text{J}$ (it does work, so it loses that energy):

    $$\Delta U=Q+W=500+(-200)=300\ \text{J}.$$
    The internal energy rises by $300\ \text{J}$, so the gas ends up hotter. Getting the sign of $W$ right is the whole game in first-law problems.

    Русский

    Первый закон — это закон сохранения энергии для газа:

    $$\Delta U = Q + W,$$
    где $\Delta U$ — изменение внутренней энергии (связанное с температурой), $Q$ — количество теплоты, подведённое к газу, а $W$ — работа, совершенная над газом. На диаграмме давление–объём работа, совершённая газом, равна площади под кривой процесса. Следите за знаками: при сжатии газа над ним совершается положительная работа.

    Газ, выталкивающий поршень на небольшое расстояние, совершает работу, равную p, умноженному на изменение объёма
    Газ, выталкивающий поршень на небольшое расстояние, совершает работу, равную p, умноженному на изменение объёма
    Четыре термодинамических процесса, начатых из общего начального состояния на PV-диаграмме
    Четыре термодинамических процесса, начатых из общего начального состояния на PV-диаграмме
    Совершенная работа при изменении объема равна площади под кривой P-V
    Работа, совершаемая при изменении объёма, равна площади под кривой P-V

    Разобранный пример. Газ поглощает $500\ \text{J}$ теплоты и, расширяясь, совершает работу $200\ \text{J}$ над окружающей средой. Найдите изменение его внутренней энергии. Работа, совершенная над газом, составляет $W=-200\ \text{J}$ (газ совершает работу, поэтому теряет эту энергию):

    $$\Delta U=Q+W=500+(-200)=300\ \text{J}.$$
    Внутренняя энергия увеличивается на $300\ \text{J}$, поэтому газ становится горячее. Правильное определение знака $W$ — это ключ ко всему решению задач на первый закон термодинамики.

    9.5

    Specific Heat and Thermal Conductivity · ⁨Удельная теплоёмкость и теплопроводность⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.5.A: Describe the energy required to change the temperature of an object by a certain amount.

    • 9.5.A.1 The amount of energy required to change the temperature of a material is related to the material's specific heat.
      • Equation: $Q = mc\Delta T$
    • 9.5.A.2 The specific heat of a material is an intrinsic property of that material that depends on the arrangement and interactions of the atoms that make up the material.

    Learning Objective 9.5.B: Describe the rate at which energy is transferred by conduction through a given material.

    • 9.5.B.1 The rate at which energy is transferred by conduction through a given material is related to the thermal conductivity, the physical dimensions of the material, and the temperature difference across the material.
      • Equation: $\dfrac{Q}{\Delta t} = \dfrac{kA\Delta T}{L}$
    • 9.5.B.2 The thermal conductivity of a material is an intrinsic property of that material that depends on the arrangement and interactions of the atoms that make up the material.

    Boundary statement: AP Physics 2 will model specific heat as independent of temperature.

    Русский

    Цель обучения 9.5.A: Описывать энергию, необходимую для изменения температуры объекта на определённое количество.

    • 9.5.A.1 Количество энергии, необходимое для изменения температуры материала, связано с его удельной теплоёмкостью.
      • Уравнение: $Q = mc\Delta T$
    • 9.5.A.2 Удельная теплоёмкость материала является его собственным свойством, зависящим от расположения и взаимодействия атомов, составляющих материал.

    Цель обучения 9.5.B: Описывать скорость передачи энергии путём теплопроводности через данный материал.

    • 9.5.B.1 Скорость передачи энергии путём теплопроводности через данный материал связана с тепловой проводимостью, физическими размерами материала и разностью температур поперёк материала.
      • Уравнение: $\dfrac{Q}{\Delta t} = \dfrac{kA\Delta T}{L}$
    • 9.5.B.2 Тепловая проводимость материала является его собственным свойством, зависящим от расположения и взаимодействия атомов, составляющих материал.

    Граничное утверждение: AP Physics 2 моделирует удельную теплоёмкость как независимую от температуры.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    • Specific heat 比热容 $c$ is the heat needed to raise one kilogram by one degree: $Q=mc\,\Delta T$. A high specific heat (like water's) means a substance resists temperature change.
    • Thermal conductivity 热导率 measures how fast heat conducts through a material; the rate of conduction rises with area and temperature difference and falls with thickness.

    Worked example. How much heat raises the temperature of $2.0\ \text{kg}$ of water from $20\,{}^{\circ}\text{C}$ to $80\,{}^{\circ}\text{C}$? Water's specific heat is $c=4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$:

    $$Q=mc\,\Delta T=2.0\times4200\times(80-20)=5.0\times10^{5}\ \text{J}.$$
    Water's large specific heat is why it is used as a coolant and why coastal climates are mild.

    Русский
    • Удельная теплоёмкость $c$ — это количество теплоты, необходимое для нагревания одного килограмма вещества на один градус: $Q=mc\,\Delta T$. Высокая удельная теплоёмкость (как у воды) означает, что вещество сопротивляется изменению температуры.
    • Теплопроводность измеряет скорость передачи тепла через материал; скорость теплопередачи возрастает с площадью и разностью температур и уменьшается с толщиной.
    Теплопроводность: вибрирующие частицы передают энергию вдоль металлического стержня
    Теплопроводность: вибрирующие частицы передают энергию вдоль металлического стержня

    Разобранный пример. Сколько теплоты нужно, чтобы нагреть $2.0\ \text{kg}$ воды от $20\,{}^{\circ}\text{C}$ до $80\,{}^{\circ}\text{C}$? Удельная теплоёмкость воды составляет $c=4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$:

    $$Q=mc\,\Delta T=2.0\times4200\times(80-20)=5.0\times10^{5}\ \text{J}.$$
    Большая удельная теплоёмкость воды объясняет её использование в качестве охлаждающей жидкости и мягкий климат прибрежных районов.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Explore how much energy heats a material · ⁨Исследуйте, сколько энергии нужно для нагрева материала⁩

    Pick a material, set the mass and temperature rise, and read the energy from $Q = mc\,\Delta T$. Water needs far more energy than the metals to warm by the same amount. · ⁨Выберите материал, задайте массу и повышение температуры, и прочтите所需 энергию из $Q = mc\,\Delta T$. Вода требует гораздо больше энергии, чем металлы, для нагрева на ту же величину.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Thermodynamics/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪks/ Термодинамика
    kinetic theory/kɪˈnetɪk ˈθɪəri/ кинетическая теория
    Temperature/ˈtemprɪtʃə/ Температура
    Pressure/ˈpreʃə/ Давление
    ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ идеальный газ
    Heat/hiːt/ Теплота
    thermal equilibrium/ˈθɜːml ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ тепловое равновесие
    conduction/kənˈdʌkʃn/ Метод теплопередачи, не требующий среды, — это
    convection/kənˈvekʃn/ проводимость
    radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ конвекция
    first law/fɜːst lɔː/ первый закон
    internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ внутренняя энергия
    Specific heat/spəˈsɪfɪk hiːt/ Удельная теплоемкость
    Thermal conductivity/ˈθɜːml kɒndəkˈtɪvɪti/ теплопроводность
    Entropy/ˈentrəpi/ Энтропия
    second law/ˈsekənd lɔː/ второй закон
    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    9.6

    Entropy and the Second Law of Thermodynamics · ⁨Энтропия и второй закон термодинамики⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 9.6.A: Describe the change in entropy for a given system over time.

    • 9.6.A.1 The second law of thermodynamics states that the total entropy of an isolated system can never decrease and is constant only when all processes the system undergoes are reversible.
    • 9.6.A.2 Entropy can be qualitatively described as the tendency of energy to spread or the unavailability of some of the system's energy to do work.
      • 9.6.A.2.i Localized energy will tend to disperse and spread out.
      • 9.6.A.2.ii Entropy is a state function and therefore only depends on the current state or configuration of a system, not how the system reached that state.
      • 9.6.A.2.iii Maximum entropy occurs when a system is in thermodynamic equilibrium.
    • 9.6.A.3 The change in a system's entropy is determined by the system's interactions with its surroundings.
      • 9.6.A.3.i Isolated systems spontaneously move toward thermodynamic equilibrium.
      • 9.6.A.3.ii The entropy of an isolated system never decreases, but the entropy of a closed system can decrease because energy can be transferred into or out of the system.

    Boundary statement: Only qualitative treatment of the second law of thermodynamics is within the scope of AP Physics 2.

    Русский

    Цель обучения 9.6.A: Описывать изменение энтропии для данной системы со временем.

    • 9.6.A.1 Второй закон термодинамики гласит, что общая энтропия изолированной системы никогда не может уменьшаться и остаётся постоянной только тогда, когда все процессы, которые претерпевает система, являются обратимыми.
    • 9.6.A.2 Энтропию можно качественно описать как тенденцию энергии к распространению или недоступность части энергии системы для совершения работы.
      • 9.6.A.2.i Локализованная энергия имеет тенденцию рассеиваться и распространяться.
      • 9.6.A.2.ii Энтропия является функцией состояния и, следовательно, зависит только от текущего состояния или конфигурации системы, а не от того, как система достигла этого состояния.
      • 9.6.A.2.iii Максимальная энтропия достигается, когда система находится в термодинамическом равновесии.
    • 9.6.A.3 Изменение энтропии системы определяется взаимодействиями системы с окружающей средой.
      • 9.6.A.3.i Изолированные системы спонтанно движутся к термодинамическому равновесию.
      • 9.6.A.3.ii Энтропия изолированной системы никогда не уменьшается, но энтропия замкнутой системы может уменьшаться, поскольку энергия может передаваться в систему или из неё.

    Граничное утверждение: Только качественное рассмотрение второго закона термодинамики входит в рамки программы AP Physics 2.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Entropy 熵 measures the disorder, or the number of ways to arrange, a system. The second law 热力学第二定律: the total entropy of an isolated system never decreases – energy naturally spreads out. This sets the direction of processes: heat flows hot→cold on its own, never the reverse, and no engine can convert heat entirely into work.

    Русский

    Энтропия меряет беспорядок или число способов упорядочить систему. Второй закон: полная энтропия изолированной системы никогда не уменьшается — энергия естественным образом рассеивается. Это определяет направление процессов: тепло самопроизвольно течёт от горячего к холодному, никогда наоборот, и ни один двигатель не может полностью преобразовать тепло в работу.

    9.6

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • Always convert temperatures to kelvin ($T_{\text{K}}=T_{\text{C}}+273$) before using any gas law.
    • In the first law $\Delta U = Q + W$, get the sign of $W$ right: work done on the gas is positive; when the gas expands and does work on its surroundings, $W$ is negative.
    • Temperature measures the average kinetic energy of particles, so at the same $T$ lighter molecules move faster.
    • On a PV diagram the work done by the gas is the area under the process curve.
    • Use $Q=mc\,\Delta T$ for temperature change; the second law fixes the direction — heat flows hot→cold and total entropy never decreases.
    Русский
    • Перед использованием любого газового закона всегда переводите температуру в кельвины ($T_{\text{K}}=T_{\text{C}}+273$).
    • В первом законе термодинамики $\Delta U = Q + W$ правильно определите знак $W$: работа, совершаемая над газом, считается положительной; когда газ расширяется и совершает работу над окружающей средой, $W$ имеет отрицательное значение.
    • Температура характеризует среднюю кинетическую энергию частиц, поэтому при одной и той же $T$ более лёгкие молекулы движутся быстрее.
    • На PV-диаграмме работа, совершённая газом, равна площади под кривой процесса.
    • Для изменения температуры используйте $Q=mc\,\Delta T$; второй закон термодинамики определяет направление — тепло передаётся от горячего к холодному, а полная энтропия никогда не уменьшается.
  • 10

    Electric Force, Field, and Potential · ⁨Электрическая сила, поле и потенциал⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    10.1

    Electric Charge and Electric Force · ⁨Электрический заряд и электрическая сила⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 10.1.A: Describe the electric force that results from the interactions between charged objects or systems.

    • 10.1.A.1 Charge is a fundamental property of all matter.
      • 10.1.A.1.i Charge is described as positive or negative.
      • 10.1.A.1.ii The magnitude of the charge of a single electron or proton, the elementary charge $e$, can be considered to be the smallest indivisible amount of charge.
      • 10.1.A.1.iii The charge of an electron is $-e$, the charge of a proton is $+e$, and a neutron has no electric charge.
      • 10.1.A.1.iv A point charge is a model in which the physical size of a charged object or system is negligible in the context of the situation being analyzed.
    • 10.1.A.2 Coulomb's law describes the electrostatic force between two charged objects as directly proportional to the magnitude of each of the charges and inversely proportional to the square of the distance between the objects.
      • Equation: $\left|\vec{F}_E\right| = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2} = k\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2}$
    • 10.1.A.3 The direction of the electrostatic force depends on the signs of the charges of the interacting objects and is parallel to the line of separation between the objects.
      • 10.1.A.3.i Two objects with charges of the same sign exert repulsive forces on each other.
      • 10.1.A.3.ii Two objects with charges of opposite signs exert attractive forces on each other.
    • 10.1.A.4 Electric forces are responsible for some of the macroscopic properties of objects in everyday experiences. However, the large number of particle interactions that occur make it more convenient to treat everyday forces in terms of nonfundamental forces called contact forces, such as normal force, friction, and tension.

    Learning Objective 10.1.B: Describe the electric and gravitational forces that result from interactions between charged objects with mass.

    • 10.1.B.1 Electrostatic forces can be attractive or repulsive, while gravitational forces are always attractive.
    • 10.1.B.2 For any two objects that have mass and electric charge, the magnitude of the gravitational force is usually much smaller than the magnitude of the electrostatic force.
    • 10.1.B.3 Gravitational forces dominate at larger scales even though they are weaker than electrostatic forces, because systems at large scales tend to be electrically neutral.

    Learning Objective 10.1.C: Describe the electric permittivity of a material or medium.

    • 10.1.C.1 Electric permittivity is a measurement of the degree to which a material or medium is polarized in the presence of an electric field.
    • 10.1.C.2 Electric polarization can be modeled as the induced rearrangement of electrons by an external electric field, resulting in a separation of positive and negative charges within a material or medium.
    • 10.1.C.3 Free space has a constant value of electric permittivity, $\varepsilon_0$, that appears in physical relationships.
    • 10.1.C.4 The permittivity of matter has a value different from that of free space that arises from the matter's composition and arrangement.
      • 10.1.C.4.i In a given material, electric permittivity is determined by the ease with which electrons can change configurations within the material.
      • 10.1.C.4.ii Conductors are made from electrically conducting materials in which charge carriers move easily; insulators are made from electrically nonconducting materials in which charge carriers cannot move easily.

    Boundary statement: AP Physics 2 only expects students to make calculations of the electric force between four or fewer interacting charged objects or systems. The analysis of the resulting electric force from more charges is allowed in situations of high symmetry.

    Русский

    Цель обучения 10.1.A: Описать электрическую силу, возникающую в результате взаимодействия заряженных объектов или систем.

    • 10.1.A.1 Заряд является фундаментальным свойством всей материи.
      • 10.1.A.1.i Заряд описывается как положительный или отрицательный.
      • 10.1.A.1.ii Величина заряда отдельного электрона или протона, элементарный заряд $e$, можно считать наименьшим неделимым количеством заряда.
      • 10.1.A.1.iii Заряд электрона равен $-e$, заряд протона равен $+e$, а нейтрон не имеет электрического заряда.
      • 10.1.A.1.iv Точечный заряд — это модель, в которой физический размер заряженного объекта или системы считается пренебрежимо малым в контексте анализируемой ситуации.
    • 10.1.A.2 Закон Кулона описывает электростатическую силу между двумя заряженными объектами как прямо пропорциональную величине каждого из зарядов и обратно пропорциональную квадрату расстояния между объектами.
      • Уравнение: $\left|\vec{F}_E\right| = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2} = k\dfrac{\left|q_1 q_2\right|}{r^2}$
    • 10.1.A.3 Направление электростатической силы зависит от знаков зарядов взаимодействующих объектов и параллельно линии, соединяющей объекты.
      • 10.1.A.3.i Два объекта с зарядами одного знака оказывают друг на друга отталкивающие силы.
      • 10.1.A.3.ii Два объекта с зарядами противоположных знаков оказывают друг на себя притягивающие силы.
    • 10.1.A.4 Электрические силы ответственны за некоторые макроскопические свойства объектов в повседневном опыте. Однако большое количество происходящих взаимодействий частиц делает более удобным рассмотрение повседневных сил через понятие нефундаментальных сил, называемых силами контакта, такими как сила нормальной реакции опоры, трения и натяжения.

    Цель обучения 10.1.B: Описать электрические и гравитационные силы, возникающие в результате взаимодействия заряженных объектов с массой.

    • 10.1.B.1 Электростатические силы могут быть как притягивающими, так и отталкивающими, тогда как гравитационные силы всегда являются притягивающими.
    • 10.1.B.2 Для любых двух объектов, обладающих массой и электрическим зарядом, величина гравитационной силы обычно значительно меньше величины электростатической силы.
    • 10.1.B.3 Гравитационные силы доминируют на больших масштабах, несмотря на то что они слабее электростатических сил, поскольку системы на больших масштабах как правило являются электрически нейтральными.

    Цель обучения 10.1.C: Описать диэлектрическую проницаемость материала или среды.

    • 10.1.C.1 Диэлектрическая проницаемость — это мера степени поляризации материала или среды под воздействием электрического поля.
    • 10.1.C.2 Электростатическую поляризацию можно моделировать как индуцированное перераспределение электронов под действием внешнего электрического поля, приводящее к разделению положительных и отрицательных зарядов внутри материала или среды.
    • 10.1.C.3 Свободное пространство имеет постоянное значение диэлектрической проницаемости, $\varepsilon_0$, которое встречается в физических соотношениях.
    • 10.1.C.4 Диэлектрическая проницаемость вещества имеет значение, отличное от значения для свободного пространства, и определяется составом и структурой этого вещества.
      • 10.1.C.4.i В данном материале диэлектрическая проницаемость определяется тем, насколько легко электроны могут изменять свое состояние (конфигурацию) внутри материала.
      • 10.1.C.4.ii Проводники изготовлены из электрически проводящих материалов, в которых носители заряда перемещаются свободно; диэлектрики (изоляторы) изготовлены из электрически непроводящих материалов, в которых носители заряда не могут перемещаться свободно.

    Граничное утверждение: AP Physics 2 требует от студентов только выполнения расчетов электрической силы между четырьмя или меньшим числом взаимодействующих заряженных объектов или систем. Анализ resulting электрической силы от большего количества зарядов допускается в случаях высокой симметрии.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Electric charge 电荷 is a fundamental property of matter, and it comes in two kinds, positive and negative; like charges repel and opposite charges attract. Charge is conserved and quantized (a multiple of the elementary charge $e$). The force between two point charges is Coulomb's law 库仑定律:

    $$F=\frac{k q_1 q_2}{r^2},$$
    directed along the line joining them – an inverse-square law like gravity, but it can push or pull.

    The constant $k$ hides a property of the medium: the permittivity 介电常数. Free space has a fixed permittivity of free space $\varepsilon_0$ (with $k = 1/4\pi\varepsilon_0$), while the permittivity of matter differs from $\varepsilon_0$, depending on the material's composition and arrangement - which is why a material between two charges changes the force. Note also that although the electric force is vastly stronger than gravity, gravity dominates at large scales, because large objects are usually electrically neutral (equal + and −), leaving only gravity to act.

    Worked example. Two point charges, $+3.0\ \mu\text{C}$ and $-2.0\ \mu\text{C}$, sit $0.10\ \text{m}$ apart ($k=9.0\times10^{9}$). The force between them is

    $$F=\frac{k q_1 q_2}{r^2}=\frac{9.0\times10^{9}\times(3.0\times10^{-6})(2.0\times10^{-6})}{(0.10)^2}=5.4\ \text{N},$$
    attractive, because the charges have opposite signs. (Use the magnitudes for the size and decide the direction from the signs.)

    Русский

    Электрический заряд является фундаментальным свойством материи и существует в двух видах: положительном и отрицательном; одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Заряд сохраняется и квантуется (является кратным элементарному заряду $e$). Сила взаимодействия между двумя точечными зарядами описывается законом Кулона:

    $$F=\frac{k q_1 q_2}{r^2},$$
    направлена вдоль линии, соединяющей их, — это обратноквадратичный закон, подобный гравитации, но он может как отталкивать, так и притягивать.

    Константа $k$ скрывает свойство среды — диэлектрическую проницаемость. В вакууме диэлектрическая проницаемость постоянна и равна диэлектрической проницаемости вакуума $\varepsilon_0$ (с учетом $k = 1/4\pi\varepsilon_0$), тогда как диэлектрическая проницаемость вещества отличается от $\varepsilon_0$ и зависит от химического состава и структуры материала — именно поэтому наличие материала между зарядами изменяет силу взаимодействия. Также следует отметить, что хотя электрическая сила значительно превосходит гравитацию, на больших масштабах доминирует гравитация, поскольку крупные объекты обычно электрически нейтральны (имеют равное количество + и − зарядов), и действует только гравитация.

    Разобранный пример. Два точечных заряда, $+3.0\ \mu\text{C}$ и $-2.0\ \mu\text{C}$, расположены на расстоянии $0.10\ \text{m}$ друг от друга ($k=9.0\times10^{9}$). Сила между ними равна

    $$F=\frac{k q_1 q_2}{r^2}=\frac{9.0\times10^{9}\times(3.0\times10^{-6})(2.0\times10^{-6})}{(0.10)^2}=5.4\ \text{N},$$
    притягивающая, так как заряды имеют противоположные знаки. (Используйте модули для определения величины силы и решайте направление по знакам.)

    Человек касается генератора Ван де Граафа, его волосы подняты вверх
    Одноимённые заряды отталкиваются: каждый волос несёт одинаковый заряд от генератора Ван де Граафа, поэтому они отталкиваются друг от друга
    10.2

    The Process of Charging · ⁨Процесс заряжания⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 10.2.A: Describe the behavior of a system using conservation of charge.

    • 10.2.A.1 The net charge or charge distribution of a system can change in response to the presence of, or changes in, the net charge or charge distribution of other systems.
      • 10.2.A.1.i The net charge of a system can change due to friction or contact between systems.
      • 10.2.A.1.ii Induced charge separation occurs when the electrostatic force between two systems alters the distribution of charges within the systems, resulting in the polarization of one or both systems.
      • 10.2.A.1.iii Induced charge separation can occur in neutral systems.
    • 10.2.A.2 Any change to a system's net charge is due to a transfer of charge between the system and its surroundings.
      • 10.2.A.2.i The charging of a system typically involves the transfer of electrons to and from the system.
      • 10.2.A.2.ii The net charge of a system will be constant unless there is a transfer of charge to or from the system.
    • 10.2.A.3 Grounding involves electrically connecting a charged system to a much larger and approximately neutral system (e.g., Earth).
    Русский

    Цель обучения 10.2.A: Описывать поведение системы с использованием закона сохранения заряда.

    • 10.2.A.1 Суммарный заряд или распределение заряда системы может изменяться под влиянием наличия или изменения суммарного заряда или распределения заряда других систем.
      • 10.2.A.1.i Суммарный заряд системы может измениться вследствие трения или контакта между системами.
      • 10.2.A.1.ii Индуцированное разделение зарядов возникает, когда электростатическая сила между двумя системами изменяет распределение зарядов внутри этих систем, что приводит к поляризации одной или обеих систем.
      • 10.2.A.1.iii Индуцированное разделение зарядов может происходить и в нейтральных системах.
    • 10.2.A.2 Любое изменение суммарного заряда системы обусловлено переносом заряда между системой и окружающей средой.
      • 10.2.A.2.i Заряжение системы обычно включает перенос электронов в систему и из нее.
      • 10.2.A.2.ii Суммарный заряд системы остается постоянным, если нет переноса заряда в систему или из нее.
    • 10.2.A.3 Заземление означает электрическое соединение заряженной системы с гораздо более крупной и приблизительно нейтральной системой (например, с Землей).

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Objects charge by moving electrons. A conductor 导体 lets charge move freely; an insulator 绝缘体 holds it in place. Three methods:

    • Friction: rubbing transfers electrons.
    • Conduction 接触起电: touching shares charge.
    • Induction 感应起电: a nearby charge rearranges charge in a neutral object, which can then be grounded to leave it charged.
    Русский

    Объекты заряжаются за счет перемещения электронов. Проводник позволяет заряду свободно перемещаться; диэлектрик удерживает его на месте. Три метода:

    • Трение: трение переносит электроны.
    • Проводимость: касание разделяет заряд.
    • Индукция: близкий заряд перераспределяет заряд в нейтральном объекте, который затем можно заземлить, чтобы оставить его заряженным.
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Charge an object by rubbing · ⁨Зарядите объект трением⁩

    Rubbing transfers electrons from one surface to another, leaving one positively and one negatively charged. Like charges repel, opposite charges attract. · ⁨Трение переносит электроны с одной поверхности на другую, оставляя один объект положительным, а другой отрицательным. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются.⁩

    10.3

    Electric Fields · ⁨Электрическое поле⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 10.3.A: Describe the electric field produced by a charged object or configuration of point charges.

    • 10.3.A.1 Electric fields may originate from charged objects.
    • 10.3.A.2 The electric field at a given point is the ratio of the electric force exerted on a test charge at that point to the charge of the test charge.
      • Equation: $\vec{E} = \dfrac{\vec{F}_E}{q}$
      • 10.3.A.2.i A test charge is a point charge of small enough magnitude such that its presence does not significantly affect an electric field in its vicinity.
      • 10.3.A.2.ii An electric field points away from isolated positive charges and toward isolated negative charges.
      • 10.3.A.2.iii The electric force exerted on a positive test charge by an electric field is in the same direction as the electric field.
    • 10.3.A.3 The electric field is a vector quantity and can be represented in space using vector field maps.
      • 10.3.A.3.i The net electric field at a given location is the vector sum of individual electric fields created by nearby charged objects.
      • 10.3.A.3.ii Electric field maps use vectors to depict the magnitude and direction of the electric field at many locations within a given region.
      • 10.3.A.3.iii Electric field line diagrams are simplified models of electric field maps and can be used to determine the relative magnitude and direction of the electric field at any position in the diagram.

    Learning Objective 10.3.B: Describe the electric field generated by charged conductors or insulators.

    • 10.3.B.1 While in electrostatic equilibrium, the excess charge of a solid conductor is distributed on the surface of the conductor, and the electric field within the conductor is zero.
      • 10.3.B.1.i At the surface of a charged conductor, the electric field is perpendicular to the surface.
      • 10.3.B.1.ii The electric field outside an isolated sphere with spherically symmetric charge distribution is the same as the electric field due to a point charge with the same net charge as the sphere located at the center of the sphere.
    • 10.3.B.2 While in electrostatic equilibrium, the excess charge of an insulator is distributed throughout the interior of the insulator as well as at the surface, and the electric field within the insulator may have a nonzero value.

    Boundary statement: AP Physics 2 only expects students to make calculations of the electric field resulting from four or fewer charged objects or systems. Analysis of the electric field resulting from more charges is allowed in situations of high symmetry. Students will only be expected to perform qualitative analysis of electric fields within insulators.

    Русский

    Цель обучения 10.3.A: Описывать электрическое поле, создаваемое заряженным объектом или конфигурацией точечных зарядов.

    • 10.3.A.1 Электрические поля могут исходить от заряженных объектов.
    • 10.3.A.2 Электрическое поле в данной точке представляет собой отношение электрической силы, действующей на пробный заряд в этой точке, к величине заряда пробного заряда.
      • Уравнение: $\vec{E} = \dfrac{\vec{F}_E}{q}$
      • 10.3.A.2.i Пробный заряд — это точечный заряд достаточно малой величины, чтобы его присутствие не оказывало значительного влияния на электрическое поле в его окрестности.
      • 10.3.A.2.ii Линии электрического поля направлены от изолированных положительных зарядов и к изолированным отрицательным зарядам.
      • 10.3.A.2.iii Электрическая сила, действующая на положительный пробный заряд со стороны электрического поля, направлена в ту же сторону, что и само электрическое поле.
    • 10.3.A.3 Электрическое поле является векторной величиной и может быть представлено в пространстве с помощью карт векторного поля.
      • 10.3.A.3.i Результирующее электрическое поле в данной точке равно векторной сумме отдельных электрических полей, создаваемых близлежащими заряженными объектами.
      • 10.3.A.3.ii Карты электрического поля используют векторы для изображения модуля и направления электрического поля во многих точках заданной области.
      • 10.3.A.3.iii Диаграммы силовых линий электрического поля представляют собой упрощенные модели карт электрического поля и могут использоваться для определения относительной величины и направления электрического поля в любой точке диаграммы.

    Цель обучения 10.3.B: Описывать электрическое поле, генерируемое заряженными проводниками или диэлектриками.

    • 10.3.B.1 Находясь в состоянии электростатического равновесия, избыточный заряд твердого проводника распределяется по поверхности проводника, а электрическое поле внутри проводника равно нулю.
      • 10.3.B.1.i На поверхности заряженного проводника электрическое поле перпендикулярно поверхности.
      • 10.3.B.1.ii Электрическое поле вне изолированной сферы со сферически симметричным распределением заряда совпадает с электрическим полем точечного заряда, имеющего тот же суммарный заряд, что и сфера, расположенного в центре сферы.
    • 10.3.B.2 Находясь в состоянии электростатического равновесия, избыточный заряд диэлектрика распределен как по его объему, так и по поверхности, а электрическое поле внутри диэлектрика может иметь ненулевое значение.

    Граничное утверждение: AP Physics 2 требует от студентов только выполнения расчетов электрического поля, создаваемого четырьмя или меньшим числом заряженных объектов или систем. Анализ электрического поля, создаваемого большим количеством зарядов, допускается в случаях высокой симметрии. От студентов ожидается лишь выполнение качественного анализа электрических полей внутри диэлектриков.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    The electric field of a dipole

    An electric field 电场 $\vec{E}$ is the force per unit charge that a small positive test charge would feel:

    $$\vec{E}=\frac{\vec{F}}{q},\qquad E=\frac{kQ}{r^2}\ \text{for a point charge}.$$
    Field lines point away from positive charges and toward negative ones; where they are denser, the field is stronger. A charge in a field feels $\vec{F}=q\vec{E}$.

    Worked example. Find the electric field $0.20\ \text{m}$ from a $+5.0\ \mu\text{C}$ point charge: $E=\dfrac{kQ}{r^2}=\dfrac{9.0\times10^{9}\times5.0\times10^{-6}}{(0.20)^2}=1.1\times10^{6}\ \text{N/C}$, pointing away from the charge. A $+2\ \text{nC}$ charge placed there would feel $F=qE=2\times10^{-9}\times1.1\times10^{6}=2.2\times10^{-3}\ \text{N}$.

