OxfordAQA · International GCSE · Physics

Lực và tác dụng của chúng

Mọi đẩy, kéo và giữ trong thế giới đều là lực — và chủ đề đầu tiên của OxfordAQA tổ chức chúng: tương tác tiếp xúc và không tiếp xúc, đại lượng vô hướng so với đại lượng hữu hướng, ba định luật Newton, an toàn phương tiện, và các khái niệm mở rộng P về động lượng, vận tốc cuối, tâm khối lượng và mô-men lực.

OxfordAQA International GCSE Vật lý 9203, chủ đề 3.1 (Phiên bản 5.1, kỳ thi 2018 trở đi). Các phát biểu đánh dấu (P) chỉ dành cho Bài thi-2-; chi tiết về bài thi nằm trong sơ đồ đánh giá của chương trình. Các thành phần mẫu có trong hồ sơ là 9203-92031 và 9203-92032 — các bài thực hành mẫu trong gói này luôn được gán nhãn như vậy.

Lực và tương tác của chúng

Các vật tương tác thông qua lực trường không tiếp xúc (trọng lực, tĩnh điện, từ tính) và lực tiếp xúc (ma sát, lực cản không khí, lực căng, lực phản lực). Lực ma sát xuất hiện giữa hai bề mặt, cản trở chuyển động và có thể làm nóng chúng; lực cản không khí là ma sát với chất lưu.

Đại lượng vô hướng chỉ có độ lớn (quãng đường, tốc độ, thời gian); đại lượng hữu hướng thêm thành phần hướng (tô độ dịch chuyển, vận tốc, gia tốc, lực, động lượng) và được biểu diễn bằng mũi tên. Trọng lượng là lực hấp dẫn: $W = m \times g$.

Lực có thể làm biến dạng — kéo dãn, uốn cong, nén. Biến dạng đàn hồi phục hồi về trạng thái ban đầu; biến dạng phi đàn hồi thì không (P). Một lò xo bị kéo dãn lưu trữ năng lượng thế đàn hồi, và dưới giới hạn tỷ lệ:

Thực hành bắt buộc: khảo sát mối quan hệ giữa lực và độ dãn của lò xo (treo khối lượng, vẽ đồ thị, hệ số góc = k).

Chuyển động và các định luật Newton

Tốc độ là hệ số góc của đồ thị quãng đường – thời gian; vận tốc thêm thành phần hướng: $v = s/t$ (cũng áp dụng cho tốc độ trung bình). Gia tốc là tốc độ thay đổi của vận tốc: $a = \Delta v/t$ — lấy từ hệ số góc của đồ thị vận tốc – thời gian, trong đó diện tích cho biết quãng đường đã đi. Thay đổi hướng dù tốc độ không đổi vẫn là gia tốc.

• Định luật I Newton: khi tổng lực bằng không → vật nghỉ sẽ giữ nguyên trạng thái nghỉ, vật chuyển động sẽ giữ nguyên vận tốc.
• Định luật II Newton: $F = m \times a$ theo phương của tổng lực.
• Định luật III Newton: các vật tương tác gây ra cho nhau những lực có độ lớn bằng nhau và ngược chiều.

Tổng hợp lực: các lực đối nhau hoặc cùng phương cộng dọc theo đường thẳng; hai lực đồng phẳng tổng hợp bằng vẽ tỷ lệ (vẽ đúng tỷ lệ, nối đuôi vào đầu).

(P) Động lượng, an toàn và vận tốc giới hạn

Động lượng được bảo toàn trong hệ kín — va chạm và nổ chia sẻ tổng không đổi. An toàn ô tô: túi khí, dây an toàn, thanh chống va đập bên, vùng hấp thụ va chạm, thảm va đập, bề mặt sân chơi đệm và mũ bảo hiểm xe đạp đều kéo dài thời gian va chạm, do đó với cùng mức thay đổi động lượng thì lực sẽ nhỏ hơn.

Ở tốc độ ổn định, lực dẫn động cân bằng với lực cản. Quãng đường dừng = quãng đường suy nghĩ + quãng đường phanh; thời gian phản ứng tăng khi mệt mỏi, phân tâm, sử dụng thuốc và rượu; lực phanh phải tăng theo tốc độ, và độ giảm tốc lớn làm quá nhiệt phanh. Phanh chuyển năng lượng động của xe thành nhiệt năng cho phanh (công ma sát); quãng đường phanh tăng trên đường ướt hoặc đóng băng và khi phanh/gắn xe bị mòn.

Một vật rơi trong chất lưu tăng tốc cho đến khi lực cản bằng trọng lượng — vận tốc giới hạn; dù dù tăng lực cản để giảm vận tốc giới hạn, và thiết kế khí động học (hình cá mập, thiết kế ô tô) giảm lực cản để tăng tốc độ tối đa.

(P) Trọng tâm và mô-men lực

Trọng tâm là nơi mà khối lượng của vật có thể coi như tập trung; vật treo tự do resting với trọng tâm nằm dưới điểm treo, và trọng tâm của vật đối xứng nằm trên trục đối xứng. Tìm trọng tâm của tấm lá bất quy tắc bằng cách treo từ hai điểm khác nhau và kẻ đường dây dọi.

