Примерные ответы к экзаменационным билетам по физике для студентов 1 курса СПО

1.1.Механическое движение и его относительность. Системы отсчёта. Скорость и перемещение при прямолинейном равномерном движении.

Механическим движением называется изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Примеры: движение автомобиля, Земли вокруг Солнца, облаков на небе и др.

Механическое движение относительно: тело может покоиться относительно одних тел, и двигаться относительно других. Пример: водитель автобуса покоится относительно самого автобуса, но находится в движении вместе с автобусом относительно земли.

Для описания механического движения выбирают систему отсчёта.

Системой отсчёта называется тело отсчёта, связанная с ним система координат и прибор для измерения времени (напр. часы).

В механике часто телом отсчёта служит Земля, с которой связывают прямоугольную декартову систему координат (XYZ).

Линия, по которой движется тело, называется траекторией.

Прямолинейным называется движение, если траектория тела - прямая линия.

Длину траектории называют путем. Путь измеряется в метрах.

Перемещение - это вектор, соединяющий начальное положение тела с его конечным положением. Обозначается , измеряется в метрах.

Скорость - это векторная величина, равная отношению перемещения за малый промежуток времени к величине этого промежутка. Обозначается , измеряется в м/с.

Равномерным называется такое движение, при котором тело за любые равные промежутки времени проходит одинаковые пути. При этом скорость тела не меняется.

При этом движении перемещение и скорость вычисляются по формулам: ,

1.2.Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

Полупроводники - это вещества, занимающие промежуточное положение между веществами, хорошо проводящими электрический ток (проводниками), и веществами, практически не проводящими тока (диэлектриками).

К полупроводникам относятся кремний Si, германий Ge, селен Se и соединения (Pb, CdS и др.).

Свойства полупроводников:

1.С ростом температуры их сопротивление резко падает.

2.Наличие примесей приводит к значительному уменьшению их удельного сопротивления.

3.Электрический ток переносится в них не только отрицательными зарядами - электронами, но и равными им по величине положительными зарядами - дырками.

Атомы в кристалле кремния (IV группа табл. Менделеева) связаны между собой ковалентными связями. Эти связи достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. При нагревании кремния наступает разрыв отдельных связей, и некоторые электроны становятся свободными. В электрическом поле они перемещаются между узлами решётки, образуя электрический ток.

При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. Дырка несёт положительный заряд.

В чистых полупроводниках электрический ток создаётся движением отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводников.

При добавлении примесей к полупроводнику резко увеличивается его проводимость.

Примеси бывают донорные и акцепторные.

Донорная примесь - это примесь с большей, чем у кристалла, валентностью.

При добавлении такой примеси в полупроводнике образуются дополнительные свободные электроны. Полупроводник с донорной примесью называется полупроводником n-типа.

Например, для кремния с валентностью равной 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью равной 5.

Каждый атом примеси мышьяка приведёт к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь - это примесь с меньшей, чем у кристалла, валентностью.

При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником p-типа.

Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью равной 3.

Каждый атом примеси индия приведёт к образованию лишней дырки.

2.1.Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Закон электролиза. Применение электролиза в технике.

Вещества, растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами.

К ним относятся растворы солей, кислот, щелочей.

При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией.

Например, при растворении в воде молекулы медного купороса распадаются на положительные ионы меди и отрицательные ионы (кислотный остаток).

При прохождении электрического тока через водный раствор медного купороса у положительного электрода (анода) выделяется кислотный остаток, а на отрицательном электроде (катоде) выделяется медь. Т.е. в жидкостях ионная проводимость.

Электролиз - это процесс выделение на электроде вещества под действием электрического тока.

Масса вещества, выделившегося на электроде, вычисляется по формуле:

закон Фарадея

k - электрохимический эквивалент вещества (зависит от природы вещества), (кг/Кл),

I - сила тока, измеряется в Амперах (А),

- промежуток времени, в течении которого проходил ток, (с).

Электролиз применяется для очистки металлов от примесей, для покрытия поверхности одного металла тонким слоем другого, для получения копий с рельефных поверхностей.

2.2 Свободные носители электрического заряда в проводниках. Механизм проводимости растворов и расплавов в электролитах.

Жид­ко­сти, как и твер­дые тела, могут быть про­вод­ни­ка­ми, по­лу­про­вод­ни­ка­ми и ди­элек­три­ка­ми. Тип про­во­ди­мо­сти таких про­вод­ни­ков - ион­ный.

Для луч­ше­го по­ни­ма­ния про­цес­са про­во­ди­мо­сти тока в жид­ко­стях, можно пред­ста­вить сле­ду­ю­щий опыт: В ванну с водой по­ме­сти­ли два элек­тро­да, под­клю­чен­ные к ис­точ­ни­ку тока, в цепи в ка­че­стве ин­ди­ка­то­ра тока можно взять лам­поч­ку. Если за­мкнуть такую цепь, лампа го­реть не будет, что озна­ча­ет от­сут­ствие тока, а это зна­чит, что в цепи есть раз­рыв, и вода сама по себе ток не про­во­дит. Но если в ван­ную по­ме­стить неко­то­рое ко­ли­че­ство - по­ва­рен­ной соли - и по­вто­рить за­мы­ка­ние, то лам­поч­ка за­го­рит­ся. Это зна­чит, что в ван­ной между ка­то­дом и ано­дом на­ча­ли дви­гать­ся сво­бод­ные но­си­те­ли за­ря­да, в дан­ном слу­чае ионы (рис. 1).

Рис. 1. Схема опыта

От­ку­да во вто­ром слу­чае бе­рут­ся сво­бод­ные за­ря­ды? Неко­то­рые ди­элек­три­ки - по­ляр­ные. Вода имеет как раз-та­ки по­ляр­ные мо­ле­ку­лы (рис. 2).

Рис. 2. По­ляр­ность мо­ле­ку­лы воды

При вне­се­нии в воду соли мо­ле­ку­лы воды ори­ен­ти­ру­ют­ся таким об­ра­зом, что их от­ри­ца­тель­ные по­лю­са на­хо­дят­ся возле на­трия, по­ло­жи­тель­ные - возле хлора. В ре­зуль­та­те вза­и­мо­дей­ствий между за­ря­да­ми мо­ле­ку­лы воды раз­ры­ва­ют мо­ле­ку­лы соли на пары раз­но­имен­ных ионов. Ион на­трия имеет по­ло­жи­тель­ный заряд, ион хлора - от­ри­ца­тель­ный (рис. 3). Имен­но эти ионы и будут дви­гать­ся между элек­тро­да­ми под дей­стви­ем элек­три­че­ско­го поля.

2.2(продолжение)

Рис. 3. Схема об­ра­зо­ва­ния сво­бод­ных ионов

При под­хо­де ионов на­трия к ка­то­ду он по­лу­ча­ет свои недо­ста­ю­щие элек­тро­ны, ионы хлора при до­сти­же­нии анода от­да­ют свои.

Так как про­те­ка­ние тока в жид­ко­стях свя­за­но с пе­ре­но­сом ве­ще­ства, при таком токе имеет место про­цесс элек­тро­ли­за.

Опре­де­ле­ние. Элек­тро­лиз - про­цесс, свя­зан­ный с окис­ли­тель­но-вос­ста­но­ви­тель­ны­ми ре­ак­ци­я­ми, при ко­то­рых на элек­тро­дах вы­де­ля­ет­ся ве­ще­ство.

Ве­ще­ства, ко­то­рые в ре­зуль­та­те по­доб­ных рас­щеп­ле­ний обес­пе­чи­ва­ют ион­ную про­во­ди­мость, на­зы­ва­ют­ся элек­тро­ли­та­ми. Такое на­зва­ние пред­ло­жил ан­глий­ский физик Майкл Фа­ра­дей .

Элек­тро­лиз поз­во­ля­ет по­лу­чать из рас­тво­ров ве­ще­ства в до­ста­точ­но чи­стом виде, по­это­му его при­ме­ня­ют для по­лу­че­ния ред­ких ма­те­ри­а­лов, как на­трий, каль­ций… в чи­стом виде. Этим за­ни­ма­ет­ся так на­зы­ва­е­мая элек­тро­ли­ти­че­ская ме­тал­лур­гия.

3.1Ускорение, скорость и перемещение при прямолинейном равноускоренном движении.

Прямолинейным называется движение, если траектория тела - прямая линия.

Если тела за равные промежутки времени проходит неодинаковые пути, то движение будет неравномерным.

При таком движении скорость тела либо увеличивается, либо уменьшается.

Процесс изменения скорости тела характеризуется ускорением.

Ускорением называется физическая величина, равная отношению очень малого изменения вектора скорости ∆ к малому промежутку времени ∆t, за которое произошло это изменение: .

Ускорение обозначается буквой измеряется в м/с².

Направление вектора совпадает с направлением изменения скорости.

При равноускоренном движении с начальной скоростью ускорение равно

, где .

Отсюда скорость равноускоренного движения равна .

Перемещение при прямолинейном равноускоренном движении вычисляется по формуле:

.

3.2 Электрический ток - это направленное движение заряженных частиц.

В металлах ток создаётся движением электронов.

За направление тока принимается направление движения положительных зарядов.

Для возникновения тока необходимо наличие свободных носителей заряда и наличие внешнего электрического поля.

Электрический ток производит тепловое, магнитное, химическое, световое и биологическое действия.

4.1.Сила. Сложение сил. Законы динамики Ньютона.

Сила - это векторная физическая величина, являющаяся мерой ускорения, приобретаемого телами при взаимодействии.

Сила характеризуется модулем, точкой приложения и направлением.

Сила обозначается , измеряется в Ньютонах (Н). .

Если на тело одновременно действует несколько сил, то результирующая сила находится по правилу сложения векторов.

Законы Ньютона:

I.(Закон инерции). Существуют такие системы отсчёта (инерциальные), относительно которых поступательно движущиеся тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела или действие других тел компенсируется.

II.Произведение массы тела на ускорение равно сумме всех сил, действующих на тело.

III.Силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулям и направлены по одной прямой в противоположные стороны.

4.2.Магнитное поле тока. Магнитная индукция. Сила Ампера. Сила Лоренца.

Магнитное поле - это особая форма материи, существующая независимо от нас и от наших знаний о нём. Оно обладает следующими свойствами:

1. возникает вокруг движущихся зарядов и проводников с током;

2. действует на движущиеся заряды и проводники с током.

Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция.

Модулем магнитной индукции называется отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка. , где B - модуль магнитной индукции, F_m максимальная сила, I сила тока, ∆l - длина проводника.

Магнитная индукция измеряется в Теслах (Тл).

Магнитная индукция - векторная величина.

Вектор направлен от северного полюса магнита к южному полюсу.

Для прямолинейного проводника с током направление вектора определяют по правилу буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения буравчика совпадёт с направлением вектора .

Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, называется силой Ампера.

Сила Ампера вычисляется по формуле: , где .

Сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся заряд, называется силой Лоренца.

Сила Лоренца вычисляется по формуле: , где .

Направление силы Ампера и силы Лоренца определяется по правилу левой руки.

5.1.Основы СТО. Инерциальные системы отсчёта. Принцип относительности. Постулаты специальной теории относительности.

Специальная теория относительности Эйнштейна - это новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым (классическим) представлениям.

В основе теории относительности лежат два постулата.

Первый постулат (принцип относительности): все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта.

Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы имеют одинаковую форму.

Инерциальными называются такие системы отсчёта, относительно которых тело при отсутствии внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно.

Системы отсчёта, связанные с Землёй, обычно считаются инерциальными.

Второй постулат (постулат постоянства скорости света): скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчёта. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приёмника светового сигнала.

Скорость света: c = 3٠10⁸ м/с. Скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.

Согласно теории относительности размеры предметов и интервалы времени не являются абсолютными, а зависят от скорости движения. При скоростях близких к скорости света масса тела увеличивается с увеличением скорости, линейные размеры тела уменьшаются, а интервал времени между событиями увеличивается. Явление замедления времени было обнаружено экспериментально в ядерной физике при наблюдении распада элементарных частиц.

Но при скоростях движения, много меньших скорости света, эти эффекты незаметны, и справедливы классические представления о пространстве и времени и законы механики Ньютона.

5.2 Сила Ампера

Магнитное поле - это особая форма материи, существующая независимо от нас и от наших знаний о нём. Оно обладает следующими свойствами:

1. возникает вокруг движущихся зарядов и проводников с током;

2. действует на движущиеся заряды и проводники с током.

Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция.

Модулем магнитной индукции называется отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка. , где B - модуль магнитной индукции, F_m максимальная сила, I сила тока, ∆l - длина проводника.

Магнитная индукция измеряется в Теслах (Тл).

Магнитная индукция - векторная величина.

Вектор направлен от северного полюса магнита к южному полюсу.

Для прямолинейного проводника с током направление вектора определяют по правилу буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения буравчика совпадёт с направлением вектора .

Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, называется силой Ампера.

Сила Ампера вычисляется по формуле: , где .

