Главная / Физика / Комплект контрольно-оценочных средств рабочей программе общеобразовательной учебной дисциплины «Физика» для специальностей технического профиля СПО для текущего контроля.

Комплект контрольно-оценочных средств рабочей программе общеобразовательной учебной дисциплины «Физика» для специальностей технического профиля СПО для текущего контроля.

hello_html_550e4122.gifhello_html_2bcb077e.gifhello_html_m39954e59.gifhello_html_m2a7690f7.gifhello_html_m2a7690f7.gifhello_html_m2a7690f7.gifhello_html_mb57cb6f.gifhello_html_3f2859b7.gifhello_html_6689d466.gifhello_html_7359fbd9.gifhello_html_mc1d5302.gifhello_html_mb57cb6f.gifhello_html_3f2859b7.gifhello_html_8b178ef.gifhello_html_m7f10cb33.gifhello_html_e5ac164.gif

Департамент образования города Москвы

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования города Москвы

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ № 42





Образовательная программа

среднего профессионального образования





Комплект

контрольно-оценочных средств

по учебной дисциплине


ФИЗИКА

наименование


программы подготовки специалистов среднего звена




220703 «Автоматизация технологических процессов и производств»,

230113 «Компьютерные системы и комплексы»,

160108 «Производство летательных аппаратов»,

210413 «Радиоаппаратостроение»,

210414 «Техническое обслуживание и ремонт радиоэлектронной техники»

код и наименование специальности (по ФГОС СПО)



для текущего контроля









Москва, 2013

Согласовано: Утверждаю:



Предметная (цикловая) комиссия Зам. директора по КОД

_____________________________ _______________/Н.А. Бокатюк



Протокол № ____ «__» _________ 20___ г.

от «__» _________ 20___ г.





Председатель ПЦК

__________/_____________

Подпись Ф.И.О.













Составитель(и) : Т.Н. Синилова, преподаватель высшей квалификационной категории

Ф.И.О., ученая степень, должность с указанием квалификационной категории (при наличии)













1. Общие положения

Контрольно-оценочные средства (КОС) являются составной частью образовательной программы среднего профессионального образования по подготовке специалистов среднего звена

220703 «Автоматизация технологических процессов и производств»,

230113 «Компьютерные системы и комплексы»,

160108 «Производство летательных аппаратов»,

210413 «Радиоаппаратостроение»,

210414 «Техническое обслуживание и ремонт радиоэлектронной техники»

и предназначены для контроля текущего образовательных достижений обучающихся, по учебной дисциплине «Физика».

КОС включают материалы для проведения текущего контроля ЗУН в форме контрольной работы , практических работ, лабораторных работ.

КОС разработаны на основании:

Положения о Фонде оценочных средств (ФОС);

Рекомендаций по разработке контрольно-оценочных средств (КОС);

рабочей программы учебной дисциплины.


2. Результаты освоения дисциплины, подлежащие проверке


КОС для текущего контроля направлены на проверку и оценивание результатов обучения, знаний и умений:


Результаты обучения

(освоенные умения, усвоенные знания)

Коды формируемых профессиональных и общих

компетенций

Основные показатели оценки

Тип задания;

задания


Умение 1: описывать и объяснять физические явления и свойства тел: движение небесных тел и искусственных спутников Земли; свойства газов, жидкостей и твердых тел; электромагнитную индукцию; распространение электромагнитных волн; волновые свойства света, излучение и поглощение света атомом, фотоэффект;











ОК 2. Анализировать социально-экономические и политические проблемы и процессы, использовать методы гуманитарно-социологических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности.

ОК 3. Организовывать свою собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 4. Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

ОК 5. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

- правильное самостоятельное решение студентом расчётных, логических, смысловых, ситуационных задач у доски или в тетради;

- правильное решение контрольных заданий;

- правильное выполнение заданий на лабораторно- практических занятиях (ЛПЗ);

- правильное оформление отчёта по лабораторно- практической работе;

- хорошее владение материалом при защите и сдаче выполненных лабораторно- практических работ при собеседовании с преподавателем;

-способность свободно объяснять, обосновывать, правильно излагать и истолковывать физические явления и свойства тел;

Т.1.; Т.2.; П.1.; Л.1.; П.2.


Умение 2: отличать гипотезы от научных теорий; делать выводы на основе экспериментальных данных;











ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Анализировать социально-экономические и политические проблемы и процессы, использовать методы гуманитарно-социологических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности.

ОК 3. Организовывать свою собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 4. Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

ОК 5. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 8. Ставить цели, мотивировать деятельность подчиненных, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий.

ОК 9. Быть готовым к смене технологий в профессиональной деятельности

- правильное самостоятельное решение студентом расчётных, логических, смысловых, ситуационных задач у доски или в тетради, или по карточке (устно или письменно);

- правильное выполнение заданий на лабораторно- практических занятиях (ЛПЗ) и способность самостоятельно оценивать, сравнивать, анализировать полученные результаты и делать выводы;

-способность свободно объяснять, обосновывать, правильно излагать и истолковывать научные теории, различать эти теории и устанавливать связь между ними;

- свободное владение материалом при защите и сдаче выполненных лабораторно- практических работ при собеседовании с преподавателем;

Т.1.; Т.2.; П.1.; Л.1.; П.2.

Умение 3: приводить примеры, показывающие что: наблюдения и эксперимент являются основой для выдвижения гипотез и теорий; позволяют проверить истинность теоретических выводов; физическая теория даёт возможность объяснять известные явления природы и научные факты; предсказывать еще неизвестные явления;










ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Анализировать социально-экономические и политические проблемы и процессы, использовать методы гуманитарно-социологических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности.

ОК 3. Организовывать свою собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 4. Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

ОК 5. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 8. Ставить цели, мотивировать деятельность подчиненных, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий.

ОК 9. Быть готовым к смене технологий в профессиональной деятельностиквалификации.

- хорошее владение материалом при устном или письменном опросе на занятиях по пройденным темам;

- хорошее владение речью при беседе;

- правильное самостоятельное решение студентом расчётных, логических, ситуационных задач у доски или в тетради, или по карточке;

-способность студента описывать, воспроизводить наблюдения и опыты, делать из них самостоятельные выводы;

- способность систематизировать полученные знания, умение анализировать их и подытоживать результаты наблюдений и опытов;

Т.1.; Т.2.; П.1.; Л.1.; П.2.

Умение 4: приводить примеры практического использования физических знаний: законов механики, термодинамики и электродинамики в энергетике; различных видов электромагнитных излучений для развития радио- и телекоммуникаций; квантовой физики; в создании ядерной энергетики, лазеров;














ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Анализировать социально-экономические и политические проблемы и процессы, использовать методы гуманитарно-социологических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности.

ОК 3. Организовывать свою собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 4. Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

ОК 5. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 8. Ставить цели, мотивировать деятельность подчиненных, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий.

ОК 9. Быть готовым к смене технологий в профессиональной деятельности

- хорошее владение материалом при устном или письменном опросе на занятиях по пройденным темам;

- хорошее владение речью при беседе;

- правильное самостоятельное решение студентом расчётных, логических, ситуационных задач у доски или в тетради, или по карточке;

- хорошее умение формулировать, воспроизводить физические законы и увидеть их проявление в природе и технике, и способность приводить примеры этих проявлений;

-способность анализировать и дифференцировать эти проявления по выявлению их полезности или вредности для окружающего мира;

- способность сравнивать и оценивать эти проявления с экологической точки зрения и выявлять целесообразность такого применения законов физики для живых организмов;


Т.1.; Т.2.; П.1.; Л.1.; П.2.

Умение 5: воспринимать и на основе полученных знаний самостоятельно оценивать информацию, содержащуюся в сообщениях СМИ, научно-популярных статьях; применять полученные знания для решения физических задач; определять: характер физического процесса по графику, таблице, формуле;



ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Анализировать социально-экономические и политические проблемы и процессы, использовать методы гуманитарно-социологических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности.

ОК 3. Организовывать свою собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 4. Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

ОК 5. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 8. Ставить цели, мотивировать деятельность подчиненных, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий.

ОК 9. Быть готовым к смене технологий в профессиональной деятельности

- хорошее владение материалом при устном или письменном опросе на занятиях по пройденным темам;

- хорошее владение речью при беседе;

-способность чётко излагать, представлять информацию, делать по ней обзор, выбирать и выявлять главное, суть;

- правильное самостоятельное решение студентом расчётных, логических, графических, ситуационных задач у доски или в тетради, или по карточке;

- правильное выполнение контрольных заданий;

-способность распознавать физическое явление и соответственно выбирать для решения нужный закон физики;

- умение читать графики, выбирать нужные формулы, и получать нужные сведения из таблиц;

- умение строить графики зависимости одних физических величин от других;

- хорошее умение анализировать, систематизировать, дифференцировать полученные знания и самостоятельно строить таблицы;

-видеть связь между физическими величинами и правильно оценивать её;

-умение выполнить правильный математический расчёт;

- умение делать выводы, сравнивать их, подразделять и классифицировать, подытоживать результаты и устанавливать связь между ними;

-своевременность сдачи заданий и отчётов;


Т.1.; Т.2.; П.1.; Л.1.; П.2.

Умение 6: измерять ряд физических величин, представляя результаты измерений с учётом их погрешностей; (скорость, ускорение свободного падения; массу тела, плотность вещества, силу, работу, мощность, энергию, коэффициент трения скольжения, влажность воздуха, удельную теплоемкость вещества, удельную теплоту плавления льда, электрическое сопротивление, ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока, показатель преломления вещества, оптическую силу линзы, длину световой волны);












ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Анализировать социально-экономические и политические проблемы и процессы, использовать методы гуманитарно-социологических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности.

ОК 3. Организовывать свою собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 4. Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

ОК 5. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 8. Ставить цели, мотивировать деятельность подчиненных, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий.

ОК 9. Быть готовым к смене технологий в профессиональной деятельности

- правильное самостоятельное решение студентом расчётных, логических, смысловых, ситуационных задач у доски или в тетради, или по карточке (устно или письменно);

- правильное выполнение заданий на лабораторно- практических занятиях (ЛПЗ) и способность самостоятельно анализировать полученные результаты, сравнивать их и делать выводы;

- владение материалом при защите и сдаче выполненных лабораторно- практических работ при собеседовании с преподавателем, владение речью;

- правильное оформления отчёта по лабораторно- практической работе;

-своевременность сдачи заданий и отчётов;

-аргументированность выбора методов измерений физических величин;

- обоснованность постановки цели, выбора и применения методов и способов измерений;

-рациональность планирования и организации работы по измерениям;

-соблюдение технологической последовательности измерений;

-выполнение требований по инструкции в ходе эксперимента;

- соблюдение правил техники безопасности;

Т.1.; Т.2.; П.1.; Л.1.; П.2.

Умение 7: использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни: для обеспечения безопасности жизнедеятельности в процессе использования транспортных средств, бытовых электроприборов, средств радио- и телекоммуникационной связи; оценки влияния на организм человека и другие организмы загрязнения окружающей среды; рационального природопользования и защиты окружающей среды;







ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Анализировать социально-экономические и политические проблемы и процессы, использовать методы гуманитарно-социологических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности.

ОК 3. Организовывать свою собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 4. Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

ОК 5. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 8. Ставить цели, мотивировать деятельность подчиненных, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий.

ОК 9. Быть готовым к смене технологий в профессиональной деятельности

- правильное самостоятельное решение студентом расчётных, логических, смысловых, ситуационных задач;

-способность распознавать физическое явление, предвидеть и оценивать ход событий, делать верные выводы;

- соблюдение правил дорожного движения, правил электробезопасности, правил пожарной безопасности, правил радиационной безопасности и осмысление их с точки зрения физических явлений и физических процессов, которые при этом происходят и к чему могут привести, к каким последствиям, а главное – что надо делать, чтобы сохранить себе и другим жизнь;

Т.1.; Т.2.; П.1.; Л.1.; П.2.

Знание 1: смысла понятий: физическое явление, гипотеза, закон, теория, вещество, взаимодействие, электромагнитное поле, волна, фотон, атом, атомное ядро, ионизирующие излучение, планета, звезда, галактика, Вселенная;


ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Анализировать социально-экономические и политические проблемы и процессы, использовать методы гуманитарно-социологических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности.

ОК 3. Организовывать свою собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 4. Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

ОК 5. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 8. Ставить цели, мотивировать деятельность подчиненных, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий.

ОК 9. Быть готовым к смене технологий в профессиональной деятельности

- хорошее владение материалом при устном или письменном опросе на занятиях по пройденным темам;

- хорошее владение речью при беседе;

- правильное самостоятельное решение студентом расчётных, логических, ситуационных задач у доски или в тетради, или по карточке;

- правильно формулировать, а также описывать понятия;


Т.1.; Т.2.; П.1.; Л.1.; П.2.

Знание 2: смысла физических величин: скорость, ускорение, масса, сила, импульс, работа, механическая энергия, внутренняя энергия, абсолютная температура, средняя кинетическая энергия частиц вещества, количество теплоты, момент силы, период, частота, амплитуда колебаний, длина волны, количество теплоты, элементарный электрический заряд;















ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Анализировать социально-экономические и политические проблемы и процессы, использовать методы гуманитарно-социологических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности.

ОК 3. Организовывать свою собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 4. Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

ОК 5. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 8. Ставить цели, мотивировать деятельность подчиненных, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий.

ОК 9. Быть готовым к смене технологий в профессиональной деятельности

- правильное самостоятельное решение студентом расчётных, логических, смысловых, ситуационных задач у доски или в тетради, или по карточке (устно или письменно);

- правильное решение контрольных заданий;

- правильное выполнение заданий на лабораторно- практических занятиях (ЛПЗ) и способность самостоятельно анализировать полученные результаты и делать выводы;

- владение материалом при защите и сдаче выполненных лабораторно- практических работ при собеседовании с преподавателем;

- правильное оформления отчёта по лабораторно- практической работе;

- знание обозначений физических величин и их единиц измерения;

-умение описывать физические величины по формулам, графикам, таблицам;

-точность и скорость по чтению графиков;

Т.1.; Т.2.; П.1.; Л.1.; П.2.

3нание 3: смысла физических законов классической механики, всемирного тяготения, сохранения энергии, импульса и электрического заряда, термодинамики, электромагнитной индукции, фотоэффекта; (формулировка, границы применимости): законы динамики Ньютона, принципы суперпозиции и относительности, закон Паскаля, закон Архимеда, закон Гука, закон всемирного тяготения, законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда, основное уравнение кинетической теории газов, уравнение состояния идеального газа, законы термодинамики, закон Кулона, закон Ома для полной цепи, закон Джоуля-Ленца, закон электромагнитной индукции, законы отражения и преломления света, постулаты специальной теории относительности, закон связи массы и энергии, законы фотоэффекта, постулаты Бора, закон радиоактивного распада;












ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Анализировать социально-экономические и политические проблемы и процессы, использовать методы гуманитарно-социологических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности.

ОК 3. Организовывать свою собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 4. Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

ОК 5. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 8. Ставить цели, мотивировать деятельность подчиненных, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий.

ОК 9. Быть готовым к смене технологий в профессиональной деятельности

- правильное самостоятельное решение студентом расчётных, логических, смысловых, ситуационных задач у доски или в тетради, или по карточке (устно или письменно);

- правильное решение контрольных заданий;

- правильное выполнение заданий на лабораторно- практических занятиях (ЛПЗ) и способность самостоятельно анализировать полученные результаты и делать выводы;

- хорошее владение материалом при защите и сдаче выполненных лабораторно- практических работ при собеседовании с преподавателем;

- хорошее владение материалом при устном или письменном опросе на занятиях по пройденным темам;

- хорошее владение речью при беседе;

- правильное оформления отчёта по лабораторно- практической работе;

- способность правильно устанавливать происходящее физическое явление и выбирать соответствующие законы и формулы при решении задания;

- чётко понимать суть законов, их границы применимости и приводить примеры их проявления в природе и технике;

-видеть связь между физическими явлениями и законами;

-точность и скорость по чтению графиков;

-правильность (рациональность) распределения времени на выполнение задания;

-своевременность сдачи заданий и отчётов по ним;

Т.1.; Т.2.; П.1.; Л.1.; П.2.

Знание 4: вклада отечественных и зарубежных ученых, оказавших наибольшее влияние на развитие физики и техники;















ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Анализировать социально-экономические и политические проблемы и процессы, использовать методы гуманитарно-социологических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности.

ОК 3. Организовывать свою собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 4. Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

ОК 5. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 8. Ставить цели, мотивировать деятельность подчиненных, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий.

ОК 9. Быть готовым к смене технологий в профессиональной деятельности

- владение материалом при устном или письменном опросе на занятиях по пройденным темам;

- хорошее владение речью при беседе;

-результативность информационного поиска из разных источников;

- владение информацией об учёных и изобретателях, способствовавших развитию научного и технического прогресса человечества, знание их биографии и вклада в науку;

- наличие у студента широкого кругозора и исторических фактов в науке и технике;

-умение студента показать свой высокий уровень разносторонних знаний, начитанности и образованности;

Т.1.; Т.2.; П.1.;





3. ШКАЛА ОЦЕНКИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ДОСТИЖЕНИЙ ОБУЧАЮЩИХСЯ


Степень обученности студента определяется по шкале образовательных достижений студента. В этой шкале оценка образовательных достижений студента выставляется таким образом:

  1. если от общего числа всех показателей по теме (или темам) студент обнаруживает от 87 до 100% знаний и умений, то выставляется оценка «отлично»,

  2. если от 68 до 86% знаний и умений, то выставляется оценка «хорошо»,

  3. если от 40 до 67% знаний и умений, то выставляется оценка «удовлетворительно»,

  4. если показатели обученности студента ниже 40%, то оценка – «неудовлетворительно».


4. Содержание КОС

ТИПЫ ЗАДАНИЙ


Т.1. – теоретические задания по проверке усвоения теоретических понятий темы (тем, разделов), законов и их проявлений в природе и технике. Они проводятся в виде тестирования, устного или письменного опросов по теме (темам, разделам), собеседования с преподавателем;

Т.2. – теоретические задания по проверке готовности обучающегося применять теоретические знания на практике (при решении задач и выполнении лабораторных работ). Эти задания проверяют способность обучающегося к интеллектуальным действиям:

1) выявляют способность обучающегося анализировать, выделять главное и второстепенное;

2) выявляют способность обучающегося самостоятельно работать с учебной, научно –популярной и научно-технической литературой, правильно воспринимать информацию;

3) выявляют способность обучающегося правильно оценивать роль явлений, процессов, законов;

4) выявляют способность обучающегося видеть взаимосвязь различных учебных дисциплин (физики, электротехники, электроники, математики, астрономии, биологии, химии, истории, автоматики, робототехники, электрических машин и аппаратов)


П.1.- практические задания по правильному оформлению задач и отчётов по ЛПЗ; аккуратное ведение записей занятий в тетради, самостоятельное выполнение конспектов;

Л.1. - практические задания, направленные на проверку приобретённого практического опыта. Эти задания выполняются в лабораторных работах, где проверяется правильность выполнения хода работы, правильное использование лабораторного оборудования, получение верного результата в опытах, экспериментах, соблюдение правил техники безопасности и охраны труда;

П.2.- практические задания по правильному, быстрому оформлению и рациональному решению задач в контрольных и самостоятельных работах.










5. Комплект контрольно-оценочных средств



5.1. Теоретические задания

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ ТИПА Т.1.

Устный опрос по вопросам:

1. Механическое движение. Относительность механического движения. Закон сложения скоростей в классической механике. Кинематика прямолинейного движения материальной точки.

2. Равноускоренное прямолинейное движение. Аналитическое и графическое описание равноускоренного прямолинейного движения

3. Движение материальной точки по окружности. Центростремительное ускорение. Угловая скорость. Связь линейной и угловой скоростей.

4. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности в классической механике и в специальной теории относительности.

5. Второй закон Ньютона и границы его применимости.

6. Третий закон Ньютона. Свойства сил действия и противодействия. Границы применимости третьего закона Ньютона.

7. Импульс. Закон сохранения импульса. Реактивное движение.

8. Закон всемирного тяготения. Гравитационная постоянная и ее измерения. Сила тяжести. Вес тела. Невесомость. Движение тел под действием силы тяжести.

9. Сила упругости. Виды упругих деформаций. Закон Гука. Модуль Юнга. Диаграмма растяжения.

10. Сила трения. Коэффициент трения скольжения. Учет и использования трения в быту и технике. Трения в жидкостях и газах.

11. Равновесие твердого тела. Момент силы. Условия равновесия твердого тела. Виды равновесия. Принцип минимума потенциальной энергии.

12. Механическая работа и мощность. Энергия: Закон сохранения энергии в механических процессах.

13. Механические колебания. Уравнение гармонических колебаний. Свободные и вынужденные колебания. Период колебаний груза на пружине и математического маятника. Превращение энергии при колебательном движении.

14. Механические волны и их свойства. Распространение колебаний в упругих средах. Длина волны. Звуковые волны и их свойства. Эхо. Акустический резонанс.

15. Гидро и аэростатика. Общие свойства жидких и газообразных тел. Закон Паскаля. Сила Архимеда. Условия плавания тел.

16. Гидро и аэродинамика. Уравнение Бернулли. Движение тел в жидкостях и газах.

17. Основные положения молекулярно- кинетической теории и их опытные обоснования. Размеры и масса молекул.

18. Идеальный газ. Вывод основного положения молекулярно- кинетической теории идеального газа. Температура как мера средней кинетической энергии молекул.

19. Насыщенный и ненасыщенный пар. Зависимость давления насыщенного пара от

температуры. Кипение. Критическая температура. Относительная влажность воздуха и ее измерение.

20. Свойства поверхности жидкостей. Поверхностное натяжение. Смачивание и не смачивание. Капиллярные явления.

21. Кристаллические тела и их свойства. Монокристаллы и поликристаллы. Аморфные тела.

22. Внутренняя энергия и способы ее изменения. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия идеального газа. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам и адиабатному процессу.

23. Тепловые машины, их устройство и принцип действия. Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики и его статический смысл. Тепловые машины и проблемы экологии.

24. Электрическое взаимодействие и электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона.

25. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Линии напряженности.

26. Работа сил электрического поля. Потенциал и разность потенциалов. Эквипотенциальные поверхности. Связь между напряженностью и разностью потенциалов.

27. Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

28. Электроемкость. Электроемкость конденсатора. Энергия заряженного конденсатора.

29. Электрический ток и условия его существования. ЭДС источника тока. Закон Ома для однородного и неоднородного участка электрической цепи. Закон Ома для полной цепи.

30. Электрический ток в металлах. Природа электрического тока в металлах. Закон Ома для участка цепи. Зависимость сопротивления металлов от температуры. Сверхпроводимость.

31. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Законы электролиза. Определение заряда электрона.

32. Магнитное взаимодействие токов. Магнитное поле и его характеристики. Сила Ампера. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле.

33. Электрический ток в вакууме. Электровакуумные приборы и их применения.

34. Электрический ток в проводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников, р-н переход. Полупроводниковый диод. Транзистор.

35. Свободные электрические колебания. Колебательный контур. Превращение энергии в колебательном контуре. Затухание колебаний. Формула Томсона.

36. Магнитное поле в веществе. Магнитная проницаемость. Природа ферромагнетизма. Температура Кюри.

37. Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Самоиндукция. ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля катушки с током.

38. Автоколебания. Автоколебательная система. Генератор незатухающих электромагнитных колебаний.

39. Переменный ток как вынужденные электромагнитные колебания. Действующие значения силы переменного тока и напряжения. Активное и реактивное сопротивление. Закон Ома для электрической цепи переменного тока.

40. Трансформатор. Устройства и принцип действия трансформатора. Передача электроэнергии.

41. Электромагнитные волна и их свойства. Скорость распространения электромагнитных волн. Опыты Герца

42. Принцип радиосвязи. Изобретение радио. Радиолокация. Телевидение. Развитие средств связи.

43. Закон прямолинейного распространения света. Законы преломления и отражения света. Полное отражение. Линзы. Формула тонкой линзы.

44. Элементы фотометрии: энергетические и фотометрические величины. Законы освещенности.

45. Оптические приборы: лупа, микроскоп, телескоп. Разрешающая способность телескопа. Фотоаппарат. Диа-, эпи-, и кинопроекты.

46. Электромагнитная природа света. Методы измерения скорости света. Шкала электромагнитных волн. Уравнение волны.

47. Интерференция света. Опыт Юнга. Когерентные волны. Цвета тонких пленок и применение интерференции.

48. Явление дифракции света. Зоны Френеля. Дифракционная решетка как спектральный прибор.

49. Дисперсия и поглощение света.

50. Поляризация света. Естественный свет. Поляризатор.

51. Элементы специальной теории относительности. Постулаты СТО. Конечность и предельность скорости света. Релятивистский закон преобразование скоростей. Релятивистская динамика.

52. Квантовая гипотеза Планка. Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Квантовая теория фотоэффекта. Фотоэлементы и их применение.

53. Атомное ядро. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи ядра. Удельная энергия связи и прочность ядер

54. Строение атома. Опыты Резерфорда. Квантовые постулаты Бора. Опыты Франка и Герца. Принцип соответствия.

55. Спонтанное и индуцированное излучение. Лазеры и их применение.

56. Радиоактивность. Свойства радиоактивных излучений. Закон радиоактивного распада.

57. Ядерные реакции. Выделение и поглощение энергии в ядерных реакциях. Цепные ядерные реакции. Термоядерные реакции. Проблемы ядерной энергетики

58. Свойства ионизирующих излучений. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом. Методы регистрации ионизирующих излучений.

59. Строение и развитие вселенной.

60. Звезды. Эволюция звезд.

61. Образование планет.

62. Галактики.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ ТИПА Т.2.


Тестовые задания:

  1. Эскалатор метро поднимается со скоростью 2 м/с. Может ли человек, находящийся на нём, быть в покое в системе отсчёта, связанной с Землёй?

  1. Может, если движется по эскалатору в противоположную сторону со скоростью 2 м/с

  2. Может, если движется в ту же сторону со скоростью 2 м/с

  3. Может, если стоит на эскалаторе

  4. Не может ни при каких условиях

  1. Лодка должна попасть на противоположный берег по кратчайшему пути (в системе отсчёта, связанной с берегом). Модуль скорости течения реки U, а модуль скорости лодки относительно воды V > U. Модуль скорости лодки относительно берега должен быть равен

  1. V + U 2) V - U 3) V2 – U2 4) V2 + U2

  1. Координата тела меняется с течением времени согласно формуле

x =10-4t в единицах СИ. Чему равна координата этого тела через 5 с после начала движения?

  1. -20 м 2) -10 м 3) 10 м 4) 30 м

  1. Исследуется перемещение слона и мухи. Модель материальной точки может использоваться для описания движения

  1. только слона

  2. только мухи

  3. и слона, и мухи в разных исследованиях

  4. ни слона, ни мухи, поскольку это живые существа

  1. Человек обошёл круглое озеро диаметром 1 км. О пути, пройденном человеком, и модуле его перемещения можно утверждать, что

  1. путь равен 3,14 км, модуль перемещения равен 1 км

  2. путь равен 3,14 км, модуль перемещения равен нулю

  3. путь равен нулю, модуль перемещения равен нулю

  4. путь равен нулю, модуль перемещения равен 3,14 км

  1. Тело движется в плоскости так, что всё время находится на прямой , идущей через начало системы координат. Какое из уравнений правильно описывает его траекторию ( a и b не равны 0)?