Một vật cân bằng có tổng mô-men đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ bằng nhau; đòn bẩy khuếch đại lực. Nếu đường tác dụng của trọng lượng nằm ngoài chân đế, mô-men tổng hợp sẽ khiến vật đổ ngả (xe cộ, đồ chơi cân bằng).

Tự kiểm tra

1. Cho một ví dụ về lực tiếp xúc và một ví dụ về lực không tiếp xúc.
2. Trong các đại lượng sau, đại lượng nào là vectơ: tốc độ, độ dịch chuyển, thời gian, lực?
3. Nêu phương trình lò xo và tên của hằng số tương ứng.
4. Phát biểu ba định luật Newton dưới dạng một câu cho mỗi định luật.
5. Một ô tô 900 kg gia tốc với 2 m/s². Tính hợp lực tác dụng.
6. Nêu hai yếu tố làm tăng khoảng cách suy nghĩ và hai yếu tố làm tăng khoảng cách phanh.
7. (P) Giải thích cách vùng hấp thụ va chạm bảo vệ hành khách, sử dụng F = Δp/t.
8. (P) Tại sao người dù đạt vận tốc đầu cuối thấp hơn sau khi mở dù?
9. (P) Trọng tâm của vật đối xứng nằm ở đâu?
10. (P) Một lực 250 N tác dụng tại điểm cách bản lề 0.4 m. Tính mô-men của lực.

Đáp án: 1 tiếp xúc — ma sát/độ căng/chuyển động không khí/lực pháp tuyến; không tiếp xúc — trọng lực/điện tĩnh/từ; 2 độ dịch chuyển và lực; 3 $F = ke$, độ cứng lò xo (N/m); 4 thứ nhất — không có hợp lực nghĩa là không có sự thay đổi vận tốc; thứ hai — $F = ma$ theo hướng của hợp lực; thứ ba — tương tác tạo ra các lực bằng nhau và ngược chiều; 5 $F = 900 \times 2 = 1800$ N; 6 suy nghĩ — mệt mỏi, phân tâm, chất kích thích/rượu bia (bất kỳ hai cái nào); phanh — đường ướt hoặc đóng băng, phanh hoặc lốp mòn (bất kỳ hai cái nào); 7 (P) vùng hấp thụ va chạm kéo dài thời gian va chạm; với cùng một biến thiên động lượng, $F = \Delta p/t$ nhỏ hơn, nên ít lực truyền đến hành khách hơn; 8 (P) dù làm tăng lực cản không khí rất nhiều, do đó lực cản cân bằng trọng lực ở tốc độ thấp hơn nhiều; 9 (P) trên trục đối xứng của nó; 10 (P) $M = 250 \times 0.4 = 100$ N m.

Năng lượng: người kế toán của vật lý

Không có năng lượng nào bị tiêu hủy — chỉ được di chuyển giữa các kho và một phần bị tản ra các dạng kém hữu ích hơn. Chủ đề thứ hai của OxfordAQA xây dựng hệ thống kế toán: công và công suất, ba phương trình kho năng lượng, định luật bảo toàn năng lượng với sơ đồ Sankey, và những lựa chọn liên quan đến nguồn năng lượng quốc gia.

OxfordAQA International GCSE Vật lý 9203, chủ đề 3.2 (Phiên bản 5.1). Các phát biểu được đánh dấu (P) chỉ áp dụng cho Bài thi 2.

Lực và năng lượng

Công được thực hiện khi một lực làm dịch chuyển điểm đặt của nó qua một khoảng cách; công chống lại ma sát chuyển năng lượng thành nhiệt (hệ thống trở lại, tiểu hành tinh, phanh). Một lò xo bị giãn lưu thế năng đàn hồi $\frac{1}{2}ke^2$; một khối vật nâng cao lưu thế năng trọng trường mgh; một khối vật đang chuyển động mang động năng ½mv² — nhân đôi khối lượng thì động năng tăng gấp đôi, nhân đôi tốc độ thì động năng tăng gấp bốn lần (liên kết an toàn giao thông). Công suất là tốc độ truyền năng lượng.

Ví dụ minh họa. Một ô tô 1500 kg đang chạy ở 20 m/s hãm lại đến khi dừng: động năng bị loại bỏ $= \frac{1}{2} \times 1500 \times 400 = 300\,000$ J — toàn bộ chuyển thành nhiệt làm nóng phanh. Nâng nó lên cao 2 m với g = 10 N/kg sẽ lưu trữ $1500 \times 10 \times 2 = 30\,000$ J.

Sự truyền và tản năng lượng

Khi một hệ thống thay đổi, năng lượng được chuyển giao — có ích, được lưu trữ hoặc tản thất ("phí") vào các kho lưu trữ kém hữu ích hơn; nó không bao giờ được tạo ra hay tiêu diệt. Ma sát và lực cản của không khí tản thất năng lượng bằng cách làm nóng. (P) Một con lắc đơn chuyển đổi giữa động năng và thế năng hấp dẫn mỗi lần dao động.