6.1.Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес тела. Невесомость.

Силы взаимного притяжения, действующие между любыми телами в природе, называются силами всемирного тяготения (или силами гравитации).

Закон всемирного тяготения (открыл Ньютон):

Все тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной произведению масс тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

, где - сила всемирного тяготения,

Сила тяжести - это сила, с которой Земля притягивает тело, находящееся на её поверхности или вблизи этой поверхности.

Сила тяжести направлена вертикально вниз и вычисляется по формуле:, где

Вес тела - это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или растягивает подвес. Обозначается буквой Р.

Вес тела является частным случаем проявление силы упругости и зависит от ускорения, с которым движется опора.

Если ускорение а = 0, то вес равен силе, с которой тело притягивается к Земле.

Если ускорение а , то вес Р =.

Если тело падает свободно или движется с ускорением свободного падения, т.е. а = g, то вес тела равен 0. Состояние тела, в котором его вес равен нулю, называется невесомостью.

6.2 Принцип действия электродвигателя. Электроизмерительные приборы.

Закон дей­ствия маг­нит­но­го поля на про­вод­ник с током вы­ра­жа­ет­ся, пре­жде всего, в дей­ствии маг­нит­но­го поля на виток или рамку с током. Так, на виток с током в маг­нит­ном поле дей­ству­ет мо­мент силы, ко­то­рая стре­мит­ся раз­вер­нуть этот виток таким об­ра­зом, чтобы его плос­кость стала пер­пен­ди­ку­ляр­на ли­ни­ям маг­нит­но­го поля. Угол по­во­ро­та витка пря­мо­про­пор­ци­о­на­лен ве­ли­чине тока в витке. Если внеш­нее маг­нит­ное поле в витке по­сто­ян­но, то зна­че­ние мо­ду­ля маг­нит­ной ин­дук­ции также ве­ли­чи­на по­сто­ян­ная. Пло­щадь витка при не очень боль­ших токах также можно счи­тать по­сто­ян­ной, сле­до­ва­тель­но, спра­вед­ли­во то, что сила тока равна про­из­ве­де­нию мо­мен­та сил, раз­во­ра­чи­ва­ю­щих виток с током на неко­то­рую по­сто­ян­ную, при неиз­мен­ных усло­ви­ях, ве­ли­чи­ну.

, I - сила тока, М - мо­мент сил, раз­во­ра­чи­ва­ю­щих виток с током.

Сле­до­ва­тель­но, по­яв­ля­ет­ся воз­мож­ность из­ме­рять силу тока по ве­ли­чине угла по­во­ро­та рамки, ко­то­рая ре­а­ли­зо­ва­на в из­ме­ри­тель­ном при­бо­ре - ам­пер­мет­ре (рис.1).

Рис. 1. Ам­пер­метр Рис. 2. Дви­га­тель

После от­кры­тия дей­ствия маг­нит­но­го поля на про­вод­ник с током, Ампер понял, что это от­кры­тие можно ис­поль­зо­вать для того, чтобы за­ста­вить про­вод­ник дви­гать­ся в маг­нит­ном поле. Так маг­не­тизм можно пре­вра­тить в ме­ха­ни­че­ское дви­же­ние - со­здать дви­га­тель. Одним из пер­вых, ра­бо­та­ю­щих на по­сто­ян­ном токе, был элек­тро­дви­га­тель (рис. 2), со­здан­ный в 1834 г. рус­ским элек­тро­тех­ни­ком Б. С. Якоби.

Рас­смот­рим упро­щён­ную мо­дель дви­га­те­ля, ко­то­рая со­сто­ит из непо­движ­ной части, с за­креп­лён­ны­ми на ней маг­ни­та­ми - ста­тор. Внут­ри ста­то­ра может сво­бод­но вра­щать­ся рамка из про­во­дя­ще­го ма­те­ри­а­ла, ко­то­рая на­зы­ва­ет­ся ро­то­ром. Для того чтобы по рамке мог про­те­кать элек­три­че­ский ток, она со­еди­не­на с клем­ма­ми при по­мо­щи сколь­зя­щих кон­так­тов. Если под­клю­чить дви­га­тель к ис­точ­ни­ку по­сто­ян­но­го тока в цепь с вольт­мет­ром, то при за­мы­ка­нии цепи, рамка с током при­дёт во вра­ще­ние.

7.1.Импульс тела. Закон сохранения импульса. Реактивное движение.

Импульсом тела называется величина, равная произведению массы тела на его скорость.

Импульс обозначается буквой и имеет такое же направление, как и скорость.

Единица измерения импульса:

Импульс тела вычисляется по формуле: , где

Изменение импульса тела равно импульсу силы, действующей на него:

Для замкнутой системы тел выполняется закон сохранения импульса:

в замкнутой системе векторная сумма импульсов тел до взаимодействия равна векторной сумме импульсов тел после взаимодействия.

, где

Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения.

Реактивное движение - это такое движение тела, которое возникает после отделения от тела его части.

Для вычисления скорости ракеты записывают закон сохранения импульса

и получают формулу скорости ракеты: =, где М - масса ракеты,

7.2Явление электромагнитной индукции. Опытное подтверждение этого явления. Закон электромагнитной индукции. правило Ленца.

Явление электромагнитной индукции было открыто английским физиком Фарадеем в 1831 г. Он обнаружил, что в катушке из металлической проволоки возникает электрический ток, если внутрь катушки вдвигать и выдвигать магнит. Такой ток называется индукционным.

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией.

Появление электрического тока в замкнутом контуре свидетельствует о появлении ЭДС индукции.

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром: закон электромагнитной индукции.

Направление индукционного тока в проводящем контуре определяется по правилу Ленца:

индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.

8.1.Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии механических процессов.

Если тело или система тел могут совершить работу, то они обладают энергией.

Энергия - это физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело.

Энергия обозначается буквой Е, измеряется в Джоулях (Дж).

Механическая энергия бывает двух видов: кинетическая и потенциальная.

Кинетической энергией называется величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости.

Кинетическая энергия - это энергия движения. Например, кинетической энергией обладает двигающаяся машина, летящий воздушный шарик и т.д.

Потенциальная энергия определяется положением тела по отношению к другим телам или взаимным расположением частей одного и того же тела.

Величину, равную произведению массы тела на ускорение свободного падения и на высоту тела над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией взаимодействия тела и Земли.

Величину, равную половине произведения коэффициента упругости на квадрат деформации, называют потенциальной энергией упруго деформированного тела.

Например, потенциальной энергией обладает подброшенный на высоту мяч или сжатая пружина.

Для замкнутой системы тел выполняется закон сохранения энергии: полная механическая энергия тела или замкнутой системы тел остаётся постоянной (если не действуют силы трения).

8.2 Принцип действия генератора.

В ос­но­ве яв­ле­ния элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции лежит воз­ник­но­ве­ние ин­дук­ци­он­но­го тока в кон­ту­ре при из­ме­не­нии маг­нит­но­го по­то­ка, про­ни­зы­ва­ю­ще­го этот кон­тур. Таким об­ра­зом, если со­здать си­сте­му, в ко­то­рой маг­нит­ный поток, про­ни­зы­ва­ю­щий кон­тур, ме­ня­ет­ся по­сто­ян­ным об­ра­зом, то такая си­сте­ма ге­не­ри­ро­ва­ла бы элек­три­че­ский ток непре­рыв­но. При этом со­вер­шен­но неваж­но, про­ис­хо­дит ли дви­же­ние маг­ни­та от­но­си­тель­но кон­ту­ра или дви­же­ние кон­ту­ра от­но­си­тель­но маг­ни­та.

Ма­ши­на, в ко­то­рой маг­нит­ный поток, про­ни­зы­ва­ю­щий кон­тур, ме­ня­ет­ся непре­рыв­но пе­ри­о­ди­че­ским об­ра­зом, при этом ге­не­ри­руя элек­три­че­ский ток, на­зы­ва­ет­ся ге­не­ра­то­ром элек­три­че­ско­го тока.

Пред­став­им мо­дель ге­не­ра­то­ра пе­ре­мен­но­го тока. В этой мо­де­ли две то­ко­про­во­дя­щие ка­туш­ки (1) за­креп­ле­ны на валу и могут вра­щать­ся между по­лю­са­ми маг­ни­тов (2). Вал со­еди­нен с по­мо­щью ре­мен­ной пе­ре­да­чи (3) с ко­ле­сом (4), ко­то­рое при­во­дит­ся во вра­ще­ние вруч­ную. Дру­гой конец вала имеет сколь­зя­щие кон­так­ты (5) (кон­так­ты с вы­во­да­ми ка­туш­ки). На сколь­зя­щих кон­так­тах воз­ни­ка­ет элек­три­че­ское на­пря­же­ние, при­бли­зи­тель­но рав­ное ЭДС ин­дук­ции. Вра­ща­ю­ща­я­ся часть ге­не­ра­то­ра на­зы­ва­ет­ся ротор, непо­движ­ная - ста­тор.

По прин­ци­пу пред­став­лен­ной мо­де­ли ра­бо­та­ют все ге­не­ра­то­ры пе­ре­мен­но­го тока, в част­но­сти и самые мощ­ные, ко­то­рые на­зы­ва­ют­ся элек­тро­стан­ци­я­ми. В за­ви­си­мо­сти от спо­со­ба, ко­то­рым при­во­дит­ся во вра­ще­ние ротор элек­тро­стан­ции, они под­раз­де­ля­ют­ся на раз­ные типы. На гид­ро­элек­тро­стан­ци­ях вра­ще­ние ро­то­ра про­ис­хо­дит за счет энер­гии па­да­ю­щей воды; на теп­ло­элек­тро­стан­ци­ях- за счет ра­бо­ты во­дя­но­го пара, по­лу­ча­е­мо­го при сжи­га­нии топ­ли­ва; на атом­ных элек­тро­стан­ци­ях - также за счет ра­бо­ты во­дя­но­го пара, ко­то­рый по­лу­ча­ет­ся из-за вы­де­ле­ния атом­ной энер­гии.

9.1Колебательное движение. Гармонические колебания. Амплитуда, период, частота и фаза колебаний.

Колебаниями называются любые повторяющиеся движения.

Примеры: ветка дерева на ветру, маятник в часах, поршень в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, струна гитары, волны на поверхности моря и т.д.

Свободными называются колебания, возникающие после выведения системы из положения равновесия при последующем отсутствиии внешних воздействий. Эти колебания затухающие.

Например, колебания груза на нити.

Основными характеристиками механических колебаний являются амплитуда, период, частота и фаза колебаний.

Амплитуда - это модуль максимального отклонения тела от положения равновесия.

Период - это время одного полного колебания. (Т, секунды)

Частота - число полных колебаний, совершаемых за единицу времени.(ν, Герцы)

Период и частота связаны формулой:

Простейший вид колебательного движения - гармонические колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса или косинуса.

Уравнение гармонических колебаний: ,

где амплитуда,

Величина, стоящая под знаком косинуса (угол), называется фазой.

Фаза равна: .

9.2 Переменный ток. Техника безопасности в обращении с переменным током.

Переменный ток - это род тока, направление протекания которого непрерывно меняется. Что становится возможным, благодаря наличию разницы потенциалов, подчиняющейся определённому закону. В повседневном понимании форма переменного тока напоминает синусоиду. Постоянный может изменяться по амплитуде, но только не по направлению. В противном случае это уже переменный ток.

Создание переменного тока

Можно сказать, что начало переменному току, как явлению, положил Майкл Фарадей, о чем наши читатели более подробно узнают ниже по тексту. Было показано, что электрическое и магнитное поля связаны. А ток является следствием их взаимодействия. Современные генераторы работают за счёт изменения величины магнитного потока через площадь, охватываемую контуром из медной проволоки. Строго говоря, проводник может быть любым. Медь выбрана из критериев максимальной пригодности при минимальной стоимости.

Если статический заряд преимущественно образуется трением, хотя это не единственный путь, то переменный ток возникает в результате незаметных глазу процессов. Величина его пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, охваченную контуром.

История открытия переменного тока

Впервые переменным токам стали уделять внимание ввиду коммерческой ценности после появления на свет изобретений, созданных Николой Тесла. Нужно сказать, что материальный конфликт с Эдисоном наложил сильный отпечаток на судьбы обоих. В тот момент, когда предприниматель отказался от своих обещаний перед Николой Тесла, тогда же и потерял немалую для себя выгоду. Наверняка выдающемуся учёному не понравилось такое вольное обращение, и он выдумал двигатель переменного тока. Нужно сказать, что до тех пор все пользовались постоянным. Вот и Эдисон продвигал этот вид.

Тесла впервые показал, что переменным напряжением можно достичь гораздо больших результатов. В особенности, когда энергию приходится передавать на большие расстояния. Использование трансформаторов без труда позволяет повысить напряжение, что резко снижает потери на активном

9.2(продолжение)

сопротивлении. А на приёмной стороне параметры вновь возвращаются к исходным. Что очень удобно. В результате можно неплохо сэкономить на толщине проводов.