  1. y= ax+b 2) y= ax 3) y= bx2 4) x= ax+b

  1. Точка движется по окружности радиусом 2 м и её перемещение равно по модулю диаметру. Путь, пройденный телом равен

  1. 2 м 2) 4 м 3) 6,28 м 4) 12, 56 м

  1. Два автомобиля движутся по прямой дороге в одном направлении: один со скоростью 40 км/ч , а другой – со скоростью 50 км/ч. При этом они

  1. сближаются

  2. удаляются

  3. не изменяют расстояние друг от друга

  4. могут сближаться, а могут удаляться

  1. Тело, двигаясь прямолинейно и равномерно в плоскости, перемещается из точки А с координатами (0;2) в точку В с координатами (4;-1) за время, равное 10 с. Модуль скорости тела равен

  1. 0,3 м/с 2) 0,5 м/с 3) 0,7 м/с 4) 2,5 м/с

  1. Автомобиль движется по шоссе с постоянной скоростью и начинает тормозить. Проекция ускорения на ось, направленную по вектору начальной скорости автомобиля

  1. отрицательна

  2. положительна

  3. равна нулю

  4. может быть любой по знаку

  1. На рисунке изображены графики зависимости ускорения от времени

для разных видов движения. Какой из графиков соответствует

равноускоренному движению?

  1. График А 2) График Б 3) График В 4) График Г


hello_html_3e5ef958.png

12. Ускорение лыжника на одном из спусков трассы равно 2,4 м/с2. На

этом спуске его скорость увеличивается на 36 м/с. Время, затраченное

лыжником на спуск, равно

  1. 0,07 с 2) 7,5 с 3) 15 с 4) 30 с

13. Зависимость координаты от времени при равноускоренном движении

выражается

  1. линейной функцией

  2. квадратичной функцией

  3. тригонометрической функцией

  4. показательной функцией

14. Зависимость координаты от времени для некоторого тела

описывается уравнением x =12t-2t2. В какой момент времени

проекция скорости тела на ось равна нулю?

  1. 6 с 2) 3 с 3) 2 с 4) 0 с

15. Гору длиной 50 м лыжник прошёл за 10 с, двигаясь с ускорением

0,4 м/с2. Чему равна скорость лыжника в начале и в конце горы?

  1. 3 м/с и 6 м/с 2) 4 м/с и 7 м/с 3)2 м/с и 8 м/с 4) 3 м/с и 7 м/с

16. В трубке, из которой откачан воздух, на одной и той же высоте

находятся дробинка, пробка и птичье перо. Какое из этих тел раньше

всех достигнет дна трубки при свободном падении с одной высоты?

  1. дробинка 2) пробка 3) птичье перо

4) все три тела достигнут дна трубки одновременно

17. Камень, брошенный вертикально вверх с поверхности Земли со

скоростью 30 м/с, упал обратно на Землю. Сопротивление воздуха

мало. Камень находился в полёте примерно

1)1,5 с 2) 3 с 3) 4,5 с 4) 6 с

18. Период обращения тела, движущегося равномерно по окружности,

увеличился в 2 раза. Частота обращения

  1. возросла в 2 раза

  2. уменьшилась в 2 раза

  3. возросла в 4 раза

  4. уменьшилась в 4 раза

19.Период обращения Земли вокруг Солнца равен одному году,

радиус орбиты Земли равен 150 млн км. Скорость движения Земли

по орбите равна примерно

  1. 30 м/с 2) 30 км/с 3) 150 км/с 4) 1800 км/с

20. Вектор ускорения при равномерном движении точки по

окружности

  1. постоянен по модулю и по направлению

  2. равен нулю

  3. постоянен по модулю, но непрерывно изменяется по направлению

  4. постоянен по направлению, но непрерывно изменяется по модулю

21. Студент измеряет силу кисти своей руки с помощью пружинного

силомера. При этом используется способность силы:

А – изменять скорость тел; В – вызывать деформацию

  1. только А 2) только В 3) и А, и В 4) ни А, ни В

22. Система отсчёта связана с автомобилем. Её можно считать

инерциальной, если автомобиль

  1. движется равномерно по прямолинейному участку шоссе

  2. разгоняется по прямолинейному участку шоссе

  3. движется равномерно по извилистой дороге

  4. по инерции вкатывается на гору

23. Спортсмен совершает прыжок в высоту. Он испытывает

невесомость

  1. только то время, когда он летит вверх до планки

  2. только то время, когда он летит вниз после преодоления планки

  3. только то время, когда в верхней точке его скорость равна нулю

  4. во время всего полёта

24. Два куба из одинакового материала отличаются друг от друга по

размеру в 2 раза. Массы кубов

  1. совпадают

  2. отличаются друг от друга в 2 раза

  3. отличаются друг от друга в 4 раза

  4. отличаются друг от друга в 8 раз

25. Яблоко массой 0,3 кг падает с дерева. Выберите верное утверждение

1) яблоко действует на Землю силой 3 Н, а Земля не действует на

яблоко

  1. Земля действует на яблоко с силой 3 Н, а яблоко не действует на

Землю

  1. яблоко и Земля не действуют друг на друга

  2. яблоко и Земля действуют друг на друга с силой 3 Н

26. На полу лифта, движущегося с постоянным ускорением а,

направленным вертикально вверх, лежит груз массой m. Чему равен

вес этого груза?

  1. mg 2) 0 3) m(g + a) 4) m(g - a)

27. Закон всемирного тяготения позволяет рассчитывать силу

взаимодействия двух тел, если

  1. тела являются телами Солнечной системы

  2. массы тел одинаковы

  3. известны массы тел и расстояние между их центрами тяжести

  4. известны массы тел и расстояние между ними, которое много больше размеров тел

28. Какой из графиков правильно отражает зависимость модуля силы

всемирного тяготения F от расстояния между телами r ?


hello_html_7f2e934c.png

29. Согласно закону Гука сила натяжения пружины при растягивании

прямо пропорциональна

  1. её длине в свободном состоянии

  2. её длине в натянутом состоянии

  3. разнице между длиной в натянутом и свободном состояниях

  4. сумме длин в натянутом и свободном состояниях

30. На рисунке представлен график зависимости модуля силы упругости,

возникающей при растяжении пружины, от её деформации.

Жёсткость этой пружины равна

  1. 10 Н/м 2) 20 Н/м 3) 100 Н/м 4) 0,01 Н/м


hello_html_m452ff65e.png



31. Брусок массой m покоится на наклонной плоскости с углом наклона α

Коэффициент трения бруска о поверхность равен µ. Сила трения,

действующая на брусок, равна

1) mg 2) mg sinα 3) µmg 4) µmg cosα

32. Брусок массой 0,2 кг покоится на наклонной плоскости (рис.).

Коэффициент трения между поверхностями бруска и плоскости равен 0,6.

Сила трения равна

hello_html_275a1b87.png

  1. 0,5 Н 2) 1 Н 3) 1,7 Н 4) 2 Н

33.Т ело равномерно движется по горизонтальной плоскости. Сила его

давления на плоскость равна 8 Н, сила трения 2 Н. Коэффициент трения

скольжения равен

  1. 0,16 2) 0,25 3) 0,75 4) 4

34. Машина равномерно поднимает тело массой 20 кг на высоту h=10 м за

время t=20 с. Чему равна её мощность?

  1. 100 Вт 2) 10 Вт 3) 1000 Вт 4) 1 Вт

35. С помощью простого механизма

1) можно получить выигрыш в силе, но нельзя получить выигрыш в

работе

  1. нельзя получить выигрыш в силе, но можно получить выигрыш в работе

  2. можно получить выигрыш и в силе, и в работе

  3. нельзя получить выигрыша ни в силе, ни в работе

36. Кинетической энергией в выбранной системе отсчёта обладает

1) тело, движущееся со скоростью, отличной от нуля

2) покоящееся тело, поднятое на некоторую высоту относительно

поверхности Земли

3)упругое тело при его сжатии

4)упругое тело при его растяжении

37. Для того чтобы увеличить кинетическую энергию тела в 9 раз, надо

скорость тела увеличить в

  1. 81 раз 2) 9 раз 3) 3 раза 4) 5 раз

38. С балкона высотой h=4 м упал камень массой m=0,5 кг. Модуль

изменения потенциальной энергии камня равен

  1. 20 Дж 2) 10 Дж 3) 2 Дж 4) 1,25 Дж

39. Парашютист спускается с постоянной скоростью. Какие преобразования

энергии при этом происходят?

  1. Потенциальная энергия парашютиста преобразуется полностью в его кинетическую энергию

  2. Кинетическая энергия парашютиста полностью преобразуется в его потенциальную энергию

  3. Кинетическая энергия парашютиста полностью преобразуется во внутреннюю энергию парашютиста и воздуха

  4. Энергия взаимодействия парашютиста с Землёй преобразуется во внутреннюю энергию взаимодействующих тел из-за сил сопротивления воздуха

40. Камень брошен вертикально вверх. В момент броска он имел

кинетическую энергию 20 Дж. Какую потенциальную энергию будет

иметь камень в верхней точке траектории относительно уровня, с

которого он был брошен? Сопротивлением воздуха пренебречь.

  1. 0 Дж 2) 10 Дж 3) 20 Дж 4) 40 Дж

41. Условия равновесия материальной точки и твёрдого тела в инерциальной

системе отсчёта требуют равенства нулю

  1. только равнодействующей сил в первом случае и только суммы моментов сил во втором случае

  2. только суммы моментов сил в первом случае и только равнодействующей сил во втором случае

  3. только равнодействующей сил в первом случае, но равенства нулю и равнодействующей сил и суммы моментов сил во втором случае

  4. и равнодействующей сил, и суммы моментов сил в обоих случаях

42. Рычаг находится в равновесии под действием двух сил. Сила F1=5 Н.

Чему равна сила F2, если плечо силы F1 равно 20 см, а плечо силы F2

равно 10 см?

  1. 2,5 Н 2) 5 Н 3) 10 Н 4) 20 Н

43. Давление твёрдого тела на поверхность – это отношение модуля

1) силы тяжести тела к площади соприкосновения

2) силы взаимодействия тела на поверхность к площади

соприкосновения

3) перпендикулярной составляющей силы воздействия тела на

поверхность к площади соприкосновения

4) касательной составляющей силы воздействия тела на

поверхность к площади соприкосновения

44. Чему примерно равно давление, создаваемое водой на глубине 10 м?

1) 104 Па 2) 2×104 Па 3)105 Па 4) 2×105 Па

45. Однородное тело, полностью погружённое в жидкость, тонет, если его

плотность

  1. больше плотности жидкости

  2. меньше плотности жидкости

  3. равна плотности жидкости

  4. больше или равна плотности жидкости

46. При взвешивании груза в воздухе показание динамометра равно 1 Н.

При опускании груза в воду показание динамометра уменьшается до

0,6 Н. Выталкивающая сила в воде равна

  1. 0,4 Н 2) 0,6 Н 3) 1 Н 4) 1,6 Н

47. За какую часть периода Т шарик математического маятника проходит

путь от левого крайнего положения до положения равновесия?

  1. 2) 1/2 Т 3) 1/4 Т 4) 1/8 Т

48. При гармонических колебаниях вдоль оси ОХ координата тела изменяется

по закону х=0,02 cos 20πt (м). Чему равна частота колебаний

ускорения тела?

  1. 20π Гц 2) 20 Гц 3) 50 Гц 4) 10 Гц

49. В уравнении гармонических колебаний хcos (ωt+φ0) величина ω

называется

  1. фазой

  2. частотой

  3. смещением от положения равновесия

  4. циклической частотой

50. Явление резонанса может наблюдаться в

1) любой колебательной системе

2) системе, совершающей свободные колебания

3) автоколебательной системе

4) системе, совершающей вынужденные колебания



5.2. Практические задания



ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ ТИПА П.1.

Практические работы:

П.1.1 Физические законы, элементы физической картины мира.

Задание учащимся:

    1. Физика – одна из наук, изучающих природу.

    2. Измерить физическую величину

    3. Роль эксперимента и теории в процессе познания природы 

    4. Научный метод познания

    5. Эксперимент

    6. Границы применимости законов


П.1.2 Графики движения.

Задание учащимся:

Графики равномерного движения

  1. Зависимость скорости от времени.

  2. 2. Зависимость пути от времени

  3. 3.Зависимость ускорения от времени

Графики равноускоренного движения

  1. Зависимость ускорения от времени

  2. Зависимость скорости от времени.

  3. Зависимость пути от времени

П.1.3. Решение задач на газовые законы.

Графические задачи – такие задачи, в которых ответ на поставленный вопрос не может быть получен без графика.

Задание учащимся:

Изобразить на доске графики изопроцессов

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7

Рисунок 20

Содержание практических работ:



ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ ТИПА Л.1.


Лабораторные задания:

    1. «Исследование равномерного движения.»;

    2. «Исследование движения тела под действием постоянной силы.»;

    3. «Тепловая машина. КПД теплового двигателя.»;

    4. «Изучение закона Ома для полной цепи»;

    5. «Изучение соединений катушек индуктивности и конденсаторов.»;

    6. «Изучение линий магнитного поля.»;

    7. «Изучение явления электромагнитной индукции»;

    8. «Исследование зависимости силы тока от электроемкости конденсатора в цепи переменного тока.»;

    9. «Изучение законов геометрической и волновой оптики.»;

    10. «Изучение треков заряженных частиц по фотографиям.».

Содержание лабораторных работ:

Лабораторная работа №1. Исследование равномерного движения

Цель работы:

измерить ускорение шарика, скатывающегося по наклонному желобу.

Оборудование:

металлический желоб, штатив с муфтой и зажимом, стальной шарик, металлический цилиндр, измерительная лента, секундомер или часы с секундной стрелкой.

Описание работы.

Движение шарика, скатывающегося по желобу, приближенно можно считать равноускоренным. При равноускоренном движении без начальной скорости модуль перемещения s, модуль ускорения а и время движения t связаны соотношением http://physics-lab.ucoz.ru/images/labwork/sRat2R2.gif.Поэтому, измерив s и t, мы можем найти ускорение а по формуле http://physics-lab.ucoz.ru/images/labwork/aR2SRt2.gifЧтобы повысить точность измерения, ставят опыт несколько раз, а затем вычисляют средние значения измеряемых величин.

ХОД РАБОТЫ:

http://physics-lab.ucoz.ru/images/labwork/ustanovka.gif

  1. Соберите установку,  изображенную на рисунке (верхний конец желоба должен быть на несколько сантиметров выше нижнего). Положите в желоб у его нижнего конца металлический цилиндр. Когда шарик, скатившись, ударится о цилиндр, звук удара поможет точнее определить время движения шарика.

  2. Отметьте на желобе начальное положение шарика, а также его конечное положение

  3. Измерьте расстояние между верхней и нижней отметками на желобе (модуль s перемещения шарика) и результат измерения запишите в таблицу.

  4.  Выбрав момент, когда секундная стрелка находится на делении, кратном 10-ти, отпустите шарик без толчка у верхней отметки и измерьте время tдо удара шарика о цилиндр. Повторите опыт 5 раз, записывая в таблицу результаты измерений. При проведении каждого опыта пускайте шарик из одного и того же начального положения, а также следите за тем, чтобы верхний торец цилиндра находился у соответствующей отметки.

  5. Вычислите http://physics-lab.ucoz.ru/images/labwork/t_cr.gif и результат запишите в таблицу.

  6. Вычислите ускорение, с которым скатывался шарик: http://physics-lab.ucoz.ru/images/labwork/aRavSRazt.gif. Результат вычислений запишите в таблицу.

  7. Запишите вывод: что вы измеряли и какой получен результат.

Лабораторная работа № 2. «Исследование движения тела под

действием постоянной силы.»;

Цель работы:

измерить начальную скорость тела, брошенного горизонтально.

Оборудование:

штатив с муфтой и зажимом, изогнутый желоб, металлический шарик, лист бумаги, лист копировальной бумаги, отвес, измерительная лента.

Описание работы.

Шарик скатывается по изогнутому желобу, нижняя часть которого горизонтальна. После отрыва от желоба шарик движется по параболе, вершина которой находится в точке отрыва шарика от желоба. Выберем систему координат, как показано на рисунке. Начальная высота шарика h и дальность полета l связаны соотношением Описание: http://physics-lab.ucoz.ru/images/labwork/lr_2_1.png. Согласно этой формуле при уменьшении начальной высоты в 4 раза дальность полета уменьшается в 2 раза. Измерив h и l, можно найти скорость шарика в момент отрыва от желоба по формуле Описание: http://physics-lab.ucoz.ru/images/labwork/lr_2_2.png

ХОД РАБОТЫ:

Описание: http://physics-lab.ucoz.ru/images/labwork/lr_2_3.png

  1. Соберите установку, изображенную на рисунке. Нижний участок желоба должен быть горизонтальным, а расстояние h от нижнего края желоба до стола должно быть равным 40 см. Лапки зажима должны быть расположены вблизи верхнего конца желоба.

  2. Положите под желобом лист бумаги, придавив его книгой, чтобы он не сдвигался при проведении опытов. Отметьте на этом листе с помощью отвеса точку А, находящуюся на одной вертикали с нижним концом желоба.

  3. Поместите в желоб шарик так, чтобы он касался зажима, и отпустите шарик без толчка. Заметьте (примерно) место на столе, куда попадет шарик, скатившись с желоба и пролетев по воздуху. На отмеченное место положите лист бумаги, а на него — лист копировальной бумаги «рабочей» стороной вниз. Придавите эти листы книгой, чтобы они не сдвигались при проведении опытов.

  4. Снова поместите в желоб шарик так, чтобы он касался зажима, и отпустите без толчка. Повторите этот опыт 5 раз, следя за тем, чтобы лист копировальной бумаги и находящийся под ним лист не сдвигались. Осторожно снимите лист копировальной бумаги, не сдвигая находящегося под ним листа, и отметьте какую-либо точку, лежащую между отпечатками. Учтите при этом, что видимых отпечатков может оказаться меньше 5-ти, потому что некоторые отпечатки могут слиться.

  5. Измерьте расстояние l от отмеченной точки до точки А, а также расстояние L между крайними отпечатками.

  6. Повторите пункты 1-5, опустив желоб так, чтобы расстояние от нижнего края желоба до стола было равно 10 см (начальная высота). Измерьте соответствующее значение дальности полета и вычислите отношения h1 /h2 и l1 /l2.

  7. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

опыта

h, м

l, м

h1 / h2

l1 / l2

1

 

 

 

 

2

 

 

  1. По результатам первого опыта вычислите значение начальной скорости, используя формулу Описание: http://physics-lab.ucoz.ru/images/labwork/lr_2_2.png

Запишите вывод: что вы измеряли и какой получен результат.


Лабораторная работа № 3. «Тепловая машина. КПД теплового двигателя»



Теоретическая часть:

Тепловым двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей является ДВС. Принцип действия заключается в том, что энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершает работу. Так внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию поршня.

Только в идеальных условиях полная работа равна работе полезной. Отношение полезной работы к полной называется КПД. КПД любого механизма всегда меньше 100%.

Лабораторная работа 3. 

Цель работы: объяснять принцип действия тепловых двигателей;

приводить примеры применения знаний о необратимости тепловых процессов.

Оборудование: Демонстрационные плакаты: 27.4. Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, 27.5. Паровая машина Ползунова, 27.7. Работа газа, 27.8. Газотурбинный двигатель, 27.9. Паровая турбина, 27.10. Энергетика и энергетические ресурсы.

Ход работы:



1. Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу.


- Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)


- Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.


Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую энергию.


2. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Тепловая машина работает циклично.


Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.


КПД замкнутого цикла


Q1 – количество теплоты полученное от нагревания Q1>Q2


Q2 – количество теплоты отданное холодильнику Q 2


A=| Q 1|– |Q 2| – работа совершаемая двигателем за цикл.


3. Цикл C. Карно




T1 – температура нагревателя

Т2 – температура холодильника

не зависит от Q, р, V топлива.

КПД= (Т1 – Т2 )/ Т1


На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.


4. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80 % всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях. Газовые турбины широко используются в ракетах, в железнодорожном и автомобильном транспорте.

На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели).

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах – турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.



5. Рассмотрим более подробно работу двигателя внутреннего сгорания. Просмотр видеофрагмента.


Работа четырехтактного ДВС.

1 такт: впуск.

2 такт: сжатие.

3 такт: рабочий ход.

4 такт: выпуск.

Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2 клапана(впуск и выпуск), свеча.

Мертвые точки – крайнее положение поршня.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

Паровой двигатель – 8%

Паровая турбина – 40%

Газовая турбина – 25-30%

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%

Дизельный двигатель – 40– 44%

Реактивный двигатель – 25%


6. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды


Неуклонный рост энергетических мощностей – все большее распространение укрощенного огня – приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сопоставимым с другими компонентами теплового баланса в атмосфере. Это не может не приводить к повышению средней температуры на Земле. Повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц – сажи, пепла, измельченного топлива, что приводит к увеличению “парникового эффекта”, обусловленного повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Это приводит к повышению температуры атмосферы.

Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения, продукты неполного сгорания органического топлива – оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена. Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом.

Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также увеличения эффективности использования энергии, экономии ее на производстве и в быту.


Альтернативные двигатели:

1. Электрические

2. Двигатели, работающие на энергии солнца и ветра


Лабораторная работа №4. Изучение закона Ома для полной цепи

Теоретическая часть:

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164559383-1.gifто на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164559393-2.gifВ результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю

Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени Δt, к этому интервалу времени:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164559413-3.gif

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.


В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы Aст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164559433-5.gif

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.

Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными.

При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов Δφ12 = φ1 – φ2 между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе Eds12, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна

U12 = φ1 – φ2 + Eds12.



Величину U12 принято называть напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:

U12 = φ1 – φ2.



Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164559463-6.gif



где R = const.

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:

IR = U12 = φ1 – φ2 + Eds = Δφ12 + Eds.



Лабораторная работа 4. 

Цель работы:

Углубление знаний о законе Ома для участков цепи и о законе Ома для полной цепи. Применения правил Кирхгофа для расчета цепей постоянного тока.



Оборудование: учебно-лабораторный стенд «Законы постоянного тока», мультиметр, три-четыре резистора с известными сопротивлениями, два гальванических элемента разных типов, соединительные провода.

Введение

Постановка задачи о расчете цепи постоянного тока: «Зная величины действующих в цепи э.д.с., внутренние сопротивления источников тока и сопротивления всех элементов цепи, рассчитать силы токов на каждом участке цепи и падение напряжения на каждом элементе».

При решении этой задачи используются:

закон Ома для участка цепи

http://refoteka.ru/images/r/9/7/2/972b16e9ae7574f2e503e0a9329eeb89.gif, (1)

I – сила тока, U – напряжение на участке цепи, R – сопротивление участка;

закон Ома для полной цепи

http://refoteka.ru/images/r/7/8/f/78f564078af90cd579ef3688bb95c700.gif, (2)

I – сила тока, e - э.д.с. источника тока, R – сопротивление внешней цепи, r – внутреннее сопротивление источника тока.

Непосредственный расчет разветвленных цепей, содержащих несколько замкнутых контуров и несколько источников тока, производится с помощью двух правил Кихгофа.

Любая точка в разветвленной цепи, в которой сходится не менее трех проводников с током, называется узлом. При этом ток, входящий в узел, считается положительным, а ток, выходящий из узла, - отрицательным.

Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сила токов, сходящихся в узле, равна нулю:

http://refoteka.ru/images/r/6/1/9/61940c300dbde57f80c7906f20f5dd80.gif(3)

Второе правило Кирхгофа: в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме э.д.с., встречающихся в контуре:

http://refoteka.ru/images/r/6/b/b/6bbe182838aca6dd1ace5125c89bca5c.gif(4)

Описание стенда «Законы постоянного тока»

В работе используется стенд, состоящий из двух источников тока (гальванических элементов), набора из четырёх резисторов с известными сопротивлениями, мультиметра и набора соединительных проводов.

  1. При сборке электрических цепей необходимо обеспечить хороший контакт в каждом соединении.

  2. Соединительные провода закручиваются под клеммы по часовой стрелке.

  3. При измерении сил токов и напряжений щупы мультиметра должны быть плотно прижаты к клеммам.

  4. Измерения производятся при кратковременном замыкании цепи кнопкой.

  5. Не следует длительное время оставлять цепь в собранном состоянии.

Прежде всего, изучите правила измерений с помощью универсального электроизмерительного прибора – мультиметра.



Измерение, обработка и представление результатов измерений

Задание 1. Определение э.д.с. источников тока



Э.д.с. источника тока можно с достаточно большой степенью точности измерить непосредственно с помощью вольтметра. Но при этом следует иметь в виду, что при этом измеряемое напряжение меньше истинного значения э.д.с. на величину падения напряжения на самом источнике тока.http://refoteka.ru/images/r/5/a/1/5a1c6c7e1733722a9d76f4d4de4e1b62.gif

http://refoteka.ru/images/r/f/5/2/f52c2dd917e55693bd51519d79433f72.gif, (5)

где U – показания вольтметра.

Разница между истинным значением э.д.с. и измеренным напряжением при этом равна:

http://refoteka.ru/images/r/3/9/0/390549f8c4e8b923a9ea005f7444d391.gif. (6)

При этом относительная погрешность измерения э.д.с. равна:

http://refoteka.ru/images/r/5/6/3/563c5a2023896a24bad018c47328b67e.gif(7)

Обычно сопротивление источника тока (гальванического элемента) равно несколько Ом (например, 1Ом). Если даже сопротивление вольтметра мало (например, 100 Ом), то и в этом случае погрешность прямого измерения э.д.с. составляет всего » 1%. Хороший вольтметр, в том числе используемый в мультиметре, имеет сопротивление порядка 106 Ом. Ясно, что при использовании такого вольтметра можно считать, что показание вольтметра практически равно измеряемой э.д.с источника тока.

1. Подготовьте мультиметр к измерению постоянного напряжения до 2 В.

2. Не вынимая гальванические элементы из креплений, измерьте и запишите их э.д.с. с точностью до сотых долей вольта.

3. Э.д.с. величина всегда положительная. Соблюдайте полярность при подключении мультиметра к источникам тока. Красный щуп мультиметра присоединяется к «+» источника тока.



Задание 2. Измерение внутреннего сопротивления источников тока

Внутреннее сопротивление источника тока можно вычислить с помощью закона Ома:

http://refoteka.ru/images/r/e/3/d/e3d77d956f9cc407dacc909c0b61ba8a.gif. (8)

1. Подготовьте мультиметр для измерения силы постоянного тока до 10(20) А.

2. Составьте электрическую цепь из последовательно соединенного источника тока, резистора (одного из набора) и амперметра.

3. Измерьте силу тока в цепи.

4. Рассчитайте и запишите величину внутреннего сопротивления источника.

5. Аналогичные измерения проделайте для другого элемента.



