Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Билет 1
Основные положения молекулярно-кинетической теории вещества и их опытное обоснование. Диффузия и броуновское движение. Размеры и масса молекул.
Молекулярно-кинетическая теория — это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов, как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат три основных положения:
1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов.
2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, скорость которого определяет температуру вещества.
3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых
зависит от расстояния между ними.
Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул, атомов и ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твердых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твердые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии — способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого — тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавления или путем давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение — непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, нерастворимых в жидкости.
Движение броуновских частиц объясняется хаотическим движением частиц жидкости, которые сталкиваются с микроскопическими частицами и приводят их в движение. Опытным путем было доказано, что скорость броуновских частиц зависит от температуры жидкости. Теорию броуновского движения разработал А. Эйнштейн. Законы движения частиц носят статистический, вероятностный характер. Известен только один способ уменьшения интенсивности броуновского движения — уменьшение температуры. Существование броуновского движения убедительно подтверждает движение молекул. Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц, т. е. структурных элементов, содержащихся в теле, ν. Единицей количества вещества является моль. Моль — это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода С12. Отношение числа молекул вещества к количеству вещества называют постоянной Авогадро:
NА = N/ν, где NА = 6,02 • 1023 моль-1.
Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов и молекул содержится в одном моле вещества. Молярной массой называют величину, равную отношению массы вещества к количеству вещества:
М = m/ν.
Молярная масса выражается в кг/моль. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы:
m0 = m/N = m/νNA = М/NA
Средняя масса молекул обычно определяется химическими методами, постоянная Авогадро с высокой точностью определена несколькими физическими методами. Массы молекул и атомов со значительной степенью точности определяются с помощью масс-спектрографа. Массы молекул очень малы. Например, масса молекулы воды: m0 = 29,9 •10 -27 кг.
Молярная масса связана с относительной молекулярной массой Mr.
Относительная молярная масса — это величина, равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода С12. Если известна химическая формула вещества, то с помощью таблицы Менделеева может быть определена его относительная масса, которая, будучи выражена в килограммах, показывает величину молярной массы этого вещества. Диаметром молекулы принято считать минимальное расстояние, на которое им позволяют сблизиться силы отталкивания. Однако понятие размера молекулы является условным. Средний размер молекул порядка 10-10 м.
Билет 2
Электроемкость. Конденсаторы. Электроемкость плоского конденсатора. Энергия заряженного конденсатора.
Напряжение между двумя проводниками пропорционально электрическим зарядам, которые находятся на проводниках. Если заряды удвоить, то напряженность электрического поля станет в 2 раза больше, следовательно, в 2 раза увеличится и работа, совершаемая полем при перемещении заряда, т. е. в 2 раза увеличится напряжение. Поэтому отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводником и соседним не зависит от заряда. Оно определяется геометрическими размерами проводников, их формой и взаимным расположением, а также электрическими свойствами окружающей среды (диэлектрической проницаемостью ε). Это позволяет ввести понятие электроемкости двух проводников.
Электроемкостью двух проводников называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводником и соседним:
Иногда говорят об электроемкости одного проводника. Это имеет смысл, если проводник является уединенным, т. е. расположен на большом по сравнению с его размерами расстоянии от других проводников. Так говорят, например, о емкости проводящего шара. При этом подразумевается, что роль другого проводника играют удаленные предметы, расположенные вокруг шара.
Электроемкость двух проводников равна единице, если при сообщении им зарядов 1 Кл между ними возникает разность потенциалов 1 В. Эту единицу называют фарад (Ф);
1 Ф=1 Кл/В.
Конденсатор. Большой электроемкостью обладают системы из двух проводников, называемые конденсаторами. Конденсатор представляет собой два проводника, разделенные слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Проводники в этом случае называются обкладками конденсатора.
Емкость плоского конденсатора. Рассмотрим плоский конденсатор, заполненный однородным изотропным диэлектриком с диэлектрической проницаемостью , у которого площадь каждой обкладки S и расстояние между ними d. Емкость такого конденсатора находится по формуле:
где ε – диэлектрическая проницаемость среды, S – площадь обкладок, d – расстояние между обкладками. Из этого следует, что для изготовления конденсаторов большой ёмкости надо увеличить площадь обкладок и уменьшать расстояние между ними.
Энергия W заряженного конденсатор: или
Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования её при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и переменного токов, в выпрямителях, колебательных контурах и других радиоэлектронных устройствах. В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы бывают воздушные, бумажные, слюдяные. Применение конденсаторов. Энергия конденсатора обычно не очень велика — не более сотен джоулей. К тому же она не сохраняется долго из-за неизбежной утечки заряда. Поэтому заряженные конденсаторы не могут заменить, например, аккумуляторы в качестве источников электрической энергии.
Они имеют одно и свойство: конденсаторы могут накапливать энергию более или менее длительное время, а при разрядке через цепь малого сопротивления они отдают энергию почти мгновенно. Именно это свойство используются широко на практике. Лампа-вспышка, применяемая в фотографии, питается электрическим током разряда конденсатор.
Билет 3
Электрический заряд и его свойства. Дискретность электрического заряда. Элементарный заряд. Электризация. Закон Кулона.
Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной — электрическим зарядом, который обозначается q. Единица измерения электрического заряда — кулон (Кл). 1 кулон — это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен е=1,6•10-19 Кл.
Заряд тела всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда:
q=e(Np-Ne), где Np — количество электронов, Ne — количество протонов.
Полный заряд замкнутой системы (в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
q1 + q2 + ...+qn = const.
Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда. Никогда и нигде в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц — электронов — от одних тел к другим.
Электризация — это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.
В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка — положительный.
Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатика.
Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном и читается так. Модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.
где q1 и q2— модули зарядов, r — расстояние между ними, k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц, в СИ k = 9 • 109 Н • м2/Кл2. Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды ε. Для среды с диэлектрической проницаемостью ε, закон Кулона записывается следующим образом:
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим, или кулоновским, взаимодействием. Кулоновские силы можно изобразить графически
Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силой притяжения при разных знаках зарядов и силой отталкивания при одинаковых знаках.
Дискретность электрического заряда значит его неделимость. Т.е. существует наименьший элементарный заряд. Носителем элементарного заряда является электрон: е=q=1,6•10-19 Кл.
Билет 4
Идеальный газ. Давление газа. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (без вывода).
При использовании температурной шкалы Кельвина. Графики законов Шарля и Гей-Люссака принимают вид пропорциональности, математическое выражение законов тоже изменяется.
Закон Гей-Люссака:
если объем V данного количества вещества газа ν не меняется, то отношение его давления р к температуре Т постоянно:
.
Закон Шарля:
если давление р данного количества газа ν не меняется, то отношение его объема V к температуре Т постоянно:
.
Экспериментальные газовые законы дают возможность получить уравнение состояния газа, то есть функциональную зависимость между параметрами (р, V, Т), характеризующими состояние системы:
.
Это уравнение состояния для фиксированного количества газа или уравнение Клапейрона. Подчеркнем, что оно описывает только равновесные состояния газа.
Таким образом, при любом изменении состояния данного количества газа произведение давления на объем, деленное на абсолютную температуру, остается постоянным.
Газ может находиться в разных состояниях, однако в физике четко фиксированы так называемые нормальные условия:
р0=1,00 атм=1,01•105 Па=760 мм. рт.ст. и Т0=273 К (t=00С).
Рассмотрим один моль газа при нормальных условиях. В соответствии с законом Авогадро один моль любого газа занимает при нормальных условиях один и тот же объем
V0=22,4л=22,4•10-3м3. Следовательно, одного моля любого газа соотношение имеет одно и то же значение, обозначаемое R и называемое универсальной газовой постоянной:
.
С помощью универсальной газовой постоянной уравнение Клапейрона для одного моля любого газа можно записать в виде рV=RT.
Д. И. Менделеев обобщил это уравнение на произвольное количество газа, так как при одних и тех же значениях температуры и давления ν молей газа занимают в ν раз больший объем, то один моль:
рV= ν RT.
Полученное равенство называется уравнением Клапейрона-Менделеева. Оно представляет собой уравнение состояния для произвольного количества газа.
Уравнение состояния полученное на основе экспериментально установленных газовых законов. Условия применимости его для различных газов различны. Физическая модель газа, для которой уравнение состояния выполняется точно, называется идеальным газом. Вследствие этого уравнение состояния Клапейрона-Менделеева правильно называть уравнением состояния идеального газа.
Из формулы рV= ν RT следует, что если различные газы содержат одно и то же число молей и имеют одинаковые давления и температуру, то они будут занимать один и тот же объем (закон Авогадро):
.
Отсюда следует, что равные объемы газа при одинаковых давлении и температуре содержат равное число молекул. Таким образом, закон Авогадро эквивалентен выражению о том, что R постоянна для всех газов.
В случае, когда два или более газов занимают один и тот же объем (т. е. в сосуде находится смесь газов), справедлив закон Дальтона: давление смеси химически не взаимодействующих газов равно сумме парциальных давлений отдельных газов. Парциальное давление газа определяется как давление этого газа. если бы он один занимал весь объем. Если в рассматриваемом объеме содержится n газов, то
р=р1+р2+…+рn.
Чтобы упростить изучение свойств газов, реальные газы заменяют их упрощенной моделью, которую в молекулярно-кинетической теории (МКТ) называют идеальным газом. Считают, что в идеальном газе:
Билет 5
Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Изображение электрических полей с помощью силовых линий.
Вокруг каждого заряда на основании теории близкодействия существует электрическое поле. Электрическое поле – материальный объект, постоянно существует в пространстве и способно действовать на другие заряды. Электрическое поле распространяется в пространстве со скоростью света. Физическая величина, равная отношению силы, с которой электрическое поле действует на пробный заряд (точечный положительный малый заряд, не влияющий на конфигурацию поля), к значению этого заряда, называется напряженностью электрического поля
.