Итак, начало активному использованию переменного тока положил Никола Тесла, создав двухфазный двигатель. А опыты по передаче энергии на значительные расстояния все расставили по своим местам: не очень удобно переносить производство в район Ниагарского водопада, гораздо проще проложить линию до места назначения.

Отличие переменного тока от постоянного

Переменный ток обладает целым рядом свойств, которые отличают его от постоянного. Но мы вначале обратимся к истории открытия данного явления. Родоначальником явления переменного тока в обиходе человечества можно считать Отто фон Герике. Именно он первым заметил, что заряды бывают двух знаков. Следовательно, и ток может течь в разном направлении. Что касается Тесла, то он больше ориентировался на практическую часть, и в своих лекциях упоминает двух экспериментаторов британского происхождения:

1.Вильям Споттисвуд не удостоился даже странички в русскоязычной Википедии, что касается национальной части, то там даже не упоминается про работы с переменным током. Как и Георг Ом, учёный был прежде всего математиком, и остаётся лишь сожалеть, что с трудом можно узнать, чем именно занимался сей муж науки.

2.Джеймс Эдвард Генри Гордон был намного более близок к практической части вопроса применения электричества. Он много экспериментировал с генераторами и даже разработал один собственной конструкции мощностью 350 кВт. Очень много внимание уделял освещению и снабжению энергией заводов и фабрик.

Считается, что первые генераторы переменного тока были созданы в 30-е годы XIX века. Тогда Майкл Фарадей экспериментировал с магнитными полями. Немногие знают, что это вызывало ревность у сэра Хемфри Дэви, который критиковал ученика за плагиат. Теперь уже сложно сказать, кто именно был прав, но факт остаётся фактом: переменный ток без малого полвека не был никем востребован. В первой половине XIX-го века уже существовал электрический двигатель. Но работал он от постоянного тока.

Именно Никола Тесла впервые догадался, как реализовать теорию Араго о вращающемся магнитном поле. Для этого понадобились целых две фазы переменного тока (со сдвигом 90 градусов). Попутно Тесла отметил, что возможны и более сложные системы (в своём патенте). Вот почему много позже изобретатель трёхфазного двигателя, Доливо-Добровольский, не смог запатентовать своё детищеТаким образом, длительное время переменный ток никому не был нужен. А Эдисон даже всячески противился внедрению этого явления в обиход.

Почему переменный ток используется чаще постоянного

Никола Тесла и вопросы безопасности и эффективности

Никола Тесла вступил в конкурирующую с эдисоновской компанию и всячески продвигал новое явление. Он настолько увлёкся, что часто ставил эксперименты и на себе. Но в отличие от сэра Хемфри Дэви, который укоротил свою жизнь, вдыхая различные газы, Тесла явно добился немалого успеха: прожил до 86-ти лет. Сам учёный обнаружил, что при изменении направления течения тока со скоростью выше 700 раз в секунду сам процесс становится сравнительно безопасным для человека.

Во время своих лекций Тесла брал в руки лампочку с платиновой нитью накала и демонстрировал свечение прибора, пропуская через своё собственное тело токи высокой частоты. Он утверждал, что это

9.2(продолжение)

не только безвредно, но даже приносит некоторую пользу для здоровья. Ток, протекая лишь по поверхности кожи, одновременно очищает её. Как говорил сам Тесла, экспериментаторы прежних дней (см. выше) не замечали столь удивительных явлений по следующим причинам:

• Несовершенные генераторы механического типа. Вращающееся поле использовалось в буквальном смысле: при помощи какого-либо двигателя раскручивался ротор. Такой принцип не мог дать токов высокой частоты. Это и сегодня ещё проблематично при нынешнем уровне развития технологии.

• В простейшем случае применялись ручные размыкатели. В этом случае вовсе нечего говорить о высоких частотах.

Однако вопросы безопасности и по сей день не фигурируют на первом месте. Следует сказать, что частоту 60 Гц (общепринятая в США) предложил сам Никола Тесла, как оптимальную для функционирования двигателей собственной конструкции. Это сильно отличается от безопасного диапазона. В то же время, проще сконструировать и генератор. И в любом случае переменный ток в обоих смыслах выигрывает у постоянного.Где используется переменный ток

Можно сказать, таким образом, что переменный ток лежит в основе принципа действия большинства известных сегодня приборов. Проще сказать, где применяется постоянный, а читатели сами уже сделают выводы:

1. Постоянный ток широко применяется в аккумуляторах. По той простой причине, что переменный существует лишь в движении - он не может храниться. Затем в приборе электричество уже преобразуется в нужную форму.

2. КПД коллекторных двигателей постоянного тока выше. По этой причине в некоторых случаях выгодно применять именно эти разновидности.

3. При помощи постоянного тока могут действовать различные магниты. Например, в домофонах.

4. Постоянное напряжение широко применяется в электронике. Потребляемый ток при этом варьируется в некоторых пределах. Но в промышленности он тоже носит название постоянного.

5. Постоянное напряжение применяется в кинескопах для создания потенциала и увеличения эмиссии с катода. Можно считать эти случаи аналогом блоков питания полупроводниковой техники, хотя иногда различие весьма значительно.

Во всех остальных случаях переменный ток имеет весомое преимущество. Прежде всего, благодаря возможности применения трансформаторов. Даже в сварке теперь уже далеко не всегда господствует постоянный ток, но в любом современном оборудовании этого типа имеется инвертор. Так гораздо проще и удобнее получить достойные технические характеристики.

Хотя исторически первыми получены были статические заряды. Взять хотя бы шерсть и янтарь, с которыми работал Фалес Милетский.

Техника безопасности в обращении с электрическим током.

Действие электрического тока на организм человека

Опасность поражения людей электрическим током зависит от конструкции электрической сети, рода тока, рабочего напряжения, источника питания, состояния изоляции, ограждения и других факторов.

Основные причины электротравм:

• неудовлетворительное ограждение токоведущих частей от случайного к ним прикосновения;

• выполнение работ под напряжением без соблюдения необходимых мер безопасности;

• неудовлетворительное заземление электроустановок;

• выполнение работ без защитных средств, когда применение их обязательно;

• несоответствие машин, аппаратов, кабелей и проводов условиям эксплуатации;

• работа подъемно-транспортных машин вблизи электрических проводов воздушных линий без соблюдения необходимых мер безопасности;

• применение переносного ручного электроинструмента, работающего на недопустимом напряжении в условиях повышенной опасности, и др

Прохождение электрического тока через организм человека оказывает действие:

- термическое,

- электростатическое,

- биологическое

9.2(продолжение)

Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участков тела, нагреве крови, кровеносных сосудов

Электростатическое - в разложении крови

Биологическое - в раздражении живых тканей организма, что может привести к прекращению деятельности органов кровообращения и дыхания

Факторы, влияющие на исход поражения человека электрическим током

- величина тока

- его напряжения

- частота

- сопротивление человека

- продолжительность воздействия

- пути тока

- индивидуальных свойств человека

- условия окружающей среды

Для человеческого организма опасны как переменный, так и постоянный ток. Наиболее опасен переменный ток, имеющий частоту 50 Гц; ток частотой 400 Гц менее опасен.

В результате действия электрического тока человек может получить электрический удар, вызывающий поражение его внутренних органов, либоэлектротравму, то есть наружные поражения ткани.

Виды электрических травм:

Токовой ожог - ожог кожи в месте контакта тела с токоведущей частью в электроустановках с напряжением не выше 2 кВ. Электрическая дуга, обладающая высокой температурой и большой энергией, может вызывать обширные ожоги тела, обугливание и даже бесследное сгорание больших участков тела.

Электрические знаки - это пятна серого и бледно-желтого цвета, царапины, ушибы на поверхности кожи человека, подвергнувшейся воздействию тока. Форма знака может соответствовать форме токоведущей части, которой коснулся пострадавший. Лечение электрических знаков в большинстве случаев завершается благополучно, пораженное место восстанавливает чувствительность и эластичность.

Металлизация кожи - проникновение в верхние слои кожи мельчайших частиц металла. Работы, при которых есть вероятность возникновения электрической дуги, следует выполнять в очках, а одежда работающего должна быть застегнута на все пуговицы.

Электроофтальмия - это воспаление наружных оболочек глаз в результате воздействия мощного потока ультрафиолетовых лучей при электрической дуге.

Электрический удар - поражение организма, при котором наблюдаются явления паралича мышц опорно-двигательного аппарата, мышц грудной клетки, мышц желудочков сердца.

Степени электрического удара:

Ощутимый ток - вызывающий ощутимые раздражения

Неотпускающий ток - вызывающий непреодолимые судорожные сокращения мышц руки, в которой зажат проводник

Фибрилляционный ток - вызывающий фибрилляцию сердца

10.1 Звуковые волны. Скорость звука. Громкость звука. Высота тона. Эхо.

Упругие волны в диапазоне с частотами от 16 Гц до 20 кГц называют звуком.

При распространении звуковой волны в пространстве распространяются сжатия и разрежения среды. Любое тело, колеблющееся со звуковой частотой, создаёт в окружающей среде звуковую волну.

Звуковые волны, подобно всем другим волнам, распространяются с конечной скоростью.

Скорость звука в воздухе при 0⁰С равна 331 м/с. Она примерно равна средней скорости теплового движения молекул.

Скорость звука зависит от температуры среды и от её агрегатного состояния.

В воде скорость звука больше, чем в воздухе. При температуре 8⁰С скорость звука в воде равна 1435м/с.

В твёрдых телах скорость звука ещё больше, чем в жидкостях.

Громкость звука определяется амплитудой колебаний. У громких звуков амплитуда больше, у тихих - меньше.

Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, воспринимаются человеком как определённый музыкальный тон.

Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, колебания низкой частоты - как звуки низкого тона.

Эхо - это отраженная звуковая волна.

10.1 Волны. Продольные и поперечные волны. Длина волны, её связь со скоростью распространения волны и частотой колебаний.

Волной называют колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени.

Например, волны на поверхности воды, звуковые волны, волны, волны землетрясений, пробегающие по резиновому шнуру и т. д.

Волны переносят энергию из одной точки пространства в другую. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания.

Если колебания происходят вдоль направления распространения волны, то волна называется продольной. Пример: звуковые волны.

Если колебания происходят перпендикулярно направлению распространения волны, то волна называется поперечной. Пример: волны на поверхности воды.

Длина волны - это расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах.

Длина волны обозначается буквой λ, измеряется в метрах.

Связь между длиной волны λ, скоростью волны υ и периодом колебаний T определяется формулой: .

Т.к. , то скорость волны связана с частотой колебаний уравнением:.

10.2 Колебательный контур. Частота свободных колебаний.

Электрическим колебательным контуром называется система, состоящая из конденсатора и катушки, соединённых между собой в замкнутую электрическую цепь.

При подключении обкладок заряженного конденсатора к концам катушки в ней возникает электрический ток, и энергия электрического поля заряженного конденсатора начинает превращаться в энергию магнитного поля. Сила тока в катушке возрастает до тех пор, пока не разрядится конденсатор.

Затем сила тока начинает уменьшаться, а конденсатор начинает заряжаться вновь.

Так будет происходить, пока колебания не затухнут.

Периодические изменения силы тока в катушке и напряжения между обкладками конденсатора без потребления энергии от внешних источников называются свободными электромагнитными колебаниями.

Частота свободных колебаний вычисляется по формуле: ,

где L - индуктивность катушки; измеряется в Генри (Гн), C - электроёмкость конденсатора; измеряется в Фарадах (Ф).

11.1.Агрегатные состояния вещества и фазовые переходы, их объяснения на основе молекулярно-кинетической теории.

В зависимости от условий одно и то же вещество может находиться в различных состояниях: в твёрдом, жидком или газообразном (например, вода, лёд, водяной пар).

Эти состояния называются агрегатными.

Молекулы одного и того же вещества в твёрдом, жидком или газообразном состоянии одни и те же, ничем не отличаются друг от друга, меняется их взаимное расположение.

В газах расстояние между атомами и молекулами в среднем во много раз больше размеров самих молекул. Молекулы с огромными скоростями движутся в пространстве.

Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу. Они колеблются около положений равновесия, сталкиваясь с соседними молекулами. Иногда молекулы совершают перескоки с места на место.

У твёрдых тел атомы и молекулы занимают строго упорядоченные положения в пространстве, образуя кристаллическую решётку.

Переход вещёства из одного состояния в другое называют фазовым переходом.

Изменение внутренней энергии может приводить к изменению агрегатного состояния.

При нагревании молекулы начинают больше колебаться и двигаться, и расстояние между ними увеличивается.

Переход вещества при определённой температуре из твёрдого состояния в жидкое называется плавлением.

Переход вещества из жидкого состояния в твёрдое называется отвердеванием или кристаллизацией.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется испарением.

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией.

11.2Трансформатор. Производство, передача электроэнергии, её использование.