Задание 3. Расчёт электрической цепи постоянного тока

1. Соберите электрическую цепь по схеме, предложенной преподавателем (схемы 1-7).

2. Зачертите схему в отчет по работе и укажите номиналы выбранных резисторов.

3. С помощью правил Кирхгофа рассчитайте силы токов во всех ветвях цепи. Вычислите падения напряжений на каждом резисторе.

4. С помощью мультимета измерьте силу тока в доступном для измерения месте. Измерьте падение напряжения на каждом резисторе.

5. В выводе сравните измеренные и расчетные значения и укажите причины возможных расхождений.



Задание 4. Соединение источников тока в батареи

1. Источники тока могут соединятся в батареи двумя основными способами: параллельно и последовательно. Если источники соединяются последовательно, то их э.д.с. и внутренние сопротивления складываются:

http://refoteka.ru/images/r/d/e/8/de84c33c3330896eab8d303a8fd84074.gif(9)

При параллельном соединении одинаковых источников тока общая э.д.с. батареи равна э.д.с. одного источника, а внутреннее сопротивление батареи в n раз меньше внутреннего сопротивления одного источника тока:

http://refoteka.ru/images/r/4/c/f/4cfcf91a5545f00ae99fc517cb7790de.gif(10)

Соберите цепи по схемам 8, 9, в которых реализуются обе схемы соединения. Рассчитайте и измерьте силу тока в цепи при этих соединениях. В выводе сравните расчетные и измеренные значения.



Лабораторная работа № 5 «Изучение соединений катушек индуктивности и конденсаторов»

Цель работы: Исследование влияний величины индуктивности катушки на электрические параметры цепи однофазного синусоидального напряжения, содержащей последовательно соединенные катушки индуктивности и конденсатор. Опытное определение условий возникновения в данной цепи резонанса напряжений.

Теоретические сведения.

Табл. 1. Паспортные данные электроизмерительных приборов.

п/п

Наименованное

прибора

Заводской

номер

Тип

Система

измерения

Класс

точности

Предел

измерений

Цена деления

1

Вольтметр


Э34

ЭМ

1.0

300 В

10 В

2

Вольтметр


Э34

ЭМ

1.0

300 В

10 В

3

Вольтметр


Э34

ЭМ

1.0

50 В

2 В

4

Амперметр


Э30

ЭМ

1.5

5 А

0.2 А

5

Ваттметр


Д539

ЭД

0.5

6000 Вт

40 Вт

Цепь с последовательным соединением конденсатора и катушки с подвижным ферромагнитным сердечником изображена на рис. 1, а схема замещения этой цепи на рис. 2.

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/31/47/4614731.jpeg

Для данной цепи справедливы следующие соотношения:



http://www.vevivi.ru/best/images/servus/32/47/4614732.png

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/33/47/4614733.png

где U, I – действующие значения напряжения источника питания и тока;

z – полное сопротивление цепи;

rK – активное сопротивление катушки, обусловленное активным сопротивлением провода катушки и потерями в стали ферромагнитного сердечника;

x – реактивное сопротивление;

xLK – индуктивное сопротивление катушки;

xC – емкостное сопротивление конденсатора;

φK – угол сдвига фаз между напряжением на катушке и током в ней;

φ – угол сдвига фаз между напряжением источника и током цепи;

ƒ – частота тока источника;

LK – индуктивность катушки;

С – емкость конденсатора.

Ток отстает по фазе от напряжения при xLK > xC и опережает по фазе напряжение при xLK < xC.

При равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений в цепи возникает резонанс напряжений, который характеризуется следующим:

1.     Реактивное сопротивление цепи x = 0. Полное ее сопротивление z = rK, т.е. имеет минимальную величину.

2.     Ток совпадает по фазе с напряжением источника, так как при x = 0



http://www.vevivi.ru/best/images/servus/34/47/4614734.png

3.     Ток имеет максимальную величину, так как сопротивление цепи является минимальным

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/35/47/4614735.png

4.     Падение напряжения на активном сопротивлении катушки равно приложенному напряжению, так как при z = rK

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/36/47/4614736.png

5.     Напряжения на индуктивности и емкости равны, так как

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/37/47/4614737.png

При относительно малом по величине активном сопротивлении катушки (http://www.vevivi.ru/best/images/servus/38/47/4614738.png) напряжения на индуктивности и на емкости будут превышать напряжение на активном сопротивлении, а следовательно, и напряжение источника. Действительно, при http://www.vevivi.ru/best/images/servus/39/47/4614739.png и http://www.vevivi.ru/best/images/servus/40/47/4614740.png

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/41/47/4614741.png,

где http://www.vevivi.ru/best/images/servus/42/47/4614742.png, т.е. http://www.vevivi.ru/best/images/servus/43/47/4614743.pngи аналогично http://www.vevivi.ru/best/images/servus/44/47/4614744.png.

Таким образом, напряжения на индуктивной катушке и конденсаторе при резонансе напряжений могут значительно превысить напряжение источника, что опасно для изоляции катушки и конденсатора.

6.     Энергетический процесс при резонансе напряжений можно рассматривать как наложение двух процессов: необратимого процесса преобразования потребляемой от источника энергии в тепло, выделяемое в активном сопротивлении цепи, и обратимого процесса, представляющего собой колебания энергии внутри цепи: между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора. Первый процесс характеризуется величиной активной мощности http://www.vevivi.ru/best/images/servus/45/47/4614745.png, а второй – величиной реактивной мощности

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/46/47/4614746.png.

Колебаний энергии между источником питания и участком цепи, включающим катушку и конденсатор, не происходит и поэтому реактивная мощность всей цепи

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/47/47/4614747.png.

Из условий возникновения резонанса http://www.vevivi.ru/best/images/servus/48/47/4614748.png или http://www.vevivi.ru/best/images/servus/49/47/4614749.png следует, что практически резонанс напряжений можно получить изменением:

a)  Индуктивности катушки;

b)  Емкости конденсатора;

c)  Частоты тока;

В данной работе резонанс напряжений получается за счет изменения индуктивности катушки перемещением ее ферромагнитного сердечника.

Ход работы:

Рабочее задание

1.  Собираем схему, изображенную на рис. 3.

В качестве источника питания используется источник однофазного синусоидального напряжения с действующим значением 36 В.

Катушка индуктивности конструктивно представляет собой совокупность трех отдельных катушек и подвижного ферромагнитного сердечника. Начала и концы каждой из трех катушек выведены на клеммную панель. Для увеличения диапазона изменений величины индуктивности катушки соединяются последовательно. В качестве емкости используется батарея конденсаторов.

2.  Процессы в цепи исследуются при постоянной емкости C = 40 мкФ и переменной индукции. В начале работы полностью вводим сердечник в катушку, что соответствует наибольшему значению индуктивности.

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/50/47/4614750.jpeg

3.  Включив цепь под напряжение и постепенно выдвигая сердечник определяем максимальное значение тока http://www.vevivi.ru/best/images/servus/51/47/4614751.png, после чего устанавливаем сердечник в исходное положение.

4.  Медленно выдвигая сердечник, снимаем показания приборов для четырех точек до резонанса, точки резонанса и четырех точек после резонанса. Показания приборов заносим в табл. 2.



Табл. 2. Опытные данные. (примерные)

опыта

I

P

U

Uk

Uc

А

кол-во дел.

Вт

В

1

1,0

5,5

13,75

36

120

83

2

1,5

12,5

31,25

36

168

121

3

2,0

19

47,5

36

198

168

4

2,5

29

72,5

36

231

208

5

3,0

41

102,5

36

260

246

6

3,1

44

110

36

260

255

7

3,0

40

100

36

239

246

8

2,5

28

70

36

186

208

9

2,0

17,5

43,75

36

135

165

10

1,5

11

27,5

36

99

125

11

1,0

5,5

13,75

36

60

91

5.  Вычислим величины:

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/52/47/4614752.png.

Например, для первого случая при I = 1,0 А:

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/53/47/4614753.png

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/54/47/4614754.png

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/55/47/4614755.png

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/56/47/4614756.png

http://www.vevivi.ru/best/images/servus/57/47/4614757.png

Вычисленные для всех случаев значения занесем в табл. 3.



Табл. 3. Вычисленные данные (примерные)

оп.

z

zK

rK

xLK

LK

UrK

ULK

xC

C

cos φ

Ом

Гн

В

Ом

мкФ

о.е.

1

36

120

13,75

119,2

0,379

13,75

119,2

83

38,4

0,382

2

24

112

13,89

111,14

0,354

20,83

166,7

80,67

39,5

0,579

3

18

99

11,88

98,3

0,313

23,75

196,6

84

37,9

0,660

4

14,4

92,4

11,6

91,67

0,292

29

229,2

83,2

38,3

0,806

5

12

86,67

11,39

85,9

0,273

34,17

257,7

82

38,8

0,949

6

11,6

83,87

11,45

83,1

0,264

35,48

257,6

82,26

38,7

0,986

7

12

79,67

11,11

78,88

0,251

33,33

236,7

82

38,8

0,926

8

14,4

74,4

11,2

73,55

0,234

28

183,9

83,2

38,3

0,778

9

18

67,5

10,94

66,6

0,212

21,88

133,2

82,5

38,6

0,608

10

24

66

12,2

64,86

0,206

18,33

97,3

83,3

38,2

0,509

11

32,7

54,5

11,36

53,35

0,170

12,5

58,7

82,7

38,5

0,347

По вычисленным значениям строим графики зависимостей силы тока в цепи I, падения напряжения на конденсаторе UC и катушке UK, косинус угла сдвига фаз cos φ и полного сопротивления цепи z от индуктивности катушки LK.

Строим векторные диаграммы тока и напряжений:

а). xLK > xC. Берем 3ий результат измерений: I = 2.0 А, UrK = 23.8 В, ULK = 196.6 В, UC = 168 В.

б). xLK = xC. Берем 6ий результат измерений: I = 3.1 А, UrK = 35.5 В, ULK = 257.6 В, UC = 255 В.

в). xLK < xC. Берем 9ий результат измерений: I = 2.0 А, UrK = 21.9 В, ULK = 133.2 В, UC = 165 В.

Вывод: при увеличении индуктивности катушки с 170 до 260 мГн полное сопротивление цепи z падает, а сила тока I, напряжения на конденсаторе UC и катушке UK, косинус угла сдвига фаз cos φ возрастают. Реактивное сопротивление катушки меньше сопротивления конденсатора, по-этому падение напряжения на катушке меньше, чем на конденсаторе, действие конденсатора пре-обладающее и общее напряжение U отстает от силы тока I(векторная диаграмма в).

При индуктивности катушки равной примерно 260 мГн, полное сопротивление цепи достигает наименьшего значения z = 11.6 Ом, сила тока при этом достигает наибольшего значения I = 3.1 А, а напряжения на катушке и конденсаторе выравниваются UC = UK =260 В, косинус угла сдвига фаз между напряжением и током равен 1. Реактивное сопротивление катушки и конденсатора равны, падения напряжения на обоих равны и общее напряжение синфазно силе тока(диаграмма б).

При дальнейшем увеличении индуктивности с 260 до 380 мГн полное сопротивление увеличивается, а сила тока, напряжения на катушке и конденсаторе, косинус угла сдвига фаз падают. Реактивное сопротивление катушки больше сопротивления конденсатора, поэтому падение напряжения на катушке больше, чем на конденсаторе, действие катушки преобладающее и общее напряжение U опережает силу тока I(диаграмма а).

Лабораторная работа №6 Изучение линий магнитного поля.

Теоретические сведения:

Линии магнитной индукции

Для наглядности картины изменения вектора магнитной индукции при переходе от одной точки пространства к другой вводится понятие линий вектора магнитной индукции (силовых линий магнитного поля). Непрерывная линия, касательная к которой в любой ее точке задает направление вектора магнитной индукции http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image017.jpg, называется силовой линией магнитного поля. Густота силовых линий прямопропорциональна модулю вектора магнитной индукции.

На рисунке 7 показаны исследования магнитного поля вокруг полюсового магнита с помощью магнитных стрелок и картина силовых линий магнитного поля вокруг такого магнита.

http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image027.jpg

Рис. 7

Магнитные стрелки можно заменить железными опилками, которые намагничиваются в поле данного магнита и становятся маленькими стрелками. (На картон, который кладут на магнит, насыпают опилки. При легком потряхивании картона опилки хорошо ориентируются.)

Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image017.jpg постоянен по величине и направлению, называют однородным. На рисунке 8 приведены способы изображения силовых линий однородного магнитного поля, направленного вправо (а), влево (б), в плоскость листа от нас (в) и из него к нам (г).

http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image029.jpg

Рис. 8



Цель работы: убедиться в том, что однородное магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие.

Оборудование: катушка-моток, штатив, источник постоянного тока, реостат, ключ, соединительные провода, магнит дугообразный или полосовой.

Примечание. Перед работой убедитесь, что движок реостата установлен на максимальное сопротивление.



Тренировочные задания и вопросы

  1. В 1820 г. Х. Эрстед обнаружил действие электрического тока на _____

  2. В 1820 г. А. Ампер установил, что два параллельных проводника с током _____

  3. Магнитное поле может быть создано: а) _____ б) _____ в) _____

  4. Что является основной характеристикой магнитного поля? В каких единицах в системе СИ измеряется?

  5. За направление вектора магнитной индукции В в том месте, где расположена рамка с током, принимают _____

  6. В чем состоит особенность линий магнитной индукции?

  7. Правило буравчика позволяет _____

  8. Формула силы Ампера имеет вид: F= _____

  9. Сформулируйте правило левой руки.

  10. Максимальный вращающийся момент М, действующий на рамку с током со стороны магнитного поля, зависит от _____



Ход работы

  1. Соберите цепь по рисунку, подвесив на гибких проводах

катушку-моток.

  1. Расположите дугообразный магнит под некоторым острым углом α(например 45°) к плоскости катушки-мотка и, замыкая ключ, пронаблюдайте движение катушки - мотка.

  2. Повторите опыт, изменив сначала полюсы магнита, а затем направление электрического тока.

  3. Зарисуйте катушку-моток и магнит, указав направление магнитного поля, направление электрического тока и характер движения катушки-мотка.

  4. Объясните поведение катушки-мотка с током в однородном магнитном поле.

  5. Расположите дугообразный магнит в плоскости катушки-мотка (α=0°). Повторите действия, указанные в пунктах 2-5.

  6. Расположите дугообразный магнит перпендикулярно плоскости катушки-мотка (α=90°). Повторите действия, указанные в пунктах 2-5.

Вывод: _____



Дополнительное задание

  1. Изменяя силу тока реостатом, пронаблюдайте, изменяется ли характер движения катушки-мотка с током в магнитном поле?





Рис. 1


Лабораторная работа №7 Изучение явления электромагнитной индукции

Цель работы - изучить явление электромагнитной индукции.

Приборы: миллиамперметр, катушка-моток, магнит дугообразный, магнит полосовой.



Порядок выполнения работы

I.Выяснение условий возникновения индукционного тока.

1.Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.

2. Наблюдая за показаниями миллиамперметра, отметьте, возникал ли индукционный ток, если:

  • в неподвижную катушку вводить магнит,

  • из неподвижной катушки выводить магнит,

  • магнит разместить внутри катушки, оставляя неподвижным.

3. Выясните, как изменялся магнитный поток Ф, пронизывающий катушку в каждом случае. Сделайте вывод о том, при каком условии в катушке возникал индукционный ток.



II. Изучение направления индукционного тока.

1.О направлении тока в катушке можно судить по тому, в какую сторону от нулевого деления отклоняется стрелка миллиамперметра.

Проверьте, одинаковым ли будет направление индукционного тока, если:

  • вводить в катушку и удалять магнит северным полюсом;

  • вводить магнит в катушку магнит северным полюсом и южным полюсом.

2.Выясните, что изменялось в каждом случае. Сделайте вывод о том, от чего зависит направление индукционного тока.



III. Изучение величины индукционного тока.

1.Приближайте магнит к неподвижной катушке медленно и с большей скоростью, отмечая, на сколько делений (N1, N2) отклоняется стрелка миллиамперметра.

2. Приближайте магнит к катушке северным полюсом. Отметьте, на сколько делений N1 отклоняется стрелка миллиамперметра.

К северному полюсу дугообразного магнита приставьте северный полюс полосового магнита. Выясните, на сколько делений N2 отклоняется стрелка миллиамперметра при приближении одновременно двух магнитов.

3.Выясните, как изменялся магнитный поток в каждом случае. Сделайте вывод, от чего зависит величина индукционного тока.



Ответьте на вопросы:

1.В катушку из медного провода сначала быстро, затем медленно вдвигают магнит. Одинаковый ли электрический заряд при этом переносится через сечение провода катушки?

2.Возникнет ли индукционный ток в резиновом кольце при введении в него магнита?

Лабораторная работа № 8. Исследование зависимости силы тока от электроемкости конденсатора в цепи переменного тока.

Цель работы:  изучить влияние электроёмкости на силу переменного тока.

Оборудование: набор неполярных конденсаторов известной ёмкости, регулируемый источник переменного тока ЛАТР, миллиамперметр с пределом измерения до 100 мА переменного тока, вольтметр с пределом измерения до 75 В переменного напряжения, соединительные провода.

Теория

   Постоянный ток не проходит через конденсатор, так как между его обкладками находится диэлектрик. Если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то после зарядки конденсатора ток в цепи прекратится.

   Если же включить конденсатор в цепь переменного тока, то заряд конденсатора (q=CU) вследствие изменения напряжения непрерывно изменяется, поэтому в цепи течёт переменный ток. Сила тока тем больше, чем больше ёмкость конденсатора и чем чаще происходит его перезарядка, т.е. чем больше частота переменного тока.

   Сопротивление, обусловленное наличием электрической ёмкости в цепи переменного тока, называют ёмкостным сопротивлением XC. Оно обратно пропорционально ёмкости С и круговой частоте ω:

    http://infofiz.ru/joom1/images/stories/lkft/el/lr11ft-1.jpgили, с учётом, что ω=2πν, где ν- частота переменного тока, http://infofiz.ru/joom1/images/stories/lkft/el/lr11ft-2.jpg  (1).                                                                                                                                                                                                    

   Из закона Ома для участка цепи переменного тока, содержащего ёмкостное сопротивление, действующее значение тока в цепи равно:   http://infofiz.ru/joom1/images/stories/lkft/el/lr11ft-3.jpg (2).

   Из формулы (2) следует, что в цепи с конденсатором переменный ток изменяется прямо пропорционально изменению ёмкости конденсатора при неизменной частоте тока.

   Графически зависимость силы тока от электроёмкости конденсатора в цепи переменного тока изображается прямой линией (рис.1).

 http://infofiz.ru/joom1/images/stories/lkft/el/lr11ft4.jpg

   В этом и предстоит убедиться опытным путём в данной работе.

Ход работы.

   1. Собрать электрическую схему согласно рисунка 2 и перечертить её в тетрадь:

http://infofiz.ru/joom1/images/stories/lkft/el/lr11ft5.jpg

   2. Подготовить таблицу для результатов измерений и вычислений:

 Частота тока

ν, Гц

 Напряжение

на конденсаторе

U, В

 Ёмкость конденсатора

   С, мкФ

 Ток в цепи

I, мА

Ёмкостное сопротивление

, Ом

измеренное

вычисленное

 

 

         50

 

 

         50



 

 




 



 

 



 

 



 

 

   3. Для каждого конденсатора из набора измерить силу тока при напряжении 50 В.                                  

   4. В каждом опыте рассчитать ёмкостное сопротивление по закону Ома для участка цепи переменного тока: http://infofiz.ru/joom1/images/stories/lkft/el/lr11ft7.jpg, здесь I - действующее значение тока в мА, U=50 В - действующее значение напряжения.

   5. В каждом опыте вычислите ёмкостное сопротивление по заданным значениям частоты переменного тока ν=50Гц и ёмкости конденсатора Сhttp://infofiz.ru/joom1/images/stories/lkft/el/lr11ft8.jpg, здесь С - ёмкость в мкФ.                                                                                         

   6. Сравните результаты расчётов в п.4 и в п.5 и сделайте вывод о выполнимости закона Ома для участка цепи переменного тока содержащего электроёмкость с учётом погрешности измерений.        

   7. Постройте график зависимости силы тока от электроёмкости конденсатора в цепи переменного тока:

http://infofiz.ru/joom1/images/stories/lkft/el/lr11ft9.jpg

   8. Запишите вывод по результатам опытов и ответьте на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы.

1. Почему постоянный ток не проходит через конденсатор?

2. Какое сопротивление называется ёмкостным? Почему оно является реактивным сопротивлением?

3. От чего и как зависит ёмкостное сопротивление?

4. Выполняется ли закон Ома для участка цепи переменного тока, содержащего ёмкостное сопротивление?

5. Напряжение на конденсаторе изменяется по закону http://infofiz.ru/joom1/images/stories/lkft/el/lr11ft10.jpg. Запишите уравнение переменного тока в цепи с конденсатором.








Лабораторная работа № 9. Изучение законов геометрической и волновой оптики.

Цель работы: сформулировать гипотезу исследования, выделить уровни сложности изучаемой физической системы, исследовать дифракцию Френеля, дифракцию Фраунгофера и влияние дифракции света на разрешающую способность оптических приборов.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, осветитель монохроматического света со спектральной лампой СНА-2 и коллиматором, регулируемая щель, узкая нить, двойная щель, отсчетный микроскоп, линза.

Краткое теоретическое введение

Под дифракцией света следует понимать любое отклонение от прямолинейного распространения световых лучей, если только это отклонение не является следствием обычных законов геометрической оптики – законов отражения и преломления. Дифракция световых волн имеет место всегда, когда на их пути находится какая-либо преграда. Дифракционная картина (чередование максимумов и минимумов интенсивности света за преградой) является следствием интерференции дифрагированных на преграде световых волн и сосредоточена в очень узкой области пространства на границе между светом и тенью от преграды. Выявить дифракционную картину в этом случае достаточно сложно, поэтому во многих случаях распространение света исследуют без учета волновых свойств, применяя законы геометрической оптики. Однако для широкого класса задач законы геометрической оптики становятся неприемлемыми.

Неизбежно возникает вопрос: При каких условиях для изучения прохождения света через преграду допустимо применение законов геометрической оптики, а когда необходимо привлечение волновой теории дифракции, разработанной Френелем? Ответ на этот вопрос дает именно волновая теория дифракции Френеля. Кроме этого, она вскрывает глубокий смысл предельного перехода от волновой теории к геометрической оптике.

Волновые свойства излучения следует учитывать, если линейные размеры препятствия на пути световой волны того же порядка, что и размер, например, первой зоны Френеля



hello_html_6a49603b.gif,

где a1 и a2 – расстояния от источника света до преграды и от преграды до плоскости наблюдения соответственно; длина волны света.

Если же размер препятствия значительно больше размера первой зоны Френеля, то выявить дифракцию трудно - изображение оказывается практически таким, как это требуют законы геометрической оптики.

На практике часто требуется определить, в каком случае необходимо учитывать дифракционные (волновые) явления. С этой целью вводят безразмерный параметр Р, т.е. исследуют отношение радиуса первой зоны Френеля r1 к размеру преграды d, т.е. P = r1 / d. Величина Р называется параметром дифракции.

Если d >> r1, то P 0. В этом случае преграда считается большой.

Если dr1, то P 0. Размер преграды мал. Необходимо учитывать волновые свойства света.

Отсюда нетрудно получить несколько следствий, имеющих принципиальное значение.

При 0 r1 равно нулю, т.е. всегда Р 0, т.е. параметр дифракции мал при любых конечных расстояниях a1 и a2. Волновые свойства при таких условиях наблюдения заметить трудно. Следовательно, условие 0 можно считать основным при переходе от волновой оптики к геометрической.

Если велико, то при достаточно малых a2 также может быть Р 0. Это значит, что при больших и малых расстояниях a1 и a2 также реализуются условия геометрической оптики, но по мере увеличения a2 и a1 нужно все в большей степени учитывать явление дифракции.

При изменении a2 в n раз и размера преграды в hello_html_m179d4bd9.gif раз получится тот же параметр дифракции, и, следовательно, условия наблюдения дифракции останутся прежними.

Дифракционные явления по своему характеру разбиваются на два больших класса.

1. Если a1 и a2 или одно из расстояний не равно бесконечности, то наблюдается дифракция в непараллельных лучах света – дифракция Френеля. Дифракционная картина не локализована.

2. Если a1 = и a2 = , то дифракция происходит в параллельных лучах. Это дифракция Фраунгофера. Дифракционная картина локализуется в бесконечности.

Дифракция Фраунгофера имеет большое значение для качества работы оптических приборов, например: телескопа, микроскопа, фотографического объектива и т.п., т.е. приборов, работающих с параллельными пучками света.


Лабораторная работа № 10. Изучение треков заряженных частиц по фотографиям.

Цель работы: объяснить характер движения заряженных частиц.

Оборудование:

  • фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона, пузырьковой камере и фотоэмульсии.

Поясненияlr9-7

При выполнении данной лабораторной работы следует помнить, что:

  1. длина трека тем больше, чем больше энергия частицы (и чем меньше плотность среды);

  2. толщина трека тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость;

  3. при движении заряженной частицы в магнитном поле трек ее получается искривленным, причем радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше ее заряди модуль индукции магнитного поля:

  4. частица двигалась от конца трека с большим радиусом кривизны к концу с меньшм радиусом кривизны (радиус кривизны по мере движения уменьшается, так как из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы).

Указания к работе

Задание 1. На двух из трех представленных вам фотографий (рис. 1, 2 и 3) изображены треки частиц, движущихся в магнитном поле. Укажите на каких. Ответ обоснуйте.lr9-71

Задание 2. Рассмотрите фотографию треков α-частиц, двигавшихся в камере Вильсона (рис. 1), и ответьте на данные ниже вопросы:

  1. В каком направлении двигались α-частицы?

  2. Длина треков α-частиц примерно одинакова. О чем это говорит?

  3. Как менялась толщина трека по мере движения частиц? Что из этого следует?

Задание 3. На рисунке 2 дана фотография треков α-частиц в камере Вильсона, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:lr9-72

  1. Почему менялись радиус кривизны и толщина треков по мере движения α-частиц?

  2. В какую сторону двигались частицы?

Задание 4. На рисунке 190 дана фотография трека электрона в пузырьковой камере, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:

  1. Почему трек имеет форму спирали?

  2. В каком направлении двигался электрон?

  3. Что могло послужить причиной того, что трек электрона на рисунке 3 гораздо длиннее треков α-частиц на рисунке 2


ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ ТИПА П.2.


Проверочные работы

«Молекулярная физика. Термодинамика. Тепловые двигатели. Закон Кулона»

Вариант 1 (первый)

1. При каком давлении 2 моля идеального газа имеют температуру 2100 С? Объём газа 1,5 литра. Ответ дать в килопаскалях (кПа).

2. Кислород (О2) массой 7 грамм изобарно нагрели на 810 К (Кельвин).

Удельная теплоёмкость кислорода Ск = 913 Дж / кг*К.

Найти и ответ дать килоджоулях (кДж):

а) Работу (А,), совершённую газом;

б) Количество теплоты (Q), сообщённое газу;

в) Изменение внутренней энергии газа.

