Физика. 11-й класс (углублённый уровень)

З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ »

.

УДК 373.167.1:53+53(075.3) 
ББК 22.3я721
 
К28

ISBN 9785091016406 (электр. изд.)
ISBN 9785090871921 (печ. изд.)

К28
Касьянов, Валерий Алексеевич.
Физика : 11-й класс : углублённый уровень : учебник : издание 
в pdf-формате / В. А. Касьянов. — 10-е изд., стер. — Москва : Просвещение, 
2022. — 493, [3] с. : ил., 7 л. цв. вкл.

ISBN 978-5-09-101640-6 (электр. изд.). — Текст : электронный.
ISBN 978-5-09-087192-1 (печ. изд.).
Учебник предназначен учащимся 11 классов, в которых физика изучается 
на углублённом уровне, и является продолжением учебника «Физика. Углублённый 
уровень. 10 класс» того же автора.
Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту 
среднего общего образования. Включён в Федеральный перечень учебников 
в составе завершённой предметной линии.
Книга создана с учётом современных научных представлений, включает следующие 
разделы: «Электродинамика», «Электромагнитное излучение», «Физика 
высоких энергий», «Элементы астрофизики».
Достоинством учебника является тщательно разработанный методический аппарат, 
включающий вопросы, задачи различной степени сложности, творческие 
задания, описания лабораторных работ. Книга хорошо иллюстрирована.
К учебнику изданы тетради для контрольных работ и дидактические материалы.
Раздел «Лабораторные работы» подготовлен при участии Г. Г. Никифорова. 
Творческие задания составлены О. А. Крысановой и Н. В. Ромашкиной.

 УДК 373.167.1:53+53(075.3) 
ББК 22.3я721

© АО «Издательство «Просвещение», 2021
©  Художественное оформление. 
АО «Издательство «Просвещение», 2021 
Все права защищены

Учебник допущен к использованию при реализации имеющих государственную  
аккредитацию образовательных программ начального общего, основного общего,  
среднего общего образования организациями, осуществляющими образовательную  
деятельность, в соответствии  с Приказом Министерства просвещения  
Российской Федерации № 254 от 20.05.2020 (в редакции приказа № 766 от 23.12.2020).

Издание выходит в pdf-формате.

З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ »

.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Постоянный  
электрический  
ток

§ 1. Электрический ток

Элект ри че ские за ря ды в дви же нии. Гра ви та ци он ное при тя же ние ис-
пы ты ва ют все те ла и час ти цы. Струк ту ра Все лен ной фор ми ру ет ся гра вита 
ци он ным при тя же ни ем тел ог ром ных масс. Не ог ра ни чен ное гра ви та-
ци он ное сжа тие пред отв ра ща ет дви же ние этих тел.
Су щест во ва ние тел ко неч ных раз ме ров ока зы ва ет ся воз мож ным по тому, 
что меж ду час ти ца ми ве ще ст ва дей ст ву ют бо лее мощ ные, чем гра вита 
ци он ные, си лы элек тро маг нит ной при ро ды: при тя же ния и от тал ки вания, 
ко то рые мо гут урав но ве сить друг дру га. Как мы вы яс ни ли ра нее 
(см. учеб ник В. А. Касья но ва «Фи зи ка. Уг луб лён ный уро вень. 10 класс», 
§ 80), сис те ма не по движ ных (ста ти че ских) элект ри че ских за ря дов не может 
быть ус той чи вой. Ус той чи вой мо жет быть лишь сис те ма дви жу щих-
ся за ря дов. В этой гла ве мы рас смот рим элек тро маг нит ное по ле дви жу-
щих ся элект ри че ских за ря дов. Дви жу щий ся элект ри че ский за ряд яв ля-
ет ся ис точ ни ком элек тро маг нит но го по ля, ко то рое рас про ст ра ня ет ся 
в про стран ст ве со ско ро стью све та.
Из ме нить энер гию элек тро маг нит но го взаи мо дей ст вия за ря дов можно, 
на при мер, при бли жая один за ряд к дру го му или уда ляя их друг от 
дру га.
Дви же ние за ря дов в про вод ни ке. На прав лен ное дви же ние за ря дов в 
про вод ни ке при во дит к пе ре но су энер гии элек тро маг нит но го по ля в про-
стран ст ве.