Трансформатор - это устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Трансформатор был изобретён в 1878 г. русским учёным Яблочковым.

Самый простой трансформатор состоит из двух катушек, надетых на замкнутый стальной сердечник. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции.

Одна из катушек, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая катушка, к которой присоединяют нагрузку, т.е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. На катушках разное число витков провода.

Трансформаторы бывают либо понижающими напряжение, либо повышающими.

Если обозначить число витков на первичной катушке - N₁, а число витков на вторичной катушке - N₂, то для трансформатора выполняется равенство: ,

где - напряжение на вторичной катушке,

При

Производится электроэнергия генераторами на электростанциях. Основные части генератора: ротор (движущаяся часть) и статор (покоящаяся часть). Например, при вращении ротора (электромагнита) создается переменное магнитное поле, которое действует на статор (катушку) и в ней образуется переменный ток.

На электростанции созданный переменный ток поступает на повышающие трансформаторы, которые увеличивают напряжении. При этом сила тока уменьшается, и уменьшаются потери энергии при передаче тока на большие расстояния.

Когда ток доходит до потребителей электроэнергии (город, завод, транспорт и т.п.), то напряжение уменьшают с помощью понижающих трансформаторов. Обычно понижение напряжение производят в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится всё меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, - всё шире.

12.1Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование. Масса и размеры молекул.

Молекулярно-кинетическая теория(МКТ) - это учение о строении и свойствах вещества, использующее представления о существовании атомов и молекул как мельчайших частиц вещества.

В основе МКТ лежат три основных положения:

1.Все вещества состоят из мельчайших частиц: атомов и молекул.

2.Эти частицы беспорядочно двигаются.

3.Частицы взаимодействуют друг с другом.

Основные положения МКТ подтверждаются опытными фактами.

Существование атомов и молекул доказано экспериментально, получены фотографии с помощью электронных микроскопов.

Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь объём объясняется непрерывном хаотичным движением молекул. Также его объясняет диффузия и броуновское движение.

Упругость газов, твёрдых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твёрдые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твёрдыми телами говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами.

Массы и размеры молекул очень малы, и удобно использовать не абсолютные значения масс, а относительные. Относительные атомные массы всех химических элементов указаны в таблице Менделеева (в сравнении с массой атома углерода).

Количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода, называется одним молем.

В одном моле любого вещества содержится одно и то же число атомов или молекул. Это число называется постоянной Авогадро: .

Массу одного моля называют молярной массой: .

Количество вещества равно отношению массы вещества к его молярной массе: .

12.2 Производится электроэнергия генераторами на электростанциях. Основные части генератора: ротор (движущаяся часть) и статор (покоящаяся часть). Например, при вращении ротора (электромагнита) создается переменное магнитное поле, которое действует на статор (катушку) и в ней образуется переменный ток.

На электростанции созданный переменный ток поступает на повышающие трансформаторы, которые увеличивают напряжении. При этом сила тока уменьшается, и уменьшаются потери энергии при передаче тока на большие расстояния.

Когда ток доходит до потребителей электроэнергии (город, завод, транспорт и т.п.), то напряжение уменьшают с помощью понижающих трансформаторов. Обычно понижение напряжение производят в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится всё меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, - всё шире.

13.1 Температура и её физический смысл. Измерение температуры.

Температура - это макроскопический параметр, характеризующий состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

Если температуры тел различны, то при их соприкосновении будет происходить обмен энергией. Тело с большей температурой будет отдавать энергию телу с меньшей температурой. Разность температур тел указывает направление теплообмена между ними.

Для измерения температуры используют термометры. В термометрах используется зависимость объёма жидкости (ртути или спирта) от температуры.

При градуировке термометра обычно за начало отсчёта (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Отрезок между 0 и 100 делят на 100 равных частей, называемых градусами. На этом основана шкала Цельсия.

Температура, измеряемая в ⁰С, обозначается буквой t.

Существует также другая шкала - шкала Кельвина (абсолютная шкала температур).

Нулевая температура по этой шкале соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры равна градусу по шкале Цельсия.

Абсолютный нуль - это предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или объём идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении.

Абсолютному нулю соответствует температура

Температура, измеряемая в Кельвинах (К), обозначается буквой T.

13.2 Электромагнитные волны и их свойства. Радиолокация и её применение.

Электромагнитная волна - это меняющееся с течением времени и распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.

Свойства электромагнитных волн:

1.Возникают при ускоренном движении зарядов.

2.Являются поперечными.

3.Имеют скорость в вакууме 3٠10⁸ м/с.

4.Переносят энергию

5.Проникающая способность и энергия зависит от частоты.

6.Отражаются.

7.Обладают интерференцией и дифракцией.

Свойство отражения электромагнитных волн используется в радиолокации.

Радиолокация - это обнаружение и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн.

Радиолокационная установка (радиолокатор) состоит из передающей и приёмной частей.

От передающей антенны идёт электромагнитная волна, доходит до объекта и отражается.

Радиолокаторы используют в военных целях, а также службой погоды для наблюдения за облаками. С помощью радиолокации исследуются поверхности Луны, Венеры и других планет.

14.1Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Использование свойств газов в технике.

Идеальный газ - это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало, т.к. молекулы находятся далеко друг от друга.

В реальности к идеальному газу приближены разреженные газы.

Основными параметрами идеального газа являются давление, объём и температура.

Давление газа создаётся ударами молекул о стенки сосуда и растёт с увеличением температуры.

Для расчёта давления было получено следующее уравнение:

основное уравнение МКТ идеального газа.

Данное уравнение можно переписать в виде: где .

Свойства газов легко сжиматься и расширяться используются во многих технических устройствах: двигателе внутреннего сгорания, паровой турбине, насосах, при проектировании судов и др.

14.2Шкала электромагнитных излучений. Применение электромагнитных излучений на практике.

Шкала электромагнитных волн простираются от длинных радиоволн (λ>1 км) до γ-лучей (λ<10^-10 м) . Электромагнитные волны различной длины условно делят на диапазоны по различным признакам (способу получения, способу регистрации, характеру взаимодействия с веществом).

Принято выделять следующие семь излучений: низкочастотное излучение, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма- излучение.

Низкочастотное излучение имеет самую маленькую частоту и самую большую длину волны. Его источники: переменные токи и электрические машины. Это излучение слабо поглощается воздухом, намагничивает железо. Применяется для изготовления постоянных магнитов, в электротехнической промышленности.

Радиоволны находятся в интервале частот от 10³ до 10¹¹ Гц. Они излучаются антеннами передатчиков и также лазерами. Радиоволны хорошо распространяются в воздухе, отражаются от металлических предметов, облаков. Радиоволны используются для радиосвязи и радиолокации.

Инфракрасное излучение имеет ещё большую частоту, чем радиоволны (до 10¹⁴ Гц) и излучается всеми нагретыми телами. Оно хорошо проходит через туман и другие непрозрачные тела, действует на термоэлементы. Применяется для плавки, сушки, в приборах ночного видения, в медицине.

Видимый свет имеет частоту порядка 10¹⁴ Гц, длину волны 10⁷ м. Это единственное видимое излучение. Источники: Солнце, лампы. Свет делает видимыми окружающие предметы, разлагается на лучи разного цвета, вызывает фотоэффект и фотосинтез.

Используется для освещения.

Ультрафиолетовое излучение имеет частоту от 10¹⁴ до 10¹⁷ Гц. Его источники: Солнце, кварцевые лампы. Это излучение вызывает фотохимические реакции, на коже образуется загар, убивает бактерии, поглощается озоном. Применяется в медицине, в газоразрядных лампах.

Рентгеновские лучи образуются в рентгеновской трубке при резком торможении электронов. Они обладают большой проникающей способностью, активно воздействуют на клетки, фотоэмульсию. Применяются в медицине, в рентгенографии.

Гамма-лучи (γ-лучи) имеют самую большую частоту (10¹⁹-10²⁹ Гц). Они образуются при радиоактивном распаде, при ядерных реакциях. Имеют наибольшую проникающую способность, не отклоняются полями, разрушают живые клетки. Применяются в медицине, военном деле.

15.1Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Использование свойств газов в технике.

Идеальный газ - это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало, т.к. молекулы находятся далеко друг от друга.

В реальности к идеальному газу приближены разреженные газы.

Основными параметрами идеального газа являются давление, объём и температура.

Давление газа создаётся ударами молекул о стенки сосуда и растёт с увеличением температуры.

Для расчёта давления было получено следующее уравнение:

основное уравнение МКТ идеального газа.

Данное уравнение можно переписать в виде: где .

Свойства газов легко сжиматься и расширяться используются во многих технических устройствах: двигателе внутреннего сгорания, паровой турбине, насосах, при проектировании судов и др.

15.2.Принципы радиотелефонной связи. Амплитудная модуляция и детектирование. Простейший радиоприёмник.

Для осуществления радиосвязи используются электромагнитные волны частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен тысяч мегагерц. Такие волны хорошо излучаются антеннами передатчиков, распространяются в пространстве и доходят до антенны приёмника.

Микрофон передатчика преобразует звуковые волны в электрические колебания низкой частоты, которые не излучаются антенной. Эти колебания складываются с колебаниями, которые вырабатывает генератор высокой частоты, и получаются амплитудно-модулированные колебания. Они являются высокочастотными, но изменёнными по амплитуде в соответствии со звуковыми колебаниями.

Амплитудно-модулированные колебания излучаются передающей антенной и доходят до приёмной антенны. В приёмнике происходит детектирование - выделение из высокочастотных модулированных колебаний сигнала звуковой частоты.

Простейший приёмник состоит из приёмной антенны, колебательного контура, детектора, конденсатора, усилителя и динамика.

В антенне приёмника возникают колебания той же частоты, на которой работает передатчик. Чтобы настроить радиоприёмник на частоту какой-нибудь радиостанции обычно используют конденсатор переменной ёмкости. С изменением его ёмкости меняется собственная частота контура приёмника. При совпадении этой частоты с частотой какой-нибудь радиостанции наступает резонанс - резкое увеличение силы тока.

Затем с колебательного контура модулированные колебания поступают на детектор, который пропускает ток только в одном направлении. После детектора ток становится пульсирующий. Импульсы тока делятся: часть заряжает конденсатор, другая часть идёт на динамик. В промежутке между импульсами, когда через детектор ток не идет, конденсатор разряжается через динамик. В результате этого через нагрузку течёт ток звуковой частоты, и из динамика слышны музыка или речь.

16.1Внутренняя энергия и способы её изменения. Первый закон термодинамики.

Любое тело обладает внутренней энергией.

Внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий движения молекул, из которых состоит тело, и потенциальных энергий взаимодействия молекул.

Внутренняя энергия обозначается буквой U, измеряется в Джоулях.

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. , где масса газа,

Существует два способа изменения внутренней энергии: теплопередача (теплообмен) и совершение работы.

Теплопередача - это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передаётся от более нагретых тел к менее нагретым.

Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты Q.

При совершении работы газ расширяется или сжимается. Работа газа при изобарном расширении от объёма до объёма вычисляется по формуле: , где

I закон термодинамики: изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе.

16.2.Волновые свойства света.

Свет - это электромагнитные волны с длиной волны от 4٠10^-7 м до 8٠10^-7 м.

Скорость света в вакууме равна 3٠10⁸ м/с.

Основные волновые свойства света: интерференция и дифракция.

Интерференция - это сложение двух световых волн, в результате которого в одних точках пространства происходит усиление амплитуды результирующей волны, а в других - гашение волн.

Усиление света произойдёт в том случае, если одна световая волна отстанет от другой на целое число длин волн (условие максимумов). или ,

где ,

Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечётное число полуволн, то произойдёт ослабление света (условие минимумов).

где

Для наблюдения интерференции необходимо, чтобы волны были когерентными, т.е. имели одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

Когерентные волны образуются при прохождении света через тонкие плёнки или стеклянные пластинки. Этим объясняется окраска мыльных пузырей и масляных плёнок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны.

Дифракция - это отклонение света от прямолинейного распространения и огибание волнами препятствий.

Дифракция проявляется особенно отчётливо, если размеры препятствий меньше длины волны или сравнимы с ней. Т.к. длина световой волны очень мала (~10^-7 м), то размеры препятствий тоже должны быть маленькими.

Поэтому для наблюдения дифракции света используют дифракционную решётку.

Дифракционная решётка - прозрачная пластинка с нанесёнными на неё непрозрачными полосками. На 1 мм может быть нанесено сотни и даже тысячи штрихов.

С помощью дифракционной решётки проводят очень точные измерения длины волны.

17.1Первый закон термодинамики. Необратимость тепловых процессов.

Пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки, ко­то­рый, по сути, яв­ля­ет­ся за­ко­ном со­хра­не­ния энер­гии (теп­ло­вой) в тер­мо­ди­на­ми­че­ских (теп­ло­вых) про­цес­сах.