Используя закон Кулона возможно получить формулу для напряженности поля, создаваемого зарядом q на расстоянии r от заряда
.
Напряженность поля не зависит от заряда, на который оно действует. Если на заряд q действуют одновременно электрические поля нескольких зарядов, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих со стороны каждого поля в отдельности. Это называется принципом суперпозиции электрических полей . Линией напряженности электрического поля называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с вектором напряженности. Линии напряженности начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных, или же уходят в бесконечность. Электрическое поле, напряженность которого одинакова по всем в любой точке пространства, называется однородным электрическим полем. Приблизительно однородным можно считать поле между двумя параллельными разноименно заряженными металлическими пластинками. При равномерном распределении заряда q по поверхности площади S поверхностная плотность заряда равна . Для бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда напряженность поля одинакова во всех точках пространства и равная .
Билет 6
Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная
проводимости полупроводников.
Многие вещества не проводят ток так хорошо, как металлы, но в то же время не являются диэлектриками. Одним из отличий полупроводников – то, что при нагревании или освещении их удельное сопротивление не увеличивается, а уменьшается. Но главным их практически применимым свойством оказалась односторонняя проводимость. Вследствие неравномерного распределения энергии теплового движения в кристалле полупроводника некоторые атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены окружающими атомами, т.к. их валентные связи насыщены. Эти свободные электроны могут перемещаться в металле, создавая электронный ток проводимости. В то же время, атом, с оболочки которого вырвался электрон, становится ионом. Этот ион нейтрализуется за счет захвата атома соседа. В результате такого хаотического перемещения возникает перемещение места с недостающим ионом, что внешне видно как перемещение положительного заряда. Это называется дырочным током проводимости. В идеальном полупроводниковом кристалле ток создается перемещением равного количества свободных электронов и дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью. При понижении температуры количество свободных электронов, пропорциональное средней энергии атомов, падает и полупроводник становится похож на диэлектрик. В полупроводник для улучшения проводимости иногда добавляются примеси, которые бывают донорные (увеличивают число электронов без увеличения числа дырок) и акцепторные (увеличивают число дырок без увеличения числа электронов). Полупроводники, где количество электронов превышает количество дырок, называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа. Полупроводники, где количество дырок превышает количество электронов, называются дырочными полупроводниками, или полупроводниками р-типа.
Полупроводниковый диод. Транзистор.
Полупроводниковый диод состоит из p-n перехода, т.е. из двух соединенных полупроводников разного типа проводимости. При соединении происходит диффузия электронов в р-полупроводник. Это приводит к появлению в электронном полупроводнике некомпенсированных положительных ионов донорной примеси, а в дырочном – отрицательных ионов акцепторной примеси, захвативших продиффундировавшие электроны. Между двумя слоями возникает электрическое поле. Если на область с электронной проводимостью подать положительный заряд а на область с дырочной – отрицательный, то запирающее поле усилится, сила тока резко понизится и почти не зависит от напряжения. Такой способ включения называется запирающим, а ток, текущий в диоде – обратным. Если на область с дырочной проводимостью подать положительный заряд а на область с электронной – отрицательный, то запирающее поле ослабится, сила тока через диод в этом случае зависит только от сопротивления внешней цепи. Такой способ включения называется пропускным, а ток, текущий в диоде – прямым.
Транзистором, он же полупроводниковый триод, состоит из двух p-n (или n-p) переходов. Средняя часть кристалла называется база, крайние – эмиттер и коллектор. Транзисторы, в которых база обладает дырочной проводимостью, называют транзисторами p-n-p перехода. Для приведения в действие транзистора p-n-p-типа на коллектор полают напряжение отрицательной полярности относительно эмиттера. Напряжение на базе при этом может быть как положительным, так и отрицательным. Т.к. дырок больше, то основной ток через переход будет составлять диффузионный поток дырок из р-области. Если на эмиттер подать небольшое прямое напряжение, то через него потечет дырочный ток, диффундирующих из р-области в n-область (базу). Но т.к. база узкая, то дырки пролетают через нее, ускоряясь полем, в коллектор. Транзистор способен распределять ток, тем самым его усиливая. Отношение изменения тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы при прочих равных условиях величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока . Следовательно, изменяя ток в цепи базы, возможно получить изменения в токе цепи коллектора.
Билет 7
Электродвижущая сила. Закон Ома для замкнутой цепи (без вывода). Источники тока.
Из закона Ома следует, что для существования постоянного тока в цени необходимо поддерживать неизменную разность потенциалов на ее концах. Можно сказать иначе — следует непрерывно разделять электрические заряды, которые под действием сил Кулона стремятся соединиться. Для этой цели необходимы силы иной природы, так называемые сторонние силы, работа которых по замкнутому контуру, в отличие от потенциальных кулоновских сил, не равна нулю.
Характеристикой действия сторонних сил является электродвижущая сила (ЭДС), которая численно равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного (пробного) заряда по замкнутой цепи. Иными словами, ЭДС определяется работой сторонних сил по перемещению заряда по замкнутому контуру, отнесенной к величине этого заряда:
.
ЭДС измеряется в вольтах (1 В): 1В=1Дж/1Кл.
Работа сторонних сил осуществляется внутри источников ЭДС, обеспечивающих непрерывное разделение электрических зарядов в цепи. Эта работа расходуется различными элементами электрической цепи: резисторами, лампами, бытовыми приборами. Таким образом, источник ЭДС обеспечивает замкнутое движение электрических зарядов по цепи в одном направлении.
Устройство, способное поддерживать разность потенциалов и обеспечивать упорядоченное движение электрических зарядов во внешней цепи, называется источником тока. Источник электрического тока имеет два полюса (две клеммы), к которым присоединяются концы проводника (внешнего участка цепи). На электрических схемах источник тока обозначается так как показано на рисунке 1, где длинная черточка соответствует положительной клемме, а короткая — отрицательной. Величину ЭДС источника тока W и его внутреннее сопротивление г также указывают на схемах. Положительный полюс источника тока имеет наибольшее значение потенциала в цепи. Поскольку на каждом из элементов цепи, обладающих сопротивлением, происходит некоторое падение напряжения, то, чем дальше точка внешней части цепи от положительного полюса источника, тем ниже ее потенциал относительно данного полюса. Иными словами, потенциал уменьшается (падает) вдоль внешней части цепи от точки к точке в направлении прохождения тока. Соответственно, наименьший потенциал в цепи имеет отрицательный полюс источника тока.
Рис 1.- Условное обозначение источника тока.
Сравнивая электрический ток с течением жидкости в трубах, можем отметить, что потенциал является аналогом гидростатического давления в жидкости. Действительно, распределение гидростатического давления в трубе, по которой течет вода, аналогично распределению потенциалов вдоль проводника с током. Как течение воды обусловлено разностью гидростатических давлений (напором) на участке трубы, так и ток обусловлен разностью потенциалов (напряжением) на участке цепи.
Участок цепи, на котором есть источник тока, называют неоднородным.
Электрические заряды внутри источника тока (на внутреннем участке цепи) движутся против кулоновских сил под действием сторонних сил, а во всей остальной цепи (на внешнем участке) их приводит в движение электрическое поле, создаваемое источником.
Продолжая аналогию с течением жидкости по трубам, можно сказать, что источник работает как насос который подает воду из нижнего резервуара в верхний, из которого она под действием силы тяжести (потенциального гравитационного поля) стекает в нижний резервуар.
В разомкнутой цепи напряжение на клеммах источника равно его ЭДС, которую в этом случае можно измерить с помощью вольтметра.
По закону Джоуля — Ленца
Q=I2RΔt+ I2rΔt=I2(R+r)Δt= I2R0Δt
где R0 = R + r —полное сопротивление цепи.
Из определения ЭДС источника тока следует, что
А = εq=εIΔt.
Таким образом,
εIΔt = I2(R + г) Δt = I2R0 Δt.
ε=IR+Ir
Отсюда получаем закон Ома для замкнутой цепи: сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:
Таким образом, ЭДС источника равна сумме падений напряжений на внешнем и внутреннем участках замкнутой цепи.
Билет 8
Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона – Менделеева) (без вывода). Изопроцессы.
Используя зависимость давления от концентрации и температуры, можно найти связь между макроскопическими параметрами газа – объемом, давлением и температурой.
.
Это уравнение называют уравнением состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона).
Изотермическим процессом называется процесс, протекающий при постоянной температуре. Из уравнения состояния идеального газа следует, что при постоянной температуре, массе и составе газа произведение давления на объем должно оставаться постоянным. Графиком изотермы (кривой изотермического процесса) является гипербола. Уравнение называют законом Бойля-Мариотта.
Изохорным процессом называется процесс, протекающий при неизменном объеме, массе и составе газа. При этих условиях (или ). Это уравнение называется законом Шарля. График уравнения изохорного процесса называется изохорой, и представляет из себя прямую, проходящую через начало координат.
Изобарным процессом называется процесс, протекающий при неизменном давлении, массе и составе газа. Аналогичным образом как и для изохорного процесса можно получить уравнение для изобарного процесса (или ). Уравнение, описывающее этот процесс, называется законом Гей-Люссака. График уравнения изобарного процесса называется изобарой, и представляет из себя прямую, проходящую через начало координат.
Билет 9
Ядерные реакции. Энергетический выход ядерных реакций. Ядерный реактор. Ядерная энергетика и экологические проблемы.
Ядерные реакции бывают двух типов: происходит выделение энергии, требуется затратить энергию. Использую закон взаимосвязи массы и энергии, можно по разности масс частиц, вступающих в реакцию, и масс частиц, являющихся продуктами ядерной реакции, найти изменение энергии системы частиц (E0=mc2) Если сумма масс исходного ядра и частиц, вступивших в ядерную реакцию, больше суммы масс ядра- продукта и испускаемых частиц, т.е разность масс положительна, то энергия выделяется. Отрицательный знак разности масс свидетельствует о поглощении энергии.