3. С какой силой взаимодействуют два заряда по 10 нанокулон (10 нКл) каждый, находящиеся на расстоянии 3 см друг от друга. Ответ дать в миллиньютонах (мН).

4. Что называют:

а) тепловыми двигателями;

б) коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя. Записать формулу Сади Карно и расшифровать все буквенные обозначения в ней (что они означают). Привести примеры тепловых двигателей.


Вариант 2 (второй)

1. 3 моля идеального газа имеют температуру 1850 С и оказывают давление на сосуд 4,8 * 106 Па. Найти объём газа. Ответ дать в литрах.

2. Кислород (О2) массой 7 грамм изобарно нагрели на 810 К (Кельвин).

Удельная теплоёмкость кислорода Ск=913Дж/кг*К

Найти и ответ дать в килоджоулях (кДж):

А) работу (А,), совершённую газом;

Б) количество теплоты (Q), сообщённое газу;

В) изменение внутренней энергии газа.

3. В идеальной тепловой машине за счёт каждого килоджоуля энергии, получаемой от нагревателя, совершается работа в 300 Дж.

Определите коэффициент полезного действия (КПД) данной машины. Ответ дать в процентах (%).

4. Письменно ответить на вопросы:

А) Сколько видов зарядов в природе? Назовите их.

Б) Какие элементарные частицы имеют заряд? Назовите их.

В) Сформулируйте Закон Кулона и запишите расчетную формулу для него.

Г) Чему равен наименьший (т.е. элементарный) заряд в природе? Записать.


«Переменный ток. Преломление света. Дифракционная решетка. Явление фотоэффекта»

Вариант 1 (первый)

  1. Катушку какой индуктивности надо включить в колебательный контур, чтобы при ёмкости конденсатора 60пФ получить частоту собственных колебаний 16МГц? Ответ дать в микрогенри.

  2. На дифракционную решетку, имеющую 600 штрихов на 1 мм, нормально падает свет. Красная линия в дифракционном спектре первого порядка видна под углом 230, зеленая – 190. Определить длины волн этих линий. Ответ дать в нанометрах.

  3. Определите энергию фотона, соответствующего длине волны

λ = 5 • 10 -7 м.

  1. Что называют шкалой электромагнитных излучений? Перечислите основные свойства рентгеновского излучения. Где этот вид излучения используется?

Вариант 2 (второй)

  1. Сравнить скорости света в этиловом спирте (n1=1,36) и сероуглероде (n2 = 1,63). Какая скорость, где больше и во сколько раз. n – показатель преломления сред.

  2. В цепь переменного тока частотой 400кГц и напряжением 100В последовательно включены конденсатор ёмкостью 400 пФ, катушка индуктивностью 400 мкГн и резистор сопротивлением 10Ом. Найдите силу тока в цепи.

  3. Какова красная граница фотоэффекта, если работа выхода электрона из металла 3,3 • 10 -19 Дж.

  4. Что такое лазер? Перечислите основные свойства лазерного излучения. Где используются лазеры?


«Переменный ток. Электромагнетизм. Электромагнитные волны. Радиоволны»

Вариант 1 (первый)

    1. Магнитный поток через контур проводника сопротивлением

3х10-2 Ом за 2 сек изменился на 1,2х10-2 Вб. Найдите силу тока в проводнике, если изменение магнитного потока происходило равномерно.

    1. Какой должна быть сила тока в обмотке катушки с индуктивностью

0,5 Гн, чтобы энергия поля была 1 Дж?

    1. В цепь переменного тока с частотой 400 Гц включена катушка с индуктивностью 0,1 Гн. Конденсатор какой ёмкости надо включить в эту цепь, чтобы осуществлялся резонанс?

    2. Величина тока в первичной обмотке понижающего трансформатора 0,6А, напряжение на ее концах 120В. Величина тока во второй обмотке 4,8 А, напряжение 12 В. Определите коэффициент полезного действия (КПП) данного трансформатора.

  1. На каком расстоянии от антенны радиолокатора находится объект, если отраженный от него радиосигнал возвращается обратно через

200 мксек?

  1. Радиолокационная станция изучает радиоволны с длинной волны

10 см. Какова частота колебаний?


Вариант 2 (второй)

  1. Чему равна индуктивность катушки, если за время 0,5 сек ток в цепи изменяется от 20А до 5А? При этом ЭДС самоиндукции на концах катушки равна 24В.

  2. Найти энергию магнитного поля соленоида, в котором при силе тока 10А возникает магнитный поток 0,5Вб.

  3. Конденсатор ёмкостью 2мкФ, катушка индуктивностью 0.05Гн и лампочка от карманного фонаря соединены последовательно и подключены к генератору. При какой частоте (v) лампочка горит ярче всего?

  4. Величина тока в первичной обмотке понижающего трансформатора 0,07А, напряжение на её концах 100В. Величина тока во вторичной обмотке 5А напряжение 11В. Определите коэффициент полезного действия (КПД) данного трансформатора.

  5. В радиоприемнике один из коротковолновых диапазонов может принимать передачи, длина которых от 24м до 26м. Найти частотный диапазон радиоволн.

  6. Частота электромагнитных колебаний, создаваемых передатчиком радиостанции, равна 6МГц. Какова длина электромагнитных волн, излучаемых радиостанцией?


Условия выполнения заданий

Требования охраны труда: инструктаж по технике безопасности, правилам поведения на занятии, по соблюдению дисциплины, наличие инструктора (преподаватель, лаборант).

Оборудование: предоставляется в соответствии с выполняемым ЛПЗ.

Литература для обучающихся:

Основные источники:

  1. Дмитриева В.Ф. Физика: учебник. – М., 2010.

Дополнительные источники:

  1. Громов С.В. Шаронова Н.В. Физика, 10—11: Книга для учителя. – М., 2004.

  2. Кабардин О.Φ., Орлов В.А. Экспериментальные задания по физике. 9—11 классы: учебное пособие для учащихся общеобразовательных учреждений. – М., 2001.

  3. Касьянов В.А. Методические рекомендации по использованию учебников В.А.Касьянова «Физика. 10 кл.», «Физика. 11 кл.» при изучении физики на базовом и профильном уровне. – М., 2006.

  4. Касьянов В.А. Физика. 10, 11 кл. Тематическое и поурочное планирование. – М., 2002.

  5. Лабковский В.Б. 220 задач по физике с решениями: книга для учащихся 10—11 кл. общеобразовательных учреждений. – М., 2006.

  6. Федеральный компонент государственного стандарта общего образования / Министерство образования РФ. – М., 2004.

  7. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2005.

  8. Генденштейн Л.Э. Дик Ю.И. Физика. Учебник для 11 кл. – М., 2005.

  9. Самойленко П.И., Сергеев А.В. Сборник задач и вопросы по физике: учеб. пособие. – М., 2003.

Использование ресурсов сети Интернет:

1.http://class-fizika.narod.ru/10-11_class.htm

2.http://barsic.spbu.ru/www/lab_dhtml/

3.http://otvet.ref.by/f.php

4.http://www.referat.ru/referats/view/24302

5.http://vudal.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=264:----11----&catid=60:2011-05-22-07-48-29&Itemid=44

6.http://www.torrentino.ru/torrents/165207

7.http://www.razym.ru/videobook/obrv/112087-fizika-programma-10-11-klassov-obuchayuschee-video.html

8.http://www.kodges.ru/94973-generator-testov-fizika.-kurs-10-11-klass.html

9.http://fizzi.narod.ru/file/did10-11.html

10.http://tfile.ru/forum/viewtopic.php?t=412100

11.http://reshebniik.narod.ru/reshenie1.html

12.http://obuk.ru/science/56337-virtualnyjj-nastavnik-fizika-10-11-klass.html




Эталоны ответов:



На теоретические вопросы.

  1. Механическое движение – это изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно других тел.

Из всех многообразных форм движения материи этот вид движения является самым простым.

Например: перемещение стрелки часов по циферблату, идут люди, колышутся ветки деревьев, порхают бабочки, летит самолет и т.д.

Определение положения тела в любой момент времени является основной задачей механики.

Движение тела, при котором все точки движутся одинаково, называется поступательным.

  • Материальная точка – это физическое тело, размерами которого в данных условиях движения можно пренебречь, считая, что вся его масса сосредоточенны в одной точке.

  • Траектория – это линия которую описывает материальная точка при своем движении.

  • Путь – это длина траектории движения материальной точки.

  • Перемещение – это направленный отрезок прямой (вектор), соединяющий начальное положение тела с его последующим положением.

  • Система отсчета – это: тело отсчета, связанная с ним система координат, а также прибор для отсчета времени.

Важная особенность мех. движения – его относительность.

Относительность движения – это перемещение и скорость тела относительно разных систем отсчета различны (например, человек и поезд). Скорость тела относительно неподвижной системы координат равна геометрической сумме скоростей тела относительно подвижной системы и скорости подвижной системы координат относительно неподвижной. (V1 – скорость человека в поезде, V0- скорость поезда, то V=V1+V0).

Классический закон сложения скоростей формулируется следующим образом: скорость движения материальной точки по отношению к системе отсчета, принимаемой за неподвижную, равна векторной сумме скоростей движения точки в подвижной системе и скорости движения подвижной системы относительно неподвижной. hello_html_m1d8042e7.gif

Характеристики механического движения связаны между собой основными кинематическими уравнениями.

s = v0t + at2/ 2;

v = v0 + at.

Предположим, что тело движется без ускорения (самолет на маршруте), его скорость в течение продолжительного времени не меняется, а = 0, тогда кинематические уравнения будут иметь вид: v = const, s = vt.

Движение, при котором скорость тела не меняется, т. е. тело за любые равные промежутки времени перемещается на одну и ту же величину, называют равномерным прямолинейным движением.

Во время старта скорость ракеты быстро возрастает, т. е. ускорение а > О, а == const.

В этом случае кинематические уравнения выглядят так: v = v0 + at, s = V0t + at2/ 2.

При таком движении скорость и ускорение имеют одинаковые направления, причем скорость изменяется одинаково за любые равные промежутки времени. Этот вид движения называют равноускоренным.

При торможении автомобиля скорость уменьшается одинаково за любые равные промежутки времени, ускорение меньше нуля; так как скорость уменьшается, то уравнения принимают вид:v = v0 + at, s = v0t - at2/ 2.Такое движение называют равнозамедленным.

  1. Равноускоренным называется движение с ускорением, постоянным по модулю и направлению. Скорость при равноускоренном движении вычисляется как hello_html_m5a539cbb.gif.

Отсюда формула для пути при равноускоренном движении выводится как:

hello_html_75d7c91c.gif



Также справедливы формулы hello_html_3f7c2a70.gif, выводимая из уравнений скорости и пути при равноускоренном движении.

При равномерном прямолинейном движении с постоянной скоростью U вектор скорости в каждой точке направлен вдоль траектории.

Средняя скорость и численное значение мгновенной – равны, при таком движении ускорение а остается величиной постоянной, причем нормальная составляющая равна 0.

Если направление ускорения совпадает с направлением скорости, то движение называется - равноускоренным, а если не совпадает – то, равнозамедленным.

3. Движение материальной точки по окружности. Центростремительное ускорение. Угловая скорость. Связь линейной и угловой скоростей.

Материальная точка – это физическое тело, размерами которого в данных условиях движения можно пренебречь, считая, что вся его масса сосредоточенны в одной точке.

Равномерное движение по окружности. Линейная и угловая скорость.

Любое движение на достаточно малом участке траектории возможно приближенно рассматривать как равномерное движение по окружности. В процессе равномерного движения по окружности значение скорости остается постоянным, а направление вектора скорости изменяется. .hello_html_m7a4c9b57.gif. Вектор ускорения при движении по окружности направлен перпендикулярно вектору скорости (направленному по касательной), к центру окружности. Промежуток времени, за который тело совершает полный оборот по окружности, называется периодом. hello_html_40a209b6.gif. Величина, обратная периоду, показывающая количество оборотов в единицу времени, называется частотой hello_html_m172e999a.gif. Применив эти формулы, можно вывести, что hello_html_5997b9f4.gif, или hello_html_2e863421.gif. Угловая скорость (скорость вращения) определяется как hello_html_m33985620.gif. Угловая скорость всех точек тела одинакова, и характеризует движения вращающегося тела в целом. В этом случае линейная скорость тела выражается как hello_html_m2bbe9245.gif, а ускорение – как hello_html_m4794087.gif.

Принцип независимости движений рассматривает движение любой точки тела как сумму двух движений – поступательного и вращательного. hello_html_m48e9e3fd.gif


  1. I закон Ньютона

  • Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор пока внешнее воздействие не заставит его изменить это состояние.

  • Инерция – стремление тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

  • Инерциальные системы отсчета – системы по отношению к которым выполняется I закон Ньютона.

I закон Ньютона утверждает существование и с.о.

М.т. сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока внешнее воздействие не выведет его из этого состояния.

Инерциальной системой отсчета можно считать гемеоцентрическую с.о.

Всякое изменение состояния, любое ускорение, есть результат действия на движущееся тело со стороны других тел.

  • Сила – это векторная физическая величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

  • Масса тела – физическая величина, являющаяся одной из основных характеристик матери, определяющая ее инерциальные и гравитационные свойства.

4 вида воздействия.

  1. Гравитационное (обусловленное всемирным тяготением)

  2. Электромагнитное (осуществляется через магнитное или электрическое поле)

  3. Сильное или ядерное (обеспечивающее связь части в атомном ядре)

  4. Слабое взаимодействие (ответственные за многие процессы распада элемент. частиц).

  • Физическое поле – особая форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающиеся с конечной скоростью действия одних частиц на другие.

Сила F полностью задана, если указаны ее модуль, направление в пространстве и точки приложения. Прямая вдоль которой направлена сила, называется линией действия силы.

  • Поле, действующее на мт с силой F, называется стационарным полем, если оно не изменяется с течением времени.

Для стационарного поля необходимо, чтобы создающие его тела покоились относительно инерциальной системы отсчета, использованной в данной задаче.

  1. Второй закон Ньютона устанавливает связь между кинематической характеристикой движения – ускорением, и динамическими характеристиками взаимодействия – силами. hello_html_m683a6bc.gif, или, в более точном виде, hello_html_7897c162.gif, т.е. скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на него силе. При одновременном действии на одно тело нескольких сил тело движется с ускорением, являющимся векторной суммой ускорений, которые возникли бы при воздействии каждой из этих сил в отдельности.

При любом взаимодействии двух тел отношение модулей приобретенных ускорений постоянно и равно обратному отношению масс. Т.к. при взаимодействии тел векторы ускорений имеют противоположное направление, можно записать, что hello_html_m74a360c0.gif. По второму закону Ньютона сила, действующая на первое тело равна hello_html_m4a4ea4eb.gif, а на второе hello_html_m10b6a220.gif. Таким образом, hello_html_m7d8e4e7b.gif.

  1. Третий закон Ньютона. В инерциальной системе отсчета силы взаимодействия двух тел равны по модулю и направлены в противоположные стороны. Третий закон отражает факт равноправия взаимодействующих тел.

Свойство тела сохранять свою скорость при отсутствии взаимодействий с другими телами называется инертностью. Физическая величина, являющаяся мерой инертности тела в поступательном движении, называется инертной массой. В механике Ньютона считается, что: а) масса тела равна сумме масс всех частиц (или материальных точек), из которых оно состоит; б) для данной совокупности тел выполняется закон сохранения массы: при любых процессах, происходящих в системе тел, ее масса остается неизменной.

Силой называется векторная физическая векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей.

  1. Импульс. Закон сохранения импульса. Реактивное движение.

Импульсом тела называют векторную физическую величину, являющуюся количественной характеристикой поступательного движения тел. Импульс обозначается р. Единица измерения импульса Р — кг • м/с. Импульс тела равен произведению массы тела на его скорость: р = mv. Направление вектора импульса р совпадает с направлением вектора скорости тела v (рис. 4).

Для импульса тел выполняется закон сохранения, который справедлив только для замкнутых физических систем. В общем случае замкнутой называют систему, которая не обменивается энергией и массой с телами и полями, не входящими в нее. В механике замкнутой называют систему, на которую не действуют внешние силы или действие этих сил скомпенсировано. В этом случае р1 = р2 где р1 — начальный импульс системы, а р2 — конечный. В случае двух тел, входящих в систему, это выражение имеет вид m1v1 + т2v2 = m1v1' + т2v2' где т1 и т2 — массы тел, а v1 и v2, — скорости до взаимодействия, v1' иv2' — скорости после взаимодействия. Эта формула и является математическим выражением закона сохранения импульса: импульс замкнутой физической системы сохраняется при любых взаимодействиях, происходящих внутри этой системы.

Единица импульса в СИ — Н • с.

Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения. Реактивное движение — это такое движение тела, которое возникает после отделения от тела его части.

Пусть тело массой т покоилось. От тела отделилась какая-то его часть т1 со скоростью v1. Тогда

оставшаяся часть придет в движение в противоположную сторону со скоростью v2, масса оставшейся части т2 Действительно, сумма импульсов обоих частей тела до отделения была равна нулю и после разделения будет равна нулю:

т1v1 +m2v2 = 0, отсюда v1 = -m2v2/m1.

Большая заслуга в развитии теории реактивного движения принадлежит К. Э. Циолковскому.

Он разработал теорию полета тела переменной массы (ракеты) в однородном поле тяготения и рассчитал запасы топлива, необходимые для преодоления силы земного притяжения; основы теории жидкостного реактивного двигателя, а так же элементы его конструкции; теорию многоступенчатых ракет, причем предложил два варианта: параллельный (несколько реактивных двигателей работают одновременно) и последовательный (реактивные двигатели работают друг за другом). К. Э. Циолковский строго научно доказал возможность полета в космос с помощью ракет с жидкостным реактивным двигателем, предложил специальные траектории посадки космических аппаратов на Землю, выдвинул идею создания межпланетных орбитальных станций и подробно рассмотрел условия жизни и жизнеобеспечения на них. Технические идеи Циолковского находят применение при создании современной ракетно-космической техники. Движение с помощью реактивной струи, по закону сохранения импульса, лежит в основе гидрореактивного двигателя. В основе движения многих морских моллюсков (осьминогов, медуз, кальмаров, каракатиц) также лежит реактивный принцип.

  1. Закон всемирного тяготения. Гравитационная постоянная и ее измерения. Сила тяжести. Вес тела. Невесомость. Движение тел под действием силы тяжести.

Закон всемирного тяготения:

Все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно проп. Квадрату расстояния между ними. Эту силу называют силой тяготения.

F=G*m1*m2/r^2, где G- коэффициент пропорциональности- гравитационная постоянная. [G]=6.67 * 10^-11 Н*м^2/кг^2.

Границы применимости:

  1. только для м.т.

  2. тел, имеющих форму шара

  3. шара большого радиуса, взаимодействующего с телами, размеры которых много меньше размеров шара.

Закон неприменим, например, для взаимодействия бесконечного стержня и шара.

Сила тяжести – это сила с которой Земля притягивает к себе тело. Пропорциональна массе тела и сообщает ему ускорение свободного падения.

g=G*M/r^2, те g не зависит от массы, но зависит от высоты тела над Землей, от широты места (Земля не инерциальная система отсчета, от породы земной коры, от формы Земли.

Сила тяготения и сила тяжести носят гравитационный характер.

Свободное падение тела является частным случаем равноускоренного движения, при условии, что ускорение а<=g, где g –ускорени свободного падения.

  • Свободным паденим называется такое движение тела, при котором м.т. (тело) движется под действующей только силы тяжести, при этом сопротивление воздуха не учитывается.





При движении тела вверх применимы все формулы для равнозамедленного движения; всегда есть начальная скорость, а конечная при таком движении обращается в О.







Вес тела – это сила с которой тело действует на опору или подвес, вследствие притяжения его к Земле.

На покоящееся тело действует сила тяжести и сила реакции опоры, эта сила упругости и есть вес тела (по третьему з-н Ньютона).

Когда тело совершает свободное падение (a=g), то взаимодействие между телом и опорой отсутствует и вес тела равен 0. Это случай полной невесомости.

Может наблюдаться в следующих случаях:

1. при движении когда совпадают направления начальной скорости и ускорения

  1. при движении, когда начальная скорость и ускорение противоположны

3. движение спутника по орбите

  1. когда тело находится между Землей и Луной

  2. лженевесомость наблюдается в воде.


  1. Сила упругости. Виды упругих деформаций. Закон Гука. Модуль Юнга. Диаграмма растяжения.

Деформация это процесс изменения формы и размеров тела. Деформация Е – это безразмерная величина, равная отношению размера изделия дельта эль к исходному размеру эль нулевое. Механическое напряжение – величина, характеризующая упругие силы на единицу площади, численно раная отношению силы упругости к площади поперечного сечения образца.

Закон Гука. Ряд растяжения или сжатия, характеризующегося вектором деформации (удлинения или сжатия) дельта l: сила упругости пропорциональна вектору деформации и противоположна ему по направлению. Механическое напряжение возникающая в образце пропорциональна относительному удлинению сигма=EE.

σ=F/S, F/S=E*дельтаl/l0 F=(ES/l0)*дельта l. F=k*дельта l.

Жесткость K=ES/l0. Упругая деф. – деф, при котором при снятии нагрузки образец восстанавливает свою форму. Пластичная наоборот. Пластичная деформация происходит путем взаимных сдвигов соседних слоев материала, причем эти сдвиги имеют необратимый характер. Запас прочности величина, показывающая во сколько раз предел прочности больше допустимой нагрузки. Деформация: растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб, кручение.

Коэффициент пропорциональности Е называют модулем Юнга и определяют по формуле σ=Е│ε│

  1. Сила трения. Коэффициент трения скольжения. Учет и использования трения в быту и технике. Трения в жидкостях и газах.

Сила, возникающая на границе взаимодействия тел при отсутствии относительного движения тел, называется силой трения покоя. Сила трения покоя равна по модулю внешней силе, направленной по касательной к поверхности соприкосновения тел и противоположна ей по направлению. При равномерном движении одного тела по поверхности другого под воздействием внешней силы на тело действует сила, равная по модулю движущей силе и противоположная по направлению. Эта сила называется силой трения скольжения. Вектор силы трения скольжения направлен против вектора скорости, поэтому эта сила всегда приводит к уменьшению относительной скорости тела. Силы трения также, как и сила упругости, имеют электромагнитную природу, и возникают за счет взаимодействия между электрическими зарядами атомов соприкасающихся тел. Экспериментально установлено, что максимальное значение модуля силы трения покоя пропорционально силе давления. Также примерно равны максимальное значение силы трения покоя и сила трения скольжения, как примерно равны и коэффициенты пропорциональности между силами трения и давлением тела на поверхность. Сила трения – механическая сила, в земных условиях трение и сила трения всегда сопутствуют любому движению тел. Сила трения возникает при непосредственном соприкосновении тел и всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения.

Трение покоя. Сила трения покоя равна по модулю и направлена противоположно силе, приложенной к покоящемуся телу параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом. Сила трения покоя мешает сдвинуть с места тяжёлый предмет. Максимальная сила трения покоя пропорциональна силе нормального давления. Сила трения покоя не только мешает телу начать двигаться, но и служит причиной начала движения.

Трение скольжения. На движущееся тело действует сила трения скольжения ( по модулю почти равна максимальной сие трения покоя), направлена всегда в сторону, противоположную направлению движения (напр – ию вектора скорости) тела относительно того тела, с которым оно соприкасается. Значит ускорение, сообщаемое силой трения телу, направлено против движения тела. Сила трения скольжения пропорциональна силе давления. Коэффициент трения характеризует не тело, на которое действует сила трения, а сразу на два соприкасающихся тела. Значение коэффициента зависит от материала, обработки поверхности тела, относительной скорости (при изменении направления скорости изменяется и направление силы трения) …не зависит от площади, и относительного положения тел. Трение между твердыми телами – сухое трение.

Жидкое трение. Сила жидкого трения много меньше силы сухого трения. В жидкости и газе нет силы трения покоя (даже самая малая сила, приложенная к телу в жидкости или газе, сообщает ему ускорение. Сила жидкого трения зависти от направления движения, значения скорости (при небольших скоростях она пропорциональна скорости тела, а при больших – квадрату скорости). Сила сопротивления зависит от формы тела. Форма тела, при которой сопротивление мало называют обтекаемой формой.

  1. Второй закон Ньютона устанавливает связь между кинематической характеристикой движения – ускорением, и динамическими характеристиками взаимодействия – силами. hello_html_356c6518.gif, или, в более точном виде, hello_html_m6e159f99.gif, т.е. скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на него силе. При одновременном действии на одно тело нескольких сил тело движется с ускорением, являющимся векторной суммой ускорений, которые возникли бы при воздействии каждой из этих сил в отдельности. Действующие на тело силы, приложенные к одной точке, складываются по правилу сложения векторов. Это положение называют принципом независимости действия сил. Центром масс называется такая точка твердого тела или системы твердых тел, которая движется так же, как и материальная точка массой, равной сумме масс всей системы в целом, на которую действуют та же результирующая сила, что и на тело. hello_html_d654ba1.gif. Центр тяжести – точка приложения равнодействующей всех сил тяжести, действующих на частицы этого тела при любом положении в пространстве. Если линейные размеры тела малы по сравнению с размером Земли, то центр масс совпадает с центром тяжести. Сумма моментов всех сил элементарных тяжести относительно любой оси, проходящей через центр тяжести, равна нулю.Untitled-1 copy

2) hello_html_3a165f9e.gif-плечо силы- кратчайшее расст-ние от точки оси вращения до линии действия силы. hello_html_mb3e5625.gif F<0, т.к. F, вызывает вращение против часовой стрелки. Так же F2>0,

т.к поворот по часовой стрелке.

Условие равновесия тел (№2), имеющих ось вращения:суммы моментов сил = 0

hello_html_m62a00377.gifhello_html_75fbd96.gif

А если тело не имеет оси вращения, то условие равновесия: сема сил, приложенных к телу=0 hello_html_575f255b.gif


hello_html_m779e9679.gifБезымянный

Равновесие – это либо состояние покоя, либо равномерное движение.

Принцип минимума потенциальной энергии. Одномерное движение частицы вдоль оси 0х может быть ограничено следующим образом. В области hello_html_61549b6.gif

частица движется свободно. За пределы области 0L она выйти не может. На границах области 0L, в точках х=0 и х=L, потенциальная энергия П частицы становится равной бесконечности. Такое движение частицы наз-ся движением в прямоугольной одномерной потенциальной яме.



  1. Механическая работа и мощность. Энергия: Закон сохранения энергии в механических процессах.

Элементарной работой силы на элементарном перемещении материальной точки называется скалярная физическая величина. Значение элементарной работы силы зависит от выбора системы отсчета. Единица работы – Дж. Потенциальными называются силы, работа которых зависит от начального и конечного положения движущейся материальной точки или тела и не зависит от формы траектории. При замкнутой траектории работа потенциальной силы всегда равна 0. К потенциальным силам относятся силы тяготения, силы упругости и электрические силы. Быстроту выполнения работы в технике характеризуют мощностью. Она показывает, какая работа совершается телом в единицу времени. Это скорость совершения работы N=A/t. Измеряется в ваттах (за 1 с выполняется работы в 1 Дж).

