OxfordAQA International GCSE · Физика: методические указания

Версия: 9203; Версия 5.1; экзамены начиная с 2018

Эти заметки охватывают избранные темы курса; они не являются полной спецификацией.

Оценка и границы курса

• 9203 отдельная физика; не переименовывайте AQA 8463 или Cambridge 0625.

• Два нетировых экзамена, каждый на 90 баллов и 1 ч 30 мин, каждый весит 50%; оба могут оценивать весь контент.

• Практические навыки оцениваются письменно; сохраняйте метки P для различения отдельных разделов физики.

Графики движения и ускорение

Официальная единица: 3.1 Силы и их эффекты

Спидометр показывает показания в один момент времени. Среднее значение пути может скрывать остановки и резкие изменения скорости.

Перемещение включает направление; расстояние учитывает полную длину траектории. Скорость — это изменение перемещения за единицу времени. Ускорение — это изменение скорости за единицу времени.

Наклон графика перемещения от времени равен скорости. Площадь под графиком скорости от времени дает перемещение. Формула для постоянного ускорения справедлива только тогда, когда её предположение обосновано.

Выберите положительное направление и укажите его. Используйте световой затвор или видео с известным масштабом и интервалом кадров для воспроизводимых измерений движения. Избегайте предположения, что ручное времямерование точно на очень коротких интервалах.

Проверенный разбор примера

Дано: скорость равномерно возрастает от 2 до 10 м/с за 4 с. a = (v-u)/t. a = (10-2)/4 = 2 м/с². Перемещение равно площади трапеции: s = (u+v)t/2 = (2+10)×4/2 = 24 м.

Распространённая ошибка

Отрицательная скорость указывает направление согласно выбранной системе знаков; это не обязательно означает замедление.

Силы, импульс и безопасное торможение

Официальная единица: 3.1 Силы и их эффекты

Пассажир продолжает движение, когда транспортное средство тормозит. Ремень безопасности обеспечивает силу, необходимую для изменения импульса пассажира.

Результирующая сила вызывает ускорение, а не само движение. Импульс равен массе, умноженной на скорость. Для изолированной системы полный импульс сохраняется, даже если кинетическая энергия не сохраняется.

Импульс силы равен изменению импульса. Увеличение времени торможения при том же изменении импульса снижает среднюю силу. Определите внешние силы перед применением закона сохранения импульса.

Нарисуйте диаграмму свободных тел, включающую только силы, действующие на выбранный объект. Для измерений пружины добавляйте нагрузки ступенчато в пределах упругости и измеряйте удлинение от положения без нагрузки.

Проверенный разбор примера

Дано: пассажир массой 60 кг замедляется со скорости 10 до 0 метров в секунду за 0.50 с. Δp = m(v-u) = 60(0-10) = -600 кг·м/с. Средняя F = Δp/Δt = -600/0.50 = -1,200 Н. Знак показывает, что сила направлена противоположно начальному движению.

Распространённая ошибка

Сбалансированные силы не требуют покоя объекта. Масса и вес имеют разные единицы измерения и смыслы.

Energy stores, work and efficiency

Официальная единица: 3.2 Энергия

Двигатель может передать часть входной энергии на подъем, а остальное — на нагрев. Полезный выход является частью общего энергетического перехода.

Работа, совершаемая постоянной силой, параллельной перемещению, равна силе, умноженной на расстояние. Кинетическая энергия зависит от квадрата скорости. Энергия сохраняется, когда учитываются все переходы и накопления.

Определите систему и полезный выход перед расчетом КПД. Удвоение скорости при постоянной массе увеличивает кинетическую энергию в четыре раза. Мощность описывает передачу в единицу времени, а не общее количество энергии.

Измерьте высоту подъема и нагрузку, зафиксируйте время подъема и запишите электрический вход с помощью подходящих приборов. Повторите испытания и учитывайте нагрев или трение как переходы, а не утраченную энергию.

Проверенный разбор примера

Known: a device receives 600 J and transfers 420 J usefully. Efficiency = useful output / total input. Efficiency = 420/600 = 0.70 = 70%. Over 3 s, useful power = useful energy/time = 420/3 = 140 W.

Распространённая ошибка

Efficiency cannot exceed 100% for a properly defined energy balance. Energy dissipated by heating is still conserved.

Волны, измерения и преломление

Официальный модуль: 3.3 Волны

Волна может переносить энергию через воду, в то время как плавающий маркер в основном колеблется. Перенос энергии и перенос материи — это разные процессы.

Частота — это количество колебаний за единицу времени; длина волны — это расстояние между последовательными точками в одинаковой фазе. Скорость волны равна частоте, умноженной на длину волны. Поперечные колебания перпендикулярны направлению распространения.

На границе раздела частота остается неизменной и определяется источником. Изменение скорости приводит к изменению длины волны. Преломление следует из разницы скоростей; углы измеряются от нормали.