Цепные ядерные реакции. Частицами, способными к осуществлению цепных реакций, оказались нейтроны. Если создать условия, при которых вторичные нейтроны не вылетают из массы урана, а вызывает другие акты деления, то число разделившихся ядер растет по закону геометрической прогрессии. В результате можно реализовать цепную ядерную реакцию. Минимальная масса урана, достаточная для осуществления цепной реакции, называется критической массой. Если заставить ядра дейтерия и трития слиться при колоссальных температурах и давлениях, то в результате образуются ядро гелия и нейтрон. При этом их суммарная масса будет меньше, чем суммарная масса исходных ядер. Потеря массы преобразуется в энергию – это и есть ядерный синтез. Ядерный синтез, происходящий в Солнце: 4 ядра водорода при температуре 15 миллионов градусов и давлении 200 миллиардов атмосфер сливаются в ядро гелия с потерей массы и выделение огромной энергии. Проблемы ядерного синтеза: высокая температура и давление, а преимущества в том, что этот источник энергии почти неисчерпаем. Если решится проблема управляемого ядерного синтеза, то будет решена энергетическая проблема (переработка 1кг дейтерии дала бы 24 миллиона кВт/ч энергии = 3 миллионам тонн угля).
Проблемы ядерной энергетики: проблема захоронения и переработки ядерных отходов, аварии на АЭС, но АЭС не представляют опасности ядерного взрыва и почти не загрязняют окружающую среду, т.к. они намного экологичнее ЭС, работающих на угле и других видах топлива
Ядерный реактор. Термоядерная реакция.
Ядерные реакторы бывают двух видов – на медленных и быстрых нейтронах. Большинство выделяющихся при делении нейтронов имеют энергию порядка 1-2 МэВ, и скорости около 107м/с. Такие нейтроны называются быстрыми, и одинаково эффективно поглощаются как ураном-235, так и ураном-238, а т.к. тяжелого изотопа больше, а он не делится, то цепная реакция не развивается. Нейтроны, движущиеся со скоростям около 2103м/с, называют тепловыми. Такие нейтроны активнее, чем быстрые, поглощаются ураном-235. Таким образом, для осуществления управляемой ядерной реакции, необходимо замедлить нейтроны до тепловых скоростей. Наиболее распространенными замедлителями в реакторах являются графит, обычная и тяжелая вода. Для того, чтобы коэффициент деления поддерживался на уровне единицы, используются поглотители и отражатели. Поглотителями являются стержни из кадмия и бора, захватывающие тепловые нейтроны, отражателем – бериллий.
Если в качестве горючего использовать уран, обогащенный изотопом с массой 235, то реактор может работать и без замедлителя на быстрых нейтронах. В таком реакторе большинство нейтронов поглощаются ураном-238, который в результате двух бета-распадов становится плутонием-239, также являющимся ядерным топливом и исходным материалом для ядерного оружия . Таким образом, реактор на быстрых нейтронах является не только энергетической установкой, но и размножителем горючего для реактора. Недостаток – необходимость обогащения урана легким изотопом.
Энергия в ядерных реакциях выделяется не только за счет деления тяжелых ядер, но и за счет соединения легких. Для соединения ядер необходимо преодолеть кулоновскую силу отталкивания, что возможно при температуре плазмы около 107–108 К. Примером термоядерной реакции служит синтез гелия из дейтерия и трития или . При синтезе 1 грамма гелия выделяется энергия, эквивалентная сжиганию 10 тонн дизельного топлива. Управляемая термоядерная реакция возможна при нагревании ее до соответствующей температуры путем пропускания через нее электрического тока или с помощью лазера.
Билет 10
Работа по перемещению заряда в электрическом поле (без вывода). Разность потенциалов. Напряжение.
Работа сил системы равна изменению потенциальной энергии, взятому с обратным знаком:
А =-ΔW.
На заряд q, помещенный в электростатическое поле напряженностью действует сила F = qE (рис. 1,а). Поэтому при его перемещении из А в B полем будет совершаться работа
A=Fs=Fscosα=F(d1-d2)=-F(d2-d1)=-FΔd=-qEΔd
где s — вектор перемещения, s.cos α = —Δd = d1 — d2>0 — проекция вектора перемещения на ось Ох, направленную вдоль поля . -
Запишем формулу для определения работы по перемещению заряда из точки А в точку В в другом виде:
A=-qE(d2-d1)=-(qEd2- qEd1)=-(W2-W1)=- ΔW
где W1, W2 можно считать потенциальными энергиями заряда в точках А и В соответственно, Δ W — изменение энергии.
а б в
Рис.1. Работа электростатического поля по перемещению заряда: а)-по прямой; б)-по ломаной ; в)-по кривой
Рассмотрим теперь перемещение заряда по траектории АСВ (рис. 1,б), отличной от предыдущей. В этом случае работа поля может быть вычислена как сумма работ по двум прямолинейным взаимно перпендикулярным участкам траектории:
Как видим, работа поля не изменилась.
Наконец соединим точки А и В плавной кривой АВ (рис. 1, в). В этом случае можно представить перёмещение заряда по кривой как совокупность малых перемещений. Эти малые участки кривой АВ можно считать отрезками. Работа в этом случае может быть найдена как сумма работ на каждом из отрезков:
Таким образом, независимо от формы траектории работа электростатического поля по перемещению заряда равна изменению потенциальной энергии заряда, взятому с противоположным знаком.
Аналогичное свойство имеет сила тяжести, работа которой также не зависит от формы траектории движения тела. Следовательно, потенциальная энергия заряда в однородном электростатическом поле определяется соотношением
W = qEd.
Билет 11
Магнитное поле тока. Индукция магнитного поля. Силы Ампера и Лоренца (без вывода).
Действие магнитного поля на находящийся в нем прямолинейный проводник с током экспериментально исследовал Ампер. Измеряя с помощью динамометра Д модуль силы,
Схема опытов Ампера Определение направления силы Ампера
действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, в зависимости от его длины, ориентации, силы тока и индукции магнитного поля, Ампер установил, что исследуемая сила:
пропорциональна длине проводника (F~ /);
пропорциональна модулю индукции магнитного поля (F~B);
пропорциональна силе тока в проводнике (F~/);
зависит от ориентации проводника в магнитном поле, т. е. от угла а, образованного проводником и вектором В.
Объединяя полученные данные, Ампер сформулировал закон (закон Ампера), позволяющий находить силу, с которой магнитное поле с индукцией В действует на проводник с током I длиной l, расположенный под углом α к вектору магнитной индукции:
FA = IBlsinα
Это сила называется силой Ампера.
Сила Ампера всегда перпендикулярна проводнику и вектору магнитной индукции В. Для определения направления силы Ампера используют правило левой руки:
если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора индукции входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали бы направление тока, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Ампера.
Магнитное взаимодействие проводников с током используется для определения в СИ одной из основных единиц — единицы силы тока — ампера.
Билет 12
Внутренняя энергия идеального газа. Способы ее изменения. Первое начало в термодинамике.
Совершение работы и выделение энергии при термодинамических процессах говорит о том, что термодинамические системы обладают запасом внутренней энергии.
Под внутренней энергией системы U в термодинамике понимают сумму кинетической энергии движения всех микрочастиц системы (атомов или молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия между собой. Подчеркнем, что механическая энергия (потенциальная энергия тела, поднятого под поверхностью Земли и кинетическая энергия его движения как целого) не входит во внутреннюю энергию.
Опыт показывает, что существуют два способа изменения внутренней энергии системы — совершение механической работы над системой и теплообмен с другими системами.
Первый способ изменения внутренней энергии — совершение механической работы А' внешними силами над системой или самой системой над внешними телами А(А= —А'). При совершении работы внутренняя энергия системы изменяется за счет энергии внешнего источника. Так, при накачивании велосипедного колеса система нагревается за счет работы насоса, при помощи трения наши предки смогли получить огонь и т. д.
Второй способ изменения внутренней энергии системы (без совершения работы) называется теплообменом (теплопередачей). Количество энергии, полученное или отданное телом при таком процессе, называется количеством теплоты и обозначается Q.
Существуют три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.
При теплопроводности происходит передача теплоты от более нагретого тела к менее нагретому при тепловом контакте между ними. Теплообмен может происходить и между частями тела: от более нагретой части к его менее нагретой без переноса частиц, составляющих тело.
Конвекция — перенос теплоты потоками движущихся жидкости или газа из одних областей занимаемого ими объема в другие. При нагревании чайника на плите теплопроводность обеспечивает поступление теплоты через дно чайника к нижним (пограничным) слоям воды, однако нагревание внутренних слоев воды как раз и есть результат конвекции, приводящей к перемешиванию нагретой и холодной воды.
Тепловое излучение — перенос теплоты посредством электромагнитных волн. При этом отсутствует механический контакт нагревателя и получателя теплоты. Например, при поднесении руки на небольшое расстояние к лампе накаливания Вы почувствуете ее тепловое излучение. Земля получает энергию от Солнца также за счет теплового излучения.
Поскольку внутренняя энергия U однозначно определяется термодинамическими параметрами системы, то она является функцией состояния. Соответственно, изменение внутренней энергии U при изменении состояния системы (изменение температуры, объема, давления, переход из жидкого состояния в твердое и т. д.) может быть найдено по формуле
где U1 и U2 — внутренняя энергия в первом и во втором состояниях. Напомним, что изменение внутренней энергии U не зависит от промежуточных состояний системы в процессе такого перехода, а определяется только начальным и конечным значениями энергии.
Термин «энергия» был впервые предложен Т. Юнгом в 1807 г. Приставка "эн" означает «емкость», «содержание», а корень «эрг» происходит от слова «работа».
Количество теплоты Q — скалярная физическая величина, которая является мерой изменения внутренней энергии системы (тела) в процессе теплообмена (теплопередачи).