Sơ đồ Sankey thể hiện sự phân phối lại: các mũi tên tách ra tỷ lệ với dòng năng lượng (vẽ theo tỷ lệ — độ rộng ∝ năng lượng).

Kiểm tra có hướng dẫn. Một bóng đèn 60 W phát ra 6 W ánh sáng: hiệu suất $= 6/60 \times 100 = 10\%$.

Tài nguyên năng lượng

Nhiên liệu được chọn dựa trên khả năng lưu trữ dễ dàng, hàm lượng năng lượng và an toàn; một số truyền tải nhiều năng lượng có ích hơn so với các loại khác. Sản xuất quốc gia phải cân bằng giữa tính tái tạo với chi phí, độ tin cậy và chi phí môi trường do khai thác, sử dụng và xử lý.

Tự kiểm tra

1. Tính công thực hiện bởi lực 50 N di chuyển 4 m.
2. Tính năng lượng đàn hồi trong lò xo (k = 200 N/m) bị kéo dài 0.15 m.
3. Một cuốn sách khối lượng 2 kg được nâng lên 3 m tại g = 10 N/kg. Tính thế năng hấp dẫn thu được.
4. Động năng của ô tô thay đổi thế nào khi phanh?
5. Một động cơ truyền 800 J trong 20 s. Tính công suất của nó.
6. Viết phương trình hiệu suất dưới dạng năng lượng và công suất.
7. Một bóng đèn phát ra 12 J ánh sáng cho mỗi 100 J đầu vào. Tính hiệu suất.
8. Độ rộng mũi tên trong sơ đồ Sankey biểu thị điều gì?
9. Nêu một ưu điểm và một nhược điểm của năng lượng gió.
10. "Tản thất" có nghĩa là gì?

Đáp án: 1 $W = 50 \times 4 = 200$ J; 2 $E_e = \frac{1}{2} \times 200 \times 0.0225 = 2.25$ J; 3 $E_p = 2 \times 10 \times 3 = 60$ J; 4 nó được chuyển sang nhiệt năng của đĩa phanh và môi trường xung quanh nhờ lực ma sát (đĩa phanh nóng lên); 5 $P = 800/20 = 40$ W; 6 năng lượng có ích đầu ra ÷ tổng năng lượng đầu vào (×100 %); tương đương công suất có ích đầu ra ÷ tổng công suất đầu vào; 7 $12/100 \times 100 = 12\%$; 8 dòng năng lượng chảy theo hướng đó — độ rộng tỷ lệ thuận với năng lượng; 9 tái tạo nhưng không cần nhiên liệu hay khí thải; đầu ra không ổn định và có tác động đến cảnh quan; 10 chuyển sang các kho lưu trữ kém hữu ích hơn (thường là nhiệt phế thải), nên không thể dễ dàng thực hiện những việc chúng ta mong muốn.

Waves: carrying energy and information

Waves move energy from a source to a receiver without moving matter — light to an eye, sound to an ear, radio to a phone. This topic builds the wave model (frequency, wavelength, speed), then applies it across the electromagnetic spectrum, to sound and (P) ultrasound, reflection, refraction with total internal reflection, and (P) lenses and the eye.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.3 (Version 5.1). Statements marked (P) are Paper-2-only.

General properties of waves

Transverse 横波: oscillations perpendicular to travel — electromagnetic and water waves. Longitudinal 纵波: oscillations parallel, as compressions and rarefactions — sound; mechanical waves may be either. At a boundary, waves are reflected, transmitted or absorbed; refraction 折射 comes from a change of velocity between media, and diffraction 衍射 spreads waves through a gap — strongly when the gap is comparable to the wavelength.

Amplitude, wavelength, frequency, period and wavefront define any wave, and:

Worked check. A water wave of frequency 2 Hz and wavelength 1.5 m travels at $2 \times 1.5 = 3$ m/s.

The electromagnetic spectrum

One continuous family, all transverse, all at the same speed in vacuum, ordered from radio (10⁴ m and beyond) down to gamma (10⁻¹⁵ m). Visible light is the narrow band our eyes detect — different wavelengths are different colours. Every object emits and absorbs infrared; (P) hotter objects radiate more and at higher frequencies (black-body radiation), dark matt surfaces absorb and emit best, light shiny ones reflect.

Uses: radio — TV and radio including Bluetooth; microwaves — phones, satellite TV; infrared — remotes, night vision, heating; visible — photography, fibre optics; UV — security marking; X-rays — medical imaging; gamma — sterilising instruments and food. Hazards: microwaves heat tissue; infrared burns; UV causes skin cancer and blindness; X-rays kill cells in high doses; gamma causes mutations — limit exposure time and distance, and shield.

X-rays: very short wavelength, high energy, ionising; they affect photographic film, are absorbed by metal and bone, and are transmitted by soft tissue — the basis of CT, fracture and dental imaging, and of cancer treatment (with careful monitoring of workers' doses).