Измерьте несколько длин волн и разделите результат, чтобы уменьшить относительную погрешность отсчета. Используйте лучевой ящик с проведенной нормалью на границе. Держите луч подальше от глаз и четко фиксируйте угол падения и угол преломления.

Проверенный разбор примера

Известно: частота 5 Гц и длина волны 0.40 м. Используйте формулу v = fλ. Скорость v = 5×0.40 = 2.0 метров в секунду. Если скорость уменьшится до 1.5 метров в секунду при той же частоте, длина волны = v/f = 1.5/5 = 0.30 м.

Распространённая ошибка

Частота волны не изменяется только потому, что меняется среда. В продольной волне колебания происходят параллельно направлению распространения.

Тепловые измерения и модели частиц

Официальная единица: 3.4 Частичная модель материи

Два одинаковых по массе тела получают одинаковое количество энергии, но демонстрируют разное повышение температуры. Свойства материала определяют, как перенос энергии влияет на изменение температуры.

Удельная теплоёмкость — это энергия, необходимая для повышения температуры единицы массы на один градус. Удельная теплота фазового перехода связывает энергию с изменением агрегатного состояния без изменения температуры при идеализированном процессе.

В модели температура связана со скоростью движения частиц; внутренняя энергия включает кинетический и потенциальный вклады. Во время фазового перехода энергия может изменять расположение частиц, а не температуру.

Измерьте массу, электрическую мощность и изменение температуры для изолированного блока. Обеспечьте хороший контакт температурного датчика, дайте время для термического равновесия и учтите потери энергии в окружающую среду.

Проверенный разбор примера

Дано: блок массой 0.50 кг получает 2,000 Дж и нагревается на 10 °C. Используйте формулу E = mcΔT. Выразив c, получаем c = E/(mΔT). c = 2,000/(0.50×10) = 400 Дж/(кг·°C). Потери тепла приведут к тому, что вычисленное значение удельной теплоёмкости будет завышено.

Распространённая ошибка

Горизонтальный участок кривой нагрева указывает на фазовый переход, а не на отсутствие передачи энергии. Не подставляйте температуру вместо разности температур в формулу E = mcΔT.

Модели газов и абсолютная температура

Официальная единица: 3.4 Частичная модель материи

Закрытый газовый сосуд изменяет давление при нагревании. Соотношения по шкале Цельсия не могут предсказать изменение давления, поскольку газовая модель использует абсолютную температуру.

Частицы газа движутся хаотично и сталкиваются со стенками сосуда. Давление зависит от столкновений со стенками. При постоянной температуре сжатие уменьшает объем и увеличивает давление для заданного количества газа.

Укажите, какие величины остаются постоянными. Зависимость давления от объема требует согласованных единиц измерения и постоянной температуры. Отношение температур на основе шкалы Кельвина является расширением только там, где курс явно это предусматривает.

Используйте одобренное оборудование с диапазоном температур и пределом давления, установленным учителем. Дождитесь теплового равновесия и регистрируйте давление в зависимости от температуры в кельвинах. Никогда не нагревайте самодельный герметичный сосуд.

Проверенный разбор примера

Дано: давление газа составляет 100 кПа при объеме 60 кубических сантиметров при постоянной температуре. p1V1=p2V2. При объеме 30 кубических сантиметров p2=p1V1/V2=100×60/30=200 кПа.

Распространённая ошибка

Идеальный газ — это модель с условиями применимости. Нуль по шкале Цельсия не означает отсутствия молекулярного движения, а внутренняя энергия не определяется исключительно давлением.

Электрический ток, разность потенциалов и сопротивление

Официальная единица: 3.5 Электричество и магнетизм; 3.6 Генерация и распределение электроэнергии, а также её бытовое использование

Лампа становится тусклее при добавлении другой лампы последовательно. Сила тока и передача энергии зависят от всей цепи, а не только от одной лампы.

Сила тока — это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за единицу времени. Разность потенциалов — это энергия, передаваемая на единицу заряда. Сопротивление равно отношению разности потенциалов к силе тока для заданной рабочей точки.

При последовательном соединении сила тока одинакова во всех компонентах. Разности потенциалов складываются вдоль контура. При параллельном соединении ветви имеют одинаковую разность потенциалов, а токи в ветвях суммируются в узле.

Подключайте амперметр последовательно, а вольтметр — параллельно. При исследовании вольт-амперной характеристики изменяйте напряжение ступенчато, меняйте полярность при необходимости и ограничивайте ток для снижения нагрева.

Проверенный разбор примера

Дано: резистор имеет напряжение 6.0 В и по нему течёт ток 0.30 А. Используйте R = V/I. R = 6.0/0.30 = 20 Ом. Мощность = VI. Мощность = 6.0×0.30 = 1.8 Вт. Эти величины описывают одну и ту же рабочую точку.