Закон сохранения механической энергии: механическая энергия системы, в которой действуют потенциальные силы, сохраняется постоянной в процессе движения системы.

E1+E2=E1’+Е2’

  1. Механическими колебаниями называют движения тела, повторяющиеся точно или приблизительно через одинаковые промежутки времени. Основными характеристиками механических колебаний являются: смещение, амплитуда, частота, период. Смещение — это отклонение от положения равновесия. Амплитуда — модуль максимального отклонения от положения равновесия. Частота — число полных колебаний, совершаемых в единицу времени. Период — время одного полного колебания, т. е. минимальный промежуток времени, через который происходит повторение процесса. Период и частота связаны соотношением: v = 1/T.hello_html_785e169f.png

Гармоническими называют колебания, при которых какая-либо физическая величина, описывающая процесс, изменяется со временем по закону косинуса или синуса:

Свободными — называют колебания, которые совершаются за счет первоначально сообщенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на систему, совершающую колебания. Например, колебания груза на нити (рис. 9).hello_html_m407f3ffb.png

Рассмотрим процесс превращения энергии на примере колебаний груза на нити (см. рис. 9).

При отклонении маятника от положения равновесия он поднимается на высоту h относительно нулевого уровня, следовательно, в точке А маятник обладает потенциальной энергией mgh. При движении к положению равновесия, к точке О, уменьшается высота до нуля, а скорость груза увеличивается, и в точке О вся потенциальная энергия mgh превратится в кинетическую энергию mvг/2. В положении равновесия кинетическая энергия имеет максимальное значение, а потенциальная энергия минимальна. После прохождения положения равновесия происходит превращение кинетической энергии в потенциальную, скорость маятника уменьшается и при максимальном отклонении от положения равновесия становится равной нулю. При колебательном движении всегда происходят периодические превращения его кинетической и потенциальной энергий.

При свободных механических колебаниях неизбежно происходит потеря энергии на преодоление сил сопротивления. Если колебания происходят под действием периодически действующей внешней силы, то такие колебания называют вынужденными. Например, родители раскачивают ребенка на качелях, поршень движется в цилиндре двигателя автомобиля, колеблются нож электробритвы и игла швейной машины. Характер вынужденных колебаний зависит от характера действия внешней силы, от ее величины, направления, частоты действия и не зависит от размеров и свойств колеблющегося тела. Например, фундамент мотора, на котором он закреплен, совершает вынужденные колебания с частотой, определяемой только числом оборотов мотора, и не зависит от размеров фундамента.


  1. Механические волны и их свойства. Распространение колебаний в упругих средах. Длина волны. Звуковые волны и их свойства. Эхо. Акустический резонанс.

Мир наполнен самыми разнообразными звуками: тиканьем часов и гулом моторов, шелестом листов и завыванием ветра, пением птиц и голосами людей. О том, как рождаются звуки и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Достигая уха, звук воздействует на барабанные перепонки и вызывает ощущение звука. На слух человек воспринимает упругие волны , имеющие частоту в переделах от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц – одно колебание в секунду). Вот почему упругие волны в любой среде, частоты которых лежат в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. В воздухе при температуре 0 и нормальном атмосферном давлении звук распространяется со скоростью 330 м/с, а в морской воде – около 1500 м/с, а в некоторых металлах его скорость достигает 700 м/с. Упругие волны с частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком, а с частотой превышающей 20 кГц – ультразвуком. Звук может распространяться в виде продольных и поперечных волн. В газообразном состоянии возникают только продольные волны, когда колебательное движение частиц происходит лишь в том направлении, в котором распространяется волна. В твердых тела помимо продольных возникает и поперечные, когда частицы среды колеблются в направлении, перпендикулярных направлению волны. Звуковые волны несут с собой энергию, которую сообщают им источник звука. Величину кинетической энергии, протекающей за оду секунду через квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны, вычислил Николай Алексеевич Наумов. Эту величину назвали потоком энергии. Она выражает меру интенсивности, или, как еще говорят, силы звука. Всякий реальный звук – это непросто гармоническое колебание, а своеобразная смесь многих гармонических колебаний с определенным набором частот. Музыкальный звук характеризуется тремя качествами: высотой (определяюще2йся чистом колебаний в секунду – частотой), громкостью (зависящей от интенсивности колебаний) и тембром – окраской звука (зависящей от формы колебаний). Из –за конечной скорости звука появляется эхо. Чтобы его услышать, можно произнести громкий звук перед крупным зданием, отстоящим от вас на 20 –30 метров. Распространяющаяся звуковая волна, встретив на своем пути большую преграду – стену здания, отражается от нее. Когда отраженная волна достигает нашего уха, мы слышим отголосок или эхо. Эхо – это звуковая волна, отраженная какой – либо преградой и возвратившаяся в то место, откуда она начала распространяться. Легко понять, что мы слышим эхо через такой промежуток времени. В течении которого звуковая волна проходит путь до преграды и обратно, те проходит двойное расстояние между источником звука и преградой. S=V*t/2. Излучая короткие импульсы волн и улавливая их эхо, измеряют время движения волны от преграды и обратно, а потом определит расстояние до преграды. В этом суть эхолокации. Волна – распространение колебаний в пространстве … от точки к точке от частицы к частице. Скорость распространения волны – скорость волны, которая равна произведению частоты колебаний в волне на длину волны. Волна, в которой колебания происходят вдоль той же прямой, что и их распространение, называют продольной волной. Волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном направлению колебаний частиц в волне, называется поперечной.

Энергия пропорциональна квадрату амплитуды колебаний. Звуковые колебания, переносимые звуковой волной, могут служить вынуждающей, периодически изменяющейся силой для колебательных систем и вызвать в этих системах явление резонанса(это акустический резонанс).

Для звучания – резонаторы.

  1. Гидро и аэростатика. Общие свойства жидких и газообразных тел. Закон Паскаля. Сила Архимеда. Условия плавания тел.

Физическая величина, равная отношению модуля силы, действующей перпендикулярно поверхности к площади это поверхности, называется давлением. Единица давления – паскаль, равный давлению, производимому силой в 1 ньютон на площадь в 1 квадратный метр. Все жидкости и газы передают производимое на них давление во все стороны. В цилиндрическом сосуде сила давления на дно сосуда равна весу столба жидкости. Давление на дно сосуда равноhello_html_m37af507a.gif, откуда давление на глубине h равно hello_html_m1f99d9e6.gif. На стенки сосуда действует такое же давление. Равенство давлений жидкости на одной и той же высоте приводит к тому, что в сообщающихся сосудах любой формы свободные поверхности покоящейся однородной жидкости находятся на одном уровне (в случае пренебрежимо малости капиллярных сил). В случае неоднородной жидкости высота столба более плотной жидкости будет меньше высоты менее плотной.

Зависимость давления в жидкости и газе от глубины приводит к возникновению выталкивающей силы, действующей на любое тело, погруженное в жидкость или газ. Эту силу называют архимедовой силой. Если в жидкость погрузить тело, то давления на боковые стенки сосуда уравновешиваются друг другом, а равнодействующая давлений снизу и сверху является архимедовой силой. hello_html_3b350cf7.gif

т.е. силы, выталкивающая погруженное в жидкость (газ) тело, равна весу жидкости (газа), вытесненной телом. Архимедова сила направлена противоположно силе тяжести, поэтому при взвешивании в жидкости вес тела меньше, чем в вакууме. На тело, находящееся в жидкости, действует сила тяжести и архимедова сила. Если сила тяжести по модулю больше – тело тонет, меньше – всплывает, равны – может находиться в равновесии на любой глубине. Эти отношения сил равны отношениям плотностей тела и жидкости (газа).

16. Гидро и аэродинамика. Уравнение Бернулли. Движение тел в жидкостях и газах.



17. Основные положения молекулярно- кинетической теории и их опытные обоснования. Размеры и масса молекул.

Можно выделить три основных положения молекулярно-кинетической теории, которая объясняет свойства тел, состоящих из огромного числа молекул, а также особенности тепловых процессов, в них протекающих:

  1. вещество состоит из отдельных мельчайших частиц, называемых молекулами; молекула – это наименьшая электрически нейтральная частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами и могущая существовать самостоятельно;

  2. молекулы находятся в беспристрастном, хаотическом движении;

  3. молекулы взаимодействуют друг с другом.

Реальное существование молекул подтверждает огромное количество экспериментальных фактов. Так, всем известно, что твердое вещество можно раздробить либо растворить в воде или других растворителях. Мы знаем что газы могут расширятся или сжиматься. Броуновское движение или диффузия свидетельствуют о том. Что между молекулами одного и того же вещества есть промежутки.

Молекулы в веществе взаимодействуют друг с другом: наличие сил притяжения подтверждает тот факт, что тела сами по себе не распадаются на молекулы, а для разрыва, например, твердого тела требуется усилие. О наличии сил притяжения можно судить по тому, что две близко расположенные капли жидкости слипаются.

Твердые тела и жидкости практически несжимаемы. Само же существование твердых те и жидкостей свидетельствует о том, что силы отталкивания убывают с увеличением расстояния быстрее, чем силы притяжения. Если бы последние убывали быстрее сил отталкивания, то в природе просто не было бы больших устойчивых совокупностей молекул, так как молекулы разлетелись бы под действием под действием сил отталкивания.

Молекула – это наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Молекула способна с самостоятельному существованию. Она может состоять из одинаковых атомов и различных. Сущность молекулы можно описать и с другой точки зрения: молекула -–это устойчивая система, состоящая из атомных ядер и окружающих электронов, причем химические свойства молекул определяются электронами внешних оболочек в атомах. Атомы объединяются в молекулы в большинстве случаев химическими связями. Обычно такая связь создается одной, двумя или тремя парами электронов, которыми владеют сообща два атома. Молекулы характеризуются определенным размером и формой. Если известны молекулярный вес и плотность данного вещества. То вычислить размер его молекул несложно. Для этого надо объем, занимаемый грамм – молекулой вещества, разделить на число Авогадро (6,02*10^23 1/моль). Зная диаметр молекулы и плотность вещества можно определить массу молекулы m=p*V

18. Идеальный газ. Вывод основного положения молекулярно- кинетической теории идеального газа. Температура как мера средней кинетической энергии молекул.

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа. Идеальным принято считать газ, если:

а) между молекулами отсутствуют силы притяжения, т. е. молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела;

б) газ очень разряжен, т. е. расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул;

в) тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно. Условия, необходимые для того, чтобы реальный газ обрел свойства идеального, осуществляются при соответствующем разряжении реального газа. Некоторые газы даже при комнатной температуре и атмосферном давлении слабо отличаются от идеальных.

Основными параметрами идеального газа являются давление, объем и температура.


Одним из первых и важных успехов МКТ было качественное и количественное объяснение давления газа на стенки сосуда. Качественное объяснение заключается в том, что молекулы газа при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела и передают свои импульсы стенкам сосуда.

На основании использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено основное уравнение МКТ идеального газа, которое выглядит так: р = 1/3 т0пv2.

Здесь р — давление идеального газа, m0

масса молекулы, п — концентрация молекул, v2 — средний квадрат скорости молекул.

Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа Еk получим основное уравнение МКТ идеального газа в виде: р = 2/3nЕk.

Однако, измерив только давление газа, невозможно узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужно измерение какой-то еще физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной в физике является температура. Температура — скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия (состояния, при котором не происходит изменения микроскопических параметров). Как термодинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, как молекулярно-кинетическая величина характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической энергией.


Ek = 3/2 kT, где k = 1,38 • 10-23 Дж/К и называется постоянной Больцмана.

Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Измеряется температура термометрами в градусах различных температурных шкал. Существует абсолютная термодинамическая шкала (шкала Кельвина) и различные эмпирические шкалы, которые отличаются начальными точками. До введения абсолютной шкалы температур в практике широкое распространение получила шкала Цельсия (за О °С принята точка замерзания воды, за 100 °С принята точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении).

19. Насыщенный и ненасыщенный пар. Зависимость давления насыщенного пара от

температуры. Кипение. Критическая температура. Относительная влажность воздуха и ее измерение.

Испарение — парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Неравномерное распределение кинетической энергии теплового движения молекул приводит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Большей кинетической энергией обладают молекулы, имеющие большую скорость, а температура тела зависит от скорости движения его молекул, следовательно, испарение сопровождается охлаждением жидкости. Скорость испарения зависит: от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жидкости. Конденсация — процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое. Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизменной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала испарения концентрация вещества в газообразном состоянии достигнет такого значения, при котором число молекул, возвращающихся в жидкость, становится равным числу молекул, покидающих жидкость за то же время. Устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации вещества. Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром. (Паром называют совокупность молекул, покинувших жидкость в процессе испарения.) Пар, находящийся при давлении ниже насыщенного, называют ненасыщенным.

Вследствие постоянного испарения воды с поверхностей водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосферное давление представляет собой сумму давления сухого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отличие от ненасыщенного не подчиняется законам идеального газа. Так, давление насыщенного пара не зависит от объема, но зависит от температуры. Эта зависимость не может быть выражена простой формулой, поэтому на основе экспериментального изучения зависимости давления насыщенного пара от температуры составлены таблицы, по которым можно определить его давление при различных температурах. Давление водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, называют абсолютной влажностью, или упругостью водяного пара. Поскольку давление пара пропорционально концентрации молекул, можно определить абсолютную влажность как плотность водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, выраженную в килограммах на метр кубический (р). Большинство явлений, наблюдаемых в природе, например быстрота испарения, высыхание различных веществ, увядание растений, зависит не от количества водяного пара в воздухе, а от того, насколько это количество близко к насыщению, т. е. от относительной влажности, которая характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.

При низкой температуре и высокой влажности повышается теплопередача и человек подвергается переохлаждению. При высоких температурах и влажности теплопередача, наоборот, резко сокращается, что ведет к перегреванию организма. Наиболее благоприятной для человека в средних климатических широтах является относительная влажность 40—60%. Относительной влажностью называют отношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах, т. е. = р/р0 • 100%, или (р = р/р0 • 100%. Относительная влажность колеблется в широких пределах. Причем суточный ход относительной влажности обратен суточному ходу температуры. Днем, с возрастанием температуры, и следовательно, с ростом давления насыщения относительная влажность убывает, а ночью возрастает. Одно и то же количество водяного пара может либо насыщать, либо не насыщать воздух. Понижая температуру воздуха, можно довести находящийся в нем пар до насыщения. Точкой росы называют температуру, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами и психрометрами.

При кипении по всему объему жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверхность. Температура кипения жидкости остается постоянной. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия расходуется на превращение ее в пар. В жидкости всегда присутствуют растворенные газы, которые выделяются на дне и стенках сосуда, а так же на взвешенных в жидкости пылинках. Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются ненасыщенными. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает и пузырьки увеличиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они всплывают. Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то в этих слоях происходит конденсация пара в пузырьках. Давление стремительно падает и пузырьки захлопываются. Захлопывание происходит настолько быстро, сто стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Когда жидкость достаточно прогреется, пузырьки перестанут захлопываться и всплывут на поверхность. Жидкость закипит. Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависти от давления на ее поверхность. Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости. Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения. Критическая температура – это температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и ее насыщенным паром. При критической температуре плотность и давление насыщенного пара становятся максимальными, а плотность жидкости , находящейся в равновесии с паром, - минимальной. Особое значение критической температуры состоит в том, что при температуре выше критической ни при каких давлениях газа нельзя обратить в жидкость. Газ, имеющий температуру ниже критической, представляет собой ненасыщенный пар.

20. Свойства поверхности жидкостей. Поверхностное натяжение. Смачивание и не смачивание. Капиллярные явления.

21. Кристаллические тела и их свойства. Монокристаллы и поликристаллы. Аморфные тела.

Каждый может легко разделить тела на твердые и жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твердые тела, будем их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) — это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах — это аморфные. Третьи будут изменять свое состояние при нагревании так, как показано на графике (рис. 12). Это и есть кристаллические тела. Такое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением. Кристаллические тела — это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определенном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле называют кристаллической решеткой. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.

Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристаллами. Монокристалл обладает единой кристаллической решеткой во всем объеме.

Анизотропия монокристаллов заключается в зависимости их физических свойств от направления. Поликристалл представляет собой соединение мелких, различным образом ориентированных монокристаллов (зерен) и не обладает анизотропией свойств.

Большинство твердых тел имеют поликристаллическое строение (минералы, сплавы, керамика).

Основными свойствами кристаллических тел являются: определенность температуры плавления, упругость, прочность, зависимость свойств от порядка расположения атомов, т. е. от типа кристаллической решетки.

Аморфными называют вещества, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объему этого вещества. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны. Это значит, что свойства одинаковы по всем направлениям. Переход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, отсутствует определенная температура плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластичны. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. п.

hello_html_m253e29e1.gifУпругость — свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. Для упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому упругие деформации прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям , где — механическое напряжение,


относительное удлинение, Е — модуль Юнга (модуль упругости). Упругость обусловлена взаимодействием и тепловым движением частиц, из которых состоит вещество.

Пластичность — свойство твердых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после того, как действие этих сил прекратится.

22. Внутренняя энергия и способы ее изменения. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия идеального газа. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам и адиабатному процессу.

Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия — это величина, характеризующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U=3/2• т/М • RT.

Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существуют два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении).

Теплопередача — это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты (Q).

Эти способы количественно объединены в закон сохранения энергии, который для тепловых процессов читается так. Изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы, внешних сил, совершенной над системой. U= Q + А, где U— изменение внутренней энергии, Q — количество теплоты, переданной системе, А — работа внешних сил. Если система сама совершает работу, то ее условно обозначают А'. Тогда закон сохранения энергии для тепловых процессов, который называется первым законом термодинамики, можно записать так: Q = Α' + U, т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы и изменение ее внутренней энергии.

При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами Α' = p(V1-V2) = pΔV, где

V1, и V2 — начальный и конечный объем газа. Если процесс не является изобарным, величина работы может быть определена площадью фигуры, заключенной между линией, выражающей зависимость p(V) и начальным и конечным объемом газа (рис. 13).

Рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам, происходящим с идеальным газом.

В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: Q = А', т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется.hello_html_7b38103.png

В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы: Q = U + А'.

При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е., А = О, и уравнение первого закона имеет вид:

Q = U, т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.

Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q = 0, следовательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следовательно, газ охлаждается, Α' = U. Кривая, изображающая адиабатный процесс, называется адиабатой.

Адиабатный процесс. Показатель адиабаты.

Адиабатным называется процесс, происходящий при условии отсутствия теплообмена. Близким к адиабатному может считаться процесс быстрого расширения или сжатия газа. При этом процессе работа совершается за счет изменения внутренней энергии, т.е. hello_html_672db4a0.gif, поэтому при адиабатном процессе температура понижается. Поскольку при адиабатном сжатии газа температура газа повышается, то давление газа с уменьшением объема растет быстрее, чем при изотермическом процессе.

Процессы теплопередачи самопроизвольно осуществляются только в одном направлении. Всегда передача тепла происходит к более холодному телу. Второй закон термодинамики гласит, что неосуществим термодинамический процесс, в результате которого происходила бы передача тепла от одного тела к другому, более горячему, без каких-либо других изменений. Этот закон исключает создание вечного двигателя второго рода.

Показатель адиабаты. Уравнение состояния имеет вид PVγ = const.,

где γ = Cp /Cvпоказатель адиабаты.

Теплоемкость газа зависит от условий, при которых тепло …

Если газ нагреть при постоянном давлении P, то его теплоемкость обозначается СV.

Если - при постоянном V, то обозначается Cp.


23. Принцип действия тепловых двигателей. КПД теплового двигателя. Роль тепловых машин.

Тепловым двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей является ДВС. Принцип действия заключается в том, что энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершает работу. Так внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию поршня.

Только в идеальных условиях полная работа равна работе полезной. Отношение полезной работы к полной называется КПД. КПД любого механизма всегда меньше 100%.

24. Электрическое взаимодействие и электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

  • Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

  • Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

  • Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда.

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

q1 + q2 + q3 + ... +qn = const.


Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164548918-1.gif

Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164548938-2.gifи http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164548938-3.gifОднако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.


25. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Линии напряженности.

Взаимодействие зарядов по закону Кулона является экспериментально установленным фактом. Однако математическое выражение закона взаимодействия зарядов не раскрывает физической картины самого процесса взаимодействия, не отвечает на вопрос, каким путем осуществляется действие заряда q1 на заряд q2.
Возможный ответ на этот вопрос давала
теория дальнодействия, которая утверждала, что электрические заряды обладают способностью мгновенно действовать друг на друга на расстоянии.
Теория близкодействия, созданная на основе работ английского физика Майкла Фарадея (1791—1867), объясняет взаимодействие электрических зарядов тем, что вокруг каждого электрического заряда существует электрическое поле. Электрическое поле заряда — материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды.
Согласно представлениям теории близкодействия, взаимодействие электрических зарядов
q1 и q2 есть результат действия поля заряда q1 на заряд q2 и поля заряда q2 на заряд q1.
Количественное выражение электростатического взаимодействия в теории дальнодействия и в теории близкодействия имеет один и тот же вид (закон Кулона). Поэтому на основе изучения законов электростатики нельзя сделать обоснованный выбор между этими двумя теориями.
Тот факт, что электрическое поле объективно существует, что оно материально, доказывается опытами с ускоренно движущимися электрическими зарядами.
Пока электрические заряды
q1 и q2 неподвижны и находятся в точках А и В, на заряд q2 со стороны заряда q1 действует сила http://physics.kgsu.ru/school/sprav_mat/formuli_3/714.gif, направленная вдоль прямой АВ

http://physics.kgsu.ru/school/sprav_mat/pic_3/0099r1.gif

Если в некоторый момент времени t заряд q1, начнет двигаться из точки А к точке С, модуль и направление силы http://physics.kgsu.ru/school/sprav_mat/formuli_3/714.gif, действующей на заряд q2, должны измениться. Согласно представлениям теории дальнодействия, эти изменения должны происходить мгновенно, т. е. в любой момент времени сила http://physics.kgsu.ru/school/sprav_mat/formuli_3/714.gifдолжна быть направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, и модуль силы http://physics.kgsu.ru/school/sprav_mat/formuli_3/714.gifдолжен определяться по закону Кулона.
Однако в действительности наблюдается другая картина. Если в некоторый момент времени
t заряд q1 выходит из состояния покоя и движется ускоренно, то изменение силы http://physics.kgsu.ru/school/sprav_mat/formuli_3/714.gif, действующей со стороны заряда q1 на заряд q2, наблюдается лишь через интервал времени http://physics.kgsu.ru/school/sprav_mat/formuli_3/726.gif, определяемый выражением

http://physics.kgsu.ru/school/sprav_mat/formuli_3/727.gif,

где l — расстояние между зарядами, c — скорость света, равная 300 000 км/с. Запаздывание изменений взаимодействия электрических зарядов при их ускоренном движении доказывает справедливость теории близкодействия, т. е. существование электрического поля как материального объекта, способного действовать на электрические заряды. Скорость света c есть скорость распространения изменений, возникающих в электрическом поле при ускоренном движении электрических зарядов.
Запаздывание изменений в электрическом поле на расстояниях в несколько метров обнаружить довольно трудно из-за большой скорости их распространения. А в космонавтике эти запаздывания не только легко обнаружимы, но и создают определенные трудности в управлении космическими аппаратами.
Например, команды, отправленные антеннами радиопередатчиков с пункта космической связи, достигали приемных антенн лунохода лишь через 1,3 с после их отправления, так как расстояние от Земли до Луны составляет примерно 400 тыс. км. При осуществлении посадки на поверхность планеты Венера автоматические космические станции «Венера» получали команды с Земли спустя 3,5 мин после их отправления, так как расстояние между Землей и Венерой при этом превышало 60 млн. км.

Напряженность электрического поля. Физическая величина, равная отношению силы, с которой электрическое поле действует на точечный электрический заряд, к значению этого заряда, называется напряженностью электрического поля. Обозначив напряженность буквой http://physics.kgsu.ru/school/sprav_mat/formuli_3/730.gif, запишем

http://physics.kgsu.ru/school/sprav_mat/formuli_3/731.gif

26. Работа сил электрического поля. Потенциал и разность потенциалов. Эквипотенциальные поверхности. Связь между напряженностью и разностью потенциалов.

Потенциалом данной точки поля называется работа, которую затрачивает электрическое поле, когда оно перемещает положительную единицу заряда из данной точки поля в бесконечно удаленную точку. Чтобы переместить заряд +q из бесконечно удаленной точки снова в точку М, внешние силы должны произвести работу А, идущую на преодоление электрических сил поля. Тогда для потенциала φ точки М получим

http://servomotors.ru/documentation/electrical_engineering/2/index.files/image054.jpg

Если заряд, равный 1 кулону, из бесконечно удаленной точки перемещается в точку поля, потенциал которой равен 1 вольту, то при этом совершается работа в 1 джоуль. Если же в точку поля с потенциалом 10 в из бесконечно удаленной точки перемещается 15 кулонов электричества, то совершается работа 10 ·15 — 150 джоулей.

Математически эта зависимость выражается формулой

http://servomotors.ru/documentation/electrical_engineering/2/index.files/image056.jpg

Чтобы переместить 10 кулонов электричества из точки А с потенциалом 20 в в точку В с потенциалом 15 в, поле должно совершить работу

http://servomotors.ru/documentation/electrical_engineering/2/index.files/image058.jpg

или

http://servomotors.ru/documentation/electrical_engineering/2/index.files/image060.jpg

Разность   потенциалов  двух  точек  поля   φ1 - φ2  называется напряжением, измеряется в вольтах и обозначается буквой U.  Работу сил электрического поля можно записать и так:

A = qU.

Для того чтобы заряд q переместить вдоль линий поля из одной точки однородного поля в другую, находящуюся на расстоянии l, нужно проделать работу [2]

http://servomotors.ru/documentation/electrical_engineering/2/index.files/image062.jpg

                так как        http://servomotors.ru/documentation/electrical_engineering/2/index.files/image064.jpg, то  http://servomotors.ru/documentation/electrical_engineering/2/index.files/image066.jpg

                откуда http://servomotors.ru/documentation/electrical_engineering/2/index.files/image068.jpg.


27. Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164555347-1.gifскладывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164555347-2.gifи внутреннего поля http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164555347-3.gifсоздаваемого заряженными частицами вещества.

Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164555347-4.gifкоторое компенсирует внешнее поле http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164555357-5.gifво всем объеме проводника: http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164555357-6.gif(внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.



28. Электроемкость. Электроемкость конденсатора. Энергия заряженного конденсатора.

Конденсаторы. Простейшие способы разделения разноименных электрических зарядов — электризация при соприкосновении, электростатическая индукция — позволяют получить на поверхности тел лишь сравнительно небольшое число свободных электрических зарядов. Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы.
   