Элект ри че ский ток — упо ря до чен ное (на прав лен ное) дви же ние 
за ря жен ных час тиц.

Для су щест во ва ния элект ри че ско го то ка не об хо ди мы прежде всего 
сво бод ные за ря ды — но си те ли за ря да, на при мер за ря жен ные час ти цы: 
по ло жи тель ные и от ри ца тель ные ионы, элект ро ны.

З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ »

.

Электродинамика

В таких проводниках, как металлы, кон цент ра ция сво бод ных за рядов (
электронов) ве ли ка, и они мо гут пе ре ме щать ся по все му объё му провод 
ни ка, не по ки дая его пре де лов. По это му для пе ре да чи энер гии элек т-
ро маг нит но го по ля из од ной точ ки про стран ст ва в дру гую ис поль зу ют метал 
ли че ские про вод ни ки, по доб но то му как для транс пор ти ров ки во ды 
при ме ня ют тру бы.
На прав лен ное дви же ние сво бод ных за ря дов в про вод ни ке воз мож но 
под дей ст ви ем внеш не го элект ри че ско го по ля (второе условие существования 
электрического тока).
В от сут ст вие внеш не го элект ри че ско го по ля (его на пря жён ность  
E = 0) дви же ние за ря дов в про вод ни ке яв ля ет ся ха оти че ским (се рая линия 
на рис. 1).
Так дви жут ся, на при мер, по ло жи тель ные и от ри ца тель ные ионы в 
элект ро ли тах, элект ро ны в ме тал ли че ских про вод ни ках. Пос ле не скольких 
столк но ве ний с дру ги ми час ти ца ми за ря жен ные час ти цы мо гут вернуть 
ся прак ти че ски к пер во на чаль но му по ло же нию.
В том слу чае, ког да к про вод ни ку при ло же но внеш нее элект ри че ское 
по ле (E 
 0), на за ря ды дей ст ву ет до пол ни тель но ку ло нов ская си ла, 
за став ляю щая за ря ды од но го зна ка дви гать ся по про вод ни ку в од ном на-
прав ле нии. По ло жи тель ные за ря ды при об ре та ют со став ляю щую ско рос-
ти v+ вдоль на пря жён нос ти элект ри че ско го по ля (направленную скорость). 
За про ме жу ток вре ме ни t по ло жи тель ный за ряд «дрей фу ет» на 
рас стоя ние l+ = v+t в на  прав лении на пря жён нос ти элект ри че ско го по ля 
(чёр ная ли ния на рис. 1). От ри ца тель ный за ряд сме ща ет ся на рас стоя ние 
l– = v–t (v– — ско рость дрей фа в на прав ле нии, про ти во по лож ном на пря-
жён нос ти элект ри че ско го по ля).
В про вод ни ке, по ме щён ном в элект ри че ское по ле, про ис хо дит на ложе 
ние упо ря до чен но го дви же ния за ря дов на ха оти че ское теп ло вое.

1
Движение носителей 
зарядов в проводнике. 
Наложение упорядоченного 
движения 
зарядов на хаотическое 
тепловое движение в 
электрическом поле:  
а — положительных;  
б — отрицательных

а)

б)

З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ »

.

Постоянный электрический ток   
5

За на прав ле ние то ка при ни ма ют на прав ле ние упо ря до чен но го 
дви же ния по ло жи тель но за ря жен ных час тиц.

На прав ле ние то ка сов па да ет с на-
прав ле ни ем на пря жён нос ти элект-
ри че ско го по ля, вы зы ваю ще го этот 
ток.
В ме тал лах, где но си те ля ми за ряда 
яв ля ют ся сво бод ные от ри ца тельно 
за ря жен ные элект ро ны, на прав-
ле ние то ка счи та ет ся про ти во по -
лож ным на прав ле нию ско рос ти их 
упо ря до чен но го дви же ния (рис. 2).