    Русский
    Электрическое поле диполя
    Несколько ярких разветвлённых молний ударяют с грозового неба вниз над гаванью
    Молния: заряд накапливается, пока электрическое поле между облаком и землей не станет достаточно сильным, чтобы отрывать электроны от молекул воздуха, и протекает огромный ток

    Электрическое поле $\vec{E}$ — это сила, действующая на единичный положительный пробный заряд:

    $$\vec{E}=\frac{\vec{F}}{q},\qquad E=\frac{kQ}{r^2}\ \text{for a point charge}.$$
    Линии поля направлены от положительных зарядов к отрицательным; там, где они расположены плотнее, поле сильнее. Заряд в поле испытывает $\vec{F}=q\vec{E}$.

    Рисунок линий электрического поля для параллельных пластин, диполя и точечного заряда
    Рисунок линий электрического поля для параллельных пластин, диполя и точечного заряда

    Разобранный пример. Найдите электрическое поле $0.20\ \text{m}$, создаваемое точечным зарядом $+5.0\ \mu\text{C}$: $E=\dfrac{kQ}{r^2}=\dfrac{9.0\times10^{9}\times5.0\times10^{-6}}{(0.20)^2}=1.1\times10^{6}\ \text{N/C}$, направленное от заряда. Заряд $+2\ \text{nC}$, помещённый в эту точку, испытает силу $F=qE=2\times10^{-9}\times1.1\times10^{6}=2.2\times10^{-3}\ \text{N}$.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Map the field around a charge · ⁨Нанесите поле вокруг заряда⁩

    An electric field points the way a positive test charge would be pushed: away from a positive charge, toward a negative one. Closer lines mean a stronger field. · ⁨Электрическое поле указывает направление, в которое был бы оттолкнут положительный пробный заряд: от положительного заряда к отрицательному. Более частые линии означают более сильное поле.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Electric charge/ɪˈlektrɪk tʃɑːdʒ/ электрический заряд
    Coulomb's law/ˈkuːlɒmz lɔː/ Закон Кулона
    permittivity/ˌpɜːmɪˈtɪvəti/ диэлектрическая проницаемость
    conductor/kənˈdʌktə/ проводник
    insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ диэлектрик
    Conduction/kənˈdʌkʃn/ Теплопроводность
    Induction/ɪnˈdʌkʃn/ Инструктаж (индукция)
    electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ электрическое поле
    electric potential energy/ɪˈlektrɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/ электрический потенциальная энергия
    Electric potential/ɪˈlektrɪk pəˈtenʃl/ Электрический потенциал
    10.4

    Electric Potential Energy · ⁨Электрический потенциальная энергия⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 10.4.A: Describe the electric potential energy of a system.

    • 10.4.A.1 The electric potential energy of a system of two point charges equals the amount of work required for an external force to bring the point charges to their current positions from infinitely far away.
    • 10.4.A.2 The general form for the electric potential energy of two charged objects is given by the equation
      • Equation: $U_E = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{q_1 q_2}{r} = k\dfrac{q_1 q_2}{r}$
    • 10.4.A.3 The total electric potential energy of a system can be determined by finding the sum of the electric potential energies of the individual interactions between each pair of charged objects in the system.

    Boundary statement: As the methods to calculate the electric potential energy due to extended charge distributions exceed the scope of the course, AP Physics 2 only requires that students calculate the electric potential energy of configurations of four or fewer point charges.

    Русский

    Цель обучения 10.4.A: Описать электрическую потенциальную энергию системы.

    • 10.4.A.1 Электрическая потенциальная энергия системы двух точечных зарядов равна работе, которую должна совершить внешняя сила для перемещения этих точечных зарядов в их текущие положения из бесконечно удаленного пространства.
    • 10.4.A.2 Общий вид уравнения для электрической потенциальной энергии двух заряженных объектов задается следующим выражением
      • Уравнение: $U_E = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{q_1 q_2}{r} = k\dfrac{q_1 q_2}{r}$
    • 10.4.A.3 Полная электрическая потенциальная энергия системы может быть определена путем нахождения суммы электрических потенциальных энергий попарных взаимодействий всех заряженных объектов в системе.

    Ограничение программы: Поскольку методы расчета электрического потенциала, создаваемого распределенными зарядами, выходят за рамки данной программы, AP Physics 2 требует от студентов только расчета электрической потенциальной энергии конфигураций, состоящих из четырех или менее точечных зарядов.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Two charges have electric potential energy 电势能 stored in their arrangement:

    $$U=\frac{k q_1 q_2}{r}.$$
    Like charges pushed together store positive energy; opposite charges have negative energy (bound). Moving a charge changes $U$, and the electric force does work equal to $-\Delta U$.

    Русский

    Два заряда обладают электрической потенциальной энергией, запасённой в их расположении:

    $$U=\frac{k q_1 q_2}{r}.$$
    Одноимённые заряды, сближённые друг к другу, накапливают положительную энергию; разноимённые заряды имеют отрицательную энергию (связанное состояние). Перемещение заряда изменяет $U$, а электрическая сила совершает работу, равную $-\Delta U$.

    В однородном поле потенциал равномерно убывает с расстоянием, поэтому E связано с V
    В однородном поле потенциал uniformly убывает с расстоянием, поэтому E связано с V
    10.5

    Electric Potential · ⁨Электрический потенциал⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 10.5.A: Describe the electric potential due to a configuration of charged objects.

    • 10.5.A.1 Electric potential describes the electric potential energy per unit charge at a point in space.
    • 10.5.A.2 The electric potential due to multiple point charges can be determined by the principle of scalar superposition of the electric potential due to each of the point charges.
      • Equation: $V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\sum_{i}\dfrac{q_i}{r_i}$
    • 10.5.A.3 The electric potential difference between two points is the change in electric potential energy per unit charge when a test charge is moved between the two points.
      • Equation: $\Delta V = \dfrac{\Delta U_E}{q}$
      • 10.5.A.3.i Electric potential difference may also result from chemical processes that cause positive and negative charges to separate, such as in a battery.
    • 10.5.A.4 When conductors are in electrical contact, electrons will be redistributed such that the surfaces of the conductors are at the same electric potential.

    Learning Objective 10.5.B: Describe the relationship between electric potential and electric field.

    • 10.5.B.1 The average electric field between two points in space is equal to the electric potential difference between the two points divided by the distance between the two points.
      • Equation: $\left|\vec{E}\right| = \left|\dfrac{\Delta V}{\Delta r}\right|$
    • 10.5.B.2 Electric field vector maps and equipotential lines are tools to describe the field produced by a charge or configuration of charges and can be used to predict the motion of charged objects in the field.
      • 10.5.B.2.i Equipotential lines represent lines of equal electric potential in space. These lines are also referred to as isolines of electric potential.
      • 10.5.B.2.ii Isolines are perpendicular to electric field vectors. An isoline map of electric potential can be constructed from an electric field vector map, and an electric field map may be constructed from an isoline map.
      • 10.5.B.2.iii An electric field vector points in the direction of decreasing potential.
      • 10.5.B.2.iv There is no component of an electric field along an isoline.

    Boundary statement: As the methods to calculate the electric potential due to extended charges exceed the scope of the course, AP Physics 2 only expects that students calculate the electric potential of configurations of four or fewer particles (or more in situations of high symmetry).

    Русский

    Цель обучения 10.5.A: Описать электрический потенциал, создаваемый конфигурацией заряженных объектов.

    • 10.5.A.1 Электрический потенциал описывает электрическую потенциальную энергию на единицу заряда в данной точке пространства.
    • 10.5.A.2 Электрический потенциал, создаваемый несколькими точечными зарядами, можно определить с помощью принципа скалярного суперпозиции электрических потенциалов, создаваемых каждым из этих точечных зарядов.
      • Уравнение: $V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\sum_{i}\dfrac{q_i}{r_i}$
    • 10.5.A.3 Разность электрических потенциалов между двумя точками представляет собой изменение электрической потенциальной энергии на единицу заряда при перемещении пробного заряда между этими точками.
      • Уравнение: $\Delta V = \dfrac{\Delta U_E}{q}$
      • 10.5.A.3.i Разность электрических потенциалов также может возникать в результате химических процессов, вызывающих разделение положительных и отрицательных зарядов, например, в батарее.
    • 10.5.A.4 Когда проводники находятся в электрическом контакте, электроны перераспределяются таким образом, что поверхности проводников оказываются на одинаковом электрическом потенциале.

    Цель обучения 10.5.B: Описать связь между электрическим потенциалом и электрическим полем.

    • 10.5.B.1 Среднее значение напряженности электрического поля между двумя точками в пространстве равно разности электрических потенциалов между этими точками, деленной на расстояние между ними.
      • Уравнение: $\left|\vec{E}\right| = \left|\dfrac{\Delta V}{\Delta r}\right|$
    • 10.5.B.2 Векторные карты электрического поля и линии эквипотенциалов — это инструменты для описания поля, создаваемого зарядом или конфигурацией зарядов, и они могут использоваться для прогнозирования движения заряженных объектов в этом поле.
      • 10.5.B.2.i Линии эквипотенциалов представляют собой линии с одинаковым электрическим потенциалом в пространстве. Эти линии также называют изолиниями электрического потенциала.
      • 10.5.B.2.ii Изолинии перпендикулярны векторам электрического поля. Карту эквипотенциалов можно построить по векторной карте электрического поля, а карту электрического поля — по изолиниям.
      • 10.5.B.2.iii Вектор электрического поля направлен в сторону убывания потенциала.
      • 10.5.B.2.iv Компонента электрического поля вдоль изолинии отсутствует.

    Ограничение программы: Поскольку методы расчета электрического потенциала, создаваемого распределенными зарядами, выходят за рамки данной программы, AP Physics 2 ожидает от студентов только расчета электрического потенциала конфигураций, состоящих из четырех или менее частиц (или большего количества в ситуациях высокой симметрии).

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Electric potential 电势 $V$ is the potential energy per unit charge – a scalar field, measured in volts:

    $$V=\frac{U}{q}=\frac{kQ}{r}.$$
    The potential difference (voltage) 电压 between two points is the work per unit charge to move between them: $\Delta V=\dfrac{\Delta U}{q}$, and $U=qV$. Positive charges move from high to low potential on their own. Because potential is a scalar, adding the potentials from several charges is much easier than adding field vectors.

    Русский

    Электрический потенциал $V$ — это потенциальная энергия на единицу заряда – скалярное поле, измеряемое в вольтах:

    $$V=\frac{U}{q}=\frac{kQ}{r}.$$
    Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками — это работа на единицу заряда для перемещения между ними: $\Delta V=\dfrac{\Delta U}{q}$, и $U=qV$. Положительные заряды самопроизвольно движутся от высокого потенциала к низкому. Поскольку потенциал является скаляром, сложение потенциалов от нескольких зарядов гораздо проще, чем сложение векторов поля.

    Потенциал вблизи точечного заряда изменяется как 1/r
    Потенциал вблизи точечного заряда изменяется как 1/r
    10.6

    Capacitors · ⁨Конденсаторы⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 10.6.A: Describe the physical properties of a parallel-plate capacitor.

    • 10.6.A.1 A parallel-plate capacitor consists of two separated parallel conducting surfaces that can hold equal amounts of charge with opposite signs.
    • 10.6.A.2 Capacitance relates the magnitude of the charge stored on each plate to the electric potential difference created by the separation of those charges.
      • Equation: $C = \dfrac{Q}{\Delta V}$
      • 10.6.A.2.i The capacitance of a capacitor depends only on the physical properties of the capacitor, such as the capacitor's shape and the material used to separate the plates.
      • 10.6.A.2.ii The capacitance of a parallel-plate capacitor is proportional to the area of one of its plates and inversely proportional to the distance between its plates. The constant of proportionality is the product of the dielectric constant, $\kappa$, of the material between the plates and the electric permittivity of free space, $\varepsilon_0$.
        • Equation: $C = \kappa\varepsilon_0\dfrac{A}{d}$
    • 10.6.A.3 The electric field between two charged parallel plates with uniformly distributed electric charge, such as in a parallel-plate capacitor, is constant in both magnitude and direction, except near the edges of the plates.
      • 10.6.A.3.i The magnitude of the electric field between two charged parallel plates, where the plate separation is much smaller than the dimensions of the plates, can be described with the equation
        • Equation: $E_C = \dfrac{Q}{\kappa\varepsilon_0 A}$
      • 10.6.A.3.ii A charged particle between two oppositely charged parallel plates undergoes constant acceleration and therefore its motion shares characteristics with the projectile motion of an object with mass in the gravitational field near Earth's surface.
    • 10.6.A.4 The electric potential energy stored in a capacitor is equal to the work done by an external force to separate that amount of charge on the capacitor.
    • 10.6.A.5 The electric potential energy stored in a capacitor is described by the equation
      • Equation: $U_C = \dfrac{1}{2}Q\Delta V$
    • 10.6.A.6 Adding a dielectric between two plates of a capacitor changes the capacitance of the capacitor and induces an electric field in the dielectric in the opposite direction to the field between the plates.

    Boundary statement: While other shapes are also able to separate charges, only the analysis and descriptions of parallel-plate capacitors are required for AP Physics 2. Edge effects will be ignored unless explicitly stated otherwise.

    Русский

    Цель обучения 10.6.A: Описать физические свойства плоского конденсатора.

    • 10.6.A.1 Плоский конденсатор состоит из двух разделенных параллельных проводящих поверхностей, способных удерживать равные количества заряда противоположных знаков.
    • 10.6.A.2 Емкость связывает величину заряда, накопленного на каждой пластине, с разностью электрических потенциалов, создаваемой разделением этих зарядов.
      • Уравнение: $C = \dfrac{Q}{\Delta V}$
      • 10.6.A.2.i Емкость конденсатора зависит исключительно от его физических свойств, таких как форма конденсатора и материал, используемый для разделения пластин.
      • 10.6.A.2.ii Емкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади одной из его пластин и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Коэффициент пропорциональности равен произведению диэлектрической проницаемости, $\kappa$, материала между пластинами и электрической постоянной вакуума, $\varepsilon_0$.
        • Уравнение: $C = \kappa\varepsilon_0\dfrac{A}{d}$
    • 10.6.A.3 Электрическое поле между двумя заряженными параллельными пластинами с равномерно распределенным электрическим зарядом, как в плоском конденсаторе, постоянно как по модулю, так и по направлению, за исключением областей вблизи краев пластин.
      • 10.6.A.3.i Модуль электрического поля между двумя заряженными параллельными пластинами, где расстояние между пластинами значительно меньше размеров самих пластин, можно описать с помощью уравнения
        • Уравнение: $E_C = \dfrac{Q}{\kappa\varepsilon_0 A}$
      • 10.6.A.3.ii Заряженная частица, находящаяся между двумя oppositely charged (заряженными с разными знаками) параллельными пластинами, движется с постоянным ускорением, поэтому ее движение имеет черты кинематики тела, брошенного под углом к горизонту в гравитационном поле вблизи поверхности Земли.
    • 10.6.A.4 Электрическая потенциальная энергия, запасенная в конденсаторе, равна работе, совершенной внешней силой для разделения этого количества заряда на обкладках конденсатора.
    • 10.6.A.5 Электрическая потенциальная энергия, запасенная в конденсаторе, описывается уравнением
      • Уравнение: $U_C = \dfrac{1}{2}Q\Delta V$
    • 10.6.A.6 Вставка диэлектрика между пластинами конденсатора изменяет его емкость и вызывает появление электрического поля в диэлектрике, направленного в сторону, противоположную полю между пластинами.

    Ограничение программы: Хотя другие формы также способны разделять заряды, для AP Physics 2 требуется только анализ и описание плоских конденсаторов. Эффекты краевых полей будут игнорироваться, если не указано иное.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Discharging a capacitor: τ = RC
    Charging a capacitor (RC)

    A capacitor 电容器 stores charge and energy on two conductors separated by a gap. Its capacitance 电容 relates charge to voltage:

    $$C=\frac{Q}{V},$$
    and the stored energy is $U=\tfrac{1}{2}CV^2$. Capacitance depends on the plates' geometry and the material between them, not on the charge placed on it.

    Worked example. A $100\ \mu\text{F}$ capacitor is charged to $12\ \text{V}$. It holds $Q=CV=100\times10^{-6}\times12=1.2\times10^{-3}\ \text{C}$ of charge and stores $U=\tfrac12 CV^2=\tfrac12\times100\times10^{-6}\times12^2=7.2\times10^{-3}\ \text{J}$ of energy.

    Русский
    Разрядка конденсатора: τ = RC
    Зарядка конденсатора (RC)

    Конденсатор хранит заряд и энергию на двух проводниках, разделённых зазором. Его ёмкость связывает заряд с напряжением:

    $$C=\frac{Q}{V},$$
    а запасённая энергия равна $U=\tfrac{1}{2}CV^2$. Ёмкость зависит от геометрии пластин и материала между ними, но не от заряда, помещённого на него.

    Конденсаторы при параллельном соединении имеют одинаковое р.н., а их заряды складываются
    Конденсаторы при параллельном соединении имеют одинаковое р.н., а их заряды складываются

    Пример решения. Конденсатор ёмкостью $100\ \mu\text{F}$ заряжен до напряжения $12\ \text{V}$. Он удерживает заряд $Q=CV=100\times10^{-6}\times12=1.2\times10^{-3}\ \text{C}$ и запасает энергию $U=\tfrac12 CV^2=\tfrac12\times100\times10^{-6}\times12^2=7.2\times10^{-3}\ \text{J}$.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Charge and discharge a capacitor · ⁨Зарядите и разрядите конденсатор⁩

    A capacitor stores charge on two plates. It fills and empties exponentially, set by the time constant $\tau = RC$ — bigger $R$ or $C$ means slower charging. · ⁨Конденсатор хранит заряд на двух пластинах. Он заряжается и разряжается экспоненциально, определяясь временной константой $\tau = RC$ — большее значение $R$ или $C$ означает более медленную зарядку.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    capacitor/kəˈpæsɪtə/ конденсатора
    capacitance/kəˈpæsɪtəns/ ёмкость (конденсатора)
    10.7

    Conservation of Electric Energy · ⁨Сохранение электрической энергии⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 10.7.A: Describe changes in energy in a system due to a difference in electric potential between two locations.

    • 10.7.A.1 When a charged object moves between two locations with different electric potentials, the resulting change in the electric potential energy of the object-field system is given by the following equation.
      • Equation: $\Delta U_E = q\Delta V$
    • 10.7.A.2 The movement of a charged object between two points with different electric potentials results in a change in kinetic energy of the object consistent with the conservation of energy.
    Русский

    Цель обучения 10.7.A: Описывать изменения энергии в системе вследствие разности электрических потенциалов между двумя точками.

    • 10.7.A.1 При перемещении заряженного объекта между двумя точками с различными электрическими потенциалами resulting change in the electric potential energy of the object-field system is given by the following equation.
      • Уравнение: $\Delta U_E = q\Delta V$
    • 10.7.A.2 Перемещение заряженного объекта между двумя точками с разными электрическими потенциалами приводит к изменению кинетической энергии объекта, согласующемуся с законом сохранения энергии.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Energy is conserved for charges just as for masses. A charge released in a field converts electric potential energy into kinetic energy:

    $$q\,\Delta V=\tfrac{1}{2}mv^2 \quad(\text{gaining speed as it "falls" through a potential difference}).$$

    Worked example. An electron ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$, $m=9.1\times10^{-31}\ \text{kg}$) is accelerated from rest through a potential difference of $100\ \text{V}$. Its final speed is

    $$v=\sqrt{\frac{2q\,\Delta V}{m}}=\sqrt{\frac{2\times1.6\times10^{-19}\times100}{9.1\times10^{-31}}}=5.9\times10^{6}\ \text{m/s}.$$
    This is exactly how the electron gun in an old television or an electron microscope works.

    Русский

    Энергия сохраняется для зарядов так же, как и для масс. Заряд, освобождённый в поле, превращает электрическую потенциальную энергию в кинетическую:

    $$q\,\Delta V=\tfrac{1}{2}mv^2 \quad(\text{gaining speed as it "falls" through a potential difference}).$$

    Пример решения. Электрон ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$, $m=9.1\times10^{-31}\ \text{kg}$) ускоряется из состояния покоя под действием разности потенциалов $100\ \text{V}$. Его конечная скорость равна

    $$v=\sqrt{\frac{2q\,\Delta V}{m}}=\sqrt{\frac{2\times1.6\times10^{-19}\times100}{9.1\times10^{-31}}}=5.9\times10^{6}\ \text{m/s}.$$
    Именно так работает электронная пушка в старом телевизоре или электронном микроскопе.

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ разность потенциалов
    10.7

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • Coulomb's law and the point-charge field are inverse-square — doubling the separation makes the force (or field) four times smaller.
    • Use magnitudes for the size of a force and decide direction from the signs; the field points the way a positive test charge would move.
    • Potential ($V$) is a scalar so potentials from several charges simply add; the field ($E$) is a vector and must be added by direction.
    • For a charge accelerated through a voltage use energy conservation $qV=\tfrac12 mv^2$.
    • Capacitor relations: $C=Q/V$ (capacitance is fixed by geometry) and energy $U=\tfrac12 CV^2$.
    Русский
    • Закон Кулона и поле точечного заряда являются квадратично-обратными — удвоение расстояния уменьшает силу (или поле) в четыре раза.
    • Используйте модули для определения силы силы и направление по знакам; поле указывает направление движения положительного пробного заряда.
    • Потенциал ($V$) является скаляром, поэтому потенциалы от нескольких зарядов просто складываются; поле ($E$) является вектором и должно складываться с учётом направления.
    • Для заряда, ускоренного под действием напряжения, используйте закон сохранения энергии $qV=\tfrac12 mv^2$.
    • Связи для конденсатора: $C=Q/V$ (ёмкость определяется геометрией) и энергия $U=\tfrac12 CV^2$.
  • 11

    Electric Circuits · ⁨Электрические цепи⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    11.1

    Electric Current · ⁨Электрический ток⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 11.1.A: Describe the movement of electric charges through a medium.

    • 11.1.A.1 Current is the rate at which charge passes through a cross-sectional area of a wire.
      • Equation: $I = \dfrac{\Delta q}{\Delta t}$
      • 11.1.A.1.i Electric charge moves in a circuit in response to an electric potential difference, sometimes referred to as electromotive force, or $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
      • 11.1.A.1.ii If the current is zero in a section of wire, the net motion of charge carriers in the wire is also zero, although individual charge carriers will not have zero speed.
    • 11.1.A.2 Although current is not a vector quantity, it does have a direction. The direction of current is associated with what the motion of positive charge would be but not with any coordinate system in space.
      • 11.1.A.2.i The direction of conventional current is chosen to be the direction in which positive charge would move.
      • 11.1.A.2.ii In common circuits, current is actually due to the movement of electrons (negative charge carriers).
    Русский

    Цель обучения 11.1.A: Описывать движение электрических зарядов через среду.

    • 11.1.A.1 Ток — это скорость прохождения заряда через поперечное сечение провода.
      • Уравнение: $I = \dfrac{\Delta q}{\Delta t}$
      • 11.1.A.1.i Электрический заряд движется в цепи под действием разности электрических потенциалов, иногда называемой электродвижущей силой (ЭДС), или $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
      • 11.1.A.1.ii Если ток равен нулю на участке провода, то результирующее движение носителей заряда в этом проводе также равно нулю, хотя отдельные носители заряда могут иметь ненулевую скорость.
    • 11.1.A.2 Хотя ток не является векторной величиной, он имеет направление. Направление тока ассоциируется с тем, как двигался бы положительный заряд, но не связано с какой-либо системой координат в пространстве.
      • 11.1.A.2.i Направление традиционного тока выбирается таким же, каким было бы движение положительного заряда.
      • 11.1.A.2.ii В обычных цепях ток действительно обусловлен движением электронов (отрицательных носителей заряда).

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Electric current 电流 is the rate at which charge flows past a point, measured in amperes 安培 (A):

    $$I=\frac{\Delta q}{\Delta t}.$$
    By convention, current points the way positive charge would move (opposite to the electrons in a wire). A steady current needs a complete loop and an energy source (a battery's electromotive force, or emf).

    Русский
    Осциллограф: поведение цепи во времени измеряется как зависимость напряжения от времени
    Осциллограф: поведение цепи во времени измеряется как напряжение от времени

    Электрический ток — это скорость потока заряда через точку, измеряемая в амперах (A):

    $$I=\frac{\Delta q}{\Delta t}.$$
    По согласованию, ток направлен туда, куда двигался бы положительный заряд (противоположно электронам в проводе). Постоянный ток требует замкнутой цепи и источника энергии (электроподвижная сила, или э.д.с. батареи).

    Носители заряда медленно дрейфуют через проводник, создавая ток
    Носители заряда медленно дрейфуют через проводник, создавая ток
    11.2

    Simple Circuits · ⁨Простые цепи⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 11.2.A: Describe the behavior of a circuit.

    • 11.2.A.1 A circuit is composed of electrical loops, which may include circuit elements such as wires, batteries, resistors, lightbulbs, capacitors, switches, ammeters, and voltmeters.
    • 11.2.A.2 A closed electrical loop is a closed path through which charges may flow.
      • 11.2.A.2.i A closed circuit is one in which charges would be able to flow.
      • 11.2.A.2.ii An open circuit is one in which charges would not be able to flow.
      • 11.2.A.2.iii A short circuit is one in which charges would be able to flow with no change in potential difference.
    • 11.2.A.3 A single circuit element may be part of multiple electrical loops.
    • 11.2.A.4 Circuit schematics are representations used to describe and analyze electric circuits.
      • 11.2.A.4.i The properties of an electric circuit are dependent on the physical arrangement of its constituent elements.
      • 11.2.A.4.ii Circuit elements have common symbols that are used to create schematic diagrams. Variable elements are indicated by a diagonal strikethrough arrow across the standard symbol for that element. (Standard symbols: Battery, Bulb, Switch, Capacitor, Resistor, Ammeter, Voltmeter.)

    Boundary statement: Unless otherwise specified, all circuit schematic diagrams will be drawn using conventional current.

    Русский

    Цель обучения 11.2.A: Описывать поведение электрической цепи.

    • 11.2.A.1 Цепь состоит из электрических петель, которые могут включать такие элементы, как провода, батареи, резисторы, лампочки, конденсаторы, выключатели, амперметры и вольтметры.
    • 11.2.A.2 Замкнутая электрическая петля — это замкнутый путь, по которому могут протекать заряды.
      • 11.2.A.2.i Замкнутая цепь — это цепь, в которой заряды могли бы протекать.
      • 11.2.A.2.ii Разомкнутая цепь — это цепь, в которой заряды не могли бы протекать.
      • 11.2.A.2.iii Короткое замыкание — это цепь, в которой заряды могли бы протекать без изменения разности потенциалов.
    • 11.2.A.3 Один элемент цепи может быть частью нескольких электрических петель.
    • 11.2.A.4 Схемы электрических цепей — это представления, используемые для описания и анализа электрических цепей.
      • 11.2.A.4.i Свойства электрической цепи зависят от физического расположения её составных элементов.
      • 11.2.A.4.ii Элементы цепей имеют общепринятые символы, которые используются для создания схем. Переменные элементы обозначаются диагональной чертой со стрелкой поверх стандартного символа этого элемента. (Стандартные символы: Батарея, Лампочка, Выключатель, Конденсатор, Резистор, Амперметр, Вольтметр.)

    Предварительная оговорка: Если не указано иное, все схемы электрических цепей будут изображаться с использованием традиционного тока.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A circuit is a closed loop of conductors, a source (battery), and components. In a series 串联 path the same current flows through each element; in a parallel 并联 path the same voltage is across each branch. A circuit diagram uses standard symbols; reading it correctly is the first step of any circuit problem.

    Русский

    Цепь — это замкнутый контур проводников, источник (батарея) и компоненты. В последовательном пути через каждый элемент протекает одинаковый ток; в параллельном пути на каждой ветви одинаковое напряжение. Схема цепи использует стандартные обозначения; правильное её чтение — первый шаг в решении любой задачи по цепям.

    Компоненты могут быть соединены последовательно или параллельно
    Компоненты могут быть соединены последовательно или параллельно
    Электронная схема, собранная на макетной плате
    Реальная цепь: компоненты вставлены в макетную плату и соединены проводами, чтобы ток имел полный путь
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Build series and parallel circuits · ⁨Соберите последовательные и параллельные цепи⁩

    In series the same current flows through every bulb and voltage divides; in parallel each branch gets the full voltage. Switch mode to see the bulbs' brightness change. · ⁨В последовательной цепи через каждую лампочку течет одинаковый ток, а напряжение делится; в параллельной каждой ветви подается полное напряжение. Переключите режим, чтобы увидеть изменение яркости лампочек.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ Электрический ток
    amperes/ˈæmpeəz/ амперах
    series/ˈsɪəriːz/ последовательно
    parallel/ˈpærəlel/ параллельно
    Resistance/rɪˈzɪstəns/ Сопротивление
    Ohm's law/əʊmz lɔː/ Законом Ома
    resistivity/ˌriːzɪˈstɪvəti/ удельное сопротивление
    Electric power/ɪˈlektrɪk ˈpaʊə/ электрическая мощность
    light bulb/laɪt bʌlb/ лампочка
    brightness/ˈbraɪtnəs/ яркость
    equivalent resistance/ɪˈkwɪvələnt rɪˈzɪstəns/ эквивалентное сопротивление
    ammeter/ˈæmiːtə/ амперметр
    voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ вольтметр
    nonideal/ˌnɒnaɪˈdɪəl/ неидеальный
    Kirchhoff's loop rule/ˈkɜːkhɒfs luːp ruːl/ Правило Кирхгофа для контура
    Kirchhoff's junction rule/ˈkɜːkhɒfs ˈdʒʌŋkʃn ruːl/ Правило Кирхгофа для узла
    RC circuit/ˌɑː ˈsiː ˈsɜːkɪt/ RC-цепь
    11.3

    Resistance, Resistivity, and Ohm's Law · ⁨Сопротивление, Удельное сопротивление и Закон Ома⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 11.3.A: Describe the resistance of an object using physical properties of that object.

    • 11.3.A.1 Resistance is a measure of the degree to which an object opposes the movement of electric charge.
    • 11.3.A.2 The resistance of a resistor with uniform geometry is proportional to its resistivity and length and is inversely proportional to its cross-sectional area.
      • Equation: $R = \dfrac{\rho \ell}{A}$
      • 11.3.A.2.i Resistivity is a fundamental property of a material that depends on its atomic and molecular structure and quantifies how strongly the material opposes the motion of electric charge.
      • 11.3.A.2.ii The resistivity of a conductor typically increases with temperature.

