Принципы действия физических приборов и устройств — ОГЭ физика

Коротко о главном

Большинство приборов измеряют физическую величину, преобразуя её действие в удобный для наблюдения сигнал: изменение длины столба жидкости, отклонение стрелки, изменение сопротивления и т.д. Чтобы решить задание 2, 16 или 17, нужно знать какое явление лежит в основе прибора и что именно он измеряет.

Определения и формулы/правила

Прибор	Что измеряет	Принцип действия
Термометр жидкостный	температуру	тепловое расширение жидкости (ртути, спирта)
Барометр (ртутный, анероид)	атмосферное давление	вес столба ртути уравновешивает давление воздуха; в анероиде — деформация упругой коробки
Манометр	давление жидкости/газа	деформация упругой мембраны или трубки под давлением
Амперметр	силу тока	магнитное действие тока на катушку/стрелку (магнитоэлектрическая система)
Вольтметр	напряжение	то же явление, но включается параллельно, имеет большое сопротивление
Динамометр (пружинный)	силу	закон Гука: удлинение пружины пропорционально силе
Весы рычажные	массу	равенство моментов сил на плечах рычага
Электроскоп	наличие и знак заряда	взаимодействие (притяжение/отталкивание) заряженных листочков
Гальванометр	малые токи	отклонение рамки с током в магнитном поле
Спектроскоп	состав света	разложение света в спектр призмой/дифракционной решёткой
Психрометр	влажность воздуха	сравнение показаний сухого и влажного термометров
Компас	направление магнитного поля	стрелка ориентируется вдоль линий поля Земли

Основные законы, которые объясняют работу приборов:

$$F_{упр} = k x \quad \text{(закон Гука — динамометр)}$$

$$p = \frac{F}{S} \quad \text{(давление — манометр, барометр)}$$

$$F = BIl \quad \text{(сила Ампера — амперметр, гальванометр)}$$

Правило включения:

• Амперметр — последовательно в цепь (малое сопротивление).
• Вольтметр — параллельно участку цепи (большое сопротивление).

Как применять

Пример 1. Почему ртутный барометр показывает атмосферное давление? Атмосфера давит на открытую поверхность ртути в чаше, столб ртути в трубке уравновешивает это давление своим весом. Высота столба пропорциональна давлению: $p = \rho g h$.

Пример 2. Как работает пружинный динамометр при измерении силы тяжести тела? Тело растягивает пружину, удлинение $x$ подчиняется закону Гука $F=kx$. Шкала градуирована так, что удлинению соответствует значение силы в ньютонах.

Пример 3. Почему амперметр включают последовательно, а вольтметр — параллельно? Амперметр должен пропускать через себя весь измеряемый ток, не искажая цепь — поэтому его сопротивление мало. Вольтметр измеряет разность потенциалов на участке, не должен «оттягивать» ток — поэтому его сопротивление велико и включается он параллельно.

Типичные ошибки

• Путают принцип действия термометра (расширение жидкости) с принципом действия манометра (деформация мембраны).
• Считают, что амперметр включается параллельно, а вольтметр — последовательно (наоборот!).
• Не различают анероид (механическая деформация) и ртутный барометр (гидростатическое давление столба).
• Забывают, что электроскоп реагирует на любой заряд, а не только на положительный.
• Путают понятия «сила» и «давление» при объяснении работы манометра и динамометра.

Где встречается на экзамене

• Задание 2 — узнавание и соотнесение прибора с физической величиной, которую он измеряет.
• Задание 16 — объяснение принципа действия прибора на основе физического явления (расширение, деформация, магнитное взаимодействие и т.д.).
• Задание 17 — анализ показаний прибора в конкретной ситуации, объяснение результата эксперимента с использованием прибора.