В О П Р О С Ы

1. При ка ких ус ло ви ях воз ни ка ет элект ри че ский ток?
2. Ка кие час ти цы мо гут быть но си те ля ми элект ри че ско го за ря да в ме тал ле, в рас-
тво ре элект ро ли та, в га зе?
3. По че му дви же ние за ря жен ных час тиц в про вод ни ке в от сут ст вие внеш не го элект-
ри че ско го по ля яв ля ет ся ха оти че ским?
4. Чем от ли ча ет ся дви же ние за ря жен ных час тиц в про вод ни ке в от сут ст вие и при на-
ли чии внеш не го элект ри че ско го по ля?
5. Как вы би ра ет ся на прав ле ние элект ри че ско го то ка? В ка ком на прав ле нии дви жут-
ся элект ро ны в ме тал ли че ском про вод ни ке, по ко то ро му про те ка ет элект ри че ский 
ток?

§ 2. Сила тока

Оп ре де ле ние си лы то ка. Интен сив ность на прав лен но го дви же ния за ряжен 
ных час тиц в про вод ни ке ха рак те ри зу ет ве ли чи на элект ри че ско го 
за ря да, про хо дя ще го че рез по пе реч ное се че ние про вод ни ка за 1 с, или сила 
тока. Эта ве ли чи на мо жет ме нять ся с те че ни ем вре ме ни.

Си ла то ка в дан ный мо мент вре ме ни — ска ляр ная физиче ская вели 
чи на, рав ная пре де лу от но ше ния элект ри че ско го за ря да, про-
шед ше го че рез по пе реч ное се че ние про вод ни ка, к про ме жут ку 
вре ме ни его про хож де ния:

 
.
t 
q
t
I

0
lim
 
(1)

2
Направление тока в металлическом 
проводнике противоположно 
направлению движения электронов

З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ »

.

Электродинамика

Фор му ла (1) в ма те ма ти ке пред став ля ет со бой про из вод ную. По это му

 
d
d
=
=
.
q
t
I
q  
(2)

Си ла то ка — про из вод ная по вре ме ни от за ря да, про шед ше го че рез попе 
реч ное се че ние про вод ни ка за про ме жу ток вре ме ни t.
Еди ни ца си лы то ка (ос нов ная еди ни ца СИ) — ам пер (A):

1 А = 1 Кл/с.

Точ ное оп ре де ле ние ам пе ра бу дет да но в § 25.
Связь си лы то ка с на прав лен ной ско ро стью. Для то го что бы рас считать 
си лу то ка, най дём за ряд q, про те каю щий че рез по пе реч ное се че ние 
про вод ни ка за про ме жу ток вре ме ни t (рис. 3). За это вре мя че рез се че-
ние про вод ни ка прой дут толь ко за ря ды, дви жу щие ся со ско ро стью v со-
нап рав лен но с на пря жён но стью внеш не го элект ри че ско го по ля, ко то рые 
на хо дят ся вну три ци линд ра, площадь сечения которого S и об ра зую щая 

l = v t. Зная кон цент ра цию n за ря жен ных час тиц (чис ло за ря дов в едини 
це объ ёма), мож но най ти чис ло за ря жен ных час тиц в этом объ ёме N =  
= nSv t и оп ре де лить их за ряд:

q = q0N = q0nSv t,

где q0 — за ряд од ной час ти цы.
Из фор му лы (1) сле ду ет, что си ла то ка

 
I = q0nSv. 
(3)

Ес ли ско рость дви же ния за ря дов не за ви сит от вре ме ни, т. е. v = const, 
то си ла то ка I = const.

По сто ян ный элект ри че ский ток — ток, си ла то ка и на прав ле ние 
ко то ро го не из ме ня ют ся с те че ни ем вре ме ни.

По сто ян ный ток ши ро ко ис поль зу ет ся на транспорте, в элект ри че ских 
схе мах ав то мо би лей, в электрометаллургии, мик ро элект ро ни ке и т. д.