    Learning Objective 11.3.B: Describe the electrical characteristics of elements of a circuit.

    • 11.3.B.1 Ohm's law relates current, resistance, and potential difference across a conductive element of a circuit.
      • Equation: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
      • 11.3.B.1.i Materials that obey Ohm's law have constant resistance for all currents and are called ohmic materials.
      • 11.3.B.1.ii The resistivity of an ohmic material is constant regardless of temperature.
      • 11.3.B.1.iii Resistors can also convert electrical energy to thermal energy, which may change the temperature of both the resistor and the resistor's environment.
      • 11.3.B.1.iv The resistance of an ohmic circuit element can be determined from the slope of a graph of the current in the element as a function of the potential difference across the element.
    Русский

    Цель обучения 11.3.A: Описывать сопротивление объекта с использованием его физических свойств.

    • 11.3.A.1 Сопротивление — это мера того, насколько объект препятствует движению электрического заряда.
    • 11.3.A.2 Сопротивление резистора с равномерной геометрией прямо пропорционально его удельному сопротивлению и длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения.
      • Уравнение: $R = \dfrac{\rho \ell}{A}$
      • 11.3.A.2.i Удельное сопротивление — это фундаментальное свойство материала, зависящее от его атомной и молекулярной структуры, которое количественно определяет, насколько сильно материал препятствует движению электрического заряда.
      • 11.3.A.2.ii Удельное сопротивление проводника обычно увеличивается с повышением температуры.

    Цель обучения 11.3.B: Описывать электрические характеристики элементов цепи.

    • 11.3.B.1 Закон Ома устанавливает связь между током, сопротивлением и разностью потенциалов на проводящем элементе цепи.
      • Уравнение: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
      • 11.3.B.1.i Материалы, подчиняющиеся закону Ома, имеют постоянное сопротивление при любых силах тока и называются омическими материалами.
      • 11.3.B.1.ii Удельное сопротивление омического материала постоянно независимо от температуры.
      • 11.3.B.1.iii Резисторы также могут преобразовывать электрическую энергию в тепловую, что может изменить температуру как самого резистора, так и окружающей среды.
      • 11.3.B.1.iv Сопротивление омического элемента цепи можно определить по наклону графика зависимости силы тока в элементе от разности потенциалов на нём.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Resistance 电阻 $R$ opposes current, measured in ohms. Ohm's law 欧姆定律 links the three key quantities:

    $$V=IR.$$
    A component's resistance depends on the material's resistivity 电阻率 $\rho$, its length, and its cross-sectional area: $R=\dfrac{\rho L}{A}$ – longer and thinner means more resistance.

    Worked example. A $2.0\ \text{A}$ current flows through a $6.0\ \Omega$ resistor. The voltage across it is $V=IR=2.0\times6.0=12\ \text{V}$.

    Русский

    Сопротивление $R$ препятствует току, измеряется в омах. Закон Ома связывает три ключевых величины:

    $$V=IR.$$
    Сопротивление компонента зависит от удельного сопротивления материала $\rho$, его длины и площади поперечного сечения: $R=\dfrac{\rho L}{A}$ – чем длиннее и тоньше, тем больше сопротивление.

    Вольт-амперная характеристика омического проводника представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат
    График зависимости I-V для омического проводника представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат

    Пример решения. Ток силой $2.0\ \text{A}$ протекает через резистор сопротивлением $6.0\ \Omega$. Напряжение на нём равно $V=IR=2.0\times6.0=12\ \text{V}$.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Apply Ohm's law · ⁨Примените закон Ома⁩

    Ohm's law $V=IR$: for a fixed resistance, current is proportional to voltage. Raise the resistance and the same voltage pushes less current. · ⁨Закон Ома $V=IR$: при постоянном сопротивлении ток пропорционален напряжению. Увеличьте сопротивление, и то же напряжение будет создавать меньший ток.⁩

    11.4

    Electric Power · ⁨Электрическая мощность⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 11.4.A: Describe the transfer of energy into, out of, or within an electric circuit, in terms of power.

    • 11.4.A.1 The rate at which energy is transferred, converted, or dissipated by a circuit element depends on the current in the element and the electric potential difference across it.
      • Equation: $P = I \Delta V$
      • Equation (derived): $P = I^2 R = \dfrac{(\Delta V)^2}{R}$
    • 11.4.A.2 The brightness of a bulb increases with power, so power can be used to qualitatively predict the brightness of bulbs in a circuit.
    Русский

    Цель обучения 11.4.A: Описывать передачу энергии в электрическую цепь, из неё или внутри неё в терминах мощности.

    • 11.4.A.1 Скорость передачи, преобразования или рассеивания энергии элементом цепи зависит от силы тока в элементе и разности электрических потенциалов на нём.
      • Уравнение: $P = I \Delta V$
      • Уравнение (выведенное): $P = I^2 R = \dfrac{(\Delta V)^2}{R}$
    • 11.4.A.2 Яркость лампочки увеличивается с ростом мощности, поэтому мощность можно использовать для качественной оценки яркости лампочек в цепи.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Electric power 电功率 is the rate a component converts electrical energy (to heat, light, motion):

    $$P=IV=I^2R=\frac{V^2}{R}.$$
    Pick the form that uses the quantities you know. A resistor's power all becomes heat.

    Worked example. The $6.0\ \Omega$ resistor above, carrying $2.0\ \text{A}$, dissipates $P=I^2R=2.0^2\times6.0=24\ \text{W}$ – equivalently $P=IV=2.0\times12=24\ \text{W}$.

    A light bulb 灯泡 is just a resistor that glows, and its brightness 亮度 rises with the power it dissipates. So to rank bulbs, compare their power. In a series string every bulb carries the same current, so by $P=I^2R$ the bulb with the largest resistance is brightest; wired in parallel every bulb gets the full battery voltage, so by $P=V^2/R$ the bulb with the smallest resistance is brightest.

    Русский

    Электрическая мощность — это скорость преобразования компонентом электрической энергии (в тепло, свет, движение):

    $$P=IV=I^2R=\frac{V^2}{R}.$$
    Выберите формулу, использующую известные вам величины. Вся мощность резистора превращается в тепло.

    Пример решения. Резистор мощностью $6.0\ \Omega$ выше, через который протекает ток $2.0\ \text{A}$, рассеивает мощность $P=I^2R=2.0^2\times6.0=24\ \text{W}$ – эквивалентно $P=IV=2.0\times12=24\ \text{W}$.

    Лампа накаливания — это просто резистор, который светится, и её яркость возрастает вместе с мощностью, которую она рассеивает. Поэтому для ранжирования ламп сравнивайте их мощность. В последовательной цепочке каждая лампа пропускает одинаковый ток, поэтому по формуле $P=I^2R$ самая яркая лампа имеет наибольшее сопротивление; при параллельном подключении каждая лампа получает полное напряжение батареи, поэтому по формуле $P=V^2/R$ самая яркая лампа имеет наименьшее сопротивление.

    Высоковольтные линии электропередач: электрическая энергия передается под высоким напряжением, чтобы ток (и потери мощности ²R) оставались низкими
    Высоковольтные линии электропередачи: электрическая мощность передаётся при высоком напряжении, чтобы ток (и потери I²R) оставались низкими
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Read an I-V characteristic · ⁨Прочитайте ВАХ (вольт-амперную характеристику)⁩

    Power is $P=IV$. A resistor's I-V line is straight, but a lamp curves as it heats and its resistance rises. The area under I-V relates to the energy delivered. · ⁨Мощность равна $P=IV$. ВАХ резистора — прямая линия, но ВАХ лампы искривляется при нагреве, когда ее сопротивление растет. Площадь под ВАХ связана с переданной энергией.⁩

    11.5

    Compound DC Circuits · ⁨Составные постоянные цепи⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 11.5.A: Describe the equivalent resistance of multiple resistors connected in a circuit.

    • 11.5.A.1 Circuit elements may be connected in series and/or in parallel.
      • 11.5.A.1.i A series connection is one in which any charge passing through one circuit element must proceed through all elements in that connection and has no other path available. The current in each element in series must be the same.
      • 11.5.A.1.ii A parallel connection is one in which charges may flow through one of two or more paths. Across each path, the potential difference is the same.
    • 11.5.A.2 A collection of resistors in a circuit may be analyzed as though it were a single resistor with an equivalent resistance $R_{\text{eq}}$.
      • 11.5.A.2.i The equivalent resistance of a set of resistors in series is the sum of the individual resistances.
        • Equation: $R_{\text{eq},s} = \sum_i R_i$
      • 11.5.A.2.ii The inverse of the equivalent resistance of a set of resistors connected in parallel is equal to the sum of the inverses of the individual resistances.
        • Equation: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_i \dfrac{1}{R_i}$
      • 11.5.A.2.iii When resistors are connected in parallel, the number of paths available to charges increases, and the equivalent resistance of the group of resistors decreases.

    Learning Objective 11.5.B: Describe a circuit with resistive wires and a battery with internal resistance.

    • 11.5.B.1 Ideal batteries have negligible internal resistance. Ideal wires have negligible resistance.
      • 11.5.B.1.i The resistance of wires that are good conductors may normally be neglected, because their resistance is much smaller than that of other elements of a circuit.
      • 11.5.B.1.ii The resistance of wires may only be neglected if the circuit contains other elements that do have resistance.
      • 11.5.B.1.iii The potential difference a battery would supply if it were ideal is the potential difference measured across the terminals when there is no current in the battery and is sometimes referred to as its $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
    • 11.5.B.2 The internal resistance of a nonideal battery may be treated as the resistance of a resistor in series with an ideal battery and the remainder of the circuit.
    • 11.5.B.3 When there is current in a nonideal battery with internal resistance $r$, the potential difference across the terminals of the battery is reduced relative to the potential difference when there is no current in the battery.
      • Equation (derived): $\Delta V_{\text{terminal}} = \varepsilon - Ir$

    Learning Objective 11.5.C: Describe the measurement of current and potential difference in a circuit.

    • 11.5.C.1 Ammeters are used to measure current at a specific point in a circuit.
      • 11.5.C.1.i Ammeters must be connected in series with the element in which current is being measured.
      • 11.5.C.1.ii Ideal ammeters have zero resistance so that they do not affect the current in the element that they are in series with.
    • 11.5.C.2 Voltmeters are used to measure electric potential difference between two points in a circuit.
      • 11.5.C.2.i Voltmeters must be connected in parallel with the element across which potential difference is being measured.
      • 11.5.C.2.ii Ideal voltmeters have an infinite resistance so that no charge flows through them.
    • 11.5.C.3 Nonideal ammeters and voltmeters will change the properties of the circuit being measured.

    Boundary statement: AP Physics 2 only expects students to qualitatively discuss how a nonideal ammeter or voltmeter will affect the results of measurements. Unless otherwise stated, all batteries, wires, and meters are assumed to be ideal.

    Boundary statement: Circuits with batteries of different potential differences connected in parallel will not be assessed.

    Русский

    Цель обучения 11.5.A: Описывать эквивалентное сопротивление нескольких резисторов, соединённых в цепи.

    • 11.5.A.1 Элементы цепи могут быть соединены последовательно и/или параллельно.
      • 11.5.A.1.i Последовательное соединение — это такое соединение, при котором любой заряд, проходящий через один элемент цепи, должен пройти через все элементы этого соединения и не имеет других путей. Сила тока в каждом элементе, соединённом последовательно, должна быть одинаковой.
      • 11.5.A.1.ii Параллельное соединение — это такое соединение, при котором заряд может течь по одному из двух или нескольких путей. Разность потенциалов на каждом пути одинакова.
    • 11.5.A.2 Набор резисторов в цепи можно рассматривать как один эквивалентный резистор с эквивалентным сопротивлением $R_{\text{eq}}$.
      • 11.5.A.2.i Эквивалентное сопротивление набора резисторов, соединенных последовательно, равно сумме их индивидуальных сопротивлений.
        • Уравнение: $R_{\text{eq},s} = \sum_i R_i$
      • 11.5.A.2.ii Величина, обратная эквивалентному сопротивлению набора резисторов, соединенных параллельно, равна сумме величин, обратных индивидуальным сопротивлениям.
        • Уравнение: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_i \dfrac{1}{R_i}$
      • 11.5.A.2.iii При параллельном соединении резисторов количество доступных для зарядов путей увеличивается, а эквивалентное сопротивление группы резисторов уменьшается.

    Учебная цель 11.5.B: Описать цепь с резистивными проводами и батареей с внутренним сопротивлением.

    • 11.5.B.1 Идеальные батареи имеют пренебрежимо малым внутренним сопротивлением. Идеальные провода имеют пренебрежимо малое сопротивление.
      • 11.5.B.1.i Сопротивлением проводов-хороших проводников обычно можно пренебречь, так как оно значительно меньше, чем сопротивление других элементов цепи.
      • 11.5.B.1.ii Сопротивлением проводов можно пренебречь только если в цепи присутствуют другие элементы, обладающие сопротивлением.
      • 11.5.B.1.iii Напряжение, которое выдала бы идеальная батарея, равно напряжению, измеряемому на зажимах при отсутствии тока в батарее, и иногда называется её $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
    • 11.5.B.2 Внутреннее сопротивление неидеальной батареи можно рассматривать как сопротивление резистора, включенного последовательно с идеальной батареей и остальной частью цепи.
    • 11.5.B.3 При наличии тока в неидеальной батарее с внутренним сопротивлением $r$ напряжение на зажимах батареи снижается по сравнению с напряжением при отсутствии тока в батарее.
      • Уравнение (выведенное): $\Delta V_{\text{terminal}} = \varepsilon - Ir$

    Учебная цель 11.5.C: Описать измерение силы тока и напряжения в цепи.

    • 11.5.C.1 Амперметры используются для измерения силы тока в конкретной точке цепи.
      • 11.5.C.1.i Амперметры должны подключаться последовательно с элементом, в котором измеряется сила тока.
      • 11.5.C.1.ii Идеальные амперметры имеют нулевое сопротивление, чтобы не оказывать влияния на ток в элементе, с которым они соединены последовательно.
    • 11.5.C.2 Вольтметры используются для измерения разности электрических потенциалов между двумя точками в цепи.
      • 11.5.C.2.i Вольтметры должны подключаться параллельно элементу, на котором измеряется разность потенциалов.
      • 11.5.C.2.ii Идеальные вольтметры имеют бесконечное сопротивление, поэтому через них не течет заряд.
    • 11.5.C.3 Неидеальные амперметры и вольтметры изменят свойства измеряемой цепи.

    Граничное утверждение: AP Physics 2 требует от студентов лишь качественного обсуждения того, как неидеальный амперметр или вольтметр повлияет на результаты измерений. Если не указано иное, все батареи, провода и приборы считаются идеальными.

    Граничное утверждение: Цепи с батареями с разными напряжениями, соединенными параллельно, не будут оцениваться.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Combine resistors to find an equivalent resistance 等效电阻:

    • Series: $R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$ (resistances add).
    • Parallel: $\dfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\cdots$ (the total is less than the smallest).

    Reduce the network step by step to find the total current from the battery, then work back to each element.

    Worked example. A $12\ \text{V}$ battery drives a $4.0\ \Omega$ and a $12\ \Omega$ resistor in parallel. First combine them: $\dfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\dfrac14+\dfrac{1}{12}=\dfrac{4}{12}\Rightarrow R_{\text{eq}}=3.0\ \Omega$. The total current from the battery is $I=\dfrac{V}{R_{\text{eq}}}=\dfrac{12}{3.0}=4.0\ \text{A}$, which splits so that the smaller resistor carries the larger share ($3.0\ \text{A}$ through the $4\ \Omega$, $1.0\ \text{A}$ through the $12\ \Omega$).

    Русский

    Объедините резисторы, чтобы найти эквивалентное сопротивление:

    Резисторы, соединённые последовательно, складываются в одно эквивалентное сопротивление
    Резисторы, соединённые последовательно, складываются в одно эквивалентное сопротивление
    • Последовательно: $R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$ (сопротивления складываются).
    • Параллельно: $\dfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\cdots$ (общее значение меньше наименьшего).

    Упрощайте цепь пошагово, чтобы найти общий ток от источника питания, затем рассчитайте значения для каждого элемента.

    Разбор примера. Источник ЭДС $12\ \text{V}$ питает резисторы $4.0\ \Omega$ и $12\ \Omega$, соединённые параллельно. Сначала найдите их общее сопротивление: $\dfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\dfrac14+\dfrac{1}{12}=\dfrac{4}{12}\Rightarrow R_{\text{eq}}=3.0\ \Omega$. Общий ток от источника равен $I=\dfrac{V}{R_{\text{eq}}}=\dfrac{12}{3.0}=4.0\ \text{A}$, который разделяется так, что меньший резистор пропускает бо́льшую часть тока ($3.0\ \text{A}$ через $4\ \Omega$, $1.0\ \text{A}$ через $12\ \Omega$).

    11.5

    Measuring Current and Voltage · ⁨Измерение тока и напряжения⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 11.5.A: Describe the equivalent resistance of multiple resistors connected in a circuit.

    • 11.5.A.1 Circuit elements may be connected in series and/or in parallel.
      • 11.5.A.1.i A series connection is one in which any charge passing through one circuit element must proceed through all elements in that connection and has no other path available. The current in each element in series must be the same.
      • 11.5.A.1.ii A parallel connection is one in which charges may flow through one of two or more paths. Across each path, the potential difference is the same.
    • 11.5.A.2 A collection of resistors in a circuit may be analyzed as though it were a single resistor with an equivalent resistance $R_{\text{eq}}$.
      • 11.5.A.2.i The equivalent resistance of a set of resistors in series is the sum of the individual resistances.
        • Equation: $R_{\text{eq},s} = \sum_i R_i$
      • 11.5.A.2.ii The inverse of the equivalent resistance of a set of resistors connected in parallel is equal to the sum of the inverses of the individual resistances.
        • Equation: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_i \dfrac{1}{R_i}$
      • 11.5.A.2.iii When resistors are connected in parallel, the number of paths available to charges increases, and the equivalent resistance of the group of resistors decreases.

    Learning Objective 11.5.B: Describe a circuit with resistive wires and a battery with internal resistance.

    • 11.5.B.1 Ideal batteries have negligible internal resistance. Ideal wires have negligible resistance.
      • 11.5.B.1.i The resistance of wires that are good conductors may normally be neglected, because their resistance is much smaller than that of other elements of a circuit.
      • 11.5.B.1.ii The resistance of wires may only be neglected if the circuit contains other elements that do have resistance.
      • 11.5.B.1.iii The potential difference a battery would supply if it were ideal is the potential difference measured across the terminals when there is no current in the battery and is sometimes referred to as its $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
    • 11.5.B.2 The internal resistance of a nonideal battery may be treated as the resistance of a resistor in series with an ideal battery and the remainder of the circuit.
    • 11.5.B.3 When there is current in a nonideal battery with internal resistance $r$, the potential difference across the terminals of the battery is reduced relative to the potential difference when there is no current in the battery.
      • Equation (derived): $\Delta V_{\text{terminal}} = \varepsilon - Ir$

    Learning Objective 11.5.C: Describe the measurement of current and potential difference in a circuit.

    • 11.5.C.1 Ammeters are used to measure current at a specific point in a circuit.
      • 11.5.C.1.i Ammeters must be connected in series with the element in which current is being measured.
      • 11.5.C.1.ii Ideal ammeters have zero resistance so that they do not affect the current in the element that they are in series with.
    • 11.5.C.2 Voltmeters are used to measure electric potential difference between two points in a circuit.
      • 11.5.C.2.i Voltmeters must be connected in parallel with the element across which potential difference is being measured.
      • 11.5.C.2.ii Ideal voltmeters have an infinite resistance so that no charge flows through them.
    • 11.5.C.3 Nonideal ammeters and voltmeters will change the properties of the circuit being measured.

    Boundary statement: AP Physics 2 only expects students to qualitatively discuss how a nonideal ammeter or voltmeter will affect the results of measurements. Unless otherwise stated, all batteries, wires, and meters are assumed to be ideal.

    Boundary statement: Circuits with batteries of different potential differences connected in parallel will not be assessed.

    Русский

    Цель обучения 11.5.A: Описывать эквивалентное сопротивление нескольких резисторов, соединённых в цепи.

    • 11.5.A.1 Элементы цепи могут быть соединены последовательно и/или параллельно.
      • 11.5.A.1.i Последовательное соединение — это такое соединение, при котором любой заряд, проходящий через один элемент цепи, должен пройти через все элементы этого соединения и не имеет других путей. Сила тока в каждом элементе, соединённом последовательно, должна быть одинаковой.
      • 11.5.A.1.ii Параллельное соединение — это такое соединение, при котором заряд может течь по одному из двух или нескольких путей. Разность потенциалов на каждом пути одинакова.
    • 11.5.A.2 Набор резисторов в цепи можно рассматривать как один эквивалентный резистор с эквивалентным сопротивлением $R_{\text{eq}}$.
      • 11.5.A.2.i Эквивалентное сопротивление набора резисторов, соединенных последовательно, равно сумме их индивидуальных сопротивлений.
        • Уравнение: $R_{\text{eq},s} = \sum_i R_i$
      • 11.5.A.2.ii Величина, обратная эквивалентному сопротивлению набора резисторов, соединенных параллельно, равна сумме величин, обратных индивидуальным сопротивлениям.
        • Уравнение: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_i \dfrac{1}{R_i}$
      • 11.5.A.2.iii При параллельном соединении резисторов количество доступных для зарядов путей увеличивается, а эквивалентное сопротивление группы резисторов уменьшается.

    Учебная цель 11.5.B: Описать цепь с резистивными проводами и батареей с внутренним сопротивлением.

    • 11.5.B.1 Идеальные батареи имеют пренебрежимо малым внутренним сопротивлением. Идеальные провода имеют пренебрежимо малое сопротивление.
      • 11.5.B.1.i Сопротивлением проводов-хороших проводников обычно можно пренебречь, так как оно значительно меньше, чем сопротивление других элементов цепи.
      • 11.5.B.1.ii Сопротивлением проводов можно пренебречь только если в цепи присутствуют другие элементы, обладающие сопротивлением.
      • 11.5.B.1.iii Напряжение, которое выдала бы идеальная батарея, равно напряжению, измеряемому на зажимах при отсутствии тока в батарее, и иногда называется её $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
    • 11.5.B.2 Внутреннее сопротивление неидеальной батареи можно рассматривать как сопротивление резистора, включенного последовательно с идеальной батареей и остальной частью цепи.
    • 11.5.B.3 При наличии тока в неидеальной батарее с внутренним сопротивлением $r$ напряжение на зажимах батареи снижается по сравнению с напряжением при отсутствии тока в батарее.
      • Уравнение (выведенное): $\Delta V_{\text{terminal}} = \varepsilon - Ir$

    Учебная цель 11.5.C: Описать измерение силы тока и напряжения в цепи.

    • 11.5.C.1 Амперметры используются для измерения силы тока в конкретной точке цепи.
      • 11.5.C.1.i Амперметры должны подключаться последовательно с элементом, в котором измеряется сила тока.
      • 11.5.C.1.ii Идеальные амперметры имеют нулевое сопротивление, чтобы не оказывать влияния на ток в элементе, с которым они соединены последовательно.
    • 11.5.C.2 Вольтметры используются для измерения разности электрических потенциалов между двумя точками в цепи.
      • 11.5.C.2.i Вольтметры должны подключаться параллельно элементу, на котором измеряется разность потенциалов.
      • 11.5.C.2.ii Идеальные вольтметры имеют бесконечное сопротивление, поэтому через них не течет заряд.
    • 11.5.C.3 Неидеальные амперметры и вольтметры изменят свойства измеряемой цепи.

    Граничное утверждение: AP Physics 2 требует от студентов лишь качественного обсуждения того, как неидеальный амперметр или вольтметр повлияет на результаты измерений. Если не указано иное, все батареи, провода и приборы считаются идеальными.

    Граничное утверждение: Цепи с батареями с разными напряжениями, соединенными параллельно, не будут оцениваться.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Two meters read a circuit. An ammeter 电流表 measures the current at a point, so it must be wired in series – the current you want to measure has to flow through it. A voltmeter 电压表 measures the potential difference between two points, so it is wired in parallel, bridging across the component whose voltage you want.

    For a meter to read the true value it must barely disturb the circuit:

    • an ideal ammeter has zero resistance, so putting it in series does not reduce the current it reads;
    • an ideal voltmeter has infinite resistance, so almost no current is diverted through it.

    A real, nonideal 非理想 meter is imperfect: a real ammeter has a small resistance (it slightly lowers the current), and a real voltmeter lets a little current leak through (it slightly lowers the voltage it reads). So connecting any meter changes, a little, the very quantity it is measuring.

    Русский

    Два прибора измеряют параметры цепи. Амперметр измеряет силу тока в точке, поэтому его подключают последовательно — измеряемый ток должен протекать через него. Вольтметр измеряет разность потенциалов между двумя точками, поэтому его подключают параллельно, охватывая элемент, напряжение на котором нужно измерить.

    Чтобы прибор показывал истинное значение, он должен практически не влиять на цепь:

    • идеальный амперметр имеет нулевое сопротивление, поэтому включение его последовательно не снижает измеряемый ток;
    • идеальный вольтметр имеет бесконечное сопротивление, поэтому почти весь ток идёт мимо него.

    Реальный, неидеальный прибор несовершенен: у реального амперметра есть небольшое сопротивление (он слегка уменьшает ток), а у реального вольтметра есть утечка тока (он слегка занижает показания). Таким образом, подключение любого прибора немного изменяет величину, которую он измеряет.

    11.6

    Kirchhoff's Loop Rule · ⁨Правило контуров Кирхгофа⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 11.6.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's loop rule.

    • 11.6.A.1 Energy changes in simple electrical circuits may be represented in terms of charges moving through electric potential differences within circuit elements.
      • Equation: $\Delta U_E = q \Delta V$
    • 11.6.A.2 Kirchhoff's loop rule is a consequence of the conservation of energy.
    • 11.6.A.3 Kirchhoff's loop rule states that the sum of potential differences across all circuit elements in a single closed loop must equal zero.
      • Equation: $\sum \Delta V = 0$
    • 11.6.A.4 The values of electric potential at points in a circuit can be represented by a graph of electric potential as a function of position within a loop.
    Русский

    Учебная цель 11.6.A: Описать цепь или элементы цепи, применяя правило контуров Кирхгофа.

    • 11.6.A.1 Изменения энергии в простых электрических цепях можно представить через движение зарядов через разности электрических потенциалов внутри элементов цепи.
      • Уравнение: $\Delta U_E = q \Delta V$
    • 11.6.A.2 Правило контуров Кирхгофа является следствием закона сохранения энергии.
    • 11.6.A.3 Правило контуров Кирхгофа гласит, что сумма разностей потенциалов на всех элементах цепи в одном замкнутом контуре должна быть равна нулю.
      • Уравнение: $\sum \Delta V = 0$
    • 11.6.A.4 Значения электрического потенциала в точках цепи можно представить в виде графика зависимости электрического потенциала от положения внутри контура.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Kirchhoff's loop rule 基尔霍夫电压定律 (energy conservation): around any closed loop, the voltage gains and drops sum to zero. Add the battery's emf and subtract each $IR$ drop as you go around. This gives one equation per independent loop.

    Русский

    Правило контуров Кирхгофа (закон сохранения энергии): вдоль любого замкнутого контура сумма приростов и падений напряжений равна нулю. При обходе прибавляйте ЭДС источника и вычитайте каждое падение напряжения на $IR$. Это даёт одно уравнение для каждого независимого контура.

    11.7

    Kirchhoff's Junction Rule · ⁨Правило узлов Кирхгофа⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 11.7.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's junction rule.

    • 11.7.A.1 Kirchhoff's junction rule is a consequence of the conservation of electric charge.
    • 11.7.A.2 Kirchhoff's junction rule states that the total amount of charge entering a junction per unit time must equal the total amount of charge exiting that junction per unit time.
      • Equation: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$
    Русский

    Учебная цель 11.7.A: Описать цепь или элементы цепи, применяя правило узлов Кирхгофа.

    • 11.7.A.1 Правило узлов Кирхгофа является следствием закона сохранения электрического заряда.
    • 11.7.A.2 Правило узлов Кирхгофа гласит, что общий заряд, входящий в узел за единицу времени, должен быть равен общему заряду, выходящему из этого узла за единицу времени.
      • Уравнение: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Kirchhoff's junction rule 基尔霍夫电流定律 (charge conservation): the total current into any junction equals the total current out. Together with the loop rule, it lets you solve any multi-loop circuit for its unknown currents.

    Русский

    Правило узлов Кирхгофа (закон сохранения заряда): суммарный ток, входящий в любой узел, равен суммарному току, выходящему из него. В сочетании с правилом контуров это позволяет решить любую многоконтурную цепь и найти неизвестные токи.

    Ток делится в узле: что втекает, то и вытекает
    Ток делится в узле: что втекает, то и вытекает
    11.8

    RC Circuits · ⁨RC-цепи⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    Learning ObjectiveEssential Knowledge

    11.8.A
    Describe the equivalent capacitance of multiple capacitors.

    • 11.8.A.1 A collection of capacitors in a circuit may be analyzed as though it were a single capacitor with an equivalent capacitance $C_{\text{eq}}$.
      • 11.8.A.1.i The inverse of the equivalent capacitance of a set of capacitors connected in series is equal to the sum of the inverses of the individual capacitances.
        • Equation: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_i \dfrac{1}{C_i}$
      • 11.8.A.1.ii The equivalent capacitance of a set of capacitors in series is less than the capacitance of the smallest capacitor.
      • 11.8.A.1.iii The equivalent capacitance of a set of capacitors in parallel is the sum of the individual capacitances.
        • Equation: $C_{\text{eq},p} = \sum_i C_i$
    • 11.8.A.2 As a result of conservation of charge, each of the capacitors in series must have the same magnitude of charge on each plate.

    11.8.B
    Describe the behavior of a circuit containing combinations of resistors and capacitors.