Силы давления газа при его расширении или сжатии совершают работу над окружающими телами. Так, например, в двигателе внутреннего сгорания вследствие нагревания газ расширяется и толкает поршень, приводя тем самым автомобиль в движение.
Для вычисления механической работы, совершаемой термодинамическими системами, рассмотрим идеальный газ под поршнем в цилиндре (рис. 65). Пусть под действием силы
давления газа F поршень поднялся на высоту h. При этом совершена работа A = Fh. Сила давления, действующая со стороны газа на поршень площадью поперечного сечения S, F = pS, где р —давление газа. Таким образом, работа газа.
Здесь ΔV = Sh — изменение объема газа в цилиндре при перемещении поршня.
Таким образом, работа газа зависит от способа перехода из начального состояния в конечное. Работа в термодинамике является функцией процесса и не является функцией состояния. Следовательно, работа в термодинамике может быть определена только при указании вида процесса, в котором участвует термодинамическая система: работа при изотермическом сжатии, работа при изобарном расширении газа и т. д.
Вследствие того что работа термодинамической системы является функцией процесса, она не равна нулю для замкнутого цикла. Именно благодаря этому свойству работают тепловые машины, превращающие тепло в работу.
Физики XVIII в. и первой половины XIX в. рассматривали теплоту как особое невесомое вещество, содержащееся в телах. Это вещество называлось теплородом, и считалось, что его общее количество в термодинамической системе при тепловых процессах остается неизменным. Основным понятием теории теплорода было количество теплоты, которое осталось до настоящего времени. Понятие «общего» количества теплоты, содержащегося в системе, не имеет смысла. Можно говорить лишь о количестве теплоты, которое определенным образом подводится к системе, так как оно зависит от «способа подведения». Поэтому количество теплоты, так же как и работа, не является функцией состояния, а является функцией процесса.
Первая единица измерения количества теплоты определялась как количество теплоты, необходимое для нагревания 1г дистиллированной воды на 1 °С (или на 1 К) от 19,5 °С до 20,5 °С,— это была калория (1 кал).
В начале XIX в. английский физик Джеймс Джоуль поставил ряд опытов, которые показали, что процесс передачи теплоты, так же как и процесс совершения работы,—это способы передачи энергии. Подвешенный груз заставляет вращаться турбину с лопастями, трение которых о воду приводит к повышению температуры воды, измеренному Джоулем. Такое же повышение температуры воды можно было получить при ее нагревании на плите. Джоуль обнаружил, что определенная работа всегда эквивалентна определенному количеству теплоты. Он установил, что работа А=4,186 Дж эквивалентна Q=1 кал теплоты:
1 кал = 4,186 Дж.
Это соотношение называется механическим эквивалентом теплоты I:
В СИ единицей измерения количества теплоты является 1 Дж. В настоящее время на практике также используют внесистемные единицы измерения количества теплоты 1 кал, 1 ккал.
Прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе, называется калориметром. Это слово происходит от латинского слова саlor — тепло и греческого «метрио» — измеряю и было предложено французскими учеными Антуаном Лавуазье и Пьером Лапласом в 1780 г.
Понятие «работы» как произведения силы на путь ввел в физику в качестве количественной меры работы в 1826 г. французский, ученый Жан Виктор Понселе.
Первое начало термодинамики: количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и работу, совершаемое системой против внешних сил .
Первое начало термодинамики запрещает существование древней мечты человечества – вечного двигателя, в частности вечного двигателя «первого рода». Вечный двигатель «первого рода» - устройство, которое может совершать работу, превышающую затраченную, т. е. имеющий коэффициент полезного действия ŋ>1.
Билет 13
Линзы. Формула тонкой линзы. Построение изображения в тонких линзах. Оптические приборы.
Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линза, которая у краев толще, чем в середине, называется вогнутой, которая в середине толще – выпуклой. Прямая, проходящая через центры обеих сферических поверхностей линзы, называется главной оптической осью линзы. Если толщина линзы мала, то можно сказать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, называемой оптическим центром линзы. Прямая, проходящая через оптический центр, называется побочной оптической осью. Если на линзу направить пучок света, параллельный главной оптической оси, то у выпуклой линзы пучок соберется в точке F, называемой главным фокусом. Если такой же пучок направить на вогнутую линзу, то пучок рассеивается так, что лучи как будто бы исходят из точки F, называемой мнимым фокусом. Если направить пучок света параллельной побочной оптической оси, то он соберется на побочном фокусе, лежащем в фокальной плоскости, проходящей через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси. Из подобия треугольников получается формула линзы
.
Правило знаков: F, d, f – положительные если, линза собирающая, предмет и изображение действительные;
F, d, f – отрицательные если, линза рассеивающая, предмет и изображение мнимые.
Оптическая сила линзы – величина обратная фокусному расстоянию
дптр (диоптрия)
Для построения изображения в линзах необходимо знать ход трех основных лучей:
Оптические приборы
Лупа – оптический прибор (собирающая линза), позволяющий увеличить угол зрения на предмет(т.е. увеличивать мелкие детали предметов). Она представляет собой короткофокусную линзу (F от 10 до 100 мм), которую располагают глазом и предметом. Мнимое увеличенное изображение предмета получается на расстоянии наилучшего зрения – 25 см для нормального глаза. Т.о., изображение предмета рассматривается глазом без напряжения. Видимое увеличение даваемое лупой:
Где d0 – расстояние наилучшего зрения, F – фокусное расстояние линзы. Вследствие того, что d0=0,25 м, то обычно лупы имеют увеличение от 2,5 до 25 раз. Лупы с увеличением Г>40 не применяются из-за сильных искажений изображения или малости образа.
Проекционный аппарат – прибор, с помощью которого на экране получают действительное увеличенное (прямое или обратное) изображение святящихся или освященных предметов.
Фотоаппарат – прибор, предназначенный для получения действительного уменьшенного обратного изображения предметов на фотопленке. При этом предметы могут быть расположены на различном удалении от тоски съемки. Фотоаппарат состоит из закрытой светонепроницаемой камеры и системы линз, называемых объективом. С помощью перемещения объектива (наводкой на резкость) добиваются того, чтобы изображение предмета формировалось точно на фотопленке. В противном случае изображение получится не четким (размытым).
На смену пленочным приходят электронные (цифровые) фотокамеры, в которых изображение записывается не на фотопленку, а на специальный чувствительный элемент, с которого информация считывается и хранится в электронном (цифровом) виде, как в памяти компьютера.
Билет 14
Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.
Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 г. Он опытным путем установил, что при изменении магнитного поля внутри замкнутого контура в нем возникает электрический ток, который называют индукционным током. Опыты Фарадея можно воспроизвести следующим образом: при внесении или вынесении магнита в катушку, замкнутую на гальванометр, в катушке возникает индукционный ток (рис. 24). Если рядом расположить две катушки (например, на общем сердечнике или одну катушку внутри другой) и одну катушку через ключ соединить с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток (рис. 25). Объяснение этого явления было дано Максвеллом. Любое переменное магнитное поле всегда порождает переменное электрическое поле.
Для количественной характеристики процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур вводится физическая величина под названием магнитный поток. Магнитным потоком через замкнутый контур площадью S называют физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь контура S и на косинус угла а между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к площади контура (рис. 26).
Ф = BS cos α
Опытным путем был установлен основной закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по величине скорости изменения магнитного потока через контур.
Если рассматривать катушку, содержащую п витков, то формула основного закона электромагнитной индукции будет выглядеть так:
ε = n ΔФ/Δt.
Единица измерения магнитного потока Ф — вебер (Вб): 1В6 =1Β•c.
Из основного закона ΔФ =ε Δt следует смысл размерности: 1 вебер — это величина такого магнитного потока, который, уменьшаясь до нуля за одну секунду, через замкнутый контур наводит в нем ЭДС индукции 1 В.
Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый опыт Фарадея: чем быстрее перемещать магнит через витки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.
Зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 г. опытным путем установил русский ученый Ленц. Он сформулировал правило, носящее его имя. Индукционный ток имеет такое направление, при котором его магнитное поле стремится скомпенсировать изменение внешнего магнитного потока через контур. Ленцем был сконструирован прибор, представляющий собой два алюминиевых кольца, сплошное и разрезанное, укрепленные на алюминиевой перекладине и имеющие возможность вращаться вокруг оси, как коромысло. (рис. 27). При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало «убегать» от магнита, поворачивая соответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца кольцо стремилось «догнать» магнит. При движении магнита внутри разрезанного кольца никакого эффекта не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стремилось компенсировать изменение внешнего магнитного потока.
Билет 15
Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора.
Ядерная модель – в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Причем 99,99% массы электрона сосредоточено в ядре.
Ядерная модель атома, предложенная Резерфордом, не могла объяснить не только спектральные закономерности, но и даже сам факт существования атома, точнее — его устойчивость. Она также оказалась в противоречии с законами классической физики.
Во-первых, в соответствии с законами классической электродинамики Максвелла электроны при движении по орбитам с ускорением должны непрерывно излучать электромагнитные волны с частотами, равными частотам их обращения вокруг ядра.
Во-вторых, вследствие того, что излучение сопровождается потерей энергии, электроны за время порядка 10-13 с должны упасть на ядро (рис. 33). Следовательно, атом должен прекратить свое существование,
В-третьих, частота вращения электрона по мере приближения к ядру будет изменяться непрерывно, т. е. спектр излучения атома должен быть непрерывным, а не линейчатым.
Таким образом, по законам классической электродинамики атом Резерфорда должен быть неустойчивым, а его спектр излучения — непрерывным, что противоречило результатам экспериментов.
Итак, принимая ядерную модель атома, необходимо было признать значительные «отступления» от следствий классической электродинамики при ускоренном движении электронов в атоме.
Для преодоления противоречий между ядерной моделью атома Резерфорда и законами классической электродинамики Нильс Бор поставил перед собой цель связать в единое целое ядерную модель атома Резерфорда, закономерности линейчатых спектров и квантовый характер излучения и поглощения света. В 1913 г. он предложил квантовую модель атома, в основу которой положил следующие постулаты.