3
Дви же ние  
по ло жи тель ных  
за ря дов в про вод ни ке 
(элект ро ли те)

З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ »

.

Постоянный электрический ток   
7

В О П Р О С Ы

1. Ка кая ве ли чи на ха рак те ри зу ет ин тен сив ность на прав лен но го дви же ния за ря жен-
ных час тиц?
2. Дай те оп ре де ле ние си лы то ка.
3. Как си ла то ка свя за на с за ря дом, про шед шим за вре мя t че рез по пе реч ное се че-
ние про вод ни ка?
4. Ка к называется еди ни ца си лы то ка в СИ?
5. Ка кой элект ри че ский ток на зы ва ют по сто ян ным? Как си ла то ка за ви сит от кон-
цент ра ции за ря жен ных час тиц?

З А Д А Ч И

1. Ка кой за ряд прой дёт че рез по пе реч ное се че ние про вод ни ка за 1 мин, ес ли си ла 
то ка в про вод ни ке 2 А?
2. Сколь ко элект ро нов про хо дит че рез спи раль лам пы на ка ли ва ния за 1 с при си ле 
то ка в лам пе 1,6 А?
3. Си ла то ка, про те каю ще го по про вод ни ку в те че ние го да, рав на 1 А. Най ди те мас су 
элект ро нов, про шед ших за этот про ме жу ток вре ме ни сквозь по пе реч ное се че ние 
про вод ни ка. От но ше ние за ря да элект ро на к его мас се e/me = 1,76•10–11 Кл/кг.
4. В про вод ни ке, пло щадь по пе реч но го се че ния ко то ро го 1 мм2, си ла то ка 1,6 А. Кон-
цент ра ция элект ро нов в про вод ни ке 1028 м–3 при тем пе ра ту ре 20 C. Най ди те 
сред нюю ско рость на прав лен но го дви же ния элект ро нов и срав ни те её с теп ло вой 
ско ро стью элект ро нов.
5. За 4 с си ла то ка в про вод ни ке ли ней но воз рос ла от 1 до 5 А. Пост рой те гра фик за-
ви си мос ти си лы то ка от вре ме ни. Ка кой за ряд про шёл че рез по пе реч ное се че ние 
про вод ни ка за это вре мя?

§ 3. Источник тока

Ус ло вие су щест во ва ния по сто ян но го то ка в про вод ни ке. Рас смот рим 
ус ло вие су щест во ва ния по сто ян но го то ка в про вод ни ке. При по ме ще нии 
про вод ни ка во внеш нее по сто ян ное элект ри че ское по ле в нём про ис хо дит 
пе ре рас пре де ле ние сво бод ных за ря дов, на зы вае мое элек тро ста ти ческой 
ин дук ци ей (см. Ф-10, § 88).
Элект ри че ское по ле ин ду ци ро ван ных (на ве дён ных) за ря дов до ста точно 
бы ст ро ком пен си ру ет внеш нее по ле. На пря жён ность по ля вну три провод 
ни ка ста но вит ся рав ной ну лю, за ря ды пе ре ста ют дви гать ся на правлен 
но, ток пре кра ща ет ся. Для то го что бы ток су щест во вал не пре рыв но, 
не об хо ди мо со зда ние и под дер жа ние в про вод ни ках элект ри че ско го поля. 
На пря жён ность внеш не го по ля долж на быть боль ше на пря жён нос ти 
по ля ин ду ци ро ван ных за ря дов. Для это го не об хо ди мо иметь уст рой ст-

З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ »

.

Электродинамика

во — ис точ ник то ка, ко то рое не пре рыв но ге не ри ру ет за ря ды и пе ре ме-
ща ет их в на прав ле нии, про ти во по лож ном на прав ле нию ку ло новских 
сил.

Ис точ ник то ка — уст рой ст во, раз де ляю щее по ло жи тель ные и отри 
ца тель ные за ря ды.

