Темы и навыки

180 тем теоретического тура — по томам и главам «Физики для любознательных» А. И. Слободянюка — и 61 позиций отдельного словаря экспериментального тура: установка, приборы, методика, погрешности, графики, оформление.

Теоретический тур

Разделы повторяют тома и Части/Главы Слободянюка; листья — его подразделы.

Кинематика 12

Динамика 8

Виды взаимодействий 10

Законы сохранения 10

Механика жидкости и газа 7

Электростатика 14

Постоянный ток 10

Магнитостатика 12

Электродинамика 7

Механические колебания 11

Переменный ток 4

Волновые процессы 6

Молекулярная физика 12

Термодинамика 13

Оптика 13

  • Закон отражения. Плоское зеркало 27

    Закон отражения, мнимое изображение в плоском зеркале, системы зеркал.

  • Закон преломления (Снеллиуса) 29

    Показатель преломления, преломление на плоской границе, ход луча через пластину. Сюда же: Преломление под малыми углами.

  • Оптические приборы 5

    Микроскоп, телескоп, лупа, бинокль, проекционный аппарат, фотоаппарат, глаз: увеличение, угловое разрешение, ход лучей в системе.

  • Полное внутреннее отражение 3

    Предельный угол, световоды, ход луча в призме полного отражения.

  • Преломление на сферической поверхности 7

    Формула преломления на одной сферической границе, общая формула линзы. Сюда же: Толстые линзы.

  • Призма и дисперсия света 2

    Отклонение луча призмой, угол наименьшего отклонения, разложение в спектр, радуга.

  • Принцип Ферма 3

    Вывод законов отражения и преломления из принципа наименьшего времени.

  • Световые лучи 33

    Прямолинейное распространение света, тень и полутень, построение хода лучей.

  • Система двух линз 3

    Последовательное построение, эквивалентная оптическая сила, телескопический ход. Сюда же: Линза и плоскопараллельная пластина; Линза и зеркало.

  • Сферическое зеркало 9

    Вогнутое и выпуклое зеркало, фокус, формула зеркала, увеличение.

  • Фокусное расстояние линзы 21

    Оптическая сила, формула шлифовщика, измерение фокусного расстояния.

  • Формула тонкой линзы 18

    Формула тонкой линзы, линейное увеличение, знаки, действительное и мнимое изображение.

  • Ход лучей в линзах 31

    Построение изображений собирающей и рассеивающей линзой, характерные лучи. Сюда же: Линза и жидкость; Скорость и продольное увеличение изображения.

Волновая оптика 4

Квантовая и атомная 9

Сто 2

  • Динамика СТО 4

    Релятивистские энергия и импульс, E=mc², порог реакции.

  • Кинематика СТО 1

    Постулаты, преобразования Лоренца, замедление времени, сокращение длины, сложение скоростей.

Методы 16

  • Аналогия между физическими системами 50

    Перенос одной и той же математической структуры решения между разными физическими системами: теплопроводность, электрические цепи, диффузия, механические релаксации.

  • Баланс потоков в стационаре 99

    Баланс подводимого и отводимого потока (тепла, заряда, вещества, импульса) в установившемся режиме — общий приём для задач теплопроводности, цепей, истечения и диффузии.

  • График как физический инструмент: наклон, площадь, пересечение и касательная 461

    Извлечение ответа из графика: площадь под кривой, наклон, точка пересечения характеристик. Включает построение графика (масштаб, оси, планки погрешностей) как операцию внутри этого навыка, а не отдельный лист (межфайловое слияние с бывшим postroenie_grafika).

  • Дифференциальные уравнения в физике 39

    Составление и решение уравнений движения, распознавание уравнения гармонических колебаний.

  • Квазистационарное приближение 17

    Пренебрежение временами установления по сравнению с характерным временем задачи: ток, поле или течение считаются мгновенно подстраивающимися под текущие условия.