Конденсатор — это система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют плоский конденсатор.
   Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины. Вне пластин напряженность электрического поля равна нулю, так как равные заряды разного знака на двух пластинах создают вне пластин электрические поля, напряженности которых равны по модулю, но противоположны по направлению (рис. 145).

http://physics.kgsu.ru/school/sprav_mat/pic_3/0105r1.gif

Электрическая емкость конденсатора. Физическая величина, определяемая отношением заряда q одной из пластин конденсатора к напряжению между обкладками конденсатора, называется электроемкостью конденсатора:

http://physics.kgsu.ru/school/sprav_mat/formuli_3/779.gif. (42.1)

При неизменном расположении пластин электроемкость конденсатора является постоянной величиной при любом заряде на пластинах.

29. Электрический ток и условия его существования. ЭДС источника тока. Закон Ома для однородного и неоднородного участка электрической цепи. Закон Ома для полной цепи.

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164559383-1.gifто на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164559393-2.gifВ результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю

Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени Δt, к этому интервалу времени:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164559413-3.gif

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.


В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы Aст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164559433-5.gif

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.

Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными.

При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов Δφ12 = φ1 – φ2 между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе Eds12, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна

U12 = φ1 – φ2 + Eds12.



Величину U12 принято называть напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:

U12 = φ1 – φ2.



Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164559463-6.gif



где R = const.

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:

IR = U12 = φ1 – φ2 + Eds = Δφ12 + Eds.



Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома или законом Ома для неоднородного участка цепи.

30. Электрический ток в металлах. Природа электрического тока в металлах. Закон Ома для участка цепи. Зависимость сопротивления металлов от температуры. Сверхпроводимость

Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси (1913 г.). В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов. Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

Схема опыта Толмена и Стюарта

Рисунок 1. Схема опыта Толмена и Стюарта.

При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e действует тормозящая сила Электрический ток в металлахкоторая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения. Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью Eст поля сторонних сил:

Электрический ток в металлах

Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила Eds, равная

Электрический ток в металлах

где l – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный

Электрический ток в металлах

Здесь I – мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, v0 – начальная линейная скорость проволоки. Отсюда удельный заряд e / m свободных носителей тока в металлах равен:

Электрический ток в металлах



Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. По современным данным модуль заряда электрона (элементарный заряд) равен

Электрический ток в металлах

а его удельный заряд есть

Электрический ток в металлах

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема. Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основе гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла .

Газ свободных электронов


31. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Законы электролиза. Определение заряда электрона.

Электрический Ток в Растворах и Расплавах Электролитов

Растворы солей, кислот и оснований называются электролитами. Химически чистая вода почти не проводит электрического тока, но если растворить в воде какую-нибудь соль, например медный купорос, то ток через нее пойдет. При протекании электрического тока через раствор электролитов вместе с зарядом всегда переносится вещество (это явление называется электролизом). Отсюда следует, что носителями тока в этих проводниках являются ионы.

Электрической диссоциацией называется расщепление в воде солей, кислот и щелочей на положительные и отрицательные ионы. Растворы электролитов всегда содержат некоторое число ионов: катионов (положительных ионов) и анионов (отрицательных ионов). Пока электрическое поле отсутствует, ионы совершают только беспорядочное тепловое движение. Но в электрическом поле ионы, подобно электронам в металлах, начинают дрейфовать в направлении действующей на них силы: катионы - к катоду, анионы - к аноду.

Электрический ток в растворах (или расплавах) электролитов представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Опыт показывает, что сила тока при постоянном сопротивлении электролитов линейно зависит от напряжения, т. е. для растворов электролитов справедлив закон Ома.

Электронная теория позволяет рассчитать массу вещества, выделившегося на электродах при электролизе. Она равна массе одного иона m0, умноженной на число ионов N, которые осели на электродах. Масса одного

elektricheskiiy_tok_v_rastvorah_i_rasplavah_elektrolitov_renamed_19111.jpg

Величины NA и е являются универсальными постоянными, а М и z постоянны для данного вещества. Поэтому выражение

elektricheskiiy_tok_v_rastvorah_i_rasplavah_elektrolitov_renamed_32492.jpg

- величина, постоянная для данного вещества.

Масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (или пропорциональна силе тока и времени). Эта зависимость носит название закона Фарадея.

elektricheskiiy_tok_v_rastvorah_i_rasplavah_elektrolitov_renamed_21060.jpg

Коэффициент k называется электрохимическим эквивалентом данного вещества. Он выражается в килограммах на кулон (кг/Кл).

Закон Фарадея позволяет определить заряд одновалентного иона:

elektricheskiiy_tok_v_rastvorah_i_rasplavah_elektrolitov.jpg

Электролиз получил широкое применение в технике:

  • получение щелочных и щелочноземельных металлов (алюминия, магния, бериллия и др.);

  • покрытие трудно окисляемыми металлами деталей для предохранения их от коррозии;

  • гальванопластика - изготовление рельефных металлических копий предметов и др.

32. Магнитное взаимодействие токов. Магнитное поле и его характеристики. Сила Ампера. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле.

Среди особенностей взаимодействия магнитов с окружающими телами выделим те особенности стержневых магнитов, которые показывают, чем отличается магнитное взаимодействие от гравитационного и электростатического:

  1. Магнит притягивает железосодержащие предметы: стальные гвозди, скрепки, чугунные трубы, железные опилки. Однако нельзя считать, что магнит обязательно должен притягивать изделия из материалов, которые содержат железо, или, наоборот, совсем не притягивает изделия из материалов, не содержащих железо. Некоторые сорта нержавеющей стали не притягиваются к магнитам, однако к ним притягиваются изделия из окислов хрома, кобальта и никеля.

http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image006.jpg

Рис. 1

  1. Концы намагниченных стержней сильнее притягивают железосодержащие предметы; это полюсы магнита.

  2. Взаимодействуя с земным шаром, намагниченный стержень стремится повернуться так, что один из его концов указывает в сторону северного полюса Земли. Этот полюс магнита получил название северного и обозначается на рисунках буквой N. Противоположный конец стержня называется южным магнитным полюсом и обозначается буквой S.

http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image008.jpg

Рис. 2

  1. Одноименные полюсы магнитов отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Поэтому стрелка компаса своим северным полюсом указывает на южный магнитный полюс Земли, лежащий неподалеку от ее северного географического полюса.
    Силы отталкивания одноименных полюсов двух магнитов, расположенных на неизменном расстоянии, одинаковы и равны по модулю силам притяжения, которые возникают между разноименными полюсами тех же магнитов.

http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image010.jpg

Рис. 3

  1. Железосодержащие стержни при трении или контакте с магнитом намагничиваются. Например, если иголка полежит рядом с магнитом, то она начинает самостоятельно притягивать другую иголку.

  2. Если изготовить несколько одинаковых тонких постоянных магнитов и собрать их в пучок, как показано на рисунке 4, то сила действия собранного магнита на магнитный полюс другого магнита оказывается пропорциональной числу магнитов в пучке. Последнее свойство позволяет применить принцип суперпозиции для описания взаимодействия магнитов.

http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image012.jpg

Рис. 4

Попытки обнаружить монополюсный магнит, например разрезая стержневой магнит пополам, оказались безуспешными; у магнита всегда два полюса.

Магнитное поле может оказывать разнообразные воздействия на другие физические объекты, оказавшиеся в этом поле. Механическое действие, которое магнитное поле оказывает на другие тела, можно характеризовать вектором силы, а само поле – векторной физической величиной, называемой магнитной индукцией, которая позволяет определить эту силу. Магнитная индукция обозначается буквой http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image017.jpg, измеряется в теслах (Тл).

Направление вектора магнитной индукции задается направлением магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля. Оно совпадает с направлением, которое указывает северный полюс стрелки (рис. 6).

http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image019.jpg

Рис. 6

Модуль вектора http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image017.jpgможно определить с помощью силы, действующей на движущийся свободный заряд или проводник с током, где заряды перемещаются вдоль проводника, а также с помощью момента сил, действующих на рамку, по которой течет ток.

Будем считать, что в данной точке пространства модуль векторы магнитной индукции равен 1 Тесла (1 Тл), если в этой точке на проводник с током, расположенный перпендикулярно направлению вектора http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image017.jpg (при другой ориентации сила будет меньше), при силе тока, равной 1 А на единицу длины проводника (1 м), действует сила, равная 1 Н.

Принцип суперпозиции позволяет складывать вектора магнитной индукции http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image021.jpg и http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image023.jpg магнитных полей, созданных разными источниками, по правилам сложения векторов.

Индукция магнитного поля может быть определена в любой точке пространства и в любой момент времени: http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image025.jpg.

Линии магнитной индукции

Для наглядности картины изменения вектора магнитной индукции при переходе от одной точки пространства к другой вводится понятие линий вектора магнитной индукции (силовых линий магнитного поля). Непрерывная линия, касательная к которой в любой ее точке задает направление вектора магнитной индукции http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image017.jpg, называется силовой линией магнитного поля. Густота силовых линий прямопропорциональна модулю вектора магнитной индукции.

На рисунке 7 показаны исследования магнитного поля вокруг полюсового магнита с помощью магнитных стрелок и картина силовых линий магнитного поля вокруг такого магнита.

http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image027.jpg

Рис. 7

Магнитные стрелки можно заменить железными опилками, которые намагничиваются в поле данного магнита и становятся маленькими стрелками. (На картон, который кладут на магнит, насыпают опилки. При легком потряхивании картона опилки хорошо ориентируются.)

Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image017.jpg постоянен по величине и направлению, называют однородным. На рисунке 8 приведены способы изображения силовых линий однородного магнитного поля, направленного вправо (а), влево (б), в плоскость листа от нас (в) и из него к нам (г).

http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image029.jpg

Рис. 8

Источником магнитного поля являются не только постоянные магниты, но и проводники с током. Картина силовых линий магнитного поля, созданного постоянным подковообразным магнитом (а), прямым проводом с током (б) и проволочным кольцом (в), по которому течет ток, показана на рисунке 9. Силовые линии магнитного поля – замкнутые линии. Во внешнем пространстве постоянных магнитов они идут от северного полюса к южному. Направление силовых линий вокруг прямолинейного провода с током определяется по правилу буравчика (правовращающий винт, штопор): если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image031.jpg

Рис. 9

 



Сила Лоренца

Если электрическое поле действует и на движущийся, и на покоящийся заряд, то магнитное поле постоянного магнита действует только на движущийся заряд.

Силой Лоренца http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image033.jpgназывают силу, действующую в магнитном поле на электрический заряд q, движущийся в пространстве со скоростью http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image035.jpg. Ее направление в случае, когда заряд положительный и движется перпендикулярно вектору магнитной индукции, определяется по правилу левой руки (рис. 10).

http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/electrodinamika5.files/image037.jpg

33. Электрический ток в вакууме. Электровакуумные приборы и их применения.

Важнейшими приборами в электронике первой половины ХХ в. были электронные лампы, в которых использовался электрический ток в вакууме. Однако им на смену пришли полупроводниковые приборы. Но и сегодня ток в вакууме используется в электронно-лучевых трубках, при вакуумном плавлении и сварке, в том числе в космосе, и во многих других установках. Это и определяет важность изучения электрического тока в вакууме.

Вакуум (от лат. vacuum – пустота) – состояние газа при давлении, меньшем атмосферного. Это понятие применяется к газу в замкнутом сосуде или в сосуде, из которого откачивают газ, а часто и к газу в свободном пространстве, например к космосу. Физической характеристикой вакуума есть соотношение между длиной свободного пробега молекул и размером сосуда, между электродами прибора и т.д.

воздух http://www.kazedu.kz/images/referats/a53/161055/1.jpeg 

http://www.kazedu.kz/images/referats/a53/161055/2.png

Рис.1. Откачивание воздуха из сосуда

Когда речь идет о вакууме, то почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так. Если из какого-нибудь сосуда откачивать воздух (рис.1), то количество молекул в нем с течением времени будет уменьшаться, хотя все молекулы из сосуда удалить невозможно. Так когда же можно считать, что в сосуде создан вакуум?

Молекулы воздуха, двигаясь хаотически, часто сталкиваются между собой и со стенками сосуда. Между такими столкновениями молекулы пролетают определенные расстояния, которые называются длиной свободного пробега молекул. Понятно, что при откачивании воздуха концентрация молекул (их количество в единице объема) уменьшается, а длина свободного пробега – увеличивается. И вот наступает момент, когда длина свободного пробега становится равной размерам сосуда: молекула движется от стенки к стенке сосуда, практически не встречаясь с другими молекулами. Вот тогда-то и считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть много молекул. Понятно, что в меньших по размерам сосудах вакуум создается при больших давлениях газа в них, чем в больших сосудах. Если продолжать откачивание воздуха из сосуда, то говорят, что в нем создается более глубокий вакуум. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде чем встретится с другой молекулой. Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно. Где берутся свободные носители зарядов в вакууме? Если в сосуде создан вакуум, то в нем все же есть немало молекул, некоторые из них могут быть и ионизированы. Но заряженных частичек в таком сосуде для выявления заметного тока мало. Как же получить в вакууме достаточное количество свободных носителей заряда? Если нагреть проводник, пропуская по нему электрический ток или другим способом (рис.2), то часть свободных электронов в металле будет иметь достаточную энергию, чтобы выйти из металла (выполнить работу выхода).

Явление излучения электронов накаленными телами называется термоэлектронной эмиссии.http://www.kazedu.kz/images/referats/a53/161055/3.jpeg

34. Свободные электрические колебания. Колебательный контур. Превращение энергии в колебательном контуре. Затухание колебаний. Формула Томсона.

  1. Свободные колебания в к.к.

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image001_0001.png
Колебательным контуром (к.к.) называется цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности. При определенных условиях в к.к. могут возникнуть электромагнитные колебания заряда, тока, напряжения и энергии.

Рассмотрим цепь, показанную на рис.2. Если поставить ключ в положение 1, то будет происходить заряд конденсатора и на его обкладках появится заряд  Q и напряжение UC . Если затем перевести ключ в положение 2, то конденсатор начнет разряжаться, в цепи потечет ток, при этом энергия электрического поля, заключенного между обкладками конденсатора, будет превращаться в энергию магнитного поля, сосредоточенную в катушке индуктивности L. Наличие катушки индуктивности приводит к тому, что ток в цепи увеличивается не мгновенно, а постепенно из-за явления самоиндукции. По мере разряда конденсатора заряд на его обкладках будет уменьшаться, ток в цепи увеличиваться. Максимального значения  контурный ток достигнет при заряде на обкладках равном нули. С этого момента контурный ток начнет уменьшаться, но, благодаря явлению самоиндукции, он будет поддерживаться магнитным полем катушки индуктивности,  т.е. при полном разряде конденсатора энергия магнитного поля, запасенного в катушке индуктивности, начнет переходить в энергию электрического поля. Из-за контурного тока начнется перезаряд конденсатора и на его обкладках начнет накапливаться заряд противоположный первоначальному. Перезаряд конденсатора будет происходить до тех пор, пока вся энергия магнитного поля катушки индуктивности не перейдет в энергию электрического поля конденсатора. Затем процесс повторится в обратном направлении, и, таким образом, в цепи возникнут электромагнитные колебания.http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image002_0004.png

Запишем 2 -й закон Кирхгофа для рассматриваемого к.к,

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image004_0006.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image006_0006.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image008_0006.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image010_0005.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image012_0004.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image014_0005.png

- дифференциальное уравнение к.к.

Мы получили дифференциальное уравнение колебаний заряда в к.к. Это уравнение аналогично дифференциальному уравнению, описывающему движение тела под действием квазиупругой силы. Следовательно, аналогично будет записываться и решение этого уравнения

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image016_0003.png

- уравнение колебаний заряда в к.к.

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image018_0006.png

- уравнение колебаний напряжения на обкладках конденсатора  в к.к.

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image020_0004.png

- уравнение колебаний тока в к.к.

 

 

  1. Затухающие колебания в к.к.

Рассмотрим к.к., содержащий емкость, индуктивность и сопротивление. 2-й закон Кирхгофа в этом случае запишется в виде

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image022_0002.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image024_0002.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image026_0003.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image028_0003.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image012_0005.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image030_0003.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image032_0003.png - коэффициент затухания,

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image034_0003.png - собственная циклическая частота.

 

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image008_0007.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image010_0006.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image036_0000.png

- - дифференциальное уравнение затухающих колебаний в к.к.

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image038_0000.png

- уравнение затухающих колебаний заряда в к.к.

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image040_0001.png

- закон изменения амплитуды заряда при затухающих колебаниях в к.к.;

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image042_0001.png

- период затухающих колебаний.

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image044_0001.png

- декремент затухания.

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image046_0001.png

- логарифмический декремент затухания.

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image048_0001.png

- добротность контура.

Если http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image050_0001.pngзатухание слабое, тогда Т ≈Т0

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image052.png

 

Исследуем изменение напряжения на обкладках конденсатора.http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image054.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image056.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image058.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image060.png

 

Изменение тока отличается по фазе на φ от напряжения.

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image062.png

при http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image064_0000.png - возможны затухающие колебания,

при http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image066_0001.png - критическое положение

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image068_0000.png

http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image069.png
при
http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/image_vibr/clip_image071.png , т.е. R > RК – колебания не возникают (апериодический разряд конденсатора).

 



36. Магнитное поле в веществе. Магнитная проницаемость. Природа ферромагнетизма. Температура Кюри.

Магнитная проницаемость

Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в одной среде больше  или меньше индукции магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью µ.. 

http://www.eduspb.com/public/img/formula/image001_1.gif

Вещество, создающее собственное магнитное поле, называетсянамагниченным. Намагниченность возникает при помещении вещества во внешнее магнитное поле.

Гипотеза Ампера: магнитные свойства тела определяются микроскопическими электрическими токами (орбитальное движение электронов в атомах, наличие у электрона собственного магнитного момента, имеющего квантовую природу) внутри вещества. Если направления этих токов неупорядочены, порождаемые ими магнитные поля компенсируют друг друга, т.е. тело не намагничено. Во внешнем магнитном поле происходит упорядочение этих токов, вследствие чего в веществе и возникает "собственное" магнитное поле (намагниченность).

http://www.eduspb.com/public/img/formula/image002_47.gif

Магнитные свойства вещества

  1. Диамагнетики —    µ  чуть <1. µвисмута=0,9998 (свинец, цинк, азот и др.).

  2. Парамагнетики — µ чуть>1. µалюминия=1,000023 (кислород, никель и др.).

http://www.eduspb.com/public/resize/img/formula/image003-143x81.jpg

Для пара- и диамагнетиков намагниченность I прямо пропорциональна индукции B0 магнитного поля в вакууме.

http://www.eduspb.com/public/resize/img/formula/image004_3-137x100.jpg

3. Ферромагнетики µ >>1. µстали = 8.103 (железо, никель, кобальт и их сплавы). Сплав железа с никелем: µ =2,5.105.

 Свойства ферромагнетиков

  1. Обладают остаточным магнетизмом.

  2. µ зависит от индукции внешнего магнитного поля.

  3. Температура, при которой исчезают ферромагнитные свойства, называется точкой Кюри (вещество становится парамагнетиком; точка Кюри для железа равна 7700С, для никеля 3600С).

http://www.eduspb.com/public/resize/img/formula/image005_0-141x107.jpg

Для характеристики явления намагничивания вещества вводится величина Iназываемая намагниченностью вещества. Намагниченность в СИ определяется формулой

http://www.eduspb.com/public/img/formula/image006_47.gif Для ферромагнитных тел намагниченность Iявляется сложной нелинейной функцией B0. Зависимость I от величины Во/µназывается кривой намагниченности (рис.2). Кривая указывает на явление магнитного насыщения: начиная с некоторого значения Во/µ0= В0, намагниченность практически остается постоянной, равной Iн(намагниченность насыщения).

http://www.eduspb.com/public/resize/img/formula/image007-170x104.jpg



37. Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Самоиндукция. ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля катушки с током.

Закон Фарадея

  1. Опыты Фарадея

а) В соленоид, замкнутый на гальванометр, вдвигается и выдвигается постоянный магнит. На гальванометре будет отклонение стрелки, и оно будет тем больше, чем быстрее происходит вдвижение и выдвижение. При изменении полюсов магнита направление отклонения стрелки изменится.http://bog5.in.ua/lection/magnetism_lect/image_magn/clip_image001_0002.png

б) В соленоид, замкнутый на гальванометр, вставлена катушка (другой соленоид), через которую пропускается ток. При включении и выключении (т.е. при любом изменении тока) происходит отклонение стрелки гальванометра. Направление отклонения изменяется при включении – выключении, уменьшении – увеличении тока, вдвигании – выдвигании катушек.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает индукционный (наведенный) электрический ток.

Возникновение индукционного тока означает, что в контуре действует электродвижущая сила ?i – ЭДС индукции.

Ihttp://bog5.in.ua/lection/magnetism_lect/image_magn/clip_image003_0002.png

 ЭДС индукции, возникающая в проводящем контуре, равна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром – закон Фарадея.

http://bog5.in.ua/lection/magnetism_lect/image_magn/clip_image005_0007.png

В 1834 г. Э.Х.  Ленц установил закон, позволяющий определить направление индукционного тока.

Правило Ленца: индукционный ток в контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

 

Знак минус в законе Фарадея является математическим выражением правила Ленца.

Если контур, в котором индуцируется ЭДС, состоит не из одного витка, а из N витков (например, соленоид), то если витки соединены последовательно, ?i будет равна сумме ЭДС, индуцируемых в каждом из витков в отдельности:

http://bog5.in.ua/lection/magnetism_lect/image_magn/clip_image007_0009.png

http://bog5.in.ua/lection/magnetism_lect/image_magn/clip_image009_0008.png- потокосцепление или полный магнитный поток.

http://bog5.in.ua/lection/magnetism_lect/image_magn/clip_image011_0011.png

Если Ф12=…=Фn, то

http://bog5.in.ua/lection/magnetism_lect/image_magn/clip_image013_0006.png

Т.к. ФB=BScosα, то для того чтобы изменить магнитный поток Ф можно изменить:

1) магнитное поле http://bog5.in.ua/lection/magnetism_lect/image_magn/clip_image015_0005.png;

2) площадь S;

3) угол α.

38. Автоколебания. Автоколебательная система. Генератор незатухающих электромагнитных колебаний.

Автоколебательные системы. Незатухающие вынужденные колебания нередко поддерживаются в цепи действием внешнего периодического напряжения. Но возможны и другие способы получения незатухающих колебаний.

Пусть в системе, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания, имеется источни!^ энергии. Если сама система будет регулировать поступление энергии в колебательный контур для компенсации потерь энергии на резисторе, то в ней могут возникнуть незатухающие колебания.

Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри самой системы, называются автоколебательными. Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями.

Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы. Он состоит из колебательного контура с конденсатором емкостью С и катушкой индуктивностью L, источника энергии и транзистора.

Как создать незатухающие колебания в контуре? Известно, что если конденсатор колебательного контура зарядить, то в контуре возникнут затухающие колебания. В конце каждого периода колебаний заряд на пластинах конденсатора имеет меньшее значение, чем в начале периода. Суммарный заряд, конечно, сохраняется (он всегда равен нулю), но происходит уменьшение положительного заряда одной пластины и отрицательного заряда другой на равные по модулю значения. В результате энергия колебаний уменьшается, так как она согласно формуле пропорциональна квадрату заряда одной из пластин конденсатора. Чтобы колебания не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период.

Пополнять энергию в контуре можно, подзаряжая конденсатор. Для этого надо периодически подключать контур к источнику постоянного напряжения. Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина заряжена положительно, а присоединенная к отрицательному полюсу — отрицательно (рис. 4.21). Только в этом случае источник будет подзаряжать конденсатор, пополняя его энергию.

Если же ключ замкнуть в момент, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина имеет отрицательный заряд, а присоединенная к отрицательному полюсу — положительный, то конденсатор будет разряжаться через источник (рис. 4.22). Энергия  конденсатора при этом будет убывать.

Генератор на транзисторе

39. Переменный ток как вынужденные электромагнитные колебания. Действующие значения силы переменного тока и напряжения. Активное и реактивное сопротивление. Закон Ома для электрической цепи переменного тока.

Закон Ома для цепи переменного тока. Мощность.

соотношения, связывающие амплитуды переменных токов и напряжений на резисторе, конденсаторе и катушке индуктивности:


http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586001-1.gif



(*)

Эти соотношения во виду напоминают закон Ома для участка цепи постоянного тока, но только теперь в них входят не значения постоянных токов и напряжений на участке цепи, а амплитудные значения переменных токов и напряжений.

Соотношения (*) выражают закон Ома для участка цепи переменного тока, содержащего один из элементов R, L и C. Физические величины R, http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586021-2.gifи ωL называются активным сопротивлением резистора, емкостным сопротивлением конденсатора и индуктивным сопротивлением катушки.

При протекании переменного тока по участку цепи электромагнитное поле совершает работу, и в цепи выделяется джоулево тепло. Мгновенная мощность в цепи переменного тока равна произведению мгновенных значений тока и напряжения: p = J · u. Практический интерес представляет среднее за период переменного тока значение мощности

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586031-3.gif

Здесь I0 и U0 – амплитудные значения тока и напряжения на данном участке цепи, φ – фазовый сдвиг между током и напряжением. Черта означает знак усреднения. Если участок цепи содержит только резистор с сопротивлением R, то фазовый сдвиг φ = 0:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586051-4.gif



Для того, чтобы это выражение по виду совпадало с формулой для мощности постоянного тока, вводятся понятия действующих или эффективных значений силы тока и напряжения:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586051-5.gif



Средняя мощность переменного тока на участке цепи, содержащем резистор, равна

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586061-6.gif



Если участок цепи содержит только конденсатор емкости C, то фазовый сдвиг между током и напряжением http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586071-7.gifПоэтому

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586071-8.gif

Аналогично можно показать, что PL = 0.

Таким образом, мощность в цепи переменного тока выделяется только на активном сопротивлении. Средняя мощность переменного тока на конденсаторе и катушке индуктивности равна нулю.

Рассмотрим теперь электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора, конденсатора и катушки. Цепь подключена к источнику переменного тока частоты ω. На всех последовательно соединенных участках цепи протекает один и тот же ток. Между напряжением внешнего источника e (t) и током J (t) возникает фазовый сдвиг на некоторый угол φ. Поэтому можно записать

J (t) = I0 cos ωt;   e (t) = Eds0 cos (ωt + φ).

Такая запись мгновенных значений тока и напряжения соответствует построениям на векторной диаграмме (рис. 2.3.2). Средняя мощность, развиваемая источником переменного тока, равна

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586101-9.gif



Как видно из векторной диаграммы, UR = Eds0 · cos φ, поэтому http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586111-10.gifСледовательно, вся мощность, развиваемая источником, выделяется в виде джоулева тепла на резисторе, что подтверждает сделанный ранее вывод.

соотношение между амплитудами тока I0 и напряжения Eds0 для последовательной RLC-цепи:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586131-11.gif

Величину

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586131-12.gif



называют полным сопротивлением цепи переменного тока. Формулу, выражающую связь между амплитудными значениями тока и напряжения в цепи, можно записать в виде


ZI0 = Eds0.



(**)

Это соотношение называют законом Ома для цепи переменного тока. Формулы (*), приведенные в начале этого параграфа, выражают частные случаи закона Ома (**).