Sound and ultrasound

Sound is longitudinal, vibrating a medium, heard between 20 Hz and 20 000 Hz; pitch follows frequency, loudness follows amplitude. Sound reflects (echoes) and diffracts. (P) Ultrasound 超声波 lies above 20 kHz: at a boundary between media it partially reflects, and the echo time locates the boundary:

Worked check. An ultrasound pulse returns from a fetus boundary after $6.0 \times 10^{-5}$ s (speed 1500 m/s in tissue): boundary depth $= 1500 \times 6.0\times10^{-5}/2 = 4.5$ cm — divide by two for the round trip. Uses: prenatal scanning, breaking kidney stones.

Reflection and refraction

Law of reflection: angle of incidence = angle of reflection, measured from the normal. A plane mirror gives a virtual, upright, laterally inverted image; construct ray diagrams with the normal drawn in. (P) Light entering a denser medium slows and bends towards the normal; into a less dense one, away; a prism disperses white light into a spectrum. Refractive index compares speeds:

Beyond the critical angle in the denser medium, light is totally internally reflected — how optical fibres carry visible light and infrared for medicine (endoscopes) and communications. Required practical: refraction of light by different substances.

Lenses and the eye (P)

A convex (converging) lens brings parallel rays to the principal focus (focal length from the lens); a concave (diverging) lens spreads them as if from the focus. Images are described as larger/smaller, upright/inverted, real/virtual — ray diagrams on graph paper show them, and magnification = image height ÷ object height. A converging lens held close acts as a magnifying glass (virtual, upright, enlarged).

The eye: retina (detector), cornea (main refraction), variable-focus lens, pupil/iris (aperture), ciliary muscle and suspensory ligaments (change lens shape). Near point ≈ 25 cm; far point at infinity. Long sight (eyeball too short) is corrected with a convex lens; short sight (too long) with a concave lens; lasers can reshape the cornea in surgery. Against a camera: the eye focuses by changing lens shape, the camera by changing the lens–film distance; the retina plays the CCD's role.

Check yourself

1. Give the oscillation directions of transverse and longitudinal waves, with one example of each.
2. State v = fλ and calculate the speed of a 500 Hz wave of wavelength 0.68 m.
3. When is diffraction strongest through a gap?
4. Order the EM spectrum by increasing frequency.
5. Which surfaces best absorb infrared?
6. State the frequency range of human hearing.
7. (P) An ultrasound echo returns in 0.0001 s from 15 cm deep. What is the speed?
8. State the law of reflection and the nature of a plane-mirror image.
9. (P) Glass has n = 1.5. Calculate the critical angle.
10. (P) Which lens corrects short sight, and why?

Answers: 1 perpendicular — light; parallel, compressions — sound; 2 $v = 500 \times 0.68 = 340$ m/s; 3 gap ≈ one wavelength; 4 radio → microwave → IR → visible → UV → X-ray → gamma; 5 dark, matt; 6 20 Hz–20 kHz; 7 (P) $v = 0.3/10^{-4} = 3000$ m/s (round trip).

Answers continued: 8 i = r; virtual, upright, laterally inverted; 9 (P) $\sin c = 1/1.5$, $c \approx 41.8°$; 10 (P) a concave lens — it spreads light so the too-long eye focuses it on the retina.

The particle model of matter

Everything is particles. Their energy, separation and motion explain the states of matter, heating and cooling, and why bridges need gaps. OxfordAQA's fourth topic builds the model and quantifies it: specific heat capacity, the (P) latent heats, evaporation, energy-transfer design and thermal expansion.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.4 (Version 5.1). Statements marked (P) are Paper-2-only.

Kinetic theory

Specific heat capacity 比热容 c is the energy to raise 1 kg of a substance by 1 °C:

Worked check. Heating 1.5 kg of water ($c = 4200$) by 40 °C: $E = 1.5 \times 4200 \times 40 = 252\,000$ J.

(P) Changing state needs energy with no temperature change: latent heat of vaporisation 汽化热 $E = m \times L_V$ (liquid → vapour) and latent heat of fusion 熔化热 $E = m \times L_F$ (solid → liquid). Impurities change melting and boiling points. Required practical (P): a cooling curve for stearic acid.

Energy transfers and particle motion

Conduction 传导 passes energy along a solid by particle vibration, helped by free electrons in metals; insulators lack both. Convection 对流 circulates fluid: particles gain energy, move apart, the fluid becomes less dense and rises, cooler fluid sinks. Evaporation 蒸发 turns fast surface molecules to vapour, cooling what remains — faster with higher temperature, larger surface area, draughts and lower humidity; condensation reverses it.

The rate of energy transfer by heating grows with surface area and volume, the material, the surface in contact, and the temperature difference. Design follows: cooling fins maximise area; animals' relative ear size matches climate. Most substances expand when heated — a hazard for roofs and bridges (gaps and rollers), useful in the bimetallic-strip thermostat that bends as one metal expands more and breaks a circuit.