    • 11.8.B.1 The time constant $\tau$ is a significant feature of an RC circuit.
      • 11.8.B.1.i The time constant of an RC circuit is a measure of how quickly the capacitor will charge or discharge and is defined as $\tau = R_{\text{eq}} C_{\text{eq}}$.
      • 11.8.B.1.ii For a charging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to increase from zero to approximately 63 percent of its final asymptotic value.
      • 11.8.B.1.iii For a discharging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to decrease from fully charged to approximately 37 percent of its initial value.
    • 11.8.B.2 The potential difference across a capacitor and the current in the branch of the circuit containing the capacitor each change over time as the capacitor charges and discharges, but both will reach a steady state after a long time interval.
      • 11.8.B.2.i Immediately after being placed in a circuit, an uncharged capacitor acts like a wire, and charge can easily flow to or from the plates of the capacitor.
      • 11.8.B.2.ii As a capacitor charges, changes to the potential difference across the capacitor affect the charge on the plates of the capacitor, the current circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor.
      • 11.8.B.2.iii The potential difference across a capacitor, the current in the circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor all change with respect to time and asymptotically approach steady state conditions.
      • 11.8.B.2.iv After a long time, a charging capacitor approaches a state of being fully charged, reaching a maximum potential difference at which there is zero current in the circuit branch in which the capacitor is located.
      • 11.8.B.2.v Immediately after a charged capacitor begins discharging, the amount of charge on the capacitor plates and the energy stored in the capacitor begin to decrease.
      • 11.8.B.2.vi As a capacitor discharges, the amount of charge on the capacitor, the potential difference across the capacitor, and the current in the circuit branch in which the capacitor is located all decrease until a steady state is reached.
      • 11.8.B.2.vii After either charging or discharging for times much greater than the time constant, the capacitor and the relevant circuit branch may be modeled using steady-state conditions.

    Boundary statement: Descriptions of charging/discharging RC circuits in AP Physics 2 are limited to qualitative descriptions and representations. While students should be able to mathematically describe initial and final states of RC circuits, students are not expected to mathematically model these behaviors with respect to time.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Charging a capacitor (RC)

    An RC circuit RC电路 contains a resistor and a capacitor. When charging, the capacitor's voltage rises and the current falls, both exponentially, over a characteristic time $\tau=RC$. Key limits: at the first instant the uncharged capacitor acts like a plain wire (maximum current); after a long time it is fully charged and blocks current (acts like a break).

    Worked example. For $R=10\ \text{k}\Omega$ and $C=100\ \mu\text{F}$, the time constant is $\tau=RC=(10\times10^{3})(100\times10^{-6})=1.0\ \text{s}$. After one time constant the capacitor reaches about $63\%$ of the supply voltage; after about $5\tau$ it is essentially fully charged.

    Русский
    Зарядка конденсатора (RC)

    RC-цепь содержит резистор и конденсатор. При зарядении напряжение на конденсаторе растёт, а ток убывает; оба процесса протекают экспоненциально в течение характерного времени $\tau=RC$. Ключевые предельные случаи: в первый момент незаряженный конденсатор ведёт себя как простой проводник (максимальный ток); после длительного времени он полностью заряжен и блокирует ток (ведёт себя как разрыв цепи).

    Заряд на конденсаторе экспоненциально убывает при разрядке
    Заряд на конденсаторе экспоненциально убывает при разрядке

    Разбор примера. Для $R=10\ \text{k}\Omega$ и $C=100\ \mu\text{F}$ постоянная времени составляет $\tau=RC=(10\times10^{3})(100\times10^{-6})=1.0\ \text{s}$. После одной постоянной времени конденсатор достигает примерно $63\%$ напряжения питания; спустя около $5\tau$ он практически полностью заряжен.

    11.8

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • In series the current is the same throughout; in parallel the voltage is the same across each branch — never mix these up.
    • Combine resistors: series add; parallel $1/R_{\text{eq}}=\sum 1/R_i$ (the total is less than the smallest).
    • Apply Kirchhoff's rules: junction (current in = current out, charge conserved) and loop (voltages sum to zero, energy conserved).
    • Pick the power form that fits your knowns: $P=IV=I^2R=V^2/R$.
    • An ammeter goes in series (ideal: zero resistance); a voltmeter goes in parallel (ideal: infinite resistance). A real meter slightly disturbs the circuit it measures.
    • A bulb is brighter when it dissipates more power – in series the biggest resistance ($I^2R$) glows brightest; in parallel the smallest ($V^2/R$) does.
    • In an RC circuit the capacitor acts like a plain wire the instant it starts charging and like a break once fully charged.
    Русский
    • В последовательном соединении ток одинаков на всём участке; в параллельном — напряжение одинаково на каждой ветви — никогда не путайте эти правила.
    • Складывайте сопротивления: последовательно они складываются; параллельно $1/R_{\text{eq}}=\sum 1/R_i$ (общее значение меньше наименьшего).
    • Применяйте правила Кирхгофа: для узлов (ток входа = ток выхода, сохранение заряда) и для контуров (сумма напряжений равна нулю, сохранение энергии).
    • Выберите подходящую формулу мощности в зависимости от известных величин: $P=IV=I^2R=V^2/R$.
    • Амперметр подключается последовательно (идеальный: нулевое сопротивление); вольтметр подключается параллельно (идеальный: бесконечное сопротивление). Реальный прибор слегка искажает измеряемую цепь.
    • Лампочка светит ярче, когда рассеивает больше мощности — в последовательной цепи ярче всего светит резистор с наибольшим сопротивлением ($I^2R$), а в параллельной — с наименьшим ($V^2/R$).
    • В RC-цепи конденсатор в начале зарядения ведёт себя как простой проводник, а после полного заряда — как разрыв цепи.
  • 12

    Magnetism and Electromagnetism · ⁨Магнетизм и электромагнетизм⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    12.1

    Magnetic Fields · ⁨Магнитные поля⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    Learning ObjectiveEssential Knowledge

    12.1.A
    Describe the properties of a magnetic field.

    • 12.1.A.1 A magnetic field is a vector field that can be used to determine the magnetic force exerted on moving electric charges, electric currents, or magnetic materials.
      • 12.1.A.1.i Magnetic fields can be produced by magnetic dipoles or combinations of dipoles, but never by monopoles.
      • 12.1.A.1.ii Magnetic dipoles have north and south polarity.
    • 12.1.A.2 A magnetic field is a vector quantity and can be represented using vector field maps.
      • 12.1.A.2.i Magnetic field lines form closed loops.
      • 12.1.A.2.ii Magnetic fields in a bar magnet form closed loops, with the external magnetic field pointing away from one end (defined as the north pole) and returning to the other end (defined as the south pole).

    12.1.B
    Describe the magnetic behavior of a material as a result of the configuration of magnetic dipoles in the material.

    • 12.1.B.1 Magnetic dipoles result from the circular or rotational motion of electric charges. In magnetic materials, this can be the motion of electrons.
      • 12.1.B.1.i Permanent magnetism and induced magnetism are system properties that both result from the alignment of magnetic dipoles within a system.
      • 12.1.B.1.ii No magnetic north pole is ever found in isolation from a south pole. For example, if a bar magnet is broken in half, both halves are magnetic dipoles.
      • 12.1.B.1.iii Magnetic poles of the same polarity will repel; magnetic poles of opposite polarity will attract.
      • 12.1.B.1.iv The magnitude of the magnetic field from a magnetic dipole decreases with increasing distance from the dipole.
    • 12.1.B.2 A magnetic dipole, such as a magnetic compass, placed in a magnetic field will tend to align with the magnetic field.
    • 12.1.B.3 A material's composition influences its magnetic behavior in the presence of an external magnetic field.
      • 12.1.B.3.i Ferromagnetic materials such as iron, nickel, and cobalt can be permanently magnetized by an external field that causes the alignment of magnetic domains or atomic magnetic dipoles.
      • 12.1.B.3.ii Paramagnetic materials such as aluminum, titanium, and magnesium interact weakly with an external magnetic field, in that the magnetic dipoles of the material do not remain aligned after the external field is removed.
      • 12.1.B.3.iii All materials have the property of diamagnetism, in that their electronic structure creates a usually weak alignment of the dipole moments of the material opposite the external magnetic field.
    • 12.1.B4 Earth's magnetic field may be approximated as a magnetic dipole.

    12.1.C
    Describe the magnetic permeability of a material.

    • 12.1.C.1 Magnetic permeability is a measurement of the amount of magnetization in a material in response to an external magnetic field.
    • 12.1.C.2 Free space has a constant value of magnetic permeability, known as the vacuum permeability $\mu_0$, that appears in equations representing physical relationships.
    • 12.1.C.3 The permeability of matter has values different from that of free space and arises from the matter's composition and arrangement. It is not a constant for a material and varies based on many factors, including temperature, orientation, and strength of the external field.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    The magnetic field around a current

    Different materials respond very differently to a magnetic field, and the course names three. Ferromagnetic 铁磁性 materials (iron, nickel, cobalt) have dipoles that align strongly and stay aligned, so they can be permanent magnets. Paramagnetic 顺磁性 materials (aluminium, titanium) align only weakly and do not stay aligned. Diamagnetic 抗磁性 materials - in fact all materials have some diamagnetism - align weakly opposite the field. This behaviour comes from a material property, the permeability 磁导率: free space has a fixed permeability of free space $\mu_0$, while the permeability of matter differs from it and is not even constant for a given material.

    A magnetic field 磁场 $\vec{B}$ surrounds magnets and moving charges. Field lines run from a magnet's north pole to its south pole outside the magnet, and denser lines mean a stronger field. Magnetic poles always come in pairs – cutting a magnet in half makes two smaller magnets, never an isolated pole.

    Русский
    Магнитное поле вокруг проводника с током
    Завесы зеленого свечения в ночном небе над заснеженным пейзажем
    Северное сияние: заряженные частицы от Солнца направляются магнитным полем Земли к полюсам, где сталкиваются с атмосферой и заставляют её светиться

    Различные материалы по-разному реагируют на магнитное поле, и курс рассматривает три типа. Ферромагнитные материалы (железо, никель, кобальт) имеют диполи, которые сильно выравниваются и сохраняют эту ориентацию, поэтому могут быть постоянными магнитами. Парамагнитные материалы (алюминий, титан) выравниваются лишь слабо и не сохраняют ориентацию. Диамагнитные материалы — фактически все вещества обладают диамагнетизмом — выравниваются слабой полярностью против направления поля. Такое поведение определяется свойством материала — магнитной проницаемостью: вакуум имеет фиксированную магнитную проницаемость $\mu_0$, тогда как магнитная проницаемость вещества отличается от неё и даже не является постоянной величиной для данного материала.

    Магнитное поле $\vec{B}$ окружает магниты и движущиеся заряды. Линии поля идут от северного полюса магнита к южному вне его, а более плотные линии указывают на более сильное поле. Магнитные полюса всегда существуют парами — разрезав магнит пополам, вы получите два маленьких магнита, но никогда не изолированный полюс.

    Линии магнитного поля идут от N к S снаружи полосового магнита, расположены ближе друг к другу там, где поле сильнее
    Линии поля идут от N к S вне стержневого магнита, сгущаясь там, где поле сильнее
    Железные опилки образуют изогнутые линии вокруг полосового магнита
    Железные опилки выстраиваются вдоль магнитного поля, делая видимыми невидимые линии поля стержневого магнита
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    See a magnet's field lines · ⁨Увидьте линии магнитного поля⁩

    Magnetic field lines run from the north pole to the south pole outside the magnet. Where the lines crowd together the field is strongest. · ⁨Магнитные силовые линии идут от северного полюса к южному снаружи магнита. Там, где линии расположены гуще, поле сильнее.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Ferromagnetic/ˌferəməɡˈnetɪk/ ферромагнитный
    Paramagnetic/ˌpærəməɡˈnetɪk/ парамагнитный
    Diamagnetic/ˌdaɪəməɡˈnetɪk/ диамагнитный
    permeability/ˌpɜːməˈbɪlɪti/ магнитная проницаемость
    magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ магнитным полем
    12.2

    Magnetism and Moving Charges · ⁨Магнетизм и движущиеся заряды⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 12.2.A: Describe the magnetic field produced by moving charged objects.

    • 12.2.A.1 A single moving charged object produces a magnetic field.
      • 12.2.A.1.i The magnetic field at a particular point produced by a moving charged object depends on the object's velocity and the distance between the point and the object.
      • 12.2.A.1.ii At a point in space, the direction of the magnetic field produced by a moving charged object is perpendicular to both the velocity of the object and the position vector from the object to that point in space and can be determined using the right-hand rule.
      • 12.2.A.1.iii The magnitude of the magnetic field is a maximum when the velocity vector and the position vector from the object to that point in space are perpendicular.

    Learning Objective 12.2.B: Describe the force exerted on moving charged objects by a magnetic field.

    • 12.2.B.1 Magnetic forces describe interactions between moving charged objects.
    • 12.2.B.2 A magnetic field may exert a force on a charged object moving in that field.
      • 12.2.B.2.i The magnitude of the force exerted by a magnetic field on a moving charged object is proportional to the magnitude of the charge, the magnitude of the charged object's velocity, and the magnitude of the magnetic field and also depends on the angle between the velocity and magnetic field vectors.
        • Equation: $F_B = qvB\sin\theta$
      • 12.2.B.2.ii The direction of the force exerted by a magnetic field on a moving charged object is perpendicular to both the direction of the magnetic field and the velocity of the charge, as defined by the right-hand rule.
    • 12.2.B.3 In a region containing both a magnetic field and an electric field, a moving charged object will experience independent forces from each field.
    • 12.2.B.4 The Hall effect describes the potential difference created in a conductor by an external magnetic field that has a component perpendicular to the direction of charges moving in the conductor.

    Boundary statement: Quantitative treatment of the magnitude of the magnetic force exerted by a magnetic field on a moving charge is limited to angles of 0, 90, and 180 degrees between the velocity and the magnetic field. Qualitative analysis of other angles is permitted.

    Русский

    Цель обучения 12.2.A: Описать магнитное поле, создаваемое движущимися заряженными объектами.

    • 12.2.A.1 Один движущийся заряженный объект создает магнитное поле.
      • 12.2.A.1.i Магнитное поле в конкретной точке, создаваемое движущимся заряженным объектом, зависит от скорости этого объекта и расстояния между точкой и объектом.
      • 12.2.A.1.ii В данной точке пространства направление магнитного поля, создаваемого движущимся заряженным объектом, перпендикулярно как вектору скорости объекта, так и радиус-вектору, проведенному от объекта к этой точке в пространстве; это направление определяется с помощью правила правой руки.
      • 12.2.A.1.iii Величина магнитного поля максимальна, когда вектор скорости и радиус-вектор, проведенный от объекта к данной точке в пространстве, перпендикулярны друг другу.

    Цель обучения 12.2.B: Описать силу, действующую на движущиеся заряженные объекты со стороны магнитного поля.

    • 12.2.B.1 Магнитные силы описывают взаимодействия между движущимися заряженными объектами.
    • 12.2.B.2 Магнитное поле может оказывать силу на заряженный объект, движущийся в этом поле.
      • 12.2.B.2.i Величина силы, действующей со стороны магнитного поля на движущийся заряженный объект, пропорциональна величине заряда, величине скорости заряженного объекта и величине магнитного поля, а также зависит от угла между векторами скорости и магнитного поля.
        • Уравнение: $F_B = qvB\sin\theta$
      • 12.2.B.2.ii Направление силы, действующей со стороны магнитного поля на движущийся заряженный объект, перпендикулярно как направлению магнитного поля, так и скорости заряда, что определяется правилом правой руки.
    • 12.2.B.3 В области, содержащей как магнитное, так и электрическое поля, движущийся заряженный объект испытывает независимые силы от каждого из полей.
    • 12.2.B.4 Эффект Холла описывает разность потенциалов, возникающую в проводнике под действием внешнего магнитного поля, имеющего компоненту, перпендикулярную направлению движения зарядов в проводнике.

    Граничное условие: Количественное описание величины магнитной силы, действующей на движущийся заряд со стороны магнитного поля, ограничивается углами 0, 90 и 180 градусов между вектором скорости и магнитным полем. Количественный анализ других углов не требуется, допускается качественный анализ.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    A moving charge in a magnetic field

    A charge moving through a magnetic field feels a magnetic force 磁力:

    $$F=qvB\sin\theta,$$
    where $\theta$ is the angle between the velocity and the field. The force is perpendicular to both $\vec{v}$ and $\vec{B}$ (use the right-hand rule), so it changes direction but not speed – a charge moving perpendicular to a uniform field travels in a circle. A stationary charge, or one moving parallel to the field, feels no magnetic force.

    Worked example. A proton ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$, $m=1.67\times10^{-27}\ \text{kg}$) enters a $0.50\ \text{T}$ field at $2.0\times10^{5}\ \text{m/s}$, at right angles to the field. The magnetic force is

    $$F=qvB=1.6\times10^{-19}\times2.0\times10^{5}\times0.50=1.6\times10^{-14}\ \text{N}.$$
    This force is the centripetal force, so it bends the proton into a circle of radius
    $$r=\frac{mv}{qB}=\frac{1.67\times10^{-27}\times2.0\times10^{5}}{1.6\times10^{-19}\times0.50}=4.2\times10^{-3}\ \text{m}.$$
    Setting $qvB=\dfrac{mv^2}{r}$ and cancelling gives that neat $r=mv/(qB)$ – the principle behind mass spectrometers.

    Русский
    Движущийся заряд в магнитном поле

    Заряд, движущийся в магнитном поле, испытывает магнитную силу:

    $$F=qvB\sin\theta,$$
    где $\theta$ — угол между вектором скорости и полем. Сила перпендикулярна как $\vec{v}$, так и $\vec{B}$ (правило правой руки), поэтому она меняет направление, но не скорость — заряд, движущийся перпендикулярно однородному полю, движется по окружности. Покойный заряд или заряд, движущийся параллельно полю, не испытывает магнитной силы.

    Заряженная частица, движущаяся через магнитное поле, следует по круговой траектории
    Заряженная частица, движущаяся через магнитное поле, следует по круговой траектории

    Разобранная задача. Протон ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$, $m=1.67\times10^{-27}\ \text{kg}$) входит в $0.50\ \text{T}$-поле под углом $2.0\times10^{5}\ \text{m/s}$, перпендикулярно линиям поля. Магнитная сила равна

    $$F=qvB=1.6\times10^{-19}\times2.0\times10^{5}\times0.50=1.6\times10^{-14}\ \text{N}.$$
    Эта сила является центростремительной, поэтому она отклоняет протон по окружности радиусом
    $$r=\frac{mv}{qB}=\frac{1.67\times10^{-27}\times2.0\times10^{5}}{1.6\times10^{-19}\times0.50}=4.2\times10^{-3}\ \text{m}.$$
    Приравнивая $qvB=\dfrac{mv^2}{r}$ и сокращая, получаем аккуратную формулу для $r=mv/(qB)$ — принцип работы масс-спектрометров.

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    magnetic force/mæɡˈnetɪk fɔːs/ магнитная сила
    12.3

    Magnetism and Current-Carrying Wires · ⁨Магнетизм и проводники с током⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 12.3.A: Describe the magnetic field produced by a current-carrying wire.

    • 12.3.A.1 A current-carrying wire produces a magnetic field.
      • 12.3.A.1.i The magnetic field vectors around a long, straight, current-carrying wire are tangent to concentric circles centered on that wire. The field has no component toward, away from, or parallel to the long, straight, current-carrying wire.
      • 12.3.A.1.ii At a point in space, the magnitude of the magnetic field due to a long, straight, current-carrying wire is proportional to the magnitude of the current in the wire and inversely proportional to the perpendicular distance from the central axis of the wire to the point.
        • Equation: $B = \dfrac{\mu_0}{2\pi}\dfrac{I}{r}$
      • 12.3.A.1.iii The direction of the magnetic field created by a current-carrying wire is determined with the right-hand rule.
      • 12.3.A.1.iv The direction of the magnetic field at the center of a current-carrying loop is directed along the axis of the loop and can be found using the right-hand rule.
      • 12.3.A.1.v The magnetic field at a location near two or more current-carrying wires can be determined using vector addition principles.

    Learning Objective 12.3.B: Describe the force exerted on a current-carrying wire by a magnetic field.

    • 12.3.B.1 A magnetic field may exert a force on a current-carrying wire.
      • 12.3.B.1.i The magnitude of the force exerted by a magnetic field on a current-carrying wire is proportional to the current, the length of the portion of the wire within the magnetic field, and the magnitude of the magnetic field, and also depends on the angle between the direction of the current in the wire and the direction of the magnetic field.
        • Equation: $F_B = I\ell B\sin\theta$
      • 12.3.B.1.ii The direction of the force exerted by the magnetic field on a current-carrying wire is determined by the right-hand rule.
    Русский

    Цель обучения 12.3.A: Описать магнитное поле, создаваемое проводником с током.

    • 12.3.A.1 Проводник с током создает магнитное поле.
      • 12.3.A.1.i Векторы магнитного поля вокруг длинного прямого проводника с током касаются концентрических окружностей, центр которых находится на этом проводнике. Поле не имеет компоненты, направленной к проводнику, от него или параллельно ему.
      • 12.3.A.1.ii В данной точке пространства величина магнитного поля, создаваемого длинным прямым проводником с током, пропорциональна величине тока в проводнике и обратно пропорциональна перпендикулярному расстоянию от центральной оси проводника до данной точки.
        • Уравнение: $B = \dfrac{\mu_0}{2\pi}\dfrac{I}{r}$
      • 12.3.A.1.iii Направление магнитного поля, создаваемого проводником с током, определяется с помощью правила правой руки.
      • 12.3.A.1.iv Направление магнитного поля в центре контура с током направлено вдоль оси контура и может быть определено с помощью правила правой руки.
      • 12.3.A.1.v Магнитное поле в точке рядом с двумя или более проводниками с током можно определить, используя принципы векторного сложения.

    Цель обучения 12.3.B: Описать силу, действующую на проводник с током со стороны магнитного поля.

    • 12.3.B.1 Магнитное поле может оказывать силу на проводник с током.
      • 12.3.B.1.i Величина силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, пропорциональна силе тока, длине участка проводника, находящегося в магнитном поле, и величине магнитного поля, а также зависит от угла между направлением тока в проводнике и направлением магнитного поля.
        • Уравнение: $F_B = I\ell B\sin\theta$
      • 12.3.B.1.ii Направление силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, определяется с помощью правила правой руки.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Because a current is moving charge, a magnetic field pushes on a current-carrying wire:

    $$F=BIL\sin\theta.$$
    A current also creates its own magnetic field: circular field lines wrap around a straight wire (right-hand rule), and a coil (solenoid) makes a field like a bar magnet. This is how electromagnets and motors work.

    Worked example. A $0.30\ \text{m}$ length of wire carries $4.0\ \text{A}$ at right angles to a $0.20\ \text{T}$ field. The force on it is $F=BIL=0.20\times4.0\times0.30=0.24\ \text{N}$ – the push that turns a motor's coil.

    Русский

    Поскольку ток — это движущиеся заряды, магнитное поле действует на проводник с током:

    $$F=BIL\sin\theta.$$
    Ток также создает собственное магнитное поле: кольцевые линии поля охватывают прямой проводник (правило правой руки), а катушка (соленоид) создает поле, аналогичное полю постоянного магнита. Так работают электромагниты и двигатели.

    Концентрические кольцевые линии поля окружают прямой проводник с током
    Концентрические кольцевые линии поля окружают прямой проводник с током

    Разобранная задача. Кусок провода длиной $0.30\ \text{m}$ несет ток $4.0\ \text{A}$ под прямым углом к $0.20\ \text{T}$-полю. Сила, действующая на него, равна $F=BIL=0.20\times4.0\times0.30=0.24\ \text{N}$ — толчок, который вращает катушку двигателя.

    Катушка с током (соленоид) создает магнитное поле, форма которого подобна полю постоянного магнита
    Катушка с током (соленоид) создает магнитное поле, форма которого подобна полю постоянного магнита
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Find the force on a current in a field · ⁨Найдите силу, действующую на проводник с током в поле⁩

    A current in a magnetic field feels a force $F = BIL$, at right angles to both. Use the left-hand rule; reverse the current or field and the force flips. · ⁨Ток в магнитном поле испытывает силу $F = BIL$, направленную перпендикулярно как самому току, так и полю. Используйте правило левой руки; измените направление тока или поля, и сила перевернется.⁩

    12.4

    Electromagnetic Induction and Faraday's Law · ⁨Электромагнитная индукция и закон Фарадея⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 12.4.A: Describe the induced electric potential difference resulting from a change in magnetic flux.

    • 12.4.A.1 Magnetic flux is a description of the amount of the component of a magnetic field that is perpendicular to a cross-sectional area.
    • 12.4.A.2 Magnetic flux through a surface is proportional to the magnitude of the component of the magnetic field perpendicular to the surface and to the cross-sectional area of the surface.
      • Equation: $\Phi_B = BA\cos\theta$
      • 12.4.A.2.i The area vector is defined to be perpendicular to the plane of the surface and directed outward from a closed surface.
      • 12.4.A.2.ii The sign of the magnetic flux indicates whether the magnetic field is parallel to or antiparallel to the area vector.
    • 12.4.A.3 Faraday’s law describes the relationship between changing magnetic flux and the resulting induced emf in a system.
      • Equation: $|\mathcal{E}| = \left|\dfrac{\Delta\Phi_B}{\Delta t}\right|$
    • 12.4.A.4 Lenz’s law is used to determine the direction of an induced emf resulting from a changing magnetic flux.
      • Equation: $\mathcal{E} = -\dfrac{\Delta\Phi_B}{\Delta t} = -\dfrac{\Delta(BA\cos\theta)}{\Delta t}$
      • 12.4.A.4.i An induced emf generates a current that creates a magnetic field that opposes the change in magnetic flux.
      • 12.4.A.4.ii The right-hand rule is used to determine the relationships between current, emf, and magnetic flux.
    • 12.4.A.5 A common example of electromagnetic induction is a conducting rod on conducting rails in a region with a uniform magnetic field.
      • Derived equation: $\mathcal{E} = B\ell v$
    Русский

    Цель обучения 12.4.A: Описать вызванную ЭДС (электродвижущую силу), возникающую при изменении магнитного потока.

    • 12.4.A.1 Магнитный поток — это мера количества компоненты магнитного поля, перпендикулярного поперечной площади.
    • 12.4.A.2 Магнитный поток через поверхность пропорционален величине компоненты магнитного поля, перпендикулярной поверхности, и площади поперечного сечения поверхности.
      • Уравнение: $\Phi_B = BA\cos\theta$
      • 12.4.A.2.i Вектор площади определяется как перпендикулярный плоскости поверхности и направленный наружу от замкнутой поверхности.
      • 12.4.A.2.ii Знак магнитного потока указывает, параллелен ли магнитный вектор вектору площади или антипараллелен ему.
    • 12.4.A.3 Закон Фарадея описывает связь между изменением магнитного потока и возникающей в системе ЭДС.
      • Уравнение: $|\mathcal{E}| = \left|\dfrac{\Delta\Phi_B}{\Delta t}\right|$
    • 12.4.A.4 Закон Ленца используется для определения направления вызванной ЭДС, возникающей при изменении магнитного потока.
      • Уравнение: $\mathcal{E} = -\dfrac{\Delta\Phi_B}{\Delta t} = -\dfrac{\Delta(BA\cos\theta)}{\Delta t}$
      • 12.4.A.4.i Вызванная ЭДС порождает ток, который создает магнитное поле, противодействующее изменению магнитного потока.
      • 12.4.A.4.ii Правило правой руки используется для определения соотношений между током, ЭДС и магнитным потоком.
    • 12.4.A.5 Распространенным примером электромагнитной индукции является проводящий стержень на проводящих рельсах в области с однородным магнитным полем.
      • Выведенное уравнение: $\mathcal{E} = B\ell v$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Electromagnetic induction

    A changing magnetic field through a loop drives a current – electromagnetic induction 电磁感应. The magnetic flux 磁通量 $\Phi=BA\cos\theta$ measures how much field passes through the loop. Faraday's law 法拉第定律 gives the induced emf:

    $$\varepsilon=-\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}.$$
    The flux changes if the field, the area, or the loop's orientation changes. Lenz's law 楞次定律 (the minus sign) says the induced current flows so as to oppose the change that caused it – the basis of generators.

    Worked example. The magnetic flux through a single loop drops from $0.020\ \text{Wb}$ to $0.008\ \text{Wb}$ in $0.030\ \text{s}$. The average induced emf is

    $$\varepsilon=\left|\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}\right|=\frac{0.020-0.008}{0.030}=0.40\ \text{V}.$$
    A coil of $N$ turns would give $N$ times this – which is why generators and transformers use many-turn coils.

    Русский
    Электромагнитная индукция

    Изменяющееся магнитное поле через контур вызывает ток — электромагнитная индукция. Магнитный поток $\Phi=BA\cos\theta$ измеряет, сколько линий поля проходит через контур. Закон Фарадея дает наведенную ЭДС:

    $$\varepsilon=-\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}.$$
    Поток меняется, если изменяется поле, площадь или ориентация контура. Закон Ленца (минус в формуле) гласит, что наведенный ток течет так, чтобы противодействовать изменению, которое его вызвало — основа генераторов.

    Перемещение магнита в катушку наводит ЭДС, которая вызывает ток
    Перемещение магнита в катушку наводит ЭДС, которая вызывает ток

    Разобранная задача. Магнитный поток через одиночный контур уменьшается от $0.020\ \text{Wb}$ до $0.008\ \text{Wb}$ за время $0.030\ \text{s}$. Средняя наведенная ЭДС равна

    $$\varepsilon=\left|\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}\right|=\frac{0.020-0.008}{0.030}=0.40\ \text{V}.$$
    Катушка из $N$ витков дала бы в $N$ раз больше — именно поэтому генераторы и трансформаторы используют многовитковые катушки.

    Трансформатор подстанции: изменяющийся магнитный поток в катушках наводит напряжения, питающие сеть
    Трансформатор подстанции: изменяющийся магнитный поток в катушках наводит напряжения, питающие сеть
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Induce a voltage by moving a magnet · ⁨Наведите ЭДС движением магнита⁩

    Faraday's law: a changing magnetic flux through a coil induces a voltage. Move the magnet faster and the induced EMF grows; Lenz's law sets its direction to oppose the change. · ⁨Закон Фарадея: изменяющийся магнитный поток через катушку наводит ЭДС. Двигайте магнит быстрее, и индуцированная ЭДС возрастет; закон Ленца определяет направление ЭДС, препятствующего изменению потока.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    electromagnetic induction/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ɪnˈdʌkʃn/ электромагнитная индукция
    magnetic flux/mæɡˈnetɪk flʌks/ магнитный поток
    Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ Законом Фарадея
    Lenz's law/ˈlentsɪz lɔː/ Правилом Ленца
    12.4

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • The magnetic force $F=qvB\sin\theta$ is perpendicular to the velocity, so it changes direction (a circle) but not speed; a stationary charge or one moving along the field feels no force.
    • Use $F=BIL$ for the force on a current-carrying wire (the motor effect).
    • A current creates a magnetic field (circles around a wire; a solenoid acts like a bar magnet).
    • Induction needs a changing flux $\Phi=BA$ — a stationary magnet in a coil induces nothing.
    • Faraday: $\varepsilon=\Delta\Phi/\Delta t$ (times $N$ turns); Lenz: the induced current opposes the change (energy conservation).
    Русский
    • Магнитная сила $F=qvB\sin\theta$ перпендикулярна скорости, поэтому меняет направление (круг), но не модуль скорости; покоящийся заряд или заряд, движущийся вдоль поля, не испытывает силы.
    • Используйте $F=BIL$ для вычисления силы на проводник с током (эффект мотора).
    • Ток создает магнитное поле (кольца вокруг провода; соленоид ведет себя как постоянный магнит).
    • Индукция требует изменяющегося потока $\Phi=BA$ — неподвижный магнит в катушке ничего не наводит.
    • Фарадей: $\varepsilon=\Delta\Phi/\Delta t$ (умножить на $N$ витков); Ленц: наведенный ток противодействует изменению (закон сохранения энергии).
  • 13

    Geometric Optics · ⁨Геометрическая оптика⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    13.1

    Reflection · ⁨Рефлексия⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 13.1.A: Describe light as a ray.