Понятие полного сопротивления играет важную роль при расчетах цепей переменного тока. Для определения полного сопротивления цепи во многих случаях удобно использовать наглядный метод векторных диаграмм. Рассмотрим в качестве примера параллельный RLC-контур, подключенный к внешнему источнику переменного тока (рис. 2.4.1). http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter2/section/paragraph4/images/2-4-1.gif

При построении векторной диаграммы следует учесть, что при параллельном соединении напряжение на всех элементах R, C и L одно и то же и равно напряжению внешнего источника. Токи, текущие в разных ветвях цепи, отличаются не только по значениям амплитуд, но и по фазовым сдвигам относительно приложенного напряжения. Поэтому полное сопротивление цепи нельзя вычислить по законам параллельного соединения цепей постоянного тока. Векторная диаграмма для параллельного RLC-контура изображена на рис. 2.4.2. http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter2/section/paragraph4/images/2-4-2.gif

Из диаграммы следует:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586171-13.gif

Поэтому полное сопротивление параллельного RLC-контура выражается соотношением

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164586171-14.gif

При параллельном резонансе (ω2 = 1 / LC) полное сопротивление цепи принимает максимальное значение, равное активному сопротивлению резистора:

Z = Zmax = R.

Фазовый сдвиг φ между током и напряжением при параллельном резонансе равен нулю.

40. Трансформатор. Устройства и принцип действия трансформатора. Передача электроэнергии.

Назначение трансформатора. Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах.
На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей. 

Трансформаторы бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Принцип действия трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемойвторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i1, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е1 и е2. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е2 по ее цепи проходит ток i2.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е1 и E2, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков ?1 и ?2 этих обмоток, т. е.

E1/E2 = ?1/ ?2.


Отношение э. д. с. Евн обмотки высшего напряжения к э. д. с. Eнн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

n = Евн / Eнн = ?вн / ?нн.

41. Электромагнитные волна и их свойства. Скорость распространения электромагнитных волн. Опыты Герца

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис. 2.6.1 и 2.6.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей. http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter2/section/paragraph6/images/2-6-1.gifhttp://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter2/section/paragraph6/images/2-6-2.gif



Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164589226-1.gifи http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164589226-2.gifперпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.6.3).

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter2/section/paragraph6/images/2-6-3.gif

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164589236-6.gif



Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε0 и μ0 – электрическая и магнитная постоянные: ε0 = 8,85419·10–12 Ф/м, μ0 = 1,25664·10–6 Гн/м.

Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением λ = υT = υ / f, где f – частота колебаний электромагнитного поля, T = 1 / f.

Скорость электромагнитных волн в вакууме (ε = μ = 1):

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164589266-7.gif



Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: wэ = wм.

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164589276-8.gif



Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164589286-9.gifи напряженности электрического поля http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164589286-10.gifв каждой точке пространства связаны соотношением

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164589296-11.gif



4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔWэм, равная

ΔWэм = (wэ + wм)υSΔt.

Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164589336-12.gif

Подставляя сюда выражения для wэ, wм и υ, можно получить:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164589356-13.gif



42. Принцип радиосвязи. Изобретение радио. Радиолокация. Телевидение. Развитие средств связи.

Джеймс Максвелл [1] в 1860-1865 создал теорию электромагнитного поля (ЭМП), которую он сформулировал в виде системы уравнений, описывающих все основные закономерности электромагнитных явлений:
1-е – уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея [2];
2-е – магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения;
3-е – закон сохранения количества электричества;
4-е – вихревой характер магнитного поля.
Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы электричества к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет примерно 300 000 000 м/с, что очень близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А. Физо. В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею о своем открытии: свет - это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, т.е. разновидность электромагнитных волн (ЭМВ). Этот завершающий этап был отражен в работе Максвелла «Динамическая теория электромагнитного поля», а итог его работ по электродинамике подвел знаменитый «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873). Таким образом, Максвелл математически обосновал существование ЭМВ.

Генрих Герц [3] в 1888 году экспериментально открыл электромагнитные волны и опубликовал результаты своих работ. В результате экспериментов Герц создал источник электромагнитных волн, названный им «вибратором», который представлял собой так называемый открытый колебательный контур (ОКК).
В обычном колебательном контуре (рис. 1, 1), чтобы уменьшить ёмкость конденсатора, надо увеличивать расстояние между пластинами и уменьшать площадь пластин (рис. 1, 2). Чтобы уменьшить индуктивность катушки (рис. 1, 3), надо уменьшать её число витков. В результате этих преобразований получается просто кусок провода (рис. 1, 4) или ОКК.
Чтобы возбудить колебания в ОКК, Генрих Герц использовал схему (рис. 2):
http://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image005.jpghttp://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image007.jpghttp://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image003.jpg

Суть происходящих в вибраторе явлений коротко заключается в следующем. Индуктор Румкорфа [4] создает на концах своей вторичной обмотки очень высокое, порядка десятков киловольт, напряжение, заряжающее сферы вибратора зарядами противоположных знаков. В определенный момент в искровом промежутке вибратора возникает электрическая искра, делающая сопротивление его воздушного промежутка столь малым, что в вибраторе возникают высокочастотные затухающие колебания, продолжающиеся во все время существования искры. Поскольку вибратор представляет собой открытый колебательный контур, происходит излучение электромагнитных волн в окружающее пространство.
В качестве детектора [5], или приемника, Герц использовал кольцо (рис. 3) с разрывом – искровым промежутком, который можно было регулировать. Диаметр кольца с величины более метра в первых опытах к их концу уменьшился до 7 см.
Приемное кольцо было названо Герцем «резонатором». Опыты показали, что изменением геометрии резонатора – размерами, взаимоположением и расстоянием относительно вибратора –  можно добиться резонанса между источником ЭМВ и приемником. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе. В опытах Герца посылаемая искра была длиной 3-7 мм, а искра в резонаторе – всего несколько десятых долей миллиметра. Увидеть такую искру можно было только в темноте с помощью увеличительного стекла.
После огромной серии трудоемких и чрезвычайно остроумно поставленных опытов с использованием простейших, так сказать, подручных средств Герц достиг цели. Удалось измерить длины волн и рассчитать скорость их распространения. Были доказаны:
http://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image009.jpg

  • отражение

  • преломление

  • дифракция

  • интерференция

  • поляризация

  • измерена скорость ЭМВ

После своего доклада 13 декабря 1888 года в Берлинском университете и публикаций 1877 - 78 гг. Герц сделался одним из самых популярных ученых, а электромагнитные волны стали повсеместно именоваться «лучами Герца».
Таким образом, Генрих Герц экспериментально доказал существование ЭМВ.

Александр Степанович Попов [6] с  марта 1890 г. неоднократно выступал с лекциями об открытии Герцем ЭМВ и демонстрацией его опытов. В начале 1895 г. создал приемник [7] этих волн, показав возможность регистрации последовательности электрических сигналов на расстоянии без проводов (радиосвязь). 7 мая 1895 г. сделал публичный доклад о результатах исследований  в этой области и продемонстрировал прием коротких и продолжительных сигналов, переданных с помощью вибратора Герца. На основе радиоприемника построил так называемый «грозоотметчик» (с автоматической записью атмосферных разрядов на бумажную ленту) и летом 1895 г. установил его на метеостанции Лесного института в Петербурге. В 1896-1899 гг. продолжал публичные демонстрации и эксперименты по радиосвязи, в том числе с 1897 г. на судах ВМФ. В июле 1899 г. разработал чувствительный телефонный приемник, основанный на детекторном эффекте (открытом его помощниками П.Н.Рыбкиным и Д.С.Троицким), на который получил патенты в России, Англии и Франции. В 1899-1900 гг. руководил созданием первой в мире практической радиолинии между г. Котка и островом Гогланд протяженностью 47 км. Во время опытов беспроволочного телеграфирования на судах Балтийского флота, стоящих на Кронштадтском рейде, обнаружил явление отражения от кораблей ЭМВ и указал на возможность его практического использования в радиолокации (подробнее – далее).
Промышленное производство изобретенных им приборов радиотелеграфа началось в 1898 г. фирмой Э. Дюкрете (Париж, Франция), в 1901 г. Кронштадтской радиомастерской, в 1904 г. петербургской  фирмой «Сименс и Гальске» (с участием капитала немецкой фирмы «Телефункен»).
В 1945 г. в СССР установлен праздник «День радио», ежегодно отмечаемый 7 мая.
Именно А.С. Попов заложил основные принципы радиосвязи и доказал возможность практического применения ЭМВ – радиоволн –  для передачи информации.
http://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image011.png

2. Генератор высокой частоты
Как осуществляется связь «по радио»? Частично, но несколько односторонне я рассказал об этом в статье «Простейший радиоприёмник». Теперь настало время отдельно и более широко рассмотреть этот вопрос.
Для того чтобы передать информацию по радио нужно создать в пространстве ЭМВ. Для этого, в свою очередь, необходимо некое устройство, которое будет вырабатывать переменный ток высокой частоты. Дело в том, что энергия ЭМВ пропорциональна четвёртой степени частоты. Следовательно, чем больше частота, тем мощнее волна, тем на большее расстояние она может распространиться и перенести информацию. Это рассуждение довольно примитивно и не отражает всех особенностей создания, передачи, распространения и приёма электромагнитных ВЧ -колебаний.
Схема Герца (см. снова рис. 2) создавала свободные, т.е. затухающие колебания, а для передачи сколь-нибудь серьёзной информации надо создать незатухающие колебания. Устройство, генерирующее незатухающие колебания, в физике называется «автогенератор».
Общий принцип действия автогенератора таков (рис. 4): из источника энергия поступает порциями через регулятор в колебательную систему. Величина порции энергии (кванта ) такова, что её хватает как раз на то, чтобы скомпенсировать затраты колебательной системы на преодоление сопротивления (трения) за одно колебание. Затем колебательная система через обратную связь посылает сигнал регулятору о том, что надо подать следующий квант энергии. Этот квант поступает в колебательную систему, снова совершается полное колебание с прежней амплитудой, снова подаётся сигнал через обратную связь, снова поступает квант энергии и т.д. Таким образом, колебательная система совершает колебания с постоянной частотой и амплитудой до тех пор, пока не иссякнет энергия источника.

http://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image013.gif

Поскольку для осуществления необходимо создать незатухающие электромагнитные колебания, рассмотрим классические схемы (на уровне средней школы) генераторов ВЧ на вакуумном триоде и транзисторе [.

 

Итак, основой радиопередающего устройства – далее сокращённо «радиопередатчика» - является автогенератор. Генератор вырабатывает незатухающие колебания ВЧ, называемые «несущей» (рис. 5, 1).http://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image015.jpg

 

 

 


Если передатчик излучает незатухающую ЭМВ, то в антенне приёмника электромагнитные колебания будут регистрироваться, но никакой информации при этом нести не будут. Для того, чтобы передавать какие-либо сигналы, речь, музыку, надо менять определённый параметр ВЧ-колебаний, например, амплитуду или частоту. Этот процесс называется модуляцией. Например, телеграфная модуляция состоит в прерывании излучения с помощью ключа, т.е. в посылке коротких (точка) и длинных (тире) сигналов – азбука Морзе (рис. 6).
http://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image017.jpg

 

 

 

Посмотрим, каким образом можно реализовать автогенератор на транзисторе (рис. 7). Транзистор последовательно соединяют с колебательным контуром, который и является колебательной системой, при этом эмиттер подключают к «+», а коллектор – к «-» источника питания. Базу транзистора соединяют катушкой связи LСВ, которая индуктивно связана с контурной катушкой LK. В этом случае в процессе ЭМК в контуре поступающий на базу потенциал периодически меняет свой знак относительно потенциала эмиттера.
Когда на базу подаётся отрицательный потенциал, транзистор открыт и пропускает ток, который в этот момент совпадает по направлению с током в контуре и усиливает его за счёт энергии источника. Когда ток в контуре меняет направление на обратное, на базу поступает положительный потенциал, транзистор закрывается и прерывает ток. Ток в цепи прекращается и не препятствует перезарядке контурного конденсатора СК.
Таким образом, за счёт периодически поступающих порций энергии от источника в колебательном контуре поддерживаются незатухающие ЭМК.
С помощью ключа Кл можно прерывать этот процесс в соответствии с азбукой Морзе.
http://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image019.jpghttp://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image021.jpg

Для передачи звука нужно подать в генератор ВЧ электрические колебания звуковой частоты (рис. 5, 2) так, чтобы при их наложении амплитуда колебаний ВЧ менялась бы в такт звуковым колебаниям (рис. 5, 3) или колебаниям НЧ. Этот процесс называется амплитудной модуляцией (АМ).
В простейшем случае для реализации АМ достаточно ключ на последней схеме заменить микрофоном, и в эфир будут передаваться сигналы, содержащие речь.
Схема генератора ВЧ на электронной лампе-триоде с микрофоном для модуляции показана на рис. 8. Как видим, этот генератор практически ничем не отличается от генератора на транзисторе. На рис. 9 показаны графики сигнала микрофона (НЧ) и колебаний в контуре (ВЧ), когда нет, и когда есть звук.
http://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image023.jpg

 

 

 

3. Радиосвязь
Когда-то радио называли «беспроводным телеграфом» или «газетой без бумаги» за то, что информация передавалась от передатчика к приёмнику без посредства какой-либо среды. Даже вакуум не является препятствием для радиоволн! Да и что там может препятствовать, если это пустота. Одно время пытливые умы человечества занимал противоположный вопрос: а нет ли в вакууме чего-нибудь такого, что мы никак не ощущаем, а именно оно-то и способствует передаче радиоволн в так называемой пустоте?! Казалось, что эта гипотетическая среда, наполняющая всё мировое пространство, помогла бы объяснить не только некоторые электромагнитные, но и механические, и оптические явления! И назвали эту среду ЭФИРОМ.
Много «копий» было сломано в жарких научных спорах по поводу того, есть ЭФИР или нет. В настоящее время физикой не признаётся существование эфира в классическом его понимании. Но, в то же время, существует теория о том, что вакуум – это не пустота, а неисчерпаемый океан энергии, которую только надо научиться извлекать. Кстати, великий Никола Тесла был сторонником существования эфира, и действие некоторых своих изобретений приписывал именно его свойствам. Например, автомобиль без ДВС, вместо которого Тесла вставил некий чёрный ящик и ездил на нем целую неделю без всякой подзарядки. Но это совсем другая история…
Отголоском былых теорий и споров осталась фраза «В эфире радиостанция…», и никто не задумывается над тем, ГДЕ именно в данный момент эта радиостанция?!
http://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image025.jpg

 

Рассмотрим рис. 10.
Микрофон передатчика под воздействием звуковых колебаний вырабатывает слабый электрический ток низкой частоты (1). С УНЧ сигнал поступает в модулятор М. ГВЧ вырабатывает незатухающие колебания ВЧ (2), которые также поступают в модулятор, где они модулируются по амплитуде колебаниями НЧ и поступают в антенну (3). Антенна излучает в окружающее пространство (в ЭФИР!) ЭМВ, амплитуда которых также модулирована по НЧ. Частота ГВЧ является несущей, она и определяет частоту (и волну) передающей станции.
Итак, радиоволна «запущена» в эфир. Теперь надо её «поймать».

В антенне приёмника радиоволны (реально ведь передатчиков много) возбуждают переменные ЭДС индукции разных частот. Для выделения частоты нужной радиостанции применяется входной колебательный контур, который может иметь конденсатор переменной ёмкости или катушку с изменяемой индуктивностью. В любом случае изменение ёмкости или индуктивности приводит к изменению собственной частоты входного контура и, в тот момент, когда эта частота совпадает с несущей частотой радиостанции, наблюдается резонанс. Этот эффект позволяет выделить сигнал какой-то определённой радиостанции среди других. Тем не менее, сигнал остаётся осень слабым и его усиливает УВЧ приёмника. Детектор выделяет одну половинку амплитудно-модулированного сигнала (4), сглаживает пульсации, превращая его в низкочастотный сигнал (5). УНЧ усиливает НЧ-сигнал, а громкоговоритель преобразует усиленный электрический сигнал в звуковые колебания.
Так осуществляется радиосвязь с амплитудной модуляцией.
Существует радиосвязь с частотной модуляцией (ЧМ или FM), когда амплитуда несущей остаётся постоянно, за то меняется её частота.

4. Радиолокация
Раньше я упоминал о том, что А.С. Попов ещё в 1900 году обнаружил отражение ЭМВ от кораблей и указал на возможность использования этого эффекта в радиолокации. Позднее было обнаружено, что практически все вещества отражают радиоволны. Результат отражения зависит не только от рода вещества, но и от длины волны.
Суть радиолокации заключается в следующем (рис. 11). Передатчик вырабатывает высокочастотный импульс и с помощью специальной параболической антенны посылает его в направлении объекта, например, самолёта. Радиоволна, достигая объекта, отражается от него во все стороны. Часть отражённой волны, энергия которой очень мала, улавливает приёмная параболическая антенна. Зная время t между моментом излучения и моментом приёма сигнала, легко рассчитать R расстояние до объекта: http://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image029.gif , где с – скорость распространения радиоволны.
Разумеется, это самая примитивная схема радиолокации. В настоящее время анализ принятого сигнала выполняется специализированным компьютером, который определяет не только расстояние, но и скорость, тип объекта, автоматически анализирует «свой-чужой», сравнивает с базой данных и выдает его тактико-технические характеристики и т.д. Имеются мобильные радиолокационные комплексы и мощные стационарные системы, отслеживающие одновременно сотни объектов вблизи поверхности Земли и в космосе над половиной территории РОССИИ.
Справка: я когда-то давно учился в Минском высшем зенитно-ракетном училище ПВО (тогда ещё СССР) на факультете СНР – станций наведения ракет. Поэтому о радиолокации знаю не понаслышке.
http://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image027.jpg

В радиоастрономия (рис. 12) радиолокационными методами определяют расстояния до небесных тел, отслеживают движение астрономических объектов.
В космонавтике (рис. 13) – следят за положением и перемещением различных космических аппаратов.
Карта поверхности Венеры, скрытой мощным облачным покровом, была составлена с помощью радиолокации (рис. 14).

http://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image031.jpghttp://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image035.jpghttp://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image033.jpg

5. Применение радиосвязи
В наш технический век радиосвязь так глубоко проникла в повседневную жизнь, что многие люди не только не понимают, но даже не пытаются задумываться над тем, откуда что берётся, как и почему оно работает.
Приведу несколько примеров.
5.1. Мобильная связь (рис. 15)
Абсолютное большинство современных людей не мыслят своей жизни без мобильного телефона. Но редко кто из них догадывается о том, что мобильный телефон – это аппарат, совмещающий в себе функции приёмника и передатчика, а мобильная связь осуществляется с помощью тех же обыкновенных РАДИОВОЛН.
http://www.mymus2011.narod.ru/PICs/RADIO_swjaz/image037.jpg





43. Закон прямолинейного распространения света. Законы преломления и отражения света. Полное отражение. Линзы. Формула тонкой линзы.

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

Это приближенное рассмотрение распространения света в предположении, что свет распространяется вдоль некоторых линий - лучей (лучевая оптика). В этом приближении пренебрегают конечностью длин волн света, полагая, что λ → 0.

Геометрическая оптика позволяет во многих случаях достаточно хорошо рассчитать оптическую систему. Но в ряде случаев реальный расчет оптических систем требует учета волновой природы света, расчет в рамках геометрической оптики дает приближенный результат, иногда неверный даже на качественном уровне.

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно малых размеров («точечный источник»). Другим доказательством может служить известный опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок. Этот опыт приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны. Таким образом, геометрическая оптика, опирающаяся на представление о световых лучах, есть предельный случай волновой оптики при λ → 0. Границы применимости геометрической оптики будут рассмотрены в разделе о дифракции света.

На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а часть пройдет через границу и продолжит распространяться во второй среде.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164590718-1.gif



Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В. Снеллиусом в 1621 г.

Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

n = n2 / n1.

Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164590728-2.gif

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164590738-3.gif

Рис 3.1.1 иллюстрирует законы отражения и преломления света.


http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter3/section/paragraph1/images/3-1-1.gif

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол αпр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения (см. рис. 3.1.2).

Для угла падения α = αпр  sin β = 1; значение sin αпр = n2 / n1 < 1.

Если второй средой является воздух (n2 ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде

sin αпр = 1 / n,


где n = n1 > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.

Для границы раздела стекло–воздух (n = 1,5) критический угол равен αпр = 42°, для границы вода–воздух (n = 1,33) αпр = 48,7°.

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter3/section/paragraph1/images/3-1-2.gif


44. Элементы фотометрии: энергетические и фотометрические величины. Законы освещенности. Для характеристики оптического излучения вводится ряд энергетических и фотометрических характеристик. Рассмотрим важнейшие из них.

Энергетические величины. Пусть на какую-либо поверхность падает за время t излучение, энергия которого W. Потоком излучения называется средняя мощность излучения за время, значительно большее периода электромагнитных колебаний: 

Фе=W/t = P  

Единица СИ потока излучения — ватт (Вт).

В целом ряде измерений (например, астрономических) важно знать не только сам поток, но и поверхностную плотность потока излучения. Поверхностная плотность потока излучения равна отношению потока излучения к площади поверхности, через которую проходит этот поток: 

Ie=Фe/S = P/S=W/(St)       

Часто эту величину называют облученностью и обозначают Ее. Мы видим, что поверхностная плотность потока излучения определяется средним значением энергии, которую электромагнитная волна переносит через единицу площади в единицу времени. Поэтому единица поверхностной плотности потока излучения — ватт на квадратный метр(Вт/м2) —поверхностная плотность такого потока излучения, при котором электромагнитная волна переносит через 1 м2 поток излучения 1 Вт.

Представим себе, что через поверхность площадью S за время t волна переносит в среднем энергию, содержащуюся в параллелепипеде объемом V=St = Sct. http://optika-zaharova.narod.ru/images/1.gif 


 
 В этом объеме полная энергия равна W=wcpV, а поверхностная плотность потока излучения 

Ie = wcpc 

Термин «поверхностная плотность потока излучения» аналогичен термину интенсивность волны. В астрономии применяется термин светимость, который имеет аналогичный смысл и выражается в тех же единицах (Вт/м2).

45. Оптические приборы: лупа, микроскоп, телескоп. Разрешающая способность телескопа. Фотоаппарат. Диа-, эпи-, и кинопроекты.

Оптические приборы — это устройства, в которых излучение какой-либо области спектра (ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной) преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется). Они могут увеличивать, уменьшать, улучшать (в редких случаях ухудшать) качество изображения, давать возможность увидеть искомый предмет косвенно.

Термин "Оптические приборы" является частным случаем более общего понятия оптических систем, которое также включает в себя биологические органы, способные преобразовывать световые волны.

Лупа- это двояковыпуклая линза, которая увеличивает угол зрения предметов. Увеличение лупы определяется по формуле K=D(начальное)/F. Фокусные расстояния луп обычно составляют 1-10см. Учитывая, что D0(начальное расстояние от глаза)=25см, можно сказать, что лупа увеличивает изображение предмета в 2.5-25раз.

Фотоаппарат- это прибор, который позволяет воспроизводить и хранить изображение на фотопленке, фотобумаге и фотопластинке. Фотоаппарат состоит из объектива и камеры. Линза воспроизводит на экране камеры обратное и уменьшенное изображение A'B' предмета АВ. При получении изображения расстояние между предметом и линзой больше двойного фокуса линзы. Увеличение линзы фотоаппарата определяется по формуле K= f/d Сохранение изображения в фотоаппарате имеет очень важное значение. Для этого на экране камеры располагают воспроизводящую и сохраняющую изображение фотопластинку или фотопленку, покрытую специальной фотоэмульсией.

Микроскоп- это оптический прибор, показывающий в увеличенном виде очень мелкие, не видимые глазу, близко расположенные объекты. Микроскоп используется для наблюдения за такими мельчайшими объектами, как бактерии и клетки. С помощью первой линзы, находящейся в объективе, создается обратное действительное изображение А'B' предмета АВ. Вторая линза во втором окуляре микроскопа увеличивает угол зрения подобно лупе. В объективе микроскопа изображение А'B', созданное первой линзой, на расстоянии наилучшего зрение D0, можно увидеть в еще более увеличенном виде А"В".

Телеско́п (от др.-греч. τλε — далеко + σκοπέω — смотрю) — прибор, предназначенный для наблюдения небесных тел. В частности, под телескопом понимается оптическая телескопическая система, применяемая не обязательно для астрономических целей. Существуют телескопы для всех диапазонов электромагнитного спектра: оптические телескопы, радиотелескопы, рентгеновские телескопы, гамма-телескопы.



46. Электромагнитная природа света. Методы измерения скорости света. Шкала электромагнитных волн. Уравнение волны.

Электромагнитные волны классифицируются по длине волны http://bourabai.kz/toe/em-scale/fml10000.gifили связанной с ней частотой волныhttp://bourabai.kz/toe/em-scale/fml20000.gif. Отметим также, что эти параметры характеризуют не только волновые, но и квантовые свойства электромагнитного поля. Соответственно в первом случае электромагнитная волна описывается классическими законами, изучаемыми в этом курсе.

Спектр электромагнитного излучения в порядке увеличения частоты составляют:



1) Низкочастотные волны;


2) Радиоволны;

Радиоволны делятся на:


1. Длинные волны в интервале длин от 3 км до 300 м( частота в диапазоне 105 гц -106гц= 1 МГц);


2. Средние волны в интервале длин от 300 м до 100 м (частота в диапазоне 106 гц -3*106гц=3мгц);


3. Короткие волны в интервале длин волн от 100м до 10м (частота в диапазоне 3106гц-3107гц=30мгц);


4. Ультракороткие волны с длиной волны меньше 10м(частота больше 3107гц=30Мгц).


Ультракороткие волны в свою очередь делятся на :


а) метровые волны;


б) сантиметровые волны;


в) миллиметровые волны;


Волны с длиной волны меньше, чем 1 м (частота меньше чем 300мгц) называются микроволнами или волнами сверхвысоких частот(СВЧ - волны).



3) Инфракрасное излучение;


4) Световое излучение;


5) Рентгеновское излучение;


6) Гамма излучение.

Различные участки электромагнитного спектра отличаются по способу излучения и приёма волн, принадлежащих тому или иному участку спектра. По этой причине, между различными участками электромагнитного спектра нет резких границ, но каждый диапазон обусловлен своими особенностями и превалированием своих законов, определяемых соотношениями линейных масштабов.

47. Интерференция света. Опыт Юнга. Когерентные волны. Цвета тонких пленок и применение интерференции.

Интерференция волн

– это явление наложения когерентных волн
- свойственно волнам любой природы (механическим, электромагнитным и т.д.

Когерентные волны - это волны, испускаемые источниками, имеющими одинаковую частоту и  постоянную разность фаз.

При наложении когерентных волн в какой-либо точке пространства амплитуда колебаний (смещения ) этой точки будет зависеть от разности расстояний от источников до рассматриваемой точки. Эта разность расстояний называется разностью хода.
При наложении когерентных волн возможны два предельных случая:


Условие максимума:

http://class-fizika.narod.ru/korm/voln/17.gif


Разность хода волн равна целому числу длин волн ( иначе четному числу длин полуволн).

http://class-fizika.narod.ru/korm/voln/19.gif

где
http://class-fizika.narod.ru/korm/voln/24.gif

В этом случае волны в рассматриваемой точке  приходят с одинаковыми фазами и усиливают друг друга – амплитуда колебаний этой точки максимальна и равна удвоенной амплитуде.