Check yourself

1. Describe the particle arrangement in a liquid.
2. Define specific heat capacity.
3. Calculate the energy to heat 2 kg of aluminium (c = 900) by 30 °C.
4. (P) Why does the temperature stay constant while a substance freezes?
5. (P) 0.5 kg of a substance has L_F = 330 000 J/kg. Calculate the energy to melt it.
6. Explain conduction in metals, naming the extra carriers.
7. Explain why warm water rises.
8. Give three factors that speed evaporation.
9. Give one hazard and one use of thermal expansion.
10. Why do cooling fins have large surface area?

Answers: 1 particles touch but arranged randomly, moving past each other; 2 the energy needed to change the temperature of 1 kg of the substance by 1 °C; 3 $E = 2 \times 900 \times 30 = 54\,000$ J; 4 (P) the energy released as bonds form (latent heat of fusion) leaves at the same rate energy is removed, so the particles' kinetic energy is unchanged; 5 (P) $E = 0.5 \times 330\,000 = 165\,000$ J; 6 vibrating particles pass energy to neighbours, and free electrons carry energy quickly through the metal; 7 the warmer particles move apart, making that water less dense than its surroundings, so it rises; 8 higher temperature, larger surface area, air movement over the surface (also lower humidity); 9 hazard — expansion of bridges/roofs needs gaps; use — the bending bimetallic strip in a thermostat; 10 larger area transfers energy to the surroundings faster by heating.

Điện từ học

Điện là điện tích di chuyển, được điều khiển bởi hiệu điện thế, bị cản trở bởi mọi linh kiện — và mọi dòng điện đều tạo ra từ trường. Chủ đề lớn nhất của OxfordAQA xây dựng bộ công cụ mạch điện, hành vi của linh kiện, và nam châm điện đi kèm.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, chủ đề 3.5 (Phiên bản 5.1). Các phát biểu đánh dấu (P) chỉ áp dụng cho Bài thi-2-.

Mạch điện

Kim loại dẫn điện vì chúng có electron tự do; (P) sự mất cân bằng điện tích cô lập là tĩnh điện, được phóng điện khi xuất hiện đường dẫn dẫn điện (sấm sét). Dòng điện là tốc độ dòng chảy của điện tích:

Điện áp đẩy điện tích chạy quanh mạch; hiệu điện thế giữa hai đầu một linh kiện đo năng lượng truyền tải trên mỗi đơn vị điện tích (volt = joule trên coulomb). Học các ký hiệu tiêu chuẩn — công tắc, đèn, cầu chì, pin, bộ pin, diode, điện trở, biến trở, nhiệt điện trở, LDR, LED, ampe kế và vôn kế.

Ở nhiệt độ không đổi, đồ thị V–I của điện trở là đường thẳng (ohmic); một đèn sợi đốt có đường cong khi các ion dao động mạnh hơn theo nhiệt độ; một diode chỉ dẫn điện theo chiều thuận; (P) nhiệt điện trở giảm điện trở khi nhiệt độ tăng (dùng trong bộ điều nhiệt); LDR giảm điện trở khi ánh sáng tăng (dùng trong hệ thống chiếu sáng tự động); LED phát ra ánh sáng theo chiều thuận và tiết kiệm năng lượng so với đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang compact (CFL).

Nối tiếp: cùng dòng điện, hiệu điện thế được phân chia, điện trở cộng lại. Nối song: cùng hiệu điện thế, dòng điện bị phân chia, điện trở tổng hợp nhỏ hơn bất kỳ điện trở nào. Điện tích va chạm với mạng tinh thể làm nóng mọi điện trở.

Ví dụ minh họa. Một bóng đèn 230 V tiêu thụ 0.25 A: $R = 230/0.25 = 920\ \Omega$. Hai điện trở 4 Ω nối tiếp qua nguồn 12 V mang dòng $I = 12/8 = 1.5$ A; nếu nối song, $R = 2\ \Omega$ và nguồn cung cấp $I = 12/2 = 6$ A.

Từ tính và điện từ

Các cực: cùng tên đẩy nhau, khác tên hút nhau — lực không tiếp xúc. Đường sức từ đi từ Bắc sang Nam bên ngoài nam châm; hai cực đối diện đặt gần nhau tạo ra từ trường đều ở khoảng giữa chúng. Một nam châm cảm ứng sẽ hút khi nằm trong từ trường và mất từ tính khi rời khỏi; từ trường Trái Đất giúp la bàn định hướng.

Dây dẫn có dòng điện chạy qua có các đường sức từ hình tròn bao quanh (dòng lớn hơn → từ trường mạnh hơn; đảo chiều dòng → đảo chiều đường sức). Một cuộn dây solenoid tập trung từ trường; khi có lõi sắt mềm, nó trở thành nam châm điện — có thể bật/tắt, điều chỉnh được, dùng trong cần cẩu bãi phế liệu, rơ-le và khóa cửa. Thực hành yêu cầu: các yếu tố quyết định độ mạnh của nam châm điện.