  • Линеаризация по малому параметру 199

    Разложение по малому параметру и удержание главного члена — превращает нелинейную задачу в линейную вблизи известного решения; отличает содержательное приближение от необоснованного «пренебрежём».

  • Локальный закон и модель тонких слоёв 83

    Разбиение неоднородного тела или поля на тонкие слои/элементы с локальным законом и последующим суммированием или интегрированием — приём для неоднородных стержней, проводников, теплопроводности и распределённых масс.

  • Метод размерностей и подобия 41

    Восстановление вида зависимости из размерностей, оценки через подобие и масштабирование.

  • Обратная задача: восстановить модель по отклику 100

    Восстановление параметров модели или скрытой схемы по данным отклика — «чёрный ящик», градуировка, оптическая или электрическая идентификация системы; связывает теорию и эксперимент.

  • Оптимизация физической системы 74

    Поиск экстремума физической величины по параметру системы — какое представление задачи выбрать, прежде чем брать производную; объединяет межтематические экстремальные задачи.

  • Оценка, масштаб и проверка разумности 196

    Оценочные задачи: разумные допущения, отбрасывание малых членов, проверка правдоподобия ответа. Объединяет теоретическую и экспериментальную оценку по порядку величины (межфайловое слияние).

  • Построение модели и допущения 694

    Явное построение и обоснование расчётной модели — какие эффекты учитываются, какие сознательно отбрасываются и почему; главное различие между школьной подстановкой и олимпиадной физикой.

  • Режимы и границы применимости 98

    Определение момента, когда исходный закон или формула перестаёт действовать (отрыв, насыщение, смена режима, исчезновение корня), и переход к решению по участкам.

  • Рекуррентность, самоподобие и релаксация 11

    Самоподобие бесконечной цепочки, рекуррентные соотношения для повторяющихся звеньев.

  • Симметрия как приём 99

    Использование симметрии системы для сокращения расчёта: равные токи, нулевые поля, эквивалентные узлы.

    Механика

  • Эквивалентный источник 4

    Свёртка активного двухполюсника к источнику ЭДС с внутренним сопротивлением.

Экспериментальный тур

Отдельный словарь: не тема задачи, а техника измерения, прибор, обработка погрешностей и графика. Применяется вместе с темой теоретического тура.

Экспериментальная установка 14

Приборы 18

  • Барометр и манометр 8

    Измерение давления, в том числе жидкостным манометром «если у вас нету ртути».

  • Весы, измерение массы 15

    Лабораторные весы с разновесами или электронные весы; часто заменяются рычагом или пружиной.

  • Вольтметр и амперметр 18

    Школьные стрелочные приборы; их собственное сопротивление и правильная схема включения — обычный подвох.

  • Динамометр 13

    Измерение силы; часто заменяется калиброванной пружиной или резиновым жгутом.

  • Источник питания, батарейка 50

    Источник питания как ОБОРУДОВАНИЕ установки: ЛИП, батарейка 4,5 В, аккумулятор — он питает схему, а измеряется что-то другое. Если измеряются сами ЭДС и r, ставьте obekt_istochniki_toka.

  • Калориметр, нагреватель 4

    Тепловые измерения: теплоёмкость, теплота растворения и плавления, потери в окружающую среду.

  • Лазер, лазерная указка 19

    Источник узкого пучка для оптических измерений: преломление, дифракция, интерференция.

  • Линейка, измерение длины 156

    Металлическая, деревянная или пластмассовая линейка; предельная погрешность 0,1-1 мм по классу.

  • Линза, экран, оптическая скамья 17

    Сборка оптической схемы с обязательным указанием хода лучей; измерение фокусного расстояния.

  • Магниты, катушка 8

    Постоянные (керамические, неодимовые) магниты и катушки: опыты по индукции, «магнитная вязкость» падающего магнита в трубе, измерение поля, взаимодействие магнитов, электромагнит.

  • Мензурка, мерный цилиндр 24

    Прямое измерение объёма жидкости; мензурки 2-го класса дают 5 см³ предельной погрешности.