Рас­смот­рим этот закон:

То есть - из­ме­не­ние внут­рен­ней энер­гии - это про­стая сумма пе­ре­дан­ной телу теп­ло­ты - и вы­пол­нен­ной над телом внеш­ни­ми си­ла­ми ра­бо­ты -.

Од­на­ко более рас­про­стра­не­на несколь­ко иная фор­му­ли­ров­ка этого за­ко­на, так как тер­мо­ди­на­ми­ка - наука, опи­сы­ва­ю­щая дей­ствия теп­ло­вых машин, а теп­ло­вые ма­ши­ны, в свою оче­редь, ос­но­вы­ва­ют­ся на прин­ци­пе вы­пол­не­ния рас­ши­ря­ю­щим­ся газом неко­то­рой ра­бо­ты (на­при­мер, дви­га­те­ли внут­рен­не­го сго­ра­ния

Рас­смот­рим эту фор­му­ли­ров­ку:

Здесь: - пе­ре­дан­ное пор­ции газа тепло; - при­рост внут­рен­ней энер­гии газа; - вы­пол­нен­ная газом ра­бо­та. То есть вся энер­гия, пе­ре­дан­ная газу извне, идёт на уве­ли­че­ние внут­рен­ней энер­гии газа (раз­гон мо­ле­кул газа), и на вы­пол­не­ние газом ме­ха­ни­че­ской ра­бо­ты.

Пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки не толь­ко за­да­ёт связь между раз­ны­ми фор­ма­ми энер­гии в тер­мо­ди­на­ми­че­ском про­цес­се, но и опро­вер­га­ет воз­мож­ность су­ще­ство­ва­ния веч­но­го дви­га­те­ля.

Веч­ный дви­га­тель - устрой­ство, спо­соб­ное вы­пол­нять ра­бо­ту без по­треб­ле­ния ка­ко­го-ли­бо топ­ли­ва.

Из первого закона термодинамики следует, что энер­гия для вы­пол­не­ния ра­бо­ты бе­рёт­ся из за­па­сов внут­рен­ней энер­гии тела, и по­это­му невоз­мож­но по­сто­ян­ное вы­пол­не­ние такой ра­бо­ты - лишь до мо­мен­та, когда ис­сяк­нет внут­рен­няя энер­гия.

Ещё одним во­про­сом, остав­шим­ся нераз­ре­шён­ным, яв­ля­ет­ся на­прав­ле­ние пе­ре­хо­да теп­ло­вой энер­гии, ведь пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки ука­зы­ва­ет лишь на со­хра­не­ние зна­че­ния этой энер­гии. Ответ на этот во­прос был впер­вые по­лу­чен немец­ким учё­ным Ру­доль­фом Кла­у­зи­усом в виде вто­ро­го за­ко­на (на­ча­ла) тер­мо­ди­на­ми­ки.

Вто­рой закон тер­мо­ди­на­ми­ки: невоз­мож­но пе­ре­дать энер­гию (теп­ло­ту) от менее на­гре­той си­сте­мы к более на­гре­той без од­но­вре­мен­но­го из­ме­не­ния этих двух си­стем или окру­жа­ю­щих тел. То есть можно го­во­рить о необ­ра­ти­мо­сти теп­ло­вых про­цес­сов - нель­зя об­ра­тить их вспять от их есте­ствен­но­го про­те­ка­ния (кроме тех слу­ча­ев, когда об­ра­ти­мый про­цесс яв­ля­ет­ся ча­стью более слож­но­го про­цес­са).

17.2 Дифракция - это отклонение света от прямолинейного распространения и огибание волнами препятствий.

Дифракция проявляется особенно отчётливо, если размеры препятствий меньше длины волны или сравнимы с ней. Т.к. длина световой волны очень мала (~10^-7 м), то размеры препятствий тоже должны быть маленькими.

Поэтому для наблюдения дифракции света используют дифракционную решётку.

Дифракционная решётка - прозрачная пластинка с нанесёнными на неё непрозрачными полосками. На 1 мм может быть нанесено сотни и даже тысячи штрихов.

С помощью дифракционной решётки проводят очень точные измерения длины волны.

18.1.Принципы действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей. Роль тепловых двигателей в народном хозяйстве и проблемы их использования.

Тепловые двигатели - это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела на сотни и тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Рабочим телом у всех двигателей является газ, который совершает работу при расширении.

Температуру Т₁ называют температурой нагревателя.

По мере совершения работы газ теряет энергию и охлаждается до температуры Т₂, которую называют температурой холодильника.

Холодильником обычно является окружающая среда.

Коэффициентом полезного действия теплового (КПД) называют отношение работы А′, совершаемой двигателем, к количеству теплоты , полученному от нагревателя:

Максимально возможный КПД вычисляют по формуле Карно:

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов.

Также на всех основных видах транспорта преимущественно используются тепловые двигатели.

Все тепловые двигатели при работе выделяют большое количество теплоты и выбрасывают в атмосферу вредные для растений и животных химические соединения. Это ставит серьёзные проблемы охраны окружающей среды.

18.2.Дисперсия света. Спектр. Спектроскоп.

Дисперсия света - это зависимость показателя преломления света от его длины волны или частоты.

Дисперсию света можно наблюдать при прохождении света через стеклянную призму: белый свет разлагается на составные части (кр., оранж., жел., зел., гол., син., фиол.).

Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других - красные.

Луч красного цвета преломляется меньше всего из-за того, что имеет в веществе наибольшую скорость (и наименьшую частоту), а луч фиолетового цвета преломляется больше, т.к. скорость фиолетового света наименьшая (а частота наибольшая).

Дисперсию изучал Ньютон. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.

Прибор для наблюдения спектров называется спектроскоп. Его основные части - стеклянная призма и две трубки. В одну трубку свет попадает через отверстие, проходит через призму, через линзы. Через вторую трубку (зрительную) можно наблюдать спектр.

Интерференция - это сложение двух световых волн, в результате которого в одних точках пространства происходит усиление амплитуды результирующей волны, а в других - гашение волн.

Усиление света произойдёт в том случае, если одна световая волна отстанет от другой на целое число длин волн (условие максимумов). или ,

где ,

Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечётное число полуволн, то произойдёт ослабление света (условие минимумов).

где

Для наблюдения интерференции необходимо, чтобы волны были когерентными, т.е. имели одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

Когерентные волны образуются при прохождении света через тонкие плёнки или стеклянные пластинки. Этим объясняется окраска мыльных пузырей и масляных плёнок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны.

19.1.Электризация тел. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона.

Все тела в обычном состоянии не имеют заряда.

Чтобы тело получило заряд, его нужно наэлектризовать: отделить отрицательный заряд от связанного с ним положительного. Простейший способ электризации - трение.

При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.

Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным.

Электрический заряд - это физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия.

Электрический заряд обозначается буквой q, измеряется в Кулонах (Кл).

Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы.

Элементарный заряд равен

Полный заряд замкнутой системы остаётся постоянным:

закон сохранения заряда.

Существуют заряды двух знаков: положительный и отрицательный. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые - притягиваются.

⊕⟶ ⟵

Закон Кулона. Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

где

19.2Природа света. Законы отражения и преломления света.

Первые научные гипотезы о природе света были высказаны в XVII в.

Ньютон в 1672 г. высказывал предположение о корпускулярной природе света (свет - поток частиц).

Против корпускулярной теории света выступали современники Ньютона Гук и Гюйгенс, разработавшие волновую теорию света (свет - волны).

В настоящее время говорят, что свет имеет двойственную природу. В одних опытах обнаруживаются его волновые свойства, а в других - корпускулярные.

Закон отражения света. Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр, проведённый в точку падения, лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения (α=β).

Закон преломления света. Падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр, проведённый в точку падения, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред.

, где

Если обозначить - скорость света в первой среде, а - скорость света во второй среде, то .

При переходе из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду угол преломления β оказывается больше угла падения α. И наоборот.

20.1 Электрическое поле. Напряжённость электрического поля.

Электрическое поле - это особая форма материи, существующая независимо от нас и от наших знаний о нём. Оно обладает следующими свойствами: возникает вокруг заряженных тел и действует на заряженные тела с некоторой силой.

Поле одного заряда действует на другой заряд и наоборот.

Характеристикой электрического поля является напряженность.

Напряженность поля - это векторная величина, равная отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, к величине этого заряда. .

Напряженность обозначается .

Направление вектора совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующей на отрицательный заряд.

Если в данной точке пространства несколько заряженных частиц создают электрические поля, то результирующая напряженность поля в этой точке находится по правилу сложения векторов: +…

20. 2. Линзы. Построение изображения в тонкой линзе. Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы.

Обо­зна­чим через рас­сто­я­ние от пред­ме­та до линзы и от изоб­ра­же­ния до линзы. От­но­ше­ние вы­со­ты изоб­ра­же­ния () к вы­со­те пред­ме­та (), на­зо­вем уве­ли­че­ни­ем линзы и обо­зна­чим через гамма. Тогда можно вы­ве­сти такую фор­му­лу:

Пред­мет обо­зна­чим , изоб­ра­же­ние - . Рас­смот­рим две пары по­доб­ных тре­уголь­ни­ков (Рис. 1), и из этого можно вы­ве­сти еще одну фор­му­лу:

Рис. 1. Гео­мет­ри­че­ская за­да­ча по на­хож­де­нию изоб­ра­же­ния

Также из по­до­бия тре­уголь­ни­ков и сле­ду­ет, что:

Те­перь мы можем при­рав­нять по­лу­чен­ные ра­вен­ства, про­из­во­дим неслож­ные ариф­ме­ти­че­ские вы­чис­ле­ния и по­лу­ча­ем ко­неч­ную фор­му­лу:

Линза - про­зрач­ное тело, огра­ни­чен­ное с двух сто­рон сфе­ри­че­ски­ми по­верх­но­стя­ми.

Тон­кая линза - линза, тол­щи­на ко­то­рой много мень­ше ра­ди­у­сов сфер, огра­ни­чи­ва­ю­щих ее по­верх­ность. Обо­зна­че­ние линз на схе­мах (см. Рис. 1):

20.2(продолжение)

Рис. 1. Обо­зна­че­ние линз на схе­мах

Типы линз (см. Рис. 2):

1. Дво­я­ко­вы­пук­лая

2. Дво­я­ко­во­гну­тая

3. Плос­ко­вы­пук­лая

4. Плос­ко­во­гну­тая

5. Вы­пук­ло-во­гну­тая

6. Во­гну­то-вы­пук­лая

Изоб­ра­же­ния:

1. Дей­стви­тель­ные - те изоб­ра­же­ния, ко­то­рые мы по­лу­ча­ем в ре­зуль­та­те пе­ре­се­че­ния лучей, про­шед­ших через линзу. Они по­лу­ча­ют­ся в со­би­ра­ю­щей линзе;

2. Мни­мые - изоб­ра­же­ния, об­ра­зу­е­мые рас­хо­дя­щи­ми­ся пуч­ка­ми, лучи ко­то­рых на самом деле не пе­ре­се­ка­ют­ся между собой, а пе­ре­се­ка­ют­ся их про­дол­же­ния, про­ве­ден­ные в об­рат­ном на­прав­ле­нии.

Со­би­ра­ю­щая линза может со­зда­вать как дей­стви­тель­ное, так и мни­мое изоб­ра­же­ние.

Рас­се­и­ва­ю­щая линза со­зда­ет толь­ко мни­мое изоб­ра­же­ние.

Со­би­ра­ю­щая линза

1. Если пред­мет рас­по­ла­га­ет­ся за двой­ным фо­ку­сом.

Чтобы по­стро­ить изоб­ра­же­ние пред­ме­та, нужно пу­стить два луча. Пер­вый луч про­хо­дит из верх­ней точки пред­ме­та па­рал­лель­но глав­ной оп­ти­че­ской оси. На линзе луч пре­лом­ля­ет­ся и про­хо­дит через точку фо­ку­са. Вто­рой луч необ­хо­ди­мо на­пра­вить из верх­ней точки пред­ме­та через оп­ти­че­ский центр линзы, он прой­дет, не пре­ло­мив­шись. На пе­ре­се­че­нии двух лучей ста­вим точку А'. Это и будет изоб­ра­же­ние верх­ней точки пред­ме­та.

Точно так же стро­ит­ся изоб­ра­же­ние ниж­ней точки пред­ме­та.

В ре­зуль­та­те по­стро­е­ния по­лу­ча­ет­ся умень­шен­ное, пе­ре­вер­ну­тое, дей­стви­тель­ное изоб­ра­же­ние (см. Рис. 1).

Рис. 1. Если пред­мет рас­по­ла­га­ет­ся за двой­ным фо­ку­сом

2. Если пред­мет рас­по­ла­га­ет­ся в точке двой­но­го фо­ку­са.