Tự kiểm tra

1. Tại sao kim loại dẫn điện?
2. Phát biểu mối liên hệ giữa dòng điện, điện tích và thời gian kèm đơn vị.
3. Tính điện tích chảy qua khi 2 A đi qua trong 30 s.
4. Phát biểu dạng đồ thị V-I cho điện trở ở nhiệt độ không đổi và cho đèn sợi đốt.
5. (P) Điện trở của nhiệt điện trở thay đổi thế nào khi nhiệt độ tăng?
6. Phát biểu quy luật về dòng điện và hiệu điện thế cho cách mắc nối tiếp và nối song.
7. Tính R cho nguồn 12 V đẩy dòng 0.5 A.
8. Phát biểu quy luật cực và chiều của đường sức từ bên ngoài nam châm.
9. Nam châm cảm ứng là gì?
10. Tên hai cách để làm mạnh nam châm điện.

Đáp án: 1 chúng chứa các electron tự do di chuyển khi có hiệu điện thế; 2 Q = It, điện tích (C) = cường độ dòng điện (A) × thời gian (s); 3 Q = 2 × 30 = 60 C; 4 đường thẳng đi qua gốc tọa độ; đồ thị hình chữ S dẹt dần khi dòng điện (và nhiệt độ) tăng; 5 (P) nó giảm — dùng trong bộ điều nhiệt; 6 nối tiếp — cùng dòng điện mọi nơi, hiệu điện thế cộng lại; song song — cùng hiệu điện thế trên các nhánh, dòng điện cộng lại; 7 R = 12/0.5 = 24 Ω; 8 cực同名 đẩy nhau, cực khác tên hút nhau; từ N đến S bên ngoài nam châm; 9 vật liệu từ hóa trở thành nam châm chỉ khi đặt trong từ trường — chỉ hút, mất phần lớn từ tính khi移除; 10 nhiều vòng dây hơn trên cuộn; dòng điện lớn hơn (cũng cần lõi sắt mềm).

Generating and distributing electricity

Move a magnet, move a current — a p.d. appears. OxfordAQA's sixth topic runs the full chain from the generator effect through the national grid's transformers to the appliances and safety systems of the home. All statements in this topic are Paper-2 (P).

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.6 (Version 5.1) — entirely (P) content.

Generating electricity (P)

The generator effect 发电机效应 induces a p.d. across a conductor that moves through a magnetic field, or sits in a changing field. Reverse the motion or the polarity and the induced p.d. reverses; the induced current's own field opposes the change. The p.d. grows with faster movement, stronger field, more turns and larger coil area.

An alternator spins a coil in a field to make a.c.; a dynamo gives d.c. — know the p.d.–time graphs. Power stations spin turbines to turn coils between magnets.

Transmission, transformers and the home (P)

From the station to the socket, every watt travels the same chain of coils and cables.

For a given power, high transmission voltage means low current and so little cable heating. A transformer 变压器 is two coils on a soft-iron core: alternating current in the primary makes a changing field that induces a p.d. in the secondary.

Step-up before the lines, step-down after; switch-mode transformers (50–200 kHz) are small and light — phone chargers.

Worked check. A transformer steps 25 kV up to 400 kV with 1000 primary turns: $n_s = 1000 \times 400/25 = 16\,000$ turns. At 100 MW the line current is $I = P/V = 10^8/(4 \times 10^5) = 250$ A.

Cells give d.c.; mains is a.c. with fixed frequency and voltage — read period and frequency from oscilloscope-style traces. Safety: earthing 接地 drains fault current from metal casings; a fuse 保险丝 melts or a circuit breaker trips on excess current — the breaker is faster and resettable; double-insulated appliances need no earth.

The motor effect (P)

A current-carrying wire across a magnetic field feels a force (zero if parallel to it). Force grows with stronger field, bigger current and more wire in the field; reverse either to reverse the force — Fleming's left-hand rule 左手定则 predicts the direction.

A current-carrying coil in a field rotates — the electric motor.

Transferring electrical energy (P)

Appliance labels give power; compute the current to choose a fuse, and the energy in kilowatt-hours for billing (E = Pt; cost = kWh × price per unit, read from meter readings).

Worked check. A 2.0 kW heater for 3 h uses 6.0 kWh; at 0.9 per kWh that costs 5.4. A 230 V, 1.1 kW kettle draws I = 1100/230 ≈ 4.8 A — fit a 5 A or 13 A fuse (next rating above).

Check yourself

1. State two ways to induce a p.d. in a conductor.
2. Give three factors that increase the size of an induced p.d.
3. Sketch the p.d.–time graphs of an alternator and a dynamo.
4. Why does the grid transmit at high voltage?
5. A transformer has 200 primary and 3000 secondary turns on 12 V a.c. Calculate the secondary p.d.
6. State the turns-ratio and power equations for a 100 % efficient transformer.
7. Explain how earthing and a fuse protect a user together.
8. State Fleming's left-hand rule.
9. Calculate the current of a 230 V, 2.3 kW heater, and a sensible fuse.
10. Calculate the energy in kWh used by a 1.5 kW kettle in 20 minutes.