    • 13.1.A.1 A light ray is a straight line that is perpendicular to the wavefront of a light wave and points in the direction of travel of the wave.
      • 13.1.A.1.i Light rays can be used to determine the behavior of light in geometric optics, where the wave nature of light can be neglected.
      • 13.1.A.1.ii Rays are not sufficient to understand the spreading of light. In interference and diffraction, the wave nature of the light is important.
      • 13.1.A.1.iii A laser is a common source of a single coherent, monochromatic beam of light that can be modeled as a ray. The wave nature of lasers will be considered in Unit 14.
    • 13.1.A.2 Ray diagrams depict the path of light before and after an interaction with matter.

    Learning Objective 13.1.B: Describe the reflection of light from a surface.

    • 13.1.B.1 Light that is incident on a surface can be reflected.
    • 13.1.B.2 The law of reflection states that the angle between the incident ray and the normal (the line perpendicular to the surface) is equal to the angle between the reflected ray and the normal.
      • Equation: $\theta_i = \theta_r$
    • 13.1.B.3 Diffuse reflection is the reflection of light from a rough surface and results in light reflected in many different directions, because the line normal to the surface varies over the area over which the light is incident.
    • 13.1.B.4 Specular reflection is the reflection of light from a smooth surface and results in light uniformly reflected from the surface, because the line normal to the surface has an approximately constant direction over the area the light strikes.
    Русский

    Цель обучения 13.1.A: Описать свет как луч.

    • 13.1.A.1 Световой луч — это прямая линия, перпендикулярная волновому фронту световой волны и указывающая направление распространения волны.
      • 13.1.A.1.i Световые лучи могут использоваться для определения поведения света в геометрической оптике, где волновой природой света можно пренебречь.
      • 13.1.A.1.ii Лучей недостаточно для понимания распространения света. В интерференции и дифракции важна волновая природа света.
      • 13.1.A.1.iii Лазер является распространенным источником одного когерентного монохроматического светового пучка, который можно моделировать как луч. Волновые свойства лазеров будут рассмотрены в Разделе 14.
    • 13.1.A.2 Лучевые диаграммы изображают путь света до и после взаимодействия с веществом.

    Цель обучения 13.1.B: Описать отражение света от поверхности.

    • 13.1.B.1 Свет, падающий на поверхность, может отражаться.
    • 13.1.B.2 Закон отражения гласит, что угол между падающим лучом и нормалью (линией, перпендикулярной поверхности) равен углу между отраженным лучом и нормалью.
      • Уравнение: $\theta_i = \theta_r$
    • 13.1.B.3 Рассеянное отражение — это отражение света от шероховатой поверхности, в результате которого свет отражается во многих различных направлениях, поскольку нормаль к поверхности меняется на площади, на которую падает свет.
    • 13.1.B.4 Зеркальное отражение — это отражение света от гладкой поверхности, в результате которого свет равномерно отражается от поверхности, поскольку нормаль к поверхности имеет приблизительно постоянное направление на площади, на которую падает свет.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Geometric optics 几何光学 treats light as straight-line rays. The law of reflection 反射定律: when light bounces off a surface, the angle of incidence 入射角 equals the angle of reflection 反射角, both measured from the normal (the line perpendicular to the surface). Smooth surfaces reflect a clear image; rough surfaces scatter the rays.

    Русский

    Геометрическая оптика рассматривает свет как лучи, движущиеся по прямым линиям. Закон отражения: при отражении света от поверхности угол падения равен углу отражения, оба угла отсчитываются от нормали (линии, перпендикулярной поверхности). Гладкие поверхности дают четкое изображение; шероховатые рассеивают лучи.

    Закон отражения: угол падения равен углу отражения
    Закон отражения: угол падения равен углу отражения
    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    13.2

    Images Formed by Mirrors · ⁨Изображения, образуемые зеркалами⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 13.2.A: Describe the image formed by a mirror.

    • 13.2.A.1 Incident light rays parallel to the principal axis of a concave (converging) mirror will be reflected toward a common location, called the focal point.
    • 13.2.A.2 Incident light rays parallel to the principal axis of a convex (diverging) mirror will be reflected such that they appear to have originated from a common location behind the mirror, called the focal point.
    • 13.2.A.3 The focal point of a plane mirror is an infinite distance from the mirror.
    • 13.2.A.4 The focal point of a spherical mirror may be approximated as a point located on the principal axis of the mirror halfway between the surface of the mirror and the center of the mirror's radius of curvature.
    • 13.2.A.5 A real image is formed by a mirror when light rays emanating from a common point are reflected and then intersect at a common point.
    • 13.2.A.6 A virtual image is formed by a mirror when reflected light rays diverge such that they appear to have originated from a common point.
    • 13.2.A.7 The location of an image depends on the focal length of the mirror and the distance between the object and the surface of the mirror.
      • Equation: $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
      • 13.2.A.7.i The locations of a mirror's focal point, an object near the mirror, and the image of the object formed by the mirror follow sign conventions that are used to determine those locations relative to the mirror itself.
      • 13.2.A.7.ii The distance between the image formed and a plane mirror is equal to the distance between the object and the plane mirror.
    • 13.2.A.8 The magnification of an image formed by a mirror is the ratio of the size of the image produced to the size of the object itself and depends on the locations of the object and image relative to the mirror.
      • Equation: $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
    • 13.2.A.9 Ray diagrams can be used to determine the location, type, size, and orientation of images formed by mirrors.
      • 13.2.A.9.i The three principal rays are typically used to find the images formed by mirrors. The principal rays are 1) the ray parallel to the principal axis, 2) the ray that reflects at the center of the mirror where the principal axis intersects the mirror, and 3) the ray that passes through the focal point of the mirror.
      • 13.2.A.9.ii Images formed by a mirror can be upright or inverted, virtual or real, and reduced, enlarged, or the same size as the object.

    Boundary statement: AP Physics 2 limits the study of mirrors to plane mirrors, convex spherical mirrors, and concave spherical mirrors.

    Русский

    Цель обучения 13.2.A: Описать изображение, образованное зеркалом.

    • 13.2.A.1 Падающие световые лучи, параллельные главной оптической оси вогнутого (сходящегося) зеркала, будут отражены к общей точке, называемой фокусом.
    • 13.2.A.2 Падающие световые лучи, параллельные главной оптической оси выпуклого (расходящегося) зеркала, будут отражены так, что будет казаться, что они исходят из общей точки за зеркалом, называемой фокусом.
    • 13.2.A.3 Фокус плоского зеркала находится на бесконечном расстоянии от зеркала.
    • 13.2.A.4 Фокус сферического зеркала можно приближенно считать точкой, расположенной на главной оптической оси зеркала посередине между поверхностью зеркала и центром его радиуса кривизны.
    • 13.2.A.5 Действительное изображение образуется зеркалом, когда лучи света, исходящие из общей точки, отражаются и затем пересекаются в общей точке.
    • 13.2.A.6 Мнимое изображение образуется зеркалом, когда отраженные лучи расходятся так, что кажется, будто они исходят из общей точки.
    • 13.2.A.7 Положение изображения зависит от фокусного расстояния зеркала и расстояния между объектом и поверхностью зеркала.
      • Уравнение: $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
      • 13.2.A.7.i Положения фокуса зеркала, объекта рядом с зеркалом и изображения объекта, образованного зеркалом, подчиняются правилам знаков, которые используются для определения этих положений относительно самого зеркала.
      • 13.2.A.7.ii Расстояние между образованным изображением и плоским зеркалом равно расстоянию между объектом и плоским зеркалом.
    • 13.2.A.8 Увеличение изображения, образованного зеркалом, — это отношение размера полученного изображения к размеру самого объекта и зависит от положения объекта и изображения относительно зеркала.
      • Уравнение: $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
    • 13.2.A.9 Лучевые диаграммы могут использоваться для определения положения, типа, размера и ориентации изображений, образованных зеркалами.
      • 13.2.A.9.i Для нахождения изображений, образованных зеркалами, обычно используются три главных луча. Главные лучи: 1) луч, параллельный главной оптической оси, 2) луч, отражающийся в центре зеркала, где главная оптическая ось пересекает зеркало, и 3) луч, проходящий через фокус зеркала.
      • 13.2.A.9.ii Изображения, образованные зеркалом, могут быть прямыми или перевернутыми, мнимыми или действительными, уменьшенными, увеличенными или того же размера, что и объект.

    Положение по границам: AP Physics 2 ограничивает изучение зеркал плоскими зеркалами, выпуклыми сферическими зеркалами и вогнутыми сферическими зеркалами.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A curved mirror focuses parallel rays at its focal point, a distance $f$ from the mirror. The mirror equation relates object and image distances:

    $$\frac{1}{d_o}+\frac{1}{d_i}=\frac{1}{f},\qquad m=-\frac{d_i}{d_o}.$$
    A concave mirror 凹面镜 (converging) can form a real image 实像 (rays actually meet, projectable, inverted); a convex mirror 凸面镜 always forms a virtual image 虚像 (rays only appear to meet, upright, reduced). The magnification $m$ gives the image's size and orientation. Sign convention matters: a negative image distance means a virtual image behind the mirror or lens.

    Русский

    Согнутое зеркало фокусирует параллельные лучи в своей фокальной точке, находящейся на расстоянии $f$ от зеркала. Уравнение зеркала связывает расстояния от предмета до зеркала и от изображения до зеркала:

    $$\frac{1}{d_o}+\frac{1}{d_i}=\frac{1}{f},\qquad m=-\frac{d_i}{d_o}.$$
    Вогнутое зеркало (сходящее) может образовать действительное изображение (лучи реально пересекаются, проецируется, перевернуто); выпуклое зеркало всегда образует мнимое изображение (лучи только кажутся пересекающимися, прямое, уменьшенное). Увеличение $m$ показывает размер и ориентацию изображения. Знаковый конвенции важен: отрицательное расстояние до изображения означает мнимое изображение за зеркалом или линзой.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Form an image with a curved mirror · ⁨Создайте изображение с помощью выпуклого зеркала⁩

    A concave mirror reflects rays through its focus. The object's distance relative to the focal length decides whether the image is real or virtual, enlarged or reduced. · ⁨Выпуклое зеркало отражает лучи через свой фокус. Расстояние предмета относительно фокусного расстояния определяет, будет ли изображение действительным или мнимым, увеличенным или уменьшенным.⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    13.3

    Refraction · ⁨Преломление⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 13.3.A: Describe the refraction of light between two media.

    • 13.3.A.1 Refraction is the change in direction of a light ray as the ray passes from one medium into another.
    • 13.3.A.2 Refraction is a result of the speed of light changing when light enters a new medium.
    • 13.3.A.3 The index of refraction of a given medium is inversely proportional to the speed of light in the medium.
      • Equation: $n = \dfrac{c}{v}$
    • 13.3.A.4 Snell's law relates the angles of incidence and refraction of a light ray passing from one medium into another to the indices of refraction of the two media.
      • Equation: $n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$
      • 13.3.A.4.i When a light ray travels from a medium with a higher index of refraction into a medium with a lower index of refraction, the ray refracts away from the normal.
      • 13.3.A.4.ii When a light ray travels from a medium with a lower index of refraction into a medium with a higher index of refraction, the ray refracts toward the normal.
      • 13.3.A.4.iii When a light ray is incident along the normal to a surface, the transmitted ray is not refracted.
    • 13.3.A.5 Total internal reflection may occur when light passes from one medium into another medium with a lower index of refraction.
      • 13.3.A.5.i Total internal reflection of light occurs beyond a critical angle of incidence.
        • Derived equation: $\theta_{\text{critical}} = \sin^{-1}\left( \dfrac{n_2}{n_1} \right)$
      • 13.3.A.5.ii For incident rays at the critical angle, the ray refracts at 90 degrees and travels along the surface of the material.
      • 13.3.A.5.iii For incident rays beyond the critical angle, all light is reflected (no light is transmitted into the other medium).
    Русский

    Цель обучения 13.3.A: Описать преломление света между двумя средами.

    • 13.3.A.1 Преломление — это изменение направления светового луча при переходе луча из одной среды в другую.
    • 13.3.A.2 Преломление является результатом изменения скорости света при входе света в новую среду.
    • 13.3.A.3 Показатель преломления данной среды обратно пропорционален скорости света в этой среде.
      • Уравнение: $n = \dfrac{c}{v}$
    • 13.3.A.4 Закон Снеллиуса связывает углы падения и преломления светового луча, проходящего из одной среды в другую, с показателями преломления двух сред.
      • Уравнение: $n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$
      • 13.3.A.4.i Когда световой луч проходит из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления, луч преломляется от нормали.
      • 13.3.A.4.ii Когда световой луч проходит из среды с более низким показателем преломления в среду с более высоким показателем преломления, луч преломляется к нормали.
      • 13.3.A.4.iii Когда световой луч падает вдоль нормали к поверхности, проходящий луч не преломляется.
    • 13.3.A.5 Полное внутреннее отражение может происходить, когда свет переходит из одной среды в другую со меньшим показателем преломления.
      • 13.3.A.5.i Полное внутреннее отражение света происходит при углах падения, превышающих предельный угол.
        • Выведенное уравнение: $\theta_{\text{critical}} = \sin^{-1}\left( \dfrac{n_2}{n_1} \right)$
      • 13.3.A.5.ii Для падающих лучей под предельным углом луч преломляется под углом 90 градусов и распространяется вдоль поверхности материала.
      • 13.3.A.5.iii Для падающих лучей под углом, превышающим предельный, весь свет отражается (свет не проникает в другую среду).

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Light bends when it passes between materials because its speed changes – refraction 折射. Each material has an index of refraction 折射率 $n=\dfrac{c}{v}$ (how much it slows light). Snell's law 斯涅尔定律:

    $$n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2.$$
    Light entering a denser medium (larger $n$) bends toward the normal. Beyond a critical angle, light going to a less-dense medium reflects entirely – total internal reflection 全反射, used in fibre optics.

    Worked example. A ray in air ($n_1=1.00$) strikes water ($n_2=1.33$) at $40^{\circ}$ to the normal. By Snell's law,

    $$\sin\theta_2=\frac{n_1}{n_2}\sin\theta_1=\frac{1.00}{1.33}\sin 40^{\circ}=0.483\;\Rightarrow\;\theta_2=29^{\circ}.$$
    The ray bends toward the normal, as expected going into the denser medium.

    Worked example (critical angle). For light trying to leave glass ($n=1.50$) for air, total internal reflection begins at the critical angle $\theta_c$ where the refracted ray grazes the surface:

    $$\sin\theta_c=\frac{1}{n}=\frac{1}{1.50}=0.667\;\Rightarrow\;\theta_c=42^{\circ}.$$
    Any ray hitting the inside surface more steeply than $42^{\circ}$ is trapped – the reason optical fibres carry light for kilometres.

    Русский

    Свет искривляется при переходе между средами из-за изменения скорости — преломление. Каждая среда имеет показатель преломления $n=\dfrac{c}{v}$ (насколько сильно она замедляет свет). Закон Снеллиуса:

    $$n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2.$$
    Свет, входящий в более плотную среду (большее $n$), преломляется к нормали. При превышении критического угла свет, переходящий в менее плотную среду, полностью отражается — полное внутреннее отражение, используемое в волоконной оптике.

    Свет преломляется, изгибаясь к нормали при входе в стекло
    Свет преломляется, изгибаясь к нормали при входе в стекло

    Разобранная задача. Луч в воздухе ($n_1=1.00$) падает на воду ($n_2=1.33$) под углом $40^{\circ}$ к нормали. Согласно закону Снеллиуса,

    $$\sin\theta_2=\frac{n_1}{n_2}\sin\theta_1=\frac{1.00}{1.33}\sin 40^{\circ}=0.483\;\Rightarrow\;\theta_2=29^{\circ}.$$
    Луч изгибается к нормали, как и следовало ожидать при переходе в более плотную среду.

    Разобранная задача (критический угол). Для света, пытающегося выйти из стекла ($n=1.50$) в воздух, полное внутреннее отражение начинается при критическом угле $\theta_c$, когда преломленный луч скользит вдоль поверхности:

    $$\sin\theta_c=\frac{1}{n}=\frac{1}{1.50}=0.667\;\Rightarrow\;\theta_c=42^{\circ}.$$
    Любой луч, падающий на внутреннюю поверхность под углом круче, чем $42^{\circ}$, оказывается захваченным внутри — причина, по которой оптические волокна передают свет на километры.

    Белый свет, расщепляющийся на спектр через стеклянную призму
    Преломление отклоняет каждый цвет в разной степени, поэтому призма разлагает белый свет в радугу
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Bend light as it enters glass · ⁨Преломите свет при входе в стекло⁩

    Light refracts (bends) when it changes speed between media, following Snell's law. The denser the medium, the more it bends toward the normal. · ⁨Свет преломляется (изгибается) при изменении скорости при переходе из одной среды в другую, следуя закону Снеллиуса. Чем плотнее среда, тем сильнее он отклоняется к нормали.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Geometric optics/ˌdʒiːəʊˈmetrɪk ˈɒptɪks/ геометрическая оптика
    law of reflection/lɔː ɒv rɪˈflekʃn/ закон отражения
    angle of incidence/ˈæŋɡl ɒv ˈɪnsɪdəns/ угол падения
    angle of reflection/ˈæŋɡl ɒv rɪˈflekʃn/ угол отражения
    concave mirror/kɒnˈkeɪv ˈmɪrə/ вогнутое зеркало
    real image/rɪəl ˈɪmɪdʒ/ действительное изображение
    convex mirror/kɒnˈveks ˈmɪrə/ выпуклое зеркало
    virtual image/ˈvɜːtʃuːəl ˈɪmɪdʒ/ мнимое изображение
    refraction/rɪˈfrækʃn/ преломления
    index of refraction/ˈɪndeks ɒv rɪˈfrækʃn/ показатель преломления
    Snell's law/snelz lɔː/ закон Снеллиуса
    total internal reflection/ˈtəʊtl ɪnˈtɜːnl rɪˈflekʃn/ полное внутреннее отражение
    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    13.4

    Images Formed by Lenses · ⁨Изображения, образованные линзами⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 13.4.A: Describe the image formed by a lens.

    • 13.4.A.1 Incident light rays parallel to the principal axis of a thin convex (converging) lens will be refracted and converge toward a common location on the transmitted side of the lens, called the focal point.
    • 13.4.A.2 Incident light rays parallel to the principal axis of a thin concave (diverging) lens will be refracted and diverge as if they originated from a focal point on the incident side of the lens.
    • 13.4.A.3 A real image is formed by a lens when light rays originating from a common point are refracted such that they intersect at another common point.
    • 13.4.A.4 A virtual image is formed by a lens when refracted light rays diverge such that they appear to have originated from a common point.
    • 13.4.A.5 For a thin lens, the location of an image depends on the focal length of the lens and the distance between the object and the midline of the lens, as given by the thin-lens equation:
      • Equation: $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
      • 13.4.A.5.i The locations of a lens's focal point, an object, and the image of the object formed by the lens follow sign conventions that are used to determine those locations relative to the lens itself.
      • 13.4.A.5.ii Lenses have a focal point on both sides of the lens that depends on the shape of the respective side of the lens.
    • 13.4.A.6 For a thin lens, the magnification of an image is the ratio of the size of the image produced to the size of the object itself and depends on the locations of the object and image relative to the lens.
      • Equation: $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
    • 13.4.A.7 Ray diagrams can be used to determine the location, type, size, and orientation of images formed by lenses.
      • 13.4.A.7.i The three principal rays are typically used to find the images formed by lenses. The principal rays are 1) the ray parallel to the principal axis, 2) the ray that passes through the center of the lens where the principal axis intersects the lens, and 3) the ray that passes through the focal point of the lens.
      • 13.4.A.7.ii Images formed by a lens can be upright or inverted, virtual or real, and reduced, enlarged, or the same size as the object.
    Русский

    Цель обучения 13.4.A: Описать изображение, образуемое линзой.

    • 13.4.A.1 Падающие световые лучи, параллельные главной оптической оси тонкой выпуклой (собирающей) линзы, будут преломлены и сойдутся в общей точке на выходной стороне линзы, называемой фокусом.
    • 13.4.A.2 Падающие световые лучи, параллельные главной оптической оси тонкой вогнутой (рассеивающей) линзы, будут преломлены и разойдутся так, как будто исходят из фокуса на входной стороне линзы.
    • 13.4.A.3 Действительное изображение образуется линзой, когда световые лучи, исходящие из общей точки, преломляются таким образом, что пересекаются в другой общей точке.
    • 13.4.A.4 Мнимое изображение образуется линзой, когда преломленные световые лучи расходятся так, что кажутся исходящими из общей точки.
    • 13.4.A.5 Для тонкой линзы положение изображения зависит от фокусного расстояния линзы и расстояния между объектом и главной оптической осью линзы, согласно уравнению тонкой линзы:
      • Уравнение: $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
      • 13.4.A.5.i Положения фокуса линзы, объекта и изображения объекта, образованного линзой, подчиняются правилам знаков, используемым для определения этих положений относительно самой линзы.
      • 13.4.A.5.ii Линзы имеют фокус с обеих сторон, который зависит от формы соответствующей стороны линзы.
    • 13.4.A.6 Для тонкой линзы увеличение изображения является отношением размера полученного изображения к размеру самого объекта и зависит от положения объекта и изображения относительно линзы.
      • Уравнение: $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
    • 13.4.A.7 Лучевые диаграммы могут использоваться для определения положения, типа, размера и ориентации изображений, образуемых линзами.
      • 13.4.A.7.i Для нахождения изображений, образуемых линзами, обычно используются три главных луча. Главные лучи — это: 1) луч, параллельный главной оптической оси, 2) луч, проходящий через центр линзы в месте пересечения с главной оптической осью, и 3) луч, проходящий через фокус линзы.
      • 13.4.A.7.ii Изображения, образуемые линзой, могут быть прямыми или перевернутыми, мнимыми или действительными, уменьшенными, увеличенными или того же размера, что и объект.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    A converging lens forms a real image

    A lens bends light through refraction. The thin-lens equation has the same form as the mirror equation:

    $$\frac{1}{d_o}+\frac{1}{d_i}=\frac{1}{f},\qquad m=-\frac{d_i}{d_o}.$$
    A converging 会聚 (convex) lens can form a real, inverted image or, for a close object, a virtual, upright, enlarged image (a magnifying glass). A diverging 发散 (concave) lens always forms a virtual, upright, reduced image. Ray diagrams locate the image quickly using two easy rays: one parallel to the axis that bends to pass through the far focus, and one straight through the centre of the lens (undeviated).

    Worked example. An object sits $30\ \text{cm}$ from a converging lens of focal length $f=10\ \text{cm}$. Find the image. From the thin-lens equation,

    $$\frac{1}{d_i}=\frac{1}{f}-\frac{1}{d_o}=\frac{1}{10}-\frac{1}{30}=\frac{2}{30}\;\Rightarrow\;d_i=15\ \text{cm},$$
    and the magnification is $m=-d_i/d_o=-15/30=-0.5$. The image is real (positive $d_i$), inverted (negative $m$), and half the object's size – just what a camera lens does.

    Русский
    Сходящаяся линза образует действительное изображение

    Линза преломляет свет. Уравнение тонкой линзы имеет тот же вид, что и уравнение зеркала:

    $$\frac{1}{d_o}+\frac{1}{d_i}=\frac{1}{f},\qquad m=-\frac{d_i}{d_o}.$$
    Сходящаяся (выпуклая) линза может образовать действительное перевернутое изображение или, для близкого предмета, мнимое прямое увеличенное изображение (лупа). Расходящаяся (вогнутая) линза всегда образует мнимое прямое уменьшенное изображение. Лучевые диаграммы быстро определяют положение изображения с помощью двух простых лучей: одного, параллельного оси, который преломляется так, чтобы пройти через дальний фокус, и другого, проходящего прямо через центр линзы (без отклонения).

    Два луча определяют положение изображения: параллельный-затем-фокус, и прямой через центр
    Два луча определяют положение изображения: параллельный-затем-фокус, и прямой через центр
    Сходящаяся линза сводит параллельные лучи в свой главный фокус
    Сходящаяся линза сводит параллельные лучи в свой главный фокус

    Разобранный пример. Предмет находится на расстоянии $30\ \text{cm}$ от сходящейся линзы с фокусным расстоянием $f=10\ \text{cm}$. Найдите изображение. Из уравнения тонкой линзы,

    $$\frac{1}{d_i}=\frac{1}{f}-\frac{1}{d_o}=\frac{1}{10}-\frac{1}{30}=\frac{2}{30}\;\Rightarrow\;d_i=15\ \text{cm},$$
    а увеличение равно $m=-d_i/d_o=-15/30=-0.5$. Изображение является действительным (положительное $d_i$), перевернутым (отрицательное $m$) и имеет размер в половину размера предмета – именно так работает объектив камеры.

    Лупа, показывающая перевернутое изображение позади нее
    Выпуклая линза образует действительное перевернутое изображение удаленной сцены, точно так, как предсказывает лучевая диаграмма
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Form an image with a converging lens · ⁨Создайте изображение с помощью собирающей линзы⁩

    A converging lens bends parallel rays to its focal point. Move the object and watch the image change from large and inverted to virtual and upright inside the focal length. · ⁨Собирающая линза фокусирует параллельные лучи в фокус. Перемещайте предмет, и наблюдайте, как изображение меняется от большого перевернутого к мнимому прямому внутри фокусного расстояния.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    converging/kənˈvɜːdʒɪŋ/ сходящийся
    diverging/daɪˈvɜːdʒɪŋ/ расходящийся
    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    13.4

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • Measure all angles from the normal, not the surface.
    • Light entering a denser medium (larger $n$) bends toward the normal; use Snell's law $n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2$.
    • Total internal reflection happens only going into a less dense medium, beyond the critical angle ($\sin\theta_c=1/n$).
    • For mirrors and lenses use $\tfrac1{d_o}+\tfrac1{d_i}=\tfrac1f$ and $m=-d_i/d_o$: a positive $d_i$ is a real image, negative is virtual.
    • $n=c/v$, so a bigger index means a slower speed of light in the material.
    Русский
    • Измеряйте все углы от нормали, а не от поверхности.
    • Свет, входящий в более плотную среду (большее $n$), преломляется к нормали; используйте закон Снеллиуса $n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2$.
    • Полное внутреннее отражение происходит только при переходе в менее плотную среду под углом, превышающим критический ($\sin\theta_c=1/n$).
    • Для зеркал и линз используйте $\tfrac1{d_o}+\tfrac1{d_i}=\tfrac1f$ и $m=-d_i/d_o$: положительное $d_i$ соответствует действительному изображению, отрицательное — мнимому.
    • $n=c/v$, поэтому больший показатель преломления означает меньшую скорость света в материале.
  • 14

    Waves, Sound, and Physical Optics · ⁨Волны, звук и физическая оптика⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    14.1

    Properties of Wave Pulses and Waves · ⁨Свойства волновых импульсов и волн⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 14.1.A: Describe the physical properties of waves and wave pulses.

    • 14.1.A.1 Waves transfer energy between two locations without transferring matter between those locations.
      • 14.1.A.1.i A wave pulse is a single disturbance that transfers energy without transferring matter between two locations.
      • 14.1.A.1.ii A wave is modeled as a continuous, periodic disturbance with well-defined wavelength and frequency.
    • 14.1.A.2 Mechanical waves or wave pulses require a medium in which to propagate. Electromagnetic waves or wave pulses do not require a medium in which to propagate.
    • 14.1.A.3 The speed at which a wave or wave pulse propagates through a medium depends on the type of wave and the properties of the medium.
      • 14.1.A.3.i The speed of all electromagnetic waves in a vacuum is a universal physical constant, $c = 3.00 \times 10^{8}$ m/s.
      • 14.1.A.3.ii The speed at which a wave pulse or wave propagates along a string is dependent upon the tension in the string, $F_T$, and the mass per length of the string.
        • Equation: $v_{\text{string}} = \sqrt{\dfrac{F_T}{m/\ell}}$
      • 14.1.A.3.iii In a given medium, the speed of sound waves increases with the temperature of the medium.
    • 14.1.A.4 In a transverse wave, the direction of the disturbance is perpendicular to the direction of propagation of the wave.
    • 14.1.A.5 In a longitudinal wave, the direction of the disturbance is parallel to the direction of propagation of the wave.
      • 14.1.A.5.i Sound waves are modeled as mechanical longitudinal waves.
      • 14.1.A.5.ii The regions of high and low pressure in a sound wave are called compressions and rarefactions, respectively.
    • 14.1.A.6 Amplitude is the maximum displacement of a wave from its equilibrium position.
      • 14.1.A.6.i The amplitude of a longitudinal pressure wave may be determined by the maximum increase or decrease in pressure from equilibrium pressure.
      • 14.1.A.6.ii The loudness of a sound increases with increasing amplitude.
      • 14.1.A.6.iii The energy carried by a wave increases with increasing amplitude.
    Русский

    Цель обучения 14.1.A: Описать физические свойства волн и волновых импульсов.