I постулат Бора (постулат стационарных состояний): электрон в атоме может находиться только в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. Когда электрон находится в стационарном состоянии, атом не излучает.
Стационарные состояния отличаются друг от друга различными орбитами, по которым движутся электроны в атоме. Набор электронных орбит, по сути, и определяет стационарные состояния электрона в атоме. Как следует из постулата, вопреки классической электродинамике электроны движутся по замкнутым орбитам и электромагнитные волны при этом не излучаются. Стационарные состояния можно пронумеровать, присвоив им порядковый номер n—1, 2, 3, ..., причем каждое состояние обладает своей фиксированной энергией Е.
Первый постулат Бора сохраняет основу ядерной модели атома, предложенной Резерфордом: электроны вращаются вокруг ядра по определенным (разрешенным) орбитам. Бор полагал, что эти орбиты представляют собой окружности, однако немецкий физик Арнольд Зоммерфельд показал, что орбиты могут также иметь форму эллипса, причем ядро располагается в одном из его фокусов (рис. 34).
Планеты Солнечной системы также движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Это обстоятельство делает аналогию между атомом Бора — Зоммерфельда и Солнечной системой еще более тесной.
II постулат Бора (правило частот):
электрон в атоме может «скачком» переходить из одного стационарного состояния (k-го) в другое (п-е). При этом переходе испускается или поглощается квант электромагнитного поля с частотой vkn, определяемой разностью энергий электрона в атоме в данных состояниях:
Если Ek>En, то происходит излучение энергии, если Ek<En — ее поглощение.
Состояние атома, которому соответствует наименьшая энергия, называется основным, а состояния, которым соответствуют большие значения энергии,— возбужденными. Впоследствии было показано, что в основном энергетическом состоянии электрон в атоме может находиться неограниченно долго, а в остальных стационарных состояниях — в среднем не более ~ 10-8 с. Это так называемое время жизни атома в возбужденном состоянии.
Как следует из II постулата Бора, частота излучения атома не связана с частотой обращения электрона по орбите, а определяется энергиями Ek и Еп атома в начальном и конечном состояниях. Переход электрона в атоме из одного стационарного состояния в другое сопровождается электромагнитным излучением с длиной волны
Правило частот Бора позволило объяснить линейчатую структуру атомных спектров: частоты излучения атома определяются значениями энергий атома в возбужденных состояниях.
Ill постулат Бора (правило квантования орбит): стационарные (разрешенные) электронные орбиты в атоме находятся из условия
mvrn = nħ, n=1, 2, 3, ...,
где m — масса электрона, v — линейная скорость его движения, rn— радиус n-й орбиты,
ħ = 1,05-10~34 Дж*с, h — постоянная Планка. Число п (номер орбиты) называется главным квантовым числом.
Таким образом, Бор усовершенствовал ядерную (планетарную) модель атома Резерфорда и объяснил вид атомных спектров и квантовый характер излучения, обнаруженный Планком и Эйнштейном.
Это был следующий шаг в становлении новой, квантовой физики.
Билет 16
Тепловое движение молекул. Температура. Температура – мера средней кинетической энергии движения молекул.
Одним из первых и важных успехов МКТ было качественное и количественное объяснение давления газа на стенки сосуда. Качественное объяснение заключается в том, что молекулы газа при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела и передают свои импульсы стенкам сосуда.
На основании использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено основное уравнение МКТ идеального газа, которое выглядит так:
р = 1/3 т0п<v2>
Здесь р — давление идеального газа, m0 —масса молекулы, п — концентрация молекул,
v2 — средний квадрат скорости молекул.
Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа <Еk >получим основное уравнение МКТ идеального газа в виде:
р = 2/3n<Еk>
Однако, измерив только давление газа, невозможно узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужно измерение какой-то еще физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной в физике является температура. Температура — скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия (состояния, при котором не происходит изменения микроскопических параметров). Как термодинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, так молекулярно-кинетическая величина характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической энергией.
Ek = 3/2 kT,
где k = 1,38 • 10-23 Дж/К и называется постоянной Больцмана.
Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Измеряется температура термометрами в градусах различных температурных шкал. Существует абсолютная термодинамическая шкала (шкала Кельвина) и различные эмпирические шкалы, которые отличаются начальными точками. До введения абсолютной шкалы температур в практике широкое распространение получила шкала Цельсия (за О °С принята точка замерзания воды, за
100 °С принята точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении).
Единица температуры по абсолютной шкале называется Кельвином и выбрана равной одному градусу по шкале Цельсия 1 К = 1 °С. В шкале Кельвина за ноль принят абсолютный ноль температур, т. е. температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю. Вычисления дают результат, что абсолютный ноль температуры равен -273 °С. Таким образом, между абсолютной шкалой температур и шкалой Цельсия существует связь Т = t °С + 273. Абсолютный ноль температур недостижим, так как любое охлаждение основано на испарении молекул с поверхности, а при приближении к абсолютному нулю скорость поступательного движения молекул настолько замедляется, что испарение практически прекращается. Теоретически при абсолютном нуле скорость поступательного движения молекул равна нулю, т. е. прекращается тепловое движение молекул.
Билет 17
Второе начало термодинамики. Тепловые двигатели. Коэффициент полезного действия тепловых двигателей. Экологические проблемы использования тепловых машин.
Под действием сил трения и сопротивления механическая энергия переходит во внутреннюю. А возможен ли обратный переход, при котором внутренняя энергия превращалась бы в механическую или позволяла бы совершать механическую работу? Оказывается, возможен. Для этого используются так называемые тепловые машины (двигатели), совершающие механическую работу за счет внутренней энергии системы. Тепловые двигатели позволяют использовать огромные запасы внутренней энергии различных энергоносителей (топлива) для нужд цивилизации.
Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя 1, рабочего тела 2 (газ или пар) и холодильника 3. Нагреватель (теплоотдатчик) передает рабочему телу тепловой машины энергию в виде тепла. Холодильник (теплоприемник) забирает от рабочего тела неизрасходованную часть тепловой энергии. Чаще всего в качестве холодильника используется окружающая среда. Система, которая обменивается энергией (теплотой) с внешней средой или другими системами и совершает работу, называется рабочим телом (веществом).
Работа любой тепловой машины состоит из повторяющихся циклических или круговых процессов (циклов). Циклическим или круговым процессом называется такая последовательность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.
Каждый цикл включает в себя:
Рассмотренный круговой процесс представляет собой схему работы любой тепловой машины, преобразующей тепло в работу. Газ получает от нагревателя количество теплоты
ΔQ1 часть его ΔQ2 отдает холодильнику. Так как рабочее тело вернулось в исходное состояние, то его внутренняя энергия не изменилась. Согласно первому началу термодинамики разность полученного и отданного количества теплоты (ΔQ = ΔQ1 — ΔQ2) и есть совершенная работа (ΔQ = A).
Коэффициент полезного действия (КПД)тепловой машины определяют как отношение совершенной машиной работы А к количеству тепла ΔQ1, полученному от нагревателя:
КПД характеризует степень преобразования внутренней энергии в механическую в данном тепловом двигателе. Другими словами, это эффективность работы тепловой машины, выраженная количественно.
С изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин исторически связано открытие второго начала термодинамики, которое определяет принцип действия тепловых машин. В 1850 г. немецкий физик Рудольф Клаузиус дал следующую формулировку второго начала термодинамики:
невозможен такой процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от более холодных тел к более горячим телам.
В 1851 г. Томсон предложил свою формулировку второго начала термодинамики:
невозможно построить такую циклически действующую тепловую машину, вся деятельность которой сводилась бы только к совершению механической работы и соответствующему охлаждению нагревателя.
Формулировки Клаузиуса и Томсона эквивалентны, т. е. следуют одна из другой. В настоящее время второе начало термодинамики формулируют следующим образом:
в природе невозможен такой циклический процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты, получаемой системой от нагревателя или окружающей среды, в работу.
Подчеркнем, что речь идет о невозможности циклического обратимого процесса, т. е. нециклический процесс, в ходе которого все количество подведенной извне теплоты преобразуется в работу, в природе существовать может. Для примера вспомним изотермическое расширение идеального газа, при котором вся подводимая теплота переходит в работу газа. Однако, как только необходимо будет повторить этот процесс вновь, потребуется вернуть газ в начальное состояние. Для того чтобы газ сжать, нужно либо совершить работу над ним, либо его просто охладить. И если первое условие нас не удовлетворяет, ибо необходимо создать машину, которая сама совершает работу, то второй способ подходит вполне. Но охлаждение газа не может произойти само по себе. Лишнюю теплоту нужно передать какой-либо системе. А это означает, что система, получив теплоту, или нагреется, или сама совершит работу, или произойдет одновременно и то, и другое. В любом случае состояние системы изменится. О чем, собственно, и идет речь во втором начале термодинамики.
Поскольку всю полученную теплоту рабочее тело не может преобразовать в работу, то какое-то количество теплоты оно будет «терять», т. е. отдавать холодильнику. Это означает, что КПД тепловой машины никогда не может быть равным единице. Таким образом, второе начало термодинамики ставит непреодолимое препятствие перед любым желающим сконструировать вечный двигатель второго рода, в котором должен быть достигнут КПД, равный единице, т. е. все подводимое тепло переходило бы в работу. Отметим, что нарушения первого начала термодинамики при этом не наступало бы — такие вечные двигатели «разрешены» первым началом термодинамики.
Итак, краткая формулировка второго начала термодинамики:
нельзя построить вечный двигатель второго рода.
Билет 18
Электрический ток в жидкостях. Законы электролиза. Применение электролиза.
Как твердые вещества, так и жидкости могут являться как проводниками – проводящими ток, так и диэлектриками – не проводящими ток. Дистиллированная вода (вода очищенная от примесей) не обладает носителями тока – ионами. При добавлении в нее поваренной соли происходит электролитическая диссоциация и вода становится электролитом.