Answers: 1 move the conductor through a field; place it in a changing magnetic field; 2 faster motion; stronger field; more turns (also larger coil area); 3 alternator — a sine wave about zero; dynamo — humps all above (or all below) the axis; 4 for the same power the current is smaller, so I²R heating losses in the cables are far lower; 5 $V_s = 12 \times 3000/200 = 180$ V; 6 $V_p/V_s = n_p/n_s$ and $V_p I_p = V_s I_s$; 7 the earth wire gives the fault current a path to earth, and the surge blows the fuse, disconnecting the live wire; 8 first finger Field, second finger Current, thumb Motion — mutually at right angles; 9 I = 2300/230 = 10 A — use a 13 A fuse; 10 t = 1/3 h, so E = 1.5 × 1/3 = 0.5 kWh.

Nuclear physics

The nucleus is a millionth of the atom yet holds nearly all its mass — and unstable nuclei pour out energy as radiation, fission fragments, or the fusion that lights the stars. OxfordAQA's seventh topic covers the nuclear model, the three radiations, half-life, contamination versus irradiation, reactors and (P) fusion.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.7 (Version 5.1). Statements marked (P) are Paper-2-only.

Atomic structure

An atom is about 10⁻¹⁰ m across: a tiny positive nucleus (protons and neutrons, nearly all the mass) with electrons around it — Rutherford's alpha-scattering evidence for the concentrated nucleus. Proton mass 1 charge +1; neutron mass 1 charge 0; electron charge −1, negligible mass. A neutral atom has equal protons and electrons; atoms lose or gain electrons to become ions.

${}^{A}_{Z}X$: A = mass number (protons + neutrons), Z = proton number; isotopes share Z and differ in neutrons.

Ionising radiation from the nucleus

Unstable nuclei decay randomly, unaffected by chemistry or physics, emitting:

Nuclear equations conserve mass number and charge: ${}^{238}_{92}U \rightarrow\, {}^{234}_{90}Th +\, {}^{4}_{2}He$ (alpha); ${}^{14}_{6}C \rightarrow\, {}^{14}_{7}N +\, {}^{0}_{-1}e$ (beta). Background radiation comes from rocks, space, food and medical devices. (P) The half-life 半衰期 is the time for half the nuclei (or half the count rate) to decay — most unstable nuclei have short half-lives; the least unstable last millennia. Contamination 沾污 (radioactive atoms on you) is a lasting hazard; irradiation 照射 exposes without making you radioactive. Dangers: mutations, cell and tissue damage.

Nuclear fission and (P) fusion

Fission 裂变 splits a large unstable nucleus: U-235 or Pu-239 absorbs a neutron, splits into two smaller nuclei with 2–3 neutrons and far more energy than any chemical reaction. Neutrons striking further nuclei give a chain reaction; in a reactor control rods absorb neutrons to hold one fission per neutron.

Radioactive waste stays dangerous for times set by its half-life — a managed-disposal cost of nuclear power. (P) Fusion 聚变 joins two light nuclei into a heavier one, converting mass to energy: it powers the stars, but positive nuclei repel, so it needs extreme temperature and pressure.

Check yourself

1. Give the relative masses and charges of the proton, neutron and electron.
2. In ${}^{19}_{9}F$, how many protons and neutrons?
3. What did alpha scattering reveal about the atom?
4. Name the three radiations and their natures.
5. Which radiation is stopped by paper, and which penetrates aluminium?
6. Balance the alpha decay of ${}^{226}_{88}Ra$.
7. (P) Define half-life.
8. (P) Explain the difference between contamination and irradiation.
9. What do control rods do in a reactor?
10. (P) Why does fusion need extreme temperatures?

Answers: 1 proton 1/+1; neutron 1/0; electron negligible/−1; 2 9 protons, 10 neutrons; 3 mass and positive charge concentrate in a tiny nucleus — most alphas pass, a few bounce; 4 alpha — helium nucleus; beta — fast electron; gamma — EM wave; 5 alpha; gamma (needs thick lead); 6 ${}^{226}_{88}Ra \rightarrow\, {}^{222}_{86}Rn +\, {}^{4}_{2}He$; 7 (P) the time for half the nuclei (or the count rate) to halve; 8 (P) contamination — radioactive material on you, a hazard until removed; irradiation — exposure to radiation, ending when the source leaves; 9 absorb neutrons, holding the chain to one fission per neutron — steady; 10 (P) positive nuclei repel; they must collide at enormous speed to fuse.

Vật lý thiên văn

Trọng lực gom bụi thành sao, các sao tổng hợp nguyên tố, và sự dịch chuyển đỏ của các thiên hà xa xôi cho thấy toàn bộ vũ trụ đang giãn nở từ một khởi điểm 14 tỷ năm trước. Chủ đề cuối cùng của OxfordAQA khép lại chương trình học với vòng đời sao, quỹ đạo và bằng chứng về Big Bang.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, chủ đề 3.8 (Phiên bản 5.1). Các tuyên bố đánh dấu (P) chỉ áp dụng cho Bài thi 2-.