Для по­стро­е­ния необ­хо­ди­мо ис­поль­зо­вать два луча. Пер­вый луч про­хо­дит из верх­ней точки пред­ме­та па­рал­лель­но глав­ной оп­ти­че­ской оси. На линзе луч пре­лом­ля­ет­ся и про­хо­дит через точку фо­ку­са. Вто­рой луч необ­хо­ди­мо на­пра­вить из верх­ней точки пред­ме­та через оп­ти­че­ский центр линзы, он прой­дет через линзу, не пре­ло­мив­шись. На пе­ре­се­че­нии двух лучей ста­вим точку А'. Это и будет изоб­ра­же­ние верх­ней точки пред­ме­та.

Точно так же стро­ит­ся изоб­ра­же­ние ниж­ней точки пред­ме­та.

В ре­зуль­та­те по­стро­е­ния по­лу­ча­ет­ся изоб­ра­же­ние, вы­со­та ко­то­ро­го сов­па­да­ет с вы­со­той пред­ме­та. Изоб­ра­же­ние яв­ля­ет­ся пе­ре­вер­ну­тым и дей­стви­тель­ным (Рис. 2).

20.2(продолжение)

Рис. 2. Если пред­мет рас­по­ла­га­ет­ся в точке двой­но­го фо­ку­са

3. Если пред­мет рас­по­ла­га­ет­ся в про­стран­стве между фо­ку­сом и двой­ным фо­ку­сом

Для по­стро­е­ния необ­хо­ди­мо ис­поль­зо­вать два луча. Пер­вый луч про­хо­дит из верх­ней точки пред­ме­та па­рал­лель­но глав­ной оп­ти­че­ской оси. На линзе луч пре­лом­ля­ет­ся и про­хо­дит через точку фо­ку­са. Вто­рой луч необ­хо­ди­мо на­пра­вить из верх­ней точки пред­ме­та через оп­ти­че­ский центр линзы. Через линзу он про­хо­дит, не пре­ло­мив­шись. На пе­ре­се­че­нии двух лучей ста­вим точку А'. Это и будет изоб­ра­же­ние верх­ней точки пред­ме­та.

Точно так же стро­ит­ся изоб­ра­же­ние ниж­ней точки пред­ме­та.

В ре­зуль­та­те по­стро­е­ния по­лу­ча­ет­ся уве­ли­чен­ное, пе­ре­вер­ну­тое, дей­стви­тель­ное изоб­ра­же­ние (см. Рис. 3).

Рис. 3. Если пред­мет рас­по­ла­га­ет­ся в про­стран­стве между фо­ку­сом и двой­ным фо­ку­сом

Так устро­ен про­ек­ци­он­ный ап­па­рат. Кадр ки­но­лен­ты рас­по­ла­га­ет­ся вб­ли­зи фо­ку­са, тем самым по­лу­ча­ет­ся боль­шое уве­ли­че­ние.

Вывод: по мере при­бли­же­ния пред­ме­та к линзе из­ме­ня­ет­ся раз­мер изоб­ра­же­ния.

Когда пред­мет рас­по­ла­га­ет­ся да­ле­ко от линзы - изоб­ра­же­ние умень­шен­ное. При при­бли­же­нии пред­ме­та изоб­ра­же­ние уве­ли­чи­ва­ет­ся. Мак­си­маль­ным изоб­ра­же­ние будет тогда, когда пред­мет на­хо­дит­ся вб­ли­зи фо­ку­са линзы.

4. Если пред­мет на­хо­дит­ся в фо­каль­ной плос­ко­сти

Пред­мет не со­здаст ни­ка­ко­го изоб­ра­же­ния (изоб­ра­же­ние на бес­ко­неч­но­сти). Так как лучи, по­па­дая на линзу, пре­лом­ля­ют­ся и идут па­рал­лель­но друг другу (см. Рис. 4).

Рис. 4. Если пред­мет на­хо­дит­ся в фо­каль­ной плос­ко­сти

5. Если пред­мет рас­по­ла­га­ет­ся между лин­зой и фо­ку­сом

Для по­стро­е­ния необ­хо­ди­мо ис­поль­зо­вать два луча. Пер­вый луч про­хо­дит из верх­ней точки пред­ме­та па­рал­лель­но глав­ной оп­ти­че­ской оси. На линзе луч пре­ло­мит­ся и прой­дет через точку фо­ку­са. Про­хо­дя через линзу, лучи рас­хо­дят­ся. По­это­му изоб­ра­же­ние будет сфор­ми­ро­ва­но с той же сто­ро­ны, что и сам пред­мет, на пе­ре­се­че­нии не самих линий, а их про­дол­же­ний.

В ре­зуль­та­те по­стро­е­ния по­лу­ча­ет­ся уве­ли­чен­ное, пря­мое, мни­мое изоб­ра­же­ние (см. Рис. 5).

Рис. 5. Если пред­мет рас­по­ла­га­ет­ся между лин­зой и фо­ку­сом

Таким об­ра­зом устро­ен мик­ро­скоп.

21.1.Электроёмкость. Конденсатор и его устройство. Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов в технике.

Электроёмкостью двух проводников называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводником и соседним.

Электроёмкость обозначается буквой , вычисляется по формуле: где

Единица измерения электроёмкости: Фарад (Ф).

Конденсатор представляет собой два проводника, разделённые слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Электроёмкость конденсатора определяется формулой:.

Конденсаторы бывают разных видов: бумажные, слюдяные, воздушные и т.д. по типу используемого диэлектрика.

Также бывают конденсаторы постоянной и переменной электроёмкости.

Электроёмкость конденсатора зависит от вида диэлектрика, расстояния между пластинами и площади пластин: , где

Электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора. Энергия заряженного конденсатора вычисляется по формуле:.

Основное применение конденсаторов - в радиотехнике. Также они применяются в лампах-вспышках, в газоразрядных лампах.

21.2.Опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора.

Первая модель атома была предложена английским физиком Томсоном. По Томсону, атом представляет собой положительно заряженный шар, внутри которого находятся отрицательно заряженные электроны.

Модель атома Томсона была неверной, что подтвердилось в опытах английского физика Резерфорда в 1906 г.

В этих опытах узкий пучок α-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц.

Было обнаружено, что большинство α-частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохождения фольги, т.е. рассеиваются. А некоторые α-частицы вообще отбрасываются назад.

Рассеяние α-частиц Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд не распределён равномерно по шару, как предполагал Томсон, а сосредоточен в центральной части атома - атомном ядре. При прохождении около ядра α-частица, имеющая положительный заряд, отталкивается от него, а при попадании в ядро - отбрасывается назад.

Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе.

Но Резерфорд не мог объяснить устойчивости (почему электроны не излучают волны и не падают к положительно заряженному ядру).

Новые представления об особых свойствах атома сформулировал датский физик Бор в двух постулатах.

1-й постулат. Атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует соя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.

2-й постулат. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения.

Энергия излученного фотона равна разности энергий атома в двух состояниях:

постоянная Планка.

22.1 Электромагнитные волны и их свойства.

Электромагнитные волны и их свойства. Радиолокация и её применение.

Электромагнитная волна - это меняющееся с течением времени и распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.

Свойства электромагнитных волн:

1.Возникают при ускоренном движении зарядов.

2.Являются поперечными.

3.Имеют скорость в вакууме 3٠10⁸ м/с.

4.Переносят энергию

5.Проникающая способность и энергия зависит от частоты.

6.Отражаются.

7.Обладают интерференцией и дифракцией.

Свойство отражения электромагнитных волн используется в радиолокации.

Радиолокация - это обнаружение и определение местонахождения объектов с помощью радиоволн.

Радиолокационная установка (радиолокатор) состоит из передающей и приёмной частей.

От передающей антенны идёт электромагнитная волна, доходит до объекта и отражается.

Радиолокаторы используют в военных целях, а также службой погоды для наблюдения за облаками. С помощью радиолокации исследуются поверхности Луны, Венеры и других планет.

22.2 Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Использование свойств газов в технике.

Идеальный газ - это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало, т.к. молекулы находятся далеко друг от друга.

В реальности к идеальному газу приближены разреженные газы.

Основными параметрами идеального газа являются давление, объём и температура.

Давление газа создаётся ударами молекул о стенки сосуда и растёт с увеличением температуры.

Для расчёта давления было получено следующее уравнение:

основное уравнение МКТ идеального газа.

Данное уравнение можно переписать в виде: где .

Свойства газов легко сжиматься и расширяться используются во многих технических устройствах: двигателе внутреннего сгорания, паровой турбине, насосах, при проектировании судов и др.

23.1Электрический ток в металлах. Сопротивление металлического проводника. Удельное сопротивление.

Электрический ток - это направленное движение заряженных частиц.

В металлах ток создаётся движением электронов.

За направление тока принимается направление движения положительных зарядов.

Для возникновения тока необходимо наличие свободных носителей заряда и наличие внешнего электрического поля.

Электрический ток производит тепловое, магнитное, химическое, световое и биологическое действия.

Сила тока - это величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени, к этому промежутку времени.

Сила тока обозначается буквой I, измеряется в Амперах (А).

Согласно закону Ома для участка цепи сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R.

Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров.

, где

Удельное сопротивление численно равно сопротивлению проводника, имеющего форму куба с ребром 1 м, если ток направлен перпендикулярно противоположным граням куба.

23.2 Принцип действия и использование лазера.

Дол­гое время в эпоху Нью­то­на свет не счи­та­ли вол­но­вым яв­ле­ни­ем, так как для света не на­блю­да­лось яв­ле­ния ин­тер­фе­рен­ции (Рис. 1). Яв­ле­ние ин­тер­фе­рен­ции за­клю­ча­ет­ся в том, что если свет от двух раз­ных ис­точ­ни­ков по­па­да­ет в одну точку, то, при усло­вии ко­ге­рент­но­сти, в этой точке долж­но про­изой­ти либо уси­ле­ние, либо ослаб­ле­ние све­то­вых ко­ле­ба­ний. Но этого не на­блю­да­лось.

От неза­ви­си­мых ис­точ­ни­ков ин­тер­фе­рен­ци­он­ная кар­ти­на не на­блю­да­ет­ся.

Для неза­ви­си­мых ис­точ­ни­ков не со­блю­да­ет­ся усло­вие ко­ге­рент­но­сти, так как из­лу­че­ние света свя­за­но с пе­ре­хо­дом более вы­со­ко­го энер­ге­ти­че­ско­го со­сто­я­ния в более низ­кое со­сто­я­ние ато­мов из­лу­ча­те­ля. Дан­ный пе­ре­ход яв­ля­ет­ся спон­тан­ным, по­сто­ян­ной фазы нет. А усло­вие ко­ге­рент­но­сти - это по­сто­ян­ство во вре­ме­ни раз­но­сти фаз между ис­точ­ни­ка­ми.

С со­вре­мен­ной точки зре­ния из­лу­че­ние света про­ис­хо­дит сле­ду­ю­щим об­ра­зом. По­лу­чая ка­кую-то энер­гию, элек­трон в атоме пе­ре­хо­дит из ос­нов­но­го со­сто­я­ния в воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние. В этом воз­буж­ден­ном со­сто­я­нии атом может пре­бы­вать очень неболь­шое время (при­мер­но 10^-8 с). И затем атом пе­ре­хо­дит снова в ста­ци­о­нар­ное со­сто­я­ние, при этом из­лу­чая фотон. Ко­ге­рент­ность фо­то­на свя­за­на с тем, что все из­лу­че­ние за­ни­ма­ет 10^-8 с, за это время волна (фотон) успе­ва­ет вы­пол­нить 50 пе­ри­о­дов, а затем эта кар­ти­на пре­ры­ва­ет­ся.

В 1916 году Эйн­штейн до­ка­зал, что, в за­ви­си­мо­сти от при­чин, ко­то­рые за­став­ля­ют атом из воз­буж­ден­но­го со­сто­я­ния пе­рей­ти в ста­ци­о­нар­ное со­сто­я­ние, могут быть со­вер­шен­но раз­ные эф­фек­ты.

Если при­чи­на слу­чай­ная - спон­тан­ное из­лу­че­ние.

Ин­ду­ци­ро­ван­ное из­лу­че­ние - из­лу­че­ние, в ко­то­ром из­лу­че­ние атома вы­зва­но по­па­да­ни­ем в него фо­то­на.

Эйн­штейн до­ка­зал, что если в атом по­па­да­ет фотон такой энер­гии, ко­то­рая может быть из­лу­че­на при пе­ре­хо­де из воз­буж­ден­но­го со­сто­я­ния в ста­ци­о­нар­ное со­сто­я­ние самим ато­мом, то этот фотон ато­мом не по­гло­ща­ет­ся, а после атома идут уже два аб­со­лют­но иден­тич­ных фо­то­на. Эти фо­то­ны имеют оди­на­ко­вую длину волны, ча­сто­ту, про­стран­ствен­ное на­прав­ле­ние, по­ля­ри­за­цию и яв­ля­ют­ся пол­но­стью ко­ге­рент­ны­ми.

Эта идея вы­нуж­ден­но­го фо­то­на­ми из­лу­че­ния ато­мов по­ло­же­на в ос­но­ву со­зда­ния ла­зе­ров. Чтобы лазер ра­бо­тал, необ­хо­ди­мо, чтобы таких ато­мов в воз­буж­ден­ном со­сто­я­нии было много.