Электролитическая диссоциация – распад молекул на ионы.
хидкости, которые проводят электрический ток называются электролитами. Изменение химического состава раствора или расплава при прохождении через него электрического тока, обусловленное потерей или присоединении электронов ионами, называют электролизом.
Майкл Фарадей установил, что при прохождении эл. тока через электролит масса вещества m выделившегося на электроде, пропорциональна заряду q прошедшего через электролит:
m=k.q или m=k.I.t.
Зависимость, полученную Фарадеем, называют законом электролиза. Коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом.
==>
Коэффициент k численно равен массе выделившегося на электродах вещества при переносе ионами заряда в 1 Кл:
k=m/q [k]=1кг/1Кл.
Произведение заряда электрона на число Авогадро называется числом Фарадея:
F=96500 Кл/моль.
Число Фарадея это электрический заряд, переносимый веществом в количестве 1 моль при электролизе.
В электрическом поле ионы электролита приходят в движение: положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду. Так возникает электрический ток в электролите. При встречи положительного и отрицательного ионов, происходит их соединение – рекомбинация.
С помощью электролиза из солей и оксидов получают многие металлы. Электролитический способ дает возможность получать вещества с малым количеством примесей. Путем электролиза можно наносить тонкие слои металлов, эти слои могут служить защитой изделия от окисления. Такой способ называется – гальваностегией.
При длительном пропускании тока, получается толстый слой металла, который может быть отделен с сохранением формы – гальванопластика. Явление электролиза лежит в основе принципа действия кислотных и щелочных аккумуляторов, где используют обратимость процесса электролиза.
Билет 19
Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Типы самостоятельного разряда и их техническое применение.
Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводниками могут быть только ионизированные газы, в которых содержатся электроны, положительные и отрицательные ионы.
Для того чтобы отделить электрон от атома, необходимо совершить работу, определяемую свойствами атома, т. е. израсходовать энергию ионизации W, обычно выражаемую в электрон-вольтах. Разность потенциалов, которую должен пройти электрон для приобретения энергии ионизации, называется потенциалом ионизации атома или молекулы.
Ионизация, возникающая под действием высоких температур называется термоионизацией различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного) и космических лучей— фотоионизацией вследствие столкновения частиц между собой — ударной ионизацией.
Образовавшиеся вследствие ионизации электроны и ионы делают газ проводником электричества. Поскольку при ионизации молекулы газа образуется пара противоположно заряженных частиц: электрон и положительный ион, то свободные заряды в газе в основном имеют элементарный заряд е. (Для образования свободных зарядов 2е, Зе и т. д. необходима большая энергия, поэтому они встречаются гораздо реже.) Подчеркнем, что, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, свободные электроны могут присоединяться к ним, образуя и отрицательные ионы.
После прекращения действия ионизатора количество ионов в газе с течением времени уменьшается, так как электроны и ионы при тепловом движении соударяются друг с другом и превращаются в нейтральные атомы и молекулы. Процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц называется рекомбинацией. При рекомбинации выделяется энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Это может вызвать, например, свечение газа.
Явление прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Различают несамостоятельные и самостоятельные газовые разряды.
Газовые разряды, происходящие под действием внешнего ионизатора, называются несамостоятельными. В результате действия ионизатора в пространстве между пластинами конденсатора ежесекундно образуется определенное число пар разноименных свободных зарядов (положительных ионов и электронов). Заметим, что одновременно с ионизацией начинается процесс рекомбинации. Его скорость пропорциональна числу ионизированных частиц, поэтому со временем число вновь образованных заряженных частиц становится равным числу рекомбинировавших. Таким образом, устанавливается динамическое равновесие, при котором процессы ионизации и рекомбинации «уравновешивают» друг друга. Среднее число заряженных частиц в пространстве между пластинами с течением времени не изменяется.
Если между обкладками конденсатора создать постоянное электрическое поле, то все заряженные частицы, наряду с тепловым движением, под действием сил поля будут участвовать в направленном движении. Положительные ионы будут двигаться к катоду, а электроны — к аноду. Цепь замкнется, и амперметр покажет наличие в ней электрического тока.
При увеличении напряжения скорости движения частиц возрастают. Все большее число частиц будут достигать электродов, не успев рекомбинировать. Сила тока возрастает. Наконец, при определенном напряжении все частицы, образованные под действием ионизатора, будут достигать катода и анода. Процесс рекомбинации прекратится. С этого момента сила тока больше не изменяется: дальнейшее увеличение напряжения приводит лишь к увеличению скорости направленного движения частиц, но не их концентрации. Таким образом, достигается ток насыщения.
Резкое возрастание силы тока при дальнейшем увеличении напряжения указывает на то, что в пространстве между пластинами появляется дополнительное число свободных носителей заряда. Они возникают вследствие столкновения электронов с молекулами воздуха. Когда напряженность электрического поля в воздухе между обкладками конденсатора достигает десятков тысяч вольт на сантиметр, кинетическая энергия электронов становится достаточной для ударной ионизации, при которой электрон, сталкиваясь с нейтральным атомом, выбивает из него один или несколько «новых» электронов. Нейтральный атом превращается в положительный ион, и в газе появляются дополнительные носители заряда, которые увеличивают силу тока.
Поскольку ионы намного массивнее электронов, то под действием приложенного электрического поля они не достигают скоростей, достаточных для ударной ионизации молекул. Однако при бомбардировке поверхности катода ионами с нее выбиваются электроны, которые получили название вторичных электронов. Соответственно, явление выбивания электронов ионами с поверхности катода называется вторичной электронной эмиссией.
Если для образования свободных электронов используется нагревание катода, то говорят о явлении термоэлектронной эмиссии.
При ударной ионизации число образовавшихся электронов и ионов с течением времени возрастает в геометрической прогрессии, образуя так называемые электронную и ионную лавины. С возникновением лавин характер газового разряда меняется с несамостоятельного на самостоятельный поскольку свободные заряды в газе образуются самопроизвольно, без действия внешнего ионизатора. Если теперь убрать ионизатор, то газовый разряд при этом не исчезнет.
Газовый разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным разрядом.
Процесс перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный называется электрическим пробоем, а соответствующее ему напряжение U — напряжением пробоя.
Характер самостоятельного разряда определяется свойствами и состоянием газа, величиной и распределением приложенного напряжения, формой и расположением электродов.
Билет 20
Электронная проводимость металлов. Зависимость сопротивления металлов от температуры.
В металлах имеется большое количество свободных электронов, способных перемещаться по всему объему проводника. Они получили название электронов проводимости.
Поскольку суммарный объемный заряд металла равен нулю, то можно сделать вывод, что в металле имеются и положительные заряды, не принимающие участия в образовании тока. Положительными зарядами обладают ионы кристаллической решетки металла.
В отсутствие внешнего электрического поля электроны совершают беспорядочное тепловое движение, подобно атомам газа (или частицам, совершающим броуновское движение). Это дало возможность описывать движение электронов внутри металла с помощью модели электронного газа. Средняя скорость теплового движения электронов при комнатной температуре составляет примерно 105А. В отсутствие внешнего поля суммарный заряд, переносимый электронами в любом направлении внутри проводника, равен нулю, так как все направления их движения равноправны.
При наличии внешнего электрического поля движение электронов представляет собой сумму беспорядочного теплового движения и упорядоченного движения под действием поля. Причем скорость упорядоченного движения составляет величину порядка 104. Это движение представляет собой электрический ток в металлах.
Следует отметить, что скорость распространения тока и скорость упорядоченного переноса носителей тока — не одно и то же. Скорость распространения тока равна скорости распространения электрического поля в пространстве (скорости света в вакууме) — 300 000км/с.
Электрическое сопротивление металлов обусловлено тем, что в промежутках между соударениями электроны под действием поля движутся с ускорением и приобретают кинетическую энергию, которая частично или полностью при соударениях передается ионам и превращается в энергию колебаний ионов, т. е. в конечном счете в тепло. Поэтому при прохождении тока металлы нагреваются. Если температура вещества повышается, то ионы, образующие кристаллическую решетку, начинают совершать колебания с большей амплитудой вблизи положений равновесия. Это приводит к тому, что они сильнее рассеивают поток упорядоченно движущихся электронов, т. е. возрастает сопротивление их движению. С точки зрения физики макромира это приводит к росту сопротивления проводника с увеличением температуры.
Каждое вещество характеризуется температурным коэффициентом сопротивления, который равен относительному изменению удельного сопротивления проводника при его нагревании на 1 °С:
где — удельное сопротивление при t0 = 0°С, ρ — удельное сопротивление при температуре t (в градусах Цельсия), Δt=t-t0
Зависимость удельного сопротивления металлического проводника от изменения температуры выражается линейной функцией:
ρ(t) = (1+αΔt)
Если пренебречь изменением размеров металлического проводника при нагревании, то такую же линейную зависимость от температуры будет иметь и его сопротивление:
R=R0(1+αΔt)
Для большинства металлов в интервале температур от 0 до 100 °С α изменяется в пределах от 3,3-10-3 до 6,2-10-3 град-1. Подчеркнем, что температурные коэффициенты сопротивления химически чистых металлов близки к α= град-1.
Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан. Их температурные коэффициенты сопротивления очень малы и соответственно равны 1.10-5 град-1
и 5.10 -5 град-1.
При температурах, близких к -273 °С (абсолютный нуль), наблюдается явление сверхпроводимости. Оно заключается в том, что при температуре ниже некоторой критической tK, называемой температурой перехода в сверхпроводящее состояние, удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля (см. рис.).
Билет 21
Гармонические колебания. Характеристики колебаний. Уравнение гармонических колебаний.