    • 14.1.A.1 Волны передают энергию между двумя точками без переноса вещества между этими точками.
      • 14.1.A.1.i Волновой импульс — это одиночное возмущение, которое передает энергию без переноса вещества между двумя точками.
      • 14.1.A.1.ii Волна моделируется как непрерывное периодическое возмущение с четко определенными длиной волны и частотой.
    • 14.1.A.2 Механические волны или волновые импульсы требуют среды для распространения. Электромагнитные волны или волновые импульсы не требуют среды для распространения.
    • 14.1.A.3 Скорость распространения волны или волнового импульса в среде зависит от типа волны и свойств среды.
      • 14.1.A.3.i Скорость всех электромагнитных волн в вакууме является универсальной физической константой, $c = 3.00 \times 10^{8}$ м/с.
      • 14.1.A.3.ii Скорость распространения волнового импульса или волны вдоль струны зависит от натяжения струны, $F_T$, и массы на единицу длины струны.
        • Уравнение: $v_{\text{string}} = \sqrt{\dfrac{F_T}{m/\ell}}$
      • 14.1.A.3.iii В данной среде скорость звуковых волн увеличивается с повышением температуры среды.
    • 14.1.A.4 В поперечной волне направление возмущения перпендикулярно направлению распространения волны.
    • 14.1.A.5 В продольной волне направление возмущения параллельно направлению распространения волны.
      • 14.1.A.5.i Звуковые волны моделируются как механические продольные волны.
      • 14.1.A.5.ii Области высокого и низкого давления в звуковой волне называются соответственно сжатиями и разрежениями.
    • 14.1.A.6 Амплитуда — это максимальное смещение волны от положения равновесия.
      • 14.1.A.6.i Амплитуду продольной волны давления можно определить по максимальному увеличению или уменьшению давления относительно давления равновесия.
      • 14.1.A.6.ii Громкость звука увеличивается с ростом амплитуды.
      • 14.1.A.6.iii Энергия, переносимая волной, увеличивается с ростом амплитуды.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A wave 波 carries energy through a medium (or space) without carrying the matter along. A single disturbance is a pulse; a repeating one is a wave. Two types:

    • Transverse 横波: the medium moves perpendicular to the wave's travel (a wave on a rope, light).
    • Longitudinal 纵波: the medium moves along the direction of travel (sound).
    Русский
    Интерференция в волновом резервуаре: пути волн складываются конструктивно и деструктивно
    Интерференция в волновом резервуаре: пути волн складываются конструктивно и деструктивно

    Волна переносит энергию через среду (или пространство), не перенося саму материю. Одиночное возмущение называется импульсом; повторяющееся — волной. Два типа:

    Поперечная волна: среда движется под прямым углом к направлению распространения волны
    Поперечная волна: среда колеблется под прямым углом к направлению распространения волны
    • Поперечные: среда движется перпендикулярно направлению распространения волны (волна на веревке, свет).
    • Длинные: среда движется вдоль направления распространения (звук).
    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    wave/weɪv/ волну
    Transverse/trænsˈvɜːs/ Поперечная
    14.2

    Periodic Waves · ⁨Периодические волны⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 14.2.A: Describe the physical properties of a periodic wave.

    • 14.2.A.1 Periodic waves have regular repetitions that can be described using period and frequency.
      • 14.2.A.1.i The period is the time for one complete oscillation of the wave.
      • 14.2.A.1.ii The frequency is the rate at which the wave repeats.
        • Equation: $T = \dfrac{1}{f}$
      • 14.2.A.1.iii The amplitude of a wave is independent of the period and the frequency of that wave.
      • 14.2.A.1.iv The energy of a wave increases with increasing frequency.
      • 14.2.A.1.v The frequency of a sound wave is related to its pitch.
      • 14.2.A.1.vi Wavelength is the distance between successive corresponding positions (such as peaks or troughs) on a wave.
    • 14.2.A.2 A sinusoidal wave can be described by equations for the displacement from equilibrium at a specific location as a function of time. A wave can also be described by an equation for the displacement from equilibrium at a specific time as a function of position.
      • Equation: $x(t) = A\cos(\omega t) = A\cos(2\pi f t)$
      • Equation: $y(x) = A\cos\left(2\pi \dfrac{x}{\lambda}\right)$
    • 14.2.A.3 For a periodic wave, the wavelength is proportional to the wave's speed and inversely proportional to the wave's frequency.
      • Equation: $\lambda = \dfrac{v}{f}$
    Русский

    Цель обучения 14.2.A: Описать физические свойства периодической волны.

    • 14.2.A.1 Периодические волны имеют регулярные повторения, которые можно описать с помощью периода и частоты.
      • 14.2.A.1.i Период — это время одного полного колебания волны.
      • 14.2.A.1.ii Частота — это скорость, с которой волна повторяется.
        • Уравнение: $T = \dfrac{1}{f}$
      • 14.2.A.1.iii Амплитуда волны не зависит от периода и частоты этой волны.
      • 14.2.A.1.iv Энергия волны увеличивается с ростом частоты.
      • 14.2.A.1.v Частота звуковой волны связана с ее высотой тона.
      • 14.2.A.1.vi Длина волны — это расстояние между последовательными соответствующими позициями (например, гребнями или впадинами) на волне.
    • 14.2.A.2 Синусоидальную волну можно описать уравнениями смещения от положения равновесия в конкретной точке как функции времени. Волну также можно описать уравнением смещения от положения равновесия в конкретный момент времени как функции координаты.
      • Уравнение: $x(t) = A\cos(\omega t) = A\cos(2\pi f t)$
      • Уравнение: $y(x) = A\cos\left(2\pi \dfrac{x}{\lambda}\right)$
    • 14.2.A.3 Для периодической волны длина волны пропорциональна скорости распространения волны и обратно пропорциональна частоте волны.
      • Уравнение: $\lambda = \dfrac{v}{f}$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Transverse vs longitudinal waves

    A repeating wave is described by:

    • wavelength 波长 $\lambda$ (distance between repeats),
    • frequency 频率 $f$ (cycles per second) and period $T=1/f$,
    • amplitude 振幅 $A$ (maximum displacement – related to energy),
    • wave speed 波速 $v=f\lambda$, set by the medium, not the source.

    Worked example. A musical note has frequency $340\ \text{Hz}$ and the speed of sound is $340\ \text{m/s}$. Its wavelength is $\lambda=v/f=340/340=1.0\ \text{m}$. If the same note travels into water (where sound moves at $\approx 1500\ \text{m/s}$) the frequency stays $340\ \text{Hz}$ but the wavelength stretches to $1500/340\approx 4.4\ \text{m}$ – the source sets the frequency, the medium sets the speed and hence the wavelength.

    Русский
    Поперечные против продольных волн

    Повторяющаяся волна описывается следующими параметрами:

    График зависимости смещения от расстояния показывает амплитуду и длину волны
    График смещения от расстояния показывает амплитуду и длину волны
    • длина волны $\lambda$ (расстояние между повторами),
    • частота $f$ (циклы в секунду) и период $T=1/f$,
    • амплитуда $A$ (максимальное смещение — связано с энергией),
    • скорость волны $v=f\lambda$, определяемая средой, а не источником.

    Разобранный пример. Музыкальная нота имеет частоту $340\ \text{Hz}$, а скорость звука равна $340\ \text{m/s}$. Её длина волны составляет $\lambda=v/f=340/340=1.0\ \text{m}$. Если та же нота переходит в воду (где звук распространяется со скоростью $\approx 1500\ \text{m/s}$), частота остается неизменной $340\ \text{Hz}$, но длина волны растягивается до $1500/340\approx 4.4\ \text{m}$ — источник задает частоту, среда задает скорость и, следовательно, длину волны.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Send a periodic wave · ⁨Отправьте периодическую волну⁩

    A periodic wave carries energy without moving matter. Its speed $v=f\lambda$ links frequency and wavelength; raise the frequency and the wavelength shrinks. · ⁨Периодическая волна переносит энергию без переноса вещества. Её скорость $v=f\lambda$ связывает частоту и длину волны; увеличьте частоту, и длина волны сократится.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Longitudinal/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl/ Лонгитюдный
    wavelength/ˈweɪvleŋθ/ длину волны
    frequency/ˈfriːkwənsi/ частоту
    amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ точке амплитуды
    wave speed/weɪv spiːd/ скорость волны
    Polarization/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/ поляризация
    intensity/ɪnˈtensɪti/ интенсивность
    Electromagnetic waves/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪvz/ Электромагнитные волны
    14.3

    Boundary Behavior and Polarization · ⁨Поведение на границе и поляризация⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 14.3.A: Describe the interaction between a wave and a boundary.

    • 14.3.A.1 A wave that travels from one medium to another can be transmitted or reflected, depending on the properties of the boundary separating the two media.
      • 14.3.A.1.i A wave traveling from one medium to another (for example, a wave traveling between low-mass and high-mass strings) will result in reflected and transmitted waves.
      • 14.3.A.1.ii A reflected wave is inverted if the transmitted wave travels into a medium in which the speed of the wave decreases.
      • 14.3.A.1.iii A reflected wave is not inverted if the transmitted wave travels into a medium in which the speed of the wave increases.
      • 14.3.A.1.iv The frequency of a wave does not change when it travels from one medium to another.
    • 14.3.A.2 Transverse waves that are reflected from a surface, refracted through a medium, or pass through specific openings may be polarized.
      • 14.3.A.2.i Transverse waves can be polarized and oscillate in a single plane.
      • 14.3.A.2.ii Longitudinal waves cannot be polarized.
    • 14.3.A.3 Polarization of a wave may result in a reduction of the wave's intensity.
      • 14.3.A.3.i Intensity is a measure of the amount of power transferred per unit area.
      • 14.3.A.3.ii The intensity of a wave is the average power per unit area over one period of the wave.
    Русский

    Цель обучения 14.3.A: Описать взаимодействие волны с границей раздела сред.

    • 14.3.A.1 Волна, переходящая из одной среды в другую, может преломляться (проходить) или отражаться в зависимости от свойств границы, разделяющей две среды.
      • 14.3.A.1.i При переходе волны из одной среды в другую (например, при движении волны между струнами малой и большой массы) образуются отраженная и прошедшая волны.
      • 14.3.A.1.ii Отраженная волна инвертируется (переворачивается), если прошедшая волна движется в среду, в которой скорость волны уменьшается.
      • 14.3.A.1.iii Отраженная волна не инвертируется, если прошедшая волна движется в среду, в которой скорость волны увеличивается.
      • 14.3.A.1.iv Частота волны не изменяется при переходе из одной среды в другую.
    • 14.3.A.2 Поперечные волны, отраженные от поверхности, преломленные в среде или прошедшие через определенные отверстия, могут быть поляризованы.
      • 14.3.A.2.i Поперечные волны могут быть поляризованы и колеблются в одной плоскости.
      • 14.3.A.2.ii Продольные волны не могут быть поляризованы.
    • 14.3.A.3 Поляризация волны может привести к снижению ее интенсивности.
      • 14.3.A.3.i Интенсивность — это мера количества мощности, передаваемой на единицу площади.
      • 14.3.A.3.ii Интенсивность волны — это средняя мощность на единицу площади за один период волны.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Total internal reflection

    At a boundary a wave partly reflects and partly transmits. Reflecting off a denser medium inverts the wave; off a less-dense medium it does not. Polarization 偏振 applies to transverse waves only: a polarizer passes just one direction of oscillation, which is why polarized sunglasses cut glare.

    The effect of a polarizer is measured through intensity 强度 - the average power a wave delivers per unit area over one period, in $\text{W m}^{-2}$. Because a polarizer removes the components of the oscillation that are not aligned with it, it reduces the wave's intensity: unpolarized light passing a single ideal polarizer drops to half its intensity, and a second polarizer at an angle cuts it further. Intensity also falls with distance from a source, since the same power spreads over a larger area.

    Русский
    Полное внутреннее отражение

    На границе раздела волна частично отражается и частично проходит. При отражении от более плотной среды волна инвертируется; от менее плотной — нет. Поляризация относится только к поперечным волнам: поляризатор пропускает только одно направление колебаний, поэтому поляризованные очки снижают блики.

    Эффект поляризатора измеряется через интенсивность — среднюю мощность, которую волна переносит на единицу площади за один период, в $\text{W m}^{-2}$. Поскольку поляризатор устраняет составляющие колебаний, не совпадающие с его осью, он снижает интенсивность волны: неполяризованный свет, проходя через один идеальный поляризатор, снижает свою интенсивность вдвое, а второй поляризатор под углом снижает её еще больше. Интенсивность также убывает с расстоянием от источника, поскольку та же мощность распределяется по большей площади.

    Неполяризованные волны колеблются во многих плоскостях; поляризованная волна колеблется в одной плоскости
    Неполяризованные волны колеблются во многих плоскостях; поляризованная волна колеблется в одной
    14.4

    Electromagnetic Waves · ⁨Электромагнитные волны⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 14.4.A: Describe the properties of an electromagnetic wave.

    • 14.4.A.1 Electromagnetic waves consist of oscillating electric and magnetic fields that are mutually perpendicular.
      • 14.4.A.1.i Electromagnetic waves are transverse waves because the oscillations of the electric and magnetic fields are perpendicular to the direction of propagation.
      • 14.4.A.1.ii Electromagnetic waves are commonly assumed to be plane waves, which are characterized by planar wave fronts.
    • 14.4.A.2 Electromagnetic waves do not need a medium through which to propagate.
    • 14.4.A.3 Categories of electromagnetic waves are characterized by their wavelengths.
      • 14.4.A.3.i Categories of electromagnetic waves include (in order of decreasing wavelength, spanning a range from kilometers to picometers) radio waves, microwaves, infrared, visible, ultraviolet, X-rays, and gamma rays.
      • 14.4.A.3.ii Visible electromagnetic waves are further broken into categories of color, including (in order of decreasing wavelength) red, orange, yellow, green, blue, and violet.
      • 14.4.A.3.iii Visible electromagnetic waves are also called light. Sometimes, electromagnetic waves of all wavelengths are collectively referred to as light or electromagnetic radiation.

    Boundary statement: AP Physics 2 expects students to know the ordering of the electromagnetic spectrum (including visible light). However, students will not be expected to define exact wavelength ranges within the electromagnetic spectrum.

    Русский

    Цель обучения 14.4.A: Описать свойства электромагнитной волны.

    • 14.4.A.1 Электромагнитные волны состоят из колеблющихся электрического и магнитного полей, которые взаимно перпендикулярны.
      • 14.4.A.1.i Электромагнитные волны являются поперечными, поскольку колебания электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения.
      • 14.4.A.1.ii Электромагнитные волны обычно рассматриваются как плоские волны, характеризующиеся плоскими волновыми фронтами.
    • 14.4.A.2 Электромагнитным волнам не требуется среда для распространения.
    • 14.4.A.3 Различные категории электромагнитных волн характеризуются их длинами волн.
      • 14.4.A.3.i Категории электромагнитных волн включают (в порядке убывания длины волны, охватывая диапазон от километров до пикометров): радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение.
      • 14.4.A.3.ii Видимые электромагнитные волны дополнительно делятся на цветовые категории, включая (в порядке убывания длины волны): красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый.
      • 14.4.A.3.iii Видимые электромагнитные волны также называют светом. Иногда электромагнитные волны всех длин волн объединенно называют светом или электромагнитным излучением.

    Граница требований: AP Physics 2 предполагает, что студенты знают порядок электромагнитного спектра (включая видимый свет). Однако от студентов не ожидается знание точных диапазонов длин волн внутри электромагнитного спектра.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Electromagnetic waves 电磁波 are oscillating electric and magnetic fields that travel through vacuum at the speed of light $c$, needing no medium. They span the spectrum from radio to gamma rays; higher frequency means shorter wavelength and higher photon energy.

    Русский

    Электромагнитные волны — это колеблющиеся электрическое и магнитное поля, которые распространяются в вакууме со скоростью света $c$, не нуждаясь в среде. Они охватывают спектр от радиоволн до гамма-лучей; более высокая частота означает более короткую длину волны и большую энергию фотона.

    Электромагнитный спектр: от радиоволн до гамма-излучения
    Электромагнитный спектр, от радиоволн до гамма-лучей
    14.5

    The Doppler Effect · ⁨Эффект Доплера⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 14.5.A: Describe the properties of a wave based on the relative motion between the source of the wave and the observer of the wave.

    • 14.5.A.1 The Doppler effect describes the relationship between the rest frequency of a wave source, the observed frequency of the source, and the relative velocity of the source and the observer.
    • 14.5.A.2 A greater relative velocity results in a greater measured difference between the observed and rest frequencies.
      • 14.5.A.2.i For a wave source moving at the same velocity as the observer, the observed frequency is equal to the rest frequency.
      • 14.5.A.2.ii For a wave source moving toward an observer, the observed frequency is greater than the rest frequency.
      • 14.5.A.2.iii For a wave source moving away from an observer, the observed frequency is less than the rest frequency.

    Boundary statement: Only qualitative treatments of the Doppler effect are required for AP Physics 2.

    Русский

    Цель обучения 14.5.A: Описать свойства волны на основе относительного движения источника волны и наблюдателя.

    • 14.5.A.1 Эффект Доплера описывает соотношение между собственной частотой источника волны, наблюдаемой частотой источника и относительной скоростью источника и наблюдателя.
    • 14.5.A.2 Большая относительная скорость приводит к большему измеряемому различию между наблюдаемой и собственной частотами.
      • 14.5.A.2.i Для источника волны, движущегося с той же скоростью, что и наблюдатель, наблюдаемая частота равна собственной частоте.
      • 14.5.A.2.ii Для источника волны, движущегося навстречу наблюдателю, наблюдаемая частота больше собственной частоты.
      • 14.5.A.2.iii Для источника волны, удаляющегося от наблюдателя, наблюдаемая частота меньше собственной частоты.

    Граница требований: Для AP Physics 2 требуется только качественное рассмотрение эффекта Доплера.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    The Doppler effect

    The Doppler effect 多普勒效应 is the change in observed frequency when a wave source and observer move relative to each other. Approaching $\Rightarrow$ higher frequency (shorter wavelength); receding $\Rightarrow$ lower frequency. It explains a passing siren's drop in pitch and the redshift of receding galaxies.

    Русский
    Эффект Доплера

    Эффект Доплера — это изменение наблюдаемой частоты, когда источник волны и наблюдатель движутся относительно друг друга. Сближение $\Rightarrow$ приводит к более высокой частоте (короткой длине волны); удаление $\Rightarrow$ — к более низкой частоте. Это объясняет падение тона passing сирены и красное смещение удаляющихся галактик.

    Движущийся источник сжимает волновые фронты перед собой, повышая наблюдаемую частоту
    Движущийся источник сжимает волновые фронты перед собой, повышая наблюдаемую частоту
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Hear the Doppler shift · ⁨Услышьте эффект Доплера⁩

    When a source moves, waves bunch up ahead (higher frequency) and stretch behind (lower) — the Doppler effect. Speed it up to exaggerate the shift. · ⁨Когда источник движется, волны сгущаются впереди (высокая частота) и растягиваются позади (низкая частота) — это эффект Доплера. Увеличьте скорость, чтобы усилить сдвиг.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Doppler effect/ˈdɒplə ɪˈfekt/ Эффект Доплера
    Constructive interference/kənˈstrʌktɪv ˌɪntəˈfɪərəns/ конструктивная интерференция
    destructive interference/dɪˈstrʌktɪv ˌɪntəˈfɪərəns/ деструктивная интерференция
    14.6

    Wave Interference and Standing Waves · ⁨Интерференция волн и стоячие волны⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 14.6.A: Describe the net disturbance that occurs when two or more wave pulses or waves overlap.

    • 14.6.A.1 Wave interference is the interaction of two or more wave pulses or waves.
    • 14.6.A.2 When two or more wave pulses or waves interact with each other, they travel through each other and overlap rather than bouncing off each other.
    • 14.6.A.3 When two or more wave pulses or waves overlap, the resulting displacement can be determined by adding the individual displacements. This is called superposition.
    • 14.6.A.4 Wave interference may be constructive or destructive.
      • 14.6.A.4.i When the displacements of the superposed wave pulses or waves are in the same direction, the interaction is called constructive interference.
      • 14.6.A.4.ii When the displacements of the superposed wave pulses or waves are in opposite directions, the interaction is called destructive interference.
      • 14.6.A.4.iii Two or more traveling wave pulses or waves can interact in such a way as to produce amplitude variations in the resultant wave pulse or wave.
    • 14.6.A.5 Visual representations of wave pulses or waves are useful in determining the result of two interacting wave pulses or waves.
    • 14.6.A.6 Beats arise from the addition of two waves of slightly different frequency.
      • 14.6.A.6.i Waves with different frequencies are sometimes in phase and sometimes out of phase at locations along the waves, causing periodic amplitude changes in the resultant wave.
      • 14.6.A.6.ii The beat frequency is the difference in the frequencies of the two waves.
        • Equation: $\left|f_{\text{beat}}\right| = \left|f_1 - f_2\right|$
      • 14.6.A.6.iii Tuning forks are devices that are commonly used to demonstrate beat frequencies.

    Learning Objective 14.6.B: Describe the properties of a standing wave.

    • 14.6.B.1 Standing waves can result from interference between two waves that are confined to a region and traveling in opposite directions.
      • 14.6.B.1.i Standing waves have nodes and antinodes. A node is a point on the standing wave where the amplitude is always zero. An antinode is a point on the standing wave where the amplitude is always at maximum.
      • 14.6.B.1.ii The possible wavelengths of a standing wave are determined by the size and boundary conditions of the region to which it is confined.
      • 14.6.B.1.iii Common regions where standing waves can form include pipes with open or closed ends, as well as strings with fixed or loose ends.
    • 14.6.B.2 A standing wave with the longest possible wavelength is called the fundamental or first harmonic. The second-longest wavelength is typically called the second harmonic, the third-longest wavelength is called the third harmonic, and so on. However, for a standing wave with a node at one end and an antinode at the other end, only odd harmonics can be established.
    • 14.6.B.3 Visual representations of standing waves are useful in determining the relationships between length of the region, wavelength, frequency, wave speed, and harmonic.
    Русский

    Цель обучения 14.6.A: Описать результирующее возмущение, возникающее при наложении двух или более волновых импульсов или волн.

    • 14.6.A.1 Интерференция волн — это взаимодействие двух или более волновых импульсов или волн.
    • 14.6.A.2 Когда два или более волновых импульса или волны взаимодействуют друг с другом, они проходят сквозь друг друга и накладываются, а не отскакивают друг от друга.
    • 14.6.A.3 Когда два или более волновых импульса или волн накладываются, resulting смещение можно определить путем сложения отдельных смещений. Это называется суперпозицией.
    • 14.6.A.4 Интерференция волн может быть конструктивной или деструктивной.
      • 14.6.A.4.i Когда смещения накладываемых волновых импульсов или волн направлены в одну сторону, взаимодействие называется конструктивной интерференцией.
      • 14.6.A.4.ii Когда смещения накладываемых волновых импульсов или волн направлены в противоположные стороны, взаимодействие называется деструктивной интерференцией.
      • 14.6.A.4.iii Два или более бегущих волновых импульса или волны могут взаимодействовать таким образом, чтобы вызвать вариации амплитуды в результирующем волновом импульсе или волне.
    • 14.6.A.5 Визуальные представления волновых импульсов или волн полезны для определения результата взаимодействия двух волновых импульсов или волн.
    • 14.6.A.6 Биты возникают в результате сложения двух волн с немного различающимися частотами.
      • 14.6.A.6.i Волны с разными частотами иногда находятся в фазе, а иногда вне фазы в точках вдоль распространения, что вызывает периодические изменения амплитуды результирующей волны.
      • 14.6.A.6.ii Частота бит равна разности частот двух волн.
        • Уравнение: $\left|f_{\text{beat}}\right| = \left|f_1 - f_2\right|$
      • 14.6.A.6.iii Звуковые камертоны — устройства, которые часто используются для демонстрации явления бит.

    Цель обучения 14.6.B: Описать свойства стоячей волны.

    • 14.6.B.1 Стоячие волны могут возникать в результате интерференции двух волн, ограниченных областью пространства и движущихся навстречу друг другу.
      • 14.6.B.1.i Стоячие волны имеют узлы и пучности. Узел — это точка на стоячей волне, где амплитуда всегда равна нулю. Пучность — это точка на стоячей волне, где амплитуда всегда максимальна.
      • 14.6.B.1.ii Возможные длины волн стоячей волны определяются размерами и граничными условиями области, в которой она ограничена.
      • 14.6.B.1.iii Типичными областями возникновения стоячих волн являются трубы с открытыми или закрытыми концами, а также струны с закрепленными или свободными концами.
    • 14.6.B.2 Стоячая волна с максимально возможной длиной волны называется основной тональностью или первой гармоникой. Вторая по длине длина волны обычно называется второй гармоникой, третья — третьей гармоникой и так далее. Однако для стоячей волны с узлом на одном конце и пучностью на другом могут существовать только нечетные гармоники.
    • 14.6.B.3 Визуальные представления стоячих волн полезны для определения взаимосвязей между длиной области, длиной волны, частотой, скоростью распространения волны и номером гармоники.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Standing (stationary) waves

    When waves overlap they superpose (add). Constructive interference 相长干涉 (crests aligned) gives a bigger wave; destructive interference 相消干涉 (crest on trough) cancels. Two waves travelling opposite ways in a bounded medium form a standing wave 驻波 with fixed nodes 波节 (no motion) and antinodes 波腹 (maximum motion) – the basis of resonance on strings and in pipes.

    Worked example. A guitar string $0.65\ \text{m}$ long is fixed at both ends. Its fundamental (first harmonic) fits half a wavelength between the ends, so $\lambda=2L=1.30\ \text{m}$. If waves travel along the string at $260\ \text{m/s}$, the note's frequency is $f=v/\lambda=260/1.30=200\ \text{Hz}$. Shortening the string (a fret) raises the pitch.

    When two waves of slightly different frequency overlap, they drift in and out of step, so the combined sound swells loud and soft in a slow throb called beats 拍. The beat frequency 拍频 is simply the difference of the two frequencies:

    $$f_{\text{beat}}=|f_1-f_2|.$$
    Two tuning forks of $256\ \text{Hz}$ and $260\ \text{Hz}$ sounded together give $|260-256|=4$ beats each second; a musician tunes an instrument by slowing these beats towards zero against a reference note.

    Русский
    Стоячие (неподвижные) волны

    Когда волны накладываются друг на друга, они суперпозиционируются (складываются). Конструктивная интерференция (совпадение гребней) дает большую волну; деструктивная интерференция (гребень на впадине) приводит к взаимной компенсации. Две волны, движущиеся навстречу друг другу в ограниченном пространстве, образуют стоячую волну с фиксированными узлами (местами отсутствия колебаний) и пучностями (местами максимальной амплитуды) — это основа резонанса на струнах и в трубках.

    Стоячая волна образуется там, где накладываются две волны, движущиеся навстречу друг другу
    Стоячая волна образуется там, где накладываются две волны, движущиеся навстречу друг другу

    Разбор примера. Гитарная струна $0.65\ \text{m}$ длиной закреплена с обоих концов. Её основная частота (первая гармоника) укладывается между концами как половина длины волны, поэтому $\lambda=2L=1.30\ \text{m}$. Если волны распространяются по струне со скоростью $260\ \text{m/s}$, частота звука составляет $f=v/\lambda=260/1.30=200\ \text{Hz}$. Укорочение струны (прижатие лада) повышает тон.

    Когда накладываются две волны слегка различной частоты, они смещаются относительно друг друга во времени, поэтому суммарный звук то нарастает, то затухает, создавая медленное пульсирование, называемое биениями. Частота биений равна разности этих двух частот:

    $$f_{\text{beat}}=|f_1-f_2|.$$
    Два камертона с частотами $256\ \text{Hz}$ и $260\ \text{Hz}$, звучащие вместе, дают $|260-256|=4$ биений в секунду; музыкант настраивает инструмент, уменьшая число биений до нуля на фоне эталонного тона.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Set up a standing wave · ⁨Настройте стоячую волну⁩

    Two waves travelling opposite ways interfere into a standing wave with fixed nodes and antinodes. Only certain frequencies fit, giving the harmonics. · ⁨Две волны, движущиеся навстречу друг другу, интерферируют, образуя стоячую волну с неподвижными узлами и пучностями. Только определенные частоты подходят, создавая обертоны.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    standing wave/ˈstændɪŋ weɪv/ стоячей волны
    nodes/nəʊdz/ узлы
    antinodes/ˌæntɪˈnəʊdz/ антиузлы
    beats/biːts/ биения
    beat frequency/biːt ˈfriːkwənsi/ частота биений
    14.7

    Diffraction · ⁨Дифракция⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 14.7.A: Describe the behavior of a wave and the diffraction pattern resulting from a wave passing through a single opening.

    • 14.7.A.1 Diffraction is the spreading of a wave around the edges of an obstacle or through an opening.
    • 14.7.A.2 Diffraction is most pronounced when the size of the opening is comparable to the wavelength of the wave.
    • 14.7.A.3 Diffraction of multiple wavefronts through a single opening leads to observable interference patterns.
    • 14.7.A.4 Diffraction is commonly demonstrated by monochromatic light of wavelength $\lambda$ incident on a narrow opening of width $a$ that is a distance $L$ from a screen.
      • 14.7.A.4.i Constructive and destructive interference of multiple wavefronts originating from the opening will result in bright and dark bands on the screen.
      • 14.7.A.4.ii The amount of interference between two wavefronts depends on the path length difference $\Delta D$ of the wavefronts.
      • 14.7.A.4.iii The path length difference $\Delta D$ can be described in terms of the opening width $a$ and the angle $\theta$ between the direction of propagation of the wavefront and the normal to the opening by the equation $\Delta D = a\sin\theta$.
      • 14.7.A.4.iv For small angles, where $\theta < 10°$, the small angle approximation can be used to relate $\lambda$, $a$, and $L$ to $y_{\min}$, the distance from the middle of the central bright fringe to the $m^{\text{th}}$ order of minimum brightness on the screen.
        • Equation: $a\left(\dfrac{y_{\min}}{L}\right) \approx m\lambda$
    • 14.7.A.5 The diffraction pattern produced by a wave passing through an opening depends on the shape of the opening.
    • 14.7.A.6 Visual representations of single-slit diffraction patterns are useful in determining the physical properties of the slit and the interacting waves.
    Русский

    Цель обучения 14.7.A: Описать поведение волны и дифракционную картину, возникающую при прохождении волны через одиночное отверстие.

    • 14.7.A.1 Дифракция — это огибание волнами краев препятствия или прохождение их через отверстие.
    • 14.7.A.2 Дифракция наиболее выражена, когда размер отверстия сопоставим с длиной волны.
    • 14.7.A.3 Дифракция нескольких волновых фронтов через одно отверстие приводит к наблюдаемым картинам интерференции.
    • 14.7.A.4 Дифракцию обычно демонстрируют монохроматический свет с длиной волны $\lambda$, падающий на узкое отверстие шириной $a$, расположенное на расстоянии $L$ от экрана.
      • 14.7.A.4.i Конструктивная и деструктивная интерференция нескольких волновых фронтов, исходящих из отверстия, приведет к появлению светлых и темных полос на экране.
      • 14.7.A.4.ii Степень интерференции между двумя волновыми фронтами зависит от разности хода $\Delta D$ этих фронтов.
      • 14.7.A.4.iii Разность хода $\Delta D$ может быть выражена через ширину отверстия $a$ и угол $\theta$ между направлением распространения волнового фронта и нормалью к отверстию с помощью уравнения $\Delta D = a\sin\theta$.
      • 14.7.A.4.iv Для малых углов, когда $\theta < 10°$, можно использовать приближение малых углов, чтобы связать $\lambda$, $a$ и $L$ со $y_{\min}$ — расстоянием от центра центральной светлой полосы до минимума яркости $m^{\text{th}}$ порядка на экране.
        • Уравнение: $a\left(\dfrac{y_{\min}}{L}\right) \approx m\lambda$
    • 14.7.A.5 Дифракционная картина, создаваемая волной, проходящей через отверстие, зависит от формы этого отверстия.
    • 14.7.A.6 Визуальные представления картин дифракции на одной щели полезны для определения физических свойств щели и взаимодействующих волн.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Diffraction 衍射 is the bending and spreading of waves around edges or through openings. The spreading is significant when the opening is comparable to the wavelength – so sound (long wavelength) bends around doorways easily, while light (tiny wavelength) needs a very narrow slit.