Галь ва ни че ский эле мент. Раз де ле ние за ря дов воз мож но в ре зуль та те 
пре об ра зо ва ния ме ха ни че ской, теп ло вой, хи ми че ской, све то вой энер гии 
в элект ри че скую. Так, в галь ва ни че ском эле мен те за ря ды на элект ро дах 
ока зы ва ют ся раз но имён ны ми за счёт энер гии хи ми че ской ре ак ции между 
элект ро да ми и элект ро ли том.
В эле мен те Воль та в рас твор сер ной кис ло ты (H2SO4) по гру же ны медный (
Cu) и цин ко вый (Zn) элект ро ды. От ри ца тель ные ионы 
2
4
SO
, на ходя 
щие ся в рас тво ре вбли зи элек тро нейт раль ных мед но го и цин ко во го 
элект ро дов, при тя ги ва ют ионы Cu2+ и Zn2+, рас по ла гаю щие ся в уз лах 
крис тал ли че ской ре шёт ки (рис. 4, а). Энер гия при тя же ния раз но имён-
ных ионов пре вос хо дит энер гию свя зи ионов Cu2+ и Zn2+ в крис тал ли ческой 
ре шёт ке ме тал ли че ских элект ро дов, по это му эти ионы пе ре хо дят 
в рас твор.
Ки не ти че ская энер гия 
2
Cu
(
)
k
E
 ионов Cu2+, пе ре хо дя щих в рас твор, 
ока зы ва ет ся мень ше ки не ти че ской энер гии 
2
Zn
(
)
k
E
 ионов Zn2+, так как 
энер гия свя зи ECu ионов ме ди Cu2+ в крис тал ли че ской ре шёт ке пре вы ша-
ет энер гию свя зи EZn ионов Zn2+ (рис. 5):

2
2
Cu
Zn
Cu
Zn
(
)
= 
, (
)
= 
,
k
k
E
E
E
E
E
E

где E  — энер гия ионов в рас тво ре.
Чем боль ше по ло жи тель ных ионов пе ре хо дит в рас твор, тем боль шим 
ста но вит ся по мо ду лю от ри ца тель ный за ряд элект ро да (рис. 4, б), что 

а)
б)

 4
Пе ре рас пре де ле ние за ря дов в галь ва ни че ском эле мен те Воль та

З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ »

.

Постоянный электрический ток   
9

пре пят ст ву ет вы хо ду из не го дру гих ионов. Рас тво ре ние элект ро дов пре-
кра ща ет ся, ес ли ки не ти че ская энер гия по ло жи тель ных ионов ока зы ва-
ет ся не до ста точ ной для пре одо ле ния раз нос ти по тен циа лов двой но го 
элект ри че ско го слоя. Этот слой об ра зо ван по ло жи тель ны ми за ря да ми 
ионов в рас тво ре и от ри ца тель ны ми из бы точ ны ми за ря да ми элект ро дов:

2
2
0
Cu
0
Zn
Cu
Zn
(
)
= 
, (
)
= 
,
k
k
E
q
E
q

где 
Cu и 
Zn — по тен ци алы мед но го и цин ко во го 
элект ро дов от но си тель но рас тво ра.
Обыч но за нуль от счё та энер гии свя зи при ни-
ма ют энер гию 
2
H
E
, не об хо ди мую для иони за ции 
га зо об раз но го мо ле ку ляр но го во до ро да. Со от вет-
ствен но в ка че ст ве ну ля от счё та по тен ци ала 
элект ро дов при нят по тен ци ал на так на зы вае-
мом во до род ном элект ро де (см. ось  на рис. 5). 
Во до род ный элект род об ра зу ет ся га зо об раз ным 
во до ро дом, на хо дя щим ся вбли зи хи ми че ски 
нейт раль ной пла ти ны.
По тен ци алы на элект ро дах, от счи ты вае мые 
от но си тель но во до род но го элект ро да, называют 
нор маль ными элект род ными по тен ци алами.
Нор маль ные элект род ные по тен ци алы для 
не ко то рых ме тал лов при ве де ны в таб ли це 1.
ЭДС галь ва ни че ско го эле мен та. Меж ду 
мед ным и цин ко вым элект ро да ми воз ни ка ет по-
сто ян ное на пря же ние, рав ное раз нос ти нор маль-
ных по тен циа лов (см. рис. 5):