Условие минимума:


http://class-fizika.narod.ru/korm/voln/18.gif


Разность хода волн равна  нечетному числу длин полуволн.


http://class-fizika.narod.ru/korm/voln/20.gif

где
http://class-fizika.narod.ru/korm/voln/24.gif

48. Явление дифракции света. Зоны Френеля. Дифракционная решетка как спектральный прибор.

Дифракция волн заключается в огибании волнами препятствий или в отклонении волн в область геометрической тени при прохождении через отверстия при условии, что линейные размеры этих препятствий порядка или меньше длины волны. Тип волн не имеет значения: дифракция наблюдается и для звука, и для света, и для любых других волновых процессов.

Наблюдение дифракции световых волн возможно только тогда, когда размеры препятствий будут порядка 10-6-10-7 м (для видимого света). Когда размеры щели сравниваются по порядку с длиной волны, щель становится источником вторичных сферических волн, интерференция которых и определяет картину распределения интенсивности за щелью. В частности, свет проникает в геометрически недоступную область. Таким образом, в видимой области спектра наблюдать дифракцию нелегко. Для электромагнитных волн в других диапазонах дифракция наблюдается повседневно, везде и всюду, так как, если бы не это явление, мы не смогли бы, например, слушать радио в закрытых помещениях.

Согласно общепринятому определению, Дифракция света, явления, наблюдающиеся при распространении света мимо резких краёв непрозрачных или прозрачных тел, сквозь узкие отверстия. При этом происходит нарушение прямолинейности распространения света, т. е. отклонение от законов геометрической оптики. Вследствие дифракция света при освещении непрозрачных экранов точечным источником света на границе тени, где, согласно законам геометрической оптики, должен был бы происходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдается ряд светлых и тёмных дифракционных полос. Поскольку дифракция свойственна всякому волновому движению, открытие дифракции света в 17 в. итальянским физиком и астрономом Ф. Гримальди и её объяснение в начале 19 в. французским физиком О. Френелем явились одним из основных доказательств волновой природы света. Приближённая теория дифракция света основана на применении Гюйгенса - Френеля принципа. Для качественного рассмотрения простейших случаев дифракция света может быть применено построение зон Френеля. При прохождении света от точечного источника через небольшое круглое отверстие в непрозрачном экране или вокруг круглого непрозрачного экрана наблюдаются дифракционные полосы в виде концентрических окружностей. Если отверстие оставляет открытым чётное число зон, то в центре дифракционной картины получается тёмное пятнышко, при нечётном числе зон - светлое. В центре тени от круглого экрана, закрывающего не слишком большое число зон Френеля, получается светлое пятнышко. Принцип Гюйгенса – Френеля позволяет объяснить явление дифракции и дать методы ее количественного расчета. Различают два случая дифракции. Если преграда, на которой происходит дифракция, находится вблизи от источника света или от экрана, на котором производится наблюдение, то фронт падающих или дифрагированных волн имеет криволинейную поверхность; этот случай называется дифракцией Френеля или дифракцией в расходящихся лучах, т. е. где b - размер отверстия, z - расстояние точки наблюдения от экрана, l - длина волны (дифракция Френеля), и дифракция света в параллельных лучах, при которой отверстие много меньше одной зоны Френеля, т. е. (дифракция Фраунгофера). В последнем случае при падении параллельного пучка света на отверстие пучок становится расходящимся с углом расходимости j ~ l/b (дифракционная расходимость). Плоские волны получаются либо удалением источника света и места наблюдения от преграды, вызывающей дифракцию, либо применением соответственного расположения линз.

С точки зрения представлений геометрической оптики о прямолинейном распространении света граница тени за непрозрачным препятствием резко очерчена лучами, которые проходят мимо препятствия, касаясь его поверхности. Следовательно, явление дифракции необъяснимо с позиций геометрической оптики. По волновой теории Гюйгенса, рассматривающей каждую точку поля волны как источник вторичных волн, распространяющихся по всем направлениям, в том числе и в область геометрической тени препятствия, вообще неясно, как может возникнуть сколько-нибудь отчетливая тень. Тем не менее, опыт убеждает нас в существовании тени, но не резко очерченной, как утверждает теория прямолинейного распространения света, а с размытыми краями. Причем в области размытости наблюдается система интерференционных максимумов и минимумов освещенности

49. Дисперсия и поглощение света.

Электромагнитные волны могут распространяться не только в пустоте, но и в различных средах. Но только в вакууме скорость распространения волн постоянна и не зависит от частоты. Во всех остальных средах скорости распространения волн различной частоты неодинаковы. Так как абсолютный показатель преломления зависит от скорости света в веществе http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/uchpos/text/img4/clip_image002.gif (http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/uchpos/text/img4/clip_image004.gif), то экспериментально наблюдается зависимость показателя преломления от длины волны – дисперсия света.

Отсутствие дисперсии света в вакууме с большой достоверностью подтверждается наблюдениями за астрономическими объектами, так как межзвездное пространство является наилучшим приближением к вакууму. Средняя плотность вещества в межзвездном пространстве составляет 10-2 атомов на 1 см3, тогда как в лучших вакуумных приборах она не меньше 104 атомов на 1 см3.

Убедительными доказательствами отсутствия дисперсии в космосе являются исследования затмения удаленных двойных звезд. Излучаемый звездой световой импульс не является монохроматическим. Предположим, что он состоит из красных и синих лучей, и красные лучи распространяются быстрее синих. Тогда при начале затмения свет звезды должен изменяться от нормального до синего, а при выходе из него – от красного до нормального. При огромных расстояниях, которые проходит свет от звезды, даже ничтожная разница в скоростях красных и синих лучей не могла быть незамеченной. Тем не менее, результаты опытов показали, что никаких изменений в спектральном составе излучения до и после затмения нет. Араго, наблюдая за двойной звездой Альголь, показал, что разница в скоростях красных и синих волн не может превышать одной стотысячной скорости света. Эти и другие эксперименты убеждают, что следует признать отсутствие дисперсии света в межзвездном пространстве (с точностью, которую достигает современный эксперимент).

Во всех остальных средах дисперсия имеет место. Среды, обладающие дисперсией, называются диспергирующими. В диспергирующих средах скорость световых волн зависит от длины волны или частоты.

Таким образом, дисперсией света называется зависимость показателя преломления вещества или зависимость фазовой скорости световых волн от частоты или длины волны. Эту зависимость можно охарактеризовать функцией

http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/uchpos/text/img4/clip_image006.gif,


где http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/uchpos/text/img4/clip_image008.gif – длина световой волны в вакууме.

Для всех прозрачных бесцветных веществ функция (4.1) в видимой части спектра имеет вид, представленный на рис. 4.1. С уменьшением длины волны показатель преломления увеличивается со все возрастающей скоростью. В этом случае дисперсия называется нормальной.http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/uchpos/text/img4/clip_image010.gif

Если вещество поглощает часть лучей, то в области поглощения и вблизи нее ход дисперсии обнаруживает аномалию. На некотором интервале длин волн показатель преломления растет с увеличением длины волны. Такой ход зависимости http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/uchpos/text/img4/clip_image012.gif от http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/uchpos/text/img4/clip_image008.gif называется аномальной дисперсией.

50. Поляризация света. Естественный свет. Поляризатор.

Испускание кванта света происходит в результате перехода электрона из возбужденного состояния в основное. Электромагнитная волна, испускаемая в результате этого перехода, является поперечной, то есть вектора http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image002_0001.png и http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image004_0001.png взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения.  Колебания вектора http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image002_0002.png происходят в одной плоскости. Свет, в котором вектор http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image002_0003.png колеблется только в одном направлении, называется плоско поляризованным светом (или электромагнитной волной). Поляризованным называется свет, в котором направления колебания вектора http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image002_0004.png упорядочены каким-либо образом.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волна независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image002_0005.png. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image002_0006.png и незначительная амплитуда колебаний вектора http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image002_0007.png в других направлениях, называется частично поляризованным. В плоско поляризованном свете плоскость, в которой колеблется вектор http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image002_0008.png, называется плоскостью поляризации, плоскость, в которой колеблется вектор http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image004_0002.png, называется плоскостью колебаний.

Вектор http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image002_0009.png называют световым вектором потому, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.

Различает также эллиптически поляризованный свет: при распространении электрически поляризованного света вектор http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image002_0010.png описывает эллипс, и циркулярно поляризованный свет (частный случай эллиптически поляризованного света) - вектор описывает окружность (сравните со сложением взаимно перпендикулярных колебаний: возможны: прямая линия, эллипс и окружность).

http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image006_0001.png

 

Степенью поляризации называется величина

http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image008_0002.png

где Imax и Imin – максимальная и минимальная компоненты интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора http://bog5.in.ua/lection/wave_optics_lect/image_wave/clip_image002_0011.png (то есть Ех и Еу – составляющие). Для плоско поляризованного света Еу = Е, Ех = 0, следовательно, Р = 1. Для естественного света Еу = Ех = Е и Р = 0. Для частично поляризованного света Еу = Е, Ех = (0...1)Еу, следовательно, 0 < Р < 1.

Если вектор в эллиптически поляризованном свете вращается при распространении света по часовой стрелке, то поляризация называется правой, против - левой. В эллиптически поляризованном свете колебания полностью упорядочены. К эллиптически поляризованному свету понятие степени поляризации не применимо, так что Р=1 всегда.

51. Элементы специальной теории относительности. Постулаты СТО. Конечность и предельность скорости света. Релятивистский закон преобразование скоростей. Релятивистская динамика.

Специальная (или частная) теория относительности (СТО) представляет собой современную физическую теорию пространства и времени. Наряду с квантовой механикой, СТО служит теоретической базой современной физики и техники. СТО часто называют релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией, – релятивистскими эффектами. Эти эффекты наиболее отчетливо проявляются при скоростях движения тел, близких к скорости света в вакууме c ≈ 3·108 м/с. Специальная теория относительности была создана А. Эйнштейном (1905 г.). Предшественниками Эйнштейна, очень близко подошедшими к решению проблемы, были нидерландский физик Х. Лоренц и выдающийся французский физик А. Пуанкаре.





Постулаты СТО

Классическая механика Ньютона прекрасно описывает движение макротел, движущихся с малыми скоростями (υ << c). В нерелятивистской физике принималось как очевидный факт существование единого мирового времени t, одинакового во всех системах отсчета. В основе классической механики лежит механический принцип относительности (или принцип относительности Галилея): законы динамики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Этот принцип означает, что законы динамики инвариантны (т. е. неизменны) относительно преобразований Галилея, которые позволяют вычислить координаты движущегося тела в одной инерциальной системе (K), если заданы координаты этого тела в другой инерциальной системе (K'). В частном случае, когда система K' движется со скоростью υ вдоль положительного направления оси x системы K (рис. 4.1.1), преобразования Галилея имеют вид:

x = x' + υt,   y = y',   z = z',   t = t'.



Предполагается, что в начальный момент оси координат обеих систем совпадают.

C:\Documents and Settings\PC\Мои документы\Мои рисунки\2.gif

Из преобразований Галилея следует классический закон преобразования скоростей при переходе от одной системы отсчета к другой:

ux = u'x + υ,   uy = u'y,   uz = u'z.



Ускорения тела во всех инерциальных системах оказываются одинаковыми:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164606561-1.gif



Следовательно, уравнение движения классической механики (второй закон Ньютона) http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164606561-2.gifне меняет своего вида при переходе от одной инерциальной системы к другой.

К концу XIX века начали накапливаться опытные факты, которые вступали в противоречие с законами классической механики. Большие затруднения возникли при попытках применить механику Ньютона к объяснению распространения света. Предположение о том, что свет распространяется в особой среде – эфире, было опровергнуто многочисленными экспериментами. Американский физик А. Майкельсон сначала самостоятельно в 1881 году, а затем совместно с Э. Морли (тоже американец) в 1887 году пытался обнаружить движение Земли относительно эфира («эфирный ветер») с помощью интерференционного опыта. Упрощенная схема опыта Майкельсона–Морли представлена на рис. 

C:\Documents and Settings\PC\Мои документы\Мои рисунки\1.gifУпрощенная схема интерференционного опыта Майкельсона–Морли. Описание: http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164606571-3.gif– орбитальная скорость Земли

52. Квантовая гипотеза Планка. Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Квантовая теория фотоэффекта. Фотоэлементы и их применение.

Распределение энергии в спектре излучения нагретых твердых тел. Изучение явлений дифракции, интерференции и поляризации света привело к утверждению электромагнитной волновой теории света.

Излучение электромагнитных волн в диапазоне радиоволн происходит при ускоренном движении электронов, например при колебаниях электронов в антенне радиопередатчика. Можно предположить, что излучение видимого света нагретыми телами также обусловлено колебательными движениями электронов, только с частотами гораздо более высокими, чем в антенне радиопередатчика.

Проверка правильности такого предположения могла быть выполнена путем сравнения теоретически предсказываемого электромагнитной теорией закона распределения энергии в сплошном спектре излучения нагретого тела с наблюдаемым экспериментально.

Пример экспериментально полученной кривой распределения энергии в спектре излучения нагретого тела представлен на рисунке 296,а. По оси абсцисс отложены длины волн, по оси ординат - мощность излучения единицы поверхности светящегося тела в единичном интервале длин волн.

Попытка теоретического вывода закона распределения энергии в сплошном спектре была сделана английским физиком Д. Рэлеем. Рэлей рассматривал излучение в замкнутом объеме как систему стоячих монохроматических волн.

Полученный из таких предположений закон распределения энергии в сплошном спектре излучения представлен на рисунке 296,б.http://www.cartalana.ru/Images/Phs/296.jpg

По этому закону мощность излучения должна непрерывно возрастать с уменьшением длины волны излучения. Это значит, что в тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на самом деле не наблюдается. Если бы этот закон выполнялся во всем диапазоне частот, то полная энергия излучения светящегося тела была бы бесконечно большой.

Гипотеза Планка. Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения нагретого твердого тела, немецкий физик Макс Планк в 1900 г. высказал гипотезу, которая положила начало подлинной революции в теоретической физике. Смысл этой гипотезы заключается в том, что запас энергии колебательной системы, находящейся в равновесии с электромагнитным излучением, не может принимать любые значения. Энергия элементарных систем, поглощающих и излучающих электромагнитные волны, обязательно должна быть равна целому кратному некоторого определенного количества энергии.

Минимальное количество энергии, которое система может поглотить или излучить, называется квантом энергии. Энергия кванта http://www.cartalana.ru/Images/Phseq5/000.gifдолжна быть пропорциональна частоте колебаний http://www.cartalana.ru/Images/Phseq5/001.gif:

http://www.cartalana.ru/Images/Phseq5/002.gif.

Коэффициент пропорциональности http://www.cartalana.ru/Images/Phseq5/003.gifв этом выражении носит название постоянной Планка. Постоянная Планка равна 6,626·10-34 Дж·с.

Исходя из этой новой идеи, Планк получил закон распределения энергии в спектре, хорошо согласующийся с экспериментальными данными. Хорошее согласие теоретически предсказанного закона с экспериментом было основательным подтверждением квантовой гипотезы Планка.

Открытие фотоэффекта. Гипотеза Планка о квантах послужила основой для объяснения явления фотоэлектрического эффекта, открытого в 1887 г. немецким физиком Генрихом Герцем.

Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины . При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое излучение . Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света могут освобождаться отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы - электроны.http://www.cartalana.ru/Images/Phs/297.jpg

Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом.

Законы фотоэффекта. Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839-1896) в 1888-1889 гг. Используя вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами , он исследовал зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами и условий освещения электрода.

53. Атомное ядро. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи ядра. Удельная энергия связи и прочность ядер.

Атом – это ядро из протонов и нейтронов, вокруг которого вращаются электроны. Размеры атомов составляют тысячные доли микрона. Но существуют и сверх гигантские «атомы» диаметром около 10 километров. Впервые подобный «атом» был открыт в 1967 году, а сейчас их известно более тысячи. Это нейтронные звезды – остатки сверхновых, которые являются фактически огромными атомными ядрами, состоящими на 90% из нейтронов и на 10% из протонов, и окружены «атмосферой» из электронов.

В 1932г. после открытия  протона и нейтрона учеными Д.Д. Иваненко и В. Гейзенберг (Германия) была выдвинута протонно-нейтронная модель ядра атома.

http://class-fizika.narod.ru/korm/at/02.jpg

Согласно этой модели:
- ядра всех химических элементов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов
- заряд ядра обусловлен только протонами
- число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента
- число нейтронов равно разности между массовым числом и числом протонов (N=A-Z)

Условное обозначение ядра атома химического элемента:

http://class-fizika.narod.ru/korm/at/03.jpg

X – символ химического элемента

А – массовое число, которое показывает :
-  массу ядра в целых атомных единицах массы  (а.е.м.)
(1а.е.м. = 1/12 массы атома углерода)
-  число нуклонов в ядре
- (A = N + Z)  , где N – число нейтронов в ядре атома

Z – зарядовое число, которое показывает:
- заряд ядра в элементарных электрических зарядах (э.э.з.)
( 1э.э.з. = заряду электрона = 1,6 х 10 -19 Кл)
- число протонов
- число электронов в атоме
- порядковый номер в таблице Менделеева

Масса ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных протонов и нейтронов, его составляющих.
Это объясняется тем, что протоны и нейтроны в ядре очень сильно притягиваются друг к другу. Чтобы разъединить их требуется затратить большую работу. Поэтому полная энергия покоя ядра не равна энергии покоя составляющих его частиц. Она меньше на величину работы по преодолению ядерных сил притяжения.
Разность между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов называется дефектом масс.

54. Строение атома. Опыты Резерфорда. Квантовые постулаты Бора. Опыты Франка и Герца. Принцип соответствия.

Модель Томсона. Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом — атом водорода — представляет собой положительно заряженный шар радиусом около 10-8 см, внутри которого находится электрон. У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок выполняют электроны.

Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с известными уже к тому времени свойствами атома, главным из которых является устойчивость.

Опыты Резерфорда. Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью 7.02-6.jpg-частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия. Скорость 7.02-6.jpg-частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.

Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию 7.02-6.jpg-частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не может значительно изменить его скорость.

 
Резерфорд Эрнест (1871 — 1937) — великий английский физик, уроженец Новой Зеландии. Своими экспериментальными открытиями заложил основы современного учения о строении атома и радиоактивности. Первым исследовал состав излучения радиоактивных веществ. Открыл атомное ядро и впервые осуществил искусственное превращение атомных ядер. Все поставленные им опыты носили фундаментальный характер, отличались исключительной простотой и ясностью.

Рассеяние (изменение направления движения) 7.02-6.jpg-частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию 7.02-6.jpg-частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 12.1.

Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра l, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок 7.02-6.jpg- частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.). После рассеяния 7.02-6.jpg-частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.

При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных топким пучком 7.02-6.jpg-частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, 7.02-6.jpg-частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади.

Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение 7.02-6.jpg-частиц на большие углы. Для этого он окружил фольгу сцинтилляциоными экранами и определил число вспышек на каждом экране. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число 7.02-6.jpg-частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам провести эксперимент по наблюдению за рассеянием 7.02-6.jpg-частиц на большие углы, он сам не верил в положительный результат. «Это почти столь же невероятно, — говорил Резерфорд, — как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар».

Строение атома

В самом деле, предвидеть этот результат на основе модели Томсона было нельзя. При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно сильное электрическое поле, способное отбросить 7.02-6.jpg-частицу назад. Максимальная сила отталкивания может быть определена по закону Кулона:

12.02-48.jpg

где q7.02-6.jpg— заряд 7.02-6.jpg-частицы; q — положительный заряд атома; R — его радиус; k — коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому чем меньше радиус R, тем больше сила, отталкивающая 7.02-6.jpg-частицы.

Определение размеров атомного ядра. Резерфорд понял, что 7.02-6.jpg-частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к мысли о существовании атомного ядра — тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

Подсчитывая число 7.02-6.jpg-частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10-12—10-13 см (у разных ядер диаметры различны). Размер же самого атома 10-8 см, т. е. в 10—100 тысяч раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось определить и заряд ядра. При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Планетарная модель атома. На основе своих опытов Резерфорд создал планетарную модель атома. В центре атома расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален. Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил притяжения со стороны ядра.

Строение атома
 
В атоме водорода вокруг ядра обращается   всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Это ядро было названо протоном и стало   рассматриваться   как   элементарная частица. Размер атома водорода — это радиус орбиты его электрона (рис. 12.3).

Строение атома

Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она кажется необходимой для объяснения опытов по рассеиванию 7.02-6.jpg-частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10-8 с) должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование.

В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.

Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение — это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к таким явлениям законы классической физики неприменимы.

Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить устойчивость атома.

55. Спонтанное и индуцированное излучение. Лазеры и их применение.

Спонтанное и вынужденное излучение

http://bog5.in.ua/lection/quantum_optics_lect/image_quant/clip_image001_0003.png
В нормальных условиях (при отсутствии внешних воздействий) большая часть электронов в атомах находятся на самом низком невозбужденном уровне
Е1, т.е. атом обладает минимальным запасом внутренней энергии, остальные уровни Е2, Е3....Еn, соответствующие возбужденным состояниям, обладают минимальной заселенностью электронами или вообще свободны. Если атом находится в основном состоянии с Е1, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние с Е2. Вероятность таких переходов пропорциональна плотности излучения, вызывающего эти переходы.

Атом, находясь в возбужденном состоянии 2, может через некоторое время спонтанно самопроизвольно (без внешних воздействий) перейти в состояние с низшей энергией, отдавая избыточную энергию в виде электромагнитного излучения, т.е. испуская фотон.

            Процесс испускания фотона возбужденным атомом без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (самопроизвольным) излучением. Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии. Т.к. спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение не когерентно.

            Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии 2, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей h = Е2 - Е1, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с излучением фотона с той же энергией h = Е2 - Е1. При подобном переходе происходит излучение атомом дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Излучение, происходящее в результате внешнего облучения называется вынужденным. Таким образом, в процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный фотон, вызывающий испускание излучения возбужденным атомом, и вторичный фотон, испущенный атомом. Вторичные фотоны неотличимы от первичных.

56. Радиоактивность. Свойства радиоактивных излучений. Закон радиоактивного распада.

Радиоактивность — это природное явление, когда происходит самопроизвольный распад ядер атомов, при котором возникают излучения.

По своей физической природе это потоки элементарных, быстродвижущихся частиц, входящих в состав атомных ядер, а также их волновое электромагнитное излучение. Эти излучения имеют большую энергию. Их общим свойством является способность ионизировать вещество, среду, в которой они распространяются: воздух, воду, металлы, человеческий организм и т. д. При этом нейтральные атомы и молекулы вещества распадаются на пары положительно и отрицательно заряженных частиц — ионов.Ионизация вещества всегда сопровождается изменением его основных физико-химических свойств, а для биологической ткани — нарушением ее жизнедеятельности. Поэтому радиоактивные излучения и оказывают на живой организм поражающее действие.

Для ионизации вещества требуется затрата определенной энергии внешних сил. Поэтому, проникая в вещество и ионизируя его, радиоактивное излучение постепенно теряет свою энергию.

http://class-fizika.narod.ru/korm/at/29.gif

57. Ядерные реакции. Выделение и поглощение энергии в ядерных реакциях. Цепные ядерные реакции. Термоядерные реакции. Проблемы ядерной энергетики

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164635112-1.gif

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т. е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164635122-2.gif

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина

Q = (MA + MB – MC – MD)c2 = ΔMc2.

где MA и MB – массы исходных продуктов, MC и MD – массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

58. Свойства ионизирующих излучений. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом. Методы регистрации ионизирующих излучений.

Ионизи́рующее излуче́ние — в самом общем смысле — поток микрочастиц, способных ионизировать вещество. В более узком смысле к ионизирующему излучению не относят ультрафиолетовое излучение и излучение видимого диапазона света, которое в отдельных случаях также может быть ионизирующим. Инфракрасное излучение, излучение сантиметрового и радиодиапазонов не является ионизирующим, поскольку его энергии недостаточно для ионизации атомов и молекул в основном состоянии.

Коротковолновое электромагнитное излучение (поток фотонов высоких энергий):

Потоки частиц:

59. Строение и развитие вселенной.

Наука, изучающая строение и эволюцию Вселенной, называется космологией (от греческих слов космос — мир. Вселенная и логос -- учение).

Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А. Эйнштейном (1879— 1955). Она обобщает теорию тяготения Ньютона на большие массы вещества и скорости его движения, сравнимые со скоростью света. Действительно, в галактиках сосредоточена колоссальная масса вещества, а скорости далеких галактик и квазаров сравнимы со скоростью света. Согласно общей теории относительности, гравитационное взаимодействие передается с конечной скоростью, равной скорости света. (В теории Ньютона считается, что гравитационное взаимодействие передается мгновенно.)

Общая теория относительности накладывает определенные ограничения на геометрические свойства пространства, которое уже нельзя считать евклидовым. Согласно этой теории, движение и распределение материи в пространстве нельзя рассматривать в отрыве от геометрических свойств пространства и времени.

Расширяющаяся Вселенная. Впервые космологическую модель Вселенной в рамках общей теории относительности рассмотрел советский математик А. Фридман. Он показал, что Вселенная, однородно заполненная веществом, должна быть нестационарной, и исходя из этого объяснил наблюдаемую картину разбегания галактик. Он показал, что в зависимости от средней плотности вещества Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них — вывод, который подтвердил Хаббл открытием красного смещения в спектрах галактик.

60. Звезды. Эволюция звезд.

Миллионы звезд, включая и наше Солнце, вращаются вокруг центра, который расположен в направлении созвездия Стрельца и не виден в телескопы, поскольку заслонен облаками газа. Наша Солнечная система расположена ближе к краю галактики, которую мы называем Млечный Путь. Линейный размер нашей Галактики 100 тыс. световых лет, толщина – около 1500 световых лет. Солнце находится на расстоянии 30 тыс. световых лет от центра Галактики и вращается вокруг этого центра со скоростью 250 км/с. В центре этой космической "карусели" предположительно находится черная дыра массой в миллионы раз превышающей массу Солнца. Таким образом, Солнце – самая заурядная звезда среди миллиардов звезд Вселенной.

В настоящее время установлено, что звезды и звездные скопления имеют разный возраст – от 1010 лет (старые шаровые звездные скопления) до 106 лет (рассеянные звездные скопления и звездные ассоциации).

В общем виде эволюция звезды типа Солнца проходит стадии:

·  возникновение звезды в результате конденсации межзвездной пыли и газа, богатого водородом;

·  стадия термоядерных реакций превращения водорода в гелий в центре звезды (наиболее длительная);

·  при исчерпании в центре водорода ядро сжимается и нагревается, а оболочка сильно расширяется; даже при увеличении светимости температура поверхности падает – звезда становится красным гигантом;

·  термоядерное загорание гелия и более тяжелых элементов в ядре звезды, сопряженное в ряде случаев со сбросом водородной оболочки ("новая" звезда) и образованием так называемой планетарной туманности;