  • Мультиметр 46

    Цифровой мультиметр в режимах вольтметра, амперметра и омметра; знакомство с его пределами — часть задания.

  • Реостат, магазин сопротивлений 36

    Плавное изменение тока и напряжения; реостат как делитель и как объект градуировки.

  • Секундомер, измерение времени 97

    Механический или электронный секундомер; реакция экспериментатора как источник случайной погрешности.

  • Термометр 22

    Стеклянный жидкостный термометр или термопара / терморезистор с градуировкой.

  • Транспортир, измерение углов 19

    Прямое измерение углов — отклонения маятника, углов падения и преломления, наклона плоскости.

  • Шприц как измерительный сосуд 20

    Одноразовый шприц для дозирования объёма, создания давления и изучения газовых процессов.

  • Штангенциркуль 9

    Измерение малых размеров с ценой деления нониуса 0,1 / 0,05 мм.

Методика измерения 14

  • Гистерезис и предыстория 6

    Проверка прямого и обратного хода характеристики: результат зависит от предыстории образца, а не только от текущих условий; нельзя смешивать несовместимые точки одной характеристикой.

  • Градуировка, градуировочный график 20

    Экспериментально построенная связь между измеряемой и искомой величинами, когда формулы для пересчёта нет.

  • Изготовление измерительного прибора или датчика 12

    Участник сам собирает весы, датчик, теслометр и затем его градуирует; измерение начинается с конструирования.

  • Измерения по фотографии, скану и видеокадру 2

    Извлечение физических величин из геометрии фотографии, скана или видеокадра — связь масштаба изображения с реальными размерами и временами; современная и самостоятельная экспериментальная техника.

  • Контрольный опыт и вычитание фона 7

    Отдельное измерение фонового или паразитного эффекта (теплопотери, собственное трение, засветка) и его вычитание из основного результата, вместо попытки исправить всё одной погрешностью.

  • Метод совпадений 2

    Измерение периода по совпадению фаз двух колебаний — точность выше, чем у прямого счёта колебаний.

  • Нетрадиционное использование приборов 8

    «Как измерить сопротивление с помощью секундомера?» — прибор используется не по прямому назначению, чтобы измерить недоступную напрямую величину.

  • Планирование эксперимента 91

    Выбор схемы измерений до их проведения: какие величины измерять, в каком диапазоне, с каким шагом и точностью.

  • Расширение диапазона прибора 2

    Шунт, добавочное сопротивление, делитель напряжения — превращение школьного прибора в прибор нужного предела; расширение диапазона мультиметра или динамометра.

  • Снятие характеристики прибора (ВАХ, нагрузочная) 34

    Вольтамперная, нагрузочная или входная характеристика элемента как основной результат измерений.

  • Снять зависимость серией измерений 217

    Вместо единичного измерения снимается функциональная зависимость: точнее, проверяет теорию и оценивается выше.

  • Схема экспериментальной установки 113

    Сборка установки и обязательная схема в работе: принципиальная электрическая схема, ход лучей в оптике, крепление на штативе, взаимное расположение деталей.

  • Тип измерения: прямое, косвенное, серия 90

    Способ получения величины: непосредственно со шкалы прибора (прямое), вычислением через другие измеренные величины по формуле (косвенное), или как систематическая серия повторов для усреднения. Facet, не самостоятельный тренировочный навык — учебную ценность несут конкретные способы (градуировка, обратная задача, наклон графика, нулевой метод).

  • Чёрный ящик: восстановление скрытой системы по отклику 3

    Определение схемы и параметров скрытой цепи только по внешним измерениям («жёлтый ящик», «красный ящик»).

Погрешности 5

  • Нагрузка и обратное влияние прибора 19

    Сам измерительный прибор изменяет измеряемую величину (нагрузка вольтметром, тепловая инерция термометра) — учёт этого эффекта в физической модели, а не только в бюджете погрешности.

