Электродинамика на ЕГЭ по физике

Условие даёт схему: источник с внутренним сопротивлением, три резистора, ключ и конденсатор. Спрашивают, как изменится заряд конденсатора после замыкания ключа. Схему можно прочесть за минуту, а можно не прочесть вовсе — тогда ученик берёт формулы по очереди и подставляет всё, что видит. Электродинамика устроена так, что разница между этими подходами стоит больше всего баллов, и разобрать её удобнее по блокам.

Здесь разобраны электростатика, цепи, конденсаторы, магнитное поле, электромагнитная индукция и оптика. Механика с её рисунками и проекциями вынесена в отдельную статью, а то, как работа делится на части, описано в структуре ЕГЭ по физике. Общие правила для рисунка и проекций повторять не буду: в этом разделе есть свои, и они коварнее.

В части с кратким ответом раздел встречается в виде вопросов «как изменятся величины», если замкнуть ключ или раздвинуть пластины (устройство такого задания показано в статье про механику), и в виде заданий по данным опыта: дан график тока от напряжения для лампы или таблица измерений с погрешностью прибора, и надо сделать вывод. Формулы в явном виде нужны там редко.

В части с развёрнутым ответом то же содержание превращается в задачу с записью решения: надо назвать закон, обосновать применимость, довести выкладки до числа. Для электродинамики здесь есть особенность: условие часто принимает идеализации молча. Идеальный источник и однородное поле должны оказаться в вашем решении явной строкой, иначе проверяющий не поймёт, какую модель вы выбрали.

Электростатика: поле, потенциал, сила Кулона

Раздел начинается с зарядов, и входной билет в него — закон Кулона и понятие напряжённости. Здесь ученика чаще всего подводит векторность. Поле двух зарядов в точке складывается по правилу сложения векторов: если заряды одного знака и точка лежит между ними, поля направлены навстречу друг другу и частично гасятся, а у зарядов разных знаков усиливаются. Потенциал, напротив, величина скалярная, и складывается он обычной арифметикой, зато со знаком. Разница между «векторно» и «скалярно» в этом блоке стоит дороже любой формулы, и на ней строятся задания, в которых надо сравнить поле или потенциал в двух точках и ничего не считать.

Движение заряженной частицы в электрическом поле смыкается с механикой: работа поля равна изменению кинетической энергии, а разность потенциалов даёт скорость, набранную из покоя. Это тот случай, когда закон сохранения энергии из статьи про механику работает без изменений.

Цепи постоянного тока: перерисовать, прежде чем считать

Источник с ЭДС 10 В и внутренним сопротивлением 1 Ом, к нему последовательно подключён резистор 3 Ом, а дальше два параллельных по 2 Ом каждый. Параллельный участок даёт 1 Ом, внешняя цепь 4 Ом, ток от источника 2 А. Напряжение на параллельном участке равно 2 В, через каждый из двух резисторов идёт по 1 А, а вольтметр, подключённый к клеммам источника, показывает 8 В — не 10, хотя ЭДС именно столько. Задача простая, и в ней видно всё, на чём ошибаются: показание вольтметра на клеммах равно ЭДС только при разомкнутой цепи.

Второе условие, которое надо держать в голове: идеальный амперметр — это провод, идеальный вольтметр — разрыв. Если схема с приборами выглядит запутанной, нарисуйте её второй раз, заменив амперметры перемычками, а вольтметры стерев. Узлы с одинаковым потенциалом сливаются в один, и из «паутины» получается обычная смешанная схема. Ученики, которые считают прямо по исходному рисунку, обычно ошибаются в токе через амперметр, потому что учитывают его как ещё один резистор.

Отдельный тип — ключ замыкается или размыкается, и надо сказать, что станет с показаниями. Решается он одним приёмом: посчитать общее сопротивление до и после, сравнить токи, затем напряжение на клеммах. Замкнули ключ, внешнее сопротивление упало, ток вырос, напряжение на клеммах просело из-за падения на внутреннем сопротивлении.

Конденсаторы и вопрос «что остаётся постоянным»

Почти вся ловушка в одном вопросе: конденсатор подключён к источнику или уже отключён? В первом случае постоянно напряжение, во втором — заряд. Плоский конденсатор, подключённый к источнику, раздвинули пластины. Ёмкость уменьшилась, напряжение осталось прежним, значит заряд и энергия поля тоже уменьшились. Если конденсатор предварительно отключили, а потом раздвинули пластины, заряд сохраняется, ёмкость падает, напряжение растёт, и энергия увеличивается — за счёт работы того, кто раздвигал. Два одинаковых действия, два противоположных результата, и именно поэтому такое задание ставят часто.

Ещё две вещи, которые путают. При последовательном соединении конденсаторов заряд на всех одинаковый, напряжения складываются; при параллельном одинаково напряжение, а складываются заряды и ёмкости. Для резисторов закономерность обратная, и тот, кто выучил соединения по резисторам, на конденсаторах переносит её механически. Кроме того, в установившемся режиме через ветку с конденсатором постоянный ток не идёт, и на схеме с конденсатором эту ветку при расчёте токов можно мысленно убрать.

Магнитное поле: сила, направление, радиус

Сила Ампера действует на проводник с током, сила Лоренца — на движущийся заряд. Формулы похожи, и неприятность подстерегает в направлении. Правило левой руки даёт его для положительного заряда или направления тока; для отрицательного, например для электрона, сила направлена в противоположную сторону. Вопрос, в какую сторону отклонится электрон, — один из самых надёжных способов проверить, учил ли ученик правило или запомнил картинку.