Колебательным движением (колебаниями) называют всякий процесс, который обладает свойством повторяемости. Периодическим называется движение, при котором физические величины через равные промежутки времени принимают одни и те же значения. Периодическое движение называется колебательным, если тело (материальная точка) перемещается около устойчивого положения равновесия, отклоняясь то в одну, то в другую сторону. При этом через любую точку траектории, за исключением крайних, тело проходит как в прямом, так и в обратном направлении. Следовательно, отличительным признаком колебательного движения является его возвратность.
Итак, колебательное движение (колебания) — это форма движения. Его особенностью является то, что разнородные по своей природе физические процессы, например механические и электромагнитные, описываются одинаковыми зависимостями физических величин от времени.
Наиболее важными величинами, характеризующими механические колебания, являются:
х(t) — координата тела (смещение тела из положения равновесия) в момент времени t:
где x(t) — заданная периодическая функция времени t, Т — период;
А — амплитуда — максимальное отклонение тела или системы от положения равновесия (π>0);
Т—период — длительность одного полного колебания, т. е. наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значения всех физических величин, характеризующих колебание:
ν — частота — число колебаний в единицу времени:
ω— циклическая (угловая) частота — число колебаний системы в течение 2π секунд:
ω=2πν=2π/Т,
φ = (φ-φо), — фаза — аргумент периодической функции, определяющий значение изменяющейся физической величины в данный момент времени t\
φо — начальная фаза, определяющая положение тела в начальный момент времени.
Колебания, при которых зависимость координаты тела от времени описывается формулами
х (t) = A cos (φ-φо) или x(t) = A sin (φ-φо),
называются гармоническими.
Зависимость координаты от времени х (t) называется кинематическим законом гармонического движения, поскольку позволяет определить положение тела, его скорость, ускорение в произвольный момент времени. Систему (тело), которая совершает гармонические колебания, называют колебательной системой или гармоническим осциллятором.
Обратим внимание на то, что координата x(t) и ускорение a(t) точки В в любой момент времени связаны соотношением a(t)=—ω2x(t). Это позволяет сделать вывод, что при гармоническом движении проекция ускорения точки прямо пропорциональна ее смещению от положения равновесия и противоположна ему по знаку.
Данное соотношение, записанное в виде
представляет собой уравнение гармонических колебаний (гармонического осциллятора).
Билет 22
Строение и свойства жидкостей и твердых тел. Использование кристаллов в технике.
По своим физическим свойствам жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Так же как и газы, жидкости не сохраняют формы, передают производимое на них давление по всем направлениям без изменения. Подобно газам, свойства жидкостей не зависят от направления действия. Говорят, что жидкостям, как и газам, присуща изотропия.
Однако, так же как и твердые тела, жидкости сохраняют свой объем, практически не поддаются сжатию, образуют границу раздела. Так, если увеличить давление на жидкость на 1 атм., то объем каждого кубического сантиметра уменьшится для воды на ΔV = 4,7- 10-5 см3, для ртути — на Δ V = 2,95.10-6 см3, для глицерина — на 2,70.10-6 см3.
В то же время жидкости обладают свойством текучести, которого нет ни у твердых тел, ни у газов — при сохранении объема они принимают форму «предоставленного сосуда». Таким образом, жидкости обладают некоторыми общими свойствами как с газами, так и с твердыми телами.
Различия во внутренних строениях веществ проявляются при сравнении параметров фазовых переходов твердое тело - жидкость и жидкость- пар. По своим свойствам жидкости (при температурах меньше температуры кипения) «ближе» к твердым телам, чем к газам. Этот вывод подтверждает и факт слабого различия между удельными теплоемкостями с веществ в жидком и твердом состояниях
Поверхностный слой жидкости производит на внутреннюю молекулу молекулярное давление, под действием сил которого молекулы жидкости стремятся перейти из поверхностного слоя в глубь жидкости. Таким образом поверхностный слой жидкости представляет собой как бы эла стичную растянутую пленку, охватывающую всю жидкость и стремящуюся собрать ее в одну «большую каплю». Это явление, характерное только для жидкостей, получило название поверхностного натяжения.
Вследствие поверхностного натяжения жидкость стремится сократить площадь своего поверхностного слоя (свободной поверхности), в результате чего его площадь становится минимальной для данных условий. Поскольку из всевозможных фигур данного объема наименьшую площадь поверхности имеет шар, то под действием сил поверхностного натяжения жидкость стремится принять форму шара. Действительно, шарообразную форму имеют маленькие капельки росы, капли жидкости при свободном падении в воздухе или в невесомости внутри космического корабля. Заметим, что поверхность жидкости в широких сосудах на земле имеет плоскую форму вследствие действия силы тяжести.
Вследствие поверхностного натяжения для перемещения молекулы из глубины жидкости на ее поверхность необходимо совершить некоторую работу А против сил молекулярного давления поверхностного слоя. Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии поверхностного слоя данной жидкости. Другими словами, каждой частице, перемещаемой в поверхностный слой, нужно сообщить дополнительную энергию по сравнению с ее энергией внутри жидкости. Поэтому поверхностное натяжение а количественно характеризуется работой А, необходимой для увеличения площади свободной поверхности жидкости на S = 1 м2 при постоянной температуре.
Как известно, твердые тела образуют границу раздела, сохраняют объем и форму, практически несжимаемы и обладают прочностью «на разрыв». По своему внутреннему строению твердые тела разделяются на кристаллические и оморфные.
Кристаллические твердые тела (кристаллы) обладают пространственной периодической структурой, называемой кристаллической решеткой.
Среди кристаллических тел различают моно- и поликри сталлы. Монокристаллы или так называемые «одиночные кристаллы» имеют форму правильных симметричных многогранников, поскольку расположение всех частиц в них строго упорядочено и периодически повторяется в пространстве.
Твердые тела, у которых отсутствует строгая периодичность расположения структурных частиц, называются аморфными.
Примерами аморфных тел являются стекло, янтарь, битум. Большинство веществ при определенной температуре может находиться только в одном из агрегатных состояний: твердом, жидком, газообразном или плазменном. Однако некоторые органические вещества при повышении температуры могут переходить в жидкокристаллическое состояние. Эти вещества называют жидкими кристаллами. В таком состоянии вещество одновременно обладает физическими свойствами как твердого тела — энтропией, так и жидкости — текучестью. Поэтому для жидкокристаллического состояния употребляется также и другое название — мезофаза, что буквально означает «промежуточная фаза». Именно эти уникальные гибридные свойства.
В настоящее время жидкокристаллические вещества широко применяются для создания устройств отображения и хранения информации — дисплеев компьютеров, мобильных телефонов, калькуляторов. Основным преимуществом жидкокристаллических дисплеев является малое управляющее электрическое напряжение — 0,5—2 В, тогда как в электронно-лучевых трубках используются напряжения в десятки киловольт. Малые рабочие напряжения позволяют без преобразователей соединять жидкокристаллические дисплеи с интегральными схемами приема, управления и формирования изображения. Кроме того, малые потребляемые токи обуславливают экономичность, долгий срок службы и компактность жидкокристаллических приборов.
-
Билет 23
Переменный ток. Передача энергии на расстояние. Трансформаторы.
Пусть электрический генератор создает напряжение U (/)= U0 sin ωt.
Согласно закону Ома сила тока в цепи, содержащей только резистор сопротивлением R, изменяется со временем также по синусоидальному закону
где - амплитудное значение тока в цепи.
Переменным током называется электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону.
Для практического использования электрической энергии необходимо уметь изменять напряжения для различных потребителей. Для этого используются трансформаторы (от, латинского слова transformo — преобразую). Трансформатор был изобретен в 1876 г. русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым.
Трансформатор — это электротехническое устройство, служащее для преобразования (повышения или понижения) переменного напряжения.
В простейшем случае он состоит из двух обмоток, одна из которых называется первичной, а другая вторичной. На первичную обмотку подается исходное напряжение, а со вторичной снимается преобразованное. Обмотки трансформатора могут быть расположены различным образом на общем сердечнике (рис. 1).
Рис. 1. Различное расположение обмоток трансформатора
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Магнитный поток, создаваемый переменным током в первичной обмотке, благодаря наличию сердечника практически без потерь пронизывает витки вторичной обмотки, возбуждая в ней ЭДС индукции. Вследствие этого трансформатор может работать только на переменном токе.
Первичная обмотка трансформатора подключена к источнику переменной ЭДС с действующим значением напряжения Uд. Если весь магнитный поток, создаваемый переменным током в первичной обмотке, пронизывает вторичную обмотку без рассеяния, то в каждом витке вторичной обмотки будет индуцироваться точно такая же ЭДС, как и в каждом витке первичной обмотки. Следовательно, отношение ЭДС в первичной и вторичной обмотках равно отношению числа витков:
Режимом холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой. В этом случае напряжение на вторичной обмотке равно индуцируемой в ней ЭДС:
U2=ε2
Следовательно,
Таким образом, при разомкнутой вторичной обмотке напряжение на ней пропорционально напряжению на первичной обмотке. В зависимости от числа витков U2 может быть как больше (трансформатор повышающий), так и меньше (трансформатор понижающий) U1. Тип трансформатора определяется коэффициентом трансформации, который равен отношению числа витков в первичной катушке к числу витков во вторичной:
При холостом ходу отношение абсолютных значений напряжений на концах первичной и вторичной обмоток трансформатора равно коэффициенту трансформации:
Как видно из формулы, при κ>1 трансформатор будет понижающим, а при
κ <1 — повышающим.
Включение во вторичную цепь нагрузки приводит к появлению в ней тока. Магнитный поток, создаваемый током во вторичной обмотке, согласно правилу Ленца стремится уменьшить магнитный поток через витки первичной обмотки. При этом увеличивается ток в первичной обмотке, и, следовательно, возрастает потребляемая от внешней цепи мощность. Таким образом, мощность, выделяемая во вторичной цепи трансформатора, передается от источника тока, подключенного к его первичной обмотке.
Рабочим режимом (ходом) трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена нагрузка с отличным от нуля сопротивлением.