Была при­ду­ма­на си­сте­ма уве­ли­че­ния ко­ли­че­ства ато­мов, в ко­то­рых элек­тро­ны на­хо­дят­ся на более вы­со­ком энер­ге­ти­че­ском уровне, т. е. атом на­хо­дит­ся в воз­буж­ден­ном со­сто­я­нии.

23.2(продолжение)

Пусть есть ак­тив­ная среда, в ко­то­рой воз­буж­да­ют­ся атомы. Она на­хо­дит­ся между двумя зер­ка­ла­ми, одно из ко­то­рых яв­ля­ет­ся глу­хим (аб­со­лют­но не про­зрач­ным), а вто­рое зер­ка­ло - по­лу­про­зрач­ным, т. е. при­мер­но 2% из­лу­че­ния могут прой­ти через это зер­ка­ло. Но чтобы эти 2% со­ста­ви­ли боль­шую энер­гию, необ­хо­ди­мо, чтобы в ак­тив­ную среду по­сту­па­ла энер­гия лю­бо­го вида (элек­три­че­ский раз­ряд, теп­ло­вая энер­гия и т. д.). Любой вид энер­гии может при­ве­сти к пе­ре­хо­ду атома в воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние.

При этом, если ка­кой-ни­будь фотон встре­ча­ет атом, в ко­то­ром при пе­ре­хо­де из воз­буж­ден­но­го со­сто­я­ния может быть из­лу­че­ние той же самой ча­сто­ты, то фотон пре­вра­ща­ет­ся в два фо­то­на. Два таких фо­то­на могут тоже по­пасть в два таких атома, ко­то­рые на­хо­дят­ся тоже в воз­буж­ден­ном со­сто­я­нии, тогда их по­лу­чит­ся 4, и т. д. Между зер­ка­ла­ми со­зда­ет­ся такая среда, что эти фо­то­ны от­ра­жа­ют­ся то от од­но­го зер­ка­ла, то от дру­го­го, и между двумя зер­ка­ла­ми пе­ре­ме­ща­ет­ся мно­же­ство фо­то­нов. По­это­му между зер­ка­ла­ми по­яв­ля­ет­ся много ато­мов, ко­то­рые на­хо­дят­ся в ме­та­ста­биль­ном со­сто­я­нии. В любой мо­мент вре­ме­ни ме­та­ста­биль­ность можно пре­рвать, тогда из ла­зе­ра вы­хо­дит ко­ге­рент­ное из­лу­че­ние, об­ла­да­ю­щее боль­шой мощ­но­стью. Ко­ге­рент­ные фо­то­ны идут рядом друг с дру­гом.

В 1940 году Фаб­ри­кант пред­ло­жил идею на­кач­ки ла­зе­ра боль­шим ко­ли­че­ством воз­буж­ден­ных ато­мов. Но толь­ко в 1954 году Басов с Про­хо­ро­вым и неза­ви­си­мо от них Чаунс со­зда­ли пер­вые ла­зе­ры (тогда они на­зы­ва­лись ма­зе­ры). Диа­па­зон волн у этих ма­зе­ров был ра­дио­тех­ни­че­ский, т. е. они из­лу­ча­ли ко­ге­рент­ное из­лу­че­ние ра­дио­волн, с дли­ной волны 1,27 см.

В 1960 году была со­зда­на си­сте­ма, ко­то­рая на­по­ми­на­ет ны­неш­ний лазер - лазер на ру­бине.

</</font>

Рис. 1. Рис. 2.

Такой лазер имеет трех­уров­не­вую си­сте­му (Рис. 1-2). Так как в со­став ру­би­на вхо­дят атомы хрома, они имеют трех­сту­пен­ча­тую кар­тин­ку: ос­нов­ное со­сто­я­ние, со­сто­я­ние с энер­ги­ей Е₂ и со­сто­я­ние с энер­ги­ей Е₃. Со­сто­я­ние Е₂ яв­ля­ет­ся неустой­чи­вым, и атом может с него спу­стить­ся до со­сто­я­ния Е₃. Время су­ще­ство­ва­ния атома при этом уве­ли­чит­ся на пять по­ряд­ков. В таком слу­чае, си­сте­мой на­кач­ки можно со­здать такую си­ту­а­цию, что почти все атомы хрома на­хо­дят­ся в воз­буж­ден­ном со­сто­я­нии и ждут сиг­на­ла для пе­ре­хо­да в ста­ци­о­нар­ное со­сто­я­ние. Вслед­ствие этого по­лу­ча­ет­ся мощ­ный ла­зер­ный луч.

Га­зо­вые ла­зе­ры на ос­но­ве гелий + неон (Не - бу­фер­ная среда, Ne дает из­лу­че­ние). Дан­ный лазер дает яр­ко-крас­ное из­лу­че­ние:

От­ли­ча­ют­ся ма­лень­ким раз­бро­сом ча­стот. Такие ла­зе­ры об­ла­да­ют вы­со­кой ко­ге­рент­но­стью.

l_k - длина ко­ге­рент­но­сти ла­зер­но­го луча

Га­зо­вые ла­зе­ры на ос­но­ве уг­ле­кис­ло­го газа ра­бо­та­ют в ин­фра­крас­ной об­ла­сти.

Су­ще­ству­ют также жид­кост­ные ла­зе­ры с раз­ны­ми кра­си­те­ля­ми, т. е. можно по­лу­чать из­лу­че­ния раз­ных цве­тов.

Самые де­ше­вые - по­лу­про­вод­ни­ко­вые ла­зе­ры. Они могут ре­гу­ли­ро­вать свою ча­сто­ту из­лу­че­ния и, со­от­вет­ствен­но, длину волны.

Ла­зер­ное из­лу­че­ние по­кры­ва­ет огром­ный диа­па­зон:

Ла­зе­ры при­ме­ня­ют­ся в тех­ни­ке, в ме­ди­цине и т. д. На­при­мер, за­пись ин­фор­ма­ции про­во­дит­ся на ла­зер­ных дис­ках, лазер ис­поль­зу­ют в мик­ро­хи­рур­гии глаза, при свар­ке ме­тал­ла и т. д.

24.1 Параллельное и последовательное соединение проводников.

Для по­лу­че­ния нуж­ной нам силы тока го­раз­до удоб­нее под­би­рать необ­хо­ди­мое со­про­тив­ле­ние при по­сто­ян­ном на­пря­же­нии, чем под­би­рать нуж­ный ис­точ­ник пи­та­ния. И ино­гда ре­зи­стор нуж­но­го со­про­тив­ле­ния нель­зя до­стать, в таком слу­чае необ­хо­ди­мо со­еди­нить опре­де­лен­ным об­ра­зом несколь­ко дру­гих ре­зи­сто­ров (как и в слу­чае с кон­ден­са­то­ра­ми из про­шлой темы). Прин­ци­пи­аль­но раз­ных со­еди­не­ний су­ще­ству­ет два: по­сле­до­ва­тель­ное и па­рал­лель­ное. По­сле­до­ва­тель­ное со­еди­не­ние осу­ществ­ля­ет­ся под­клю­че­ни­ем ре­зи­сто­ров друг за дру­гом без раз­ветв­ле­ния про­вод­ни­ка (рис. 1):

Рис. 1. При­мер по­сле­до­ва­тель­но­го со­еди­не­ния

Ос­нов­ная за­да­ча - это по­нять, как свя­за­ны па­ра­мет­ры каж­до­го ре­зи­сто­ра в со­еди­не­нии с па­ра­мет­ра­ми эк­ви­ва­лент­но­го ре­зи­сто­ра (как будто весь блок по­сле­до­ва­тель­ных ре­зи­сто­ров мы за­ме­ни­ли одним ре­зи­сто­ром )

В первую оче­редь такое со­еди­не­ние не дает ни­ка­кой воз­мож­но­сти за­ря­дам в раз­ном ко­ли­че­стве про­хо­дить через раз­ные ре­зи­сто­ры в цепи, по­это­му:

На­пря­же­ние же, на­про­тив, будет раз­ным. Так как ра­бо­та элек­три­че­ско­го поля по пе­ре­но­су за­ря­да через весь блок - это сумма работ по пе­ре­но­су за­ря­да через каж­дый ре­зи­стор:

Вос­поль­зо­вав­шись за­ко­ном Ома в по­след­нем ра­вен­стве:

мы по­лу­чим вы­ра­же­ние для со­про­тив­ле­ний:

Глав­ная про­бле­ма по­сле­до­ва­тель­но­го со­еди­не­ния - это то, что в слу­чае раз­ры­ва цепи в ка­ком-то одном месте ток пе­ре­ста­ет идти во всей цепи. Ярким при­ме­ром по­сле­до­ва­тель­но­го со­еди­не­ния яв­ля­ют­ся гир­лян­ды

Па­рал­лель­ным на­зы­ва­ет­ся со­еди­не­ние, при ко­то­ром концы всех ре­зи­сто­ров имеют общую точку - «узел» (рис. 2):

Рис. 2. Па­рал­лель­ное со­про­тив­ле­ние

В дан­ном со­еди­не­нии эк­ви­ва­лент­ные на­пря­же­ние, сила тока и со­про­тив­ле­ния ищут­ся по-дру­го­му.

Во-пер­вых, так как концы всего блока сов­па­да­ют с кон­ца­ми каж­до­го ре­зи­сто­ра, все на­пря­же­ния равны между собой и равны эк­ви­ва­лент­но­му:

Заряд же, про­шед­ший за еди­ни­цу вре­ме­ни через весь блок, равен сумме за­ря­дов, про­шед­ших через каж­дый от­дель­ный ре­зи­стор в со­еди­не­нии. По­это­му:

Те­перь, под­ста­вив в по­след­нее ра­вен­ство закон Ома:

мы по­лу­чим вы­ра­же­ние для эк­ви­ва­лент­но­го со­про­тив­ле­ния:

Стоит от­ме­тить, что в боль­шин­стве цепей при­ме­ня­ют­ся сме­шан­ные со­еди­не­ния.

24.2 Состав ядра атома.

Ядро атома любого химического элемента состоит из положительно заряженных протонов (р) и не имеющих заряда нейтронов (n).

Протоны и нейтроны являются двумя зарядовыми состояниями частицы, называемой нуклон.

Количество протонов и нейтронов можно определить по таблице Менделеева.

Порядковый номер - это количество протонов. Чтобы узнать количество нейтронов, нужно из атомной массы вычесть количество протонов.

Например, в ядре атома кислорода8 протонов и 8 нейтронов.

25.1Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.

Полная электрическая цепь обязательно содержит источник тока.

Внутри источника тока происходит разделение зарядов: на одном полюсе накапливается положительный заряд, на другом - отрицательный.

Силы, совершающие работу по разделению зарядов, называются сторонние.

Электродвижущей силой источника (ЭДС) называется величина равная отношению работы сторонних сил А_ст по перемещению заряда вдоль замкнутой цепи к величине этого заряда q.

ЭДС обозначается буквой ; измеряется в Вольтах.

Закон Ома для полной цепи: Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна сумме внешнего и внутреннего сопротивлений цепи.

I - сила тока (А),

25.2 Состав ядра атома. Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и их свойства.

Ядро атома любого химического элемента состоит из положительно заряженных протонов (р) и не имеющих заряда нейтронов (n).

Протоны и нейтроны являются двумя зарядовыми состояниями частицы, называемой нуклон.

Количество протонов и нейтронов можно определить по таблице Менделеева.

Порядковый номер - это количество протонов. Чтобы узнать количество нейтронов, нужно из атомной массы вычесть количество протонов.

Например, в ядре атома кислорода8 протонов и 8 нейтронов.

Радиоактивность - это способность атомов одних химических элементов самопроизвольно (спонтанно) превращаться в атомы других химических элементов. При этом излучаются α-, β- и γ-лучи и выделяется энергия.

Явление радиоактивности было открыто опытным путём французским учёным Беккерелем в 1896 г. Он заметил, что соли урана засвечивают завёрнутую во много слоёв фотобумагу невидимым проникающим излучением.

В дальнейшем радиоактивность изучали Мария и Пьер Кюри и Резерфорд.

Было открыто три составляющих радиоактивного излучения: α-, β- и γ-лучи.

α-лучи - это поток ядер атомов гелия - тяжелые положительно заряженные частицы. Они слабо отклоняются электрическими и магнитными полями и обладают наименьшей проникающей способностью (слой бумаги толщиной около 0,1 мм для них уже непрозрачен).

β-лучи - это поток электронов (лёгкие, отрицательно заряженные), движущимися со скоростями, близкими к скорости света. Они сильно отклоняются электрическими и магнитными полями и гораздо меньше поглощаются веществом (их задерживает алюминиевая пластинка толщиной в несколько миллиметров).