Заряд, влетевший в однородное поле перпендикулярно линиям, движется по окружности. Радиус пропорционален скорости и массе, период от скорости не зависит — и этот факт стоит выучить отдельно, потому что на нём построены многие качественные задания: быстрая частица описывает большую окружность, но оборот совершает за то же время. Если в условии добавлена скорость вдоль поля, траектория превращается в спираль, и движение раскладывается на два независимых.

Путаница между левой рукой для силы и правой для направления поля тока почти неизбежна. Надёжного способа избежать её нет: выберите одно правило для каждого случая и пользуйтесь им на каждой задаче, пока рука не делает это сама.

Электромагнитная индукция

Условие даёт график индукции поля, меняющейся со временем, и рамку в нём. Спрашивают ЭДС индукции в определённый момент. Закон Фарадея говорит, что ЭДС определяется скоростью изменения потока. Поэтому на участке, где поле постоянно, ЭДС равна нулю, даже если сам поток огромен. Тот, кто смотрит на значение поля и упускает наклон графика, подставляет в формулу не то. Правило Ленца говорит о противодействии изменению потока, а не самому потоку: если поток растёт, индукционный ток создаёт поле против исходного, если убывает — по направлению исходного.

Числа в таких заданиях небольшие, но единицы подводят. Рамка площадью 200 квадратных сантиметров стоит перпендикулярно полю, индукция за две секунды вырастает с 0,1 до 0,5 тесла. Площадь надо перевести в квадратные метры, 0,02, и тогда ЭДС равна 0,02 умножить на 0,4 и поделить на 2, то есть 0,004 вольта. Забытый перевод даёт ответ в десять тысяч раз больше, и такая ошибка видна проверяющему сразу.

Вторая классика — стержень на рельсах. Движение стержня в магнитном поле порождает ЭДС, по контуру идёт ток, на стержень действует сила Ампера, которая его тормозит. Когда внешняя сила уравновешивается силой Ампера, скорость перестаёт расти. В такой задаче электродинамика встречается с механикой: баланс сил из механики и закон Ома из цепей работают вместе. Именно такие задачи любят давать в развёрнутой части, где решение складывается из нескольких законов сразу.

Оптика

Для тонкой линзы работает формула, связывающая фокусное расстояние, расстояние до предмета и до изображения, и в ней всё решают знаки. Мнимое изображение даёт отрицательное расстояние до изображения, у рассеивающей линзы отрицательно фокусное расстояние. Школьный курс допускает несколько систем знаков, поэтому выбрать одну и держаться её важнее, чем пытаться запомнить все. Построение изображения двумя лучами — отдельный навык: по нему можно проверить расчёт, и на экзамене такая проверка стоит дёшево.

Проверьте себя на такой задаче. Предмет стоит в 30 см от собирающей линзы с фокусным расстоянием 20 см. Из формулы получается, что изображение лежит в 60 см по другую сторону, оно действительное, перевёрнутое и вдвое больше предмета. Если у вас вышло 12 см, вы сложили обратные величины вместо вычитания, то есть ошиблись со знаком. Такое случается с теми, кто решает формулой без чертежа, а чертёж сразу покажет, что изображение должно лежать дальше предмета.

Кроме линз, встречаются преломление и полное отражение, дифракционная решётка и качественные вопросы об интерференции и дифракции. Формулы короткие, но знаки и условия применимости надо знать твёрдо.

С чего начинать, если времени мало

Цепи и индукция, на мой взгляд, стоит ставить первыми, а оптику оставлять на конец. У первых двух блоков больше связей с остальным курсом: в них встречаются закон Ома, сила Ампера, сохранение энергии и второй закон Ньютона, и, освоив их, вы одновременно подтягиваете механику. Оптика самодостаточна, её можно добрать за короткий срок. Возразить на это можно: тот, кто склонен к геометрии, быстрее всего подтянет именно оптику и получит верные баллы на раннем этапе. Если вы так устроены, начинайте с неё.

Как оформлять развёрнутое решение по этим темам и какие идеализации записывать (идеальный вольтметр, поле однородно, потерями пренебрегаем), разобрано в статье про вторую часть ЕГЭ по физике. Помесячный план — в статье про подготовку к ЕГЭ за год.

Начать поиск:

• репетиторы по физике для ЕГЭ
• репетиторы по физике с пробным занятием
• все репетиторы для подготовки к ЕГЭ
• репетиторы для 10–11 класса

Вопросы и ответы

Электродинамику или механику учить первой? Механику. Она проще для входа, а приёмы из неё — рисунок, проекции, баланс сил и энергий — потом нужны в индукции и в движении заряда в поле.

Обязательно ли помнить все формулы по цепям? Закон Ома для участка и для полной цепи, законы соединений, мощность тока и работа тока — да, и всё это занимает неполную страницу. Остальное выводится. Труднее запомнить идеализации: идеальный амперметр пропускает ток без падения напряжения, идеальный вольтметр тока не потребляет.

Конденсатор отключили и раздвинули пластины. Откуда берётся энергия, если заряд не менялся? Из работы того, кто раздвигает пластины: пластины притягиваются, и чтобы развести их, нужно приложить силу и совершить работу. Эта работа и превращается в рост энергии поля. Такой вопрос встречается в развёрнутых заданиях, и ответ «потому что напряжение выросло» не засчитывается: нужна ссылка на закон сохранения энергии.

Сколько нужно времени, чтобы выучить правила направления в магнитном поле? Столько, сколько нужно, чтобы направление определялось без запинки. Проверяйте его на каждой задаче по магнитному полю, пока не перестанете сомневаться.

С чего начать выбор репетитора по электродинамике? С пробного занятия: в каталоге есть фильтр по репетиторам с пробным занятием. Попросите на нём перерисовать любую схему из вашего сборника и объяснить, как он решает, что включено параллельно, а что последовательно. Репетитор, который сразу берётся за формулы, не проверив, как вы читаете схему, обычно пропускает главную причину ошибок.