Vòng đời của một ngôi sao

Sao hình thành khi trọng lực kéo bụi và khí (chủ yếu là hydro và heli) lại với nhau — những đám nhỏ hơn trở thành hành tinh. Trong giai đoạn dãy chính dài lâu, hydro tổng hợp thành heli trong lõi và trọng lực cân bằng với các lực hướng ra ngoài. Sao càng nặng thì lõi càng nóng và có thể tạo ra các hạt nhân nặng hơn thông qua quá trình tổng hợp hạt nhân.

Khi hydro cạn kiệt, khối lượng sẽ quyết định kết cục. Một sao giống Mặt Trời phồng to thành siêu khổng lồ đỏ, trút bỏ lớp vỏ ngoài, và lõi lộ ra nguội dần từ sao lùn trắng đến sao lùn đen. Một sao khối lượng lớn phồng to thành siêu khổng lồ đỏ, tổng hợp ngày càng nhiều nguyên tố nặng hơn (carbon, nitơ, oxy), sau đó nổ tung thành siêu tân tinh — phân tán các nguyên tố (những nguyên tố nặng hơn sắt được tạo ra ngay trong vụ nổ) — để lại một sao neutron hoặc lỗ đen. Quá trình tổng hợp hạt nhân trong sao và siêu tân tinh đã tạo nên mọi nguyên tố tự nhiên: vũ trụ sơ khai chỉ chứa duy nhất hydro.

Hệ mặt trời và chuyển động quỹ đạo

Hệ mặt trời: tám hành tinh quay quanh Mặt Trời, cùng vệ tinh, tiểu hành tinh, hành tinh lùn và sao chổi. Dải Ngân Hà là một trong hàng nghìn tỷ thiên hà, mỗi thiên hà chứa hàng nghìn tỷ ngôi sao. Vệ tinh nhân tạo quay quanh Trái Đất theo quỹ đạo địa tĩnh hoặc quỹ đạo cực thấp.

Trọng lực cung cấp lực hướng tâm: nó tác dụng vào tâm, làm thay đổi hướng chuyển động (vận tốc) mà không làm thay đổi tốc độ. Khoảng cách càng lớn thì trọng lực càng yếu, dẫn đến tốc độ quỹ đạo thấp hơn: để duy trì ở một bán kính nhất định, vệ tinh phải di chuyển với tốc độ phù hợp — thay đổi tốc độ thì bán kính quỹ đạo cũng thay đổi.

Dịch chuyển đỏ và vũ trụ đang giãn nở (P)

Một nguồn sóng chuyển động làm thay đổi bước sóng quan sát được (hiệu ứng Doppler): nguồn lùi xa kéo dãn sóng — bước sóng dài hơn, tần số thấp hơn. Thiên hà càng xa thì càng lùi nhanh và độ dịch chuyển đỏ càng lớn — bản thân không gian đang giãn nở, chỉ ra một khởi điểm rất nhỏ bé: Big Bang. Bức xạ nền vi sóng vũ trụ — bức xạ bao phủ vũ trụ từ ngay sau khởi điểm đó — là trụ cột thứ hai; thuyết Big Bang hiện là thuyết duy nhất giải thích được hiện tượng này.

Tự kiểm tra

1. Yếu tố nào kéo bụi và khí thành sao?
2. Điều gì xảy ra trong lõi của một ngôi sao dãy chính?
3. Liệt kê ba giai đoạn mà một sao giống Mặt Trời trải qua sau giai đoạn dãy chính.
4. Những loại sao nào trở thành siêu tân tinh?
5. Các nguyên tố nặng hơn sắt được tạo ra ở đâu?
6. Nêu hai loại quỹ đạo vệ tinh nhân tạo.
7. Tại sao vệ tinh ở quỹ đạo cao hơn lại di chuyển chậm hơn?
8. (P) Bước sóng của một sóng thay đổi thế nào khi nguồn phát chuyển động ra xa?
9. (P) Nêu hai bằng chứng về Vụ Nổ Lớn.
10. (P) Bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMBR) là gì?

Đáp án: 1 lực hấp dẫn; 2 hạt nhân hydro fusion thành heli, giải phóng năng lượng, cân bằng với lực hấp dẫn; 3 sao khổng lồ đỏ, sao lùn trắng, sao lùn đen (ba giai đoạn sau dãy chính); 4 những ngôi sao có khối lượng lớn hơn Mặt Trời rất nhiều; 5 trong các vụ nổ siêu tân tinh; 6 quỹ đạo địa tĩnh và quỹ đạo cực thấp; 7 lực hấp dẫn suy yếu theo khoảng cách, nên lực hướng tâm — và vận tốc mà nó đòi hỏi — nhỏ hơn; 8 (P) bước sóng tăng lên (dịch chuyển đỏ), và tần số quan sát được giảm xuống; 9 (P) dịch chuyển đỏ của thiên hà tăng theo khoảng cách, và bức xạ nền vi sóng vũ trụ; 10 (P) bức xạ điện từ bao trùm vũ trụ, là phần dư từ ngay sau Vụ Nổ Lớn.