    Русский

    Дифракция — это огибание волнами краев препятствий или распространение через отверстия. Значительное отклонение происходит, когда размер отверстия сопоставим с длиной волны: поэтому звук (большая длина волны) легко огибает дверные проемы, а свет (маленькая длина волны) требует очень узкой щели.

    Волны расширяются (дифрагируют), проходя через щель
    Волны расширяются (дифрагируют), проходя через щель
    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    Diffraction/dɪˈfrækʃn/ Дифракция
    Coherent/kəʊˈhɪərənt/ когерентный
    diffraction grating/dɪˈfrækʃn ˈɡreɪtɪŋ/ дифракционная решётка
    thin film/θɪn fɪlm/ тонкая пленка
    antireflection coating/ˌæntɪrɪˈflekʃn ˈkəʊtɪŋ/ антиотражающее покрытие
    14.8

    Double-Slit Interference and Diffraction Gratings · ⁨Интерференция при двойной щели и дифракционные решетки⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    Learning ObjectiveEssential Knowledge

    14.8.A
    Describe the behavior of a wave and the diffraction pattern resulting from the wave passing through multiple openings.

    • 14.8.A.1 The pattern resulting from monochromatic light of wavelength $\lambda$ incident on two slits a distance $d$ apart is caused by a combination of wave diffraction and wave interference.
      • 14.8.A.1.i When only considering wave interference, a double slit creates a pattern of uniformly spaced maxima.
      • 14.8.A.1.ii Constructive and destructive interference of the wavefronts originating from each slit will result in bright and dark bands on the screen.
      • 14.8.A.1.iii The amount of interference between two wavefronts depends on the path length difference $\Delta D$ of the wavefronts.
      • 14.8.A.1.iv The path length difference $\Delta D$ can be described in terms of the slit separation $d$ and the angle $\theta$ between the direction of propagation of the wavefront and the normal to the opening by the equation $\Delta D = d\sin\theta$.
      • 14.8.A.1.v For small angles, where $\theta < 10°$, the small angle approximation can be used to relate $\lambda$, $d$, and $L$ to $y_{\max}$, the distance from the middle of the central bright fringe to the $m^{\text{th}}$ order of maximum brightness on the screen.
        • Equation: $d\left(\dfrac{y_{\max}}{L}\right) \approx m\lambda$
      • 14.8.A.1.vi When considering wave interference and wave diffraction, a double slit creates an interference pattern of maxima and minima superimposed within the envelope created by single-slit diffraction.
    • 14.8.A.2 Interference patterns produced by light interacting with a double slit indicate that light has wave properties. The source of this discovery was Young's double-slit experiment.
    • 14.8.A.3 Visual representations of double-slit diffraction patterns are useful in determining the physical properties of the slits and the interacting waves.
    • 14.8.A.4 A diffraction grating is a collection of evenly spaced parallel slits or openings that produce an interference pattern that is the combination of numerous diffraction patterns superimposed on each other.
    • 14.8.A.5 When white light is incident on a diffraction grating, the center maximum is white and the higher-order maxima disperse white light into a rainbow of colors, with the longest-wavelength light (red) appearing farthest from the central maximum.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Two-source interference

    Coherent 相干 light through two closely spaced slits produces a pattern of bright and dark fringes. Bright fringes occur where the path difference is a whole number of wavelengths:

    $$d\sin\theta=m\lambda.$$
    A diffraction grating 衍射光栅 has many slits, giving sharp, widely spaced bright lines – useful for separating light into its wavelengths.

    Worked example. Light of wavelength $600\ \text{nm}$ passes through two slits $0.20\ \text{mm}$ apart. The first bright fringe ($m=1$) sits at

    $$\sin\theta=\frac{m\lambda}{d}=\frac{1\times600\times10^{-9}}{0.20\times10^{-3}}=3.0\times10^{-3}\;\Rightarrow\;\theta=0.17^{\circ}.$$
    The tiny angle is why the slits must be very close together and the screen far away to see the fringes clearly.

    Русский
    Интерференция от двух источников

    Когерентный свет, проходящий через две близко расположенные щели, создает полосу чередующихся светлых и темных полос. Светлые полосы возникают там, где разность хода равна целому числу длин волн:

    $$d\sin\theta=m\lambda.$$
    Дифракционная решетка имеет множество щелей, что дает четкие, широко расставленные светлые линии — полезно для разделения света на составляющие длины волн.

    Опыты Юнга с двумя щелями дают интерференционную картину из светлых и темных полос
    Опыты Юнга с двумя щелями дают интерференционную картину из светлых и темных полос

    Разбор примера. Свет с длиной волны $600\ \text{nm}$ проходит через две щели, расстояние между которыми $0.20\ \text{mm}$. Первая светлая полоса ($m=1$) находится на расстоянии

    $$\sin\theta=\frac{m\lambda}{d}=\frac{1\times600\times10^{-9}}{0.20\times10^{-3}}=3.0\times10^{-3}\;\Rightarrow\;\theta=0.17^{\circ}.$$
    Именно малый угол объясняет необходимость очень близкого расположения щелей и удаленного экрана для четкого наблюдения полос.

    Радужные цвета, отраженные от поверхности компакт-диска
    Мелкие дорожки на CD действуют как дифракционная решетка, расщепляя белый свет на спектр
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Superpose two waves · ⁨Наложите две волны друг на друга⁩

    Where two waves arrive in phase they add (bright fringe); out of phase they cancel (dark fringe). That interference makes the double-slit pattern. · ⁨Там, где две волны приходят в фазе, они складываются (светлая полоса); не в фазе — гасят друг друга (тёмная полоса). Именно эта интерференция создаёт рисунок двойной щели.⁩

    14.9

    Thin-Film Interference · ⁨Интерференция в тонких пленках⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 14.9.A: Describe the behavior of light that interacts with a thin film.

    • 14.9.A.1 When light travels from one medium to another, some of the light is transmitted, some is reflected, and some is absorbed.
    • 14.9.A.2 The phase change of a reflected ray depends on the relative indices of refraction of the materials with which the ray interacts.
      • 14.9.A.2.i A phase change of 180 degrees occurs when a light ray is reflected from a medium with a greater index of refraction than the medium through which the ray is traveling.
      • 14.9.A.2.ii No phase change occurs when a light ray is reflected from a medium with a lower index of refraction than the medium through which the ray is traveling.
    • 14.9.A.3 The phase of a wave does not change when it is refracted as it passes from one medium into another.
    • 14.9.A.4 Thin-film interference occurs when light interacts with a medium whose thickness is comparable to the light's wavelength.
      • 14.9.A.4.i The interactions between the initial reflected light and the light exiting the thin film after being reflected from the second interface exhibit wave interference behavior, resulting in a single wave that is the sum of the two interacting waves.
      • 14.9.A.4.ii The amount of constructive or destructive interference between the two reflected waves depends on the relationship between the thickness of the film, the wavelength of light, any phase shifts, and the angle at which the incident light strikes the film.
    • 14.9.A.5 Practical examples of thin-film interference include the color variations seen in soap bubbles and oil films, as well as antireflection coatings.
      • 14.9.A.5.i The spectrum of colors observed in oil films and soap bubbles arises from differences in the thickness of the film.
      • 14.9.A.5.ii Antireflection coatings eliminate reflected light by applying the relationships between indices of refraction, phase shift, and wave interference to create destructive interference of the light reflected from the two surfaces of the coating.
      • 14.9.A.5.iii The simplest antireflection coating has a thickness equal to one-quarter of the wavelength of the light in the coating, and the index of refraction of the coating is greater than that of air and less than that of the surface upon which the coating is applied. This assumes incident light is normal to the surface.

    Boundary statement: Quantitative analysis of thin-film interference is limited to waves that are normal to the incident surface.

    Русский

    Цель обучения 14.9.A: Описать поведение света, взаимодействующего с тонкой пленкой.

    • 14.9.A.1 При переходе света из одной среды в другую часть света проходит через границу раздела, часть отражается, а часть поглощается.
    • 14.9.A.2 Сдвиг фазы отраженного луча зависит от относительных показателей преломления материалов, с которыми взаимодействует луч.
      • 14.9.A.2.i Сдвиг фазы на 180 градусов происходит, когда световой луч отражается от среды с бо́льшим показателем преломления по сравнению со средой, в которой распространяется луч.
      • 14.9.A.2.ii Сдвиг фазы не происходит, когда световой луч отражается от среды с меньшим показателем преломления по сравнению со средой, в которой распространяется луч.
    • 14.9.A.3 Фаза волны не изменяется при преломлении при переходе из одной среды в другую.
    • 14.9.A.4 Интерференция в тонких пленках возникает, когда свет взаимодействует со средой, толщина которой сопоставима с длиной волны света.
      • 14.9.A.4.i Взаимодействие начального отраженного света и света, выходящего из тонкой пленки после отражения от второй границы раздела, проявляет волновое интерференционное поведение, в результате чего образуется единая волна, представляющая собой сумму двух взаимодействующих волн.
      • 14.9.A.4.ii Степень конструктивной или деструктивной интерференции между двумя отраженными волнами зависит от соотношения толщины пленки, длины волны света, возможных сдвигов фазы и угла падения света на пленку.
    • 14.9.A.5 Практическими примерами интерференции в тонких пленках являются цветовые переливы мыльных пузырей и масляных пленок, а также антибликовые покрытия.
      • 14.9.A.5.i Спектр наблюдаемых цветов в масляных пленках и мыльных пузырях возникает из-за различий в толщине пленки.
      • 14.9.A.5.ii Антибликовые покрытия устраняют отраженный свет, используя соотношения между показателями преломления, сдвигом фазы и интерференцией волн для создания деструктивной интерференции света, отраженного от двух поверхностей покрытия.
      • 14.9.A.5.iii Простейшее антибликовое покрытие имеет толщину, равную четверти длины волны света в покрытии, а показатель преломления покрытия больше, чем у воздуха, и меньше, чем у поверхности, на которую нанесено покрытие. Это справедливо для нормального падения света на поверхность.

    Ограничение: Количественный анализ интерференции в тонких пленках ограничивается случаями, когда волны падают нормально на поверхность.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    Light reflecting off the top and bottom of a thin film 薄膜 (soap bubble, oil slick) interferes with itself. Depending on the film's thickness and a possible half-wavelength phase flip on reflection off a denser medium, particular wavelengths interfere constructively – producing the shifting colours you see.

    The same physics is put to work in an antireflection coating 增透膜 on camera lenses, glasses, and solar cells: a thin transparent layer whose two reflected waves interfere destructively, so almost no light reflects and more is transmitted. The simplest coating is one quarter of a wavelength thick (measured in the coating), and its refractive index sits between that of air and the glass beneath, so the reflected light cancels itself out.

    Русский

    Свет, отраженный от верхней и нижней границ тонкой пленки (мыльного пузыря, масляной пленки), интерферирует сам с собой. В зависимости от толщины пленки и возможного скачка фазы на половину длины волны при отражении от оптически более плотной среды, определенные длины волн испытывают конструктивную интерференцию — создавая переливающиеся цвета, которые мы видим.

    Та же физическая原理 используется в антибликовом покрытии объективов фотоаппаратов, очков и солнечных элементов: тонкий прозрачный слой, чьи два отраженных луча испытывают деструктивную интерференцию, так что почти нет отражения и больше света проходит насквозь. Самое простое покрытие имеет толщину в четверть длины волны (измеренную внутри покрытия), а его показатель преломления лежит между показателями воздуха и стекла под ним, благодаря чему отраженный свет компенсируется.

    14.9

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • Use $v=f\lambda$; the source sets the frequency, and when a wave enters a new medium the frequency stays fixed while the speed and wavelength change.
    • Distinguish transverse (vibration perpendicular, can be polarised) from longitudinal (vibration along the travel, e.g. sound).
    • Constructive interference needs a path difference of a whole number of wavelengths; destructive needs a half-odd number.
    • On a string fixed at both ends the fundamental fits half a wavelength ($\lambda=2L$).
    • Diffraction is significant only when the gap is comparable to the wavelength — sound bends round doorways, light needs a very narrow slit.
    • Beats: two waves of slightly different frequency throb at $f_{\text{beat}}=|f_1-f_2|$ (e.g. two tuning forks; tuning to zero beats).
    • An antireflection coating is a quarter-wavelength-thick layer (index between air and glass) whose two reflections cancel, cutting the reflected light.
    Русский
    • Используйте $v=f\lambda$; источник задает частоту, и когда волна входит в новую среду, частота остается неизменной, меняются лишь скорость и длина волны.
    • Различайте поперечные (колебания перпендикулярны направлению движения, могут поляризоваться) и продольные (колебания вдоль направления движения, например, звук).
    • Для конструктивной интерференции разность хода должна быть целым числом длин волн; для деструктивной — нечетным числом половин длин волн.
    • На струне, закрепленной с обоих концов, основная частота укладывается половина длины волны ($\lambda=2L$).
    • Дифракция значима только тогда, когда размер щели сопоставим с длиной волны — звук огибает дверные проемы, свет требует очень узкой щели.
    • Биения: две волны с слегка различающейся частотой пульсируют с частотой $f_{\text{beat}}=|f_1-f_2|$ (например, два камертона; настройка на ноль биений).
    • Антибликовое покрытие — это слой толщиной в четверть длины волны (с показателем преломления между воздухом и стеклом), чьи два отражения компенсируют друг друга, уменьшая отраженный свет.
  • 15

    Modern Physics · ⁨Современная физика⁩

    Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩
    15.1

    Quantum Theory and Wave-Particle Duality · ⁨Квантовая теория и волново-частичный дуализм⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 15.1.A: Describe the properties and behavior of an object that exhibits both particle-like and wave-like behavior.

    • 15.1.A.1 Quantum theory was developed to explain observations of matter and energy that could not be explained using classical mechanics. These phenomena include, but are not limited to, atomic spectra, blackbody radiation, and the photoelectric effect.
      • 15.1.A.1.i Quantum theory is necessary to describe the properties of matter at atomic and subatomic scales.
      • 15.1.A.1.ii In quantum theory, fundamental particles can exhibit both particle-like and wave-like behavior.
    • 15.1.A.2 Light can be modeled both as a wave and as discrete particles, called photons.
      • 15.1.A.2.i A photon is a massless, electrically neutral particle with energy proportional to the photon's frequency.
        • Relevant equations:
        • $E = hf$
        • $\lambda = \dfrac{c}{f}$
      • 15.1.A.2.ii Photons travel in straight lines unless they interact with matter.
    • 15.1.A.3 The speed of a photon depends on the medium through which the photon travels.
      • 15.1.A.3.i The speed of all photons in free space is equal to the speed of light, $c = 3.00 \times 10^{8}$ m/s.
      • 15.1.A.3.ii In general, the speed of photons through a given medium is inversely proportional to the index of refraction of that medium.
    • 15.1.A.4 Particles can demonstrate wave properties, as shown by variations of Young's double-slit experiment.
      • 15.1.A.4.i A wave model of matter is quantified by the de Broglie wavelength, which increases as the momentum of a particle decreases.
        • Relevant equation:
        • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
      • 15.1.A.4.ii Quantum theory is necessary to describe systems where the de Broglie wavelength is comparable to the size of the system.
    • 15.1.A.5 Values of energy and momentum have discrete, or quantized, values for bound systems described by quantum theory.
    Русский

    Цель обучения 15.1.A: Описать свойства и поведение объекта, демонстрирующего как корпускулярные, так и волновые свойства.

    • 15.1.A.1 Квантовая теория была разработана для объяснения наблюдений за материей и энергией, которые не могли быть объяснены с помощью классической механики. К таким явлениям относятся, помимо прочего, атомные спектры, излучение абсолютно черного тела и фотоэлектрический эффект.
      • 15.1.A.1.i Квантовая теория необходима для описания свойств материи на атомных и субатомных масштабах.
      • 15.1.A.1.ii В квантовой теории фундаментальные частицы могут проявлять как корпускулярное, так и волновое поведение.
    • 15.1.A.2 Свет можно моделировать как волну и как дискретные частицы, называемые фотонами.
      • 15.1.A.2.i Фотон — это безмассовая электрически нейтральная частица, энергия которой пропорциональна частоте фотона.
        • Соответствующие формулы:
        • $E = hf$
        • $\lambda = \dfrac{c}{f}$
      • 15.1.A.2.ii Фотоны движутся по прямым линиям, если не взаимодействуют с материей.
    • 15.1.A.3 Скорость фотона зависит от среды, через которую он проходит.
      • 15.1.A.3.i Скорость всех фотонов в вакууме равна скорости света, $c = 3.00 \times 10^{8}$ м/с.
      • 15.1.A.3.ii В общем случае скорость фотонов в данной среде обратно пропорциональна показателю преломления этой среды.
    • 15.1.A.4 Частицы могут демонстрировать волновые свойства, что подтверждается модификациями опыта Юнга с двумя щелями.
      • 15.1.A.4.i Волновая модель материи описывается длиной волны де Бройля, которая увеличивается по мере уменьшения импульса частицы.
        • Соответствующая формула:
        • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
      • 15.1.A.4.ii Квантовая теория необходима для описания систем, в которых длина волны де Бройля сопоставима с размерами системы.
    • 15.1.A.5 Значения энергии и импульса имеют дискретные, то есть квантованные, значения для связанных систем, описываемых квантовой теорией.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    At tiny scales, energy comes in discrete packets called quanta 量子. Light is carried by photons 光子, each with energy set by its frequency:

    $$E=hf,$$
    where $h$ is Planck's constant. Wave–particle duality 波粒二象性: light and matter each show both wave behavior (interference, diffraction) and particle behavior (photons, electrons as localized hits). A particle also has a matter wavelength $\lambda=\dfrac{h}{p}$, and particles genuinely produce interference - a variation of Young's double-slit experiment 双缝实验 done with electrons builds up the same fringe pattern as light.

    Worked example. Find the energy of a photon of orange light with frequency $5.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ ($h=6.63\times10^{-34}\ \text{J s}$): $E=hf=6.63\times10^{-34}\times5.0\times10^{14}=3.3\times10^{-19}\ \text{J}$, which is about $2.1\ \text{eV}$ (dividing by $1.6\times10^{-19}$). Visible-light photons carry a few electronvolts – just right to trigger the chemistry of vision and photosynthesis.

    Русский
    Камера Вильсона: современная физика отслеживает заряженные частицы при радиоактивных распадах
    Камера Вильсона: современная физика отслеживает заряженные частицы при радиоактивных распадах

    На микроскопических масштабах энергия выделяется дискретными порциями, называемыми квантами. Свет переносится фотононами, каждый из которых обладает энергией, определяемой его частотой:

    $$E=hf,$$
    где $h$ — постоянная Планка. Волново-частичный дуализм: свет и материя проявляют как волновые свойства (интерференция, дифракция), так и корпускулярные (фотоны, электроны как локализованные удары). Частица также имеет волну де Бройля $\lambda=\dfrac{h}{p}$, и частицы действительно создают интерференцию — вариант опыта Юнга с двойной щелью, проведенный с электронами, накапливает ту же полосу полос, что и свет.

    Электроны образуют дифракционную картину, демонстрируя волновую природу частиц
    Электроны образуют дифракционную картину, демонстрируя волновую природу частиц

    Разбор примера. Найдите энергию фотона оранжевого света с частотой $5.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ ($h=6.63\times10^{-34}\ \text{J s}$): $E=hf=6.63\times10^{-34}\times5.0\times10^{14}=3.3\times10^{-19}\ \text{J}$, что примерно равно $2.1\ \text{eV}$ (делением на $1.6\times10^{-19}$). Фотоны видимого света несут несколько электронвольт — как раз достаточно для запуска химии зрения и фотосинтеза.

    15.2

    The Bohr Model of Atomic Structure · ⁨Модель атома Бора⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 15.2.A: Describe the properties of an atom.

    • 15.2.A.1 Atoms have internal structure.
      • 15.2.A.1.i Atoms consist of a small, positively charged nucleus surrounded by one or more negatively charged electrons.
      • 15.2.A.1.ii The nucleus of an atom is made up of protons and neutrons.
      • 15.2.A.1.iii The number of neutrons and protons in an atom can be represented using nuclear notation.
      • 15.2.A.1.iv An ion is an atom with a nonzero net electric charge.
    • 15.2.A.2 Each atomic element has a unique number of protons.
      • 15.2.A.2.i The number and arrangements of electrons affects how atoms interact.
      • 15.2.A.2.ii The total number of neutrons and protons identifies the isotope of an element.
      • 15.2.A.2.iii The mass of an atom is dominated by the total mass of the protons and neutrons in its nucleus.
    • 15.2.A.3 The Bohr model of the atom is based on classical physics and was the historical representation of the atom that led to the description of the hydrogen atom in terms of discrete energy states.
      • 15.2.A.3.i In the Bohr model of the atom, electrons are modeled as moving around the nucleus in circular orbits determined by the electron's charge and mass, as well as the electric force between the electron and the nucleus.
        • Relevant equations:
        • $F_e = k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
        • $F_{\text{net}} = m\dfrac{v^2}{r}$
      • 15.2.A.3.ii The standing wave model of electrons accounts for the existence of specific allowed energy states of an electron in an atom, because the electron orbit's circumference must be an integer multiple of the electron's de Broglie wavelength.

    Boundary statement: The analysis and description of electron structure is limited to energy levels and will not include such advanced descriptions as orbitals, orbital shapes, or probability functions.

    Русский

    Цель обучения 15.2.A: Описать свойства атома.

    • 15.2.A.1 Атомы имеют внутреннюю структуру.
      • 15.2.A.1.i Атомы состоят из маленького положительно заряженного ядра, окруженного одним или несколькими отрицательно заряженными электронами.
      • 15.2.A.1.ii Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.
      • 15.2.A.1.iii Количество нейтронов и протонов в атоме может быть представлено с использованием ядерной нотации.
      • 15.2.A.1.iv Ион — это атом с ненулевым суммарным электрическим зарядом.
    • 15.2.A.2 Каждый химический элемент имеет уникальное количество протонов.
      • 15.2.A.2.i Число и расположение электронов влияют на то, как взаимодействуют атомы.
      • 15.2.A.2.ii Общее количество нейтронов и протонов определяет изотоп элемента.
      • 15.2.A.2.iii Масса атома определяется преимущественно суммарной массой протонов и нейтронов в его ядре.
    • 15.2.A.3 Модель атома Бора основана на классической физике и является историческим представлением атома, которое привело к описанию атома водорода через дискретные энергетические состояния.
      • 15.2.A.3.i В модели атома Бора электроны изображаются движущимися по круговым орбитам вокруг ядра, которые определяются зарядом и массой электрона, а также электрической силой между электроном и ядром.
        • Соответствующие формулы:
        • $F_e = k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
        • $F_{\text{net}} = m\dfrac{v^2}{r}$
      • 15.2.A.3.ii Стоячая волновая модель электронов объясняет существование конкретных разрешенных энергетических состояний электрона в атоме, поскольку длина окружности орбиты электрона должна быть целым кратным длины волны де Бройля электрона.

    Граничное условие: Анализ и описание электронной структуры ограничены уровнями энергии и не включают такие продвинутые концепции, как орбитали, формы орбиталей или функции вероятности.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The Bohr model 玻尔模型 pictures electrons orbiting the nucleus only in certain allowed energy levels 能级. An electron can jump between levels only by absorbing or emitting a photon whose energy exactly matches the gap:

    $$E_{\text{photon}}=|E_{\text{final}}-E_{\text{initial}}|.$$
    Because the levels are discrete, only specific photon energies are allowed.

    Русский

    Модель Боэра представляет электроны, вращающиеся вокруг ядра только на определённых разрешённых энергетических уровнях. Электрон может переходить между уровнями, только поглощая или испуская фотон, энергия которого точно соответствует разнице уровней:

    $$E_{\text{photon}}=|E_{\text{final}}-E_{\text{initial}}|.$$
    Поскольку уровни дискретны, допускаются только конкретные энергии фотонов.

    15.3

    Emission and Absorption Spectra · ⁨Спектры излучения и поглощения⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 15.3.A: Describe the emission or absorption of photons by atoms.

    • 15.3.A.1 Energy transfer occurs when photons are absorbed or emitted by an atom, which is modeled as a system consisting of a nucleus and an electron.
    • 15.3.A.2 Energy can only be absorbed or emitted by an atom if the amount of energy being absorbed or emitted corresponds to the energy difference between two atomic energy states.
      • 15.3.A.2.i An atom in a given energy state may absorb a photon of the appropriate energy and transition to a higher energy state.
      • 15.3.A.2.ii An atom in an excited energy state may emit a photon of the appropriate energy to spontaneously move to a lower energy state.
      • 15.3.A.2.iii Because an atom is modeled as a system consisting of an electron and a nucleus, a change in the energy state of an atom corresponds to a change in the interaction energy between the electron and the nucleus.
    • 15.3.A.3 Transitions between two energy states of an atom correspond to the absorption or emission of a photon of a single frequency and, therefore, a single wavelength.
    • 15.3.A.4 Atoms of each element have a unique set of allowed energy levels and thereby a unique set of absorption and emission frequencies. The unique set of frequencies determines the element's spectrum.
      • 15.3.A.4.i An emission spectrum can be used to determine the elements in a source of light.
      • 15.3.A.4.ii An absorption spectrum can be used to determine the elements composing a substance by observing what light the substance has absorbed.
      • 15.3.A.4.iii Energy level diagrams are commonly used to visually represent the energy states of an atom.
    • 15.3.A.5 Binding energy is the energy required to remove an electron from an atom, causing the atom to become ionized. An atom in the lowest energy level (ground state) will require the greatest amount of energy to remove the electron from the atom.

    Boundary statement: In AP Physics 2, only energy level diagrams of single-electron atoms will be considered.

    Русский

    Цель обучения 15.3.A: Описать испускание или поглощение фотонов атомами.

    • 15.3.A.1 Передача энергии происходит при поглощении или испускании фотонов атомом, который моделируется как система, состоящая из ядра и электрона.
    • 15.3.A.2 Энергия может поглощаться или испускаться атомом только если количество поглощаемой или испускаемой энергии соответствует разнице энергий между двумя энергетическими состояниями атома.
      • 15.3.A.2.i Атом, находящийся в определенном энергетическом состоянии, может поглотить фотон соответствующей энергии и перейти в более высокое энергетическое состояние.
      • 15.3.A.2.ii Атом, находящийся в возбужденном энергетическом состоянии, может испустить фотон соответствующей энергии для спонтанного перехода в более низкое энергетическое состояние.
      • 15.3.A.2.iii Поскольку атом моделируется как система, состоящая из электрона и ядра, изменение энергетического состояния атома соответствует изменению энергии взаимодействия между электроном и ядром.
    • 15.3.A.3 Переходы между двумя энергетическими состояниями атома соответствуют поглощению или испусканию фотона одной частоты, а следовательно, одной длины волны.
    • 15.3.A.4 Атомы каждого элемента имеют уникальный набор разрешенных энергетических уровней и, таким образом, уникальный набор частот поглощения и испускания. Уникальный набор частот определяет спектр элемента.
      • 15.3.A.4.i Спектр испускания может использоваться для определения элементов в источнике света.
      • 15.3.A.4.ii Спектр поглощения может использоваться для определения элементов, составляющих вещество, путем наблюдения того, какой свет это вещество поглотило.
      • 15.3.A.4.iii Диаграммы энергетических уровней часто используются для визуального представления энергетических состояний атома.
    • 15.3.A.5 Энергия связи — это энергия, необходимая для удаления электрона из атома, что приводит к его ионизации. Атом в самом низком энергетическом уровне (основное состояние) потребует наибольшего количества энергии для удаления электрона из атома.

    Граничное условие: В курсе AP Physics 2 рассматриваются только диаграммы энергетических уровней одноэлектронных атомов.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    • An emission spectrum 发射光谱 is the set of bright lines given off when electrons drop to lower levels – each line a specific wavelength.
    • An absorption spectrum 吸收光谱 is the set of dark lines where those same wavelengths are absorbed from a continuous source.

    The line pattern is a fingerprint of the element, since every element has its own energy levels.

    Русский
    • Спектр испускания — это набор ярких линий, возникающих при переходе электронов на более низкие уровни; каждая линия соответствует определённому длине волны.
    • Спектр поглощения — это набор тёмных линий, где те же самые длины волн поглощаются непрерывным источником.
    Дискретные энергетические уровни водорода образуют линейчатый спектр
    Дискретные энергетические уровни водорода образуют линейчатый спектр

    Линейчатая картина является «отпечатком пальца» элемента, поскольку у каждого элемента свои собственные энергетические уровни.

    Четыре видимые линии испускания водорода на чёрном фоне
    Спектр испускания водорода: каждая яркая линия — это свет, испущенный электроном при переходе между фиксированными энергетическими уровнями
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    See an element's line spectrum · ⁨Посмотрите линейчатый спектр элемента⁩

    Electrons jump between fixed energy levels, emitting or absorbing photons of exact wavelengths — a line spectrum that fingerprints the element. · ⁨Электроны перескакивают между фиксированными энергетическими уровнями, испуская или поглощая фотоны точных длин волн — это линейчатый спектр, который является «отпечатком пальца» данного элемента.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    quanta/ˈkwɒntə/ квантами
    photons/ˈfəʊtɒnz/ фотонов
    Wave–particle duality/weɪv ˈpɑːtɪkl djuːˈælɪti/ Волно-частичный дуализм
    double-slit experiment/ˈdʌbl slɪt ekˈsperɪmənt/ опыт Юнга (двойная щель)
    Bohr model/ˈbəʊə ˈmɒdl/ модель Бора
    energy levels/ˈenədʒi ˈlevlz/ энергетические уровни
    emission spectrum/ɪˈmɪʃn ˈspektrəm/ линейчатый спектр испускания
    absorption spectrum/əbˈsɔːpʃn ˈspektrəm/ спектр поглощения
    15.4

    Blackbody Radiation · ⁨Излучение абсолютно чёрного тела⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 15.4.A: Describe the electromagnetic radiation emitted by an object due to its temperature.