E = 
Cu – 
Zn = 0,34 – (–0,76) = 1,1 (В),

на зы вае мое элек тро дви жу щей си лой галь ва ни че ско го эле мен та Вольта 
или ЭДС.
Мед ный элект род, имею щий боль ший по тен ци ал, ока зы ва ет ся по ложи 
тель ным по лю сом ис точ ни ка — ано дом, а цин ко вый — от ри ца тель-

5 
Элек тро дви жу щая  
си ла галь ва ни че ско го 
эле мен та Воль та

Т а б л и ц а  1
Нор маль ные 
элект род ные 
по тен ци алы

Ме талл
, В

Ли тий
Ка лий
Нат рий
Алю ми ний
Цинк
Же ле зо
Оло во
Сви нец
Медь
Ртуть
Се реб ро
Пла ти на
Зо ло то

–3,0
–2,9
–2,7
–1,7
–0,76
–0,44
–0,14
–0,13
+0,34
+0,80
+0,80
+1,2
+1,3

З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ »

.

Электродинамика

ным — ка то дом. Ис поль зуя дан ные таб ли цы 1, 
мож но ана ло гич но рас счи тать ЭДС эле мен та с парой 
элект ро дов из дру гих ме тал лов. Наи бо лее 
распро стра нён ные эле мен ты — ис точ ни ки то ка — 
изо бра же ны на ри сун ке 6. Ртут ная ба та рей ка1 
(рис. 6, а), ис поль зуе мая в ча сах, каль ку ля то рах 
и слу хо вых ап па ра тах, да ёт ЭДС око ло 1,4 В. Тра-
ди ци он ная ба та рей ка для кар ман ных фо на рей 
(рис. 6, б) име ет ЭДС 1,5 В.

В О П Р О С Ы

1.  По че му элек тро ста ти че ская ин дук ция пре пят ст ву ет су-
щест во ва нию по сто ян но го то ка в про вод ни ке?
2.  Что та кое ис точ ник то ка? Ка ко ва его роль в элект ри ческой 
це пи?
3.  Что та кое галь ва ни че ский эле мент? По че му про ис ходит 
раз де ле ние за ря дов в галь ва ни че ском эле мен те?
4.  Ког да пре кра ща ет ся рас тво ре ние элект ро дов в рас-
тво ре элект ро ли та?
5.  Что та кое нор маль ный элект род ный по тен ци ал? Че му 
рав на раз ность по тен циа лов на за жи мах галь ва ни че-
ско го эле мен та?

§ 4. Источник тока  
в электрической цепи

Сто рон ние си лы. При со еди не нии про вод ни ком 
элект ро дов (по лю сов) ис точ ни ка то ка по про вод-
ни ку под дей ст ви ем по сто ян ной раз нос ти по тен-
циа лов про те ка ет элект ри че ский ток. Дви жу щие-
ся от ка то да к ано ду по про вод ни ку элект ро ны умень ша ют раз ность потен 
циа лов меж ду элект ро да ми, уно ся от ри ца тель ный за ряд с ка то да и 
нейт ра ли зуя по ло жи тель ный на ано де. Для под дер жа ния по сто ян ной 
раз нос ти по тен циа лов за ря ды долж ны на кап ли вать ся на по лю сах ис точ-
ни ка: по ло жи тель ные за ря ды в элект ро ли те долж ны дви гать ся к ано ду,  
а от ри ца тель ные — к ка то ду. Та кое дви же ние в на прав ле нии, про ти во по-
лож ном дей ст вию ку ло нов ских сил от тал ки ва ния меж ду од но имён ны ми 

1 Се год ня ртут ные ба та рей ки ста ра ют ся за ме нить се реб ря но-цин ко вы ми, 
что бы ог ра ни чить при ме не ние вред ных ве ществ.

а)

б)

 6
Ис точ ни ки то ка:  
а — ртут ная  
ба та рей ка;  
б — ба та рей ка для 
кар ман но го фо на ря

З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ »

.