Распространённая ошибка

Ток не расходуется лампой. Нить накаливания нагревается, поэтому её сопротивление не обязательно остаётся постоянным при изменении напряжения.

Поля, моторы и индукция

Официальная единица: 3.5 Электричество и магнетизм; 3.6 Генерация и распределение электроэнергии, а также её бытовое использование

Магнит рядом с проводником не всегда вызывает появление тока. Напряженность (ЭДС) зависит от изменения магнитного потока.

Поле описывает силовое воздействие в точках пространства. Проводник с током, находящийся в магнитном поле, может испытывать силу. Электромагнитная индукция возникает при изменении магнитного потока.

Изменение силы поля, площади катушки, ориентации или относительного движения может изменить магнитный поток. Закон Ленца описывает индуцированный эффект, противодействующий вызывающему его изменению, что согласуется с законом сохранения энергии.

Используйте катушку и чувствительный измеритель для сравнения движения магнита в каждом направлении. Зафиксируйте, что неподвижная конфигурация не дает индуцированного сигнала. Для демонстраций работы моторов используйте утвержденные источники низкого напряжения.

Проверенный разбор примера

Известно: трансформатор имеет 200 витков на первичной обмотке, 50 витков на вторичной обмотке и напряжение на первичной обмотке 12 В. Для идеального трансформатора Vs/Vp = Ns/Np. Напряжение на вторичной обмотке Vs = Vp × Ns/Np = 12×50/200 = 3.0 В. Реальные трансформаторы также рассеивают энергию.

Распространённая ошибка

Трансформатор требует переменного магнитного потока; постоянный ток постоянного направления (DC) не обеспечивает непрерывную работу трансформатора. Направление магнитного поля автоматически не совпадает с направлением силы.

Ядерные изменения и доказательства излучения

Официальная единица: 3.7 Ядерная физика

Детектор регистрирует счет даже при удалении источника из класса. Фоновое излучение необходимо учитывать до того, как каждый импульс будет приписан источнику.

Радиоактивный распад спонтанен и случайен для отдельного ядра. Период полураспада описывает время, за которое распадается половина нераспавшихся ядер в большой выборке, или время, за которое скорректированная фоновым уровнем активность уменьшается вдвое.

Вычтите фоновые импульсы, измеренные за тот же временной интервал. Различайте облучение и заражение. Экранирование, удаление от источника и сокращение времени воздействия могут снизить риск в рамках школьной процедуры контроля.

Используйте источники под управлением учителя и правила радиационной безопасности школы. Регистрируйте продолжительность счета и повторяйте измерения фона. Не экстраполируйте период полураспада на одно ядро или по необработанным показаниям.

Проверенный разбор примера

Дано: измеренная скорость счета снижается с 100 до 55 импульсов в минуту; фон составляет 10. Скорости источника составляют 90 и 45, следовательно, прошел один период полураспада. Без вычитания отношения 55/100 скрыло бы точный период полураспада в данном примере.

Распространённая ошибка

Облученный объект не становится автоматически радиоактивным. Период полураспада не позволяет точно предсказать время распада одного ядра.

Эволюция звёзд: начальная масса определяет путь развития

Официальная единица: 3.8 Физика космоса

Солнце и очень массивная звезда не имеют одинакового конечного остатка. Диаграмма жизненного цикла должна разветвляться в зависимости от начальной массы.

Звезда образуется из сжимающегося облака газа и пыли. Стабильная звезда главной последовательности выделяет энергию за счет термоядерного синтеза, в то время как гравитация и внешнее давление поддерживают ее структуру. Звезда меньшей массы может пройти через стадию красного гиганта к белому карлику; достаточно массивная звезда может претерпеть сверхновую и оставить нейтронную звезду или черную дыру.

Читайте диаграмму жизненного цикла как модель этапов и условий, а не как хронометрированный фильм одной звезды. Ожидается, что Солнце последует по маршруту для звезд малой массы. Синтез объединяет легкие ядра; он отличается от деления тяжелого ядра.

Сравнивайте приписываемые наблюдения звезд с предсказанными свойствами каждого этапа. Держите звезду, планету, галактику и Вселенную раздельно. Орбитальное тело может иметь постоянную скорость, хотя его направление скорости меняется.

Проверенный разбор примера

Известно: в иллюстративной выборке 8 из 40 наблюдаемых звезд находятся на выбранном этапе. Процент в выборке = 8/40 × 100 = 20%. Эта описательная доля напрямую не измеряет продолжительность этапа, поскольку влияют эффекты наблюдения и отбора.

Распространённая ошибка

Ожидается, что Солнце не станет сверхновой. Диаграмма не устанавливает, что каждая массивная звезда дает одинаковый остаток, а также не гарантирует, что все этапы продолжаются одинаковое время.