Режимом короткого замыкания называется режим, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута без нагрузки. Данный режим опасен для трансформатора, поскольку в этом случае ток во вторичной обмотке максимален и происходит электрическая и тепловая перегрузка системы.
Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, так как при этом возникает необходимость многократного преобразования электрического напряжения.
Как известно, тепловые потери в проводниках пропорциональны квадрату силы тока, поэтому для их уменьшения целесообразно передавать электроэнергию при малом токе. Снижение силы тока в п раз снижает тепловые потери в проводах в п2 раз. Напряжение при этом следует повышать для сохранения передаваемой мощности, поэтому на практике применяют высоковольтные линии передач. Напряжение питания отдельных потребителей должно быть низким для упрощения их конструкции и для безопасности их обслуживания.
Повышение и понижение напряжения переменного тока легко достигается при помощи трансформаторов, чем и объясняется широкое применение в электроснабжении именно переменного тока.
В настоящее время все большее распространение получают линии передач, работающие на постоянном токе. Это происходит потому, что, хотя преобразование постоянного напряжения сложнее и дороже, постоянный ток обладает рядом преимуществ по сравнению с переменным.
Во-первых, переменный ток создает переменные магнитные моля, которые индуцируют токи в близлежащих проводах, что приводит к потерям мощности.
Во-вторых, постоянный ток можно передавать при более высоком напряжении — у постоянного тока действующее напряжение равно максимальному, и не следует опасаться электрического пробоя изолятора или воздуха при максимальном напряжении.
Рассмотрим блок-схему передачи и распределения электроэнергии (рис. 2):
генератор переменного тока (10—20 кВ)=>-
повышающий трансформатор (500 кВ, 750 кВ, 1150 кВ)=>
высоковольтные линии электропередачи =>
понижающие трансформаторы (до 127 В, 220 В, 380 В,660 В)=>-
потребитель.
Рис. 2. Блок-схема передачи электроэнергии
Билет 24
Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна. Фотон.
В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой
Е = hν
где h — постоянная Планка, равная 6,63 • 10-34 Дж • с,
ν — частота света.
Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым А. Г. Столетовым.
Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения (света).
В результате исследований были установлены три закона фотоэффекта.
1. Сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и зависит от его интенсивности.
3. Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не происходит.
Зависимость фототока от напряжения показана на рисунке 36.
Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию hv. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода — это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид:
mv2/2 = hv — Авых,
Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.
Если hν < Авых то фотоэффект не происходит. Значит, красная граница фотоэффекта равна νmin = Авых/h
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.
Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.
С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.
Билет 25
Распространение колебаний в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Звуковые волны. Элементы акустики.
Опыт показывает, что колебания, возбужденные в какой-либо точке упругой среды, с течением времени передаются ее остальным частям. В качестве примера достаточно вспомнить, что измерение пульса осуществляется на запястье, хотя сердце расположено внутри грудной клетки. Такие явления связаны с распространением механических волн.
Механической волной называется процесс распространения колебаний в среде, который сопровождается передачей энергии колеблющегося тела от одной точки среды к другой.
Заметим, что механические волны не могут распространяться в вакууме.
Источником механических волн является колеблющееся тело. Колебания, вызванные в каком-либо месте среды, распространяются с определенной скоростью, зависящей от плотности и упругих свойств среды. При распространении волны отсутствует перенос вещества, т. е. частицы только колеблются вблизи положений равновесия. Среднее смещение частиц, участвующих в волновом движении, за большой промежуток времени равно нулю.
Рассмотрим основные характеристики волны.
Волновой фронт — это воображаемая поверхность, до которой дошло волновое возмущение в данный момент времени.
Фазовая поверхность — это поверхность, точки которой при колебаниях имеют одинаковую фазу.
Линия, проведенная перпендикулярно волновому фронту в направлении распространения волны, называется лучом. Луч указывает направление распространения волны.
Рассмотрим классификацию бегущих волн по направлению колебаний в них частиц среды.
Волна называется продольной, если колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения волны. Продольную волну легко получить с помощью длинной пружины, которая лежит на гладкой горизонтальной поверхности и один конец ее закреплен. С помощью легкого удара по свободному концу пружины мы вызовем появление продольной волны (рис. 1). При этом каждый виток пружины будет колебаться вдоль направления движения волны. Примерами продольных волн являются звуковые волны в жидкости или воздухе.
Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волн. С помощью длинной пружины можно продемонстрировать распространение поперечных волн, если совершать колебания одного из ее концов перпендикулярно пружине (рис. 1). Поперечные волны вызывают звучание струн музыкальных инструментов при их возбуждении.
Раздел физики, занимающийся изучением звуковых явлений, называется акустикой.
Колебания среды, воспринимаемые органами слуха, называются звуком.
Звуковая волна — механическая волна, представляющая собой зоны сжатия и разрежения среды (например, воздуха), распространяющиеся в пространстве с течением времени. Таким образом, в процессе распространения звуковой волны меняются такие характеристики среды, как давление или плотность.
Звуковые волны классифицируются по частоте следующим образом:
инфразвук (ν<l6 Гц);
слышимый человеком звук (16 Гц< ν <20000 Гц);
ультразвук (20 000< ν <109 Гц);
гиперзвук (109< ν <1012-1013 Гц).
Звуковые волны приносят человеку жизненно важную информацию — с их помощью мы общаемся, наслаждаемся прекрасными мелодиями, узнаем по голосу знакомых людей. Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен, однако мы достаточно легко ориентируемся в нем и безошибочно можем отличить пение птиц от шума городской улицы.
Одной из важнейших характеристик звуковых сигналов является спектр. Спектром называется набор волн различных частот, образующих данный звуковой сигнал. Спектр может быть сплошным или дискретным. Сплошной спектр означает, что в данном наборе присутствуют волны, частоты которых непрерывным образом заполняют весь заданный спектральный диапазон. Дискретный спектр означает наличие конечного числа воли с определенными частотами и амплитудами, которые образуют рассматриваемый сигнал.
Но типу спектров звуки разделяются на шумы и музыкальные тона.
Шум — совокупность множества кратковременных разнообразных звуков (хруст, шелест, шорох, стук и т. п.). Он представляет собой сложение очень большого числа гармонических колебаний с близкими амплитудами, но различными частотами (имеет сплошной спектр).
Музыкальный тон создается периодическими колебаниями специального звучащего тела (камертон, поющий голос, струна) и представляет собой гармоническое колебание одной частоты. С помощью музыкальных тонов создается музыкальная азбука — ноты (до, ре, ми, фа, соль, ля, си), которые позволяют воспроизводить одну и ту же мелодию на различных музыкальных инструментах.
Музыкальный звук (созвучие) — результат наложения нескольких одновременно звучащих музыкальных тонов
Интенсивность любой волны определяется как мощность, переносимая ею через единичную площадку, расположенную перпендикулярно к направлению распространения волны. Иначе, интенсивность — это энергия, переносимая волной в единицу времени через поперечное сечение площадью 1 м2. В СИ интенсивность волны измеряется в ваттах на метр в квадрате.
Любой звук обладает также и характеристиками, связанными с восприятием его конкретным человеком (субъективными характеристиками). Это связано с тем, что восприятие звука — процесс одновременно и физический, и физиологический. Действительно, человеческое ухо воспринимает звуковые колебания определенных частот и интенсивностей (это объективные характеристики звука, т. е. не зависящие от человека) по-разному, в зависимости от «характеристик приемника» (здесь влияют субъективные индивидуальные черты каждого человека).
Основными субъективными характеристиками звука можно считать его громкость, высоту и тембр.
Громкость (степень слышимости звука) определяется как интенсивностью звука (амплитудой колебаний в звуковой волне), так и чувствительностью человеческого уха на разных частотах, т. е. его способностью улавливать звуки различных частот. Следует отметить, что болевой порог в зависимости от частоты изменяется не столь существенно, как порог слышимости.
Высота звука определяется частотой звуковых колебаний, обладающих наибольшей интенсивностью в спектре.
Тембр (оттенок звука) зависит от того сколько обертонов присоединяются к основному тону и какова их интенсивность и частота. По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, флейты и гитары при взятии одной и той же ноты, голоса людей, произносящих один и тот же звук
Скорость звука зависит от упругих свойств, плотности и температуры среды. Чем больше упругие силы, тем быстрее передаются колебания частиц соседним частицам и тем быстрее распространяется волна. Поэтому скорость звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше, чем в твердых телах. Для сравнения приведем скорости звука в воздухе, в воде и в железе при t = 20° С:
Звуковые волны (особенно ультразвуковых частот) находят очень широкое применение в науке и технике. Например, с их помощью соединяют мельчайшие проводники в микроэлектронике где традиционная пайка исключена, они используются в медицине в диагностических целях (так называемые УЗИ-сканеры, позволяющие исследовать внутренние органы человека. В отличие от излучения рентгеновских аппаратов ультразвуковое излучение безвредно для человека.
Способ ориентации или исследования окружающих объектов, основанный на излучении ультразвуковых импульсов с последующим восприятием эха от них, называется эхолокацией, а соответствующие приборы — эхолокаторами. Наиболее известные животные, обладающие способностью к эхолокации,— летучие мыши и дельфины. По своему совершенству эхолокаторы этих животных не уступают, а во многом и превосходят современные эхолокаторы, созданные человеком.
Этим способом ориентации обладают различные китообразные, а также птицы гуахаро, гнездящиеся в глубоких пещерах Венесуэлы и на острове Тринидада, стрижи-салаганы, живущие в пещерах Юго-Восточной Азии.
Эхолокаторы, используемые под водой, называются гидролокаторами или сонарами (название sonar образовано из начальных букв трех английских слов: sound — звук, navigation — навигация, range — дальность). Сонары незаменимы при исследованиях морского дна (его профиля, глубины), для обнаружения и исследования различных объектов, движущихся глубоко под водой. При их помощи могут быть легко обнаружены как отдельные большие предметы или животные, так и стаи небольших рыб или моллюсков.