γ-лучи - это электромагнитные волны с очень большой частотой (более 10²⁰ Гц). Их скорость около 300 000 км/с. Они не отклоняются электрическими и магнитными полями и обладают самой большой проникающей способностью. Интенсивность поглощения γ-лучи увеличивается с увеличением атомного номера вещества-поглотителя. При прохождении γ-лучей через слой свинца толщиной в 1 см их интенсивность убывает лишь вдвое.

γ-лучи представляют для человека наибольшую опасность.

26.1 Тепловое действие тока. Закон Джоуля - Ленца. Мощность электрического тока.

При про­хож­де­нии тока через про­вод­ник, про­вод­ник на­гре­ва­ет­ся. По­че­му это про­ис­хо­дит? Мы уже за­тра­ги­ва­ли мо­ле­ку­ляр­ное стро­е­ние про­вод­ни­ков в теме о со­про­тив­ле­нии и от­ме­ча­ли, что при про­те­ка­нии тока сво­бод­ные элек­тро­ны стал­ки­ва­ют­ся с уз­ла­ми кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ки. При этих столк­но­ве­ни­ях элек­тро­ны по­сто­ян­но при­да­ют неко­то­рую ско­рость узлам ре­шет­ки (рис. 1).

Рис. 1. Вза­и­мо­дей­ствие элек­тро­нов с уз­ла­ми кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ки

Так как тем­пе­ра­ту­ра - мера теп­ло­во­го дви­же­ния, в про­цес­се «рас­тал­ки­ва­ния» тем­пе­ра­ту­ра про­вод­ни­ка по­вы­ша­ет­ся. В ка­кой-то мо­мент на­сту­па­ет рав­но­ве­сие, когда ко­ли­че­ство энер­гии, по­лу­ча­е­мое про­вод­ни­ком вслед­ствие про­хож­де­ния тока, равно ко­ли­че­ству энер­гии, ко­то­рое он от­да­ет в окру­жа­ю­щую среду.

В том слу­чае, когда ра­бо­та тока не пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую или же ток не имеет хи­ми­че­ско­го дей­ствия, ра­бо­та тока эк­ви­ва­лент­на ко­ли­че­ству теп­ло­ты, вы­сво­бож­да­ю­ще­го­ся в окру­жа­ю­щую среду.

Фор­му­лу про­сче­та этого ко­ли­че­ства теп­ло­ты впер­вые неза­ви­си­мо друг от друга от­кры­ли двое уче­ных: рус­ский Эмиль Ленц и ан­гли­ча­нин Джеймс Джо­уль.

Закон Джо­у­ля-Лен­ца:

Как видно, пра­вая часть фор­му­лы в точ­но­сти по­вто­ря­ет одну из форм фор­му­лы для ра­бо­ты элек­три­че­ско­го тока.

Все­гда сле­ду­ет пом­нить, что в слу­чае, когда есть ка­кое-ли­бо дру­гое пре­об­ра­зо­ва­ние энер­гии тока, фор­му­ла Джо­у­ля-Лен­ца не вы­пол­ня­ет­ся.

На­ря­ду с ра­бо­той тока очень важно от­ме­тить мощ­ность тока, так как эта ха­рак­те­ри­сти­ка яв­ля­ет­ся клю­че­вой в бы­то­вом ис­поль­зо­ва­нии элек­тро­энер­гии (на всех бы­то­вых при­бо­рах ука­за­но при­ем­ле­мое на­пря­же­ние его мощ­ность).

Опре­де­ле­ние. Мощ­ность - это ра­бо­та, вы­пол­нен­ная за еди­ни­цу вре­ме­ни (ско­рость вы­пол­не­ния током ра­бо­ты):

Еди­ни­ца из­ме­ре­ния мощ­но­сти - ватт:

И те­перь, ис­поль­зуя наши зна­ния о ра­бо­те тока, мы без труда най­дем фор­му­лу для мощ­но­сти тока:

Или же, если ис­поль­зо­вать дру­гие виды фор­му­лы для ра­бо­ты: ,

26.2Цепная реакция деления ядер урана и условия её протекания. Термоядерная реакция.

Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом.

В 1938 г. немецкие физики Ган и Штрасман открыли деление урана под действием нейтронов: ядро урана делится на два близких по массе ядра.

У этой реакции есть две важные особенности, которые сделали возможным её практическое применение:

1. При делении каждого ядра урана выделяется значительная энергия.

2. Деление каждого ядра сопровождается вылетом 2-3 нейтронов, которые могут вызвать деление следующих ядер, т.е. сделать реакцию цепной.

Для осуществления цепной реакции используют ядра изотопа урана с массовым числом 235, т.е. . Именно они хорошо делятся под действием как быстрых, так и медленных нейтронов.

Ядра изотопа урана с массовым числом 238 () используют для получения плутония, который также используют для цепной ядерной реакции.

26.2(продолжение)

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы среднее число освобождённых в данной массе нейтронов не уменьшалось с течением времени. Управляемую цепную реакцию проводят в ядерных реакторах, которые конструируют так, чтобы коэффициент размножения k нейтронов был равен единице. Если число нейтронов будет увеличиваться с течением времени и k>1, то произойдет взрыв.

Термоядерные реакции - это реакции слияния лёгких ядер при очень высокой температуре (примерно 10⁷ Кельвинов и выше).

Легче всего осуществить реакцию синтеза между тяжелыми изотопами водорода - дейтерием и тритием. При этом в результате получается ядро гелия нейтрон и выделяется огромная энергия.

Работы над созданием управляемой термоядерной реакцией ещё ведутся.

Пока удалось осуществить неуправляемую термоядерную реакцию в водородной бомбе.

27.Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Кванты света. Применение фотоэффекта в технике.

Фотоэффект - это вырывание электронов из вещества под действием света.

Фотоэффект был открыт в 1887 г. немецким физиком Герцем и изучался экспериментально русским учёным Столетовым.

Столетов в опытах использовал стеклянный вакуумный баллон с впаянными в него двумя электродами. На электроды подавалось напряжение, а отрицательный электрод освещался светом. Под действием света из электрода вырывались электроны, которые двигались ко второму электроду. Т.е. создавался электрический ток.

В результате опытов Столетов получил следующие законы:

1. Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном.

Он использовал гипотезу немецкого физика Планка: свет излучается и поглощается отдельными порциями - квантами.

Уравнение Эйнштейна: энергия порции света идёт на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии .

Приборы, в основе действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами.

Они используются в кино для воспроизведения звука, в фотометрии для измерения освещённости, в калькуляторах, в солнечных батареях и т.д.

28.Виды деформаций твёрдых тел. Сила упругости. Закон Гука.

Деформацией называется изменение формы или объёма тела.

Деформация возникает всегда, когда различные части тела под действием сил перемещаются неодинаково.

Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил, называются упругими.

Примеры: растяжение резинового шнура, пружины, стальных шариков при столкновении.

Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластичными.

Примеры: глина, воск, пластилин.

Самые простые виды деформации - растяжение и сжатие.

Растяжение испытывают тросы, струны гитары, канаты.

Сжатие испытывают столбы, колонны, стены.

Деформацию, при которой происходит смещение слоёв тела относительно друг друга, называют деформацией сдвига.

Этой деформации подвержены все балки в местах опор, заклёпки, болты.

Более сложные виды деформации - изгиб и кручение. Эти деформации сводятся к неоднородному растяжению или сжатию или неоднородному сдвигу.

Силы упругости - это силы, возникающие при деформации тела и направленные в сторону восстановления его прежних форм и размеров перпендикулярно к деформируемой поверхности.

Закон Гука: Сила упругости, возникающая в теле при упругих деформациях, прямо пропорциональна его удлинению.

32.Тепловое расширение жидкостей и твёрдых тел.

При повышении температуры объём твёрдых тел и жидкостей возрастает.

В твёрдом теле или жидкости при заданной температуре частицы находятся на определённых расстояниях друг от друга и совершают колебания около положения равновесия. При повышении температуры тела энергия колебаний возрастает, и расстояния между молекулами начинают увеличиваться. Тело начинает расширяться, его объём увеличивается.

Объём тела при температуре t вычисляется по формуле: ,где

,

Если нагреть стержень, то его длина возрастает.

Длина l стержня при температуре t рассчитывается по формуле:

В природе имеются материалы, у которых в некотором интервале температур с увеличением температуры объём уменьшается, т.е. плотность растёт. Таким свойством обладают вода (от 0 до 4⁰С), чугун и др.

Если бы вода не обладала таким свойством, то жизнь на Земле была бы невозможна, ибо, однажды замерзнув, она уже никогда бы не растаяла, т.к. более холодные слои опускались бы до дна.

36.Модели Земли и планет. Физические условия на планетах и их атмосферы.

Планеты Солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

Плутон - планетообразное тело, самое дальнее, за Нептуном.

Планеты делятся на две группы: планеты земной группы и планеты-гиганты.

1.Планеты земной группы - Меркурий, Венера, Земля, Марс.

Все данные планеты имеют небольшие размеры и массу. Средняя плотность этих планет в несколько раз превосходит плотность воды. Они медленно вращаются вокруг своих осей. У них мало спутников (у Меркурия и Венеры их вообще нет, у Марса два крохотных, у Земли - один).

В отличие от Меркурия, который практически лишён атмосферы, Земля, Венера и Марс обладают ею. Атмосфера Венера и Марса состоит в основном из углекислого газа, но у Венеры атмосфера во много раз плотнее. Температура у поверхности Венеры очень высокая: 500⁰С (парниковый эффект). Состав облаков: капельки воды и серной кислоты.

В атмосфере Марса возникают ураганные ветры, которые длятся по несколько месяцев (пылевые бури).

Поверхности Меркурия, Венеры, Марса - каменистые пустыни, покрыты кратерами; имеются ущелья и горы.

2.Планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

Все эти планеты имеют большие размеры и массу. Юпитер превосходит Землю по объёму в 1320 раз, а по массе - в 318 раз. У всех планет-гигантов низкая средняя плотность. Они очень быстро вращаются вокруг своих осей (для Юпитера один оборот за 10 часов).

Планеты-гиганты отличаются большим числом спутников и имеют кольца.

Все эти планеты не имеют твёрдых поверхностей. Атмосфера содержит водород, гелий, аммиак, метан. Газообразный водород, входящий в атмосферу, постепенно по мере погружения в глубину планеты, переходит в жидкую, а затем и в твёрдую фазу.

У всех планет-гигантов имеются сильные магнитные поля.

42.Вынужденные колебания. Резонанс. Зависимость амплитуды колебаний от частоты вынуждающей силы.

Вынужденными называются колебания, происходящие под действием внешней постоянной периодической силы. Они незатухающие.

Примеры: поршень в цилиндре двигателя автомобиля, игла в швейной машине, качели, если их постоянно раскачивают.

При совпадении частоты внешней силы и частоты собственных колебаний тела амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает. Такое явление называется резонансом.

Если плавно увеличивать частоту внешней силы, то амплитуда колебаний тела растёт. Она достигает максимума, когда внешняя сила действует в такт со свободными колебаниями тела. При дальнейшем увеличении амплитуда установившихся колебаний опять уменьшается. При очень больших частотах внешней силы амплитуда стремится к нулю, т.к. тело вследствие своей инертности не успевает заметно смещаться за малые промежутки времени и «дрожит на месте».

Явление резонанса может быть причиной разрушения машин, зданий, мостов. Поэтому двигатели в машинах устанавливают на специальных амортизаторах, а воинским подразделениям при движении по мосту запрещается идти «в ногу».

2.Испарение жидкостей. Насыщенный и ненасыщенный пары. Влажность воздуха и её измерение.

В жидкостях все молекулы двигаются с разными скоростями: у некоторых молекул кинетическая энергия больше, у других - меньше.

Испарением называется такой процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают молекулы, кинетическая энергия которых превышает потенциальную энергию взаимодействия других молекул.

Испарение происходит при любой температуре и сопровождается охлаждением жидкости.

Чтобы увеличить интенсивность испарения необходимо нагреть жидкость, увеличить площадь открытой поверхности, обдувать потоками воздуха. Пример: высыхание белья.

Конденсация - это процесс обратный испарению, т.е. переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Пример: капли воды на холодном стекле.

Если сосуд с жидкостью закрыть, то над поверхностью жидкости будет увеличиваться концентрация молекул испаряющегося вещества. Через некоторое время наступит динамическое равновесие: число молекул, покидающих жидкость, станет равно числу молекул, вернувшихся в жидкость за то же время.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Давление насыщенного пара вычисляется по формуле: , где P - давление, измеряется в Паскалях (Па), n - концентрация, измеряется в 1/м³, k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура.

Пар, находящийся при давлении ниже насыщенного, называется ненасыщенным.

Влажность воздуха - это содержание водяного пара в воздухе.

Относительной влажностью воздуха называют отношение парциального давления водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного пара при той же температуре.

Обозначается φ, выражается в %. Формула: ,

где

Влажность измеряют с помощью специальных приборов. Один из них - психрометр, состоящий из двух термометров (сухого и влажного). По разности температур этих термометров с помощью специальных таблиц можно определить влажность воздуха.