    • 15.4.A.1 Matter will spontaneously convert some of its internal thermal energy into electromagnetic energy.
    • 15.4.A.2 A blackbody is an idealized model of matter that absorbs all radiation that falls on the body. If the body is in equilibrium at a constant temperature, then it must in turn emit energy.
    • 15.4.A.3 A blackbody will emit a continuous spectrum that only depends on the body's temperature. The radiation emitted by a blackbody is often modeled by plotting intensity per unit wavelength as a function of wavelength.
      • 15.4.A.3.i The distribution of the intensity of a blackbody's spectrum as a function of temperature cannot be modeled using only classical physics concepts. A blackbody's spectrum is described by Planck's law, which assumes that the energy of light is quantized.
      • 15.4.A.3.ii The peak wavelength emitted by a blackbody (the wavelength at which the blackbody emits the greatest amount of radiation per unit wavelength) decreases with increasing temperature, as described by Wien's law.
        • Relevant equation:
        • $\lambda_{\max} = \dfrac{b}{T}$
      • 15.4.A.3.iii The rate at which energy is emitted (power) by a blackbody is proportional to the surface area of the body and to the temperature of the body raised to the fourth power, as described by the Stefan-Boltzmann law.
        • Relevant equation:
        • $P = A\sigma T^4$
    Русский

    Цель обучения 15.4.A: Описать электромагнитное излучение, испускаемое объектом в зависимости от его температуры.

    • 15.4.A.1 Материя спонтанно преобразует часть своей внутренней тепловой энергии в электромагнитную энергию.
    • 15.4.A.2 Абсолютно черное тело — это идеализированная модель материи, которая поглощает все излучение, падающее на него. Если тело находится в равновесии при постоянной температуре, то оно должно излучать энергию.
    • 15.4.A.3 Абсолютно черное тело излучает непрерывный спектр, который зависит только от температуры тела. Излучение абсолютно черного тела часто моделируют, строя график интенсивности на единицу длины волны в зависимости от длины волны.
      • 15.4.A.3.i Распределение интенсивности спектра абсолютно черного тела в зависимости от температуры не может быть смоделировано с использованием только понятий классической физики. Спектр абсолютно черного тела описывается законом Планка, который предполагает квантование энергии света.
      • 15.4.A.3.ii Пиковая длина волны, излучаемая абсолютно черным телом (длина волны, при которой абсолютно черное тело излучает наибольшее количество излучения на единицу длины волны), уменьшается с повышением температуры, как описано законом смещения Вина.
        • Соответствующая формула:
        • $\lambda_{\max} = \dfrac{b}{T}$
      • 15.4.A.3.iii Мощность, с которой абсолютно черное тело излучает энергию, пропорциональна площади поверхности тела и температуре тела в четвертой степени, как описано законом Стефана-Больцмана.
        • Соответствующая формула:
        • $P = A\sigma T^4$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    A blackbody 黑体 emits a continuous spectrum that depends only on its temperature. Hotter objects glow brighter and peak at shorter wavelengths (red-hot to white-hot to blue-hot). Explaining this spectrum required quantized energy – a founding problem of quantum theory.

    Русский

    Абсолютно чёрное тело излучает непрерывный спектр, зависящий только от его температуры. Более горячие объекты светят ярче и имеют максимум излучения на более коротких длинах волн (от красного до белого и синего свечения). Объяснение этого спектра потребовало квантования энергии — одной из фундаментальных проблем квантовой теории.

    Более горячее чёрное тело излучает больше, а пик смещается в сторону более коротких длин волн
    Более горячее чёрное тело излучает больше, а пик смещается в сторону более коротких длин волн
    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    blackbody/ˈblækbɒdi/ абсолютно черный предмет
    photoelectric effect/ˌfəʊtəʊɪˈlektrɪk ɪˈfekt/ фотоэффект
    work function/wɜːk ˈfʌŋkʃn/ функция выхода
    Compton scattering/ˈkɒmptn ˈskætərɪŋ/ Комптоновское рассеяние
    nucleus/ˈnjuːklɪəs/ ядро
    Fission/ˈfɪʃn/ Деление
    Fusion/ˈfjuːʒn/ Синтез
    15.5

    The Photoelectric Effect · ⁨Фотоэффект⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 15.5.A: Describe an interaction between photons and matter using the photoelectric effect.

    • 15.5.A.1 The photoelectric effect is the emission of electrons when electromagnetic radiation is incident upon a photoactive material.
    • 15.5.A.2 The emission of electrons via the photoelectric effect requires a minimum frequency of incident light, called the threshold frequency.
      • 15.5.A.2.i Light that is incident on a material and is at the threshold frequency or higher will induce electron emission, regardless of the number of photons that strike the material.
      • 15.5.A.2.ii The energy of the emitted electrons is not dependent on the number of photons that are incident upon the material, which provides evidence that light is a collection of discrete, quantized energy packets called photons.
    • 15.5.A.3 The maximum kinetic energy of an emitted electron is related to the frequency of the incident light and the work function of the material, $\phi$.
      • 15.5.A.3.i The work function of a material is the minimum energy required to emit an electron from atoms in the material.
      • 15.5.A.3.ii The maximum kinetic energy of an emitted electron is given by the equation $K_{\max} = hf - \phi$.
      • 15.5.A.3.iii In a typical experimental setup to demonstrate the photoelectric effect and determine the work function of a metal, two metal plates are placed in a vacuum chamber and connected to a variable source of potential difference. One of the plates is illuminated by monochromatic light that causes electrons to be ejected and the potential difference between the plates is adjusted until no current is measured in the circuit.

    Boundary statement: Where applicable, work functions for materials will be provided on the exam; students are not expected to know values of work functions or variables of a material that influence the magnitude of its work function.

    Русский

    Цель обучения 15.5.A: Описать взаимодействие фотонов с материей с помощью фотоэффекта.

    • 15.5.A.1 Фотоэффект — это испускание электронов под воздействием электромагнитного излучения на фотоактивный материал.
    • 15.5.A.2 Испускание электронов посредством фотоэффекта требует минимальной частоты падающего света, называемой пороговой частотой.
      • 15.5.A.2.i Свет, падающий на материал и имеющий частоту, равную пороговой или превышающую ее, вызовет испускание электронов, независимо от количества фотонов, ударяющихся о материал.
      • 15.5.A.2.ii Энергия испускаемых электронов не зависит от количества фотонов, падающих на материал, что служит доказательством того, что свет представляет собой совокупность дискретных квантованных пакетов энергии, называемых фотонами.
    • 15.5.A.3 Максимальная кинетическая энергия испущенного электрона связана с частотой падающего света и работой выхода материала, $\phi$.
      • 15.5.A.3.i Работа выхода материала — это минимальная энергия, необходимая для испускания электрона из атомов данного материала.
      • 15.5.A.3.ii Максимальная кинетическая энергия испущенного электрона определяется уравнением $K_{\max} = hf - \phi$.
      • 15.5.A.3.iii В типичной экспериментальной установке для демонстрации фотоэффекта и определения работы выхода металла две металлические пластины помещают в вакуумную камеру и подключают к источнику переменного напряжения. Одна из пластин освещается монохроматическим светом, вызывающим выбивание электронов, при этом напряжение между пластинами регулируется до тех пор, пока ток в цепи не исчезнет.

    Границы программы: При необходимости значения работы выхода для материалов будут предоставлены на экзамене; от студентов не требуется знать конкретные значения работы выхода или переменные материала, влияющие на величину его работы выхода.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    The photoelectric effect

    Shining light on a metal can eject electrons – the photoelectric effect 光电效应. Key facts (which only the photon picture explains): electrons come out only if the photon's frequency exceeds a threshold, no matter how bright a dimmer, lower-frequency light is. Energy conservation gives

    $$K_{\max}=hf-\phi,$$
    where $\phi$ is the metal's work function 逸出功 (the energy to free an electron).

    Worked example. Light of frequency $8.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ falls on a metal with work function $\phi=3.0\times10^{-19}\ \text{J}$. The most energetic electrons come off with

    $$K_{\max}=hf-\phi=(6.63\times10^{-34}\times8.0\times10^{14})-3.0\times10^{-19}=5.3\times10^{-19}-3.0\times10^{-19}=2.3\times10^{-19}\ \text{J}.$$
    Below the threshold frequency $\phi/h$, $K_{\max}$ would be negative – meaning no electrons escape at all, however bright the light.

    Русский
    Фотоэффект

    Освечение металла может выбивать электроны — это фотоэффект. Ключевые факты (которые объясняет только модель фотонов): электроны вылетают только если частота фотона превышает пороговое значение, независимо от того, насколько ярким ни было бы более тусклое освещение с низкой частотой. Закон сохранения энергии даёт

    $$K_{\max}=hf-\phi,$$
    где $\phi$ — работа выхода металла (энергия, необходимая для освобождения электрона).

    Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов растёт линейно с частотой
    Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов растёт линейно с частотой

    Разобранный пример. Свет частоты $8.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ падает на металл с работой выхода $\phi=3.0\times10^{-19}\ \text{J}$. Наиболее энергичные электроны вылетают с

    $$K_{\max}=hf-\phi=(6.63\times10^{-34}\times8.0\times10^{14})-3.0\times10^{-19}=5.3\times10^{-19}-3.0\times10^{-19}=2.3\times10^{-19}\ \text{J}.$$
    Ниже пороговой частоты $\phi/h$ величина $K_{\max}$ стала бы отрицательной — что означало бы отсутствие вылета электронов совсем, какой бы яркой ни была бы подсветка.

    15.6

    Compton Scattering · ⁨Эффект Комптона⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 15.6.A: Describe the interaction between photons and matter using Compton scattering.

    • 15.6.A.1 In Compton scattering, a photon interacts with a free electron. The Compton effect is when a photon that emerges from the interaction has a lower energy and longer wavelength than the incoming photon. The magnitude of the change is related to the direction of the photon after the collision.
    • 15.6.A.2 Compton scattering provides evidence that light is a collection of discrete, quantized energy packets called photons.
      • 15.6.A.2.i Compton scattering can be explained by treating a photon as a particle and applying conservation of energy and conservation of momentum to the collision between the photon and electron.
      • 15.6.A.2.ii The transfer of a photon's energy to an electron results in the energy, momentum, frequency, and wavelength of the photon changing.
        • Relevant equations:
        • $E = hf$
        • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
    • 15.6.A.3 The change in wavelength experienced by a photon after colliding with an electron is related to how much the photon's direction changes.
      • Relevant equation:
      • $\Delta\lambda = \dfrac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta)$

    Boundary statement: AP Physics 2 includes full quantitative and qualitative treatments of conservation of momentum in two dimensions.

    Русский

    Цель обучения 15.6.A: Описать взаимодействие фотонов с материей с помощью эффекта Комптона.

    • 15.6.A.1 При эффекте Комптона фотон взаимодействует со свободным электроном. Эффект Комптона заключается в том, что фотон, выходящий после взаимодействия, имеет меньшую энергию и большую длину волны по сравнению с входящим фотоном. Величина этого изменения зависит от направления движения фотона после столкновения.
    • 15.6.A.2 Эффект Комптона служит доказательством того, что свет представляет собой поток дискретных квантов энергии, называемых фотонами.
      • 15.6.A.2.i Эффект Комптона можно объяснить, рассматривая фотон как частицу и применяя законы сохранения энергии и сохранения импульса к столкновению фотона с электроном.
      • 15.6.A.2.ii Передача энергии фотона электрону приводит к изменению энергии, импульса, частоты и длины волны фотона.
        • Соответствующие формулы:
        • $E = hf$
        • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
    • 15.6.A.3 Изменение длины волны, претерпевшее фотон после столкновения с электроном, связано с тем, насколько изменилось направление его движения.
      • Соответствующее уравнение:
      • $\Delta\lambda = \dfrac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta)$

    Границы программы: AP Physics 2 включает полное количественное и качественное рассмотрение законов сохранения импульса в двух измерениях.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    In Compton scattering 康普顿散射, a photon collides with an electron like two particles, transferring some energy and momentum. The scattered photon comes out with less energy (longer wavelength). This is direct evidence that photons carry momentum and behave as particles.

    Русский

    При эффекте Комптона фотон сталкивается с электроном как две частицы, передавая часть энергии и импульса. Рассеянный фотон выходит с меньшей энергией (большей длиной волны). Это прямое доказательство того, что фотоны несут импульс и ведут себя как частицы.

    15.7

    Fission, Fusion, and Nuclear Decay · ⁨Деление, синтез и ядерный распад⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 15.7.A: Describe the physical properties that constrain the behavior of interacting nuclei, subatomic particles, and nucleons.

    • 15.7.A.1 The strong force is exerted at nuclear scales and dominates the interactions of nucleons (protons or neutrons).
    • 15.7.A.2 Possible nuclear reactions are constrained by the law of conservation of nucleon number.
    • 15.7.A.3 The behavior of the constituent particles of a nuclear reaction is constrained by laws of conservation of energy, energy-mass equivalence, and conservation of momentum.
    • 15.7.A.4 For all nuclear reactions, mass and energy may be exchanged due to mass-energy equivalence.
      • Relevant equation:
      • $E = mc^2$
    • 15.7.A.5 Energy may be released in nuclear processes in the form of kinetic energy of the products or as photons.
    • 15.7.A.6 Nuclear fusion is the process by which two or more smaller nuclei combine to form a larger nucleus, as well as subatomic particles.
    • 15.7.A.7 Nuclear fission is the process by which the nucleus of an atom splits into two or more smaller nuclei, as well as subatomic particles.
    • 15.7.A.8 Nuclear fission may occur spontaneously or may require an energy input, depending on the binding energy of the nucleus.

    Learning Objective 15.7.B: Describe the radioactive decay of a given sample of material consisting of a finite number of nuclei.

    • 15.7.B.1 Radioactive decay is the spontaneous transformation of a nucleus into one or more different nuclei.
      • 15.7.B.1.i The time at which an individual nucleus undergoes radioactive decay is indeterminable, but decay rates can be described using probability
      • 15.7.B.1.ii The half-life, $t_{1/2}$, of a radioactive material is the time it takes for half of the initial number of radioactive nuclei to have spontaneously decayed.
      • 15.7.B.1.iii The decay constant $\lambda$ can be related to the half-life of a radioactive material with the equation $\lambda = \dfrac{\ln 2}{t_{1/2}}$.
    • 15.7.B.2 A material's decay constant may be used to predict the number of nuclei remaining in a sample after a period of time, or the age of a material if the initial amount of material is known.
      • Relevant equation:
      • $N = N_0 e^{-\lambda t}$
      • Derived equation:
      • $\ln\left(\dfrac{N}{N_0}\right) = -\lambda t$
    • 15.7.B.3 Different unstable elements and isotopes may have vastly different half-lives, ranging from fractions of a second to billions of years.
    Русский

    Цель обучения 15.7.A: Описать физические свойства, ограничивающие поведение взаимодействующих ядер, субатомных частиц и нуклонов.

    • 15.7.A.1 Сильное взаимодействие действует на ядерных масштабах и доминирует во взаимодействиях нуклонов (протонов или нейтронов).
    • 15.7.A.2 Возможные ядерные реакции ограничены законом сохранения числа нуклонов.
    • 15.7.A.3 Поведение составляющих частиц ядерной реакции ограничено законами сохранения энергии, эквивалентности массы и энергии, а также сохранения импульса.
    • 15.7.A.4 Для всех ядерных реакций обмен массой и энергией возможен благодаря эквивалентности массы и энергии.
      • Соответствующее уравнение:
      • $E = mc^2$
    • 15.7.A.5 Энергия может высвобождаться в ядерных процессах в виде кинетической энергии продуктов или в виде фотонов.
    • 15.7.A.6 Ядерный синтез — это процесс, при котором два или более более легких ядра объединяются, образуя более тяжелое ядро, а также субатомные частицы.
    • 15.7.A.7 Ядерное деление — это процесс, при котором ядро атома расщепляется на два или более более легких ядра, а также субатомные частицы.
    • 15.7.A.8 Ядерное деление может происходить спонтанно или требовать подвода энергии в зависимости от энергии связи ядра.

    Цель обучения 15.7.B: Описать радиоактивный распад заданного образца вещества, состоящего из конечного числа ядер.

    • 15.7.B.1 Радиоактивный распад — это спонтанная трансформация ядра в одно или несколько других ядер.
      • 15.7.B.1.i Момент времени, когда отдельное ядро подвергается радиоактивному распаду, непредсказуем, однако скорости распада могут быть описаны с использованием вероятностных моделей.
      • 15.7.B.1.ii Период полураспада, $t_{1/2}$, радиоактивного материала — это время, за которое половина начального количества радиоактивных ядер спонтанно распалась.
      • 15.7.B.1.iii Постоянная распада $\lambda$ может быть связана с периодом полураспада радиоактивного материала с помощью уравнения $\lambda = \dfrac{\ln 2}{t_{1/2}}$.
    • 15.7.B.2 Постоянную распада вещества можно использовать для прогнозирования оставшегося количества ядер в образце через определенный промежуток времени или возраста материала, если известно начальное количество вещества.
      • Соответствующее уравнение:
      • $N = N_0 e^{-\lambda t}$
      • Выведенное уравнение:
      • $\ln\left(\dfrac{N}{N_0}\right) = -\lambda t$
    • 15.7.B.3 Различные нестабильные элементы и изотопы могут иметь совершенно разные периоды полураспада, варьирующиеся от долей секунды до миллиардов лет.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English

    The nucleus 原子核 stores enormous energy. Fission 裂变 splits a heavy nucleus into lighter ones, releasing energy (nuclear reactors, bombs). Fusion 聚变 joins light nuclei into a heavier one (the Sun's power). Both release energy because the products have slightly less mass, converted by $E=mc^2$.

    Worked example. Even a tiny mass converts to a huge energy. If a nuclear reaction loses $1.0\times10^{-3}\ \text{kg}$ of mass, it releases $E=mc^2=1.0\times10^{-3}\times(3.0\times10^{8})^2=9.0\times10^{13}\ \text{J}$ – roughly the energy of $20\,000$ tonnes of TNT.

    Русский

    Ядро хранит огромную энергию. Деление расщепляет тяжёлое ядро на более лёгкие, выделяя энергию (атомные реакторы, бомбы). Синтез объединяет лёгкие ядра в более тяжёлые (источник энергии Солнца). Оба процесса выделяют энергию, потому что продукты имеют немного меньшую массу, которая превращается в энергию через $E=mc^2$.

    Энергия связи на нуклон достигает максимума около железа, поэтому как синтез, так и деление могут выделять энергию
    Энергия связи на нуклон достигает максимума около железа, поэтому как синтез, так и деление могут выделять энергию

    Разобранный пример. Даже крошечная масса превращается в огромное количество энергии. Если ядерная реакция приводит к потере массы $1.0\times10^{-3}\ \text{kg}$, она высвобождает $E=mc^2=1.0\times10^{-3}\times(3.0\times10^{8})^2=9.0\times10^{13}\ \text{J}$ — примерно эквивалент энергии $20\,000$ тонн тротила.

    Атомная электростанция: деление тяжелых ядер высвобождает энергию, которая приводит в действие станцию
    Атомная электростанция: деление тяжёлых ядер высвобождает энергию, приводящую в движение установку
    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Balance a nuclear decay equation · ⁨Составьте уравнение ядерного распада⁩

    In alpha, beta and gamma decay, nucleon and charge numbers must balance. Pick a mode and see how the parent turns into the daughter nuclide. · ⁨При альфа-, бета- и гамма-распаде числа нуклонов и зарядов должны сохраняться. Выберите тип распада и посмотрите, как материнское ядро превращается в дочернее.⁩

    15.8

    Types of Radioactive Decay · ⁨Виды радиоактивного распада⁩

    Syllabus · ⁨Программа⁩
    English

    Learning Objective 15.8.A: Describe the processes by which individual nuclei decay.

    • 15.8.A.1 Some processes by which nuclei decay emit subatomic particles with unique properties.
      • 15.8.A.1.i An alpha particle, or helium nucleus, consists of two neutrons and two protons and is symbolized by $\alpha$ or $\text{He}^{2+}$. (In Physics 2, only He-4 nuclei will be considered.)
      • 15.8.A.1.ii Neutrinos and antineutrinos are subatomic particles that have no electrical charge, have negligible mass, and are symbolized by $\nu$ and $\bar{\nu}$, respectively.
      • 15.8.A.1.iii Neutrinos and antineutrinos only interact with matter via the weak force and the gravitational force, which results in very little interaction with normal matter.
      • 15.8.A.1.iv Positrons, or antielectrons, are subatomic particles that have an electric charge opposite that of an electron, have the same mass as an electron, and are symbolized by $e^+$ or $\beta^+$.
    • 15.8.A.2 Nuclei can undergo radioactive decay via alpha decay, beta-minus decay ($\beta^-$), beta-plus decay ($\beta^+$), and gamma decay ($\gamma$).
      • 15.8.A.2.i In all nuclear decays, nucleon number (the number of neutrons and protons), lepton number (the number of electrons and neutrinos), and charge are conserved.
      • 15.8.A.2.ii Alpha decay occurs when a nucleus ejects an alpha particle.
      • 15.8.A.2.iii Beta-minus decay occurs when a neutron changes to a proton by emitting an electron and antineutrino.
      • 15.8.A.2.iv Beta-plus decay occurs when a proton changes to a neutron by emitting a positron and neutrino.
      • 15.8.A.2.v Gamma decay occurs after a nucleus has undergone alpha or beta decay and the excited nucleus decays to a lower energy state by emitting a photon.
    • 15.8.A.3 The type of decay exhibited by a given nucleus is determined by the isotope of the element.

    Boundary statement: AP Physics 2 does not expect students to memorize the processes by which specific isotopes decay or the half-lives of specific isotopes. Neutron emission and electron capture are not included in the AP Physics 2 curriculum framework. Additionally, types of neutrinos, the characteristics that distinguish neutrinos and antineutrinos, and an explanation or application of the weak force are not within the scope of this course.

    Русский

    Цель обучения 15.8.A: Описать процессы, посредством которых происходит распад отдельных ядер.

    • 15.8.A.1 Некоторые процессы распада ядер сопровождаются эмиссией субатомных частиц с уникальными свойствами.
      • 15.8.A.1.i Альфа-частица, или ядро гелия, состоит из двух нейтронов и двух протонов и обозначается символом $\alpha$ или $\text{He}^{2+}$. (В курсе Physics 2 рассматриваются только ядра He-4).
      • 15.8.A.1.ii Нейтрино и антинейтрино — это субатомные частицы, не имеющие электрического заряда, обладающие пренебрежимо малой массой, которые обозначаются символами $\nu$ и $\bar{\nu}$ соответственно.
      • 15.8.A.1.iii Нейтрино и антинейтрино взаимодействуют с материей исключительно посредством слабого взаимодействия и гравитационного взаимодействия, что приводит к крайне слабому взаимодействию с обычной материей.
      • 15.8.A.1.iv Позитроны, или антиэлектроны, — это субатомные частицы, имеющие электрический заряд, противоположный заряду электрона, массу, равную массе электрона, и обозначаемые символами $e^+$ или $\beta^+$.
    • 15.8.A.2 Ядра могут подвергаться радиоактивному распаду путем альфа-распада, бета-минус распада ($\beta^-$), бета-плюс распада ($\beta^+$) и гамма-распада ($\gamma$).
      • 15.8.A.2.i При всех видах ядерных распадов сохраняются нуклонное число (количество нейтронов и протонов), лептонное число (количество электронов и нейтрино) и электрический заряд.
      • 15.8.A.2.ii Альфа-распад происходит, когда ядро выбрасывает альфа-частицу.
      • 15.8.A.2.iii Бета-минус распад происходит, когда нейтрон превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино.
      • 15.8.A.2.iv Бета-плюс распад происходит, когда протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино.
      • 15.8.A.2.v Гамма-распад происходит после того, как ядро претерпело альфа- или бета-распад, и возбужденное ядро переходит в состояние с меньшей энергией путем испускания фотона.
    • 15.8.A.3 Вид распада, проявляемый данным ядром, определяется изотопом элемента.

    Граница программы: AP Physics 2 не требует от студентов запоминания процессов распада конкретных изотопов или периодов полураспада конкретных изотопов. Испускание нейтронов и захват электронов не включены в рамочную программу AP Physics 2. Кроме того, типы нейтрино, характеристики, отличающие нейтрино от антинейтрино, а также объяснение или применение слабого взаимодействия не входят в рамки данного курса.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

    English
    Radioactive decay & half-life

    Unstable nuclei undergo radioactive decay 放射性衰变, emitting:

    • Alpha decay 阿尔法衰变 ($\alpha$): a helium nucleus – mass number drops by 4.
    • Beta decay 贝塔衰变 ($\beta$) comes in two kinds. In beta-minus ($\beta^-$) a neutron becomes a proton, emitting an electron and an antineutrino 反中微子: $n\rightarrow p+e^-+\bar{\nu}$. In beta-plus ($\beta^+$) a proton becomes a neutron, emitting a positron 正电子 and a neutrino 中微子: $p\rightarrow n+e^++\nu$.
    • Gamma decay 伽马衰变 ($\gamma$): a high-energy photon – the nucleus sheds excess energy.

    The neutrino and antineutrino (symbols $\nu$, $\bar{\nu}$) are tiny, chargeless, almost-massless particles that carry off energy and keep beta decay balanced. Decay is random, but a sample halves every half-life 半衰期: after each half-life, half of the remaining nuclei have decayed. Every decay equation conserves three quantities: nucleon number (mass number), charge, and lepton number 轻子数 – an electron or neutrino counts as $+1$ lepton, a positron or antineutrino as $-1$, and the totals must match on both sides.

    Worked example. A radioactive sample has a half-life of $8.0$ days. What fraction is left after $24$ days? That is $24/8.0=3$ half-lives, so the fraction remaining is $\left(\tfrac12\right)^3=\tfrac18$ – about $12.5\%$. In an alpha decay of uranium-238 ($^{238}_{\ 92}\text{U}$), the daughter has mass number $238-4=234$ and atomic number $92-2=90$: thorium-234.

    Русский
    Радиоактивный распад и период полураспада

    Нестабильные ядра подвергаются радиоактивному распаду, испуская:

    Проникающая способность альфа-, бета- и гамма-излучения
    Проникающая способность альфа-, бета- и гамма-излучения
    • Альфа-распад ($\alpha$): ядро гелия — массовое число уменьшается на 4.
    • Бета-распад ($\beta$) бывает двух видов. В бета-минус ($\beta^-$) нейтрон превращается в протон, испуская электрон и антинейтрино: $n\rightarrow p+e^-+\bar{\nu}$. В бета-плюс ($\beta^+$) протон превращается в нейтрон, испуская позитрон и нейтрино: $p\rightarrow n+e^++\nu$.
    • Гамма-распад ($\gamma$): высокоэнергетический фотон — ядро сбрасывает избыточную энергию.

    Нейтрино и антинейтрино (обозначения $\nu$, $\bar{\nu}$) — это крошечные, незаряженные, почти безмассовые частицы, которые уносят энергию и обеспечивают баланс бета-распада. Распад является случайным процессом, но для образца характерна период полураспада: после каждого периода полураспада распадается половина оставшихся ядер. Каждое уравнение распада сохраняет три величины: нуклонное число (массовое число), заряд и лептонное число — электрон или нейтрино считаются как $+1$ лептон, позитрон или антинейтрино как $-1$, а суммы должны совпадать по обе стороны уравнения.

    Разобранный пример. У радиоактивного образца период полураспада составляет $8.0$ дней. Какая доля останется после $24$ дней? Это $24/8.0=3$ периодов полураспада, поэтому оставшаяся доля составляет $\left(\tfrac12\right)^3=\tfrac18$ — приблизительно $12.5\%$. При альфа-распаде урана-238 ($^{238}_{\ 92}\text{U}$) дочерний элемент имеет массовое число $238-4=234$ и атомный номер $92-2=90$: торий-234.

    Explore · ⁨Исследовать⁩

    Watch a sample decay · ⁨Наблюдайте распад образца⁩

    Radioactive nuclei decay randomly with a fixed half-life: each half-life halves the number remaining. Step forward and watch the sample shrink. · ⁨Радиоактивные ядра распадаются случайно, но с постоянной периодом полураспада: каждый период полураспада уменьшает число оставшихся ядер вдвое. Перемещайте время вперед и наблюдайте, как уменьшается образец.⁩

    Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
    English Русский
    radioactive decay/ˌreɪdɪəʊˈæktɪv dɪˈkeɪ/ радиоактивный распад
    Alpha decay/ˈælfə dɪˈkeɪ/ альфа-распад
    Beta decay/ˈbiːtə dɪˈkeɪ/ бета-распад
    antineutrino/ˌæntɪnjuːˈtriːnəʊ/ антинейтрино
    positron/ˈpɒzɪtrɒn/ позитрон
    neutrino/njuːˈtriːnəʊ/ нейтрино
    Gamma decay/ˈɡæmə dɪˈkeɪ/ гамма-распад
    half-life/hɑːf laɪf/ период полураспада
    lepton number/ˈleptɒn ˈnʌmbə/ лептонное число
    15.8

    Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

    English
    • Photon energy is $E=hf$; below the threshold frequency no electrons are emitted however bright the light (the photoelectric effect).
    • Use $K_{\max}=hf-\phi$ for the fastest photoelectrons ($\phi$ = work function).
    • Electrons jump between discrete energy levels by absorbing/emitting a photon whose energy equals the level gap — the source of line spectra.
    • In fission and fusion the small mass lost becomes energy via $E=mc^2$.
    • Balance decay equations by conserving mass number, charge, and lepton number (write the antineutrino in $\beta^-$, the neutrino in $\beta^+$), and halve the sample every half-life ($(\tfrac12)^n$ after $n$ half-lives).
    Русский
    • Энергия фотона равна $E=hf$; ниже пороговой частоты электроны не выбиваются, независимо от яркости света (фотоэффект).
    • Используйте $K_{\max}=hf-\phi$ для самых быстрых фотоэлектронов ($\phi$ = работа выхода).
    • Электроны переходят между дискретными энергетическими уровнями, поглощая/испускают фотон, энергия которого равна разнице уровней — источнику линейчатых спектров.
    • При делении и синтезе небольшая потеря массы превращается в энергию через $E=mc^2$.
    • Уравнения распада балансировать, сохраняя массовое число, заряд и лептонное число (записывать антинейтрино в $\beta^-$, нейтрино в $\beta^+$), а образец уменьшать вдвое за каждый период полураспада ($(\tfrac12)^n$ после $n$ периодов полураспада).

Log in or create account · ⁨Войти или создать аккаунт⁩

IGCSE, A-Level & AP