  • Неидеальность установки: диагностика и поправка 143

    Неучтённый побочный фактор и поправка на него: собственное сопротивление вольтметра и амперметра, трение, теплообмен со средой, выталкивающая сила воздуха, масса нити. Каждая поправка должна быть обоснована.

  • Погрешность косвенного измерения 117

    Перенос погрешностей через расчётную формулу: для произведения степеней складываются относительные погрешности с весами; правила действий с приближёнными числами; опасность вычитания близких величин.

  • Погрешность прямого измерения 70

    Итоговая погрешность одной прямо измеренной величины: приборная составляющая (класс точности, цена деления), случайный разброс повторных отсчётов и их квадратичное сведение в полную погрешность. Часто совместны в одной задаче (2009-third-exp-11-2, 2010-final-exp-10-2) — один навык с тремя facet-значениями, а не три листа.

  • Представление результата с погрешностью 110

    Запись окончательного ответа: различение абсолютной и относительной погрешности (в процентах «для блеска»), значащие цифры и округление — погрешность до одной значащей цифры, значение до того же разряда. Проценты, абсолютная погрешность и округление — стадии одного действия, отдельно по ним почти никто не ищет подборку.

Графики и обработка 8

  • Аппроксимация прямой и извлечение её параметров 162

    Подгонка прямой Y = aX + b к экспериментальным точкам и оценка её параметров: метод наименьших квадратов (через средние, дисперсии и ковариацию) ИЛИ метод двух граничных прямых «на глаз». Сюда же — Δa и Δb, вывод «зависимость прямо пропорциональна, потому что Δb > b», и коэффициент корреляции. САМЫЙ ЧАСТЫЙ лист обработки: ставится всегда, когда по набору точек находят наклон или отрезок, даже если слово «МНК» не написано, а сказано «проведите прямую и найдите её наклон».

  • Выбор осей и регрессии по погрешностям

    Выбор осей и вида линеаризации с учётом того, как погрешности отдельных точек распределены по графику, чтобы механическое применение МНК не сместило итоговый наклон.

  • Линеаризация (приведение зависимости к линейному виду) 145

    Замена переменных X(x), Y(y) без неизвестных параметров, превращающая теоретическую кривую в прямую.

  • Логарифмический и полулогарифмический масштаб 25

    ln y от ln x для определения показателя степени; ln y от x для показателя экспоненты.

  • Нормировка и универсальный график 4

    Приведение нескольких серий с разными начальными условиями к одной универсальной зависимости за счёт удачного выбора безразмерных переменных.

  • Определение вида зависимости и обработка нелинейного графика 46

    Вид функции заранее не известен: его угадывают по графику, проверяют степенной или экспоненциальной линеаризацией и обосновывают. Сюда же случай, когда линеаризация невозможна и исследуются особенности кривой — максимумы, минимумы, асимптоты, точки перегиба.

  • Остатки и отклонение от модели 22

    Проверка отклонений экспериментальных точек от модельной прямой или кривой как самостоятельный источник информации, а не только шум — высокий коэффициент корреляции не доказывает модель.

  • Численная производная по данным 14

    Оценка производной по дискретным экспериментальным точкам (конечные разности: симметричная или устойчивая интегральная форма) вместо аналитического дифференцирования известной функции.

Оформление результата 2

  • Выводы: сравнение эксперимента с теорией 192

    Вывод работы: согласие с теорией в пределах погрешности, качественное согласие или опровержение модели, разбор расхождений; проверка предсказанного формулой значения измерением.

  • Оформление работы 106

    Оформление работы на листах ответов: название и цель, схема установки, подписанные таблицы результатов с размерностями, обработка, окончательный ответ. Ставится, когда в условии есть требование заполнить таблицу, привести схему или оформить результаты. Обязательный чек-лист оформления (таблица, оси, единицы, результат, вывод), а не отдельный тренируемый навык — method переведён в false по итогам teardown-обзора.

Источник названий и структуры: А. И. Слободянюк, «Физика для любознательных» и «Физика 10»; экспериментальный словарь — «Физическая олимпиада: экспериментальный тур». Все книги →